Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ СКОРОСТИ ТЕПЛОВОЗА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к устройствам для автоматического регулирования скорости тепловоза с электропередачей.

Известно устройство для автоматического регулирования скорости тепловоза с электрической передачей, содержащее задатчик и датчик текущей скорости, импульсный преобразователь и усилитель тока через обмотку возбуждения, блок управления тормозами, блок обнаружения боксования, ограничивающий набор скорости при боксовании и блок управления регулятором дизеля (SU, А.с. №206633, кл. B60L 15/20, опубл. 1967 г.).

Недостатком известного устройства является то, что регулирование тока возбуждения возбудителя с помощью одного усилителя приводит к занижению тока возбуждения при установившемся режиме движения локомотива (скважность выходного сигнала импульсного преобразователя равна 0,5), т.е. к снижению его мощности. Кроме того, регулирование тока возбуждения пропорционально отклонению текущего значения скорости от заданной обуславливает колебательный процесс изменения скорости, что нежелательно по соображениям технологии сортировочного процесса на горках и экономичности работы дизеля. Названное устройство приводит также к значительному перерегулированию по скорости, т.к. разгон и торможение локомотива осуществляются без учета фактической интенсивности изменения скорости инерционной системы локомотив-состав.

Известно устройство для автоматического регулирования скорости тепловоза с электропередачей, содержащее задатчик скорости, датчик истинной скорости, блок сравнения скоростей, импульсный преобразователь с усилителем, воздействующий на возбуждение возбудителя главного генератора и механизм изменения установки регулятора скорости дизеля, блок релейного управления, вход которого подключен к указанному импульсному преобразователю, а выход - к механизму изменения уставки регулятора скорости дизеля (SU, А.с. №10098831, кл. B60L 15/20, опубл. 1983 г.).

Недостаток указанного устройства проявляется в том, что предварительный расчет позиций регулятора дизеля по известному выражению как функции тока генератора, отклонения по скорости, частоты вращения вала дизеля и фактической скорости генератора не позволяет использовать это устройство для работы на сортировочных горках за счет многочисленных настроек вычислительных узлов. Кроме того, результаты верны только при изменении задания по скорости во время установившегося режима движения системы локомотив-состав.

Известно устройство для регулирования скорости тепловоза с электрической передачей, принятое за прототип, содержащее блок оценки скоростных параметров с элементом сравнения, входы которого подключены к выходам задатчика и датчика скорости, блок управления током генератора с последовательно соединенными первым формирователем импульсов с изменяемой скважностью и первым усилителем, выход которого связан с обмоткой возбуждения возбудителя главного (тягового) генератора, и блок управления регулятором дизеля, введены блоки управления плавным и ступенчатым регулированием скорости, блок управления тормозами, блок управления песочницами, блок обнаружения боксования колес и блок ввода позиций контроллера, блок оценки скоростных параметров снабжен компаратором и пороговым элементом, а блок управления током генератора счетчиком позиций увеличения и уменьшения тока генератора и последовательно соединенными вторым формирователем импульсов с изменяемой скважностью и вторым усилителем, выход которого связан обмоткой возбуждения возбудителя главного (тягового) генератора, при этом первые, вторые и третьи входы блоков управления плавным и ступенчатым регулированием скорости соединены с выходами соответственно элемента сравнения, порогового элемента и компаратора, выходы блока управления плавным регулированием скорости подключены к счетным входам счетчиков позиций увеличения и уменьшения тока генератора, выходы которых соединены с входами соответствующих формирователей импульсов, а входы сброса с дополнительными выходами последних, первый и второй выходы блока управления ступенчатым регулированием подключены соответственно к первому и второму входам блока управления регулятором дизеля, соединенным с дополнительными выходами соответствующих формирователей импульсов, а третий и четвертый выходы - ко входам блока управления соответственно песочницами и тормозами, выход блока обнаружения боксования соединен с третьим входом блока управления регулятором дизеля, а выход блока ввода позиций контроллера - с его четвертым входом (RU, патент на изобретение №2036808, кл. B60L 15/20, опубл. 1995 г.).

Недостатком указанного устройства является то, что в диапазоне малых скоростей движения затруднительно получить точную информацию по скорости движения тепловоза и по интенсивности изменения текущей скорости состава и, соответственно, обеспечить приемлемую статическую и динамическую точность регулирования скорости, особенно в диапазоне малых скоростей движения.

Техническим результатом изобретения является повышение динамической и статической точности поддержания скорости путем введения параметрического регулирования напряжения тягового генератора с компенсацией падения напряжения в цепях тягового двигателя и включения в контур регулирования скорости интегральной составляющей по отклонению скорости, обеспечение экономичности работы тепловоза за счет автоматического выбора позиции регулятора дизеля в соответствии с реальной нагрузкой тягового генератора.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство для автоматического регулирования скорости тепловоза с электрической передачей, содержащее блок оценки скоростных параметров с элементом сравнения, входы которого подключены к выходам задатчика и датчика скорости, блок управления током тягового генератора, выход которого связан с обмоткой возбуждения возбудителя тягового генератора, блок управления регулятором дизеля, первый и второй блоки управления плавным и ступенчатым регулированием скорости, дополнительно снабжено датчиками тока и напряжения тягового генератора, ключевым элементом, интегратором, первым, вторым, третьим, четвертым и пятым блоками сравнения, первым и вторым усилителями, первым и вторым функциональными преобразователями, первым и вторым блоками умножения, сумматором, тактовым генератором, первым и вторым логическими устройствами, первым и вторым реверсивными счетчиками, причем выход элемента сравнения соединен с входом интегратора через ключевой элемент, управляющий вход которого соединен с первым выходом первого блока сравнения, выход интегратора, являющийся выходом блока оценки скоростных параметров, соединен с первым входом сумматора, второй вход сумматора соединен с выходом первого реверсивного счетчика, третий вход сумматора соединен с выходом первого усилителя, счетные входы первого реверсивного счетчика соединены с соответствующими выходами первого логического устройства, первый вход которого соединен с выходом тактового генератора, а второй вход соединен со вторым выходом первого блока сравнения, первый вход которого соединен с выходом первого реверсивного счетчика, второй вход первого блока сравнения соединен с выходом первого блока умножения, входы которого соединены соответственно с выходами задатчика скорости и первого функционального преобразователя, вход первого функционального преобразователя соединен с выходом датчика тока тягового генератора, входом первого усилителя, первым входом третьего блока сравнения и первым входом второго блока умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика напряжения тягового генератора и первым входом пятого блока сравнения, а выход соединен с первым входом второго блока сравнения, второй вход которого соединен с первым выходом второго функционального преобразователя, второй и третий выходы второго функционального преобразователя соединены соответственно со вторым входом третьего блока сравнения и первым входом четвертого блока сравнения, вторые входы которых соединены соответственно с выходами датчиков тока и напряжения тягового генератора, а выходы соединены с вторым и третьим входами второго логического устройства, соединенного своими выходами со счетными входами второго реверсивного счетчика, выход которого является выходом второго блока управления плавным и ступенчатым регулированием скорости и соединен с входом блока управления регулятором дизеля и входом второго функционального преобразователя, второй вход пятого блока сравнения соединен с выходом сумматора, являющимся выходом первого блока управления плавным и ступенчатым регулированием скорости, выход пятого блока сравнения соединен с входом второго усилителя, выход которого связан с входом возбудителя и является выходом блока управления током тягового генератора, нагруженного на тяговый двигатель, механически связанный с колесной парой, на которой установлен датчик скорости.

На чертеже представлена функциональная схема предлагаемого устройства.

Устройство для автоматического регулирования скорости тепловоза с электрической передачей содержит блок 1 оценки скоростных параметров с элементом 2 сравнения, входы которого подключены к выходам задатчика 3 и датчика 4 скорости, блок 5 управления током тягового генератора 6, выход которого связан с обмоткой возбуждения возбудителя 7 тягового генератора 6, блок 8 управления регулятором 9 дизеля 10, первый 11 и второй 12 блоки управления плавным и ступенчатым регулированием скорости, датчики тока 13 и напряжения 14 тягового генератора 6, ключевой элемент 15, интегратор 16, первый 17, второй 18, третий 19, четвертый 20, пятый 21 блоки сравнения, первый 22 и второй 23 усилители, первый 24 и второй функциональные преобразователи, первый 26 и второй 27 блоки умножения, сумматор 28, тактовый генератор 29, первый 30 и второй 31 логические устройства, первый 32 и второй 33 реверсивные счетчики, причем выход элемента 2 сравнения соединен с входом интегратора 16 через ключевой элемент 15, управляющий вход которого соединен с первым выходом первого блока 17 сравнения, выход интегратора 16, являющийся выходом блока 1 оценки скоростных параметров, соединен с первым входом сумматора 28, второй вход сумматора 28 соединен с выходом первого реверсивного счетчика 32, третий вход сумматора 28 соединен с выходом первого усилителя 22, счетные входы первого реверсивного счетчика 32 соединены с соответствующими выходами первого логического устройства 30, первый вход которого соединен с выходом тактового генератора 29, а второй вход соединен со вторым выходом первого блока 17 сравнения, первый вход которого соединен с выходом первого реверсивного счетчика 32, второй вход первого блока 17 сравнения соединен с выходом первого блока 26 умножения, входы которого соединены соответственно с выходами задатчика 3 скорости и первого функционального преобразователя 24, вход первого функционального преобразователя 24 соединен с выходом датчика 13 тока тягового генератора 6, входом первого усилителя 22, первым входом третьего блока 19 сравнения и первым входом второго блока 27 умножения, второй вход которого соединен с выходом датчика 14 напряжения тягового генератора 6 и первым входом пятого блока 21 сравнения, а выход соединен с первым входом второго блока 18 сравнения, второй вход которого соединен с первым выходом второго функционального преобразователя 25, а выход соединен с первым входом второго логического устройства 31, второй и третий выходы второго функционального преобразователя 25 соединены соответственно со вторым входом третьего блока 19 сравнения и первым входом четвертого блока 20 сравнения, вторые входы которых соединены соответственно с выходами датчиков тока 13 и напряжения 14 тягового генератора 6, а выходы соединены с вторым и третьим входами второго логического устройства 31, соединенного своими выходами со счетными входами второго реверсивного счетчика 33, выход которого является выходом второго блока 12 управления плавным и ступенчатым регулированием скорости и соединен с входом блока 8 управления регулятором 9 дизеля 10, механически связанного с возбудителем 7 и тяговым генератором 6 и входом второго функционального преобразователя 25, второй вход пятого блока 21 сравнения соединен с выходом сумматора 28, являющимся выходом первого блока 11 управления плавным и ступенчатым регулированием скорости, выход пятого блока 21 сравнения соединен с входом второго усилителя 23, выход которого связан с входом возбудителя 7 и является выходом блока 5 управления током тягового генератора 6, нагруженного на тяговый двигатель 34, механически связанный с колесной парой 35, на которой установлен датчик 4 скорости. Блок 1 оценки скоростных параметров состоит из элемента 2 сравнения, ключевого элемента 15 и интегратора 16, первый блок 11 управления плавным и ступенчатым регулированием скорости состоит из первого функционального преобразователя 24, первого блока 26 умножения, первого блока 17 сравнения, тактового генератора 29, первого логического устройства 30, первого реверсивного счетчика 32, сумматора 28 и первого усилителя 22, второй блок 12 управления плавным и ступенчатым регулированием скорости состоит из второго блока 27 умножения, второго 18, третьего 19 и четвертого 20 блоков сравнения, второго функционального преобразователя 25, второго логического устройства 31 и второго реверсивного счетчика 33, блок 5 управления током тягового генератора 6 состоит из пятого блока 21 сравнения и второго усилителя 23.

Устройство работает следующим образом.

В блоке 1 оценки скоростных параметров с элементом 2 сравнения определяется величина отклонения по скорости ΔV=V_з-V_изм сигналов, поступающих от задатчика 3 (V_з) и датчика 4 (V_изм) скорости. Кроме того, сигнал от задатчика 3 скорости поступает на первый вход первого блока умножения 26, где перемножается с сигналом, пропорциональным магнитному потоку СФ тягового двигателя 34, поступающим на второй вход первого блока умножения 26 с выхода первого функционального преобразователя 24, в котором осуществляется вычисление магнитного потока тягового двигателя 34 в соответствии с его нелинейной характеристикой намагничивания СФ (J_в). В функциональной схеме устройства, представленной на чертеже, показан один тяговый двигатель 34. В общем случае число тяговых двигателей на тепловозе может достигать 8 на секцию. Для блок-схемы, представленной на чертеже, токи возбуждения J_в и якоря тягового двигателя последовательного возбуждения равны между собой и равны току J_г тягового генератора 6, причем сигнал, пропорциональный значению тока тягового генератора 6, поступает на вход первого функционального преобразователя 24 с выхода датчика 13 тока тягового генератора 6. Сигнал с выхода первого блока умножения, пропорциональный величине ЭДС тягового двигателя Е=СФ*V_з, суммируется в сумматоре 28 с сигналом, пропорциональным току тягового генератора 6, поступающим с выхода датчика 13 тока тягового генератора 6, и с сигналом, поступающим на третий вход сумматора 28 с выхода интегратора 16, чем обеспечивается компенсация падения напряжения в цепях тягового двигателя и включается в контур регулирования скорости интегральная составляющая по отклонению скорости. В результате на выходе сумматора 28 формируется сигнал уставки напряжения тягового генератора 6 в соответствии со следующим выражением:

U_гз=СФ*V_з+k₂₂·J_г+∫ΔV·dt,

где

СФ - магнитный поток тягового двигателя;

К₂₂ - коэффициент пропорциональности, учитывающий омическое сопротивление обмоток тягового двигателя 34;

J_г - ток тягового генератора 6;

CO*V_з - ЭДС тягового двигателя 34;

∫ΔV·dt - интеграл отклонений скорости.

Полученный сигнал уставки напряжения тягового генератора 6 поступает на вход блока 5 управления током тягового генератора 6, где в пятом блоке 21 сравнения сравнивается с величиной сигнала с выхода датчика 14 напряжения тягового генератора 6, усиливается во втором усилителе 23 и подается на обмотку возбуждения возбудителя 7, обеспечивающего возбуждение тягового генератора 6. Тактовый генератор 29, первое логическое устройство 30, первый реверсивный счетчик 32 и первый блок 17 сравнения обеспечивают слежение выходным сигналом первого реверсивного счетчика 32 за сигналом расчетного ЭДС тягового двигателя 34, поданным на первый вход первого блока 17 сравнения, при этом темп изменения выходного сигнала реверсивного счетчика 32 определяется частотой тактового генератора 29. Первый выход первого блока 17 сравнения управляет состоянием ключевого элемента 15, который разрешает прохождение сигнала с выхода интегратора 16 на третий вход сумматора 28 только в случае равенства выходных сигналов первого блока 26 умножения и реверсивного счетчика 32, при этом дополнение сигнала уставки напряжения тягового генератора 6 сигналом, пропорциональным интегралу отклонений скорости, позволяет свести к нулю статическую ошибку регулирования по скорости. Во всех остальных случаях регулирование скорости ведется параметрическим способом путем поддержания напряжения тягового генератора 6, полученного расчетным путем по заданной задатчиком 3 скорости и характеристике намагничивания тягового двигателя 34, что обеспечивает требуемую динамическую точность регулирования скорости с исключением колебательных процессов.

Второй блок 12 управления плавным и ступенчатым регулированием скорости тепловоза предназначен для выбора диапазона работы дизеля, в котором основные параметры работы тягового генератора 6 не выходят за пределы максимально допустимых значений. Второй функциональный преобразователь 25 преобразует код позиции регулятора 9 дизеля 10 в сигналы, пропорциональные максимально допустимым значениям мощности, тока и напряжения тягового генератора 6, поступающие соответственно на вторые входы второго 18, третьего 19 и четвертого 20 блоков сравнения, на первый вход второго блока 18 сравнения с выхода второго блока 27 умножения поступает сигнал, пропорциональный мощности тягового генератора 6, на первые входы третьего 19 и четвертого 20 блоков сравнения поступают с выходов датчиков 13 тока и 14 напряжения тягового генератора 6 сигналы, пропорциональные соответственно току и напряжению тягового генератора 6. Второе логическое устройство 31 управляет работой второго реверсивного счетчика 33, задающего код позиции для блока 8 управления регулятором 9 дизеля 10 по следующему алгоритму:

Позиция N для блока 8 управления регулятором 9 дизеля 10, задаваемая вторым реверсивным счетчиком 33:

- увеличивается на единицу (N+1) в случае, если хоть один из параметров тягового генератора 6 превышает максимально допустимое значение соответствующего параметра тягового генератора 6, заданное вторым функциональным преобразователем 25 для текущей позиции N;

- уменьшается на единицу (N-1), если все параметры тягового генератора 6 меньше максимально допустимых значений соответствующих параметров тягового генератора 6, заданных вторым функциональным преобразователем 25, для уменьшенной на единицу позиции N-1;

- остается неизменной (N=N), если все параметры тягового генератора 6 меньше максимально допустимых значений соответствующих параметров тягового генератора 6 для текущей позиции N, но если хоть один из параметров тягового генератора 6 превышает максимально допустимое значение соответствующего параметра тягового генератора 6, заданное вторым функциональным преобразователем 25, для уменьшенной на единицу позиции N-1.