Электрическая передача переменного тока тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления Российский патент 2020 года по МПК B60L50/10 B60L50/13 B60L50/51 B60W10/08 H02P5/74 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к электрооборудованию тягового транспортного подвижного состава, т.е. таких тяговых транспортных средств, как тепловозы (автономные локомотивы), дизель-поезда, автомобили и т.д., у которых передачи мощности с вала теплового двигателя (дизеля) к осям движущих колес выполнены на переменном токе с подключением асинхронных тяговых двигателей к тяговому синхронному генератору.

Уровень техники

1. Известны электрические передачи мощности переменного тока тяговых транспортных средств, не содержащие промежуточных преобразователей между синхронным тяговым генератором и асинхронными тяговыми двигателями, частота вращения валов которых изменяется ступенями при изменении числа пар полюсов электрических машин [Патент Великобритании 1064772, Кл. Н2А, 1964. Патент Великобритании 1067070, Кл. Н2А, 1974.]. Эти электрические передачи мощности переменного тока имеют сложную многоприводную систему, что усложняет передачи, снижает их надежность и ухудшает тяговые свойства тяговых транспортных средств.

Известна также электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства, содержащая синхронный тяговый генератор с несколькими m-фазными обмотками статора, приводимый во вращение транспортным двигателем, и асинхронные тяговые двигатели, подключенные к синхронному тяговому генератору[Рудаков Б.В., Семенов Н.П., Сушков Б.А. Двухчастотный синхронный генератор и многоскоростной асинхронный двигатель для передвижных установок. - Энергетика, 1967, 5.]. Частота вращения валов асинхронных тяговых двигателей изменяется путем изменения частоты вращения вала транспортного двигателя и изменения числа пар полюсов синхронного тягового генератора.

Известна электрическая передача мощности тягового транспортного средства, содержащая синхронный тяговый генератор с несколькими m-фазными обмотками статора, приводимый во вращение от транспортного двигателя, и асинхронные тяговые двигатели, подключенные к синхронному тяговому генератору, у которого соседние обмотки статора взаимно смещены по окружности его расточки [А.с. 691320, МКл² B60L 11/08, 1979, БИ 38.].

Недостатком указанных электрических передач мощности является то, что скоростной диапазон не может быть широким, т.к. число переключений полюсов не превосходит 1-2 из-за чрезмерного возрастания веса коммутационной аппаратуры и самих электрических машин. Переключение полюсов электрических машин связано с коммутацией силовой цепи статора синхронного тягового генератора, передающей мощность от синхронного тягового генератора к асинхронным тяговым двигателям, что приводит к исчезновению или значительному уменьшению силы тяги тягового транспортного средства в процессе переключения, к броскам тока и вращающего момента в начале и конце такого переключения и к ухудшению тяговых свойств тягового транспортного средства, снижению надежности и экономичности электрической передачи мощности.

2. Известна электрическая тягового транспортного средства (аналог), совокупность признаков которой сходна с совокупностью существенных признаков предполагаемого изобретения, содержащая тяговый синхронный генератор, приводимый от теплового двигателя, блок возбуждения тягового синхронного генератора, асинхронные тяговые двигатели и блок управления передачей. В ней статорные обмотки тягового синхронного генератора подключены к статорным обмоткам двух одинаковых асинхронных тяговых двигателей, роторные обмотки которых соединены последовательно и подключены посредством выпрямителя к электродвигателю постоянного тока, вал которого соединен с валом теплового двигателя, а обмотка возбуждения подключена ко второму блоку возбуждения. Валы асинхронных тяговых двигателей соединены между собой и с осями движущих колес тягового транспортного средства. Статор одного из асинхронных тяговых двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота. Блок управления передачей подключен к тепловому двигателю, блокам возбуждения тягового синхронногогенератора и электродвигателя постоянного тока и к механизму поворота статора асинхронного тягового двигателя [Патент РФ 2207701. Электрическая передача мощности тягового транспортного средства / Луков Н.М., Космодамианский А.С., Аксаков А.Р. Опубл. 27.06.2003, Бюл. №18.]. В этой электрической передаче тягового транспортного средства энергия скольжения роторов асинхронных тяговых двигателей передается в тяговый синхронный генератор посредством выпрямителя и электродвигателя постоянного тока. Недостатками этой известной электрической передачи тягового транспортного средства являются потери энергии скольжения в выпрямителе и электродвигателе постоянного тока, применение которых в электрической передаче увеличивает ее стоимость, габаритные размеры и массу, ухудшает показатели надежности и увеличивает эксплуатационные расходы. Применение в электрической передаче одного из асинхронных тяговых двигателей с поворотным статором также снижает достоинства передачи мощности.

3. Аналогом предполагаемого изобретения, наиболее близким к нему по совокупности признаков (прототипом), является электрическая передача, содержащая тяговый генератор переменного тока, приводимый во вращение от транспортного двигателя, и асинхронные тяговые двигатели. Тяговый генератор выполнен асинхронным, статорная обмотка которого подключена непосредственно к асинхронным тяговым двигателям, а обмотка фазового ротора подключена к преобразователю частоты. Последний подключен к регулятору частоты асинхронного тягового генератора, соединенному с контроллером управления, и к статорной обмотке синхронного возбудителя, приводимого во вращение от транспортного двигателя, обмотка возбуждения возбудителя подключена к регулятору напряжения асинхронного тягового генератора, соединенному с контроллером управления [Патент РФ 2225301 Электрическая передача мощности переменного тока тягового транспортного средства / Н.М. Луков, А.С. Космодамианский, Е.В.Николаев. - Опубл. в Б.И., 2004, №7.].

Данная электрическая передача позволяет получить изменение касательной силы тяги, а также скорости движения транспортного средства без применения промежуточных преобразователей и устройств переключения между тяговым генератором и тяговыми двигателями, обеспечивает расширение диапазона изменения скорости, а также улучшение тяговых свойств транспортного средства. Однако, в этой электрической передаче отсутствует связь сигналов управляющих воздействий с массой груженого состава и профилем пути, что в сложных условиях движения неизбежно приведет к неудовлетворительной продольной динамике в поезде.

Сущность изобретения

Предлагаемая электрическая передача тягового транспортного средства, принципиальная блок-схема которой представлена на фиг. 1, содержит следующие элементы: 1 - тяговый синхронный генератор; 2 - блок возбуждения тягового синхронного генератора; 3 - дизель; 4 - асинхронный двигатель 1АД; 5 - асинхронный двигатель 2АД (на фиг. 1, поз. 6 - роторная обмотка асинхронного двигателя 1АД, поз. 7 - роторная обмотка асинхронного двигателя 2АД, 8 - общий вал асинхронных двигателей 1АД и 2АД); 9 - тяговый редуктор и ось движущих колес; 10 - неуправляемый выпрямитель; 11 - ведомый инвертор; 12 - блок управления ведомым инвертором; 13 - датчик частоты вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора (частота вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора - ω₁); 14 - датчик частоты вращения общего вала асинхронных двигателей 1АД и 2АД (частота вращения общего вала асинхронных двигателей 1АД и 2АД - ω); 15 - датчик напряжения тягового синхронного генератора (напряжение тягового синхронного генератора - U_Г); 16 - датчик тока тягового синхронного генератора (ток тягового синхронного генератора - I_Г); 17 - контроллер машиниста Пк1, 18 - контроллер машиниста Пк2; 19 - микропроцессорный контроллер. Два одинаковых асинхронных двигателя 1АД и 2АД выполнены с фазными роторами и образуют тяговый агрегат. Асинхронные двигатели 1АД и 2АД имеют общий корпус, валы их жестко соединены между собой, что позволяет осуществлять непосредственное соединение их роторных обмоток (поз. 6 и 7) без использования контактных колец и щеточного аппарата. Роторные обмотки асинхронных двигателей 1АД и 2АД соединены между собой электрически с обратной последовательностью следования фаз так, что магнитные поля, создаваемые токами этих обмоток, вращаются в противоположных направлениях. Общий вал асинхронных двигателей 1АД и 2АД соединен механически с тяговым редуктором и осью движущих колес.

Обмотка статора асинхронного двигателя 1АД питается от тягового синхронного генератора. Обмотка статора асинхронного двигателя 2АД присоединена к тиристорному преобразователю с явно выраженным звеном постоянного тока, состоящему из неуправляемого выпрямителя 10 и ведомого инвертора 11. Энергия от тягового синхронного генератора поступает в обмотку статора асинхронного двигателя 1АД, затем через его ротор передается асинхронному двигателю 2АД. При указанном соединении роторных обмоток асинхронных двигателей 1АД и 2АД одна часть энергии тягового синхронного генератора превращается в механическую энергию, и оба асинхронных двигателя развивают положительные вращающие моменты, а другая часть энергии тягового синхронного генератора, пропорциональная скольжению, возвращается из статора асинхронного двигателя 2АД через тиристорный преобразователь на шины тягового синхронного генератора.Регулирование частоты вращения ω общего вала асинхронных двигателей 1АД и 2АД тягового агрегата производится введением добавочной ЭДС в цепь выпрямленного напряжения статора асинхронного двигателя 2АД. Величина добавочной ЭДС, определяемой средним значением напряжения ведомого инвертора 11, регулируется углом β опережения открывания его вентилей при помощи блока управления 12.

Датчик частоты вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора (поз. 13), датчик частоты вращения общего вала асинхронных двигателей (поз. 14), датчик напряжения тягового синхронного генератора (поз. 15) и датчик тока тягового синхронного генератора (поз. 16) вместе с блоком возбуждения тягового синхронного генератора (поз. 2) образуют автоматические регуляторы напряжения тягового синхронного генератора по отклонению напряжения и по току тягового синхронного генератора.

Выходные сигналы датчика частоты вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора (поз. 13), датчика частоты вращения общего вала асинхронных двигателей (поз. 14), датчика напряжения тягового синхронного генератора (поз. 15), датчика тока тягового синхронного генератора (поз. 16) и контроллеров машиниста Пк1, Пк2 подаются в микропроцессорный контроллер 19, выходы которого подключены к блоку управления ведомым инвертором (поз. 12) и к блоку возбуждения тягового синхронного генератора (поз. 2).

На фиг. 2 представлены зависимости мощности N_Д дизеля (линия 20) и вращающего момента М_Д на валу дизеля (линия 21) от частоты вращения его вала ω₁. Дизель при заданной частоте вращения вала может развивать только определенную заданную мощность. Мощность дизеля N_Д приблизительно пропорциональна частоте вращения вала ω₁, а вращающий момент на его валу М_Д почти не зависит от ω₁ [Луков Н.М., Стрекопытов В.В., Рудая К.И. Передачи мощности тепловозов. - М: Транспорт, 1987, с. 84; Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988, с. 15; Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989, с. 143].

На фиг. 3 приведены зависимости касательной силы тяги F_К от скорости движения υ тягового транспортного средства - тяговые характеристики тягового транспортного средства (линии 22, 23, 24 и 25, соответствующие различным значениям ω₁) и характеристики агрегата сопротивления движению тягового транспортного средства (линия 26 - на площадке, линия 27 - на подъеме). Тяговые характеристики тягового транспортного средства имеют три характерных участка: АВ, ВС и CD.

Участок АВ обусловлен наличием ограничения максимальной касательной силы тяги F_К условиями сцепления движущих колес с рельсами при трогании и разгоне тягового транспортного средства. На этом участке тяговое транспортное средство работает непродолжительное время. [Регулирование частоты вращения и мощности дизель-генераторов тепловозов. - М.: Транспорт, 1976, 112 с. Авт.: Струнге Б. Н., Канило П. М.,Невелев И.М., Рузов В.А. Стр. 6, 7]. При этом режиме тяговые электрические машины, несмотря на большой пусковой ток, не успевают сильно нагреться.

Участок ВС обусловлен наличием ограничения постоянной мощностью дизеля при заданной частоте вращения его вала.

Участок CD обусловлен наличием ограничения максимальной скорости υ_max движения тягового транспортного средства.

Управление электрической передачей мощности должно быть различным при скоростях движения тягового транспортного средства, соответствующих участкам тяговых характеристик АВ, ВС и CD.

При работе тягового транспортного средства в режиме, соответствующем участку АВ тяговых характеристик, касательная сила тяги F_K мало изменяется при изменении скорости движения тягового транспортного средства от нуля до минимальной υ_min. Следовательно, в этом режиме работы тягового транспортного средства осуществляется принцип управления электрической передачей, соответствующий выполнению условий: υ=var (переменная величина) при F_K=const. При этом мощность на выходном валу электрической передачи увеличивается пропорционально скорости движения v и достигает максимального значения при скорости движения υ_min.

При работе тягового транспортного средства в режиме, соответствующем участку ВС тяговых характеристик, касательная сила тяги F_К тягового транспортного средства изменяется обратно пропорционально скорости движения υ при изменении ее значений от υ_min до υ_max. При этом мощность на выходном валу электрической передачи остается практически постоянной.

При работе тягового транспортного средства в режиме, соответствующем участку CD тяговых характеристик, касательная сила тяги F_К тягового транспортного средства должна изменяться таким образом, чтобы скорость его движения оставалась приблизительно постоянной и близкой значению υ_max. Следовательно, в этом режиме работы электрической передачи должен осуществляться принцип управления, соответствующий выполнению условий: F_К=var (переменная величина) при υ=const. При этом мощность на выходном валу электрической передачи уменьшается пропорционально скорости движения тягового транспортного средства и достигает нулевого значения при скорости его движения υ_max. При работе тягового транспортного средства в режиме тяги скорость его движения возрастает, если касательная сила тяги F_К больше силы основного сопротивления движению Wo. Скорость движения тягового транспортного средства уменьшается, если F_К<Wo, и остается постоянной, если F_К=Wo (см. фиг. 3). Тяговое транспортное средство вместе с агрегатом сопротивления движению представляет собой устойчивый объект управления, способный самопроизвольно приходить к новому установившемуся состоянию (равновесной скорости движения v) после изменения касательной силы тяги F_К или силы основного сопротивления движению Wo [Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988, с. 225, 226].

Предлагаемая электрическая передача предназначена для того, чтобы при постоянных значениях частоты вращения вала дизеля оси, его мощности N_Д и вращающего момента М_Д на валу дизеля скорость движения тягового транспортного средства υ и касательная сила тяги F_К тягового транспортного средства могли изменяться в широком диапазоне в соответствии с требуемыми тяговыми характеристиками. К входному валу электрической передачи подводится так называемая свободная мощность дизеля, то есть такая мощность, которая при заданной частоте вращения вала ω₁ меньше мощности дизеля на величину мощности, затрачиваемой на привод вспомогательных агрегатов (насосов, компрессоров, вентиляторов, вспомогательных генераторов и др.).

В электрической передаче тягового транспортного средства свободная мощность дизеля передается на вал тягового синхронного генератора. Если свободная мощность дизеля постоянна, то и мощность на выходе тягового синхронного генератора Р_Г тоже постоянна. Требуемые статические характеристики комбинированной автоматической системы регулирования напряжения тягового синхронного генератора U_Г (I_Г, ω₁), представленные на фиг. 4 (линии 28-31), - зависимости напряжения U_Г тягового синхронного генератора от тока I_Г тягового синхронного генератора при различных значениях частоты вращения вала дизеля можно получить, изменяя ток возбуждения I_ВГ тягового синхронного генератора, а значит, изменяя магнитный поток и магнитодвижущую силу тягового синхронного генератора в зависимости от отклонения его напряжения от заданного значения, тока тягового синхронного генератора и частоты вращения его вала. Для автоматического регулирования напряжения тягового синхронного генератора применяются автоматические комбинированные системы регулирования, которые кроме тягового синхронного генератора (объекта регулирования напряжения) содержат три регулятора напряжения: регулятора по отклонению напряжения от заданного значения, регулятора по частоте вращения вала и регулятора по току тягового синхронного генератора. Регуляторы напряжения тягового синхронного генератора получают сигналы от датчика напряжения тягового синхронного генератора, датчика тока тягового синхронного генератора и датчика частоты вращения вала дизеля. Выходной сигнал датчика частоты вращения вала дизеля является одновременно сигналом частоты ƒ_Г напряжения тягового синхронного генератора. Датчик частоты вращения вала дизеля и блок возбуждения тягового синхронного генератора образуют регулятор напряжения тягового синхронного генератора по частоте вращения вала дизеля.

Применение в комбинированных автоматических системах регулирования напряжения тягового синхронного генератора трех регуляторов напряжения дает возможность построения автоматических систем регулирования с требуемой положительной, нулевой или даже с отрицательной неравномерностью, то есть строить системы практически с любыми статическими характеристиками.

Статические характеристики автоматической комбинированной системы регулирования напряжения тягового синхронного генератора так же, как и тяговые характеристики тягового транспортного средства, имеют три характерных участка (см. фиг. 4): А₁В₁, В₁С₁ и C₁D₁ [Луков Н.М., Стрекопытов В.В., Рудая К.И. Передачи мощности тепловозов. - М.: Транспорт, 1987, с. 65-71; Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988, с. 76-78; Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989, с. 159-160].

На участках А₁В₁ имеется ограничение по максимальному току I_Гmax тягового синхронного генератора. На этих участках действуют два регулятора напряжения: по частоте вращения вала дизеля и по току тягового синхронного генератора. При этом ток тягового синхронного генератора остается приблизительно постоянным при изменении напряжения тягового синхронного генератора от нуля до минимального значения U_Гmin. При таком способе регулирования напряжения тягового синхронного генератора его мощность Р_Г изменяется пропорционально току тягового синхронного генератора. Это видно из фиг. 5, на которой представлены зависимости мощности Р_Г тягового синхронного генератора от его тока при автоматическом регулировании напряжения тягового синхронного генератора при различных значениях частоты вращения вала дизеля.

На участках В₁С₁ имеется ограничение по мощности дизеля. На этих участках ток и напряжение тягового синхронного генератора изменяются в обратно пропорциональной зависимости друг от друга при изменении напряжения тягового синхронного генератора от U_Гmin до значения U_Гmax, а тока тягового синхронного генератора от I_Гmax до I_Гmin. При этом статические характеристики автоматической комбинированной системы регулирования напряжения тягового синхронного генератора, также как и тяговые характеристики тягового транспортного средства имеют гиперболический характер. На этих участках действуют три регулятора напряжения: по отклонению напряжения от заданного значения, по частоте вращения вала дизеля и по току тягового синхронного генератора. На этих участках мощность Р_Г тягового синхронного генератора остается приблизительно постоянной при изменении его напряжения от U_Гmin до Uг_max (см. фиг. 5).

На участках C₁D₁ имеется ограничение по максимальному напряжению тягового синхронного генератора. На этих участках напряжение тягового синхронного генератора остается приблизительно постоянным при изменении тока тягового синхронного генератора от I_Гmax до нуля и действуют два регулятора напряжения: по отклонению напряжения от заданного значения и по частоте вращения вала дизеля. При таком способе регулирования напряжения тягового синхронного генератора его мощность изменяется пропорционально току тягового синхронного генератора (см. фиг. 5. линии 32÷35).

Предлагаемая электрическая передача тягового транспортного средства работает следующим образом.

Регулирование частоты вращения общего вала асинхронных двигателей 1АД и 2АД (тягового агрегата) и, соответственно, оси движущих колес, производится введением добавочной ЭДС в цепь выпрямленного напряжения статорных обмоток двигателя 2АД. Величина добавочной ЭДС, определяемой средним значением напряжения ведомого инвертора, регулируется путем воздействия на угол β опережения открывания вентилей ведомого инвертора с помощью блока управления ведомым инвертором, подключенного к микропроцессорному контроллеру. На фиг. 6 представлены экспериментальные механические характеристики тягового агрегата, содержащего асинхронные двигатели с фазными роторами серии АК-52-6, при разных значениях угла β (линии 36÷42), т.е. зависимости вращающего момента на валу тягового агрегата от частоты вращения его вала: линия 36-90°; линия 37-85°; линия 38-78°; линия 39-66°; линия 40-55°; линия 41-35° и тяговая характеристика тягового транспортного средства при работе дизеля на первой позиции контроллера машиниста - линия 42. Эти механические характеристики значительно отличаются от механических характеристик асинхронного двигателя с коротко замкнутым ротором [Каримов X.Г. Бесконтактный регулируемый электропривод. - Ташкент: Фан, 1982, 144 с, с. 90, 91].

При трогании и разгоне тягового транспортного средства ток тягового синхронного генератора будет максимальным, но он ограничивается автоматической комбинированной системой регулирования напряжения тягового синхронного генератора и не превышает значения I_Гmax. При этом значение скольжения S тягового агрегата будет наибольшим и наибольшими будут токи в статорных и роторных обмотках асинхронных двигателей, и тяговый агрегат развивает наибольший вращающий момент на валу.

При номинальной частоте вращения вала тягового агрегата он работает при закороченном ведомом инверторе на естественной характеристике при β=90° с замкнутой накоротко обмоткой статора асинхронного двигателя 2АД. То есть, так работает тяговый агрегат в рабочей зоне, за которую принята зона значений частоты вращения вала тягового агрегата от неподвижного состояния до синхронной частоты вращения. При изменении угла β в диапазоне 90°÷4° частота вращения вала тягового агрегата изменяется в широких пределах (500÷30 мин^-1) [Каримов X.Г. Бесконтактный регулируемый электропривод. - Ташкент: Фан, 1982, 144 с, с. 90].

Управление электрической передачей может осуществляться вручную с помощью контроллера машиниста Пк1 путем изменения тяговых позиций с Iо XV. При запуске дизеля и нулевом положении рукоятки контроллера машиниста Пк1 частота вращения вала дизеля изменяется от 0 до ω_1min, при этом угол β=0. На тепловозах обычно частота вращения вала дизеля на холостом ходу (при выключенном блоке возбуждения тягового генератора) ω_1min=300÷400 мин^-1.

Управление электрической передачей тягового транспортного средства может осуществляться автоматически с помощью контроллера машиниста Пк2. Частота вращения вала дизеля остается постоянной, равной ω1 _nom, частота напряжения тягового синхронного генератора ƒ_Г=50 Гц. При этом угол β изменяется от 0 до β_max, и частота вращения вала тягового агрегата со изменяется от 0 до ω_min. Изменение угла β может осуществляться при равномерном (β₁) или неравномерном (β₂) распределении по тяговым позициям I÷XV контроллера машиниста Пк2 разности угла β между соседними значениями. Как видно из таблицы, при равномерном распределении по тяговым позициям разность угла β между соседними значениями составляет 6°. При неравномерном распределении по тяговым позициям разность угла β между соседними значениями составляет 4° при положениях I÷V рукоятки контроллера машиниста Пк2, 6° - при положениях V÷X и 8° - при положениях X÷XV.

Использование при неравномерном распределении угла β меньших, чем при равномерном распределении, ступеней изменения угла β (4° вместо 6° при положениях I÷V рукоятки контроллера машиниста Пк2) обеспечивает меньшие броски тока тягового агрегата и касательной силы тяги и более плавное увеличение скорости движения тягового транспортного средства. Равномерное распределение угла β целесообразно использовать при движении тягового транспортного средства резервом, т.е. без состава, или при движении с порожним составом и несложном профиле пути, неравномерное распределение угла β - при движении тягового транспортного средства с груженым составом.

Расчетные тяговые характеристики тягового транспортного средства при равномерном распределении угла β по тяговым позициям I÷XV контроллера машиниста Пк2 представлены на фиг. 7. Благодаря действию автоматической комбинированной системы регулирования напряжения тягового синхронного генератора (см. фиг. 4 и 5) обеспечивается постоянство мощности тягового синхронного генератора на каждой тяговой позиции контроллера машиниста Пк2, и тяговые характеристики (линии 43÷57 на фиг. 7) тягового транспортного средства имеют вид гиперболы. На фиг. 7 показаны также расчетные характеристики агрегата сопротивления движению тягового транспортного средства, т.е. характеристики силы основного сопротивления движению тягового транспортного средства Wo (линия 58 - на площадке, линия 59 - на подъеме).

После трогания тягового транспортного средства по мере уменьшения скольжения тягового агрегата, увеличения частоты вращения его вала и, соответственно, увеличения скорости движения тягового транспортного средства, уменьшается ток тягового синхронного генератора и увеличивается его напряжение под действием автоматической комбинированной системы регулирования напряжения.

Возможность реализации энергии скольжения тягового агрегата обеспечивает сохранение достаточно высоких значений коэффициента полезного действия электрической передачи тягового транспортного средства при изменении частоты вращения вала тягового агрегата в широком диапазоне.

При переводе рукоятки контроллера машиниста Пк2 с тяговой позиции I на тяговую позицию II угол β изменяется от 0° до 6°, то есть на 6,67% возможного диапазона его изменения, частота напряжения тягового синхронного генератора также изменяется на 6,67% - от 0 Гц до 3,34 Гц. Частота вращения вала тягового агрегата увеличивается незначительно, всего на 6,67% от номинального значения. При последующих последовательных изменениях тяговых позиций контроллера машиниста Пк2 на одну с II до XV и частоты напряжения тягового синхронного генератора до 50 Гц, частота вращения вала тягового агрегата изменяется каждый раз на 6,67% от ее номинального значения. При этом фактически реализуется частотное управление тяговым агрегатом путем ступенчатого изменения частоты питающего напряжения от 0 Гц до 50 Гц со ступенями 3,34 Гц.

Управление электрической передачей тягового транспортного средства осуществляется автоматически с помощью микропроцессорного контроллера в соответствии с заложенным в него алгоритмом работы, при этом частота напряжения тягового синхронного генератора будет меняться бесступенчато, что улучшит продольную динамику в поезде при ведении груженого состава большой массы.

Микропроцессорная система управления электрической передачей тягового транспортного средства задает частоту напряжения питания тягового агрегата с заданным превышением над частотой, соответствующей частоте вращения вала тягового агрегата. Таким образом, входными управляющими воздействиями для тягового агрегата остаются лишь два: напряжение тягового синхронного генератора и угол р.

На фиг. 8 представлена зависимость частоты вращения вала тягового агрегата от угла β.

На фиг. 9 приведена блок-схема микропроцессорной системы управления электрической передачей тягового транспортного средства. Здесь позициям 60÷65 соответствуют следующие блоки: блок выбора алгоритма управления электрической передачей (поз. 60); блок измерения (расчета) основного сопротивления движению тягового транспортного средства (поз. 61); блок, реализующий алгоритм 1 управления электрической передачей и обеспечивающий равномерное распределение по тяговым позициям второго контроллера машиниста частоты напряжения тягового синхронного генератора при ступенчатом изменении частоты - при движении тягового транспортного средства резервом или ведении порожнего состава и несложном профиле пути (поз. 62); блок, реализующий алгоритм 2 управления электрической передачей и обеспечивающий неравномерное распределение по тяговым позициям второго контроллера машиниста частоты напряжения тягового синхронного генератора при ступенчатом изменении частоты - при движении тягового транспортного средства с груженым составом (поз. 63); блок, реализующий алгоритм 3 управления электрической передачей и обеспечивающий плавное бесступенчатое изменение частоты напряжения тягового синхронного генератора - при движении тягового транспортного средства с составом большой массы и сложном профиле пути (поз. 64); блок задания входных сигналов для блока возбуждения тягового синхронного генератора и блока управления ведомым инвертором (поз. 65). На фиг. 9 пунктирная линия, соединяющая блоки 60 и 65, соответствует ручному управлению электрической передачей тягового транспортного средства с помощью контроллера машиниста Пк1.

Предлагаемая электрическая передача тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления по своим энергетическим и массогабаритным показателям может быть конкурентноспособна с приводом тяговый преобразователь частоты - асинхронный тяговый двигатель с короткозамкнутым ротором, если учесть завышение установленной мощности асинхронного тягового двигателя с коротко замкнутым ротором на 15% в частотном приводе из-за влияния перенапряжений и потерь от высших гармоник, а также большие габариты и массу самого тягового преобразователя частоты [Каримов X.Г. Бесконтактный регулируемый электропривод. - Ташкент: Фан, 1982, с. 18]. Эта электрическая передача может отличаться от известных также более высоким КПД, большей надежностью и меньшей стоимостью.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, заключается в том, что в предлагаемой электрической передаче обеспечивается изменение в широком диапазоне скорости движения и касательной силы тяги тягового транспортного средства при постоянных значениях частоты вращения вала дизеля, его мощности и вращающего момента на валу дизеля, благодаря наличию связи сигналов управляющих воздействий с массой груженого состава и профилем пути, осуществляемой посредством блока измерения (расчета) основного сопротивления движению тягового транспортного средства, что улучшит продольную динамику в поезде при ведении груженого состава большой массы и сложном профиле пути.

Перечень чертежей

Фиг. 1. Принципиальная блок-схема электрической передачи переменного тока тягового транспортного средства

Фиг. 2. Зависимости мощности и вращающего момента дизеля тягового транспортного средства от частоты вращения вала дизеля

Фиг. 3. Тяговые характеристики тягового транспортного средства при различных значениях частоты вращения вала дизеля и характеристики агрегата сопротивления движению тягового транспортного средства

Фиг. 4. Зависимости напряжения тягового синхронного генератора от тока тягового синхронного генератора при различных значениях частоты вращения вала дизеля

Фиг. 5. Зависимости мощности тягового синхронного генератора от тока тягового синхронного генератора при автоматическом регулировании его напряжения и различных значениях частоты вращения его вала дизеля.

Фиг. 6. Экспериментальные механические характеристики тягового агрегата, содержащего асинхронные двигатели с фазными роторами серии АК-52-6, при разных значениях угла β (зависимости вращающего момента на валу тягового агрегата от частоты вращения его вала) и тяговая характеристика тягового транспортного средства при работе дизеля на первой тяговой позиции контроллера машиниста.

Фиг. 7. Расчетные тяговые характеристики тягового транспортного средства при равномерном распределении угла β по тяговым позициям I÷XV контроллера машиниста Пк2 и расчетные характеристики агрегата сопротивления движению тягового транспортного средства (характеристики силы основного сопротивления движению тягового транспортного средства Wo).

Фиг. 8. Зависимость частоты вращения вала тягового агрегата от угла β.

Фиг. 9. Блок-схема микропроцессорной системы управления электрической передачей тягового транспортного средства.

Перечень позиций на фигурах и соответствующие им элементы

1 - тяговый синхронный генератор

2 - блок возбуждения тягового синхронного генератора

3 - дизель

4 - асинхронный двигатель 1АД

5 - асинхронный двигатель 2АД

6 - роторная обмотка асинхронного двигателя 1АД

7 - роторная обмотка асинхронного двигателя 2АД

8 - общий вал асинхронных двигателей 1АД и 2АД

9 - тяговый редуктор и ось движущих колес

10 - неуправляемый выпрямитель

11 - ведомый инвертор

12 - блок управления ведомым инвертором

13 - датчик частоты вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора

14 - датчик частоты вращения общего вала асинхронных двигателей 1АД и 2АД

15 - датчик напряжения тягового синхронного генератора

16 - датчик тока тягового синхронного генератора 17- контроллер машиниста Пк1

18 - контроллер машиниста Пк2

19 - микропроцессорный контроллер

20 - зависимость мощности дизеля от частоты вращения его вала

21 - зависимость вращающего момента на валу дизеля от частоты вращения его вала

22÷25 - тяговые характеристики тягового транспортного средства при различных значениях частоты вращения вала дизеля

26 - характеристика агрегата сопротивления движению тягового транспортного средства на площадке

27 - характеристика агрегата сопротивления движению тягового транспортного средства на подъеме

28÷31 - зависимости напряжения тягового синхронного генератора от его тока

32÷35 - зависимости мощности тягового синхронного генератора от его тока

36÷41 - зависимости вращающего момента на валу тягового агрегата от частоты вращения его вала

42 - тяговая характеристика тягового транспортного средства при работе дизеля на первой позиции контроллера машиниста Пк2

43÷57 - тяговые характеристики тягового транспортного средства при равномерном распределении угла β по тяговым позициям I ÷XV контроллера машиниста Пк2

58 - характеристика силы основного сопротивления движению тягового транспортного средства Wo на площадке

59 - характеристика силы основного сопротивления движению тягового транспортного средства Wo на подъеме

60 - блок выбора алгоритма управления электрической передачей

61 - блок измерения (расчета) основного сопротивления движению тягового транспортного средства

62 - блок, реализующий алгоритм 1 управления электрической передачей и обеспечивающий равномерное распределение по тяговым позициям второго контроллера машиниста частоты напряжения тягового синхронного генератора при ступенчатом изменении частоты - при движении тягового транспортного средства резервом или ведении порожнего состава и несложном профиле пути

63 - блок, реализующий алгоритм 2 управления электрической передачей и обеспечивающий неравномерное распределение по тяговым позициям второго контроллера машиниста частоты напряжения тягового синхронного генератора при ступенчатом изменении частоты - при движении тягового транспортного средства с груженым составом

64 - блок, реализующий алгоритм 3 управления электрической передачей и обеспечивающий плавное бесступенчатое изменение частоты напряжения тягового синхронного генератора - при движении тягового транспортного средства с составом большой массы и сложном профиле пути

65 - блок задания входных сигналов для блока возбуждения тягового синхронного генератора и блока управления ведомым инвертором

Перечень обозначений физических величин

ω - частота вращения вала тягового агрегата (общего вала асинхронных двигателей 1АД и 2АД)

ω_min - минимальная частота вращения вала тягового агрегата

ω₁ - частота вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора

ω_{1 min} - минимальная частота вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора

ω_1nom - номинальная частота вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора

U_Г - напряжение тягового синхронного генератора

U_{Г min} - минимальное напряжение тягового синхронного генератора

U_{Г max} - максимальное напряжение тягового синхронного генератора

I_Г - ток тягового синхронного генератора

I_Гmin - минимальный ток тягового синхронного генератора

I_Гmax - максимальный ток тягового синхронного генератора

I_ВГ - ток возбуждения тягового синхронного генератора

Р_Г - мощность на выходе тягового синхронного генератора

N_Д - мощность дизеля

М_Д - вращающий момент на валу дизеля

F_К - касательная сила тяги тягового транспортного средства

υ - скорость движения тягового транспортного средства

υ_max - максимальная скорость движения тягового транспортного средства

υ_min - минимальная скорость движения тягового транспортного средства

Wo - сила основного сопротивления движению тягового транспортного средства

β - угол опережения открывания вентилей ведомого инвертора

ƒ_Г - частота напряжения тягового синхронного генератора

S - скольжение тягового агрегата

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в электрооборудовании тягового транспортного подвижного состава, например, в тепловых дель-поездах, автомобилях и т.д. Техническим результатом является изменение в широком диапазоне скорости движения и касательной силы тяги тягового транспортного средства при постоянных значениях частоты вращения вала дизеля, его мощности и вращающего момента на валу дизеля. Электрическая передача переменного тока тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления дополнительно содержит: блок выбора алгоритма управления электрической передачей; блок измерения (расчета) основного сопротивления движению тягового транспортного средства; блок, реализующий алгоритм 1 управления электрической передачей (движение тягового транспортного средства резервом или с порожним составом при несложном профиле пути); блок, реализующий алгоритм 2 управления электрической передачей (движение тягового транспортного средства с груженым составом); блок, реализующий алгоритм 3 управления электрической передачей (движение тягового транспортного средства с составом большой массы при сложном профиле пути); блок задания входных сигналов для блока возбуждения тягового синхронного генератора и блока управления ведомым инвертором. Микропроцессорная система управления электрической передачей тягового транспортного средства задает частоту напряжения питания асинхронных двигателей с заданным превышением над частотой, соответствующей частоте вращения их общего вала, входными управляющими воздействиями для асинхронных двигателей являются напряжение тягового синхронного генератора и угол опережения открывания вентилей ведомого инвертора. Регулирование частоты вращения общего вала асинхронных двигателей и, соответственно, оси движущих колес производится введением добавочной ЭДС в цепь выпрямленного напряжения статорной обмотки второго асинхронного двигателя. Величина добавочной ЭДС, определяемой средним значением напряжения ведомого инвертора, регулируется путем воздействия на угол опережения открывания вентилей ведомого инвертора с помощью блока управления ведомым инвертором. Изменение угла опережения открывания вентилей ведомого инвертора может осуществляться при равномерном (алгоритм 1), неравномерном (алгоритм 2) распределении по тяговым позициям второго контроллера машиниста разности этого угла между соседними значениями и, соответственно, равномерном или неравномерном ступенчатом изменении частоты напряжения тягового синхронного генератора или бесступенчатом ее изменении (алгоритм 3). 9 ил., 1 табл.

Электрическая передача переменного тока тягового транспортного средства с микропроцессорной системой управления, содержащая: тяговый синхронный генератор; блок возбуждения тягового синхронного генератора; дизель, вал которого соединен механически с валом тягового синхронного генератора; два асинхронных двигателя с фазными роторами, причем оба асинхронных двигателя имеют общий вал, соединенный механически с тяговым редуктором и осью движущих колес тягового транспортного средства, роторные обмотки асинхронных двигателей соединены между собой электрически с обратной последовательностью следования фаз так, что магнитные поля, создаваемые токами этих обмоток, вращаются в противоположных направлениях; ведомый инвертор с блоком управления; неуправляемый выпрямитель, подключенный к ведомому инвертору и статорной обмотке второго асинхронного двигателя, обмотка статора первого асинхронного двигателя питается от тягового синхронного генератора и также подключена к ведомому инвертору; датчик частоты вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора; датчик частоты вращения общего вала асинхронных двигателей; датчик напряжения тягового синхронного генератора; датчик тока тягового синхронного генератора; первый контроллер машиниста, при помощи которого осуществляется ручное управление электрической передачей; второй контроллер машиниста, при помощи которого осуществляется автоматическое управление электрической передачей; микропроцессорный контроллер; причем датчик частоты вращения вала дизеля и тягового синхронного генератора, датчик частоты вращения общего вала асинхронных двигателей, датчик напряжения тягового синхронного генератора, датчик тока тягового синхронного генератора и оба контроллера машиниста подключены к микропроцессорному контроллеру, который в свою очередь подключен к блоку управления ведомым инвертором и блоку возбуждения тягового синхронного генератора, отличающаяся тем, что микропроцессорный контроллер, выполняющий функции микропроцессорной системы управления тяговым транспортным средством, содержит: блок выбора алгоритма управления электрической передачей; блок измерения (расчета) основного сопротивления движению тягового транспортного средства; блок, реализующий алгоритм 1 управления электрической передачей и обеспечивающий равномерное распределение по тяговым позициям второго контроллера машиниста частоты напряжения тягового синхронного генератора при ступенчатом изменении частоты; блок, реализующий алгоритм 2 управления электрической передачей и обеспечивающий неравномерное распределение по тяговым позициям второго контроллера машиниста частоты напряжения тягового синхронного генератора при ступенчатом изменении частоты; блок, реализующий алгоритм 3 управления электрической передачей и обеспечивающий плавное бесступенчатое изменение частоты напряжения тягового синхронного генератора; блок задания входных сигналов для блока возбуждения тягового синхронного генератора и блока управления ведомым инвертором; регулирование частоты вращения общего вала асинхронных двигателей и, соответственно, оси движущих колес производит введением добавочной ЭДС в цепь выпрямленного напряжения статорной обмотки второго асинхронного двигателя; регулирует величину добавочной ЭДС, определяемой средним значением напряжения ведомого инвертора, путем воздействия на угол опережения открывания вентилей ведомого инвертора с помощью блока управления ведомым инвертором; в зависимости от результатов измерения (расчета) основного сопротивления движению тягового транспортного средства реализует алгоритмы 1, 2 или 3 с целью обеспечения меньших бросков тока асинхронных двигателей и, соответственно, касательной силы тяги и более плавного изменения скорости движения тягового транспортного средства.