Автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства

Изобретение относится к транспорту. Предложенная система содержит дизель-генератор, возбудитель, датчик напряжения тягового генератора, датчик тока нагрузки тягового генератора, датчик скорости вращения вала дизель-генератора, датчик подачи топлива, автоматический регулятор скорости вращения вала дизель-генератора, блок возбуждения возбудителя, микропроцессорный контроллер. Последний включает в себя четыре задающих устройства, пять сравнивающих устройств и два устройства коррекции. Кроме того, в систему введены датчик тока возбуждения возбудителя и датчик тока возбуждения тягового генератора. Статические характеристики разомкнутой системы подобраны с возможностью сохранения неизменным коэффициента передачи и соответствия его заданному значению при любых изменениях напряжения тягового генератора, тока тягового генератора, скорости вращения вала дизель-генератора и подачи топлива. Это обеспечивает требуемые запасы устойчивости системы по модулю и фазе и заданные показатели качества ее работы - относительное перерегулирование и время регулирования при любых эксплуатационных режимах работы тягового транспортного средства. 4 ил.

 

Область техники, к которой относится изобретение

Предлагаемое изобретение относится к транспорту, в частности к автоматическим системам регулирования напряжения тяговых генераторов в электрических передачах мощности тяговых транспортных средств.

Уровень техники

Известен ряд способов, устройств и систем того же назначения (аналогов), совокупность признаков которых сходна с совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения.

Известно устройство для автоматического регулирования возбуждения генератора постоянного тока тепловоза [А.с. (СССР) №118102, 1958, Н 02 Р 9/34]. В нем с целью приближения вольт-амперной характеристики к гиперболе в схему дополнительно включен трехобмоточный дроссель насыщения с подмагничивающими обмотками тока и напряжения генератора и выпрямители на выходах всех трех дросселей соединены последовательно.

Недостатком этого известного устройства является то, что не учитывают нелинейности статических характеристик элементов, а также большая мощность дросселя, питающего обмотку возбуждения генератора. При большой мощности генератора это имеет важное значение.

Известно устройство регулирования возбуждения тягового генератора транспортного средства [А.с. (СССР) №874405, 28.10.1981, М. Кл.³ В 60 L 11/06], содержащее блок формирования сигнала обратной связи генератора, вход которого соединен с датчиком тока, установленным в силовой цепи генератора, а выход через усилитель и возбудитель - с обмоткой возбуждения генератора. Блок формирования обратной связи выполнен в виде генератора переменной частоты, а усилитель - в виде ждущего мультивибратора и силового ключа. В устройстве генератор переменной частоты содержит три соединенных по кольцевой схеме элемента НЕ, один из которых шунтирован двумя последовательно соединенными конденсаторами, общая точка соединения которых подключена через резистор к коллектору транзистора, включенного по схеме с общей базой, при этом база соединена через делитель с источником питания, а эмиттер через другой делитель - с датчиком тока.

Недостатком этого известного устройства является его большая аппаратная сложность, отсутствие средств, направленных на повышение устойчивости и качества работы автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора.

Известен способ регулирования напряжения тягового генератора тепловоза [А.с. (СССР) №925693, 07.05.1982, М. Кл.³ В 60 L 11/02], заключающийся в том, что задают частоту вращения дизеля, приводящего во вращение генератор, измеряют положение дозирующего органа топливоподачи регулятора частоты вращения и нагрузки дизеля, соответствующее текущему значению скорости вращения его вала, измеряют напряжение тягового генератора, сравнивают его с величиной уставки и по величине рассогласования изменяют ток возбуждения генератора. С целью уменьшения расхода топлива приданной скорости вращения путем согласования свободной мощности дизеля и мощности, отбираемой тяговым генератором, задают положение дозирующего органа топливоподачи регулятора пропорционально заданной скорости вращения, сравнивают его с измеренным положением, величину их рассогласования интегрируют по времени и принимают за величину уставки напряжения тягового генератора.

Недостатком этого известного способа регулирования напряжения тягового генератора является то, что в нем фактически не изменяется способ автоматического регулирования и поэтому отсутствуют средства повышения устойчивости и качества работы известной системы регулирования напряжения тягового генератора.

Известен способ регулирования тока возбуждения дизель-генератора транспортного средства [Патент РФ RU 2065364, 20.08.1996, 6 В 60 L 11/04], согласно которому формируют первое и второе управляющие напряжения, пропорциональные току и напряжению генератора соответственно, и регулируют ток возбуждения на основе суммы указанных напряжений. Дополнительно сравнивают управляющие напряжения с заданными значениями, соответствующими максимально допустимым значениям выходного тока и напряжения генератора и по достижении одним из управляющих напряжений заданного значения ток возбуждения регулируют на основе только этого напряжения. На основе этого способа предложено устройство для регулирования тока возбуждения дизель-генератора транспортного средства, содержащее магнитный усилитель с рабочими обмотками, включенными в цепь питания обмотки возбуждения дизель-генератора, и с управляющей обмоткой, последовательно соединенной с регулируемым резистором и связанной с одним из выходных выводов первого и второго однофазных мостовых выпрямителей, входы которых подключены к первому и второму балластным регулируемым резисторам рабочих обмоток трансформаторов. В устройство введены конденсатор, параллельно подключенный цепи, образованной управляющей обмоткой магнитного усилителя и регулируемым резистором, первое и второе реле напряжения с размыкающими контактами, катушки которых подключены к выходам соответствующих выпрямителей. Через размыкающий контакт первого реле цепь управляющей обмотки усилителя связана с выходом второго выпрямителя, а через размыкающий контакт второго реле указанная цепь связана с выходом первого выпрямителя. На основе этого способа предложено также устройство для регулирования тока возбуждения дизель-генератора транспортного средства, содержащее магнитный усилитель с рабочими обмотками, включенными в цепь питания обмотки возбуждения дизель-генератора, и с управляющей обмоткой, последовательно соединенной с регулируемым резистором, n трансформаторов постоянного тока с управляющими обмотками и рабочими обмотками, связанными с входами n первых однофазных мостовых выпрямителей, которые выходами соединены последовательно через первый балластный регулируемый резистор, трансформатор постоянного напряжения с управляющей обмоткой и рабочей обмоткой, которая подключена к входу второго однофазного мостового выпрямителя, подключенного выходом к второму балластному регулируемому резистору. В устройство введены конденсатор, параллельно подключенный цепи, образованной управляющей обмоткой магнитного усилителя и регулируемым резистором, первое и второе реле напряжения с размыкающими контактами, катушки которых подключены параллельно первому и второму балластным резисторам соответственно. Через размыкающий контакт первого реле и введенный разделительный диод выход второго выпрямителя связан с управляющей обмоткой магнитного усилителя, а через размыкающий контакт второго реле и указанный диод с этой обмоткой связаны выходы соответствующих первых выпрямителей, причем одни из выводов балластных резисторов объединены между собой и подключены к катоду разделительного диода, при этом n равно количеству параллельно соединенных тяговых электродвигателей, питаемых от дизель-генератора.

Главным недостатком этого известного способа регулирования тока возбуждения дизель-генератора транспортного средства является превращение известной автоматической комбинированной системы регулирования напряжения генератора непрерывного действия в систему релейного действия путем применения релейных элементов. Известно, что релейные системы регулирования имеют качество работы намного хуже, чем системы непрерывного действия. Однако в изобретении утверждается, что оно направлено на повышение качества регулирования. В изобретении предлагается способ регулирования тока возбуждения дизель-генератора, тогда как фактически в известной системе регулируется не ток возбуждения, а напряжение и не дизель-генератора, а генератора. Генератор в системе регулирования напряжения является главным звеном и выполняет функции объекта регулирования напряжения. Напряжение здесь является регулируемой величиной, ток возбуждения генератора - регулирующим воздействием. В изобретении [Патент РФ RU 2065364, 20.08.1996, 6 В 60 L 11/04] (см. раздел 7) отмечается, что ... ток возбуждения генератора в зависимости от его выходного тока автоматически регулируется по нелинейному закону, так как имеет место нелинейная зависимость между током возбуждения и выходным напряжением. На самом деле этого нет. На самом деле известная система регулирования напряжения генератора содержит такие нелинейные элементы, как возбудитель и генератор, потому что их нагрузочные характеристики нелинейны. Эта система не будет иметь хороших показателей качества работы.

Известна автоматическая система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства - тепловоза, содержащая тяговый генератор, к обмотке возбуждения которого подключен возбудитель, обмотка возбуждения которого подключена к амплистату, а обмотки управления которого подключены к селективному устройству, соединенному с трансформаторами постоянного тока и напряжения, к тахометрическому устройству (блоку задания возбуждения), к индуктивному датчику перемещения реек топливных насосов дизеля и к вторичной обмотке стабилизирующего трансформатора, первичная обмотка которого подключена к выходу возбудителя; трансформаторы постоянного тока и напряжения, рабочие обмотки амплистата и индуктивный датчик подключены к синхронному подвозбудителю посредством распределительного трансформатора. Такая система регулирования напряжения тягового генератора применена на тепловозах типа ТЭ10 [Тепловозы 2ТЭ10М и ЗТЭ10М: Устройство и работа / С.П.Филонов, А.Е.Зиборов, В.В.Ренкунас и др. - М.: Транспорт, 1986, с.112-122; Луков Н.М., Стрекопытов В.В., Рудая К.И. Передачи мощности тепловозов. - М.: Транспорт, 1987, с.65-74; Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988, с.76-118; Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989, с.160-179]. Аналогичная система регулирования напряжения тягового генератора применена на тепловозах типа ТЭП60 [Морошкин Б.Н. Электрическое оборудование тепловоза ТЭП60. - М.: Транспорт, 1987, с.34-36] и на тепловозах типа М62 [Тепловоз 2М62: экипажная часть, электрическое и вспомогательное оборудование / С.П.Филонов, А.Е.Зиборов, В.В.Разумейчик и др. - М.: Транспорт, 1987, с.46-49].

Недостатком этой автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства является то, что переходные процессы в системе регулирования напряжения и в электрической передаче мощности имеют колебательный характер, что свидетельствует о недостаточных запасах устойчивости автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора [Ю.М.Перегудов. Исследование системы возбуждения тепловоза 2ТЭ10М с блоком гибкой отрицательной обратной связи. - Труды ВНИТИ, Коломна, 1985, вып.61, с.26-34]. Из материалов названной работы видно, что система регулирования напряжения находится вблизи зоны неустойчивости, так как относительное перерегулирование напряжения генератора составляет 90% (см. фиг.4). В работе возмущение в систему регулирования вносится путем изменения задающего воздействия. Однако возмущения в виде скачкообразного изменения тока нагрузки тягового генератора, которые происходят после подключения или отключения резисторов ослабления тока возбуждения тяговых двигателей, являются более тяжелыми для системы регулирования и в этих случаях она может работать с еще худшим качеством. Колебательные переходные процессы в системе регулирования напряжения и в электрической передаче мощности значительно ухудшают тяговые свойства тепловоза, особенно при его боксовании, что приводит к увеличенному износу колес и рельсов, к снижению силы тяги и к увеличению расхода топлива тепловозом. Недостаточные запасы устойчивости и низкие показатели качества работы известной автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора при разных режимах работы системы обусловлены нелинейными зависимостями статических параметров (коэффициентов передачи) элементов системы регулирования от регулируемой величины - напряжения генератора и возмущающих воздействий: тока нагрузки тягового генератора и скорости вращения вала дизель-генератора. Введение в систему регулирования устройства местной гибкой отрицательной обратной связи не влияет заметно на качество ее работы, так как эти отрицательные гибкие обратные связи увеличивают инерционность апериодических звеньев (в нашем случае, инерционность встречно параллельного соединения возбудителя и устройства отрицательной гибкой обратной связи), что практически чаще всего бесполезно [Теория автоматического управления. Под ред. А.В.Нетушила. - М.: Высшая школа, 1976, с.61]. С увеличением тока нагрузки тягового генератора время регулирования возрастает. Большое перерегулирование является одной из причин снижения экономичности дизель-генератора в неустановившихся режимах работы и повышенной склонности тепловоза к боксованию на малых и средних скоростях движения [Караджа Я.Д. Исследование динамики системы автоматического регулирования мощности дизель-генератора тепловоза 2ТЭ10Л(В) (рукопись депонирована в ЦНИИ ТЭИ МПС 31.05.1982 г. №1864жд-Д82)].

Аналогом предлагаемого изобретения, наиболее близким к нему по совокупности признаков (прототипом), является микропроцессорная система автоматического регулирования электропередачи тепловоза, содержащая тяговый генератор, возбудитель для питания обмотки возбуждения тягового генератора, модуль процессора, датчик напряжения тягового генератора, датчик тока нагрузки тягового генератора, датчик скорости вращения вала дизель-генератора, датчик подачи топлива. Система в соответствии с программой, заложенной в память микропроцессорного модуля, обеспечивает увеличение тока возбуждения возбудителя, питающего обмотку возбуждения тягового генератора, если текущее значение напряжения тягового генератора меньше заданного значения, и уменьшение тока возбуждения возбудителя, если текущее значение напряжения тягового генератора больше заданного значения, темпом, зависящим от абсолютного значения разности текущего и заданного значений напряжения тягового генератора [Микропроцессорные системы автоматического регулирования электропередачи тепловозов / А.В.Грищенко, В.В.Грачев, С.И.Ким, Ю.И.Клименко и др. М.: Маршрут, 2004, с 66]. Недостатком этой системы является то, что в ней также фактически не изменяется способ автоматического регулирования, не корректируются статические и динамические характеристики системы регулирования напряжения тягового генератора в зависимости от изменяющихся возмущающих воздействий и, значит, не поддерживаются постоянными запасы устойчивости системы регулирования.

Сущность изобретения

Предлагаемый способ регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства заключается в поддержании постоянными заданных запасов устойчивости автоматической системы регулирования по модулю и фазе при любых эксплуатационных режимах работы тягового транспортного средства и, следовательно, заданных показателей качества работы системы регулирования путем коррекции статических и динамических характеристик автоматической системы регулирования при любых изменениях возмущающих воздействий.

Предлагаемая автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства с регулятором напряжения тягового генератора и регулятором скорости вращения вала дизель-генератора содержит следующие функциональные элементы (см. фиг.1. Функциональная схема предлагаемой микропроцессорной автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства): тяговый генератор (ТГ, поз.1), выполняющий функции объекта регулирования напряжения (ОРН); возбудитель (В, поз.2), выполняющий функции регулирующего органа (РО), изменяющий ток возбуждения I_ВГ тягового генератора (регулирующее воздействие μ₁ на ОРН); датчик напряжения тягового генератора (поз.3) U_Г (регулируемой величины ϕ₁), выполняющий функции первого измерительного устройства (ИУ1); датчик тока нагрузки тягового генератора (поз.4) I_Г (возмущающего воздействия λ₁), выполняющий функции второго измерительного устройства (ИУ2); датчик скорости вращения вала дизель-генератора (поз.5) ω_ДГ (возмущающего воздействия λ₂ для автоматического регулятора напряжения тягового генератора и регулируемой величины ϕ₂ для автоматического регулятора скорости вращения вала дизель-генератора (АРСДГ, поз.6)), выполняющий функции третьего измерительного устройства (ИУЗ); датчик подачи топлива (поз.8) h_ПТ (регулирующего воздействия μ₂ для АРСДГ, подаваемого на вход объекта регулирования скорости вращения вала дизель-генератора (ОРС(ДГ), поз.7)), выполняющий функции четвертого измерительного устройства (ИУ4); блок возбуждения возбудителя (БВВ, поз.9), выполняющий функции исполнительного устройства (ИУ), изменяющего ток возбуждения I_вв возбудителя; задающие устройства ЗУ1÷ЗУ4 (поз.10÷13 соответственно); сравнивающие устройства СУ5 (поз.14), СУ1÷СУ4 (поз.15÷18 соответственно); устройства коррекции коэффициента передачи регулятора напряжения УК1 и УК2 (поз.19 и 20); датчик тока возбуждения возбудителя (поз.21), выполняющий функции пятого измерительного устройства (ИУ5); датчик тока возбуждения тягового генератора (поз.22), выполняющий функции шестого измерительного устройства (ИУ6). Функциональные элементы ИУ1, ЗУ1, СУ1, ИУ5, ИУ6, УК1, УК2, СУ5, ИУ и РО образуют автоматический регулятор напряжения тягового генератора по отклонению текущего значения напряжения от заданного значения. Функциональные элементы ИУ2, ЗУ2, СУ2, СУ5, ИУ и РО образуют автоматический регулятор напряжения тягового генератора по току нагрузки. Функциональные элементы ИУЗ, ЗУ3, СУ3, СУ5, ИУ и РО образуют автоматический регулятор напряжения тягового генератора по скорости вращения вала дизель-генератора. Функциональные элементы ИУ4, ЗУ4, СУ4, СУ5, ИУ и РО образуют автоматический регулятор напряжения тягового генератора по подаче топлива h_ПТ. Таким образом, автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства является комбинированной системой регулирования по отклонению напряжения от заданного значения и по возмущающим воздействиям: току нагрузки генератора I_Г, скорости вращения вала дизель-генератора ω_ДГ и по подаче топлива h_ПТ. Автоматический регулятор скорости вращения (АРСДГ) и объект регулирования скорости вращения (ОРС) образуют автоматическую систему регулирования скорости вращения вала дизель-генератора. Автоматическая система регулирования напряжения тягового генератора и автоматическая система регулирования скорости вращения вала дизель-генератора связаны межу собой по каналам действия двух сигналов: скорости вращения вала ω_ДГ дизель-генератора и подачи топлива h_ПТ. На фиг.1 η₁÷η₄ - сигналы задания, х_з1÷х_з4 - выходные сигналы задающих устройств ЗУ1÷ЗУ4, х_у - выходной сигнал измерительного устройства ИУ, x_д1÷х_д6 - выходные сигналы измерительных устройств ИУ1÷ИУ6, х_СУ5 - выходной сигнал сравнивающего устройства СУ5, х_СУ1÷х_СУ4 - выходные сигналы сравнивающих устройств СУ1÷СУ4, х_УК1÷х_УК2 - выходные сигналы устройств коррекции УК1÷УК2.

Принципиальная блок-схема предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства содержит следующие элементы (см. фиг.2.): тяговый генератор 1, приводимый дизелем и подключенный к тяговым электродвигателям; возбудитель 2 для питания обмотки возбуждения 23 тягового генератора, вал возбудителя соединен с валом дизеля, а обмотка возбуждения возбудителя 24 подключена к блоку возбуждения возбудителя 9; датчик напряжения тягового генератора 3; датчик тока нагрузки тягового генератора 4; датчик скорости вращения вала дизель-генератора 5; датчик подачи топлива 8; датчик тока возбуждения возбудителя 21; датчик тока возбуждения тягового генератора 22; блок управления блоком возбуждения возбудителя 25; блок управления дизелем 26; микропроцессорный контроллер 27. Выходы датчиков 3, 4, 5, 8, 21 и 22 подключены к входам микропроцессорного контроллера 23, к выходам которого подключены блоки управления 25 и 26. Функции элементов ЗУ1-ЗУ4, СУ5, СУ1-СУ4, УК1, УК2 (см. фиг.1) выполняют устройства микропроцессорного контроллера 27 (см. фиг.2).

Тяговый генератор 1 и возбудитель 2 (см. фиг.2) обладают динамическими свойствами апериодических звеньев второго порядка [Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989, с.160-179]. Таким образом, автоматическая система регулирования напряжения тягового генератора даже в простейшем случае является динамической системой четвертого порядка. Причем значения всех четырех постоянных времени тягового генератора Т_Г1 и Т_Г2 и возбудителя Т_В1, Т_В2 зависят только от значений активных сопротивлений и индуктивностей силовых цепей и цепей возбуждения. Однако статические характеристики тягового генератора U_Г=f₂(I_ВГ) и возбудителя U_В=f₁(I_ВВ) по регулирующему воздействию - току возбуждения (то есть нагрузочные характеристики) существенно нелинейны и описываются нелинейными алгебраическими уравнениями. Поэтому коэффициенты передачи возбудителя k_В=(∂U_В/∂I_В) и тягового генератора k_Гμ=(∂U_Г/∂I_Г) по регулирующему воздействию существенно зависят от тока возбуждения (I_ВВ и I_ВГ соответственно) и имеют различные значения при разных режимах работы возбудителя и тягового генератора. Например, в тепловозе ТЭП60 при изменении тока возбуждения возбудителя I_ВВ в рабочем диапазоне от 2 А до 14 А коэффициент передачи k_В изменяется от 25 до 2,5 В/А, то есть в 10 раз, а при изменении в рабочем диапазоне тока возбуждения тягового генератора I_ВГ от 20 А до 140 А коэффициент передачи по регулирующему воздействию k_Гμ изменяется от 12 до 1,2 В/А, то есть в 10 раз. [Паспортные характеристики и результаты испытаний тепловоза ТЭП60. Труды ЦНИИ МПС, вып.479. - М.: Транспорт, 1972, с.25÷35]. Статические (нагрузочные) характеристики возбудителя и тягового генератора по регулирующему воздействию (по току возбуждения) U_В(I_ВВ) и U_Г(I_ВГ) с достаточной точностью описываются выражениями вида [Архангельский Б.И. Аналитическое выражение кривой намагничивания электрических машин. - М.: Электричество, 1950, №3, с.30-32]:

Коэффициенты передачи возбудителя и тягового генератора определяются как производные от выражений (1) и (2)

где А_В, А_Г, В_В и В_Г - постоянные коэффициенты, значения которых подбираются при аппроксимации статических характеристик.

Поскольку объект регулирования напряжения - тяговый генератор и регулирующий орган - возбудитель имеют существенно нелинейные статические характеристики, то система регулирования напряжения является нелинейной и показатели качества ее работы в большой степени зависят от режимов работы. Коэффициент передачи автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора (находящейся в разомкнутом состоянии) k_РС изменяется в широких пределах при изменении тока нагрузки I_Г и напряжения U_Г тягового генератора. Это значит, что при разных режимах работы система регулирования будет иметь разные запасы устойчивости и разные показатели качества работы. Известно, что при предельном значении коэффициента передачи автоматической системы регулирования k_РСпред линейная система регулирования находится на границе устойчивости и работает в режиме автоколебаний. Если заданное значение коэффициента k_РСзад меньше предельного и соответствует заданным запасам устойчивости системы по модулю и по фазе, то система имеет заданные показатели качества работы. При значениях коэффициента k_РС несколько больше k_РСзад система работает с большим перерегулированием, а при значениях коэффициента k_РС несколько меньше k_РСзад система работает с малым или нулевым перерегулированием, но с увеличенным временем регулирования. Большой диапазон изменения значений коэффициента k_РС приводит к тому, что при одних режимах работы в системе наблюдаются затянутые переходные процессы, а при других - значительные колебания напряжения U_Г и тока нагрузки I_Г, что может приводить к возникновению процесса боксования локомотива, к снижению его тяговых свойств и экономичности.

Наиболее действенным способом обеспечения необходимых динамических свойств автоматической системы является введение в нее дополнительных корректирующих элементов, которые корректируют ее статические и динамические характеристики. Передаточная функция цепи с параллельным корректирующим элементом

где W_НИ(p) и W_ОС(р) - передаточные функции подлежащей коррекции неизменяемой части системы регулирования и корректирующего элемента (устройства обратной связи) соответственно. Применение коррекции в виде устройства местной отрицательной жесткой обратной связи повышает устойчивость и качество работы системы регулирования. Это непосредственно вытекает из уравнения (5) для комплексной частотной функции в диапазоне частот, когда W_НИ(jω)W_ОС(jω)≫1.

В этом случае

и характеристики системы практически не зависят от характеристик звеньев, охваченных устройством обратной связи, а определяются в основном характеристиками корректирующего элемента. Указанное обстоятельство является большим достоинством параллельного корректирующего элемента [Теория автоматического управления. Под ред. А.В.Нетушила. - М.: Высшая школа, 1976, с.248, 249].

Для обеспечения высококачественной работы автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора необходимо при всех режимах автоматически поддерживать постоянным значение коэффициента передачи k_РС. Для реализации этого требования в предлагаемой автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения тягового генератора применяется параметрическая компенсация действия токов возбуждения I_ВВ и I_ВГ на значение коэффициента передачи k_PC, которая осуществляется с помощью устройств коррекции УК1 и УК2 (см. фиг.1). Устройства коррекции УК1 и УК2 должны обладать динамическими свойствами пропорционального безынерционного звена, то есть эти устройства в системе должны выполнять функции местных жестких отрицательных обратных связей выхода блока возбуждения возбудителя с его входом (устройство УК1) и выхода возбудителя с входом блока возбуждения возбудителя (устройство УК2). Статические нелинейные характеристики устройств коррекции должны быть такими, чтобы значения их коэффициентов передачи изменялись в обратно пропорциональной зависимости от значений коэффициентов передачи возбудителя k_В и тягового генератора k_Гμ, то есть таким образом, чтобы произведения коэффициентов передачи устройств коррекции и коэффициентов передачи возбудителя k_В и тягового генератора k_Гμ оставались постоянными при всех режимах работы предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора. Применение нелинейных элементов значительно расширяет возможности повышения качества работы автоматических систем. Устройство коррекции УК1 включено параллельно блоку возбуждения возбудителя БВВ, и передаточная функция такого соединения будет иметь вид

Устройство коррекции УК2 включено параллельно блоку БВВ и возбудителю В, и передаточная функция такого соединения будет иметь вид

Подбор статических нелинейных характеристик (то есть нелинейных алгебраических уравнений) устройств коррекции УК1 и УК2 осуществляется с учетом статических характеристик блока возбуждения возбудителя БВВ, возбудителя В и тягового генератора ТГ и является главной задачей при разработке математического описания предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора и программы работы микропроцессорного контроллера.

В соответствии со структурной динамической схемой предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства по отклонению в разомкнутом состоянии, приведенной на фиг.3, передаточная функция предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора будет иметь вид

Комплексная частотная функция предлагаемой разомкнутой системы регулирования напряжения тягового генератора по отклонению будет иметь вид

Статические нелинейные характеристики корректирующих устройств УК1 и УК2 должны быть подобраны такими, чтобы амплитудно-фазовая частотная характеристика разомкнутой системы регулирования напряжения тягового генератора по отклонению, построенная по выражению (8), не изменялась при изменении в рабочем диапазоне токов возбуждения возбудителя I_BB и тягового генератора I_ВГ.

Предлагаемая автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства работает следующим образом. Она так же, как и прототип, построена на принципах комбинированного регулирования напряжения: регулирования по отклонению напряжения от заданного значения и использования дополнительных сигналов по току нагрузки тягового генератора, по скорости вращения вала дизель-генератора и по подаче топлива. Только при таком принципе построения система регулирования напряжения тягового генератора может иметь статические характеристики, состоящие из трех участков: ограничения напряжения по максимальному току нагрузки, по мощности дизеля и по максимально допустимому значению напряжения. Требуемые статические характеристики системы регулирования напряжения тягового генератора U_Г (I_Г, ω_ТД) можно получить, изменяя ток возбуждения I_B генератора, а значит, изменяя магнитный поток и магнитодвижущую силу тягового генератора в зависимости от отклонения напряжения от заданного значения, тока нагрузки I_Г генератора, скорости вращения его вала ω_ТД и подачи топлива h_ПТ.

На первых участках (участки I) статических характеристик системы регулирования, где имеются ограничения на характеристиках по максимальному значению тока нагрузки I_Гmax (см. фиг.4. Требуемые статические характеристики системы регулирования напряжения тягового генератора (линии 1-3) - зависимости напряжения на зажимах U_Г от тока нагрузки I_Г генератора при различных скоростях вращения его вала ω_ТД), действуют два регулятора напряжения: по скорости вращения вала ω_ТД и по току нагрузки I_Г генератора; при этом ток нагрузки I_Г генератора остается приблизительно постоянным при изменении напряжения U_Г от нуля до значения U_Гmin. При таком способе регулирования напряжения генератора его мощность Р_Г изменяется пропорционально току нагрузки I_Г. На этих участках при номинальной скорости вращения вала ω_ТД статическая характеристика системы регулирования описывается уравнением

или

На режимах работы, соответствующих этим первым участкам статических характеристик, система регулирования напряжения тягового генератора всегда работает устойчиво, так как система содержит устойчивые звенья, и контур регулирования системы разомкнут.

На вторых участках (участки II) статических характеристик системы регулирования (см. фиг.4), где имеются ограничения на характеристиках по мощности теплового двигателя, ток нагрузки I_Г и напряжение генератора U_Г изменяются в обратно пропорциональной зависимости друг от друга при изменении напряжения от значения U_Гmin до значения U_Гmax, а тока нагрузки от I_Гmax до I_Гmin в соответствии с выражением

На этих участках действуют все четыре регулятора напряжения: по отклонению напряжения от заданного значения, по току нагрузки I_Г, по скорости вращения вала ω_ТД и по подаче топлива h_ПТ. На этих участках мощность Р_Г генератора остается приблизительно постоянной, равной свободной мощности дизеля, при изменении напряжения U_Г от значения U_Гmin до значения U_Гmax.

На третьих участках (участки III) статических характеристик системы регулирования (см. фиг.4), где имеются ограничения на характеристиках по максимальному значению напряжения U_Г, напряжение U_Г остается приблизительно постоянным при изменении тока нагрузки I_Г от значения I_Гmax до нуля и действуют два регулятора напряжения: по отклонению напряжения от заданного значения и по скорости вращения вала ω_ТД. Статическая характеристика системы регулирования напряжения по отклонению описывается выражением

или

При таком способе регулировании напряжения генератора его мощность Р_Г изменяется пропорционально току нагрузки I_Г.

На режимах работы, соответствующих вторым и третьим участкам статических характеристик (см. фиг.4), контур системы регулирования по отклонению замкнут и система регулирования напряжения тягового генератора может работать неустойчиво, несмотря на то что она содержит устойчивые звенья. Наиболее тяжелыми по устойчивости являются режимы работы, соответствующие началам вторых участков, то есть режимы больших токов и низких напряжений генератора. На этих режимах работы системы регулирования токи возбуждения возбудителя и генератора небольшие, а значения коэффициентов передачи очень большие. При этом система регулирования имеет большие значения коэффициента передачи в разомкнутом состоянии k_РС, а значит, очень малые запасы устойчивости.

Предлагаемая автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства является нелинейной системой и не может быть описана линейными дифференциальными уравнениями. Она относится к классу таких нелинейных систем, которые можно представить в виде встречно-параллельного соединения двух частей: линейной части ЛЧ, описываемой линейными обыкновенными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами, и нелинейного элемента НЛ.

В предлагаемой автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства (см. фиг.2) выходные сигналы датчиков 3, 4, 5, 8, 21 и 22 подаются в микропроцессорный контроллер 27, где они обрабатываются в соответствии с заложенной программой. При этом обеспечивается автоматическая настройка системы регулирования программным способом, что значительно упрощает и повышает качество работы автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения заключается в повышении экономичности и в улучшении тяговых свойств транспортного средства путем обеспечения требуемых запасов устойчивости (по модулю и фазе) и показателей качества работы (относительного перерегулирования и времени регулирования) автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора при любых эксплуатационных режимах работы тягового транспортного средства.

Технический результат достигается тем, что автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства, содержащая дизель, соединенный жесткой связью с тяговым генератором (дизель-генератор); возбудитель, соединенный жесткой связью с дизелем; датчик напряжения тягового генератора; датчик тока нагрузки тягового генератора; датчик скорости вращения вала дизель-генератора; датчик подачи топлива; автоматический регулятор скорости вращения вала дизель-генератора; блок возбуждения возбудителя, изменяющий ток в обмотке возбуждения возбудителя; первое, второе, третье и четвертое задающие устройства; первое, второе, третье, четвертое и пятое сравнивающие устройства; микропроцессорный контроллер, причем выход датчика напряжения тягового генератора подают на вход первого сравнивающего устройства; выход датчика тока нагрузки тягового генератора подают на вход второго сравнивающего устройства; выход датчика скорости вращения вала дизель-генератора подают на вход третьего сравнивающего устройства; выход датчика подачи топлива подают на вход четвертого сравнивающего устройства; выходы первого, второго, третьего и четвертого задающих устройств подают на входы первого, второго, третьего и четвертого сравнивающих устройств соответственно; выходы первого, второго, третьего и четвертого сравнивающих устройств подают на входы пятого сравнивающего устройства; выход пятого сравнивающего устройства подают на вход блока возбуждения возбудителя; первое, второе, третье и четвертое задающие устройства, первое, второе, третье, четвертое и пятое сравнивающие устройства относятся к устройствам микропроцессорного контроллера; дополнительно содержит первое и второе устройства коррекции; датчик тока возбуждения возбудителя; датчик тока возбуждения тягового генератора; причем выход датчика тока возбуждения возбудителя подают на вход первого устройства коррекции; выход датчика тока возбуждения тягового генератора подают на вход второго устройства коррекции; а выходы первого и второго устройств коррекции подают на входы пятого сравнивающего устройства; первое и второе устройства коррекции также относятся к устройствам микропроцессорного контроллера; а статические характеристики за счет программных средств подбирают таким образом, чтобы коэффициент передачи разомкнутой автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства оставался неизменным и соответствовал заданному значению при любых изменениях напряжения тягового генератора, тока тягового генератора, скорости вращения вала дизель-генератора, подачи топлива, что обеспечивает требуемые запасы устойчивости (по модулю и фазе) и заданные показатели качества работы (относительное перерегулирование и время регулирования) автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора при любых эксплуатационных режимах работы тягового транспортного средства.

Перечень фигур

Фиг.1. Функциональная схема предлагаемой микропроцессорной автоматической системы регулирования напряжения тягового генератора и автоматической системы регулирования скорости вращения вала дизель-генератора тягового транспортного средства.

Фиг.2. Принципиальная блок-схема предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора и автоматической системы регулирования скорости вращения вала дизель-генератора тягового транспортного средства.

Фиг.3. Структурная динамическая схема предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения тягового генератора по отклонению в разомкнутом состоянии.

Фиг.4. Требуемые статические характеристики системы регулирования напряжения тягового генератора (линии 1-3) - зависимости напряжения на зажимах U_Г от тока нагрузки I_Г генератора при различных скоростях вращения его вала ω_ТД.

Автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения тягового генератора тягового транспортного средства, содержащая дизель, соединенный жесткой связью с тяговым генератором с образованием дизель-генератора, возбудитель, соединенный жесткой связью с дизелем, датчик напряжения тягового генератора, датчик тока нагрузки тягового генератора, датчик скорости вращения вала дизель-генератора, датчик подачи топлива, автоматический регулятор скорости вращения вала дизель-генератора, блок возбуждения возбудителя, изменяющий ток в обмотке возбуждения возбудителя, микропроцессорный контроллер, включающий в себя первое, второе, третье и четвертое задающие устройства, первое, второе, третье, четвертое и пятое сравнивающие устройства, причем выход датчика напряжения тягового генератора соединен со входом первого сравнивающего устройства, выход датчика тока нагрузки тягового генератора соединен с входом второго сравнивающего устройства, выход датчика скорости вращения вала дизель-генератора соединен с входом третьего сравнивающего устройства, выход датчика подачи топлива соединен с входом четвертого сравнивающего устройства, выходы первого, второго, третьего и четвертого задающих устройств соединены с входами первого, второго, третьего и четвертого сравнивающих устройств соответственно, выходы первого, второго, третьего и четвертого сравнивающих устройств соединены с входами пятого сравнивающего устройства, выход пятого сравнивающего устройства соединен с входом блока возбуждения возбудителя, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены датчик тока возбуждения возбудителя и датчик тока возбуждения тягового генератора, а микропроцессорный контроллер дополнительно включает в себя первое и второе устройства коррекции, причем выход датчика тока возбуждения возбудителя соединен с входом первого устройства коррекции, выход датчика тока возбуждения тягового генератора соединен с входом второго устройства коррекции, а выходы первого и второго устройств коррекции соединены с входами пятого сравнивающего устройства, при этом статические характеристики разомкнутой системы подобраны с возможностью сохранения неизменным коэффициента передачи и соответствия его заданному значению при любых изменениях напряжения тягового генератора, тока тягового генератора, скорости вращения вала дизель-генератора и подачи топлива, что обеспечивает требуемые запасы устойчивости системы по модулю и фазе и заданные показатели качества ее работы - относительное перерегулирование и время регулирования при любых эксплуатационных режимах работы тягового транспортного средства.