Способ управления силовой установкой гибридного локомотива

Способ управления силовой установкой гибридного локомотива

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, в частности к способу управления силовыми локомотивными установками.

Известна система и способ накопления энергии для гибридной движительной системы по патенту RU 2397076 С2, предназначенный для подпитки тяговых электродвигателей в течение режима работы ДВС на малой мощности.

Известен способ управления силовой установкой по патенту US 7232401 В2, которая содержит ДВС, трансмиссию, мотор-генератор, инвертор, устройство накопления энергии и систему управления, предназначенный 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 7163071 В2, 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.

Недостатком этого способа 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.

Техническим результатом настоящего изобретения является повышение эффективности работы силовой установки локомотива на режимах изменения угловой скорости вала ДВС, то есть снижение расхода топлива, и/или ускорение процесса изменения угловой скорости вала ДВС и/или повышение надежности ДВС за счет протекания процесса изменения углового ускорения вала ДВС с установленным минимально допустимым коэффициентом избытка воздуха и другими ограничениями.

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, 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.1-4, где:

- на фиг.1 изображена принципиальная схема силовой цепи локомотива;

- на фиг.2 изображено изменение некоторых параметров работы силовой установки локомотива при работе по предлагаемому алгоритму (способу) управления;

- на фиг.3 изображено изменение угловой скорости вала ДВС, эффективной мощности Р_e и заряда накопителя E_н при применении предлагаемого алгоритма (способа) управления;

- на фиг.4 изображен алгоритм (способ) управления изменением угловой скорости вала ДВС.

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 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 ДВС 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 (для случая питания обмоток возбуждения тяговых электродвигателей в режиме генератора от дополнительного источника (не показанного на схеме), управляющее устройство 9 переводит запирающее устройство 14 в режим «закрыто»), а управляющее устройство 9 управляет преобразователем 8 так, чтобы обеспечивался оптимальный при данных условиях режим заряда накопителя.

Фиг.2 соответствует работе ДВС при изменении угловой скорости вала ДВС в некотором интервале времени Δt. Этот интервал можно разбить на три следующих характерных этапа.

Этап I. До начала первого этапа ДВС 1 работает с постоянной угловой скоростью вала ω_∂1, постоянной мощностью P_ei. Нагрузка на ДВС также постоянна и соответствует Р_{ген i}.

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

Благодаря снижению нагрузки и увеличению цикловой подачи топлива угловая скорость вала ДВС 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, идущая на тягу

Р_{на тягу} растет. Этот рост обеспечивается за счет введения в силовую цепь тепловоза энергии от накопителя 7 и за счет увеличения текущего значения мощности ДВС. Количество энергии, идущее на тягу от накопителя, система управления 9 определяет исходя из условия обеспечения заданного углового ускорения вала

.

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 до тех пор, пока энергия, запасенная в накопителе, не достигнет минимально допустимой величины. Количество энергии для увеличения ω_∂ эквивалентно площади фигуры 1-3-4-6-1.

Количество энергии, которое поступает в силовую цепь тепловоза от НЭ 7 в процессе увеличения ω_∂, соответствует площади фигуры, ограниченной линией 1-2-5-6-1 (7-8-11-12-7). Повышение мощности ДВС 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 приведенных к валу ДВС распределяется между НЭ (1-2-5-6-1) и самим ДВС (фигура 2-3-4-5-2).

Как только энергия, запасенная в накопителе, достигает заданной минимальной величины E_{н min}, нагрузка на генератор 2 восстанавливается по линии 12-11-10. При этом ДВС 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 вала ДВС цикловая подача топлива продолжает расти, поскольку расход воздуха через ДВС 1 также растет благодаря продолжающемуся повышению угловой скорости ротора турбокомпрессора. Подобное изменение b_ц мощности ДВС 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 ДВС P_кин с установленным угловым ускорением вала . 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

.

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

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.

Способ управления силовой установкой гибридного локомотива, осуществляемый путем снижения нагрузки на ДВС при изменении угловой скорости вала ДВС, отличающийся тем, что во время изменения угловой скорости вала ДВС 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 разряда накопителя энергии в силовую цепь заданным темпом до тех пор, пока энергия, запасенная в накопителе, не достигнет установленной минимальной величины, управление переходным процессом осуществляют системой управления с обеспечением во время его протекания заряда накопителя энергии путем ступенчатого увеличения угловой скорости 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.