способ регулирования электрической передачи тепловозов
Классы МПК: | B60L11/06 с генераторами переменного тока и двигателями постоянного тока B60L15/20 для управления транспортными средствами или их двигателями с целью получения требуемых параметров, например скорости, крутящего момента, запрограммированного изменения скорости |
Автор(ы): | Варегин Ю.А., Клименко Ю.И., Киржнер Д.Л., Ким С.И., Кулабухов А.С. |
Патентообладатель(и): | Государственное унитарное предприятие Всероссийский научно- исследовательский институт тепловозов и путевых машин Министерства путей сообщения Российской Федерации |
Приоритеты: |
подача заявки:
2000-04-26 публикация патента:
20.10.2001 |
Изобретение относится к железнодорожному транспорту. В способе задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину рассогласования интегрируют по времени и принимают за величину уставки выходного напряжения синхронного генератора. Ток возбуждения генератора изменяют по отклонению его напряжения от уставки. Мощность генератора распределяют по тяговым электродвигателям колесных пар, для чего формируют задание мощности каждого электродвигателя в функции вертикальных нагрузок на колесные пары, минимальной частоты вращения электродвигателя, мощности генератора, направления движения, заданной частоты вращения теплового двигателя. По отклонению мощности электродвигателя от заданной определяют уставку выходного напряжения управляемого выпрямителя и осуществляют фазовое регулирование выходного напряжения последнего. Способ обеспечивает повышение тяговых свойств тепловоза и более полное использование сцепного веса во всем скоростном диапазоне. 4 ил.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4
Формула изобретения
Способ регулирования электрической передачи тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение синхронный генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени и принимают за величину уставки выходного напряжения тягового генератора, измеряют напряжение тягового генератора, сравнивают его с величиной уставки и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора, отличающийся тем, что определяют направление движения тепловоза, измеряют частоту вращения каждого электродвигателя, выделяют минимальную частоту вращения тягового электродвигателя, измеряют мощность тягового генератора, распределяют мощность тягового генератора по тяговым электродвигателям колесных пар, для чего формируют задание мощности каждого тягового электродвигателя в функции действующих вертикальных нагрузок на колесные пары тепловоза, минимальной частоты вращения тягового электродвигателя, мощности тягового генератора, направления движения тепловоза, заданной частоты вращения теплового двигателя, измеряют мощность каждого тягового электродвигателя и сравнивают с заданием уставки мощности, результат сравнения усиливают, принимают за величину, соответствующую уставке выходного напряжения управляемого выпрямителя, подают на управляющий вход управляемого выпрямителя и осуществляют фазовое регулирование выходного напряжения управляемого выпрямителя, которое подают на вход тягового электродвигателя.Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к железнодорожному транспорту, а именно к способу регулирования электропередачи тепловозов с автономным тепловым двигателем, тяговым генератором переменного тока, управляемыми выпрямителями и электродвигателями постоянного тока. Известен способ регулирования электропередачи тепловозов путем регулирования напряжения тягового генератора, принятый за прототип, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение тяговый генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора пропорционально заданной частоте вращения, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени и принимают за величину уставки напряжения тягового генератора, измеряют напряжение тягового генератора, сравнивают его с величиной уставки и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора. /SU, авторское свидетельство N 925693, кл. B 60 L 11/02, опубликованное в 1982 г./. Недостатком известного способа является то, что при реализации тяговых усилий электрическая нагрузка по параллельно соединенным тяговым электродвигателям распределяется равномерно без учета изменения вертикальных механических нагрузок по колесным парам, обусловленного реакциями привода и особенностью экипажной части тепловоза. При равномерном распределении электронагрузок по тяговым двигателям лимитирующая (с меньшей вертикальной нагрузкой) колесная пара имеет большую склонность к боксованию, по сравнению с компенсирующими (с большей вертикальной нагрузкой) колесными парами. Реализация тяговых усилий тепловозом производится при недоиспользовании сцепного веса тепловоза, что снижает его тяговые возможности без боксования. Известен способ регулирования электрической передачи тепловоза, заключающийся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение синхронный тяговый генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению частоты вращения теплового двигателя, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки теплового двигателя пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени, устанавливают постоянный ток возбуждения синхронного генератора, отличающийся тем, что ток возбуждения синхронного генератора устанавливают предельным для заданной частоты вращения теплового двигателя, величину рассогласования измеренного положения дозирующего органа топливоподачи с заданным положением интегрируют по времени с постоянными времени, величину которых устанавливают дискретно - большей при положительном и меньшей при отрицательном знаках величины рассогласования, по результату интегрирования принимают соответствующую уставку частоты вращения тяговых электродвигателей, измеряют частоту вращения каждого тягового электродвигателя, сравнивают частоту вращения каждого тягового электродвигателя отдельно с уставкой частоты вращения тяговых электродвигателей, результат сравнения усиливают, принимают за величину, соответствующую уставке выходного напряжения управляемого выпрямителя, подают на управляющий вход управляемого выпрямителя и осуществляют фазовое регулирование выходного напряжения управляемого выпрямителя, которое подают на вход тягового электродвигателя. (RU, патент N 2130389, кл. B 60 L 1/06, 1999 г.). Недостатком известного способа является то, что распределение мощности (тяговых усилий по электродвигателям колесных пар) производят только в режимах возникающего боксования колесных пар тепловоза, что приводит к потерям мощности в контакте колесо - рельс, обусловленным потерями на трение, и недоиспользованию потенциальных возможностей к реализации тяговых усилий тепловоза без боксования. Техническим результатом изобретения является повышение тяговых свойств тепловоза путем раздельного регулирования мощности, подводимой к тяговым электродвигателям последовательного возбуждения и создания в условиях отсутствия боксования колесных пар тепловоза более полного использования сцепного веса тепловоза во всем скоростном диапазоне работы тепловоза. Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования электрической передачи тепловоза, заключающемся в том, что задают частоту вращения теплового двигателя, приводящего во вращение синхронный тяговый генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты и нагрузки теплового двигателя, соответствующее текущему значению его частоты вращения, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки пропорционально заданной частоте вращения теплового двигателя, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют и принимают за величину уставки выходного напряжения тягового генератора, измеряют напряжение тягового генератора, сравнивают его с величиной уставки и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения тягового генератора, определяют направление движения тепловоза, измеряют частоту вращения каждого электродвигателя, выделяют минимальную частоту вращения тягового электродвигателя, измеряют мощность тягового генератора, распределяют мощность тягового генератора по тяговым электродвигателям колесных пар, для чего формируют задание мощности каждого тягового электродвигателя в функции действующих вертикальных нагрузок на колесные пары тепловоза, минимальной частоты вращения тягового электродвигателя, мощности тягового генератора, направления движения тепловоза, заданной частоты вращения теплового двигателя, измеряют мощность каждого тягового электродвигателя и сравнивают с заданием уставки мощности, результат сравнения усиливают, принимают за величину, соответствующую уставке выходного напряжения управляемого выпрямителя, подают на управляющий вход управляемого выпрямителя и осуществляют фазовое регулирование выходного напряжения управляемого выпрямителя, которое подают на вход тягового электродвигателя. На фиг. 1 представлена блок-схема устройства, реализующего способ. На фиг. 2 представлена характеристика боксования колесных пар тепловоза, избыточная скорость скольжения которых приведена к избыточной частоте вращения тяговых электродвигателей колесных пар. На фиг. 3 представлены характеристики изменения мощности, подводимой к тяговым электродвигателям в функции частоты вращения тяговых электродвигателей, вертикальных нагрузок колесных пар и мощности тягового генератора. На фиг. 4 представлена внешняя характеристика тягового генератора в режиме постоянной мощности. Устройство (фиг. 1) для реализации предлагаемого способа состоит из теплового двигателя 1, например дизеля, с регулятором 2 частоты вращения и нагрузки, с датчиком 3 положения рейки топливных насосов высокого давления дизеля. Дизель 1 связан с электрической передачей, в которую входит нижеперечисленное оборудование, так сам дизель 1 соединен, например, с синхронным тяговым генератором 4. Силовой выход синхронного генератора 4 подключен к силовым входам управляемых выпрямителей 5 и 6. Силовой выход управляемого выпрямителя 5 подключен на вход тягового электродвигателя 7, силовой выход управляемого выпрямителя 6 подключен на силовой вход тягового электродвигателя 8. Тяговый электродвигатель 7 соединен с датчиком частоты 9, тяговый электродвигатель 8 соединен с датчиком частоты 10. Выходы датчиков частоты 9 и 10 соединены с входами устройства 11 выделения минимальной частоты вращения тяговых электродвигателей 7 и 8. К силовому выходу управляемого выпрямителя 5 подключены датчик тока 12 и датчик напряжения 13, выходы которых подключены на входы множительного устройства 14 измерения мощности тягового электродвигателя 7. К силовому выходу управляемого выпрямителя 6 подключены датчик тока 15 и датчик напряжения 16, выходы которых подключены на входы множительного устройства 17 измерения мощности тягового электродвигателя 8. Один из выходов задатчика 18 частоты вращения дизеля и направления движения тепловоза, например многопозиционного контроллера машиниста тепловоза, соединен с входом регулятора 2 частоты вращения и нагрузки дизеля 1, с входом функционального преобразователя 19, формирующего по заданной частоте вращения дизеля 1 задание положения дозирующего органа топливоподачи, и с одним из входов блока 20 формирования задания мощности тяговых электродвигателей 7 и 8, выполненного на базе микроконтроллера, другой выход задатчика 18 частоты вращения и направления движения соединен с другим входом блока 20. Выход функционального преобразователя 19 соединен с одним из входов сумматора 21 измерения рассогласования, другой вход которого соединен с выходом датчика 3 положения рейки топливных насосов. Выход сумматора 21 соединен с входом интегратора 22, выход которого соединен с одним из входов сумматора 23. На силовой выход синхронного генератора подключены датчик напряжения 24 и датчик тока 25, выходы которых подключены на вход множительного устройства 26 измерения мощности тягового генератора 4, а выход множительного устройства 26 соединен с одним из входов блока 20 формирования задания мощности тяговых электродвигателей 7 и 8. Выход сумматора 23 через блок управления 27 тока возбуждения тягового генератора 4 соединен с обмоткой возбуждения тягового генератора 4. Выход устройства 11 выделения минимальной частоты вращения соединен с одним из входов блока 20 формирования задания мощности тяговых электродвигателей. Один из выходов блока 20 формирования задания мощности тяговых двигателей соединен с одним из входов сумматора 28, другой выход блока 20 соединен с одним из входов сумматора 29. Выход сумматора 28 через усилитель 30 подключен на управляющий вход управляемого выпрямителя 5. Выход сумматора 29 через усилитель 31 подключен на управляющий вход управляемого выпрямителя 6. Число пар "управляемый выпрямитель - тяговый электродвигатель", например 5 и 7, или 6 и 8, и число функциональных элементов, например 9, 12, 13, 14, 28 и 30 или 10, 15, 16, 17, 29, 31, в электрической тяговой передаче равно числу движущих колесных пар тепловоза, например, двум, как в рассматриваемом устройстве на фиг. 1. Способ осуществляется следующим образом. Контроллером 18 машиниста определяют направление движения тепловоза и задают частоту вращения дизеля 1. На выходах контроллера 18 машиниста действуют сигналы, кодовый сигнал, пропорциональный заданной частоте вращения дизеля 1, который поступает на вход регулятора 2 частоты вращения и нагрузки дизеля 1, на вход функционального преобразователя 19 и на один из входов блока 20 формирования задания мощности тяговых электродвигателей 7 и 8, на другой из входов которого поступает другой сигнал с выхода контроллера 18 машиниста, по которому определяют задание на направление движения тепловоза. Регулятор 2 частоты и нагрузки удерживает частоту вращения дизеля пропорционально кодовому сигналу задания частоты вращения дизеля 1, поступающего с контроллера 18 машиниста. Датчиком 3 измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки дизеля 1, соответствующее текущему значению частоты вращения дизеля 1. Выходной сигнал "Lи" датчика 3, пропорциональный положению органа топливоподачи, поступает на один из входов сумматора 21. Функциональным преобразователем 19 задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора 2 частоты вращения и нагрузки пропорционально заданной частоте вращения дизеля 1, для чего в функциональном преобразователе 19 преобразуют код заданной частоты, поступающий на вход функционального преобразователя 19 с выхода контроллера 18 машиниста, в сигнал "Lз" задания положения дозирующего органа топливоподачи, который с выхода функционального преобразователя 19 поступает на другой вход сумматора 21 измерения рассогласования. Сигнал "Lз" заданного положения дозирующего органа топливоподачи и сигнал "Lu" измеренного датчиком 3 положения дозирующего органа топливоподачи в сумматоре 21 сравниваются по величине и знаку отклонения. Величина рассогласования![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174013/916.gif)
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174004/177.gif)
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174013/916.gif)
датчиком частоты 9 измеряют частоту вращения тягового электродвигателя 7 и сигнал, пропорциональный частоте вращения тягового электродвигателя 7, с выхода датчика 9 подают на один из входов устройства 11 выделения минимальной частоты;
датчиком частоты 10 измеряют частоту вращения тягового электродвигателя 8 и сигнал, пропорциональный частоте вращения тягового электродвигателя с выхода датчика 10 подают на другой вход устройства выделения минимальной частоты. Устройство 11 выделяет из измеренных частот вращения тяговых электродвигателей 7 и 8 минимальную частоту вращения и сигнал минимальной частоты с выхода устройства 11 подают на один из входов блока 20. Мощность тягового генератора 4 измеряют множительным устройством 26 перемножением сигналов, сигнала с выхода датчика 24, пропорционального напряжению тягового генератора 4, и сигнала с выхода датчика 25, пропорционального току тягового генератора 4. Сигнал, пропорциональный измеренной мощности тягового генератора 4, с выхода множительного устройства 26 подают на один из входов блока 20 формирования задания мощности тяговых электродвигателей 7 и 8. На другие входы блока 20 формирования задания мощности тяговых электродвигателей 7 и 8 поступают сигналы: сигнал направления движения тепловоза с выхода контроллера 18 машиниста, сигнал кода заданной частоты вращения дизеля 1 с другого выхода контроллера 18 машиниста, сигнал, пропорциональный минимальной частоте вращения тяговых электродвигателей 7 и 8 с выхода устройства 11, сигнал, пропорциональный измеренной мощности тягового генератора 4 с выхода множительного устройства 26. Распределяют мощность тягового генератора 4 по тяговым электродвигателям 7 и 8 колесных пар тепловоза, для чего в блоке 20 формируют задание мощности каждого тягового электродвигателя в функции действующих вертикальных нагрузок на колесные пары тепловоза, минимальной частоты вращения одного из тяговых электродвигателей, мощности тягового генератора, направления движения тепловоза и заданной частоты вращения коленчатого вала дизеля. Формирование сигналов задания мощности тяговых электродвигателей 7 и 8 в блоке 20 производится исходя из следующих положений. Если электрическая мощность равномерно распределяется по тяговым электродвигателям, например при их параллельном соединении, то реализуемые колесными парами силы тяги одинаковы
F1 = F2 =... = Fi. (1)
Коэффициенты тяги колесных пар различны. Лимитирующая (с наименьшей вертикальной нагрузкой) колесная пара реализует наибольший коэффициент тяги. Компенсирующая (с наибольшей вертикальной нагрузкой) колесная пара реализует наименьший коэффициент тяги. При работе лимитирующей колесной пары на грани сцепления коэффициент тяги лимитирующей колесной пары приближается в пределе к физическому значению коэффициента сцепления (фиг. 2, характеристика боксования, точка "а"), а коэффициент тяги компенсирующей колесной пары (фиг. 2, характеристика боксования, точка "б") меньше физического коэффициента сцепления. Запас сцепления колес с рельсами лимитирующей колесной пары минимален, а через компенсирующую колесную пару не реализуются ее потенциальные возможности. Одинаковые условия по реализации сцепления колесных пар тепловоза с рельсами, в том числе и потенциальных возможностей по сцеплению, достигается выравниванием коэффициентов тяги колесных пар тепловоза (фиг. 2, характеристика боксования, точка "в"). Выравнивание коэффициентов тяги колесных пар тепловоза увеличивает использование сцепного веса тепловоза. Полное использование сцепного веса тепловоза при реализации тяговых усилий возможно, если коэффициенты тяги колесных пар тепловоза одинаковы, равны коэффициенту тяги тепловоза и не превышают потенциальный коэффициент сцепления
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174919/2174919-2t.gif)
где F1, F2,..., Fi - сила тяги, развиваемая колесными парами; П1, П2,... , Пi - вертикальные нагрузки колесных пар; РСЦ - сцепной вес тепловоза;
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174218/968.gif)
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174742/8721.gif)
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174919/2174919-3t.gif)
где П0 - среднее значение вертикальной нагрузки на колесную пару; m - число колесных пар; kmi - коэффициент, учитывающий реакцию в приводе и экипажной части тепловоза от Fi на колесную пару, знак которого определяется направлением движения тепловоза. Тяговое усилие i-й колесной пары соответствует
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174919/2174919-4t.gif)
где Pi - касательная мощность, подводимая к i-й колесной паре;
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174047/969.gif)
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174919/2174919-5t.gif)
где Pk - мощность тягового генератора, идущая на реализацию тяговых усилий;
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174047/969.gif)
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174004/177.gif)
![способ регулирования электрической передачи тепловозов, патент № 2174919](/images/patents/297/2174013/916.gif)
Класс B60L11/06 с генераторами переменного тока и двигателями постоянного тока
Класс B60L15/20 для управления транспортными средствами или их двигателями с целью получения требуемых параметров, например скорости, крутящего момента, запрограммированного изменения скорости