СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ Российский патент 2011 года по МПК B60W10/04 B60L11/02 

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к силовым локомотивным установкам и способу управления ими.

Известна силовая установка и способ управления ей по патенту US 7,232,401 B2, которая содержит ДВС, трансмиссию, мотор-генератор, инвертор, устройство накопления энергии и систему управления, предназначенная для улучшения переходных процессов при включении/отключении части цилиндров ДВС.

Известен метод работы транспортного средства с ДВС-генераторной силовой установкой, тяговым электродвигателем и соответствующим транспортным средством по патенту US 7,163,071 B2, которое содержит ДВС-генераторную силовую установку, электродвигатель, источник сигнала управления мощностью и электронную систему управления, объединяющую перечисленные компоненты. Указанное техническое решение является наиболее близким к заявляемому объекту. Оно и взято за прототип.

Недостатками этой силовой установки является необходимость ослабления мощности потребителей электроэнергии, к которым в данном транспортном средстве относятся не только привод вспомогательных устройств, но и тяговые электродвигатели, что может привести к отключению используемой в данный момент вспомогательной нагрузки при недостатке снижения потребления электроэнергии за счет других (в которых нет необходимости в данный момент) потребителей. Если же нагрузка на ДВС снижается за счет уменьшения мощности тяговых электродвигателей - это приведет к уменьшению силы тяги.

Задачей настоящего изобретения является повышение эффективности работы силовой установки локомотива (повышение КПД, снижение тепловых нагрузок) в переходных (неустановившихся) режимах и/или снижение их продолжительности и/или повышение надежности ДВС.

Решение указанной задачи достигается за счет того, что силовая цепь локомотива, которая содержит, по крайней мере один ДВС, по крайней мере один генератор, подсоединенный к по крайней мере одному ДВС, по крайней мере один преобразователь, предназначенный для преобразования и регулирования тока и напряжения в силовой цепи, по крайней мере один тяговый электродвигатель и систему управления с измерительными устройствами, отличается тем, что содержит накопитель энергии (НЭ), который вводит в силовую цепь энергию по специальному алгоритму, а также заряжается по специальному алгоритму.

Предложенное техническое решение по мнению заявителя обладает новизной, изобретательским уровнем и промышленной применимостью. Для реализации изобретения достаточно применения известных узлов и деталей, ранее разработанных и реализованных в конструкциях транспортных средств и в машиностроении.

Сущность изобретения поясняется на фиг.1 и 2, где:

- на фиг.1 изображена принципиальная схема силовой цепи

локомотива;

- на фиг.2 изображено изменение некоторых параметров работы силовой установки локомотива при использовании описанной системы управления;

- на фиг.3 изображено изменение угловой скорости коленчатого вала дизеля в переходном процессе при применении описанной системы управления;

- на фиг.4 изображено изменение мощности тяги P_тяги и заряда накопителя энергии E_н в переходном процессе при применении описанной системы управления.

Силовая установка содержит ДВС 1, тяговый генератор 2, подсоединенный к ДВС, тяговый выпрямитель (он же пусковой инвертор) 3, тяговые электродвигатели 4, которые через редукторы 5 приводят ведущие оси 6. Силовая установка также содержит накопитель энергии 7, который электрически соединен с преобразователем (он же регулятор) тока и напряжения 8, управляющее устройство 9, которое соединено с устройствами измерения тока 10 и напряжения 11 накопителя энергии, с устройством измерения выходной мощности генератора и накопителя 12, с устройством измерения напряжения тягового выпрямителя 13, а также с запирающими устройствами 14 и 15.

ДВС 1 приводит генератор 2, который через тяговый выпрямитель 3 (он же пусковой инвертор) питает тяговые электродвигатели локомотива 4 (для передачи переменно-постоянного тока). Режим тяги с одновременной передачей энергии ДВС 1 и накопителя энергии 7 на движущие оси 6 через электрическую передачу тепловоза и редукторы 5 осуществляется путем разряда накопителя энергии 7 в силовую цепь через преобразователь 8. При этом управляющее устройство 9, получая сигналы от устройства измерения напряжения генератора 13, устройства измерения тока 10 и напряжения 11 регулирует работу преобразователя 8 так, чтобы потенциалы на выходе из тягового выпрямителя 3 и преобразователя 8 были равны и ток разряда накопителя энергии 7 обеспечивал заданный закон изменения тяговой мощности.

Режим тяги с использованием только энергии теплового двигателя обеспечивается закрытием преобразователя 8. В случае избытка мощности дизеля передача этой избыточной мощности накопителю энергии осуществляется через преобразователь 8, при этом управляющее устройство 9 регулирует преобразователь 8 так, чтобы обеспечивался оптимальный при данных условиях режим заряда накопителя.

Также возможен режим выбега с одновременным зарядом накопителя энергии. Управляющее устройство 9 переводит запирающее устройство 15 в режим «закрыто» и управляет преобразователем 8 и возбуждением генератора 2 так, чтобы обеспечивался оптимальный, режим заряда накопителя 7. Эта схема позволяет реализовать и режим рекуперативного торможения. При этом тяговые электродвигатели 4 переходят в генераторный режим, а управляющее устройство 9 переводит запирающее устройство 14 в режим «закрыто» и управляет преобразователем 8 так, чтобы обеспечивался оптимальный при данных условиях режим заряда накопителя.

Фиг.2 соответствует работе дизеля в переходном режиме в некотором интервале времени Δt. Этот интервал можно разбить на три характерных этапа:

Этап I. До начала первого этапа дизель 1 работает с постоянной угловой скоростью коленчатого вала ω_∂1, постоянной мощностью P_{e i}. Нагрузка на него также постоянна и соответствует P_{ген i}.

При переводе рукоятки контроллера машиниста из одного положения в другое, соответствующее большей угловой скорости коленчатого вала дизеля 1 ω_∂, система управления снижает мощность генератора 2 по линии 8-7 и увеличивает цикловую подачу топлива со значения соответствующего b_{ц i} до ограничения по уровню топливно-воздушного соотношения - [b_ц]. Снижение нагрузки на дизель 1 должно быть таким, чтобы сумма мощностей от приращения подачи топлива и этого снижения была равна мощности необходимой для увеличения кинетической энергии движущихся масс двигателя P_кин с ω_∂1 до ω_∂2:

Благодаря снижению нагрузки и увеличению цикловой подачи топлива угловая скорость коленчатого вала ω_∂ начинает увеличиваться, при этом растет расход воздуха через дизель G_в. Цикловая подача топлива изменяется так, чтобы коэффициент избытка воздуха α был равен минимально допустимой величине [α].

Несмотря на снижение мощности генератора 2 P_ген, мощность, необходимая для нужд тяги P_{на тягу}, растет. Этот рост обеспечивается за счет введения в силовую цепь тепловоза энергии от емкостного накопителя 7 и за счет увеличения текущего значения мощности дизеля. Количество энергии, идущее на нужды тяги от накопителя, система управления 9 определяет исходя из условия обеспечения заданного углового ускорения коленчатого вала дизеля. Такая необходимость связана с тем, что текущее значение цикловой подачи топлива, ограниченной в соответствии с допустимым значением топливно-воздушного соотношения, не всегда способно обеспечить необходимый рост тяговой мощности.

Разряд накопителя 7 в силовую цепь продолжается в течение некоторого интервала времени, при котором ω_∂ возрастает на величину, установленную системой управления. Количество энергии для увеличения ω_∂ соответствует площади фигуры 1-3-4-6-1.

Количество энергии, которое поступает в силовую цепь тепловоза от EH 7 в процессе увеличения ω_∂, соответствует площади фигуры, ограниченной линией 1-2-5-6-1 (7-8-11-12-7). Повышение мощности дизеля 1 со значения в точке 13 до уровня в точке 14 происходит за счет изменения ω_∂ и b_ц. Таким образом, нагрузка от увеличения кинетической энергии вращающихся масс дизеля распределяется между EH (1-2-5-6-1) и самим дизелем (фигура 2-3-4-5-2).

Как только угловая скорость коленчатого вала достигает заданной величины ω_∂2, нагрузка на генератор 2 восстанавливается по линии 12-11-10. При этом дизель 1 уже развивает мощность, при которой он способен реализовывать нагрузку, соответствующую точке 10.

Этап II. Этот этап характерен постоянством величины ω_∂.

Несмотря на неизменную частоту вращения коленчатого вала дизеля цикловая подача топлива продолжает расти, поскольку расход воздуха через дизель 1 также растет благодаря продолжающемуся повышению угловой скорости ротора турбокомпрессора. Подобное изменение b_ц приводит к увеличению мощности дизеля и соответствующему повышению P_ген.

Поскольку мощность, развиваемая тяговым генератором 2 на данном этапе, выше мощности, необходимой для реализации установленной системой управления 9 силы тяги, то возникает возможность произвести заряд накопителя энергии 7.

Продолжительность второго этапа выбирается исходя из условия восполнения энергии затраченной на первом этапе (площадь 7-8-11-12-7 не должна превышать площадь фигуры 11-10-23-22-11), а также для реализации требуемой скорости изменения мощности тяги за весь переходный процесс.

Этап III. Мощность генератора 2 снижается по линии 23-21 на величину, равную мощности, необходимой для увеличения кинетической энергии движущихся масс двигателя P_кин с установленным угловым ускорением коленчатого вала дизеля. Падение мощности генератора 2 больше чем на первом этапе, поскольку в отличие от первого этапа здесь не происходит резкого увеличения цикловой подачи топлива db_ц и соответствующего ему приращения эффективной мощности дизеля .

После этапа III вновь следует этап II, так как первый этап относился только к работе дизеля на «недогруженном» режиме, и т.д. до тех пор, пока ω_∂ не будет равна угловой скорости коленчатого вала дизеля заданной изменением позиции контроллера машиниста.

Применение изобретения позволило:

1. Повысить КПД ДВС в неустановившихся режимах за счет протекания переходных процессов с установленным коэффициентом избытка воздуха, выбираемым по условию реализации высокоэффективного переходного процесса.

2. Повысить надежность ДВС в эксплуатации за счет снижения накопленных повреждений в переходных процессах, вызванных тепловыми перегрузками, а также за счет снижения отложений сажи и продуктов неполного сгорания топлива на элементах газовыхлопного тракта и турбины турбокомпрессора.

3. Снизить энергоемкость накопителя энергии, необходимую для улучшения качества переходных процессов.

4. Обеспечить возможность пуска ДВС при помощи накопителя энергии 7.

Группа изобретений относится к области управления силовыми локомотивными установками. Силовая установка локомотива содержит ДВС, генератор, тяговый выпрямитель, тяговые электродвигатели, редукторы, ведущие оси. Имеется управляющее устройство, в которое дополнительно введены устройство накопления электрической энергии, преобразователь и регулятор тока и напряжения, измерительные устройства, предназначенные для обеспечения обратной связи по необходимым параметрам, и два запирающих устройства. В переходных режимах работы нагрузку на ДВС снижают путем снижения системой управления нагрузки на генератор, при этом тяговую мощность продолжают увеличивать за счет регулирования системой управления преобразователя и регулятора тока и напряжения с обеспечением разряжения накопителя энергии в силовую цепь заданным темпом. Управление переходным процессом осуществляют системой управления с обеспечением во время его протекания заряда накопителя энергии путем ступенчатого увеличения угловой скорости коленчатого вала ДВС и использования для заряда накопителя появляющейся свободной мощности тягового генератора. Во время протекания переходного процесса системой управления устанавливают минимально допустимый коэффициент избытка воздуха. Группа изобретений позволяет повысить КПД ДВС при работе в неустановившихся режимах и повысить надежность ДВС за счет уменьшения накопленных повреждений в переходном процессе в результате снижения тепловой напряженности деталей, а также за счет уменьшения отложений сажи и продуктов неполного сгорания на деталях газовыхлопного тракта и турбины турбокомпрессора. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ управления силовой установкой, осуществляемый путем снижения нагрузки на ДВС в переходных режимах, отличающийся тем, что в переходных режимах работы нагрузку на ДВС снижают путем снижения системой управления нагрузки на генератор, при этом тяговую мощность продолжают увеличивать за счет регулирования системой управления преобразователя и регулятора тока и напряжения с обеспечением разряжения накопителя энергии в силовую цепь заданным темпом, управление переходным процессом осуществляют системой управления с обеспечением во время его протекания заряда накопителя энергии путем ступенчатого увеличения угловой скорости коленчатого вала ДВС и использования для заряда накопителя появляющейся свободной мощности тягового генератора, во время протекания переходного процесса системой управления устанавливают минимально допустимый коэффициент избытка воздуха.

2. Система управления для реализации способа управления силовой установкой, состоящей из ДВС, генератора, тягового выпрямителя, тяговых электродвигателей, редукторов, ведущих осей, включающая в себя управляющее устройство, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены устройство накопления электрической энергии, преобразователь и регулятор тока и напряжения, измерительные устройства, предназначенные для обеспечения обратной связи по необходимым параметрам, и два запирающих устройства, при этом накопитель энергии электрически соединен с преобразователем и регулятором тока и напряжения, управляющее устройство соединено с устройствами измерения тока и напряжения накопителя энергии, с устройством измерения выходной мощности генератора и накопителя энергии, с устройством измерения напряжения тягового выпрямителя, а также с запирающими устройствами, причем последние включены с возможностью обеспечения, при переводе управляющим устройством одного из них в режим «закрыто», оптимального режима заряда накопителя соответственно в режиме выбега и рекуперативного торможения.