Способ регулирования электрической передачи тепловозов

Изобретение относится к железнодорожному транспорту и может быть использовано в тяговом электроприводе пассажирских и грузопассажирских тепловозов, имеющих источник электроэнергии для энергоснабжения пассажирского состава.

Известны тепловозы 2ТЭ116УП, предназначенные для работы в пассажирском движении, обеспечивающие питание энергопотребителей в пассажирских вагонах. При этом тяговый агрегат включает в себя две электрических машины, объединенные общим корпусом: главный генератор переменного тока, имеющий две трехфазные обмотки, которые включены через неуправляемый выпрямитель на тяговые электрические двигатели, а также вспомогательный генератор переменного тока, имеющий две высоковольтные трехфазные обмотки, которые через высоковольтный выпрямитель и выходной фильтр подают питание на пассажирский состав, и одну низковольтную обмотку, посредством которой системой управления с помощью управляемых выпрямителей осуществляется возбуждение главного генератора и самовозбуждение вспомогательного генератора (Е.Р. Абрамов. «Локомотивы и моторвагонный подвижной состав с двигателями внутреннего сгорания Отечественных железных дорог». 2015 г., стр. 116).

К недостаткам известного технического решения следует отнести плохое токораспределение при параллельном подключении двух секций тепловоза 2ТЭ116УП, чем обусловлено неравномерное нагружение вспомогательных генераторов переменного тока соединенных секций.

Известно техническое решение, принятое за прототип, при котором система управления тепловоза обеспечивает регулирование выходного напряжения низковольтной обмотки вспомогательного генератора, которое подается на входы управляемых выпрямителей, которые обеспечивают регулирование тока возбуждения главного и вспомогательного генераторов. При этом две высоковольтные обмотки вспомогательного генератора нагружены на неуправляемый высоковольтный выпрямитель, выходное напряжение которого через сглаживающий фильтр обеспечивает питание цепей энергоснабжения подключенного к тепловозу пассажирского поезда. (Тепловоз пассажирский ТЭП70БС. Руководство по эксплуатации ТЭП70А.00.РЭ).

К недостаткам этого технического решения также следует отнести плохое токораспределение при подключении цепей энергоснабжения пассажирского состава повышенной составности (состоящим, например, из 20 двухэтажных пассажирских вагонов) к двум соединенным по системе многих единиц тяги (СМЕТ) тепловозам ТЭП70БС.

Техническим результатом изобретения является обеспечение равномерной нагрузки вспомогательных генераторов двух тепловозов при параллельном подключении их высоковольных выпрямителей к пассажирскому составу.

Технический результат достигается тем, что в способе регулирования электрической передачи тепловозов, заключающемся в том, что задают частоту вращения вала тепловых двигателей, приводящих во вращение вспомогательные генераторы переменного тока и главные генераторы переменного тока, связанные через неуправляемые выпрямительные установки с тяговыми электродвигателями постоянного тока, напряжения высоковольтных выходных обмоток вспомогательных генераторов выпрямляют и через сглаживающие фильтры подают для энергоснабжения соединенных с тепловозами пассажирских вагонов, выходное напряжение низковольтных обмоток вспомогательных генераторов через управляемые полупроводниковые выпрямители подают на обмотки возбуждения главных и вспомогательных генераторов, регулируют посредством фазового управления управляемых выпрямителей выходные напряжения низковольтных обмоток вспомогательных генераторов в функции их частоты вращения, измеряют токи нагрузки высоковольтных выпрямителей каждого тепловоза, при этом измеренные токи нагрузки высоковольтных выпрямителей каждого тепловоза сравнивают друг с другом и при величине разброса токов нагрузки высоковольтных выпрямителей выше наперед заданного порога корректируют заданное напряжение низковольтных обмоток вспомогательных генераторов обоих тепловозов

На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ, на фиг. 2. представлены характеристики энергоснабжения тепловозов и характеристики вспомогательных генераторов.

Устройство для реализации предлагаемого способа установлено на каждом из тепловозов 1 и 2 (фиг. 1) и состоит из теплового двигателя 3 с регулятором 4 частоты вращения теплового двигателя 3. Тепловой двигатель 3 связан с электрической передачей тепловоза, в которую входит сам тепловой двигатель 3, соединенный с тяговым агрегатом 5, включающим в себя главный генератор 6 переменного тока и вспомогательный генератор 7 переменного тока. Выход главного генератора 6 переменного тока подключен к тяговому электродвигателю 8 постоянного тока через неуправляемый тяговый выпрямитель 9. Число тяговых электродвигателей 8 постоянного тока в электрической передаче равно числу движущих колесных пар тепловоза. Обмотка 10 возбуждения главного генератора 6 переменного тока соединена с выходом управляемого выпрямителя 11, на вход которого подается напряжение с низковольтной обмотки 12 вспомогательного генератора 7 переменного тока. Напряжение с низковольтной обмотки 12 вспомогательного генератора 7 переменного тока подается также на вход управляемого выпрямителя 13, выход которого соединен с обмоткой 14 возбуждения вспомогательного генератора 7 переменного тока, а напряжение с высоковольтной обмотки 15 подается на высоковольтный выпрямитель 16 и далее через сглаживающий фильтр 17 и датчик 18 тока подается на цепи энергоснабжения пассажирского состава 19. Фазовое управление управляемыми выпрямителями 11 и 13 обеспечивается блоком 20 управления, для чего первый (O₁) и второй выходы (О₂) блока 20 управления подключены соответственно к входам управляемых выпрямителей 11 и 13. Третий выход (О₃) блока 20 управления каждого тепловоза 1 и 2 подключен к входу регулятора 4 частоты вращения. Первый (I₁) вход блока 20 управления каждого тепловоза 1 и 2 подключен к выходу датчика 18 тока. Второй (I₂) вход блока 20 управления тепловоза 1 подключен к выходу датчика 18 тока тепловоза 2. И, наоборот, второй (I₂) вход блока 20 управления тепловоза 2 подключен к выходу датчика 18 тока тепловоза 1. Третий (I₃) вход блока 20 управления каждого тепловоза 1 и 2 подключен к выходу задатчика 21. Четвертый (I₄) вход блока 20 управления тепловоза 1 подключен к выходу задатчика 21 тепловоза 2, а четвертый (I₄) вход блока 20 управления тепловоза 2 подключен к выходу задатчика 21 тепловоза 1.

В качестве задатчиков 21, например, могут быть использованы многопозиционные контроллеры машиниста.

Способ осуществляется следующим образом.

Задатчиком 21 одного из тепловозов 1 или 2, например 1, который принимают за ведущий в соответствии с положением дополнительного задатчика режимов (на чертеже не показан), через третий вход (I₃) блока 20 управления тепловоза 1 и четвертый вход (I₄) блока 20 управления тепловоза 2 задают частоту вращения вала тепловых двигателей 3, приводящих во вращение тяговые агрегаты 5 тепловозов 1 и 2, для этого кодовый сигнал с третьего выхода (О₃) блока 20 управления тепловозов 1 и 2 подают на входы регуляторов 4 частоты вращения тепловозов 1 и 2. Блоки 20 управления тепловозов 1 и 2 сигналами с выходов O₁ и O₂ обеспечивают фазовое регулирование управляемых выпрямителей 11 и 13, причем для каждого тепловоза 1 и 2 управляемый выпрямитель 11 осуществляет регулирование выходного напряжения главного генератора 6 переменного тока путем регулирования тока в обмотке 10 возбуждения главного генератора 6 переменного тока, а управляемый выпрямитель 13 осуществляет регулирование выходного напряжения низковольтной обмотки 12 вспомогательного генератора 7 переменного тока путем регулирования тока в обмотке 14 возбуждения вспомогательного генератора 7 переменного тока пропорционально частоте вращения вала теплового двигателя 3.

В случае, когда за ведущий принят тепловоз 2, сигнал с выхода задатчика 21 тепловоза 2, поступая на третий вход (I₃) блока 20 управления тепловоза 2 и четвертый вход (I₄) блока 20 управления тепловоза 1, задает частоту вращения вала тепловых двигателей 3 каждого из тепловозов 1 и 2.

На фиг. 2 показаны зависимости выходного напряжения U_н низковольтных обмоток 12 вспомогательных генераторов 7 переменного тока тепловозов 1 и 2 и высоковольтного напряжения U_в на выходе сглаживающих фильтров 17 от тока возбуждения J_ввг вспомогательных генераторов 7 переменного тока, а также показаны зависимости выходного напряжения высоковольтных выпрямителей 16 со сглаживающими фильтрами 17 от тока нагрузки J_э (энергоснабжения).

Для того, чтобы при фиксированной частоте вращения вала тепловых двигателей 3 поддержать заданное значение напряжения U_н (линия БВА на фиг. 2) низковольтных обмоток 12 вспомогательных генераторов 7 переменного тока необходимо во всем возможном диапазоне изменения нагрузок низковольтной обмотки 12 вспомогательных генераторов 7 переменного тока, причем кривая а соответствует характеристике вспомогательного генератора 7 при максимальной нагрузке низковольтной обмотки 12, а кривая б соответствует характеристике вспомогательного генератора 7 при минимальной нагрузке низковольтной обмотки 12, регулировать ток возбуждения вспомогательных генераторов 7 переменного тока в пределах от точки В до точки Б (фиг. 2). Очевидно, что при изменении тока возбуждения вспомогательных генераторов 7 переменного тока в этом диапазоне, выходное напряжение высоковольтных обмоток 15 вспомогательных генераторов 7 переменного тока будет изменяться в широком диапазоне от точки X до точки Ж в соответствии с кривыми в и у (фиг. 2.), соответствующему участку ИФ на оси U_в (фиг. 2). Линии z и е представляют собой предельно возможные зависимости выходного напряжения высоковольтных выпрямителей 16 со сглаживающими фильтрами 17 от тока энергоснабжения J_э. При параллельном соединении выходных цепей сглаживающих фильтров 17 двух тепловозов и подключении к цепям энергоснабжения пассажирского состава 19 в соответствии с характеристиками высоковольтных обмоток 15 с высоковольтными выпрямителями 16 и сглаживающими фильтрами 17, соответствующими линиям ИЛ и КМ на фиг. 2 будет иметь место значительный разброс токов нагрузок (участок СТ на фиг. 2) при выходном напряжении высоковольтных выпрямителей 16 со сглаживающими фильтрами 17, соответствующем линии НРР'П'П на фиг. 2.

Для выравнивания токов нагрузки при параллельном соединении выходных цепей сглаживающих фильтров 17 двух тепловозов 1 и 2 и подключении к цепям энергоснабжения пассажирского состава 19 с помощью блоков 20 управления каждого тепловоза 1 и 2 измеряют токи нагрузок высоковольтных выпрямителей 16 со сглаживающими фильтрами 17 при помощи датчиков 18 тока обоих тепловозов 1 и 2, сравнивают друг с другом и при величине разброса токов нагрузки высоковольтных выпрямителей 16 со сглаживающими фильтрами 17 выше наперед заданного порога корректируют заданное напряжение U_н0 низковольтных обмоток 12 вспомогательных генераторов 7 обоих тепловозов 1 и 2. Корректировка заданного напряжения U_н0 низковольтных обмоток 12 производится следующим образом: если ток нагрузки высоковольтного выпрямителя 16 тепловоза 2 меньше тока нагрузки высоковольтного выпрямителя 16 со сглаживающими фильтрами 17 тепловоза 1 на величину большую наперед заданного порога, тогда заданное напряжение U_н0 низковольтной обмотки 12 вспомогательного генераторов 7 тепловоза 1 корректируется в сторону снижения (рабочая точка для вспомогательного генератора 7 тепловоза 1 смещается из точки А в точку А' фиг. 2), а заданное напряжение U_н0 низковольтной обмотки 12 вспомогательного генераторов 7 тепловоза 2 корректируется в сторону увеличения (рабочая точка для вспомогательного генератора 7 тепловоза 2 смещается из точки А в точку А'' фиг. 2). При этом зависимости выходного напряжения высоковольтных выпрямителей 16 со сглаживающими фильтрами 17 от тока энергоснабжения J_э, соответствующие линиям ИЛ и КМ (линии z и е на фиг. 2) сдвигаются навстречу друг другу и принимают положение линий И'Л' и К'М' (линии z' и е'), рабочая точка П (фиг. 2) высоковольтного выпрямителя 16 со сглаживающим фильтром 17 тепловоза 1 сдвигается влево до положения П' (фиг. 2), рабочая точка Р (фиг. 2) высоковольтного выпрямителя 16 со сглаживающим фильтром 17 тепловоза 2 сдвигается вправо и занимает положение Р' (фиг. 2) и разброс токов нагрузок уменьшается (участок С'Т' на фиг. 2). Процесс выравнивания продолжается до тех пор пока разброс токов нагрузки высоковольтных выпрямителей 16 со сглаживающими фильтрами 17 тепловозов 1 и 2 не станет ниже наперед заданного порога.

Аналогично происходит процесс выравнивания, если ток нагрузки высоковольтного выпрямителя 16 со сглаживающими фильтрами 17 тепловоза 2 больше тока нагрузки высоковольтного выпрямителя 16 со сглаживающими фильтрами 17 тепловоза 1 на величину больше наперед заданного порога.

Предлагаемый способ регулирования опробован на двух пассажирских тепловозах ТЭП70БС, подключенных высоковольтными выпрямителями со сглаживающими фильтрами параллельно к общей нагрузке (воздушному реостату) и показал положительные результаты.