Результат интеллектуальной деятельности: Способ регулирования электрической передачи тепловоза

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу регулирования электропередачи тепловоза с автономными тепловыми двигателями, тяговыми генераторами и тяговыми электродвигателями постоянного тока.

Известен способ регулирования электрической передачи тепловоза посредством регулирования напряжения тягового генератора тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, измеряют напряжение тягового генератора, сравнивают его с величиной уставки и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора (Вилькевич Б.И. Автоматическое управление электропередачей тепловозов. М., Транспорт, 1978 г., с. 39-41, рисунок 30).

Недостатком известного способа является то, что при движении тепловоза по участку с ухудшенными условиями сцепления, невозможно одновременно обеспечить хорошие противобоксовочные свойства и осуществить работу теплового двигателя по экономической характеристике, что приводит в конечном итоге к увеличению удельного расхода топлива.

Известен способ регулирования напряжения тягового генератора электрической передачи тепловоза, принятый за прототип, заключающийся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, связанный с тяговыми электродвигателями постоянного тока, измеряют дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения заданной частоте вращения, сравнивают его с измеренным величину их рассогласования интегрируют по времени и принимают величину уставки напряжения тягового генератора (SU, авторское свидетельство №925693, кл. B60L 11/02, опублик. 1982 г.).

Недостатком известного способа является то, что при выполнении тепловоза с двумя и более тепловыми двигателями, каждый из которых соединен с отдельной группой тяговых электродвигателей, невозможно обеспечить одновременно равномерную загрузку групп тяговых электродвигателей и работу всех тепловых двигателей по экономическим характеристикам, что приводит в конечном итоге к увеличению удельного расхода топлива и ухудшению тяговых свойств тепловоза.

Техническим результатом изобретения является улучшение топливной экономичности работы тепловозов с обеспечением их высоких тяговых свойств.

Указанный технический результат достигается тем, что в регулирования электрической передачи тепловоза, заключающемся в что задают частоты вращения вала двух тепловых двигателей, во вращение соответственно первый и второй тяговые генераторы, из которых связан со своей группой тяговых электродвигателей постоянного тока, измеряют положение дозирующих органов топливоподачи регулятора частоты вращения каждого теплового двигателя, соответствующие текущим значениям частот вращения первого и второго тепловых двигателей, задают положение органов топливоподачи регуляторов частоты вращения заданной частоте вращения, сравнивают их соответственно с положениями, величины их рассогласования интегрируют по времени принимают за величину уставок напряжения первого и второго генератора, вычисляют разность уставок напряжения первого и тяговых генераторов, величину полученной разности интегрируют во времени и по результату интегрирования корректируют сторону увеличения заданное значение частоты вращения вала двигателя, связанного с тяговым генератором с меньшей уставкой напряжения, и в сторону уменьшения заданное значение частоты вала теплового двигателя, связанного с тяговым генератором с уставкой напряжения.

На Фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующая способ, на Фиг. 2 - графики изменения напряжений U_г1, U_г2 при постоянной мощности P_г1 и Р_г2 тяговых генераторов 4-1 и 4-2, напряжения U_г тяговых генераторов для некоторой фиксированной скорости V движения тепловоза в функции тока нагрузки I_г тяговых генераторов, на Фиг. 3 - графики изменения оптимального положения дозирующих органов топливоподачи регулятора частоты L_p, полной мощности дизелей Р_д, свободной мощности дизелей Р_г1, Р_г2, в функции частоты вращения n_д.

Устройство (фиг. 1) состоит из тепловых двигателей 1-1 и 1-2, с регуляторами 2-1 и 2-2 частоты вращения и датчиками 3-1 и 3-2 дозирующих органов топливоподачи, например, датчиками рейки насосов высокого давления тепловых двигателей 1-1 и 1-2. двигатели 1-1 и 1-2 связаны с электрической передачей, в которую сами тепловые двигатель 1-1 и 1-2, соединенные с тяговыми 4-1 и 4-2. Силовые выходы тяговых генераторов 4-1 и 4-2 подключены входам датчиков напряжения 5-1, 5-2 и входам двух групп тяговых электродвигателей 6-1, 7-1 и 6-2 и 7-2 соответственно. Тяговые 4-1 и 4-2 соединены с выходами блоков 8-1 и 8-2 управления током возбуждения тяговых генераторов 4-1 и 4-2 соответственно. Выход задатчика 9 частоты вращения тепловых двигателей 1-1 и 1-2 первыми входами сумматоров 10-1 и 10-2, выходы которых соединены соответственно с входами регуляторов 2-1 и 2-2 частоты вращения тепловых двигателей 1-1 и 1-2, с входами функциональных преобразователей 11-1 и 11-2, формирующих по заданной частоте вращения тепловых двигателей 1-1 и 1-2 сигнал заданного положения дозирующих органов топливоподачи. Выходы функциональных преобразователей 11-1 и 11-2 соединены с первыми входами 12-1 и 12-2, вторые входы сумматоров 12-1 и 12-2 соединены с датчиков 3-1 и 3-2 положения L_p дозирующих органов топливоподачи. Выходы сумматоров 12-1 и 12-2 соединены с входами блоков 13-1 и 13-интегрирования, формирующих соответствующие задания (уставки) напряжения тяговых генераторов 4-1 и 4-2, выходы блоков 13-1 и 13-2 соединены с первыми входами сумматоров 14-1 и 14-2, входы сумматоров 14-1 и 14-2 соединены с выходами датчиков 5-1 и 5-напряжения, которые подключены своими входами к выходам генераторов 4-1 и 4-2. Выходы блоков 13-1 и 13-2 интегрирования соединены с входами блока 15 сравнения, выход которого соединен с входом блока 16 интегрирования, выход которого подключен к (суммирующему) входу сумматора 10-2 и к второму (вычитающему) сумматора 10-1.

На Фиг. 1 элементы 2-1, 3-1, 4-1, 5-1, 8-1, 10-1, 11-1, 12-1, 13-1, 14-1 образуют систему регулирования частоты и нагрузки первого теплового двигателя 1-1, а элементы 2-2, 3-2, 4-2, 5-2, 8-2, 10-2, 11-2, 12-2, 13-2, 14-2 образуют систему регулирования частоты и нагрузки второго теплового двигателя 1-2, при этом тяговый генератор 4-1 нагружен на первую группу тяговых электродвигателей постоянного тока 6-1 и 7-1, тяговый генератор 4-2 нагружен на вторую группу тяговых электродвигателей постоянного тока 6-2 и 7-2.

Число тяговых электродвигателей в группе, например, 6-1 и 7-1 или 6-2 и 7-2 равно числу движущих колесных пар в тележке тепловоза, например, двум, как в рассматриваемом устройстве на фиг. 1

Способ осуществляется следующим образом.

Для системы регулирования частоты и нагрузки первого теплового двигателя 1-1 задатчиком 9 задают частоту вращения n_дз0 теплового двигателя 1-1. На выходе задатчика 9 действует кодовый сигнал, пропорциональный заданной частоте вращения теплового двигателя 1-1, который поступает на первый вход сумматора 10-1, далее этот сигнал поступает на вход регулятора 2-1 частоты и нагрузки теплового двигателя 1-1 и на вход функционального преобразователя 11-1. Регулятор 2-1 частоты и нагрузки удерживает частоту вращения теплового двигателя 1-1 пропорционально кодовому сигналу задания задатчика 9. Датчиком 3-1 измеряют сигнал измеренного положения L_ри1 дозирующего органа топливоподачи регулятора 2-1 частоты и нагрузки теплового двигателя 1-1, соответствующее текущему значению частоты вращения теплового двигателя 1-1. Выходной сигнал «L_и» датчика 3-1, пропорциональный сигнал измеренного положения L_ри1 дозирующего органа топливоподачи, поступает на второй вход сумматора 12-1, на первый вход которого подается сигнал с выхода функционального преобразователем 11-1. Функциональным преобразователем 11-1 задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2-1 частоты и пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя 1 - чего в функциональном преобразователе 11-1 преобразуют код частоты, поступающий на вход функционального преобразователя 11 - выхода задатчика 9 в сигнал L_рз заданного положения дозирующего органа топливоподачи, который с выхода функционального преобразователя 11-1 поступает на первый вход сумматора 12-1, в сигнал L_рз заданного положения дозирующего органа топливоподачи и сигнал L_pи1 измеренного датчиком 3-1 положения дозирующего органа топливоподачи в сумматоре 12-1 сравнивают по величине и знаку отклонения. Величина ΔL=±(L_pз-L_pи1) с выхода сумматора 12-1 вход блока 13-1 интегрирования, где она интегрируется во времени, результат интегрирования принимается за величину задания тягового генератора 4-1 и с выхода блока 13-1 интегрирования первый вход сумматора 14-1, на второй вход которого подается сигнал с датчика 5-1 напряжения тягового генератора 4-1. Выходной сигнал сумматора 14-1, пропорциональный величине рассогласования заданного и измеренного напряжения тягового генератора 4-1 в блоке 8-1 управления возбуждением и подается на обмотку (на чертеже Фиг. 1 не показано) тягового генератора 4-1. Тяговый генератор 4-1 возбуждается и на его выходе действует напряжение U_г1, соответствующее заданному значению напряжения U_гз1 с выхода 1 интегрирования, которое подается на тяговые электродвигатели постоянного тока 6-1 и 7-1.

Аналогично производится регулирование напряжения для системы регулирования частоты и нагрузки второго теплового двигателя 1-2 (элементы 2-2, 3-2, 4-2, 5-2, 8-2, 10-2, 11-2, 12-2, 13-2, 14-2), в результате которого на выходе тягового генератора 4-2 действует напряжение U_г2, соответствующее заданному значению напряжения U_гз2 с выхода блока 13-2 интегрирования, и которое подается на тяговые электродвигатели постоянного тока 6-2 и 7-2.

В установившемся режиме для систем регулирования частоты и нагрузки первого теплового двигателя 1-1 и второго теплового двигателя 1-2 будут справедливы следующие соотношения:

где:

U_г1, U_г2 - измеренные значения напряжения тяговых генераторов 4-1 и 4-2 соответственно;

U_гз1, U_гз2 - задание значения напряжения тяговых генераторов 4-1 и 4-2 соответственно;

K - коэффициент масштабирования;

L_рз - сигнал заданного положения дозирующего органа топливоподачи;

L_ри1, L_ри2 сигнал измеренного положения дозирующего органа топливоподачи регуляторов 2-1 и 2-2 тепловых двигателей 1-1 и 1-2;

dt переменная интегрирования

На Фиг 2. для установившегося режима обоих тепловых 1-1 и 1-2 показаны графики изменения напряжений U_г1, U_г2 при мощности P_г1 и Р_г2 (линии а и б соответственно), при этом на пересечениях кривых а и б характеристики U_г (I_г) (точки А и Б соответственно) для некоторой фиксированной скорости движения V (линия е на Фиг. 2) получаем значения уставок напряжения U_гз1, U_гз2 тяговых генераторов 4-1 и 4-2, и значения токов нагрузки тяговых генераторов I_г1 и I_г2 в этом режиме. Указанные значения токов тяговых генераторов I_г1 и I_г2 соответствуют различным нагрузкам групп тяговых электродвигателей 6-1, 7-1 и 6-2, 7-2, что приведет к затруднениям в построении чувствительной системы защиты от боксования тепловоза, которые в большинстве случаев основаны на анализе рассогласования нагрузок тяговых электродвигателей. Для обеспечения работы обоих тепловых двигателей 1-1 и 1-2 в режиме необходимо осуществлять регулирование тепловых соответствующих им тяговых генераторов 4-1 и 4-2 таким образом, фактическое положение L_p1 и L_p2 дозирующих органов топливоподачи регуляторов 2-1 и 2-2 частоты и нагрузки находилось на линии 1 оптимального положения дозирующих органов (Фиг. 3) и имело L_p0 (точка И Фиг. 3), а полная (индикаторная) мощность N тепловых двигателей 1-1 и 1-2 соответствовала экономической характеристике (точке В на линии 2 Фиг. 3). Для рассмотренного случая режима значения мощности P_г1 и Р_г2 тяговых генераторов 4-1 и 4-2 соответствуют точкам Б и А на линиях 3 и 4 (Фиг. 3) свободной тепловых двигателей 1-1 и 1-2 при заданной частоте n_дз0 вращения. г и д на Фиг. 2 соответствуют отсечкам напряжения U_гм и тока I_гм генератора.

Сигналы, пропорциональные U_гз1, U_гз2, с выходов блоков 13-1 и 13-2 интегрирования (Фиг. 2) подаются на вход блока 15 сравнения, полученное значение ΔU=U_гз1-U_гз2 интегрируют в блоке интегрирования 16, результат интегрирования подают на вычитающий вход сумматора 10-1 и на суммирующий вход сумматора 10-2. Таким образом, при U_гз1>U_гз2 (как показано на Фиг. 2) выходной сигнал сумматора 10-1, пропорциональный заданной частоте теплового двигателя 1-1 начинает уменьшаться относительно задания частоты вращения n_дз0 и в новом установившемся режиме становится равным n_дз1 (Фиг. 3), а выходной сигнал сумматора 10-2, пропорциональный заданной частоте вращения теплового двигателя начинает увеличиваться относительно начального задания частоты вращения n_дз0 и в новом установившемся режиме становится равным (Фиг. 3). В результате в системах регулирования частоты и нагрузки тепловых двигателей 1-1 и 1-2 будет получено новое установившееся состояние, при котором величины уставок напряжения тяговых генераторов 4-1 и 4-2 становятся равными друг другу, как показано в В на линии в (Фиг. 2) и соответствуют величине U_гз, токи нагрузки генераторов 4-1 и 4-2 также становятся равными друг другу и соответствуют величине I_г (Фиг. 2), что благоприятно с точки зрения использования сцепного веса тепловоза и для обеспечения надежной работы систем защиты от боксования тепловоза.

Одновременно с этим в новом установившемся режиме значения свободной мощности тепловых двигателей 1-1 и 1-2, равны друг другу и соответствуют точкам Г и Д на линиях 3 и 4 (Фиг. 3), и, следовательно, тепловые двигатели 1-1 и 1-2 работают по экономической характеристике (точки Е и Ж на линии 2 на Фиг. 3). Фактическое положение дозирующих органов топливоподачи регуляторов 2-1 и 2-2 частоты и нагрузки при этом соответствуют значениям L_p1 и L_p2 (точки К и Л на линии 1 Фиг. 3.).

Предлагаемый способ регулирования опробован на стенде и показал положительные результаты.