СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОВОЗА

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу регулирования электропередачи тепловоза с автономным тепловым двигателем, генератором переменного тока и электродвигателями постоянного тока.

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

Недостатком известного способа является то, что при изменении нагрузки тягового генератора, например при боксовании одной или нескольких осей колесных пар локомотива или при включении или выключении ступеней ослабления возбуждения тяговых электродвигателей, система, построенная по указанному способу, имеет склонность к колебаниям, для устранения которых требуется введение дополнительных корректирующих звеньев, что усложняет систему и ухудшает надежность электрической передачи тепловозов.

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 переменного тока, связанный с тяговыми электродвигателями постоянного тока, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения пропорционально заданной частоте вращения, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени и принимают за величину уставки напряжения генератора (SU, авторское свидетельство №925693, кл. B60L 11/02, опублик. 1982 г.).

Недостатком известного способа является то, что способ имеет недостаточный запас устойчивости, что приводит к необходимости оснащения способа регулирования электрической передачи дополнительными корректирующими устройствами, что уменьшает надежность системы в целом при одновременном усложнении.

Техническим результатом изобретения является упрощение способа регулирования электрической передачи тепловозов и повышение надежности работы тяговой электрической передачи тепловозов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования электрической передачи тепловоза, заключающемся в том, что задают частоту вращения вала теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, связанный с тяговыми электродвигателями, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной его частоте вращения, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, измеряют ток нагрузки тягового генератора, задают максимально допустимое значение напряжения тягового генератора пропорционально заданной частоте вращения вала теплового двигателя, принимают его за первую уставку напряжения тягового генератора, задают минимальное значение уставки мощности тягового генератора в функции текущей частоты вращения вала теплового двигателя, суммируют эту величину с результатом интегрирования рассогласования заданного и измеренного положения дозирующего органа топливоподачи, результат суммирования умножают на величину, обратно пропорциональную величине измеренного тока нагрузки тягового генератора, результат умножения принимают за вторую уставку напряжения тягового генератора, вычисляют величину ограничения напряжения тягового генератора в виде линейно убывающей функции измеренного тока нагрузки тягового генератора и принимают ее за величину третьей уставки напряжения тягового генератора, из трех уставок напряжения тягового генератора выделяют минимальное значение, ограничивают скорость изменения этой величины и по этой величине регулируют тяговый генератор.

На фиг.1 представлена блок-схема устройства, реализующая способ, на фиг.2 - диаграмма соотношения напряжения U_г и тока нагрузки J_г тягового генератора.

Устройство (фиг.1) состоит из теплового двигателя 1 с регулятором 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1 и датчиком 3 положения дозирующего органа топливоподачи, например датчиком положения рейки насосов высокого давления теплового двигателя 1. Тепловой двигатель 1 связан с электрической передачей, в которую входит сам тепловой двигатель 1, соединенный с тяговым генератором 4. Силовой выход тягового генератора 4 подключен к датчику 5 тока нагрузки тягового генератора 4 и к входам тяговых электродвигателей 6 и 7. Тяговый генератор 4 соединен с выходом блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 4. Выход задатчика 9 частоты вращения вала теплового двигателя 1, например многопозиционного контроллера машиниста тепловоза, подключен к входу регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1 и к входу функционального преобразователя 10. Первый выход функционального преобразователя 10 подключен к первому входу блока 11 сравнения, второй вход блока 11 сравнения подключен к выходу датчика 3 положения дозирующего органа топливоподачи. Выход блока 11 сравнения подключен к входу блока 12 интегрирования, второй выход функционального преобразователя 10 подключен к первому входу блока 13 выделения минимального сигнала, выход которого подключен к входу блока 14 задания интенсивности, выход которого подключен к первому входу блока 15 сравнения, второй вход которого подключен к выходу датчика 16 напряжения тягового генератора 4, подключенного своим входом к выходу тягового генератора 4, выход блока 15 сравнения подключен к входу блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 4. Датчик 17 частоты вращения вала теплового двигателя 1 своим выходом подключен к входу функционального преобразователя 18, который своим выходом подключен к первому входу сумматора 19, второй вход которого подключен к выходу блока 12 интегрирования, выход сумматора 19 подключен к первому входу блока 20 умножения, второй вход которого подключен к выходу функционального преобразователя 21, а выход блока 20 умножения подключен ко второму входу блока 13 выделения минимального сигнала, входы функциональных преобразователей 21 и 22 подключены к выходу датчика 5 тока нагрузки тягового генератора 4, выход функционального преобразователя 22 подключен к третьему входу блока 13 выделения минимального сигнала.

Число тяговых электродвигателей в электрической тяговой передаче равно числу движущих колесных пар тепловоза, например двум, как в рассматриваемом устройстве на фиг.1.

Способ осуществляется следующим образом.

Задатчиком 9 задают частоту вращения вала теплового двигателя 1, при этом кодовый сигнал на выходе задатчика 9, пропорциональный заданной частоте вращения вала теплового двигателя 1, поступает на вход регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1 и на вход функционального преобразователя 10, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1 пропорционально заданной частоте вращения, для чего в функциональном преобразователе 10 преобразуют код заданной частоты вращения, поступающий на вход функционального преобразователя 10 с выхода задатчика 9 в кодовый сигнал «L_з» задания положения дозирующего органа топливоподачи.

Датчиком 3 положения дозирующего органа топливоподачи измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1, соответствующее текущему значению частоты вращения вала теплового двигателя 1. Выходной сигнал «L_и» датчика 3, пропорциональный положению дозирующего органа топливоподачи, поступает на первый вход блока 11 сравнения, на второй вход которого поступает кодовый сигнал «L_з» заданного положения дозирующего органа топливоподачи, в блоке 11 сравнения эти кодовые сигналы сравнивают по величине и знаку отклонения. Кодовый сигнал рассогласования ΔL=±(L_з-L_и) с выхода блока 11 сравнения поступает на вход блока 12 интегрирования, где он интегрируется по времени.

Датчиком 5 тока нагрузки тягового генератора 4 измеряют ток нагрузки тягового генератора.

Функциональным преобразователем 10 пропорционально поступающему на его вход коду заданной частоты вращения вала теплового двигателя 1 задают максимально допустимое значение напряжения тягового генератора 4, принимают его за первую уставку U_гз1 напряжения тягового генератора 4.

Функциональным преобразователем 18 преобразуют кодовый сигнал текущей частоты вращения вала теплового двигателя 1, поступающий на вход функционального преобразователя 18 с выхода датчика 17 частоты вращения вала теплового двигателя 1, в кодовый сигнал, соответствующий минимальному значению заданной мощности Р_гмин тягового генератора 4, который в сумматоре 19 суммируется с результатом интегрирования с выхода блока 12 интегрирования.

На выходе сумматора 19 действует кодовый сигнал задания мощности тягового генератора 4 в соответствии со следующим выражением:

P_гз=P_гмин+∫ΔL·dt,

где P_гмин=f(ω_диз) - минимальная мощность тягового генератора, формируемая функциональным преобразователем 18 по кодовому сигналу частоты вращения ω_диз вала теплового двигателя 1 с выхода датчика 17 частоты вращения вала теплового двигателя 1.

ΔL=±(L_з-L_и) - отклонение заданного положения дозирующего органа топливоподачи и сигнал «L_и» измеренного датчиком 3 положения дозирующего органа топливоподачи.

dt приращение независимой переменной интегрирования, в данном случае времени t.

Функциональным преобразователем 21 осуществляется обратное преобразование кодового сигнала с выхода датчика 5 тока нагрузки тягового генератора 4, результат преобразования с выхода функционального преобразователя 21 подается на блок 20 умножения, где перемножается с кодовым сигналом задания мощности тягового генератора 4. Результат умножения принимают за вторую уставку напряжения тягового генератора 4 в соответствии со следующим выражением:

U_гз2=P_гз·(1/J_г)

где U_г32 - кодовый сигнал второй уставки напряжения тягового генератора 4.

J_г - кодовый сигнал с выхода датчика 5 тока нагрузки тягового генератора 4.

Функциональным преобразователем 22 осуществляется линейное преобразование кодового сигнала с выхода датчика 5 тока нагрузки тягового генератора 4 в соответствии со следующим выражением:

U_гз3=K₁-K₂·J_г,

где K₁, K₂ - коэффициенты линейного преобразования сигнала с выхода датчика 5 тока нагрузки тягового генератора.

J_г - кодовый сигнал с выхода датчика 5 тока нагрузки тягового генератора 4.

Кодовый сигнал U_гз3 с выхода функционального преобразователя 22 принимается за третью уставку напряжения тягового генератора 4.

На входы блока 13 выделения минимального сигнала подаются кодовые сигналы трех уставок напряжения тягового генератора 4 генератора U_гз1, U_гз2 и U_гз3, при этом на выходе блока 13 выделения минимального сигнала выделяется минимальный из трех входных сигналов, который поступает на вход блока 14 задания интенсивности, с помощью которого осуществляется ограничение скорости изменения входного сигнала в соответствии со следующим алгоритмом:

где Вых₁₄ - выходной сигнал блока 14 задания интенсивности.

Вых_14(i-1) - предыдущее значение выходного сигнала блока 14 задания интенсивности.

Вх₁₄ - входной сигнал блока 14 задания интенсивности.

|dВых₁₄/dt|_макс - ограничение по скорости изменения выходного сигнала блока 14 задания интенсивности.

Выходной сигнал с блока 14 задания интенсивности подается на первый вход блока 15 сравнения, на другой вход которого подается сигнал с датчика 16 напряжения тягового генератора 4, результат с выхода блока 15 сравнения подается на вход блока 8 управления током возбуждения тягового генератора 4. Тяговый генератор 4 возбуждается и на его выходе действует напряжение, соответствующее выходному сигналу блока 14 задания интенсивности.

Пусть в процессе движения тепловоза под действием силы тяги, определяемой токами якорей тяговых электродвигателей 6 и 7, а также сил сопротивления движению, определяемых, например, профилем пути, по которому движется тепловоз, конструктивными особенностями тепловоза и поезда в целом, наличием кривых на участке пути и других факторов, достигается такой режим, когда рабочая точка находится на участке линии «а» левее точки А на фиг.2. Этот режим характерен тем, что первая уставка напряжения тягового генератора U_гз1 имеет минимальное значение из трех уставок U_гз1, U_гз2 и U_гз3, действующих на входе блока 13 выделения минимального сигнала, тем самым обеспечивается ограничение максимального напряжения тягового генератора 4.

При движении тепловоза, например на подъем, рабочая точка перемещается вправо по линии «а», затем в точке «А» достигается такой режим, когда вторая уставка U_гз2 напряжения тягового генератора 4 снижается и становится равной первой уставке напряжения Uгз1 тягового генератора 4. При изменении условий движения, например при переломе профиля или при дальнейшем движении на подъем, увеличивается сопротивление движению, тепловоз с поездом начинает замедляться, токи якорей тяговых электродвигателей 6 и 7 при этом увеличиваются, увеличивается мощность тягового генератора 4 и соответственно увеличивается момент сопротивления на валу теплового двигателя 1. Частота вращения вала теплового двигателя 1 под воздействием недостатка вращающего момента начинает уменьшается, регулятор 2 частоты вращения и нагрузки теплового двигателя 1 вступает в действие, увеличивая подачу топлива с помощью дозирующего органа топливоподачи, частота вращения вала теплового двигателя становится равной заданной, но при этом появляется рассогласование между заданным положением дозирующего органа топливоподачи и его измеренным положением, в результате интегратор 12 начинает работать на уменьшение, что соответствует уменьшению задания мощности тягового генератора 4 на выходе сумматора 19, соответственно начинает уменьшаться выходной сигнал блока 20 умножения, что означает уменьшение второй уставки напряжения U_гз2 тягового генератора 4, что соответственно вызывает уменьшение выходного сигнала блока 14 задания интенсивности. Напряжение тягового генератора 4 начинает уменьшаться с одновременным уменьшением момента сопротивления на валу теплового двигателя 1. Итогом становится новое установившееся положение равновесия, на фиг.2 это точка Б на пересечении характеристики «в» постоянной скорости движения тепловоза и характеристики «б» постоянной мощности. Таким образом, при медленном изменении профиля пути, по которому движется тепловоз с составом, рабочая точка перемещается по характеристике постоянной мощности «б», обеспечивая согласование свободной мощности теплового двигателя с мощностью тягового генератора. При этом способ позволяет осуществить работу тепловоза с полной мощностью теплового двигателя и с частичными мощностями, соответствующими линиями наибольшей экономичности теплового двигателя 1.

При дальнейшем движении тепловоза с составом на подъем в силу возрастания сил сопротивления движению продолжает увеличиваться ток нагрузки тягового генератора 4, сигнал на выходе функционального преобразователя 22, соответствующий линии «г» на фиг.2, соответствующий третьей уставке напряжения U_гз3 тягового генератора 4, в точке В фиг.2 становится минимальным из трех, действующих на входах блока 13 выделения минимального сигнала, в результате чего входной и выходной сигналы блока 14 задания интенсивности снижаются, уменьшая напряжение тягового генератора 4, что обеспечивает формирование ограничения по току нагрузки тягового генератора 4 и позволяет упростить систему регулирования и повысить надежность работы тяговой электрической передачи тепловозов.