СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОХЛАЖДАЮЩЕЙ СРЕДЫ ТЕПЛОВОЙ МАШИНЫ Российский патент 2005 года по МПК F01P7/00 

Область техники, к которой относится предлагаемое изобретение

Предлагаемое изобретение относится к области машиностроения и, в частности, к регулированию температуры охлаждающей среды тепловой машины.

Уровень техники

Как известно, любая автоматическая система содержит две основные функциональные части: объект регулирования и автоматический регулятор. Любой автоматический регулятор содержит две основные соединенные последовательно функциональные части: управляющий орган и исполнительно-регулирующее устройство. Управляющий орган содержит устройства: измерительное (датчик регулируемой величины), задающее, сравнивающее и усилительное. В свою очередь исполнительно-регулирующее устройство содержит две соединенные последовательно функциональные части: исполнительный механизм и регулирующий орган. В автоматических регуляторах температуры, содержащих в качестве регулирующего органа вентилятор, функции исполнительного механизма выполняет привод вентилятора [6, 7].

Известны системы регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины, содержащие систему охлаждения тепловой машины как объект регулирования температуры и регулятор температуры, содержащий управляющий орган с датчиком температуры и исполнительно-регулирующее устройство, функции которого выполняет привод вентилятора и собственно вентилятор [1÷4].

Аналоги предлагаемого изобретения

Известны регуляторы температуры тепловой машины с электроприводом вентилятора на переменном токе трех видов, содержащие для изменения подачи вентилятора преобразователь частоты (при частотном управлении асинхронным двигателем), преобразователь фазного напряжения (при фазном управлении асинхронным двигателем с двухслойным или двухпакетным ротором) или осевой вентилятор переменной подачи (с поворотными лопастями рабочего колеса) с электроприводом на переменном токе [2÷7].

Известна система автоматического регулирования потока охлаждающей среды тепловой машины, например тепловозного двигателя внутреннего сгорания, содержащая датчик температуры, воздействующий на реле, управляющее асинхронными мотор-вентиляторами охлаждения. Один из мотор-вентиляторов выполнен переменной производительности и связан с датчиком температуры через регулятор, подключенный к реле [А.с. 437841 (СССР). Вентилятор переменной производительности. /Луков Н.М. - Опубл. в БИ 1974, №28].

Недостатками такой системы автоматического регулирования потока охлаждающей среды тепловой машины являются релейный режим работы и колебания температуры, что снижает надежность асинхронных мотор-вентиляторов и тепловой машины и увеличивает затраты энергии на охлаждение тепловой машины. И, естественно, в ней не используются полезно потери энергии в электроприводе вентиляторов.

Аналогом предлагаемого изобретения, наиболее близким к нему по совокупности признаков (прототипом), является система регулирования температуры теплоносителя дизеля тепловоза, содержащая систему охлаждения с воздушно-жидкостным радиатором и насосом, соединенные трубопроводами, с размещенным в них управляющим органом, содержащим датчик температуры, вентиляторы, асинхронные двигатели, статорные обмотки которых подключены к генератору переменного тока, приводимому от дизеля, отличающаяся тем, что вентиляторы выполнены с поворотными лопастями, вращающиеся механизмы поворота которых подключены к управляющему органу [Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995, стр.209-212].

Недостатки этой известной системы регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины заключаются в том, что в ней применен вентилятор с поворотными лопастями, вращающийся механизм поворота которых является достаточно сложным, трудоемким в изготовлении и дорогостоящим устройством. При малых углах наклона лопастей, то есть при малой мощности электропривода вентилятора, КПД вентилятора и его привода получается довольно низким, что снижает экономический эффект от применения такой системы регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины. В ней не используются полезно потери энергии в электроприводе вентилятора.

Сущность предлагаемого изобретения

Предлагаемая система регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины с электроприводом вентилятора на переменном токе не имеет недостатков известных регуляторов и систем регулирования температуры: в ней не применяется преобразователь частоты или преобразователь фазного напряжения, а также механизм поворота лопастей рабочего колеса осевого вентилятора. В ней применены два одинаковых асинхронных двигателя с фазными роторами, каждый мощностью, равной половине мощности вентилятора, управляемые по температуре охлаждающей среды с помощью микропроцессорного контроллера. Таким образом, в предлагаемой системе регулятор температуры является микропроцессорным. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным, однако механизм поворота статора намного проще, меньше по габаритам, легче и дешевле, чем вращающийся механизм поворота лопастей рабочего колеса осевого вентилятора. В предлагаемой системе полезно используются потери энергии в электроприводе вентилятора для охлаждения охлаждающей среды тепловой машины, что повышает КПД привода вентилятора и уменьшает затраты энергии на охлаждение тепловой машины. В ней также обеспечивается при номинальной частоте напряжения более высокая скорость вращения вентилятора, близкая к синхронной (на 2-3% ниже синхронной).

Технический результат от применения предлагаемой системы регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины заключается в следующем. Система является микропроцессорной, может иметь большую устойчивость и высокие показатели качества работы, имеет высокий КПД привода вентилятора, более высокую скорость вращения вентилятора при номинальной частоте напряжения и меньшие затраты энергии на охлаждение тепловой машины.

Предлагаемая система регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины состоит из двух основных частей: системы охлаждения тепловой машины как объекта регулирования температуры и микропроцессорного регулятора температуры охлаждающей среды тепловой машины (см. фиг.1 - принципиальная схема предлагаемой системы регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины). Система охлаждения тепловой машины содержит охлаждающие полости тепловой машины 1, воздушно-жидкостной радиатор 4, насос 5 и трубопроводы 6. Микропроцессорный регулятор температуры предлагаемой системы регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины содержит датчик температуры 7, микропроцессорный контроллер 8, блок управления 9, механизм поворота статора асинхронного двигателя 10, синхронный генератор 2, приводимый от тепловой машины 1, асинхронные двигатели 11 и 12, вентилятор 13, выпрямитель 14, полупроводниковый термоэлектрический охладитель 15 и устройство замыкания роторных обмоток 16.

Блок управления тепловой машиной 3 и датчик температуры 7 соединены с входами микропроцессорного контроллера 8, один выход которого посредством второго блока управления 9 соединен с механизмом поворота статора асинхронного двигателя 11. Вал асинхронного двигателя 11 соединен с валом второго асинхронного двигателя 12, соединенным в свою очередь с валом вентилятора 13. Статорные обмотки асинхронных двигателей 11 и 12 подключены к статорным обмоткам синхронного генератора 2. Роторные обмотки двигателей соединены последовательно и подключены к устройству замыкания роторных обмоток 16, которое подключено ко второму выходу микропроцессорного контроллера, и к выпрямителю 14, к выходу которого подключен полупроводниковый термоэлектрический охладитель 15, включенный в трубопровод системы охлаждения перед воздушно-жидкостным радиатором 4.

Блок управления тепловой машиной 3 выполняет функции контроллера машиниста, управляющего тепловой машиной. С помощью блока управления 3 машинист задает скорость вращения вала тепловой машины 1 и мощность машины. С выхода блока управления 3 сигналы скорости вращения вала и мощности машины подаются в микропроцессорный контроллер 8, где используются для работы микропроцессорного регулятора температуры не только по отклонению регулируемой температуры t₁ от заданного значения, но и с использованием дополнительных сигналов управления по скорости вращения вала и мощности тепловой машины 1. Второй блок управления 9 служит для преобразования выходного сигнала микропроцессорного контроллера 8, зависящего от регулируемой температуры t₁, скорости вращения вала и мощности тепловой машины, и управления в соответствии с ним механизмом поворота статора 10 асинхронного двигателя 11. Например, если механизм поворота статора 10 будет содержать шаговый двигатель, то в этом случае блок управления 9 должен содержать специальную программу с алгоритмом работы механизма поворота статора 10.

Предлагаемая система регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины работает следующим образом. При значении регулируемой температуры t₁ меньше минимального значения t_{1 min} выходной сигнал I_у датчика температуры 7 имеет минимальное значение, при этом выходной сигнал механизма поворота статора 10 α_с имеет минимальное значение α_{с min}. Статор асинхронного двигателя 11 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 11 и 12, 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 I₂ равен нулю и двигатели 11 и 12 привода вентилятора имеют вращающий момент, равный нулю, и ω_в=0.

При увеличении температуры t₁ и достижении ею значения выше t_{1 min} увеличивается выходной сигнал датчика температуры 7, увеличиваются углы α_с и β. При этом ЭДС E_p1>0; в обмотках роторов асинхронных двигателей 11 и 12 ток будет больше нуля, электропривод вентилятора будет иметь момент больше нуля и скорость вращения ω_в>0, при этом увеличится подача вентилятора 13. Процесс увеличения сигналов t₁, I_у, α_с и β, E_p1, I₂ и ω_в будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим работы системы охлаждения тепловой машины. При изменении угла β от 0 до 90° эл. один из асинхронных двигателей будет работать в генераторном (тормозном) режиме, а второй - в двигательном режиме. При дальнейшем увеличении угла β и выполнении условия 90° эл.<β<180° эл. обе активные составляющие тока I₂>0, т.е. оба асинхронных двигателя работают в двигательном режиме, развивая разные моменты. В предельном случае, когда угол β=180° эл., векторы ЭДС обмоток роторов совпадают и Е_р=Е_р1+Е_р2; асинхронные двигатели развивают одинаковые моменты, работая как два обычных асинхронных двигателя. При температуре t₁=t_1max сигналы I_у, α_с, β и ω_в максимальны. При этом угол β достигает 180° эл., т.е. статор асинхронного двигателя 11 займет положение, при котором скорость вращения ω_вmax будет из-за сопротивления полупроводникового термоэлектрического охладителя 15 на 6-10% меньше синхронной. Поэтому с целью защиты тепловой машины от перегрева в экстремальных климатических условиях или при чрезмерном загрязнении воздушно-жидкостного радиатора для увеличения подачи вентилятора и теплоотвода воздушно-жидкостного радиатора система снабжена устройством замыкания 16 роторных обмоток асинхронных двигателей, подключенным ко второму выходу микропроцессорного контроллера 8.

При изменении скорости вращения ω_в от 0 до ω_{в max} изменяется скольжение асинхронных двигателей от 1,0 до S_min. Мощность скольжения асинхронного двигателя зависит от скольжения асинхронных двигателей 11 и 12. При вентиляторной нагрузке имеет максимальное значение 15% от номинальной мощности асинхронного двигателя при скольжении 0,25 (т.е. при 75% синхронной скорости вращения) (см. фиг.2 - зависимости относительной мощности на валу вентилятора N_в (линия 1) и относительной мощности скольжения асинхронного двигателя Р_s (линия 2) от относительной скорости вращения ω_в). В предлагаемой системе регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины энергия скольжения асинхронных двигателей используется для охлаждения охлаждающей среды в системе охлаждения тепловой машины с помощью полупроводникового термоэлектрического охладителя 15. Полупроводниковый термоэлектрический охладитель дает возможность преобразования электрической энергии в холод 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 предлагаемой системе регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины охлаждение тепловой машины осуществляется двумя путями: путем охлаждения охлаждающей среды атмосферным воздухом, продуваемым с помощью вентилятора 13 через воздушно-жидкостный радиатор 4, и путем охлаждения охлаждаемой среды с помощью полупроводникового термоэлектрического охладителя 15, использующего электрическую энергию скольжения асинхронных двигателей для преобразования ее в холод. Использование энергии скольжения асинхронных двигателей значительно повышает КПД такого электрического привода вентилятора и увеличивает эффективность работы предлагаемой системы регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины.

Перечень фигур

Фиг.1. Принципиальная схема предлагаемой системы регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины.

Фиг.2. Зависимости относительной мощности на валу вентилятора и относительной мощности скольжения асинхронного двигателя от относительной скорости вращения.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения

В системе регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины, содержащей: систему охлаждения с воздушно-жидкостным радиатором и насосом, соединенными трубопроводами, с размещенным в них датчиком температуры; вентилятор; асинхронные двигатели, статорные обмотки которых подключены к генератору переменного тока, приводимому от тепловой машины, вал вентилятора соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, роторные обмотки которых соединены последовательно и подключены к выпрямителю. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с датчиком температуры посредством первого блока управления и микропроцессорного контроллера, к которому подключен второй блок управления тепловой машиной. В трубопровод системы охлаждения на выходе из тепловой машины включен полупроводниковый термоэлектрический охладитель, соединенный с выходом выпрямителя; система регулирования снабжена устройством замыкания роторных обмоток асинхронных двигателей, подключенным к микропроцессорному контроллеру.

Источники информации

1. А.с. 206627 (СССР). Устройство для автоматического регулирования температуры охлаждающей среды холодильника тепловоза /Луков Н.М. - Опубл. в БИ 1967, №1.

2. А.с. 246165 (СССР). Устройство для регулирования температуры в системе охлаждения. /Луков Н.М. - Опубл. в БИ 1969, №20.

3. А.с. 437841 (СССР). Вентилятор переменной производительности. /Луков Н.М. - Опубл. в БИ 1974, №28.

4. А.с. 437840 (СССР). Система автоматического регулирования потока охлаждающей среды тепловой машины. /Луков Н.М. - Опубл. в БИ 1974, №28.

5. Петрожицкий А.А., Цурган О.В., Петраков В.А., Луков Н.М., Огарков А.Г. Разработка и исследование двигатель-вентилятора переменной подачи для автоматических систем регулирования температуры /Труды ВНИТИ, вып.41, 1975, стр.106-115.

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

7. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, (1977), 1995.

8. Башарин А.В., Новиков В.А., Соколовский Г.Г. Управление электроприводами. - М.: Энергоиздат, 1982.

9. Коленко Е.А. Термоэлектрические охлаждающие приборы. - Л.: Наука, 1967. - 283 с.

10. Вайнер А.П. Каскадные термоэлектрические источники холода. - М.: Советское радио, 1976.

11. Наер В.А., Гарачук В.К. Теоретические основы термоэлектрических охладителей. - Одесса, ОПИ, 1982. - 119 с.

12. Термоэлектрические охладители /Э.М.Лукишер, А.Л.Вайнер, М.Н.Сомкин, В.Ю.Водолагин: Под ред. А.Л.Вайнера. - М.: Радио и связь, 1983. - 177 с.

Изобретение относится к области машиностроения. Система регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины содержит: систему охлаждения с воздушно-жидкостным радиатором и насосом, соединенными трубопроводами, с размещенным в них датчиком температуры; вентилятор; асинхронные двигатели, статорные обмотки которых подключены к генератору переменного тока, приводимому от тепловой машины, вал вентилятора соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, роторные обмотки которых соединены последовательно и подключены к выпрямителю. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с датчиком температуры посредством первого блока управления и микропроцессорного контроллера, к которому подключен второй блок управления тепловой машиной. В трубопровод системы охлаждения на выходе из тепловой машины включен полупроводниковый термоэлектрический охладитель, соединенный с выходом выпрямителя; система регулирования снабжена устройством замыкания роторных обмоток асинхронных двигателей, подключенным к микропроцессорному контроллеру. Изобретение позволяет повысить устойчивость регулирования и уменьшить затраты энергии на охлаждение тепловой машины. 2 ил.

Система регулирования температуры охлаждающей среды тепловой машины, содержащая систему охлаждения с воздушно-жидкостным радиатором и насосом, соединенные трубопроводами с размещенным в них датчиком температуры, вентилятор, асинхронные двигатели, статорные обмотки которых подключены к генератору переменного тока, приводимому от тепловой машины, отличающаяся тем, что вал вентилятора соединен с валами двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, роторные обмотки которых соединены последовательно и подключены к выпрямителю, статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с датчиком температуры посредством первого блока управления и микропроцессорного контроллера, к которому подключен второй блок управления, в трубопровод системы охлаждения включен полупроводниковый термоэлектрический охладитель, соединенный с выходом выпрямителя, система регулирования снабжена устройством замыкания роторных обмоток асинхронных двигателей, подключенным к микропроцессорному контроллеру.