АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК ТЯГОВЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН С ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ ПРИВОДОМ ВЕНТИЛЯТОРА Российский патент 2005 года по МПК H02K9/04 

Предлагаемое изобретение относится к области совершенствования систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин, например тяговых электрических машин тягового подвижного состава. Система регулирования содержит систему охлаждения тяговой электрической машины и автоматический регулятор температуры. Система охлаждения тяговой электрической машины является объектом регулирования температуры и содержит собственно тяговую электрическую машину и систему каналов для подвода к тяговой электрической машине охлаждающего воздуха. Автоматический регулятор температуры содержит датчик температуры (измерительное устройство), задающее, усилительно-преобразующее и исполнительно-регулирующее устройства. Исполнительно-регулирующее устройство содержит исполнительный механизм и регулирующий орган. В предлагаемой системе регулирования функции регулирующего органа автоматического регулятора температуры выполняет вентилятор, а его привод выполняет функции исполнительного механизма [1, 2, 3, 10]. В известных устройствах для регулирования температуры обмоток электрических машин, которые фактически являются автоматическими системами регулирования температуры, тип привода вентилятора указывается только в [5]. Известно, что свойства исполнительно-регулирующего устройства оказывают значительное влияние на устойчивость, показатели качества работы и в целом на технико-экономические показатели автоматической системы регулирования температуры. Гидродинамический привод вентилятора, примененный в [5], обладает существенными недостатками: он имеет малую монтажную гибкость из-за наличия валопровода между приводным двигателем и вентилятором; его КПД изменяется прямо пропорционально скорости вращения выходного вала (при заданной скорости вращения входного вала); этот вид привода обладает таким свойством как динамическая несимметричность, его статические и динамические параметры неоднозначны, что ухудшает динамические свойства системы регулирования.

Предлагаемая автоматическая система регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин свободна от перечисленных недостатков. Автоматическая система регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин, содержащая тяговую электрическую машину 1 с каналом охлаждения 2, отличается от известных систем регулирования температуры тем, что в ней применен электрический привод вентилятора на переменном токе (см. фиг. 1 - принципиальную схему автоматической системы регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин с электрическим на переменном токе приводом вентилятора), который содержит два одинаковых асинхронных двигателя 3 и 4 с фазными роторами, валы которых соединены между собой и с валом вентилятора 5. Статорные обмотки асинхронных двигателей подключены к источнику переменного напряжения, а роторные обмотки соединены последовательно и подключены к замыкателю обмоток 6, соединенному с выходом микропроцессорного контроллера 7, и к выпрямителю 8, к выходу которого подключен полупроводниковый термоэлектрический охладитель 9. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и связан с приводом 10, подключенным ко второму выходу микропроцессорного контроллера 7, ко входам которого подключены датчики скорости вращения вала вентилятора 11; температуры охлаждающего воздуха 12; скорости вращения вала электрической машины 13; падения напряжения на контролируемой обмотке 14, тока нагрузки тяговой электрической машины 15, напряжения на ее зажимах 16.

Микропроцессорный контроллер содержит управляющую программу с математической моделью системы охлаждения тяговой электрической машины как объекта регулирования температуры, позволяющей рассчитывать как средние, так и максимальные локальные значения неподвижных и вращающихся обмоток тяговой электрической машины по измеренным значениям тока и напряжения электрической машины, скорости вращения ее вала, температуры и подачи охлаждающего воздуха, а также измерять температуру одной или нескольких неподвижных обмоток тяговой электрической машины по измеренным значениям падения напряжения на этих обмотках и тока, протекающего через обмотки.

Предлагаемая система регулирования может содержать статический регулятор и работать только по отклонению регулируемой величины от заданного значения или комбинированный регулятор с компенсацией возмущающих воздействий по нагрузочному току, по мощности тяговой электрической машины, по температуре охлаждающего воздуха, а также иметь более сложный алгоритм работы регулятора - ПИ, ПИД, ПД.

Предлагаемая автоматическая система регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин работает следующим образом (на примере системы, содержащей регулятор, работающий только по отклонению регулируемой величины от заданного значения). При значении регулируемой температуры t_p меньше минимального значения t_{p min} выходной сигнал микропроцессорного контроллера 7, подаваемый на вход механизма поворота 10 статора асинхронного двигателя 4, имеет минимальное значение, при этом выходной сигнал поворотного статора α_с также имеет минимальное значение α_cmin. Статор асинхронного двигателя 4 занимает положение (т.е. имеет угол поворота β), при котором скорость вращения вала вентилятора ω_в и его подача равны нулю. Это обусловлено тем, что при согласованном положении статоров асинхронных двигателей 3 и 4, когда α_с=0 эл. градусов, ЭДС в роторных обмотках направлены встречно и Е_р=E_p1+Е_р2=0. При этом ток в роторной цепи равен нулю и электропривод вентилятора имеет момент, равный нулю, и ω_в=0.

При увеличении t_p и достижении значения выше t_{p min} увеличивается выходной сигнал микропроцессорного контроллера, подаваемый на вход механизма поворота 10 статора асинхронного двигателя 4, увеличиваются α_с и β. При этом Е_р1>0; в обмотках роторов асинхронных двигателей 3 и 4 ток будет больше нуля, электропривод вентилятора будет иметь момент больше нуля и ω_в>0, увеличится подача вентилятора 5. Процесс увеличения сигналов t_p, α_с, β, E_p1 и ω_в будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим работы системы охлаждения тяговой электрической машины. При изменении β от 0 до 90° эл. один из асинхронных двигателей будет работать в генераторном (тормозном) режиме, а второй - в двигательном режиме. При дальнейшем увеличении β и выполнении условия 90° эл. <β<180° эл. оба асинхронных двигателя работают в двигательном режиме, развивая моменты. В предельном случае, когда β=180° эл., векторы ЭДС обмоток роторов совпадают и Е_р=E_p1+Е_р2; асинхронные двигатели развивают одинаковые моменты, работая как два обычных асинхронных двигателя. При t_p=t_{p min} сигналы α_с, β и ω_в максимальны. При этом β достигает 180° эл., т.е. статор асинхронного двигателя 4 займет положение, при котором ω_{в mах} будет из-за сопротивления полупроводникового термоэлектрического охладителя 9 на 6-10% меньше синхронной. Поэтому с целью защиты тяговой электрической машины от перегрева в экстремальных климатических условиях или при чрезмерном загрязнении воздушных фильтров для увеличения подачи вентилятора система снабжена устройством замыкания 6 роторных обмоток асинхронных двигателей, подключенным к микропроцессорному контроллеру 7.

При изменении ω_в от 0 до ω_{в mах} изменяется скольжение асинхронного двигателя от 1,0 до S_min. Мощность скольжения асинхронного двигателя зависит от скольжения и при вентиляторной нагрузке имеет максимальное значение 15% от номинальной мощности асинхронного двигателя при скольжении 0,25. В предлагаемой системе регулирования энергия скольжения асинхронного двигателя используется для охлаждения охлаждающего воздуха в системе охлаждения с помощью полупроводникового термоэлектрического охладителя 9. Полупроводниковый термоэлектрический охладитель дает возможность получения холода на основе использования в нем термоэлектрического явления Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента; является универсальным; простым по конструкции, компактным, имеет высокую надежность и практически неограниченный срок службы.

Таким образом, в рассматриваемой системе охлаждение тяговой электрической машины осуществляется двумя путями: путем охлаждения тяговой электрической машины атмосферным воздухом, продуваемым с помощью вентилятора 5, и путем охлаждения самого охлаждающего воздуха с помощью полупроводникового термоэлектрического охладителя 9, использующего электрическую энергию скольжения асинхронного двигателя. Использование энергии скольжения асинхронного двигателя значительно повышает КПД такого электрического привода вентилятора и увеличивает эффективность работы системы регулирования температуры.

Источники информации

1. Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988.

2. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989.

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

4. А.с. 544050 (СССР). Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины /Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ, 1978, №20.

5. А.с. 748683 (СССР). Устройство непрерывного контроля и автоматического регулирования температуры электрической машины /Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ, 1980, №26.

6. А.с. 15084040 (СССР). Тяговая электрическая машина постоянного тока /Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ, 1990, №29.

7. Патент РФ 2121209. Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины /А.С.Космодамианский и Н.М.Луков. - Опубл. в БИ, 1998, №30.

8. Патент РФ 2177669. Устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока /А.С.Космодамианский, Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ, 1998, №30.

9. Патент РФ 2201028. Исполнительно-регулирующее устройство для автоматических систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин /А.С.Космодамианский, Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ №8, 2003.

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

Изобретение относится к области совершенствования систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин, например тяговых электрических машин тягового подвижного состава. Автоматическая система регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин с каналом для охлаждающего воздуха содержит вентилятор, датчики тока и напряжения тяговой электрической машины, падения напряжения на контролируемой обмотке, скорости вращения вала электрической машины, скорости вращения вала вентилятора, температуры охлаждающего воздуха, микропроцессорный контроллер, содержащий управляющую программу с математической моделью системы охлаждения тяговой электрической машины как объекта регулирования температуры, позволяющей рассчитывать как средние, так и максимальные локальные значения неподвижных и вращающихся обмоток тяговой электрической машины. Вал вентилятора соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к источнику переменного тока, а роторные обмотки асинхронных двигателей соединены последовательно и подключены к выпрямителю. К выходу выпрямителя подключены полупроводниковый термоэлектрический охладитель и блок замыкания обмоток, подключенный в свою очередь к первому выходу микропроцессорного контроллера. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с приводом, подключенным ко второму выходу микропроцессорного контроллера. Ко входам микропроцессорного контроллера подключены датчики тока и напряжения тяговой электрической машины, падения напряжения на контролируемой обмотке, скорости вращения вала электрической машины, скорости вращения вала вентилятора, температуры охлаждающего воздуха. Технический результат – повышение КПД электрического привода вентилятора и увеличение эффективности работы системы регулирования температуры. 1 ил.

Автоматическая система регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин с каналом для охлаждающего воздуха, содержащая вентилятор, датчики тока и напряжения тяговой электрической машины, падения напряжения на контролируемой обмотке, скорости вращения вала электрической машины, скорости вращения вала вентилятора, температуры охлаждающего воздуха, микропроцессорный контроллер, содержащий управляющую программу с математической моделью системы охлаждения тяговой электрической машины как объекта регулирования температуры, позволяющей рассчитывать как средние, так и максимальные локальные значения неподвижных и вращающихся обмоток тяговой электрической машины, отличающаяся тем, что вал вентилятора соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к источнику переменного тока, а роторные обмотки соединены последовательно и подключены к выпрямителю, к выходу которого подключены полупроводниковый термоэлектрический охладитель и блок замыкания обмоток, подключенный к первому выходу микропроцессорного контроллера; статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с приводом, подключенным ко второму выходу микропроцессорного контроллера, а ко входам микропроцессорного контроллера подключены датчики тока и напряжения тяговой электрической машины, падения напряжения на контролируемой обмотке, скорости вращения вала электрической машины, скорости вращения вала вентилятора, температуры охлаждающего воздуха.