УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2001 года по МПК H02K9/04 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к автоматическим системам контроля и регулирования температуры, а также защиты от перегрева электрических машин, например тяговых электрических машин локомотивов.

Известно электронное моделирующее устройство [1], по величине выходного сигнала которого автоматически ступенями изменяется подача мотор-вентиляторов в системе охлаждения тяговых электродвигателей электровозов. В основу его работы положена аналогия между динамическими процессами нагревания и остывания якорных обмоток электрических машин и процессами заряда и разряда конденсатора в R-C цепи. Недостатками системы, содержащей это устройство, является то, что вследствие ее разомкнутости (если рассматривать ее как автоматическую систему регулирования температуры, на вход исполнительно-регулирующего устройства подается выходной сигнал электронной модели, а не измеренное значение температуры обмоток тяговых электродвигателей), система имеет большую статическую неравномерность и повышенные затраты электроэнергии на функционирование.

Известна тяговая электрическая машина постоянного тока [2], содержащая якорь с обмоткой, магнитную систему с обмотками возбуждения и добавочных полюсов, датчик температуры охлаждающей среды, датчик падения напряжения на обмотке добавочных полюсов, датчик тока, блоки, выполняющие операции деления сигнала датчика падения напряжения на сигнал датчика тока и умножения сигналов этих датчиков, блок, выполняющий операцию суммирования сигналов от электрических датчиков и датчика температуры, электропривод вентилятора охлаждения.

Недостатком данного устройства является то, что при отключении напряжения питания тяговой электрической машины выходные сигналы блоков, выполняющих операции деления сигнала датчика падения напряжения на сигнал датчика тока и умножения этих сигналов, будут равны нулю и на вход блока суммирования подают только сигнал с датчика температуры охлаждающей среды, что автоматически приведет к уменьшению количества подаваемой охлаждающей среды. При этом количество охлаждающей среды может не соответствовать тому количеству теплоты, которое необходимо отводить от электрической машины для поддержания температуры ее обмоток в заданных пределах.

Известно также устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины [3], содержащее вентилятор с управляемым приводом, датчики напряжения и тока электрической машины, датчик падения напряжения на контролируемой обмотке, датчик частоты вращения вала вентилятора, датчик температуры охлаждающего агента, блоки деления и умножения сигналов датчиков напряжения и тока электрической машины, блок вычисления средней температуры обмотки по измеренному значению ее сопротивления в горячем состоянии и коррекции управляющего сигнала по току, мощности электрической машины и температуре охлаждающего агента, блок вычислений, содержащий математическую модель функционирования автоматической системы регулирования температуры электрической машины, позволяющую расчетным путем определять значения температуры контролируемой обмотки при отключении напряжения питания электрической машины по измеренному значению средней температуры обмотки на момент отключения напряжения, количеству и температуре охлаждающего агента, а также блок перехода, подающий команду на передачу функций регулирования либо блоку вычисления средней температуры обмотки в том случае, если напряжение на зажимах электрической машины не равно нулю, либо блоку вычислений, содержащему математическую модель, позволяющую расчетным путем определять значения температуры обмотки при отключении напряжения питания электрической машины (в этом случае напряжение на зажимах электрической машины равно нулю). Устройство позволяет автоматически поддерживать в заданных пределах среднюю температуру контролируемой обмотки независимо от изменения условий и режимов работы электрической машины.

Недостатком данного устройства является то, что при этом средняя температура других обмоток электрической машины, в том числе и вращающейся якорной обмотки, может изменяться при изменении тока и мощности электрической машины.

Известна математическая модель системы охлаждения тяговых электрических машин локомотивов как объекта регулирования температуры [4]. Система охлаждения рассматривается здесь с позиций теории автоматического регулирования как элемент автоматической системы регулирования температуры. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, составленную на основании уравнений теплового баланса, описывающую процессы изменения средней температуры обмотки одного добавочного полюса в зависимости от регулирующего (подача охлаждающей среды) и возмущающих (напряжение, ток электрической машины, температура охлаждающей среды) воздействий.

Известно также, что в процессе эксплуатации тяговых электрических машин значения максимальной локальной температуры обмоток могут существенно превышать их средние значения [5, 6], и выходить за рамки установленных ГОСТ предельно допустимых по нагреванию значений температуры обмоток [7].

Предлагаемое устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока 1 (см. фиг. 1) содержит канал 2 для охлаждающей среды; вентилятор 3 с управляемым приводом 4; датчик 5 температуры Т_вз охлаждающей среды с преобразователем 6; датчики 7 и 8 падения напряжения _Δ U_гп и _Δ U_дп соответственно на обмотках главных 9 и добавочных 10 полюсов электрической машины; датчик 11 частоты вращения n_д вала электрической машины; датчик 12 тока I_д и датчик 13 напряжения U_д на зажимах электрической машины; датчик 14 частоты вращения n_в вала вентилятора, пропорциональной подаче G_вз вентилятора; блоки 15 и 16 расчета значений омического сопротивления в горячем состоянии R_гп ^г и R_дп ^г соответственно обмоток главных и добавочных полюсов, причем на вход блока 15 подают выходные сигналы преобразователей 7 и 12, а на вход блока 16 подают выходные сигналы преобразователей 8 и 12; блок 17 расчета (измерений БИ) значений средней температуры обмоток главных (Т_гп ^ср)^и и добавочных (Т_дп ^ср)^и полюсов (являющихся измеренными значениями температуры этих обмоток в соответствии с правилами измерения температуры обмоток электрических машин стандартным методом сопротивления [8] ), причем на вход блока 17 подают выходные сигналы блоков 15 и 16, в блок 17 вводят также значения сопротивления обмоток главных R_гп ^х и добавочных R_дп ^х полюсов в холодном состоянии; блок 18 расчета величины мощности Р_д электрической машины, причем на вход блока 18 подают выходные сигналы преобразователей 12 и 13; блок 19 вычислений, содержащий математическую модель [7] тяговой электрической машины как теплового объекта, позволяющую определять нестационарное поле распределения температур в ней как едином тепловом объекте при работе в энергетической цепи локомотива в реальных условиях эксплуатации и расчетным путем определять значения максимальной локальной температуры вращающейся якорной обмотки Т_я ^з, обмоток главных Т_гп ^р и добавочных Т_дп ^р полюсов тяговой электрической машины в зависимости от регулирующего (подача охлаждающей среды G_вз и возмущающих (напряжение U_д, ток I_д электрической машины, частота n_д вращения вала электрической машины и температура Т_вз охлаждающей среды) воздействий, причем на вход блока 19 подают выходные сигналы преобразователей 6, 11, 12, 13, 14, 17 и 18, в блок 19 вводят также заданные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки Т_я ^з, обмоток главных Т_гп ^з и добавочных Т_дп ^з полюсов тяговой электрической машины; монитор М (поз. 20) для визуального представления информации.

Устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока работает следующим образом. Предварительно в ячейки памяти ЭВМ вводят информацию о значениях R_гп ^х, R_дп ^х, Т_я ^з, Т_гп ^з и Т_дп ^з для данного типа электрической машины. В соответствии с заложенной программой в ЭВМ вводят сигналы с измерительных преобразователей 6, 7, 8, 11, 12, 13 и 14. В блоке 19 (фиг. 1), содержащем математическую модель MM тяговой электрической машины как теплового объекта (поз. 21 на фиг. 2), производят расчетное определение значений Т_я ^з, Т_гп ^р, Т_дп ^р, а также значений средней температуры обмоток главных (Т_гп ^ср)^р и добавочных (Т_дп ^ср)_р полюсов по измеренным значениям Т_вз, n_д, I_д, U_д и n_в. В блоках 15 и 16 по измеренным значениям _ΔU_гп, _ΔU_дп и I_д рассчитывают значения R_гп ^г и R_дп ^г. В блоке 17 рассчитывают значения (Т_гп ^ср)^и и (Т_дп ^ср)^и, являющиеся измеренными значениями средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов электрической машины, информацию о них выводят на монитор 20 и вводят также в блок коррекции БК (поз. 23 на рис. 2) блока БВ. В блоке 23 проводят сравнение расчитанных и измеренных значений средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов.

Если расхождение в результатах расчетов и измерений находится в допустимых пределах, с блока 23 подают на вход блока 21 воздействие α, корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры обмоток якорной Т_я ^р, главных Т_гп ^р и добавочных Т_дп ^р, полюсов. Далее в блоке сравнения БС (поз. 22) проводят сравнение рассчитанных значений Т_я ^р, Т_гп ^р и Т_дп ^р с заданными значениями Т_я ^з, Т_гп ^з и Т_дп ^з и вырабатывают сигналы рассогласования, представляющие собой разность между рассчитанными и заданными значениями максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов: (Т_я ^р-Т_я ^з), (Т_гп ^р-Т_гп ^з) и (Т_дп ^р-Т_дп ^з). При нагревании обмоток электрической машины, если (Т_я ^р-Т_я ^з) ≤ 0, (Т_дп ^р - Т_гп ^з) ≤ 0 и (Т_дп ^р-Т_дп ^з) ≤ 0, то цикл расчетного определения величин Т_я ^р, Т_гп ^р и Т_дп ^р повторяют, причем расчет проводят при новых измеренных значениях Т_вз, n_д, I_д, U_д и n_в. Если какой-либо из сигналов рассогласования (Т_я ^р-Т_я ^з) > 0, (Т_гп ^р -Т_гп ^з) > 0 или (Т_дп ^р - Т_дп ^з) > 0, то его подают на вход блока формирования БФ сигнала управляющего воздействия (поз. 24), где сигнал корректируют по величине возмущающих воздействий Р_д, I_д и Т_вз.

С выхода блока 24 подают сигнал γ управляющего воздействия на вход управляемого привода 4 (фиг. 1) вентилятора охлаждения. Если при дальнейшем нагревании обмоток электрической машины сигнал рассогласования увеличивается, то соответственно увеличивается и подача вентилятора, в результате чего регулируемая величина Т_я ^р, Т_гп ^р, или Т_дп ^р поддерживается в заданных пределах. Значения Т_я ^р, Т_гп ^р и Т_дп ^р выводятся на монитор 20. Если условие (Т_я ^р-Т_я ^з) > 0 выполняется, и при этом выполняется одно из условий (Т_гп ^р-Т_гп ^з) > 0 или (Т_дп ^р-Т_дп ^з) > 0, то на вход блока 24 подают сигнал рассогласования (Т_я ^р-Т_я ^з), поскольку наименьший ресурс по тепловому фактору имеет изоляция якорной обмотки [7]. Если (Т_я ^р - Т_я ^з) ≤ 0, но при этом одновременно выполняются условия (Т_гп ^р-Т_гп ^з) > 0 и (Т_дп ^р-Т_дп ^з) > 0, то на вход блока 24 подают максимальный по величине сигнал. Оптимальный подход к выбору заданных значений Т_я ^з, Т_гп ^з и Т_дп ^з должен обеспечить наибольший ресурс изоляционных материалов обмоток, определяющий в основном долговечность электрической машины, при минимуме расхода электроэнергии (или расхода топлива) на функционирование устройства для автоматического регулирования температуры обмоток.

Если расхождение в результатах расчетов и измерений значений средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов электрической машины превышает допустимые пределы, в случае возможных сбоев при выполнении программы функционирования устройства, выходе из строя системы измерения параметров или по другим причинам, то с выхода блока 23 подают сигнал β о переводе устройства в аварийный режим работы на вход блока 24, далее с выхода блока 24 подают сигнал γ управляющего воздействия на увеличение подачи вентилятора до максимального значения. Одновременно выводят информацию β о переводе устройства в аварийный режим работы, сбоях или возникших неисправностях и их причинах на монитор 20.

При движении локомотива на выбеге, когда измеряемые параметры U_д=0 и I_д= 0, величины Т_я ^р, Т_гп ^р и Т_дп ^р определяют расчетным путем в блоке 21, содержащем математическую модель, по последним значениям Т_я ^р, Т_гп ^р и Т_дп ^р на момент отключения напряжения питания электрической машины и измеренным значениям Т_вз, n_д и n_в, далее сравнивают в блоке 22 рассчитанные значения Т_я ^р, Т_гп ^р и Т_дп ^р с заданными Т_я ^з, Т_гп ^з и Т_дп ^з. При уменьшении сигналов рассогласования (Т_я ^р - Т_я ^з), (Т_гп ^р - Т_гп ^з) и (Т_дп ^р - Т_дп ^з) подают с выхода блока 24 сигнал у на вход управляемого привода вентилятора на уменьшение подачи вентилятора, и далее, при полном выполнении условий (Т_я ^р-Т_я ^з) ≤ 0, (Т_гп ^р - Т_гп ^з) ≤ 0 и (Т_дп ^р - Т_дп ^з) ≤ 0, на остановку вентилятора охлаждения и прекращение подачи охлаждающей среды.

Таким образом, предлагаемое устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрических машин обеспечивает поддержание в заданных пределах максимальных значений температуры ее обмоток независимо от условий и режимов работы электрической машины в процессе эксплуатации, позволяет защитить ее от перегрева обмоток, обеспечить качественные устойчивые процессы регулирования температуры, повысить долговечность электрической машины при минимальных затратах электроэнергии (расхода топлива) на функционирование системы охлаждения.

Источники информации
1. Рахманинов В.И. Исследование автоматизации и эффективности применения средств экономии электроэнергии на электровозах: Автореферат дис. канд. техн. наук. - М., 1977. - 18 с.

2. Авторское свидетельство 1584040 (СССР). Тяговая электрическая машина постоянного тока/ Луков Н.М., Логинова Е.Ю., Попов В.М., Кравцов А.И., Доронин Ю.И., Макаренков А.И. - Опубл. в БИ N 29, 1990, кл. Н 02 К 9/04, 00.

3. Патент РФ 2121209. МКИ Н 02 К 9/04. Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины/ А.С.Космодамианский, Н.М.Луков. N 97102016/09; заявл. 11.02.97. Опубл. 27.10.98, Бюл. N 30, 1998.

4. Математическая модель системы охлаждения тяговых электрических машин локомотивов как объекта регулирования температуры. Луков Н.М, Попов В.М., Космодамианский А. С. РГОТУПС, М., 1998, 16 с., дел. в ВИНИТИ 06.11.98., N 3217-В98.

5. Богаенко И.Н. Контроль температуры электрических машин. - Киев: Техника, 1975. - 176 с.

6. Попов А.А., Логинова Е.Ю. Результаты экспериментального и расчетного определения температур обмоток тягового электродвигателя. Вестник ВНИИЖТ, 1999, N 6, с. 34-39.

7. 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.

8. ГОСТ 25000-81. Машины электрические вращающиеся. Методы испытаний на нагревание.

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к автоматическим системам контроля и регулирования температуры, а также защиты от перегрева электрических машин. Технический результат, заключающийся в обеспечении поддержания в заданных пределах максимальных значений температуры обмоток электрической машины, достигается тем, что в блок вычисления электрической машины введены блок, содержащий математическую модель электрической машины как теплового объекта, причем на входы блока, содержащего математическую модель, подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины, частоты вращения вала электрической машины, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающей среды, а также воздействие, корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок коррекции, в котором проводят сравнение рассчитанных и измеренных значений средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов, причем на вход блока коррекции подают с выхода блока, содержащего математическую модель, рассчитанные значения средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов, с выхода блока измерений - измеренные значения средней температуры этих обмоток, а с выхода блока коррекции подают на вход блока, содержащего математическую модель, воздействие, корректирующее процесс вычисления в этом блоке значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок сравнения, в котором проводят сравнение рассчитанных значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов с заданными значениями и вырабатывают сигналы рассогласования, представляющие собой разность рассчитанных и заданных значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, причем на входы блока сравнения подают рассчитанные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов с выхода блока, содержащего математическую модель, а также заданные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок формирования сигнала управляющего воздействия, который подается с выхода этого блока на вход управляемого привода вентилятора в системе охлаждения электрической машины, причем на входы блока формирования подают сигналы рассогласования с выхода блока сравнения, сигнал о переводе устройства в аварийный режим работы с выхода блока коррекции, а также сигналы с выходов блока расчета величины мощности электрической машины и датчиков тока электрической машины и температуры охлаждающей среды. 2 ил.

Устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока с каналом для охлаждающей среды, содержащее вентилятор с управляемым приводом, датчики тока и напряжения электрической машины, падения напряжения на обмотках главных и добавочных полюсов, частоты вращения вала электрической машины, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающей среды, блоки расчета значений омического сопротивления в горячем состоянии обмоток главных и добавочных полюсов, причем на входы этих блоков подают сигналы с выходов датчиков тока электрической машины и падения напряжения на обмотках главных и добавочных полюсов, блок измерений, причем на входы блока измерений подают сигналы с выходов блоков расчета значений омического сопротивления обмоток главных и добавочных полюсов в горячем состоянии, а также значения омического сопротивления этих обмоток в холодном состоянии, блок расчета величины мощности электрической машины, причем на входы этого блока подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины, блок вычисления, отличающееся тем, что в последний введены блок, содержащий математическую модель электрической машины как теплового объекта, причем на входы блока, содержащего математическую модель, подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины, частоты вращения вала электрической машины, частоты вращения вала вентилятора,
температуры охлаждающей среды, а также воздействие, корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок коррекции, в котором проводят сравнение рассчитанных и измеренных значений средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов, причем на вход блока коррекции подают с выхода блока, содержащего математическую модель, рассчитанные значения средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов, а с выхода блока измерений - измеренные значения средней температуры этих обмоток, с выхода блока коррекции подают на вход блока, содержащего математическую модель, воздействие, корректирующее процесс вычисления в этом блоке значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок сравнения, в котором проводят сравнение рассчитанных значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов с заданными значениями и вырабатывают сигналы рассогласования, представляющие собой разность рассчитанных и заданных значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, причем на входы блока сравнения подают рассчитанные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов с выхода блока, содержащего математическую модель, а также заданные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок формирования сигнала управляющего воздействия, который подается с выхода этого блока на вход управляемого привода вентилятора в системе охлаждения электрической машины, причем на входы блока формирования подают сигналы рассогласования с выхода блока сравнения, сигнал о переводе устройства в аварийный режим работы с выхода блока коррекции, а также сигналы с выходов блока расчета величины мощности электрической машины и датчиков тока электрической машины и температуры охлаждающей среды.