CN108944462A - 一种基于取流反馈的受电弓主动控制方法及控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于取流反馈的受电弓主动控制方法，包括：(1)通过设置于受电弓主线缆上的电流传感器获取受电弓的电流信号，并获取列车的速度信号/位置信号；(2)根据列车的速度信号/位置信号判断列车所在区段，配合电流信号反馈实时调节气囊气压，改变受电弓的升弓力，以减小弓网接触点燃弧率。本发明将原有气路控制箱内无法实时调整的定压减压阀替换为在非高电压部分设置的可控的电磁减压阀，使气囊气压可实时调整，结合在受电弓主线缆上设置的电流传感器，通过电流大小反馈控制受电弓的升弓力，有效减少了加速区段弓网***燃弧率，从而达到减小受电弓滑板和接触线的电气磨耗的目的。

Description

一种基于取流反馈的受电弓主动控制方法及控制装置
技术领域
本发明涉及电力机车和动车受电弓技术领域，具体地讲，是涉及一种基于取流反馈的受电弓主动控制方法及控制装置。
背景技术
电气化铁路和城市轨道交通***中，电力列车使用受电弓从架空接触网取得电能。受电弓一般由受电弓滑板、上框架、下臂杆(双臂弓用下框架)、底架、升弓弹簧、传动气缸、支持绝缘子等部件组成。
受电弓安装在车厢顶部，列车运行过程中受电弓滑板与提供电能的接触导线保持滑动接触。受电弓和接触网这两个子***通过弓网接触力耦合在一起，形成一个相互作用的动态***。
电力列车所需的电能通过受电弓滑板和接触导线的接触点传输。在加速过程中，弓网接触点通过很大的电流。很大的电流导致了弓网接触点燃弧，进而增加了受电弓滑板与接触线的电气磨耗。目前很多地铁受电弓滑板寿命只有期望值的一半，其经济性大打折扣。
为此，本发明希望通过对受电弓的主动控制，达到减少加速区段弓网燃弧现象，减小受电弓滑板磨耗的目的。
文献号为CN106094520A的中国专利文献公开了一种基于状态反馈精确线性化的受电弓主动控制方法。该文献公布的受电弓控制方法是通过建立三元弓网耦合动力学模型，并对其进行受力分析，获取弓网***状态量，将其反馈线性化，并求出传递函数和零极点，从而调整升弓力，达到线性最优控制策略。
文献号为CN105652111A的中国专利文献公开了一种受电弓动态运行性能控制方法及装置。其对受电弓的控制方法主要是通过实验得到受电弓在不同方向不同速度级的弓网受流性能参数和受电弓动力学性能参数，然后利用二次多项式曲线回归的方法，弓网接触力在不同开口方向不同速度级下的趋势回归曲线，最后通过所得的弓网接触力趋势回归曲线控制受电弓的动态运行性能。其主要关注点是通过对受电弓的动态性能参数的控制，从而控制弓网接触力，保证弓网受流良好。
文献号为CN2014570094U的中国专利文献公开了一种受电弓主动控制装置，该装置能主动补偿接触网因各种因数产生的接触力变化，减小压力波动。该装置主要工作原理是通过计算机气路控制器与列车上的GPS装置确定运行区间各位置对应的受电弓理想抬升量，然后根据车载速度表的数据和列车测风仪得到的风力、风向等数据，并结合当前接触网的刚度值，计算出受电弓不同运动状态产生的总抬升量。最后根据理想抬升量与总抬升量的大小，对气囊进行主动开环控制，来补偿弓网接触压力，使其始终保持基本一致。其主要关注点是通过该装置得到的数据对受电弓气囊的控制，从而控制弓网接触压力。
现阶段对受电弓实现主动控制大都通过调整受电弓动态参数来实现，根据受电弓动态表现进行主动控制。但在控制中并没有考虑受电弓取流的因素，也没有考虑弓网接触点的载流能力。
发明人对此进行了研究，据研究结果显示，当弓网接触点载流量上升时，燃弧几率大大增加，进而造成受电弓滑板与接触线的磨耗增加。基于此研究，发明人提出通过增加静态升弓力使燃弧率减小，从而减小弓网磨耗，以改善这一情况。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供一种基于取流反馈的受电弓主动控制方法，通过弓网接触点电流对受电弓升功力进行反馈控制，使加速时弓网接触力增加，减小弓网接触点的燃弧，达到受电弓滑板与接触线磨耗降低的目的。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于取流反馈的受电弓主动控制方法，包括如下步骤：
(1)通过设置于受电弓主线缆上的电流传感器获取受电弓的电流信号，并获取列车的速度信号/位置信号；
(2)根据列车的速度信号/位置信号判断列车所在区段，配合电流信号反馈实时调节气囊气压，改变受电弓的升弓力，以减小弓网接触点燃弧率；
其中，当列车处于加速区段时，电流信号增大，调节气囊气压升高，增加受电弓的升弓力；当列车处于惰性区段时，电流信号减小，调节气囊气压降低，减少受电弓的升弓力；当列车处于制动区段时，电流信号增大，调节气囊气压升高，增加受电弓的升弓力。
具体地，通过计轴设备获取列车的速度信号/位置信号。
具体地，通过设置于受电弓气路上的电磁减压阀使气囊气压可调。
具体地，所述步骤(2)中配合电流信号反馈实时调节气囊气压的过程为：
(a)将受电弓所能承载的电流大小由0开始划分为若干个区间，每个区间对应一个特定的气囊气压预设值，以此对应特定的静态升弓力；
(b)通过速度信号判断列车的当前速度是否为0，若为0，则将气囊气压的值调节为一标准值，否则进行下一步；
(c)根据获取到的电流信号判定该电流信号的大小所属的区间，将气囊气压的值调节为该区间所对应的特定气囊气压预设值。
具体地，所述划分的区间、标准值和气囊气压预设值根据受电弓型号及列车运行情况综合预先确定。
本发明的另一目的在于提供一种实现上述基于取流反馈的受电弓主动控制方法的控制装置，包括与受电弓连接的主线缆和气囊，通过气路为气囊供气的供气源，以及设置于气囊与供气源之间的气路上的气路控制箱，用于采集主线缆上通过电流的电流传感器，设置于轨道车轮上的计轴器，用于获取电流传感器和计轴器数据的采集卡，接收采集卡所获取的数据并对受电弓状态进行判定的控制模块，接收控制模块的输出信号的驱动器，以及设置于供气源与气路控制箱之间的气路上并受驱动器控制的电磁减压阀；
其中，所述气路控制箱主要包括在电磁减压阀和气囊之间的气路上依次设置的过滤器、安全阀和第一单向节流阀，与安全阀和气囊之间的气路并联设置的排气支路，以及设置于排气支路上的第二单向节流阀，所述第一与第二单向节流阀的方向相反。
作为优选，所述电流传感器为套置于主线缆上的霍尔电流传感器。
作为优选，所述电磁减压阀设置于所述气路对应受电弓的非高电压部分。
具体地，所述供气源包括与气路控制箱的气路连接的空压机，设置于空压机与气路控制箱之间的气路上的电磁换向阀，以及与电磁换向阀连接的备用气源。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明将原有气路控制箱内无法实时调整的定压减压阀替换为在非高电压部分设置的可控的电磁减压阀，使气囊气压可实时调整，结合在受电弓主线缆上设置的电流传感器，通过电流大小反馈控制受电弓的升弓力，有效减少了加速区段弓网***燃弧率，从而达到减小受电弓滑板和接触线的电气磨耗的目的，并且本发明构思新颖，设计巧妙，结构相对简单，易于实现，在受电弓控制技术领域具有广泛的应用基础，适合推广应用。
(2)本发明通过计轴设备辅助判定列车当前所处的区段，进而确定当前的受电弓电流变化是否处于列车加速容易产生电气磨损的阶段，提高了对受电弓主动控制的准确性，使其在加速和制动阶段通过增加升弓力来有效减少电气磨损，同时也是基于对所处区段的判定，当列车进入高速状态的惰性区段时，根据电流取流量减少的反馈，适时减小气囊气压，来减轻该区段中受电弓滑板与接触线的机械磨耗，从而从整体上降低受电弓滑板与接触线的磨耗，提高受电弓对应部分的使用寿命。
(3)本发明按电流的最大变化范围将受电弓的取流量划分为多个区间，预先设定每个区间对应的气囊气压值，在检测到受电弓取流量后可直接将气囊气压调节到预设值，达到了简化控制过程的目的。
附图说明
图1为现有技术中受电弓及其控制部分的结构示意图。
图2为现有技术中受电弓的气路控制箱的结构示意图。
图3为本发明的结构框图。
图4为本发明中的气路控制箱的结构示意图。
图5为本发明在受电弓上的设置示意图。
图6为本发明中调节气囊气压的流程框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的实施方式包括但不限于下列实施例。
如图1和2所示，现有技术的弓网***中受电弓依靠气囊控制受电弓的升降，通过气路控制箱来控制气囊的气压，进而控制受电弓升弓力的大小。在原有的气路控制箱中，具有定压减压阀15、过滤器、安全阀和单向节流阀，通过定压减压阀来对气囊气压进行调整，正常过程是在列车检修时对受电弓的定压减压阀调整好，在列车运行过程中定压减压阀则不可调。也就是说，现有技术中是通过定压减压阀对受电弓气囊预先设定了气压值，使列车的整个过程中都保持同一气囊气压，从而使受电弓的升弓力维持在一固定值。根据发明人对受电弓磨损状态的研究发现，由于受电弓在不同区段的取流量不同，在取流量大的区段如加速区段、制动区段等，弓网接触点的载流量会相应上升，使燃弧率大大增加，从而大大增加了受电弓滑板与接触线的电气磨耗，严重影响受电弓滑板的使用寿命。据统计数据，常规的受电弓滑板的实际实用寿命只有期望值的一半。基于此，发明人从受电弓电流对受电弓磨耗影响的方向进行了研究及改进，提出了本发明的解决方案。
实施例
如图3至图6所示，该基于取流反馈的受电弓主动控制方法，包括如下步骤：
(1)通过设置于受电弓主线缆上的电流传感器获取受电弓的电流信号，并通过计轴设备获取列车的速度信号/位置信号；
(2)根据列车的速度信号/位置信号判断列车所在区段，配合电流信号反馈实时调节气囊气压，改变受电弓的升弓力，以减小弓网接触点燃弧率；
其中，当列车处于加速区段时，电流信号增大，调节气囊气压升高，增加受电弓的升弓力；当列车处于惰性区段时，电流信号减小，调节气囊气压降低，减少受电弓的升弓力；当列车处于制动区段时，电流信号增大，调节气囊气压升高，增加受电弓的升弓力。
具体地，通过设置于受电弓气路上的电磁减压阀使气囊气压可调。
具体地，所述步骤(2)中配合电流信号反馈实时调节气囊气压的过程为：
(a)将受电弓所能承载的电流大小由0开始划分为若干个区间，每个区间对应一个特定的气囊气压预设值，以此对应特定的静态升弓力；
(b)通过速度信号判断列车的当前速度是否为0，若为0，则将气囊气压的值调节为一标准值，否则进行下一步；
(c)根据获取到的电流信号判定该电流信号的大小所属的区间，将气囊气压的值调节为该区间所对应的特定气囊气压预设值。如下表所示。
其中，i为当前电流信号大小，I1、I2、I3、I4等为区间节点。
具体地，所述划分的区间、标准值和气囊气压预设值根据受电弓型号及列车运行情况综合预先确定。该方法中可采用开环控制。
进一步地，实现上述基于取流反馈的受电弓主动控制方法的控制装置，包括与受电弓1连接的主线缆2和气囊3，通过气路为气囊供气的供气源14，以及设置于气囊与供气源之间的气路上的气路控制箱13，用于采集主线缆上通过电流的电流传感器4，设置于轨道车轮上的计轴器，用于获取电流传感器和计轴器数据的采集卡，接收采集卡所获取的数据并对受电弓状态进行判定的控制模块，接收控制模块的输出信号的驱动器，以及设置于供气源与气路控制箱之间的气路上并受驱动器控制的电磁减压阀5。
其中，所述气路控制箱主要包括在电磁减压阀和气囊之间的气路上依次设置的过滤器6、安全阀7和第一单向节流阀8，与安全阀和气囊之间的气路并联设置的排气支路，以及设置于排气支路上的第二单向节流阀9，所述第一与第二单向节流阀的方向相反。具体地，所述供气源包括与气路控制箱的气路连接的空压机11，设置于空压机与气路控制箱之间的气路上的电磁换向阀10，以及与电磁换向阀连接的备用气源12。
作为优选，所述电流传感器为套置于主线缆上的霍尔电流传感器。所述采集卡依照电流传感器的输出选择。所述驱动器依照控制模块输出电压与电磁减压阀需要的电压配置。所述控制模块可采用现有的PLC控制器或单片机控制器。所述电磁减压阀设置于所述气路对应受电弓的非高电压部分。进一步地，所述控制模块可配置为独立的控制器件，也可集成于列车的控制***上。
上述实施例仅为本发明的优选实施例，并非对本发明保护范围的限制，但凡采用本发明的设计原理，以及在此基础上进行非创造性劳动而作出的变化，均应属于本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于取流反馈的受电弓主动控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)通过设置于受电弓主线缆上的电流传感器获取受电弓的电流信号，并获取列车的速度信号/位置信号；
(2)根据列车的速度信号/位置信号判断列车所在区段，配合电流信号反馈实时调节气囊气压，改变受电弓的升弓力，以减小弓网接触点燃弧率；
其中，当列车处于加速区段时，电流信号增大，调节气囊气压升高，增加受电弓的升弓力；当列车处于惰性区段时，电流信号减小，调节气囊气压降低，减少受电弓的升弓力；当列车处于制动区段时，电流信号增大，调节气囊气压升高，增加受电弓的升弓力。
2.根据权利要求1所述的基于取流反馈的受电弓主动控制方法，其特征在于，通过计轴设备获取列车的速度信号/位置信号。
3.根据权利要求1任一项所述的基于取流反馈的受电弓主动控制方法，其特征在于，通过设置于受电弓气路上的电磁减压阀使气囊气压可调。
4.根据权利要求1～3任一项所述的基于取流反馈的受电弓主动控制方法，其特征在于，所述步骤(2)中配合电流信号反馈实时调节气囊气压的过程为：
(a)将受电弓所能承载的电流大小由0开始划分为若干个区间，每个区间对应一个特定的气囊气压预设值，以此对应特定的静态升弓力；
(b)通过速度信号判断列车的当前速度是否为0，若为0，则将气囊气压的值调节为一标准值，否则进行下一步；
(c)根据获取到的电流信号判定该电流信号的大小所属的区间，将气囊气压的值调节为该区间所对应的特定气囊气压预设值。
5.根据权利要求4所述的种基于取流反馈的受电弓主动控制方法，其特征在于，所述划分的区间、标准值和气囊气压预设值根据受电弓型号及列车运行情况综合预先确定。
6.实现如权利要求1～5任一项所述的基于取流反馈的受电弓主动控制方法的控制装置，包括与受电弓连接的主线缆和气囊，通过气路为气囊供气的供气源，以及设置于气囊与供气源之间的气路上的气路控制箱，其特征在于，还包括用于采集主线缆上通过电流的电流传感器，设置于轨道车轮上的计轴器，用于获取电流传感器和计轴器数据的采集卡，接收采集卡所获取的数据并对受电弓状态进行判定的控制模块，接收控制模块的输出信号的驱动器，以及设置于供气源与气路控制箱之间的气路上并受驱动器控制的电磁减压阀；
其中，所述气路控制箱主要包括在电磁减压阀和气囊之间的气路上依次设置的过滤器、安全阀和第一单向节流阀，与安全阀和气囊之间的气路并联设置的排气支路，以及设置于排气支路上的第二单向节流阀，所述第一与第二单向节流阀的方向相反。
7.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述电流传感器为套置于主线缆上的霍尔电流传感器。
8.根据权利要求6所述的控制装置，其特征在于，所述电磁减压阀设置于所述气路对应受电弓的非高电压部分。
9.根据权利要求6～8任一项所述的控制装置，其特征在于，所述供气源包括与气路控制箱的气路连接的空压机，设置于空压机与气路控制箱之间的气路上的电磁换向阀，以及与电磁换向阀连接的备用气源。
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