Pierwszenstwo: 20.X.1961 Szwajcaria Opublikowano: 5 III.1966 50817 KI, 20 1, 7/02 MKP P 61 hi- UKD a i **L' f.l)r*'.^5'; Wlasciciel patentu: Roland Adoutte, Karl Schneider, Max Baumgartner Carouge Genewa (Szwajcaria) Uklad samoczynnej regulacji maszyn elektrycznych trakcji spalinowo-elektrycznej W trakcji spalinowo-elektrycznej, zawierajacej wysokoprezny silnik spalinowy, pradnice pradu stalego oraz jeden lub wiecej silników elektrycz¬ nych zasilanych z tej pradnicy, zastosowanej na przyklad na lokomotywie, moc wysokopreznego sil¬ nika spalinowego musi byc calkowicie wykorzysty¬ wana i to przy calym zakresie predkosci jazdy lo¬ komotywy. Ponadto pewnej predkosci wysokoprez¬ nego silnika spalinowego powinna odpowiadac scisle okreslona dostarczana przez niego moc. Oznacza to, ze moc elektryczna dostarczana przez pradnice i pobierana przez silniki elektryczne powinna byc stala dla danej predkosci wysokopreznego silnika spalinowego.Regulowanie maszyn elektrycznych trakcji spa¬ linowo-elektrycznej polega zatem na nadaniu cha¬ rakterystyce momentu obrotowego w funkcji pred¬ kosci napedu elektrycznego, postaci hiperbolicz- nej. Uzyskuje sie to na ogól przez oddzialywanie na napiecie pradnicy za pomoca jej wzbudzenia.Z drugiej strony w celu umozliwienia zwiekszenia zakresu predkosci dla danej wielkosci wymiaro¬ wej pradnicy przewiduje sie elementy umozliwia¬ jace oslabianie pola magnetycznego silników.Silniki elektryczne stosowane na ogól w zna¬ nych ukladach trakcji spalinowo-elektrycznej sa silnikami szeregowymi. Pradnice sa na ogól zao¬ patrzone w uzwojenia wzbudzajace równolegle i szeregowe przeciwdzialajace, jak równiez w uz¬ wojenie o wzbudzeniu obcym, na które oddzialy- 15 20 wuje sie w celu regulowania mocy. O ile chodzi o silniki to oslabienie ich pola jest na ogól uzy¬ skiwane za pomoca styczników zwierajacych cze¬ sci uzwojen wzbudzajacych.Jest oczywiste, ze tego rodzaju uklad daje sa¬ moczynna i ciagla regulacje trudna do realizacji, przy czym liczba stopni bocznikowania jest z ko¬ niecznosci ograniczona. Z drugiej strony powinny byc przedsiebrane srodki ostroznosci w celu uni¬ kniecia przeciazen w chwili bocznikowania, co sta¬ nowi czesty powód ognienia silnika. Automatyzacja tego bocznikowania wymaga aparatury, której skomplikowanie wzrasta wraz z liczba stopni tego bocznikowania.Istnieja równiez inne rozwiazania przeznaczone do oslabiania pola silników szeregowych. Polegaja one na stosowaniu dodatkowych uzwojen wzbu¬ dzajacych o przeciwnym kierunku w stosunku do uzwojen szeregowych, ale zrealizowane urzadzenia tego rodzaju sa stosunkowo skomplikowane.Jest to jeden z powodów zaproponowania silni¬ ków o wzbudzeniu obcym. Silniki te ponadto od¬ znaczaja sie dodatnia cecha samozabezpieczenia sie od poslizgu, dzieki swym charakterystykom momentu obrotowego w funkcji predkosci. A mia¬ nowicie wzrost predkosci w przyapdku poslizgu prowadzi do gwaltownego zmniejszenia sie nate¬ zenia pradu, a zatem i momentu obrotowego.Ponadto silniki te umozliwiaja usuniecie urza¬ dzenia nawrotnego w obwodzie mocy, przy czym 5081750817 3 zmiana kierunku obrotu moze byc wykonywana w obwodach wzbudzania. Wreszcie stosowanie sil¬ ników o obcym wzbudzeniu umozliwia znaczne zmniejszenie wielkosci pradnicy glównej, wyko¬ nujac jako równowaznik bocznikowania wlaczone równolegle silniki szeregowe bez stycznika. Prze¬ kazywanie napiecia pradnicy na jeden tylko z za¬ silanych przez nia sUników szeregowych moze byc uzyskanie przez oslabienie stopniowe i calkowite pola innych. silników.Pomimo tych zalet, charakterystyki silników o wzbudzeniu obcym maja pewne wady, zwlaszcza takie wady, które polegaja na znacznym niezrów- nowazeniu natezen pradów przeplywajacych przez silniki zasilane równolegle, spowodowanym przez róznice w wykonaniu silników, niedopuszczalne zu¬ zycie kól lokomotywy itd.Celem niniejszego wynalazku jest uproszczenie regulacji maszyn tego typu z jednej strony, oraz usuniecie wymienionych wyzej wad zwiazanych nierozlacznie z ich charakterystykami z drugiej strony. Przedmiotem tego wynalazku jest stwo¬ rzenie ukladu regulacyjnego maszyn elektrycznych trakcji spalinowo-elektrycznej, który sklada sie z wysokopreznego silnika spalinowego, pradnicy pradu stalego, zasilajacej jeden lub wiecej silni¬ ków, przy czym pradnica i silniki maja uzwoje¬ nia wzbudzania zasilane za posrednictwem stero¬ wanych prostowników, i który odznacza sie tym, ze prostowniki te sa sterowane za pomoca sygnalu bedacego funkcja róznicy mocy pomiedzy zadana moca, odpowiadajaca okreslonej predkosci wyso¬ kopreznego silnika spalinowego i mocy dostarcza¬ nej przez pradnice, za posrednictwem dwóch ge¬ neratorów funkcji, jednego przeznaczonego dla pro¬ stownika pradnicy, drugiego przeznaczonego dla prostowników silników, przy czym obydwa gene¬ ratory dopóty wysylaja sygnaly, pierwszy z nich — sygnal proporcjonalny do wspomnianego wyzej sygnalu róznicy mocy, drugi — sygnal o maksy¬ malnej amplitudzie, dopóki sygnal róznicy mocy nie przekroczy wartosci wyznaczonej, przy czym powyzej tej wartosci pierwszy generator funkcji wysyla sygnal o maksymalnej i stalej amplitudzie, a drugi — sygnal, którego amplituda zmniejsza sie liniowo wraz z wzrostem amplitudy sygnalu róznicy mocy, wywolujac samoczynnie i w sposób ciagly oslabienie pola silników, przy czym przewi¬ dziane sa ejementy przeznaczone do samoczynne¬ go utrzymywania na zasadniczo równym poziomie natezen pradu we wlaczonych równolegle silni¬ kach.Rysunek przedstawia tytulem przykladu ideo¬ wy schemat ukladu samoczynnej regulacji maszyn elektrycznych trakcji spalinowo-elektrycznej oraz charakterystyki regulacyjne, przy czym fig. 1 przedstawia wymieniony schemat ideowy, a fig. 2 pokazuje charakterystyki regulacyjne.Jak to widoczne jest z fig. 1, uklad napedowy spalinowo-elektryczny zawiera pradnice pradu stalego G, napedzana przez wysokoprezny silnik spalinowy D, oraz uzwojenie wzbudzajace 1, za¬ silane za posrednictwem prostownika sterowanego Z, utworzonego na przyklad z prostowników sty¬ kowych, zasilanych ze zródla trójfazowego pradu zmiennego, za pomoca linii zasilajacej 3.Wysokoprezny silnik spalinowy D jest doprowa¬ dzany do okreslonych obrotów za pomoca znanych 5 elementów, które nie sa pokazane na rysunku, z wyjatkiem elementu 4 sterujacego jego predkos¬ cia obrotowa. Pradnica zasila równolegle dwie grupy silników, z których kazda zawiera dwa sil¬ niki o wzbudzeniu niezaleznym a mianowicie od- 10 powiednio silniki Mlf M2, M3, M4. Uzwojenia wzbu¬ dzajace 5 i 6 pierwszej grupy silników sa zasilane szeregowo z linii 7 za posrednictwem sterowanego prostownika 8. Tak samo ma sie sprawa z uzwo¬ jeniami wzbudzajacymi 9 i 10 drugiej grupy sil- 15 ników zasilanych z linii 11 za posrednictwem ste¬ rowanego prostownika 12.Prostowniki 2, 8, 12 sa sterowane za pomoca im¬ pulsów wysylanych przez nie pokazane na rysunku generatory, sterowane przez sygnaly wysylane 20 przez generatory funkcji 13 i 14, z których pier¬ wszy wysyla sygnaly sterujace prostownikiem 2, a drugi wysyla sygnaly sterujace prostownikami 8 i 12. Generatory 13 i 14 wysylaja sygnaly w za¬ leznosci od sygnalu wejsciowego wysylanego przez 25 urzadzenie róznicowe 15, bedace róznica pomiedzy sygnalem odpowiadajacym mocy elektrycznej pra¬ dnicy G a sygnalem odniesienia odpowiadajacym - mocy wysokopreznego silnika spalinowego.Urzadzenie 15 jest w rzeczywistosci sumatorem 30 algebraicznym dodajacym dwa sygnaly o przeci¬ wnych znakach, a mianowicie dodatni sygnal od¬ niesienia wytwarzany przez generator tachome¬ tryczny 16 i trzeci generator funkcji 17, oraz ujemny sygnal wytwarzany przez powielacz ele- 35 ktronowy 18.Urzadzenie 15 jest polaczone generatorami 13 i 14 za posrednictwem czwartego generatora fun¬ kcji 19 i drugiego urzadzenia róznicowego 20, któ¬ rych dzialania zostana podane w dalszym ciagu 40 opisu.Generator 13 wysyla sygnal wprost proporcjo¬ nalny do sygnalu wejsciowego dopóty, dopóki sy¬ gnal wejsciowy nie osiagnie wartosci odpowiada¬ jacej maksymalnemu wzbudzeniu pradnicy G, po 45 czym amplituda sygnalu pozostaje stala pomimo wzrastania amplitudy sygnalu wejsciowego.Natomiast generator 14 dopóty wysyla sygnal o amplitudzie stalej i maksymalnej, odpowiadaja¬ cej maksymalnemu wzbudzeniu silników Mlf M2 50 i M3, M4, dopóki amplituda sygnalu wejsciowego jest nizsza od amplitudy, dla której generator 13 wysyla sygnal o amplitudzie maksymalnej. Powy¬ zej tej wartosci sygnalu wejsciowego generator 14 wysyla sygnal, którego amplituda maleje liniowo 55 wraz ze wzrostem amplitudy sygnalu wejsciowego.Dwa wejscia powielacza elektronowego 18 sa polaczone odpowiednio z urzadzeniem 21, mierza¬ cym napiecie pradnicy G, i z komparatorem 22. t Komparator ten porównuje wartosci natezen pra- 60 dów, które przeplywaja przez dwie grupy silników, a mianowicie Mlf M2 i M3, M4, i które sa mierzo¬ ne odpowiednio za pomoca urzadzen 23 i 24, a na¬ stepnie wysyla wartosc wieksza. Wyjscie z kom¬ paratora 22 jest równiez polaczone z drugim wej- 65 sciem urzadzenia róznicowego 20, którego pierwsze50817 6 wejscie jest polaczone z wyjsciem generatora fun¬ kcji 19.Generator ten dopóty wysyla sygnal proporcjo¬ nalny do sygnalu wejsciowego, tzn. do sygnalu wytworzonego przez urzadzenie 15, dopóki sygnal ten pozostaje ponizej pewnej wartosci zmiennej i wyznaczanej w zaleznosci od polozenia elementu 4, sterujacego predkoscia wysokopreznego silnika spalinowego. Powyzej tej wartosci sygnalu wej¬ sciowego generator 19 wysyla sygnal o amplitu¬ dzie stalej. Wynika z tego, ze dla kazdego polo¬ zenia elementu sterujacego 4, sygnal róznicy mocy wytwarzany przez urzadzenie 15 jest ograniczony do wartosci wyznaczonej przez generator 19.Kazde z dwóch urzadzen 23 i 24, mierzacych natezenia pradów w obydwóch grupach silników, jest polaczone z jednym z dwóch wejsc drugiego komparatora 25. Komparator ten jest przewidzia¬ ny do tego, aby wysylal dwa sygnaly o amplitu¬ dzie równej i ograniczonej, a o znakach przeciw¬ nych, proporcjonalne do róznicy natezen pradów mierzonych przez urzadzenia 23 i 24. Dwa wyj¬ scia urzadzenia 25 sa polaczone odpowiednio z pro¬ stownikiem 8 i prostownikiem 12.Urzadzenie róznicowe 15 zawiera trzecie wejscie Z6, przeznacz8ne do polaczenia z nie pokazanym na rysunku integratorem wysylajacym sygnal odpo¬ wiadajacy calce róznicy pomiedzy rzeczywistym wtryskiem wysokopreznego silnika spalinowego i wtryskiem odniesienia, odpowiadajacym okreslo¬ nej predkosci wysokopreznego silnika spalinowego Znaczenie tego sygnalu zostanie wyjasnione w dal¬ szym ciagu opisu.Opisany wyzej uklad regulacji dziala w sposób opisany ponizej.Podczas uruchamiania ukladu napedowego ogra¬ niczenie natezenia pradu jest uzyskiwane przez ograniczenie róznicy mocy, przedstawianej za po¬ moca sygnalu na wyjsciu urzadzenia 15. Ograni¬ czenie sygnalu róznicy mocy jest uzyskiwane za pomoca generatora funkcji 19 w taki sposób, ze maksymalna amplituda wysylanego sygnalu zmie¬ nia sie wraz z polozeniem organu sterujacego 4.Sygnal na wyjsciu z generatora 19 odwzorowuje prad, który powinien byc dostarczany przez prad¬ nice G. Sygnal wysylany przez komparator 22, do¬ prowadzony do drugiego wejscia urzadzenia 20 i odpowiadajacylwiekszemu z dwóch natezen pra¬ dów plynacych przez dwie grupy silników, odej¬ muje sie od sygnalu wysylanego przez generator 19, tworzac w ten sposób sprzezenie zwrotne.Z podanego wyzej opisu wynika, ze ogranicze¬ nie natezenia pradu, podczas okresu uruchamiania jest uzyskiwane przez ograniczanie zasilania pra¬ dem glównego obwodu elektrycznego. Wartosc tego ograniczenia pradu zalezy od polozenia elementu sterujacego 4, co umozliwia uzyskanie dozowania obciazen rozruchu w funkcji polozenia elementu sterujacego 4, który jest obslugiwany przez maszy¬ niste.Tego rodzaju regulacja uzalezniona od .pradu nastepuje az do predkosci Wi (fig. 2). Od tej pred¬ kosci rozpoczyna sie samoczynna regulacja, która jest uzalezniona od mocy glównego obwodu elek¬ trycznego i w ten sposób otrzymuje sie wymagana charakterystyke paraboliczna (fig. 2).W pierwszym okresie dzialania w normalnych juz warunkach pracy, tzn.. poczyriajac? od predkos- 5 ci «! az do predkosci co2 (fig. 2), regulacja jest uzyskiwana przez oddzialywanie rj,a napiecie prad¬ nicy za pomoca jej wzbudzenia. Dla zadanej pred- kosci wysokopreznego silnika spalinowego, moc, elektryczna, wyrazana za pomoca sygnalu na. wyj- 10 sciu z powielacza elektronowego 18, jest stale po¬ równywana z moca wysokopreznego silnika spali-, nowego, wyrazana za pomoca odnosnego sygnalu,, wysylanego przez generator 17. Róznica miecjz^ tymi dwoma sygnalami przedstawia róznice mocy, 15 która w postaci sygnalu na wyjsciu z urzadzenia 15, jest przekazywana przez generator. 19 i urza¬ dzenie 20 do generatora 13. .,_.'. . - r Generator ten wysyla sygnal sterujacy do pro-r stownika 2 modyfikujac natezenie, pradu ?wzbu-; 20 dzenia, a zatem napiecie pradnicy, .w, taki sposób* ze pradnica daje moc elektryczna, równa/ rnocy odniesienia. W tym okresie dzialania,, strumien: magnetyczny silników jest maksymalny i'staly; , W drugim okresie dzialania w normalnych wa- 25 runkach pracy, zawartym pomiedzy piredkpscSa co^ i predkoscia comax (fig. 2) regulacja jest uzyskiwa¬ na przez oddzialywanie na wzbudzenie'silników.Skoro tylko wzbudzenie pradnicy osiagnelo ^We; maksimum, tzn. skoro róznica mocy <'przekracza 30 wartosc, dla której generator 13 wysyla*sygnal-ocK powiadajacy temu maksymalnemu wzbudzeniu; ;to generator 14 wysyla sygnal zmniejszajacy sify wraz z wzrostem róznicy mocy i wywolujacy zmniejszen, nie natezen pradów wzbudzenia silników/ przez: 35 oddzialywanie na prostowniki 8 i*I2. /.Uklad równowagi obciazen w dwóch grupach silników dziala jak opisano ponizej;. - - :; *¦ Przyjmujac, ze natezenie pradu-plynacego w sil¬ nikach Mj i M2 jest wieksze niz pradu .plynacego 40 w silnikach M3 i M4, komparator 25 wysyla sy¬ gnal dodatni na wyjsciu, polaczonym z prostowni¬ kiem 8 i sygnal ujemny o tej samej amplitudzie na wyjsciu, polaczonym z prostownikiem,12. Nastepuje dodanie sygnalu wysylanego, przez komparatqc, 25 45 do sygnalu wysylanego przez generator ^4, a zatem zwiekszenie wzbudzenia silników „tyli i.-M2, co po¬ woduje z jednej strony zmniejszenie ,nateienia pradu przez nie, przeplywajacego.,, oraz, ^ poje¬ cie sygnalu wysylanego przez komparator 25 od 50 sygnalu wysylanego przez generator 14, a zatem zmniejszenie wzbudzenia silników M3 i M4 i zwie¬ kszenie natezenia pradu przeplywajacego przez nie z drugiej strony.Fakt uzywania do sprzezenia zwrotnego wie- 55 kszegó z dwóch natezen pradów plynacych przez dwie grupy silników umozliwia w przypadku po¬ slizgu silnika w jednej z grup utrzymanie nateze¬ nia pradu przeplywajacego przez silniki drugiej gru- . py ponizej przyjetej wartosci maksymalnej (Imax na 60 fig. 2). Dzieki temu ograniczeniu moc napedowa mo¬ ze byc podana do silników, które nie maja poslizgu, tak ze moze nastapic rozruch, podczas gdy poslizg samoczynnie zanika. Jest oczywiste, ze to samo zjawisko odbywa sie w przypadku poslizgu przy 65 którejkolwiek badz predkosci roboczej.50817 7 Wynika z tego, ze we wszystkich warunkach pracy ukladu mozliwe jest maksymalne wykorzy¬ stywanie przyczepnosci kól lokomotywy.Samoczynne zabezpieczenie wysokopreznego sil¬ nika spalinowego przed przeciazeniem, mogacym 5 pochodzic od uszkodzen mechanicznych lub od ob¬ ciazenia reprezentowanego przez obwody pomoc¬ nicze, jest zapewnione w sposób opisany ponizej.Skoro rzeczywisty wtrysk paliwa jest wiekszy od wtrysku odniesienia, odpowiadajacego okreslo- 10 nej predkosci wysokopreznego silnika spalinowego, nie pokazany na rysunku integrator wysyla sy¬ gnal 26 o znaku przeciwnym niz sygnal wysylany przez generator 17, na przyklad sygnal ujemny, jezeli ten ostatni sygnal jest dodatni, w taki spo- 15 sób, azeby zmniejszyc zadana moc wysokopreznego silnika spalinowego. Sygnal 26 znika dopiero wó¬ wczas, gdy rzeczywisty wtrysk paliwa spadnie z powrotem ponizej wtrysku odniesienia, tzn. sko¬ ro zniknie przyczyna przeciazenia. 2o Jak widac opisany wyzej uklad regulacji umo¬ zliwia samoczynna regulacje maszyn elektrycz¬ nych trakcji spalinowo-elektrycznej wykorzystu¬ jac tylko obwody elektroniczne, bez korzystania * z jakiegokolwiek ruchomego elementu ster.uja- 25 cego. - Z drugiej strony umozliwia on stosowanie sil- 2- ników o oddzielnym wzbudzeniu ze wszystkimi ich zaletami, eliminujac jednakze ich wady prze¬ de wszystkim dzieki ukladom wyrównujacym obcia- 30 zenia i ograniczajacym natezenia ich pradów.Co sie tyczy róznych urzadzen elektronicznych, skladajacych sie na zespól urzadzenia regulacyj¬ nego wedlug wynalazku, takich jak generator funkcji, sumatory algebraiczne, komparatory, pro- 35 stowniki sterowane i powielacz elektronowy, któ¬ re nie stanowia przedmiotu wynalazku, a zatem nie sa opisane szczególowo, to moga one byc typu 3. dowolnego. PL