АВТОМАТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ТЯГОВОГО ТРАНСФОРМАТОРА ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА Российский патент 2006 года по МПК B60K11/00 H01F27/08 

Предлагаемое изобретение относится к области электромашиностроения, в частности к автоматическим системам контроля и регулирования температуры тяговых электрических машин и трансформаторов, например, тягового электрического подвижного состава переменного тока электрических железных дорог. На электрических железных дорогах переменного тока напряжение питания в контактной сети равно 25 кВ и может изменяться в пределах 19÷29 кВ. Напряжение питания тяговых электродвигателей тягового электрического подвижного состава составляет 3 кВ, поэтому применение на нем тяговых трансформаторов необходимо [1]. Электрические железные дороги работают при температуре наружного воздуха, изменяющейся в пределах от -50 до +40°С [2]. Для охлаждения тяговых трансформаторов и другого тягового электрооборудования применяют воздушные и воздушно-жидкостные системы охлаждения.

Известно устройство для управления вентиляторами дутья силовых трансформаторов с масляным охлаждением [3], которое с целью сокращения расхода электроэнергии снабжено термометрическими сигнализаторами и реле тока. Такие устройства работают в релейном режиме, что приводит к значительным колебаниям температуры трансформатора, к снижению его надежности и к увеличенным затратам энергии на охлаждение трансформатора [4, 5].

Известен способ управления вентиляторами дутья силовых трансформаторов с воздушно-масляным охлаждением, при котором измеряют температуру верхних слоев масла, ток нагрузки и температуру охлаждающего воздуха [6]. Затем по формулам, полученным из условий минимальных потерь электрической энергии, и в зависимости от тока нагрузки и температуры охлаждающего воздуха определяют оптимальную температуру верхних слоев масла, которую сравнивают с измеренным значением температуры верхних слоев масла. При достижении фактической температуры масла расчетного значения вентиляторы дутья включаются, а при снижении фактической температуры ниже расчетной - выключаются. При этом способе температура трансформатора также регулируется релейно, что снижает надежность трансформатора и увеличивает затраты энергии на его охлаждение.

Известно устройство автоматического управления вентиляторами дутья силовых трансформаторов с воздушно-масляным охлаждением, в котором с целью повышения надежности устройства применены датчик температуры масла, датчик температуры охлаждающего воздуха, датчик тока нагрузки и сумматор этих сигналов [7]. Указано, что устройство обеспечивает повышение точности реализации требуемых характеристик путем включения и отключения вентиляторов. Таким образом, это устройство также работает в релейном режиме, что снижает надежность трансформатора и увеличивает затраты энергии на его охлаждение.

Известно устройство автоматического управления вентиляторами дутья силовых трансформаторов с воздушно-масляным охлаждением, в котором применены два термометрических сигнализатора и два реле тока, а также реле времени и магнитный пускатель [8]. С целью сокращения расхода электрической энергии на двигатели вентиляторов дутья, повышения надежности устройства оно снабжено двумя сигнальными реле, включенными в цепи термометрических сигнализаторов. Это устройство также работает в релейном режиме, что снижает надежность трансформатора и увеличивает затраты энергии на его охлаждение.

Известно устройство автоматического управления дутьевыми охладителями силовых трансформаторов с воздушно-масляным охлаждением, которое содержит датчик температуры масла, датчик тока нагрузки, модель теплового процесса обмотки трансформатора и сумматор сигналов [9]. Устройство также работает в релейном режиме и ему присущи все недостатки релейных устройств регулирования. Кроме того, модель теплового процесса обладает тем недостатком, что с течением времени, не достаточно точно отражает статические и динамические свойства обмотки.

На тяговом электрическом подвижном составе переменного тока не применяются индивидуальные системы охлаждения и регулирования температуры тяговых трансформаторов, которые имеют воздушно-масляное охлаждение [1, 2, 10, 11]. Регулирование температуры масла на выходе из бака трансформатора осуществляется при постоянном расходе охлаждающего воздуха через воздушно-масляные теплообменники путем включения и выключения электропривода масляного насоса (20÷45 включений в час), что приводит к колебаниям температуры масла в значительном (10÷20°С) диапазоне. Превышение температуры масла над температурой охлаждающего воздуха составляет 15÷37°С [11]. В [11] установлено, что наиболее вероятными причинами массового выхода из строя масляных насосов на электровозах ВЛ65 и попадания металла в трансформаторное масло являются:

1. Переохлаждение трансформаторного масла в зимний период эксплуатации и работа масляного насоса на масле с недопустимо высокой вязкостью (из-за очень низкой температуры масла).

2. Увеличенное (по сравнению с электровозом ВЛ85) в два раза количество включений масляного насоса, особенно в зимний период эксплуатации.

Для исключения массового выхода из строя масляных насосов и попадания металла в трансформаторное масло в [11] предлагается поддерживать постоянную температуру трансформатора на уровне примерно 45÷50°С (что подтверждается и мировым опытом электровозостроения), тогда как в настоящее время поддерживается (!) постоянный перегрев (т.е. превышение температуры). При этом температура трансформатора изменяется в зависимости от температуры наружного охлаждающего воздуха в пределах примерно (-30÷+60°С), что негативно сказывается не только на работоспособности масляного насоса, но и трансформатора в целом. В [11] отмечается, что поддерживать постоянную температуру трансформатора можно при регулировании температуры путем изменения расхода охлаждающего воздуха через теплообменники. В [11] предлагается релейная система регулирования температуры масла трансформатора путем дросселирования воздуха, проходящего через теплообменники. Известно [4, 5], что релейное регулирование температуры снижает надежность трансформатора и его системы охлаждения и увеличивает затраты энергии на его охлаждение.

Предлагаемая непрерывная автоматическая система регулирования температуры тягового трансформатора тягового транспортного средства не имеет недостатков, присущих известным автоматическим устройствам и системам регулирования температуры тяговых трансформаторов.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности тягового трансформатора и его системы охлаждения и уменьшении затрат энергии на его охлаждение. Предлагаемое изобретение предназначено для использования в тяговом электрическом подвижном составе (электровозы, электропоезда и др.), питаемом высоким переменным напряжением.

Автоматическая система регулирования температуры тягового трансформатора тягового транспортного средства содержит следующие основные элементы (чертеж. Принципиальная блок-схема автоматической системы регулирования температуры тягового трансформатора тягового транспортного средства): провод 1 контактной сети; токоприемник 2; бак 4 с охлаждающей жидкостью; тяговый трансформатор, имеющий магнитопровод 3, сетевую обмотку 5, тяговую обмотку 6 для питания тяговых выпрямителей, обмотку собственных нужд (расщепители фаз, электроприводы насосов и вентиляторов, полупроводниковые преобразователи и др.) 7; трубопроводы охлаждающей жидкости (масла, смеси этиленгликоля с дистиллированной водой и др.) 8 и 9; индуктивное сопротивление тяговой нагрузки (реакторы, тяговые электродвигатели и др.) 10; активное сопротивление тяговой нагрузки 11; датчик 12 тока нагрузки тягового трансформатора, установленный на выходе трансформатора; датчик 13 температуры охлаждающей жидкости на выходе из бака 4 трансформатора, установленный в трубопровод на выходе охлаждающей жидкости из бака 4 трансформатора; охладитель (воздушные охладители охлаждающей жидкости - теплообменники) 14; датчик 15 температуры наружного охлаждающего воздуха и датчик 16 подачи осевого вентилятора, установленные в воздухопроводе за осевым вентилятором; датчик 17 угла наклона лопастей осевого вентилятора; механизм 18 поворота лопастей осевого вентилятора; осевой вентилятор 19; датчик 20 частоты вращения вала осевого вентилятора; микропроцессорный контроллер 21 с программой минимизации затрат энергии на электропривод осевого вентилятора; электропривод 22 осевого вентилятора; датчик 23 мощности, потребляемой электроприводом осевого вентилятора; насос охлаждающей жидкости 24 с его электроприводом 25.

К семи входам микропроцессорного контроллера 21 (см. чертеж) подключено семь датчиков: датчик 13 температуры охлаждающей жидкости подключен к первому входу, датчик 12 тока нагрузки тягового трансформатора подключен ко второму входу, датчик 15 температуры наружного охлаждающего воздуха подключен к третьему входу, датчик 16 подачи осевого вентилятора подключен к четвертому входу, датчик 17 угла наклона лопастей осевого вентилятора подключен к пятому входу, датчик 20 частоты вращения вала осевого вентилятора подключен к шестому входу, а датчик 23 мощности, потребляемой электроприводом осевого вентилятора, подключен к седьмому входу.

К трем выходам микропроцессорного контроллера 21 (см. чертеж) подключены следующие элементы системы: электропривод 22 осевого вентилятора 19 подключен к первому выходу, электропривод 25 насоса 24 подключен ко второму выходу, а механизм 18 поворота лопастей осевого вентилятора 19 подключен к третьему выходу.

Технический результат от применения предлагаемой автоматической системы регулирования температуры тягового трансформатора тягового транспортного средства заключается в значительном повышении надежности тягового трансформатора и его системы охлаждения и в снижении затрат энергии на его охлаждение. Это достигается путем обеспечения непрерывного качественного регулирования температуры (без ее колебаний) и автоматического выбора таких значений частоты вращения и угла наклона лопастей осевого вентилятора, при которых достигаются наименьшие затраты энергии на его привод.

Технический результат обеспечивается тем, что автоматическая система регулирования температуры тягового трансформатора тягового транспортного средства дополнительно содержит следующие элементы: датчик 16 подачи осевого вентилятора; датчик 17 угла наклона лопастей осевого вентилятора; механизм 18 поворота лопастей осевого вентилятора; датчик 20 частоты вращения вала осевого вентилятора; микропроцессорный контроллер 21 с программой минимизации затрат энергии на электропривод осевого вентилятора; датчик 23 мощности, потребляемой электроприводом осевого вентилятора.

Предлагаемая автоматическая система регулирования температуры тягового трансформатора тягового транспортного средства работает следующим образом в соответствии с алгоритмами ее работы, заложенными в микропроцессорный контроллер 21. При температуре Т₁ охлаждающей жидкости на выходе из бака 4 с охлаждающей жидкостью ниже заданного значения сигнал U₁ на выходе датчика 13 температуры охлаждающей жидкости, а также сигналы U₈ и U₉ на выходе микропроцессорного контроллера 21 такие, что включен электропривод 25 насоса 24 и частота вращения n_в и подача Q осевого вентилятора 19 равны нулю. При повышении температуры Т₁ охлаждающей жидкости выше заданного значения выходные сигналы U₁ датчика 13 температуры охлаждающей жидкости и U₉ микропроцессорного контроллера 21 увеличиваются, что приводит к увеличению частоты вращения n_в и подачи Q осевого вентилятора 19 и к увеличению теплоотвода в охладителе 14. Это увеличение подачи Q осевого вентилятора 19 происходит до тех пор пока температура Т₁ не достигнет заданного значения.

Если ток нагрузки I_н тягового трансформатора начнет увеличиваться, то это приводит к увеличению выходных сигналов U₂ датчика 12 тока нагрузки и U₉ микропроцессорного контроллера 21, что в свою очередь приводит к увеличению частоты вращения n_в и подачи Q осевого вентилятора 19 и к увеличению теплоотвода в охладителе 14 без изменения температуры T₁. Это изменение подачи Q осевого вентилятора 19 происходит каждый раз при изменении тока нагрузки I_н тягового трансформатора.

Увеличение температуры Т₃ наружного охлаждающего воздуха приводит к увеличению выходных сигналов U₃ датчика 15 температуры наружного охлаждающего воздуха и U₉ микропроцессорного контроллера 21. Это в свою очередь приводит к увеличению частоты вращения n_в и подачи Q осевого вентилятора 19 и к увеличению теплоотвода в охладителе 14. Это изменение подачи Q осевого вентилятора 19 происходит каждый раз при изменении температуры Т₃ наружного охлаждающего воздуха.

Таким образом, изменения тока нагрузки I_н тягового трансформатора или температуры Т₃ наружного охлаждающего воздуха приводят к соответствующим изменениям частоты вращения n_в и подачи Q осевого вентилятора 19 при сохранении регулируемой температуры Т₁ на заданном уровне. Такое комбинированное регулирование температуры Т₁ с использованием дополнительных сигналов управления по току нагрузки тягового трансформатора и по температуре наружного охлаждающего воздуха, которые суммируются с сигналом по регулируемой температуре Т₁, обеспечивает точное поддержание ее на заданном уровне без колебаний. Известно, что только комбинированные системы регулирования температуры имеют большие запасы устойчивости и высокие показатели качества работы [12]. Это значительно повышает надежность тягового трансформатора и его системы охлаждения.

Непрерывное регулирование регулируемой температуры Т₁ снижает затраты энергии на охлаждение по сравнению с релейным регулированием в несколько (4-6) раз [4, 5]. КПД осевого вентилятора зависит от частоты вращения вала n_в и от угла наклона лопастей α. Эти зависимости КПД имеют максимумы при определенных значениях частоты вращения вала n_в и угла наклона лопастей α [13, стр.194, 195]. Поэтому в предлагаемой автоматической системе регулирования температуры тягового трансформатора тягового транспортного средства применена программа минимизации затрат энергии на электропривод 22 осевого вентилятора 19. Автоматическая система регулирования температуры в соответствии с программой минимизации затрат энергии на электропривод выбирает такие значения частоты вращения n_в и угла наклона лопастей α осевого вентилятора (при заданной подаче Q осевого вентилятора 19), при которых КПД осевого вентилятора и КПД электропривода осевого вентилятора принимают максимальные значения. Максимальные значения КПД определяются по минимуму мощности, потребляемой электроприводом вентилятора, при данном режиме работы автоматической системы регулирования температуры, для чего используется датчик 23 мощности, потребляемой электроприводом осевого вентилятора.

Источники информации

1. Игонин А.И., Барановский Е.Ф., Куканов В.П. Трансформаторы и реактивное оборудование электроподвижного состава. - М.: Транспорт, 1981. - 142 с.

2. Дубровский З.М., Попов В.И., Тушканов Б.А. Грузовые электровозы переменного тока: Справочник. - М.: Транспорт, 1998. - 503 с.

3. A.c. SU 1089636 (СССР). Устройство для управления вентиляторами дутья силовых трансформаторов с масляным охлаждением / М.Л.Ланда, Ю.Б.Шур, БИ №16. 1984.

4. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1977. - 224 с.

5. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995. - 271 с.

6. A.c. SU 1341686 (СССР). Способ управления вентиляторами дутья силовых трансформаторов с масляным охлаждением / М.Л.Ланда, Ю.Б.Шур, М.М.Михайлова и В.В.Зорин, БИ №36, 1987.

7. A.c. SU 1394246 (СССР). Устройство автоматического управления вентиляторами дутья силовых трансформаторов /Я.К.Розенкорн, М.А.Бики, В.В.Биманис и Я.К.Чукурс, БИ №17, 1988.

8. A.c. SU 1464221 (СССР). Устройство управления вентиляторами дутья силовых трансформаторов с масляным охлаждением /М.А.Бики, А.И.Назаров, В.С.Сероштанов, В.В.Соколов и В.Я.Филиппшин, БИ №9, 1989.

9. A.c. SU 1621088 (СССР). Устройство автоматического управления дутьевыми охладителями силовых трансформаторов /Я.К.Розенкорн, Л.В.Васильев, В.Н.Аринсон, Я.К.Чукрус и А.В.Путниньш, БИ №2, 1991.

10. Ротанов Н.А., Захарченко Д.Д. Тяговые электрические машины и трансформаторы. - М.: Транспорт, 1995.

11. Исследование тепловых режимов тяговых трансформаторов электровозов ВЛ85 и разработка мероприятий по повышению их надежности //О.И.Скогорев, Л.И.Матвеев, В.В.Злобин и др. Сб. науч. тр. Всероссийского научно-исследовательского и проектно-конструкторского института электровозостроения (ВЭлНИИ). Электровозостроение, Новочеркасск, 1999, вып.41, с.310-318.

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

13. Куликов Ю.А. Системы охлаждения силовых установок тепловозов. - М.: Машиностроение, 1988. - 280 с. (с.195).

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к автоматическим системам контроля и регулирования температуры тяговых электрических машин и трансформаторов. Система содержит тяговый трансформатор, бак 4 и охладитель 14, соединенные трубопроводами, насос 24 с электроприводом 25, осевой вентилятор 19 с электроприводом 22, датчик температуры охлаждающей жидкости 13, датчик тока нагрузки 12 тягового трансформатора, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха 15, датчик подачи 16 осевого вентилятора, датчик угла наклона лопастей 17 осевого вентилятора, механизм поворота лопастей 18 осевого вентилятора, датчик частоты вращения вала 20 осевого вентилятора, датчик мощности 23, потребляемой электроприводом осевого вентилятора, микропроцессорный контроллер 21 с алгоритмами работы системы регулирования и с программой минимизации затрат энергии на электропривод осевого вентилятора. Микропроцессорный контроллер входами соединен со всеми датчиками системы, а выходами соединен с механизмом поворота лопастей осевого вентилятора и с электроприводами осевого вентилятора и насоса. Изобретение позволяет повысить надежность тягового трансформатора и его системы охлаждения, а также уменьшить затраты энергии на его охлаждение. 1 ил.

Автоматическая система регулирования температуры тягового трансформатора тягового транспортного средства, содержащая тяговый трансформатор, сетевая обмотка которого подключена к токоприемнику, тяговая - к тяговой нагрузке, а обмотка собственных нужд - к вспомогательным потребителям, обмотки и магнитопровод тягового трансформатора размещены в баке с охлаждающей жидкостью, соединенном трубопроводами с охладителем; насос с электроприводом, предназначенный для прокачки охлаждающей жидкости через бак и охладитель; осевой вентилятор с электроприводом, предназначенный для подачи наружного охлаждающего воздуха к охладителю; датчик температуры охлаждающей жидкости; датчик тока нагрузки тягового трансформатора; датчик температуры наружного охлаждающего воздуха, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит датчик подачи осевого вентилятора, механизм поворота лопастей осевого вентилятора, датчик угла наклона лопастей осевого вентилятора, датчик частоты вращения вала осевого вентилятора, датчик мощности, потребляемой электроприводом осевого вентилятора, микропроцессорный контроллер с алгоритмами работы системы регулирования и с программой минимизации затрат энергии на электропривод осевого вентилятора; в которой предусмотрен выбор таких значений угла наклона лопастей и скорости вращения вала осевого вентилятора, которые при данной необходимой подаче наружного охлаждающего воздуха к охладителю при данных значениях температуры охлаждающей жидкости, тока нагрузки тягового трансформатора и температуры наружного охлаждающего воздуха, соответствуют наибольшим значениям КПД осевого вентилятора и КПД электропривода осевого вентилятора и наименьшим затратам энергии на электропривод осевого вентилятора, что определяется по датчику мощности, потребляемой электроприводом осевого вентилятора; к семи входам микропроцессорного контроллера подключены датчик температуры охлаждающей жидкости - к первому входу, датчик тока нагрузки тягового трансформатора - ко второму входу, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха - к третьему его входу, датчик подачи осевого вентилятора - к четвертому входу, датчик угла наклона лопастей осевого вентилятора - к пятому входу, датчик частоты вращения вала осевого вентилятора - к шестому входу, а датчик мощности, потребляемой электроприводом осевого вентилятора - к седьмому входу; первый выход микропроцессорного контроллера соединен с электроприводом осевого вентилятора, второй его выход - с электроприводом насоса, а третий выход - с механизмом поворота лопастей осевого вентилятора.