СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ДАВЛЕНИЯ В ПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2006 года по МПК B61C3/00 

Предлагаемое изобретение относится к области совершенствования поршневых компрессорных установок тягового подвижного состава, например электрического или дизельного подвижного состава. На дизельном тяговом подвижном составе компрессоры приводятся от теплового двигателя, при этом применяются следующие приводы компрессоров: механический неотключаемый от главного теплового двигателя; электрический регулируемый релейно; гидродинамический с регулируемой муфтой; гидродинамический с нерегулируемой муфтой; привод от вспомогательного теплового двигателя (неотключаемый) [1]. На электрическом тяговом подвижном составе применяются электрические приводы компрессоров, регулируемые релейно.

Эксплуатация компрессорных установок на локомотивах значительно отличается от эксплуатации их в стационарных условиях. Из-за специфики поездной работы, конструкционных особенностей локомотивов и типов привода компрессоров это отличие характеризуется переменными скоростью вращения вала, давлением нагнетания, температурными условиями, частыми пусками и остановками или сменами рабочего и холостого хода [2, 3].

Известно, что из всех применяемых способов изменения подачи Q₂ и давления р_к компрессоров способ изменения их путем изменения скорости вращения вала компрессора ω_к является наиболее эффективным. Регулирование подачи поршневых компрессоров путем изменения ω_к выгодно отличается от других известных способов своей экономичностью. Одним из основных требований, предъявляемых к регулируемому приводу поршневых машин, является высокий кпд, снижение которого приуменьшении ω_к должно быть меньше, чем уменьшение кпд компрессоров в случае изменения его подачи при постоянной ω_к.

Однако для поддержания давления воздуха р_к в пневматической системе тягового транспортного средства широко применяются релейные автоматические системы регулирования давления, в которых функции исполнительно-регулирующих устройств, т.е. исполнительных механизмов в совокупности с регулирующими органами выполняют привод компрессора и собственно компрессор. Сама пневматическая система тягового транспортного средства является объектом регулирования давления. Автоматический регулятор давления содержит кроме исполнительно-регулирующего устройства еще управляющий орган, состоящий из измерительного устройства, задающего, сравнивающего и усилительно-преобразующего устройств [4].

На объект регулирования давления действуют внешние возмущающие воздействия: расход воздуха из пневматической системы Q₁, температура Т_а и давление р_а атмосферного (всасываемого) воздуха. Для поддержания регулируемой величины - давления р_к в заданном диапазоне автоматический регулятор давления изменяет регулирующее воздействие - подачу воздуха Q₂ в пневматической системе.

Релейный автоматический регулятор давления имеет статическую характеристику в виде петли (фиг.1), и при работе автоматической системы регулирования давления величина р_к изменяется в пределах от р_к1 до р_к2. Повышение давления - величина р_к от р_к1 до р_к2 осуществляется при работе компрессора с максимальной скоростью вращения вала ω_{к макс} и максимальной подачей Q_{2 макс}. При этом наблюдается максимальная скорость износа деталей цилиндропоршневой группы компрессора и увеличенный расход смазки. Результаты испытаний показывают, что скорость износа деталей компрессора возрастает как с увеличением ω_к, так и с увеличением р_к, причем более сильное влияние на увеличение скорости износа оказывает давление p_к [5, 6, 7].

Для уменьшения износа деталей цилиндропоршневой группы компрессора и уменьшения расхода смазки необходимо применять непрерывное регулирование р_к наиболее эффективным способом - плавным изменением ω_к, при котором уменьшается время работы компрессора при ω_{к макс} и p_{к макс}. Автоматические системы регулирования давления непрерывного действия содержат автоматические регуляторы давления, статические характеристики которых имеют вид, показанный на фиг.2 (линия 1 - при выключении привода компрессора при ω_к=0; линия 2 - при выключении привода компрессора при ω_к2=(0,13-0,17)ω_{к макс}. Анализ свойств автоматического регулятора давления релейного и непрерывного действия показывает, что при непрерывном регулировании давления компрессор работает больше времени при пониженной ω_к и пониженном р_к, что способствует уменьшению скорости износа деталей цилиндропоршневой группы и уменьшению расхода смазки (стоимость которой на порядок выше стоимости дизельного топлива) [8-10].

Известна автоматическая система регулирования давления воздуха в пневмосистеме тягового транспортного средства (тепловоза), в которой при достижении максимального давления в пневматической системе тепловоза релейный автоматический регулятор (фактически двухпредельное реле) давления подает сжатый воздух в цилиндр привода золотника управления наполнением гидродинамической муфты привода поршневого компрессора, золотник перемещается в положение, при котором прекращается подача масла в полость гидродинамической муфты [1, с.308; 8, с.217, 218]. По мере опорожнения гидродинамической муфты компрессор замедляет ход и, наконец, останавливается. При достижении давления воздуха в главных воздушных резервуарах (в пневматической системе тепловоза) минимально допустимого значения релейный автоматический регулятор давления прекращает подачу сжатого воздуха в цилиндр привода золотника управления наполнением муфты, и возвратная пружина золотника перемещает его в положение, при котором осуществляется подача масла в полость гидродинамической муфты. Гидродинамическая муфта заполняется маслом, и вал компрессора вращается с максимальной скоростью. Это первый наиболее близкий аналог, известный авторам.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе с механическим или гидродинамическим приводами компрессора имеют малую монтажную гибкость из-за наличия валопровода между тепловым двигателем и компрессором. Для значительного увеличения монтажной гибкости применяют электрический (в основном, постоянного тока) привод компрессоров [16, с.124-125, с.206-207; 17, с.81-93, 103-106, 230, 306]. Это второй наиболее близкий аналог. Однако все автоматические системы регулирования давления в пневматической системе тяговых транспортных средств с электрическим приводом компрессоров - релейного действия.

В предлагаемой автоматической системе регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства с электрическим приводом компрессора непрерывного действия, принципиальные схемы которой приведены на фиг.3 (для электровоза переменного тока) и фиг.4 (для электровоза двойного питания), компрессор 1 приводится от вала асинхронного двигателя 2, соединенного с валом регулирующей машины постоянного тока 3. Статорная обмотка асинхронного двигателя 2 получает питание от источника трехфазного переменного тока, а роторная обмотка асинхронного двигателя 2 подключена к выпрямителю 6. Давление р_к в пневматической системе 7 измеряется датчиком давления 8, подключенным посредством первого аналого-цифрового преобразователя (АЦП1) 9 к первому входу микропроцессорного программируемого контроллера 10. Скорость вращения вала асинхронного двигателя 2, регулирующей машины постоянного тока 3 и компрессора 1 ω_к измеряется датчиком скорости вращения 11, подключенным посредством второго аналого-цифрового преобразователя (АЦП2) 12 ко второму входу микропроцессорного программируемого контроллера 10. Микропроцессорный программируемый контроллер 10 посредством первого цифроаналогового преобразователя (ЦАП1) 13 соединен с первым блоком управления 14, подключенным к обмотке возбуждения 15 регулирующей машины постоянного тока 3, посредством второго цифроаналогового преобразователя 16 - со вторым блоком управления 17 контактором 18, и посредством третьего цифроаналогового преобразователя 19 - с третьим блоком управления 20 тяговым транспортным средством.

Анализ отдельных видов потерь в тормозных компрессорах тяговых транспортных средств и обобщение результатов экспериментальных исследований показывают, что при работе поршневых компрессоров с переменной ω_к и постоянным р_к мощность, потребляемая компрессором, пропорциональна ω_к и в диапазоне относительной ω_к=(0-0,17)ω_{к макс} она практически равна нулю. Максимальная мощность скольжения асинхронного двигателя при S=0,4 в пять раз меньше номинальной мощности компрессора. Мощность скольжения асинхронного двигателя возвращается на вал компрессора с помощью регулирующей машины постоянного тока. При относительных ω_к, близких к 1,0, момент на валу компрессора создается главным образом асинхронным двигателем, но по мере снижения ω_к все большую часть нагрузки воспринимает регулирующая машина постоянного тока. Однако, так как с уменьшением ω_к уменьшается мощность компрессора, то мощность скольжения асинхронного двигателя и мощность регулирующей машины постоянного тока уменьшаются.

Предлагаемый электрический привод компрессора характеризуется рядом положительных качеств: 1) этот привод представляет собой привод переменного тока, т.е. подключается непосредственно к источнику переменного тока без промежуточных преобразователей; преобразователи в роторной цепи служат лишь для регулирования скорости вращения; 2) основу привода составляет асинхронный двигатель, более простой, надежный и не требующий такого ухода в эксплуатации, как машины постоянного тока; 3) этот привод экономичен, поскольку кпд асинхронного двигателя несколько выше кпд машины постоянного тока, а преобразованию подвергается лишь часть энергии, пропорциональная скольжению; 4) привод обеспечивает плавное регулирование скорости и момента и не требует большого количества силовой контактной аппаратуры; 5) привод имеет малую мощность управления, легко поддается автоматизации, обладает хорошими динамическими качествами; кпд и коэффициент мощности такого привода мало зависит от ω_к, а определяются главным образом моментом компрессора; при изменении ω_к в рабочем диапазоне эти коэффициенты изменяются в пределах 0,80-0,85 [11].

Предлагаемый электрический привод компрессора значительно выигрывает по своим техническим и эксплуатационным качествам, если асинхронный двигатель, регулирующая машина постоянного тока и выпрямитель выполняются в виде одного комплексного агрегата.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства работает следующим образом.

При р_к ниже p₁ (см. фиг.1 и 2) ток возбуждения регулирующей машины постоянного тока 3 равен нулю и валы асинхронного двигателя 2, регулирующей машины постоянного тока 3 и компрессора 1 вращается со скоростью ω_{к макс}, компрессор имеет подачу Q_{2 макс} и давление p_к повышается. При достижении р_к значения p_к1 начинается регулирование ω_к изменением тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока 3. Если при установившейся скорости ω_к увеличить ток возбуждения регулирующей машины постоянного тока, то возрастет ее ЭДС, что приведет к уменьшению тока в цепи выпрямителя 6 и в роторной обмотке асинхронного двигателя 2. В результате уменьшится вращающий момент асинхронного двигателя и скорость ω_к начнет уменьшаться. Уменьшение ω_к происходит до тех пор, пока момент, развиваемый асинхронным двигателем и регулирующей машиной, постоянного тока не возрастет до значения момента сопротивления компрессора 1 и ток в выпрямительной цепи не достигнет установившегося значения. При этом ω_к будет меньше, чем до увеличения тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока. Наоборот, при уменьшении тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока ω_к увеличится. Повышение р_к приводит к увеличению тока возбуждения регулирующей машины постоянного тока, уменьшению ω_к и подаче компрессора Q₂. Когда подача компрессора Q₂ станет равной расходу Q₁, наступит установившийся режим работы автоматической системы регулирования давления и р_к будет постоянным. Если р_к становится равным р_к2, ток возбуждения регулирующей машины постоянного тока становится максимальным, компрессор останавливается и подача его становится равной нулю. Таким образом, при разных расходах воздуха из пневматической системы тягового транспортного средства автоматическая система регулирования давления всегда будет поддерживать подачу Q₂, равную расходу Q₁ при изменении давления в диапазоне от р_к1 до р_к2.

Управляющая программа бортового микропроцессорного контроллера 10 содержит требуемый алгоритм работы автоматического регулятора давления. Например, программа может содержать такое задание: при скорости уменьшения р_к больше заданного значения микропроцессорный автоматический регулятор давления должен быстро увеличить ω_к и подачу компрессора Q₂ до максимальных значений. Эта функция не может быть реализована в известных автоматических системах регулирования давления в пневматических системах тяговых транспортных средств.

Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства является замкнутой автоматической энергетической системой. Известно, что такие системы при определенном сочетании значений статических и динамических параметров их элементов, условий и режимов работы могут работать некачественно и даже неустойчиво, например, в режиме автоколебаний. Задачи обеспечения устойчивости и качественной работы микропроцессорных систем решаются программными средствами с использованием методов теории автоматических систем [4].

С целью уменьшения времени разгона при пуске электрического привода компрессора в микропроцессорной автоматической системе регулирования давления может быть применен разгрузочный клапан, подключенный посредством дополнительного цифроаналогового преобразователя к выходу микропроцессорного контроллера 10 (на фиг.3 и 4 не показан). Однако, несмотря на применение в релейных автоматических системах регулирования давления разгрузочных клапанов, наблюдается большое число выходов из строя электрических приводов компрессора на электровозах по причине сгорания обмоток электродвигателей [2].

Для питания статорной обмотки асинхронного двигателя на электровозах могут применяться следующие источники переменного тока. Источник переменного напряжения в первом случае (фиг.3) содержит понижающий трансформатор 5 и машинный расщепитель фаз 4 [12-15]. На электровозах двойного питания (фиг.4) в дополнение к элементам, представленным на фиг.3, в микропроцессорной автоматической системе регулирования давления источник переменного напряжения содержит два преобразователя, состоящих из регуляторов напряжения 23, промежуточных контуров и инверторов 24. Регулятор напряжения 23 понижает напряжение звена постоянного напряжения тягового преобразователя с 2800-4000 В до 1050 В, а инвертор 24 формирует из полученного напряжения постоянного тока трехфазную сеть с номинальным напряжением 820 В и номинальной частотой 50 Гц. К выходу каждого вспомогательного преобразователя подключены трехфазные трансформаторы 25, понижающие напряжение до 380 В. Вспомогательные цепи переменного тока разделены на сеть для потребителей, питаемых регулируемым напряжением и частотой, и на сеть для потребителей, питаемых фиксированным напряжением 380 В, 50 Гц (насосы, компрессоры и другое вспомогательное оборудование) [13].

Технический результат, заключающийся в обеспечении автоматического поддержания давления в пневматической системе тягового транспортного средства независимо от расхода воздуха из пневматической системы, температуры и давления атмосферного воздуха, достигается тем, что

- вал компрессора соединен с валом асинхронного двигателя, статорная обмотка которого подключена к источнику переменного тока, а роторная обмотка посредством выпрямителя подключена к якорной обмотке регулирующей машины постоянного тока, обмотка возбуждения которой соединена с первым блоком управления, соединенным с первым цифро-аналоговым преобразователем, подключенным к первому выходу микропроцессорного контроллера, к первому входу которого посредством первого аналого-цифрового преобразователя подключен датчик давления в пневматической системе, а ко второму входу микропроцессорного контроллера посредством второго аналого-цифрового преобразователя подключен датчик скорости вращения вала компрессора, второй выход микропроцессорного контроллера посредством второго цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления контактора подключения асинхронного двигателя к источнику переменного тока, а третий выход микропроцессорного контроллера посредством третьего цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления тяговым транспортным средством;

- статорная обмотка асинхронного двигателя подключена к машинному расщепителю фаз, соединенному с понижающим трансформатором, или к преобразователю напряжения и частоты постоянных значений, питающему вспомогательное оборудование.

Технический результат от применения предлагаемой непрерывной автоматической системы регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства заключается также в значительном уменьшении скорости износа деталей цилиндропоршневой группы компрессора и уменьшении расхода смазки при непрерывном регулировании давления р_к наиболее эффективным способом - плавным изменением скорости вращения вала компрессора ω_к, при этом уменьшается время работы компрессора при максимальной скорости вращения ω_{к макс} и максимальном давлении р_{к макс}.

Источники информации

1. Тепловозы. Конструкция, теория и расчет. / Под ред. Н.И.Панова. - М.: Машиностроение, 1976. - 544 с.

2. Маньшин А.П. Обобщение опыта эксплуатации быстроходных транспортных компрессоров. Труды ВНИТИ, 1973, вып.38.

3. Шарунин А.А. Эксплуатационные испытания локомотивных компрессоров ПК-35 и ПК-3,5. Труды ЦНИИ МПС, 1970, вып.413.

4. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989.

5. Банников В.А., Маньшин А.П. Влияние режимов работы компрессоров на износ деталей цилиндропоршневой группы и расход смазки. - Коломна, Труды ВНИТИ, 1983, Вып.58.

6. Цыкунов Ю.И. Результаты испытаний на износ компрессоров ПК-35 и ПК-3,5. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, Транспортное машиностроение, 1968, Вып.13.

7. Цыкунов Ю.И., Лесин В.И. Результаты испытаний опытных образцов локомотивных компрессоров ПК-3,5 и ПК-1,75. - М.: НИИИНФОРМТЯЖМАШ, Транспортное машиностроение, 1968, Вып.5-67-14.

8. А.Н.Логунов и др. Устройство тепловоза ТГМ6А. М.: Транспорт, 1989.

9. Маньшин А.П. Определение параметров, анализ и технико-экономическое сравнение приводов тепловозных компрессоров. Коломна, Труды ВНИТИ, 1968, Вып.32.

10. Маньшин А.П. Исследование системы автоматического регулирования скорости вращения компрессора с приводом через гидромуфту переменного наполнения. - Коломна, Труды ВНИТИ, 1975, Вып.41.8.

11. Копылов И.П. Электрические машины. - М.: Энергия, 1973.

12 Дубровский З.М. Грузовые электровозы переменного тока. - М.: Транспорт, 1998.

13. Лещев А.И. Система вспомогательного привода электровоза двойного питания типа ЭП10. Труды ВЭлНИИ, 1999, Вып.41.

14. Залит Н.Н. Справочник по тепловозам промышленного транспорта. - М.: Транспорт, 1969.

15. Техменев Б.Н., Трахтман Л.М. Подвижной состав электрических железных дорог. - М.: Транспорт, 1980.

16. Тепловоз 2ТЭ116 / С.П.Филонов, А.И.Гибалов, В.Е.Быковский и др. М.: Транспорт, 1985.

17. Дубровский З.М., Попов В.И., Тушканов Б.А. Грузовые электровозы переменного тока. М.: Транспорт, 1998.

Изобретение относится к области совершенствования поршневых компрессорных установок тягового подвижного состава. Вал компрессора соединен с валом асинхронного двигателя, статорная обмотка которого подключена к источнику переменного тока, а роторная обмотка посредством выпрямителя подключена к якорной обмотке регулирующей машины постоянного тока, обмотка возбуждения которой соединена с первым блоком управления, соединенным с первым цифроаналоговым преобразователем, подключенным к первому выходу микропроцессорного контроллера, к первому входу которого посредством первого аналого-цифрового преобразователя подключен датчик давления в пневматической системе. Ко второму входу микропроцессорного контроллера посредством второго аналого-цифрового преобразователя подключен датчик скорости вращения вала компрессора. Второй выход микропроцессорного контроллера посредством второго цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления контактора подключения асинхронного двигателя к источнику переменного тока. Третий выход микропроцессорного контроллера посредством третьего цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления тяговым транспортным средством. Технический результат заключается в обеспечении автоматического поддержания давления в пневматической системе тягового транспортного средства независимо от расхода воздуха из пневматической системы, температуры и давления атмосферного воздуха. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства, содержащая компрессор, соединенный с валом регулирующей машины постоянного тока, отличающаяся тем, что вал компрессора соединен с валом асинхронного двигателя, статорная обмотка которого подключена к источнику переменного тока, а роторная обмотка посредством выпрямителя подключена к якорной обмотке регулирующей машины постоянного тока, обмотка возбуждения которой соединена с первым блоком управления, соединенным с первым цифроаналоговым преобразователем, подключенным к первому выходу микропроцессорного контроллера, к первому входу которого посредством первого аналого-цифрового преобразователя подключен датчик давления в пневматической системе, а ко второму входу микропроцессорного контроллера посредством второго аналого-цифрового преобразователя подключен датчик скорости вращения вала компрессора, второй выход микропроцессорного контроллера посредством второго цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления контактора подключения асинхронного двигателя к синхронному генератору, а третий выход микропроцессорного контроллера посредством третьего цифроаналогового преобразователя соединен с блоком управления тяговым транспортным средством.2. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что статорная обмотка асинхронного двигателя подключена к машинному расщепителю фаз, соединенному с понижающим трансформатором.3. Автоматическая система регулирования давления в пневматической системе тягового транспортного средства по п.1, отличающаяся тем, что статорная обмотка асинхронного двигателя подключена к преобразователю напряжения и частоты постоянных значений, питающему вспомогательное оборудование.