转辙器加热系统的开环和闭环控制方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于转辙器加热系统(1)的开环/闭环控制的方法和装置，其包括位于至少一个转辙器(3)上的至少一个加热装置(14)，位于至少一个转辙器(3)上的至少一个点温度传感器(28)，至少一个功率分配器，其具有用于每个转辙器(3)的至少一个热出口和用于转辙器温度的开环/闭环的至少一个控制装置。具体地，形成用于所述至少一个转辙器(3)的所述左侧(5)和/或用于所述至少一个转辙器(3)的所述右侧(6)的所述至少一个转辙器片的热网(26、27)，所述热网(26、27)包括发热元件、传热元件和蓄热器(32)，以及将所述至少一个转辙器片的各个部分的对应的至少第一节点(K)分配给至少一个评估点(37、38、39、40、41、42、43)。43)。43)。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】转辙器加热系统的开环和闭环控制方法和装置


[0001]本专利技术涉及一种用于转辙器加热系统的开环和闭环控制方法和装置，特别是随天气条件、轨道剖面和可移动尖轨位置的变化，通过计算和评估冬季转辙器尖端和转辙器末端之间至少一个转辙器片上转辙器的功能相关点的实际转辙器温度。

技术介绍

[0002]铁路(标准轨距铁路、窄轨铁路)或有轨电车等有轨车辆的轨道元件，特别是转辙器，根据需要采用转辙器加热系统进行加热，特别是在冬季，以防止运动部件被冰雪冻结或阻塞，从而确保运行安全。已知的转辙器加热系统基于热水蒸汽、燃气加热或电能。
[0003]冬季，转辙器加热用于融化转辙器轨道之间的积雪，防止活动尖轨冻结到固定的基本轨和滑床板(slide
‑
chair plate)上，并防止积雪在轨道之间被压缩。为此，在转辙器的固定基本轨上设置有比功率输出(例如每米轨道330瓦)的加热装置，并且根据天气情况，由气象站启动加热，因此，使用带有滞后(hysteresis)的开/关控制器，加热转辙器的转辙器温度传感器位置的基本轨，直到达到转辙器设定点温度。
[0004]传统上，这些转辙器加热系统通过中央转辙器处的转辙器温度传感器进行控制，由于转辙器的功能，所述传感器布置在基本轨脚的下表面上。这样做的缺点是，在操作过程中，只有在转辙器温度传感器所在的位置，转辙器温度才会与转辙器设定点温度相对应，而在转辙器的其余部分，温度不足和温度过高都可能发生，从而根据天气条件和尖轨的位置(尖轨可能接触或不接触基本轨)，导致转辙器冻结并因此发生故障，或导致能量消耗过高。
[0005]如果有加热请求，传统的转辙器加热系统将以100％的比功率打开，一旦达到转辙器设定点温度，将关闭，直到达到实际转辙器温度的滞后，然后再次打开。这导致在加热模式下功率峰值介于零和最大值之间，并且在右侧和左侧的基本轨、尖轨和滑床板以及整个转辙器长度上存在显著的温差。当使用最先进的系统时，在冬季，特别是在有风、低环境温度和大雪的极端天气条件下，转辙器在自动模式下不可能安全可靠地运行。
[0006]现有技术的加热装置布置在转辙器左侧和右侧的固定基本轨上，位于轨脚上，设计为在转辙器的整个长度上提供每米330W的比功率。通过设置有加热装置的基本轨的位置的热传导或热辐射来影响到转辙器的尖轨和滑床板的热传递。在操作过程中，根据环境条件和转辙器位置，转辙器左侧和右侧的基本轨和尖轨会达到不同的实际温度，即，非接触或接触尖轨，以及在滑床板上。因此，在低环境温度、极端天气条件和/或风的情况下，会出现相当大的加热不足，因此尽管加热，转辙器的功能相关点仍不会达到零度或正转辙器温度，并且这些点的雪不会融化。在这种情况下，当设置转辙器时，雪被压在轨道之间，即，在尖轨和基本轨之间，尖轨在设置时不能再到达末端位置或被冻结，不能再更换转辙器。
[0007]使用电流场和热流场之间的类比(参见表1)，可以借助电气工程中众所周知的网络来计算发热过程、传热过程和蓄热过程。热网中的非线性过程需要基于计算机的迭代求解方法
[1]。
[0008][0009]表1：热流场和电流场之间的类比
[0010]在热网中，热源、热阻、热容和固定温度都会出现。其代表热的发热、传热、蓄热和热条件。导体和封装中产生的功率P通过辐射和对流以及沿着导体路径或管囊的热传导传递到环境中。取决于热阻R
th
和功率P，将产生超温Δθ。
[0011]热传递
[0012]在电工系统中，电能通过辐射、热传导和对流传递。
[0013]辐射
[2][0014]使用斯蒂芬
‑
波尔兹曼定律(Stefan
‑
Boltzmann)定律，以O
S
为辐射体表面，C
S
＝5,67W/m2K4为黑体辐射系数，计算1、2两个物体之间交换的辐射能量。
[0015][0016]其中包封物体(2，包裹1)的所得发射率ε
12
是由几何因素引起的：
[0017][0018]热传导
[2][0019]根据傅立叶热传导定律(Fourier's law of heat conduction)，在没有附加热源的情况下，稳态时传热功率P
L
随温度的空间变化呈线性变化。比例因子称为导热系数λ。区段长度L和区段面积A对传热功率有显著影响。在均匀的一维热流场中，由传导产生的热功率可以简化如下。
[0020][0021]对流
[3]、4]、[5][0022]利用冷却介质的材料性质、流向其它介质的流量和传热、排列和温度区之间的关系，计算了对流产生的热能。为此，形成无量纲相似数，
[0023]雷诺数(Reynolds number)(摘自强制对流)
[0024]格拉肖夫数(Grashof number)(摘自自由对流)
[0025]努塞尔数(Nusselt number)(摘自热传递)
[0026]普朗特数(Prandtl number)(摘自流动介质)
[0027]其中v为流速，v为粘度，β为体积膨胀系数，g为重力加速度，cp为比功率，δ为密度。
[0028]利用努赛尔数、普朗特数和雷诺数建立对流传热系数K和流速v之间的关系：
[0029]α
K
＝f(Nu)＝f(Re,Gr,Pr)
[0030]借助牛顿热定律
[0031]P
K
＝α
K
O
K
Δ
θ
[0032]计算了对流传输的功率。
[0033]所述进程(process)可以作为热网温度的函数进行迭代计算。
[0034]热功率
[0035]由于欧姆电阻，所有载流区段都会发热。工作电流导致电流热损失和管囊间的感应损失(滞后、感应和涡流损失)。
[0036]电流热损失
[0037]如果电流I1流过设备，导体的材料特性会对电流产生电阻。在此过程中转换的功率可以用
[0038][0039]和
[0040]进行计算。
[0041]电阻R
lsi
取决于导体p的横截面积A和比电阻、区段长度I、电流类型(集肤效应(skin effect)系数k)
[5]和导体超温Δθ
[6])。
[0042]热容量
[0043]导体截面的热容量包含在量热方程
[0044]Q
c
＝CΔθ中。
[0045]通过推导，这个方程可以被转换来计算功率。
[0046]热功率C的计算公式为
[0047]C＝cm＝cδV
[0048]其中V是体积，δ是密度，C是比热功率。
[0049]因此，从现有技术中已知的方法和装置通常在技术安装和维护要求方面非常苛刻，同时对轨道元件的基本功能部件提供不均匀和/或不充分的加热。因此，有必要在不进一步增加技术支出的情况下消本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种转辙器加热系统(1)的开环和闭环控制方法，其中所述转辙器加热系统(1)包括：设置在至少一个转辙器(3)上的至少一个加热装置(14)、至少一个转辙器(3)上的至少一个转辙器温度传感器(28)、每个转辙器(3)具备至少一个热出口的至少一个配电盘，以及用于转辙器温度的开环和闭环控制的至少一个控制装置，所述方法包括以下步骤：a)为所述至少一个转辙器(3)的左侧(5)和/或为所述至少一个转辙器(3)的右侧(6)限定至少一个具有特定长度的转辙器片，所述至少一个转辙器(3)的所述转辙器片具有基本轨(7)、尖轨(8)、滑床板(9)和至少一个加热装置(14)，并将所述至少一个转辙器片分成单独的部分，每个部分具有至少一个第一节点，所述第一节点对应于冬季所述至少一个转辙器(3)的所述转辙器片的至少一个功能相关点(19)，所述功能相关点(19)具有至少一个评估点(37、38、39、40、41、42、43)，其中，所述至少一个转辙器片在热力学上表示所述至少一个转辙器(3)，其中，所述至少一个转辙器片设置在所述至少一个转辙器温度传感器(15、18)附近，b)形成用于所述至少一个转辙器(3)的所述左侧(5)和/或用于所述至少一个转辙器(3)的所述右侧(6)的所述至少一个转辙器片的热网(26、27)，所述热网(26、27)包括发热元件、传热元件和蓄热器(32)，以及将所述至少一个转辙器片的各个部分的对应的至少第一节点(K)分配给至少一个评估点(37、38、39、40、41、42、43)，其中各个部分的所有节点(K)通过网格连接到热网(26、27)，使得所有有符号温度的差为零，c)通过根据节点规则的功率平衡，计算所述至少一个转辙器片的最佳比功率(P
op
)的时间进程和所述至少一个转辙器片上的所述转辙器加热系统(1)的所述至少一个第一节点处的相应最佳转辙器温度，并且在操作中，通过所述加热装置(14)的实际比功率(对应于最大比功率)和功率比(所述功率比在所述实际比功率的25％和100％之间变化)的乘积，在所述相关加热装置(14)处激活所述最佳比功率，d)使用所述至少一个转辙器温度传感器(28)记录所述至少一个转辙器片处的所述实际转辙器温度的所述时间进程，并且如果所述计算的转辙器温度高于所述实际转辙器温度，则通过对流热功率校正所述至少一个转辙器片的所述至少一个第一节点处的所计算的转辙器温度，或者如果所述计算的转辙器温度低于所述实际转辙器温度，则通过热网的辐射热功率校正所述至少一个转辙器片的所述至少一个第一节点处的所计算的转辙器温度，e)计算所述至少一个转辙器片的至少一个第二节点的转辙器末端温度，并将所述计算出的转辙器末端温度与所述至少一个第二节点的参数化转辙器最低温度进行比较，其中，如果未达到所述转辙器(3)的所述最低转辙器温度，则可参数化的转辙器设定点温度将增加转辙器设定点温度校正系数，直到所述转辙器(3)的所述相应计算转辙器末端温度至少对应于所述转辙器(3)的所述转辙器最低温度，f)计算用于将所述至少一个转辙器片加热到所述转辙器(3)的所述可参数化设定点温度的加热时间，并评估在可参数化转辙器设定点温度下计算的加热时间，其中不足导致所述最佳比功率增大，过高导致所述最佳比功率减小，g)计算将所述至少一个转辙器片加热到所述转辙器(3)的所述可参数化转辙器最低温度所需的加热时间，并根据降雪的维持功率和融化功率评估所需的比功率，此时所述比功率(P)处于所述可参数化转辙器最低温度温度，
其中不足导致所述最佳比功率增加或产生信息，说明降雪量过大且不会融化。2.根据权利要求1所述的方法，在通过加热请求进行操作之前，还包括以下步骤：h)根据单位时间内报告的积雪深度，计算出加热期间转辙器片积雪量的比融化功率，计算维持所述转辙器片融化温度所需的比维持功率，并将其总和与所述加热装置(14)的所述实际比功率进行比较，如果所述加热装置(14)的所述实际比功率较低，则使用第二转辙器设定点温度激活所述转辙器加热系统(1)，所述第二转辙器设定点温度足够高，使得所述加热装置(14)在操作期间的所述比功率至少等于所述比融化功率和所述维持功率之和。3.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述发热元件检测所述至少一个加热装置(29)的所述比功率，所述至少一个加热装置(29)具有所述转辙器片的蓄热器和通过热辐射发生的传热，和/或所述传热元件检测所述转辙器(3)处的热阻，所述热阻是由所述至少一个转辙器片处的材料特性、几何参数和来自传热和环境的预先存在的负载产生的。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中在步骤f)中加热所述至少一个转辙器片的所述加热时间可以优选地根据所述至少一个转辙器片的加热、雪的融化和其上的水的蒸发的单独加热时间的总和来计算，和/或所述加热时间可以通过增加功率比和/或从闭环操作切换到连续操作来增加，和/或通过降低所述功率比来减少。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，还包括以下步骤，在主动加热的情况下i)计算可参数化时间段内降雪的融化功率，并将此融化功率与所述比功率和计算的维护功率之差进行比较；如果所述比功率不足，功率将增加和/或所述系统将开始持续加热和/或将发出第一条警告消息，和/或j)将所述计算的加热时间与可参数化的最大加热时间进行比较；如果所述比功率不足，将增加所述功率和/或所述系统将开始持续加热和/或将发出第二条警告消息，和/或k)根据单位时间内降雪深度和融化雪深度之间的差计算雪深，并将所述计算出的雪深与可参数化的最大允许雪深进行比较；如果所述比功率不足，所述功率将增加和/或所述系统将开始持续加热和/或将发出第三条警告消息。6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中对步骤f)中的所述加热时间的计算包括以下步骤：f1)根据具有最佳或实际比功率的转辙器(3)的转辙器温度的时间曲线计算所述至少一个转辙器片的停滞时间，f2)计算用于将所述至少一个转辙器片从所述转辙器(3)的冷轨的转辙器温度和所述融化温度加热直至所述转辙器最低温度达到至少一个节点的...

【专利技术属性】
技术研发人员：沃尔夫冈，
申请(专利权)人：艾安电子开关设备有限公司，
类型：发明
国别省市：