Электрическая передача тепловоза Российский патент 2020 года по МПК B60L50/11 B61C15/08 B60L15/20 

Изобретение относится к рельсовым транспортным средствам и непосредственно касается электрических передач тепловозов.

Известна электрическая передача тепловоза [Патент №2467899 РФ. МПК В61С 15/08, опубл. 27.11.12, БИ №33], состоящая из тягового генератора, получающего механическую энергию от дизеля и содержащего независимую обмотку возбуждения и якорь, системы возбуждения, которая подключена к независимой обмотке возбуждения и обеспечивает формирование внешней характеристики тягового генератора, тяговых электродвигателей, имеющих прямое электрическое соединение с якорем тягового генератора, колесных пар, механически связанных с тяговыми электродвигателями и установленных на рельсах. В цепи якоря тягового генератора и цепях колесных пар установлены коммутирующие устройства, которые по сигналам блока управления обеспечивают отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора и подключение к якорю через скользящие контакты последовательно с тяговыми электродвигателями независимо от числа колесных пар, находящихся в режиме боксования, только двух боксующих колесных пар, что образует цепь для прохождения тока генератора по этим колесным парам и рельсам. При этом блок управления обладает функцией измерения ускорений вращения тяговых электродвигателей по сигналам, снимаемым с выходов датчиков скорости, связанных с электродвигателями, фиксирует возникновение и окончание режима боксования колесных пар и на основании этого обеспечивает подачу импульсов тока тягового генератора на боксующие колесные пары. Колесные пары и скользящие контакты имеют электрическую изоляцию от других элементов конструкции тепловоза.

В указанном техническом решении блок управления обеспечивает постоянную регистрацию начала и окончания режимов боксования особенно при одновременном боксовании более двух колесных пар. Кроме того, он непрерывно выполняет функцию сравнительного анализа моментов времени, в которые начинается и оканчивается боксование колесных пар тепловоза. Это обуславливает относительную сложность алгоритма управления коммутирующими устройствами.

Техническим результатом изобретения является упрощение алгоритма управления коммутирующими устройствами путем сокращения числа операций, выполняемых блоком управления, по регистрации начала и окончания режима боксования колесных пар, а также исключением функции сравнительного анализа моментов времени начала и окончания боксования.

Для достижения указанного технического результата в электрической передаче тепловоза, состоящей из тягового генератора, получающего механическую энергию от дизеля и содержащего независимую обмотку возбуждения и якорь, системы возбуждения, которая подключена к независимой обмотке возбуждения и обеспечивает формирование внешней характеристики тягового генератора, тяговых электродвигателей, имеющих прямое электрическое соединение с якорем тягового генератора, колесных пар, механически связанных с тяговыми электродвигателями и установленных на рельсах, при этом в цепи якоря тягового генератора и цепях колесных пар установлены коммутирующие устройства, которые по сигналам блока управления обеспечивают отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора и подключение к якорю через скользящие контакты последовательно с тяговыми электродвигателями независимо от числа колесных пар, находящихся в режиме боксования, только двух боксующих колесных пар, что образует цепь для прохождения тока генератора по этим колесным парам и рельсам, блока управления, обладающего функцией измерения ускорений вращения тяговых электродвигателей по сигналам, снимаемым с выходов датчиков скорости, связанных с электродвигателями, фиксирующего возникновение и окончание режима боксования колесных пар и на основании этого обеспечивающего подачу импульсов тока тягового генератора на боксующие колесные пары, колесные пары и скользящие контакты, имеющие электрическую изоляцию от других элементов конструкции тепловоза, блок управления снабжен генераторами сигналов, которые в режиме одновременного боксования более двух колесных пар через коммутирующие устройства формируют постоянные импульсы тока, подаваемые поочередно на соединения колесных пар и имеющие длительность, превышающую максимально возможное время выхода колесных пар из режима боксования, и длительность паузы, не достигающую минимально возможного времени перехода колесных пар в режим боксования.

Сущность изобретения поясняется чертежами:

- на фиг. 1 схематически показана электрическая передача тепловоза;

- на фиг. 2 приведена временная диаграмма токов в контактах боксующих колесных пар и рельсов.

Электрическая передача содержит (фиг. 1) тяговый генератор 1 с независимой обмоткой возбуждения 2 и якорем 3, получающий механическую энергию от дизеля (на фиг. 1 не показан), систему возбуждения 4, подключенную к независимой обмотке возбуждения 2, тяговые электродвигатели 5, 6, 7, 8, 9, 10, имеющие прямое электрическое соединение с якорем 3 тягового генератора 1, колесные пары 11, 12, 13, 14, 15, 16, механически связанные (на фиг .1 не показано) соответственно с тяговыми электродвигателями 5, 6, 7, 8, 9, 10 и установленные на рельсах 17. Для упрощения на фиг. 1 также не показаны обмотки возбуждения тяговых электродвигателей.

Коммутирующее устройство 18, установленное в цепи якоря 3 тягового генератора 1, обеспечивает отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей 5, 6, 7, 8, 9, 10 с якорем 3. В цепях колесных пар 11, 12, 13, 14, 15, 16 установлены, соответственно, коммутирующие устройства 19, 20, 21, 22, 23, 24, предназначенные для подключения к якорю 3 через скользящие контакты 25, 26, 27, 28, 29, 30 колесных пар 11, 12, 13, 14, 15, 16 последовательно с тяговыми электродвигателями. Входы блока управления 31 коммутирующими устройствами подключены к выходам датчиков скорости 32, 33, 34, 35, 36, 37, связанных соответственно с электродвигателями 5, 6, 7, 8, 9, 10. При этом блок управления 31 снабжен генераторами сигналов 38, 39, 40, которые предназначены для формирования импульсов тока, подаваемых коммутирующими устройствами 19, 20, 21, 22, 23, 24 на колесные пары.

В качестве примера на фиг. 1 приведена схема электрической передачи тепловоза на постоянном токе с шестью ведущими колесными парами и параллельно-последовательным соединением тяговых электродвигателей. В случае применения электрических передач на переменно-постоянном или переменном токе колесные пары аналогично включаются в цепь якоря тягового генератора на выходе выпрямительной установки. Отличия в типе соединения тяговых электродвигателей и числе ведущих колесных пар также не имеют принципиального значения.

Электрическая передача работает следующим образом.

Тяговый генератор 1 (фиг. 1) получает механическую энергию вращения от дизеля. При этом независимая обмотка возбуждения 2 генератора подключена к системе возбуждения 4, которая обеспечивает формирование внешней характеристики тягового генератора 1. От якоря 3 генератора поступает ток питания I на тяговые электродвигатели 5, 6, 7, 8, 9, 10, что создает вращающий момент электродвигателей, передаваемый далее через механические связи (тяговые редукторы) соответственно колесным парам 11, 12, 13, 14, 15, 16. Колесные пары установлены на рельсах 17 и образуют с последними пары трения, формирующие силу тяги тепловоза F_к.

Уменьшение сцепления колес локомотива с рельсами, вызванное увлажнением рельсов, попаданием масла в контакт колеса и рельса и другими факторами, приводит к возникновению режима боксования колесных пар и снижению силы F_к. При этом на тепловозах с электрической передачей боксованию подвержены главным образом передние колесные пары каждой тележки вследствие их разгрузки в тяговом режиме работы локомотива [1].

На фиг. 1 такими колесными парами являются пары 11, 14 при движении тепловоза в одном направлении и 13, 16 при движении в другом направлении.

Блок управления 31 производит дифференцирование сигналов по частотам f_p1, f_p2, f_p3, f_p4, f_p5, f_p6 вращения роторов тяговых электродвигателей, поступающих на его входы с датчиков скорости 32, 33, 34, 35, 36, 37, которые связаны соответственно с электродвигателями 5, 6, 7, 8, 9, 10. Результатом дифференцирования для каждого электродвигателя является угловое ускорение его ротора ε_p.В случае выделения для двух двигателей 5, 8 или 7, 10, механически связанных с колесными парами 11, 14 или 13, 16, хотя бы одного значения ε_p, которое в пересчете соответствует величине окружного ускорения колесной пары w ≥ 0,5 м/с², блок управления 31 фиксирует возникновение режима боксования соответствующей колесной пары. Он подает сигналы на коммутирующие устройства 19, 22 или 21, 24, которые подключают к цепи якоря 3 тягового генератора 1 колесные пары 11,14 при движении тепловоза в одном направлении или 13, 16 при движении в другом направлении через скользящие контакты 25, 28 или 27, 30. После этого блок управления 31 подает сигнал на коммутирующее устройство 18, которое отключает прямое электрическое соединение тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора. В результате образуется цепь для прохождения тока генератора I только по двум колесным парам 11, 14 или 13, 16 и рельсам 17 последовательно с тяговыми электродвигателями, что приводит к значительному увеличению коэффициента сцепления ψ колес с рельсами. Режим боксования передних колесных пар прекращается, что происходит при ускорениях ε_p, соответствующих ускорениям w < 0,45 м/с².

При регистрации сигналов fp датчиков скорости, которые определяют в пересчете скорость движения локомотива V > 15 км/ч, гарантирующую его выход из зоны возможного боксования, и измерении ускорения ε_p, соответствующего w < 0,45 м/с² блок управления 31 переводит схему электропередачи в исходное состояние путем отключения коммутирующих устройств 18, 19, 20,21,22, 23,24.

В случае возникновения режима одновременного боксования более двух колесных пар блок управления 31 через коммутирующие устройства 19, 20, 21, 22, 23, 24 обеспечивает формирование последовательных соединений боксующих колесных пар по две с поочередной подачей импульсов тока тягового генератора 1 на каждое соединение. Если после входа в зону боксования передних колесных пар, например, 11 и 14 в боксование также переходят средние колесные пары 12 и 15, также подверженные некоторой разгрузке [1], то блок управления 31 фиксирует его возникновение. При этом по сигналам f_p2 или f_p5, поступающим с выходов датчиков скорости 33 или 36 тяговых электродвигателей 6 или 9, механически связанных с колесными парами 12 или 15, блок 31 аналогично регистрирует значение ускорения вращения ε_p, которое в пересчете соответствует величине w, превышающей 0,5 м/с². По результатам регистрации инициируется синхронизированная работа генераторов сигналов 38 и 39, входящих в состав блока 31 и управляющих включением и выключением коммутирующих устройств 19, 20, 22, 23.

В момент времени t_н1 (фиг. 2) начала боксования колесных пар 12, 15 генератор 38 отключает коммутирующие устройства 19 и 22, а генератор 39 одновременно включает устройства 20 и 23. Это приводит к образованию последовательного соединения колесных пар 12 и 15, по которым проходит ток тягового генератора I_{12, 15}. Далее генераторы вырабатывают сигналы управления соответствующими коммутирующими устройствами, обеспечивающие формирование постоянных импульсов тока I_{11, 14} и I_{12, 15}, подаваемых поочередно на соединения колесных пар 11, 14 и 12, 15 и увеличивающих их коэффициент ψ.

Длительность импульсов тока t_и заранее устанавливают постоянной и превышающей максимально возможное время выхода колесных пар из режима боксования Δt₁, полученное для данного тока при самых неблагоприятных условиях в контактах колес с рельсами. Таким образом гарантируется прекращение боксования колесной пары в момент времени t_к без регистрации блоком 31 ускорения w < 0,45 м/с². Длительность паузы t_п также является постоянной величиной и при этом не достигает минимально возможного времени перехода колесных пар в режим боксования Δt₂. Следующий импульс тока подается на колесную пару до момента времени t_н2 начала ее вероятного режима боксования и предотвращает его. В этом случае также нет необходимости в измерении ускорения w ≥ 0,5 м/с² с целью фиксации возникновения режима боксования.

Если передними по ходу движения тепловоза являются колесные пары 13 и 16, то аналогичный алгоритм управления коммутирующими устройствами 20, 21, 23, 24 обеспечивают генераторы сигналов 39, 40. Постоянные импульсы тока тягового генератора подаются поочередно на соединения колесных пар 12, 15 и 13, 16.

Перевод схемы электропередачи в исходное состояние производится также, как при рассмотренном выше боксовании двух передних колесных пар после выхода тепловоза из зоны возможного боксования.

Технико-экономическая эффективность изобретения в сравнении с прототипом заключается в том, что блок управления снабжен генераторами сигналов, которые в режиме одновременного боксования более двух колесных пар через коммутирующие устройства формируют постоянные импульсы тока, подаваемые поочередно на соединения колесных пар и имеющие длительность, превышающую максимально возможное время выхода колесных пар из режима боксования, и длительность паузы, не достигающую минимально возможного времени перехода колесных пар в режим боксования. Это позволяет сократить число выполняемых блоком управления операций по регистрации начала и окончания режима боксования колесных пар, исключить функции сравнительного анализа моментов времени начала и окончания боксования и, следовательно, существенно упростить алгоритм управления коммутирующими устройствами.

Источники информации

1. Михальченко, Г.С.Теория и конструкция локомотивов: учебник для Вузов ж.-д. трансп./ Г.С.Михальченко и [др.]; под ред. Г.С.Михальченко - М.: Маршрут, 2006. - 584 с, С. 190 - 204.

Изобретение относится к электрическим тяговым системам транспортных средств. Электрическая передача тепловоза состоит из тягового генератора, системы возбуждения, тяговых электродвигателей, колесных пар. При этом в цепи якоря тягового генератора и цепях колесных пар установлены коммутирующие устройства, которые по сигналам блока управления обеспечивают подключение к якорю через скользящие контакты последовательно с тяговыми электродвигателями двух боксующих колесных пар, что образует цепь для прохождения тока генератора по этим колесным парам и рельсам. Колесные пары и скользящие контакты имеют электрическую изоляцию от других элементов конструкции тепловоза. Блок управления снабжен генераторами сигналов, которые в режиме одновременного боксования более двух колесных пар через коммутирующие устройства формируют постоянные импульсы тока, подаваемые поочередно на соединения колесных пар и имеющие длительность, превышающую максимально возможное время выхода из режима боксования, и длительность паузы, не достигающую минимально возможного времени перехода в режим боксования. Технический результат изобретения заключается в упрощении алгоритма управления коммутирующими устройствами. 2 ил.

Электрическая передача тепловоза, состоящая из тягового генератора, получающего механическую энергию от дизеля и содержащего независимую обмотку возбуждения и якорь, системы возбуждения, которая подключена к независимой обмотке возбуждения и обеспечивает формирование внешней характеристики тягового генератора, тяговых электродвигателей, имеющих прямое электрическое соединение с якорем тягового генератора, колесных пар, механически связанных с тяговыми электродвигателями и установленных на рельсах, при этом в цепи якоря тягового генератора и цепях колесных пар установлены коммутирующие устройства, которые по сигналам блока управления обеспечивают отключение прямого электрического соединения тяговых электродвигателей с якорем тягового генератора и подключение к якорю через скользящие контакты последовательно с тяговыми электродвигателями независимо от числа колесных пар, находящихся в режиме боксования, только двух боксующих колесных пар, что образует цепь для прохождения тока генератора по этим колесным парам и рельсам, блок управления, обладающий функцией измерения ускорений вращения тяговых электродвигателей по сигналам, снимаемым с выходов датчиков скорости, связанных с электродвигателями, фиксирующий возникновение и окончание режима боксования колесных пар и на основании этого обеспечивающий подачу импульсов тока тягового генератора на боксующие колесные пары, колесные пары и скользящие контакты, имеющие электрическую изоляцию от других элементов конструкции тепловоза, отличающаяся тем, что блок управления снабжен генераторами сигналов, которые в режиме одновременного боксования более двух колесных пар через коммутирующие устройства формируют постоянные импульсы тока, подаваемые поочередно на соединения колесных пар и имеющие длительность, превышающую максимально возможное время выхода колесных пар из режима боксования, и длительность паузы, не достигающую минимально возможного времени перехода колесных пар в режим боксования.