Регулятор температуры обмоток тяговых электрических машин транспортного средства

Использование: для поддержания температуры обмоток тяговых электрических машин на рациональных уровнях. Техническим результатом является надежное, устойчивое поддержание допустимых значений температуры независимо от изменения нагрузочных токов и температуры охлаждающего воздуха. Регулятор температуры обмоток тяговых электрических машин транспортного средства содержит осевой вентилятор с механическим приводом от вала силовой установки, имеющей контроллер, или зависимым от скорости вращения вала силовой установки электрическим приводом рабочего колеса. Рабочее колесо вентилятора имеет поворотные лопатки и механизм поворота лопаток с приводом. Регулятор содержит также датчики тока и напряжения тягового электродвигателя, скорости вращения его вала, температуры и подачи охлаждающего воздуха, скорости вращения вала и угла поворота лопаток рабочего колеса вентилятора и микропроцессорную систему управления. Микропроцессорная система управления содержит блоки с математической моделью работы вентилятора. Блок с математической моделью работы вентилятора содержит первый, второй и третий блоки вычислений, первый, второй, третий и четвертый блоки сравнения, блок формирования сигнала основного управляющего воздействия и таймер. Наряду с основным управляющим воздействием регулятор формирует сигнал дополнительного управляющего воздействия, ограничивающего напряжение возбуждения тягового генератора. 4 ил.

 

При движении транспортного средства процесс преобразования энергии в тяговых электрических машинах (тяговом генераторе и тяговых электродвигателях) сопровождается выделением тепловой энергии, следствием чего является нагревание их обмоток. Известно, что в системах охлаждения тяговых электрических машин тепловозов подача вентиляторов охлаждения, имеющих механический привод от вала силовой установки или электрический привод от тягового генератора (ротор которого также приводится во вращение от вала силовой установки), является функцией только скорости вращения вала n_дг силовой установки (дизель-генератора), определяемой положением рукоятки контроллера машиниста [1], и не связана ни с температурой обмоток тяговых электрических машин, ни с их токовой нагрузкой, ни с температурой охлаждающего воздуха. Известно, что отсутствие этой связи приводит к тому, что в условиях эксплуатации температура обмоток тяговых электрических машин может изменяться в широких пределах и что для снижения затрат (расхода дизельного топлива или электроэнергии) на привод вентиляторов и повышения надежности тяговых электрических машин необходимо устойчиво поддерживать температуру обмоток на рациональных уровнях независимо от изменения нагрузочных токов и температуры охлаждающего воздуха [2, 3].

Известно, что в условиях эксплуатации тепловозов режимы работы на низких и средних положениях рукоятки контроллера машиниста, характеризующиеся широким диапазоном изменения нагрузочных токов при величине подачи охлаждающего воздуха, составляющей 64-73% от номинальной, являются наиболее тяжелыми по условиям нагревания обмоток тяговых электродвигателей [4], при этом локальные значения температуры якорных обмоток могут превышать установленные допустимые значения.

Известно устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины, содержащее вентилятор с управляемым приводом, датчики тока и напряжения электрической машины, падения напряжения на контролируемой обмотке, скорости вращения вала вентилятора, температуры охлаждающего воздуха, блок деления, блок умножения, блок вычисления температуры обмотки в горячем состоянии, блок вычислений с математической моделью функционирования автоматической системы регулирования температуры электрической машины и блок перехода [5].

Известно устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока, содержащее вентилятор с управляемым приводом, датчики температуры охлаждающего воздуха, падения напряжения на обмотках главных и добавочных полюсов электрической машины, скорости вращения ее вала, тока и напряжения электрической машины, скорости вращения вала вентилятора, блоки расчета омического сопротивления обмоток главных и добавочных полюсов, блок расчета средней температуры этих обмоток, блок расчета мощности электрической машины, а также блок вычислений с математической моделью тяговой электрической машины как теплового объекта [6].

Известен осевой вентилятор с поворотными лопатками как исполнительно-регулирующее устройство для автоматических систем регулирования температуры, имеющий механический привод от вала силовой установки [7] или электрический привод от тягового генератора [8], подача которого определяется величиной скорости вращения n_в вала рабочего колеса вентилятора, пропорциональной n_дг, и величиной угла α _в поворота лопаток рабочего колеса, и может автоматически изменяться в широких пределах путем изменения α _в, при этом КПД вентилятора изменяется незначительно. Недостатком этого исполнительно-регулирующего устройства является то, что при работе тепловоза на низких и средних положениях рукоятки контроллера машиниста количество подаваемого охлаждающего воздуха может оказаться недостаточным даже при максимальной величине α _в. В эксплуатационных условиях тепловозов, особенно маневровых, характеризующихся частым изменением положения рукоятки контролера машиниста, известное исполнительно-регулирующее устройство работает в переходных режимах. Кроме того, любое изменение положения рукоятки контроллера машиниста будет вносить дополнительное возмущение в систему регулирования температуры [9].

Известно исполнительно-регулирующее устройство для автоматических систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин, содержащее осевой вентилятор с независимым от n_дг управляемым приводом, механизм поворота лопаток рабочего колеса вентилятора с приводом и систему управления с математической моделью работы вентилятора, реализующей оптимальный выбор параметров n_в и α _в, обеспечивающий наиболее экономичный режим работы вентилятора во всем диапазоне изменения подачи охлаждающего воздуха [10].

Известно, что любой автоматический регулятор содержит две основные соединенные последовательно функциональные части: управляющий орган и исполнительно-регулирующее устройство. В свою очередь, исполнительно-регулирующее устройство тоже содержит две функциональные части: исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО) [11].

Предлагаемый регулятор температуры обмоток тяговых электрических машин транспортного средства (см. фиг.1) содержит осевой вентилятор с механическим приводом рабочего колеса от вала силовой установки (дизель-генератора ДГ), скорость вращения которого определяется величиной n_дг, зависящей от положения Пк контроллера машиниста (КМ), или зависимым от n_дг электрическим приводом. Рабочее колесо вентилятора выполняет функции первого регулирующего органа (РО1), механический привод - функции первого исполнительного механизма (ИМ1). Рабочее колесо осевого вентилятора имеет поворотные лопатки и механизм поворота лопаток с приводом. Поворотные лопатки выполняют функции второго регулирующего органа (РО2), а механизм поворота лопаток с приводом - функции второго исполнительного механизма (ИМ2). Подача охлаждающего воздуха G_вз имеет две составляющие: составляющую G

n

вз

, зависящую от n_в, (сигнала задания η _з) и составляющую Gα _вз, зависящую от α _в. Регулятор температуры содержит также третий исполнительный механизм (ИМ3) и третий регулирующий орган (РО3), предназначенные для изменения напряжения возбуждения U_в тягового генератора (а следовательно, напряжения на тяговом электродвигателе U_д), микропроцессорную систему управления (МСУ), датчики тока I_д и напряжения U_д тягового электродвигателя, скорости вращения вала тягового электродвигателя n_д, температуры t_вз и подачи G_вз охлаждающего воздуха, угла α _в поворота лопаток и скорости вращения n_в вала рабочего колеса и монитор (М) для визуального представления информации (включая информацию β о нештатной работе элементов регулятора). Микропроцессорная система управления (см. фиг.2) содержит блок с математической моделью ММ1 тяговой электрической машины как теплового объекта, позволяющей рассчитать температуру наиболее нагретых частей как неподвижных обмоток, так и вращающейся якорной обмотки тягового электродвигателя по измеренным значениям I_д, U_д, n_д, t_вз и G_вз и определить сигнал рассогласования у_t, с использованием заданного значения температуры t³, а также блок с математической моделью ММ2, позволяющей рассчитать величину управляющих воздействий γ ₁ и γ ₂ по измеренным значениям α _в, n_в, G_вз и величинам γ _t и Пк. Блок с математической моделью ММ2 (см. фиг.3) содержит: первый блок вычислений (БВ1), где рассчитывают величину G

р

вз

требуемой подачи охлаждающего воздуха; второй блок вычислений (БВ2), где рассчитывают величину n

р

в

скорости вращения вала рабочего колеса вентилятора, определяемой Пк; третий блок вычислений (БВ3), где рассчитывают величину α

р

в

угла поворота лопаток рабочего колеса вентилятора, соответствующую требуемой подаче охлаждающего воздуха G

р

вз

при заданной величине n

р

в

; первый блок сравнения БС1, где сравнивают рассчитанные и измеренные значения α _в; второй блок сравнения БС2 и таймер Т, необходимые для сравнения скорости изменения Пк во времени и реально возможной скорости изменения величины α _в, определяемой инерционностью привода механизма поворота лопаток рабочего колеса вентилятора; третий блок сравнения БС3, где сравнивают рассчитанные и измеренные значения n_в, блок БФ формирования управляющего воздействия γ ₁; четвертый блок сравнения, где сравнивают рассчитанные и измеренные значения G_вз и определяют величину управляющего воздействия γ ₂. Рассчитанное значение α _в имеет две составляющие (см. фиг.4): составляющую α

р

n

, рассчитываемую в блоке БВ3.1, которая должна изменяться каждый раз при любом изменении Пк (а следовательно, и n

р

в

) и составляющую α

p

t

, рассчитываемую в блоке БВ3.2, которая изменяется вместе с изменением γ _t (а следовательно, и G

р

вз

).

Регулятор работает следующим образом. Средние и максимальные локальные значения температуры как неподвижных обмоток, так и вращающейся якорной обмотки тягового электродвигателя рассчитываются в блоке, содержащем математическую модель ММ1 (фиг.2). Выходной сигнал этого блока γ _t, представляющий собой разность между рассчитанным и заданным t³ значениями максимальной локальной температуры обмоток тягового электродвигателя (сигнал рассогласования), подается на вход блока, содержащего математическую модель ММ2 (фиг.3). При γ _t≤0 подача охлаждающего воздуха G

р

вз

=0, а следовательно, и α

р

в

=0 для любого положения рукоятки контроллера машиниста Пк (для любого n

р

в

). При увеличении температуры обмоток и выполнении условия γ _t>0 становится больше нуля G

р

вз

и составляющая α

p

t

на выходе блока БВ3.2 (фиг.4), а значит, и α

р

в

. Увеличение α

р

в

будет происходить до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим. При неизменном Пк сохраняется неизменной величина n

р

в

(фиг.3) и составляющая α

p

n

(рис.4). Если при неизменном G

р

вз

изменяется Пк, то с изменением n

p

в

изменяется только составляющая α

p

n

. При одновременном изменении Пк и G

р

вз

будут одновременно изменяться составляющие α

p

n

и α

p

t

. Программой предусмотрено сравнение рассчитанного α

р

в

и измеренного α

и

в

значений угла поворота лопаток рабочего колеса вентилятора, которое проводится в блоке БС1 (фиг.3). Если эта разность находится в допустимых пределах, то сигнал (α

р

в

-α

и

в

) с выхода блока БС1 подается на вход блока БФ. В блоке БС2 происходит сравнение скорости изменения Пк во времени с установленной предельной скоростью. С выхода этого блока на вход блока БФ подается сигнал γ τ . В соответствии с этими двумя сигналами в блоке БФ формируется сигнал управляющего воздействия γ ₁, который передается далее на ИМ2 и РО2 (фиг.1). В блоке БС3 проводят сравнение рассчитанного n

р

в

и измеренного n

и

в

значений скорости вращения вала рабочего колеса вентилятора, а в блоке БС4 - рассчитанного G

р

вз

и измеренного G

и

вз

значений подачи охлаждающего воздуха. Если разность (G

р

вз

-G

и

вз

) выходит за пределы установленных пределов (что возможно при работе тепловоза на низких и средних положениях рукоятки контроллера машиниста и нагрузочных токах тяговых электродвигателей, близких к номинальному), то с выхода блока БС4 (фиг.3) подается на вход ИМ3 (фиг.1) сигнал управляющего воздействия γ ₂. Это приведет к уменьшению напряжения возбуждения тягового генератора, к снижению напряжения на тяговом генераторе и тяговых электродвигателях и, как следствие, к снижению температуры их обмоток. Если разность (G

р

вз

-G

и

вз

) не выходит за пределы установленных пределов, то сигнал γ ₂=0 и система возбуждения тягового генератора работает как обычно.

Источники информации

1. Куликов Ю.А. Системы охлаждения силовых установок тепловозов. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 с.

2. Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988. - 272 с.

3. Космодамианский А.С. Измерение и регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов: Монография. - РГОТУПС, 2002. - 285 с.

4. Логинова Е.Ю. Совершенствование методов анализа теплового состояния тяговых электродвигателей тепловозов и характеристик их систем охлаждения: Автореферат дис... докт. техн. наук. - М., 2000. - 48 с.

5. Патент РФ 2121209. Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины / А.С.Космодамианский, Н.М.Луков. - Опубл. в Б.И. 1998, № 30, Кл. 6 Н 02 К 9/04.

6. Патент РФ 2177669. Устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока / А.С.Космодамианский, Н.М.Луков, Попов В.М. - Опубл. в Б.И. 2001, № 36, Кл.7 Н 02 К 9/04.

7. Н.М.Луков, А.С.Космодамианский, В.М.Попов. Исполнительно-регулирующие устройства для АСРТ тягового электрооборудования локомотивов // Сб. научн. трудов по материалам научно-методич. конфер. РГОТУПС “Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта”, М., 2000. - ч.I. - С.72-74.

8. А.с. 544050 (СССР). Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины / Цурган О.В., Петрожицкий А.А., Петраков В.А., Комаров Г.А., Луков Н.М. - Опубл. в Б.И., 1977, № 3, Кл. Н 02 К 9/04.

9. Космодамианский А.С. Для систем охлаждения тяговых двигателей // Железнодорожный транспорт. 2002. № 8. - С.72-73.

10. Патент РФ 2201028. Исполнительно-регулирующее устройство для автоматических систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин / А.С.Космодамианский, Н.М.Луков, Алейников И.А. - Опубл. в Б.И. 2003, № 8, Кл. 7 Н 02 К 9/04, Н 02 Н 7/06.

11. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989. - 296 с.

Регулятор температуры обмоток тяговых электрических машин транспортного средства, содержащий осевой вентилятор, имеющий рабочее колесо с поворотными лопатками, с механическим приводом от вала силовой установки, имеющей контроллер, или зависимым от скорости вращения вала силовой установки электрическим приводом, механизм поворота лопаток с приводом, датчик тока, датчик напряжения тягового электродвигателя, датчик скорости вращения его вала, датчик температуры охлаждающего воздуха, датчик подачи охлаждающего воздуха, датчик скорости вращения вала рабочего колеса вентилятора и датчик угла поворота лопаток рабочего колеса вентилятора, отличающийся тем, что в него введена микропроцессорная система управления с блоком, содержащим математическую модель тяговой электрической машины как теплового объекта, и блоком, содержащим математическую модель работы вентилятора, причем сигналы с датчика тока, датчика напряжения тягового электродвигателя, датчика скорости вращения его вала, датчика температуры охлаждающего воздуха, датчика подачи охлаждающего воздуха поступают на вход блока, содержащего математическую модель тяговой электрической машины как теплового объекта, а сигналы с датчика скорости вращения вала рабочего колеса вентилятора и датчика угла поворота лопаток рабочего колеса вентилятора - на вход блока, содержащего математическую модель работы вентилятора, блок с математической моделью работы вентилятора содержит первый, второй и третий блоки вычислений, первый, второй, третий и четвертый блоки сравнения, блок формирования сигнала основного управляющего воздействия и таймер, а также тем, что наряду с основным управляющим воздействием регулятор формирует сигнал дополнительного управляющего воздействия, ограничивающего напряжение возбуждения тягового генератора, причем на вход первого блока вычислений подается сигнал, представляющий собой разность между рассчитанным и заданным значениями максимальной локальной температуры обмоток тягового электродвигателя с выхода блока с математической моделью тяговой электрической машины как теплового объекта, а с выхода первого блока вычислений подается сигнал, пропорциональный рассчитанному значению требуемой подачи охлаждающего воздуха, на вход третьего блока вычислений и четвертого блока сравнения, на входы второго блока вычислений и второго блока сравнения подается сигнал с контроллера, с выхода второго блока вычислений на входы третьего блока вычислений и третьего блока сравнения подается сигнал, пропорциональный рассчитанному значению скорости вращения вала рабочего колеса вентилятора, кроме того, на вход второго блока сравнения подается сигнал от таймера, а на вход третьего блока сравнения – сигнал с датчика, измеряющего скорость вращения вала рабочего колеса вентилятора, на входы первого блока сравнения подаются выходной сигнал третьего блока вычислений, пропорциональный рассчитанному значению угла поворота лопаток рабочего колеса вентилятора, и сигнал с датчика, измеряющего угол поворота лопаток рабочего колеса вентилятора, на входы блока формирования основного управляющего воздействия подаются сигнал, пропорциональный разности рассчитанного и измеренного значений угла поворота лопаток рабочего колеса вентилятора с выхода первого блока сравнения и сигнал с выхода второго блока сравнения, предназначенного для сравнения скорости изменения положения рукоятки контроллера во время с реально возможной скоростью изменения угла поворота лопаток рабочего колеса вентилятора, определяемой инерционностью привода механизма поворота лопаток, с выхода блока формирования основного управляющего воздействия подается сигнал на вход механизма поворота лопаток рабочего колеса вентилятора, а с выхода четвертого блока сравнения - сигнал дополнительного управляющего воздействия, ограничивающего напряжение возбуждения тягового генератора, если разница между рассчитанным и измеренным значениями подачи охлаждающего воздуха выходит за установленные пределы, причем на вход четвертого блока сравнения подается сигнал с датчика, измеряющего величину подачи охлаждающего воздуха, третий блок вычислений содержит блоки расчета составляющей угла поворота лопаток рабочего колеса со скоростью вращения его вала и составляющей угла поворота лопаток рабочего колеса по температуре обмоток тягового электродвигателя, на входы этих блоков подаются сигналы, пропорциональные рассчитанным значениям требуемой подачи охлаждающего воздуха и скорости вращения вала рабочего колеса вентилятора, а выходные сигналы суммируются.