РЕГУЛЯТОР ТЕМПЕРАТУРЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2003 года по МПК B60K11/06 

Предлагаемое изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к области автоматических систем регулирования температуры теплоносителей (воды, масла, наддувочного воздуха), нагревающейся детали теплового двигателя, обмоток тяговых электрических машин, трансформаторов, элементов полупроводниковых перобразователей и др. в системах охлаждения транспортных средств (автомобилей, локомотивов и др.)
Любая автоматическая система содержит две функциональные части: объект регулирования (например, система охлаждения энергетической установки) и автоматический регулятор [1]. Любой автоматический регулятор содержит две основные соединенные последовательно функциональных части: управляющий орган (например, термореле в автоматическом регуляторе температуры) и исполнительно-регулирующее устройство (например, привод вентилятора охлаждения и собственно вентилятор охлаждения энергетической установки транспортного средства). В свою очередь исполнительно-регулирующее устройство содержит две основные функциональные части: исполнительный механизм (например, привод вентилятора охлаждения) и регулирующий орган (например, вентилятор охлаждения) [2, 3].

Известные автоматические регуляторы температуры непрерывного действия с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе содержат источник электроэнергии (например, тяговый или вспомогательный генератор). Известны автоматические регуляторы температуры энергетических установок транспортных средств с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе трех типов.

Автоматический регулятор температуры первого типа содержит источник электроэнергии, к которому подключен преобразователь частоты (обычно со звеном постоянного тока - выпрямителем), соединенный со статорной обмоткой асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, соединенным с валом вентилятора охлаждения. К преобразователю частоты подключен управляющий орган, управляющий им по регулируемой температуре t_p в системе охлаждения энергетической установки транспортного средства [1, 3, 4]. В таком электроприводе вентилятора охлаждения реализован принцип частотного управления асинхронным двигателем [5, 6, 8].

Автоматический регулятор второго типа содержит источник электроэнергии, к которому подключен преобразователь фазного напряжения, соединенный со статорной обмоткой специального асинхронного двигателя с двухслойным (или двухпакетным) ротором, соединенным с валом вентилятора охлаждения. К преобразователю напряжения подключен управляющий орган, управляющий им по регулируемой температуре t_p. В электроприводе вентилятора охлаждения этого типа реализован принцип фазного управления специальными асинхронными двигателями [5, 7].

Автоматические регуляторы температуры третьего типа содержат источники электроэнергии, к которым непосредственно подключена статорная обмотка асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, соединенным с валом вентилятора охлаждения переменной подачи (с поворотными лопатками рабочего колеса). К механизму поворота лопаток рабочего колеса вентилятора охлаждения переменной подачи подключен управляющий орган, управляющий им по регулируемой температуре t_p [1, 2, 3, 8, 9, 12].

Известные автоматические регуляторы температуры энергетических установок транспортных средств с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе имеют существенные недостатки. В автоматических регуляторах температуры с частотным управлением асинхронным двигателем вентилятора охлаждения применяются преобразователи частоты со звеном постоянного тока, имеющие определенные габаритные размеры, вес и стоимость. При частотном управлении асинхронным двигателем с вентиляторной нагрузкой его КПД снижается, а нагрев увеличивается из-за несинусоидальности напряжения, особенно в зоне частичных нагрузок. Трудности с возвратом реактивной мощности Q от асинхронного двигателя к источнику электроэнергии вынуждают создавать электроприводы вентиляторов охлаждения не с плавным, а со ступенчатым изменением скорости вращения вала ω_w асинхронного двигателя (квазичастотное управление) [11].

В автоматических регуляторах температуры с фазным управлением специальным асинхронным двигателем применяются преобразователи напряжения, имеющие определенные габаритные размеры, вес и стоимость. Наличие такого преобразователя напряжения и специального асинхронного двигателя снижает технико-экономические показатели автоматического регулятора температуры. При фазном управлении асинхронным двигателем с вентиляторной нагрузкой КПД электропривода вентилятора сильно снижается, особенно при уменьшении скорости вращения вала ω_w асинхронного двигателя. Кроме того, в таком электроприводе вентилятора охлаждения номинальная мощность специального асинхронного двигателя на 30-40% меньше мощности обычного асинхронного двигателя подобных размеров [5, 7].

В автоматических регуляторах температуры с электроприводом вентилятора охлаждения переменной подачи необходимо применение механизма поворота лопаток рабочего колеса, что усложняет конструкцию механической части автоматических регуляторов температуры. Этот механизм поворота увеличивает размеры, вес и стоимость вентилятора охлаждения и автоматического регулятора температуры. Кроме того, в таком автоматическом регуляторе температуры вентилятор имеет скорость вращения вала, пропорциональную частоте питающего напряжения, которая может изменяться в небольшом диапазоне или быть постоянной, что обуславливает при малых тепловых нагрузках системы охлаждения энергетической установки транспортного средства работу вентилятора охлаждения с малыми углами установки лопаток рабочего колеса и низкими КПД вентилятора охлаждения и электропривода вентилятора охлаждения.

Предлагаемый регулятор температуры энергетической установки транспортного средства на переменном токе не имеет недостатков известных автоматических регуляторов температуры с электроприводом вентилятора охлаждения: в нем не применяется преобразователь частоты или преобразователь напряжения на полную мощность асинхронного двигателя вентилятора охлаждения, а также механизм поворота лопаток рабочего колеса. В нем применен серийный асинхронный двигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого непосредственно подключена к источнику электроэнергии, а роторная обмотка подключена к статическому полупроводниковому преобразователю частоты с непосредственной связью (без звена постоянного тока), соединенному посредством блока управления с управляющим органом автоматического регулятора температуры энергетической установки транспортного средства. Конструкция предлагаемого регулятора температуры намного проще, меньше по размерам, весу и стоимости, надежнее и экономичнее, чем известных автоматических регуляторов с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе.

Предлагаемый регулятор температуры содержит следующие основные элементы (см. принципиальную блок-схему): источник электроэнергии 1, например, синхронный генератор, приводимый во вращение от теплового двигателя 2, роторная обмотка которого подключена к регулятору напряжения 3, а к его статорной обмотке непосредственно подключена статорная обмотка асинхронного двигателя 4, вал которого соединен с валом вентилятора охлаждения 5. Роторная обмотка асинхронного двигателя подключена к преобразователю частоты 6, подключенному к источнику электроэнергии 1 и к блоку управления 7 преобразователя частоты, соединенному с управляющим органом 8 и с роторной обмоткой асинхронного двигателя 4.

Предлагаемый регулятор температуры энергетической установки транспортного средства с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе работает следующим образом. При величине регулируемой температуры t_p меньше нижнего предела диапазона регулирования выходной сигнал управляющего органа 8 I_У1 имеет такое значение, при котором выходные сигналы блока управления 7 I_У2 и I_У3 имеют значения, обеспечивающие скорость вращения вала ротора асинхронного двигателя 4 и вентилятора охлаждения 5 ω_w = 0. При этом подача вентилятора охлаждения 5 также равна нулю. Это обусловлено тем, что ω_w зависит от частоты вращения магнитного поля статорной обмотки ω_c относительно статора и от частоты вращения магнитного поля роторной обмотки ω_p относительно ротора и определяется выражением:
ω_w = ω_c±ω_p (1).
Знак "минус" в (1) соответствует вращению магнитного поля статора и ротора в одном направлении, знак "+" - в противоположных направлениях. Изменяя ω_p и направление вращения магнитного поля ротора можно принудить асинхронный двигатель вращать вал со скоростью ω_w как выше, так и ниже синхронной. При синхронной частоте вращения ω_wc преобразователь частоты подает постоянный ток в роторную обмотку, при этом ω_p = 0 и скольжение асинхронного двигателя
S = 1-(ω_c±ω_p)/ω_c = 0 (2).
В предлагаемом регуляторе температуре асинхронный двигатель 4 работает в режиме электрической машины двойного питания (от источника электроэнергии 1 и от преобразователя частоты 6) [12, 13]. При S=0 асинхронный двигатель 4 работает в режиме синхронного двигателя. При ω_p = ω_c S = 1 и ω_w = 0. При увеличении регулируемой температуры t_p и превышении ею нижнего предела диапазона регулирования увеличивается выходной сигнал управляющего органа 8 I_У1, изменяются сигналы на выходе блока управления 7 I_У2 и I_У3 (по одному из них изменяется ω_p, а по другому - напряжение), что приводит к изменению частоты на выходе преобразователя частоты 6, к уменьшению ω_p и к увеличению ω_w.
Процесс изменения величин t_p, I_У1, I_У2, I_У3, ω_p и ω_w будет продолжаться до тех пор, пока не настанет равновесный тепловой режим работы системы охлаждения энергетической установки транспортного средства. При достижении t_p верхнего предела диапазона регулирования - t_pmax величины I_У1, I_У2, I_У3, ω_p и ω_w достигнут своих предельных значений. При этом ω_p = 0, S = 0 и ω_w = ω_wном. Мощность, габаритные размеры и вес преобразователя частоты 6 определяются мощностью скольжения асинхронного двигателя 4. При вентиляторной нагрузке асинхронного двигателя мощность преобразователя максимальна при S=0,33 и составляет 16-18% от номинальной мощности вентилятора охлаждения.

В предлагаемом регуляторе температуры должен быть применен преобразователь частоты 6 с непосредственной связью (без звена постоянного тока), который называется преобразователем "низкой" частоты. Для питания роторной обмотки асинхронного двигателя 4, которая может работать при очень низкой частоте вращения поля ω_p относительно ротора, целесообразно применение преобразователя именно "низкой" частоты, обеспечивающего получение синусоидального тока в роторной цепи при ползучих "низких" частотах. Применение преобразователя частоты с принудительной коммутацией вентилей позволит осуществить наиболее простую схему блока управления 7.

Характерным важным свойством таких преобразователей частоты является изменение знака реактивной мощности нагрузки Q при частоте коммутации вентилей (ω_Т), большей, чем частота преобразуемого напряжения источника электроэнергии 1 ω_c. Так как напряжение в двигательном режиме асинхронного двигателя (электрической машины двойного питания) больше, чем ЭДС скольжения обычного асинхронного двигателя при данном скольжении, то отдаваемая в источник электроэнергии 1 Q больше потребляемой Q со стороны ротора.

Таким образом, в предлагаемом регуляторе температуры асинхронный двигатель 4 может работать с опережающим коэффициентом мощности (cosϕ). Одним из преимуществ асинхронного двигателя 4, работающего в качестве электрической машины двойного питания, по сравнению с обычным асинхронным двигателем является возможность получения высокого cosϕ асинхронного двигателя и источника электроэнергии за счет перевозбуждения асинхронного двигателя 4 со стороны ротора.

Таким образом, предлагаемый регулятор температуры автоматически изменяет ω_w (и подачу вентилятора охлаждения) в зависимости от регулируемой температуры t_p при изменении ее в заданных пределах без использования в нем преобразователя частоты или преобразователя напряжения между источником электроэнергии 1 и асинхронным двигателем 4 (на полную мощность вентилятора охлаждения), специальных асинхронных двигателей или вентиляторов с поворотными лопатками вентиляторного колеса. При этом асинхронный двигатель и источник электроэнергии имеют повышенные КПД и cosϕ, а регулятор температуры энергетической установки транспортного средства более надежен и имеет меньшие габаритные размеры, вес и стоимость изготовления.

Источники информации
1. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989.

2. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1977.

3. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995.

4. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. - М.: Наука, 1966.

5. Могильников B.C., Олейников А.М. Асинхронный электродвигатель с двухслойным ротором. - М.: Энергия, 1983.

6. Винокуров В. А. , Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1986.

7. Торба С.В. Применение фазового регулирования частоты вращения асинхронного мотор-вентилятора охлаждающего устройства электровоза // Конструкция и производство транспортных машин. - Харьков, 1982. - Вып.14. - С. 48-50.

8. А.с. СССР 246165.

9. А.с. СССР 206627.

10. Патент ФРГ 2121209.

11. А.с. СССР 127540.

12. Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г. Управляемая машина переменного тока. - М.: Наука, 1969.

13. Собинин Ю.А., Грузов В.Л. Частотно-регулируемый электропривод. - Л.: Энергоатомиздат, 1985.

Регулятор содержит источник электроэнергии переменного тока, например синхронный генератор, приводимый во вращение от теплового двигателя, управляющий орган, асинхронный двигатель и вентилятор охлаждения. Асинхронный двигатель выполнен с фазным ротором, статорная обмотка его подключена к источнику электроэнергии, а роторная - к преобразователю частоты. Преобразователь частоты подключен к источнику электроэнергии и к блоку управления преобразователя частоты, соединенному с управляющим органом и роторной обмоткой асинхронного двигателя. Технический результат изобретения - повышение КПД и надежности установки, а также снижение ее веса и габаритов. 1 ил.

Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства, содержащий источник электроэнергии переменного тока, например, синхронный генератор с регулятором напряжения, приводимый во вращение от теплового двигателя, управляющий орган, асинхронный двигатель и вентилятор охлаждения, вал которого соединен с валом асинхронного двигателя, отличающийся тем, что асинхронный двигатель выполнен с фазным ротором, его статорная обмотка подключена к источнику электроэнергии переменного тока, а роторная на выходы преобразователя частоты, также подключенного к источнику электроэнергии переменного тока, а на входы преобразователя частоты подаются управляющие сигналы с выводов блока управления, один из которых соответствует изменению частоты, а второй - изменению напряжения на выходе преобразователя частоты, один вход блока управления подключен к выходу преобразователя частоты, а другой вход - к выходу управляющего органа.