УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНО-ВЛАЖНОСТНЫХ РЕЖИМОВ ОБМОТОК ТЯГОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА Российский патент 2007 года по МПК H02K9/06 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к автоматическим системам контроля и регулирования температурно-влажностного режима, а также защиты от перегрева и переувлажнения изоляции обмоток электрических машин, например обмоток тяговых электрических машин электровозов.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство для автоматического регулирования температуры обмотки тяговой электрической машины постоянного тока [1]. Недостатком данного устройства является то, что оно не может быть использовано для автоматического контроля и регулирования влажности изоляции обмоток тяговых электрических машин электровозов.

Предлагаемое устройство для автоматического регулирования температурно-влажностного режима обмоток электрической машины постоянного тока 1 (см. фиг.1) содержит канал 2 для охлаждающей среды; вентилятор 3 с управляемым приводом 4; перфорированный электросушитель воздуха 25 с управляемым преобразователем мощности 24 и с датчиком тока I_э 28; датчики 5 и 26 температуры Т_вз и влажности W_вз охлаждающе-нагревающей среды с преобразователями 6 и 27; датчики 7, 8 и 9 падения напряжения Δu_гп, Δu_ко и Δu_дп, соответственно на обмотке главных 10 полюсов, на компенсационной обмотке 11 и на обмотке добавочных 12 полюсов электрической машины; датчик 13 частоты вращения n_д вала электрической машины; датчик 14 тока I_д и датчик 15 напряжения U_д на зажимах электрической машины; датчик 16 частоты вращения n_в вала вентилятора, пропорциональной подаче G_вз вентилятора; блоки 17, 18 и 19 расчета значений омического сопротивления в горячем состоянии R_гпа^г, R_коa^г и R_дпа^г, соответственно обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов, причем на вход блока 17 подают выходные сигналы преобразователей 7 и 14, на вход блока 18 подают выходные сигналы преобразователей 8 и 14, а на вход блока 19 подают выходные сигналы преобразователей 9 и 14; блок 20 расчета (измерений БИ) значений средней температуры и влажности изоляции обмотки главных (Т_гпа^ср) полюсов, компенсационной обмотки (Т_коа^ср) и обмотки добавочных (Т_дпа^ср) полюсов (являющихся измеренными значениями температуры этих обмоток в соответствии с правилами измерения температуры обмоток электрических машин стандартным методом сопротивления), причем на вход блока 20 подают выходные сигналы блоков 17, 18 и 19, в блок 20 вводят также значения сопротивления обмотки главных R_гпa^х полюсов, компенсационной обмотки R_коа^х и обмотки добавочных R_дпа^х полюсов в холодном состоянии; блок 21 расчета величины мощности Р_д электрической машины, причем на вход блока 21 подают выходные сигналы преобразователей 14 и 15; блок 22 вычислений, содержащий математическую модель тяговой электрической машины как тепловлажностного объекта, позволяющую определять нестационарное поле распределения температур в ней как едином тепловлажностном объекте при работе в электрической цепи локомотива в реальных условиях эксплуатации и расчетным путем определять значения максимальной локальной температуры и влажности изоляции вращающейся якорной обмотки Т_яa^р, обмотки главных Т_гпа^р полюсов, компенсационной обмотки Т_коа^р и обмотки добавочных Т_дпа^р полюсов тяговой электрической машины в зависимости от регулирующих (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 22 подают выходные сигналы преобразователей 6, 13, 14, 15, 16, 20, 21 и 27, в блок 22 вводят также заданные значения максимальной локальной температуры и влажности изоляции якорной обмотки Т_яа^з, обмотки главных Т_гпа^з полюсов, компенсационной обмотки Т_коа^з и обмотки добавочных Т_дпа^з полюсов тяговой электрической машины; монитор М (поз.23) 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_гпa^х, R_коа^х, R_дпа^х Т_яа^з, Т_гпа^з, Т_коа^з и Т_дпа^з для данного типа тяговой электрической машины. В соответствии с заложенной программой в ЭВМ вводят сигналы с измерительных преобразователей 6, 7, 8, 9, 13, 14, 15 и 16. В блоке 22 (фиг.1), содержащем математическую модель MM тяговой электрической машины как теплового объекта (поз.29 на фиг.2), производят расчетное определение значений Т_яа^р, Т_гпа^р, Т_коа^р и T_дпа^р, а также значений средней температуры обмотки главных (Т_гпа^ср)^р полюсов, компенсационной обмотки (Т_коа^ср)^р и обмотки добавочных (Т_дпа^ср)^р полюсов по измеренным значениям Т_вз, n_д, I_д, U_д и n_в. В блоках 17, 18 и 19 по измеренным значениям ΔU_гп, ΔU_ко, ΔU_дп и I_д рассчитывают значения R_гпa^r R_коа^r и R_дпа^r. В блоке 20 рассчитывают значения (Т_гпа^ср)^и, (Т_коа^ср)^и и (Т_дпа^ср)^и, являющиеся измеренными значениями средней температуры обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов электрической машины, информацию о них выводят на монитор 23 и вводят также в блок коррекции БК (поз.31 на фиг.2) блока БВ. В блоке 31 проводят сравнение рассчитанных и измеренных значений средней температуры обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов.

Если расхождение в результатах расчетов и измерений находится в допустимых пределах, с блока 31 подают на вход блока 29 воздействие α, корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры якорной обмотки Т_яа^р обмотки главных Т_гпа^р полюсов, компенсационной обмотки Т_коа^р и обмотки добавочных Т_дпа^р полюсов. Далее в блоке сравнения БС (поз.30) проводят сравнение рассчитанных значений Т_яа^р, Т_гпа^р, Т_коа^р и Т_дпа^р с заданными значениями Т_яа^з, Т_гпа^з, Т_коа^з и Т_дпа^з и вырабатывают сигналы рассогласования, представляющие собой разность между рассчитанными и заданными значениями максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов: (Т_яа^р-Т_яа^з), (Т_гпа^р-Т_гпа^з), (Т_коа^р-Т_коа^з) и (Т_дпа^р-Т_дпа^з). При нагревании обмоток электрической машины, если (Т_яа^р-Т_яа^з)2 0, (Т_гпа^р-Т_гпа^з)2 0, (Т_коа^р-Т_коа^з)2 0 и (Т_дпа^р-Т_дпа^з)2 0, то цикл расчетного определения величин Т_яа^р, Т_гпа^р, Т_коа^р и T_дпa^p повторяют, причем расчет проводят при новых измеренных значениях Т_вз, U_д, I_д, U_д и U_в. Если какой-либо из сигналов рассогласования (Т_яа^р-Т_яа^з)>0, (Т_гпа^р-Т_гпа^з)>0, (Т_коа^р-Т_коа^з)>0 или (Т_дпа^р-Т_дпа^з)>0, то его подают на вход блока формирования БФ сигнала управляющего воздействия (поз.27), где сигнал корректируют по величине возмущающих воздействий Р_дв, I_д и Т_вз.

С выхода блока 32 подают сигнал (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_яа^р, Т_гпа^р Т_коа^р или Т_дпа^р поддерживается в заданных пределах. Значения Т_яа^р, Т_гпа^р, Т_коа^р и Т_дпа^р выводятся на монитор 23. Если условие (Т_яа^р-Т_яа^з)>0 выполняется, и при этом выполняется одно из условий (Т_гпа^р-Т_гпа^з)>0, (Т_коа^р-Т_коа^з)>0 или (Т_дпа^р-Т_дпа^з)>0, то на вход блока 27 подают сигнал рассогласования (Т_яа^р-Т_яа^з), поскольку наименьший ресурс по тепловому фактору имеет изоляция якорной обмотки. Если (Т_яа^р-Т_яа^з)2 0, но при этом одновременно выполняются условия (Т_гпа^р-Т_гпа^з)>0, (Т_коа^р-Т_коа^з)>0 и (Т_дпа^р-Т_дпа^з)>0, то на вход блока 27 подают максимальный по величине сигнал. Оптимальный подход к выбору заданных значений Т_яа^з, Т_гпа^з, Т_коа^з и Т_дпа^з должен обеспечить наибольший ресурс изоляционных материалов обмоток, определяющий в основном долговечность электрической машины, при минимуме расхода электроэнергии на функционирование устройства для автоматического регулирования температуры обмоток.

Если расхождение в результате расчетов и измерений значений средней температуры обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки 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 31 подают сигнал β о переводе устройства в аварийный режим работы на вход блока 32, далее с выхода блока 32 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 причин на монитор 23.

При движении локомотива на выбеге, когда измеряемые параметры U_д=0 и I_д=0, величины Т_яа^р, Т_гпа^р, Т_коа^р и Т_дпа^р определяют расчетным путем в блоке 29, содержащем математическую модель, по последним значениям Т_яа^р, Т_гпа^р, Т_коа^р и Т_дпа^р на момент отключения напряжения питания электрической машины и измеренным значениям Т_вз, n_д и n_в, далее сравнивают в блоке 30 расчитанные значения Т_яа^р, Т_гпа^р, Т_коа^р и Т_дпа^р с заданными Т_яа^з, Т_гпа^з, Т_коа^з и Т_дпа^з. При уменьшении сигналов рассогласования (Т_яа^р-Т_яа^з), (T_гпa^р-T_гпa^з), (Т_коа^р-Т_коа^з) и (Т_дпа^р-Т_дпа^з) подают с выхода блока 32 сигнал γ на вход управляемого привода вентилятора, и далее, при полном выполнении условий (Т_яа^р-Т_яа^з)2 0, (Т_гпа^р-Т_гпа^з)2 0, (Т_коа^р-Т_коа^з)2 0 и (Т_дпа^р-Т_дпа^з)2 0, на остановку вентилятора охлаждения и прекращение подачи охлаждающей среды.

Устройство для автоматического регулирования влажности изоляции обмоток ТЭД работает аналогичным образом. При увеличении или уменьшении степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД от некоторого заданного значения W_з, пропорционально будет изменяться влажность воздуха W_вз на выходе из канала 2 охлаждающе-нагревающей среды. Система подстраивается таким образом, что при увеличении степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД увеличивается сигнал обратной связи от датчика влажности 20 и наоборот - при уменьшении степени увлажнения изоляции обмоток уменьшается сигнал обратной связи. При этом на выходе преобразователя 22 электроосушителя будет изменяться среднее напряжение и происходить увеличение подводимой мощности к электроосушителю 23 в случае увеличения степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД и уменьшение подводимой мощности к электроосушителю в случае уменьшения степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД. Таким образом, предполагается стабилизация степени увлажнения изоляции обмоток ТЭД.

Таким образом, предлагаемое устройство для автоматического регулирования температурно-влажностного режима обмоток тяговых электрических машин обеспечивает поддержание в заданных пределах предельно допустимых значений температуры и влажности изоляции ее обмоток независимо от условий и режимов работы тяговой электрической машины в процессе эксплуатации, позволяет защитить ее от перегрева и переувлажнения обмоток, обеспечить качественные устойчивые процессы регулирования температуры и влажности, повысить долговечность тяговой электрической машины при минимальных затратах электроэнергии на функционирование системы охлаждения и осушения, стабилизировать степень увлажнения изоляции обмоток ТЭД.

Источник информации

1. Решение о выдаче патента на полезную модель №2003108646/20(009620). Устройство для автоматического регулирования температуры тяговой электрической машины постоянного тока / В.П.Смирнов, В.В.Макаров, A.M.Худоногов, И.А.Худоногов, Е.В.Ефремов, И.С.Пехметов. - Приоритет от 31.03.2003.

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к автоматическим системам контроля и регулирования температурно-влажностного режима, а также защиты от перегрева и переувлажнения электрических машин, например тяговых электрических машин электровозов. Технический результат, заключающийся в обеспечении поддержания в заданных пределах оптимальных значений температуры и влажности изоляции обмоток электрической машины, достигается тем, что в блок вычисления электрической машины введены блок, содержащий математическую модель температурно-влажностного режима электрической машины причем на входы блока, содержащего математическую модель, подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины и электросушителя, частоты вращения вала электрической машин, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающей среды, влажности воздуха на выходе из охлаждающего канала, а также воздействие, корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры и влажности изоляции якорной обмотки, обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов, блок коррекции, в котором проводят сравнение рассчитанных и измеренных значений средней температуры и влажности изоляции обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов, причем на вход блока коррекции подают с выхода блока, содержащего математическую модель, рассчитанные значения средней температуры и влажности изоляции, обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов с выхода блока измерений - измеренные значения средней температуры и влажности изоляции 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 и влажности изоляции якорной обмотки, обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов, блок сравнения, в котором проводят сравнении рассчитанных значений максимальной температуры и влажности изоляции якорной обмотки, обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов с заданными значениями и вырабатывают сигналы рассогласования, представляющие собой разность рассчитанных и заданных значений максимальной локальной температуры и влажности изоляции якорной обмотки, обмотки главных полюсов компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов, причем на входы блока сравнения подают рассчитанные значения максимальной локальной температуры и влажности изоляции якорной обмотки, обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов с выхода блока, содержащего математическую модель, а также заданные значения максимальной локальной температуры и влажности изоляции якорной обмотки, обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки 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, температуры и влажности охлаждающей среды. Технический результат - расширение функциональных возможностей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для автоматического регулирования температурно-влажностного режима обмоток тяговой электрической машины постоянного тока с каналом для охлаждающей среды, содержащее вентилятор с управляемым приводом, датчики тока и напряжения электрической машины, датчики падения напряжения на обмотке главных полюсов, на компенсационной обмотке и на обмотке добавочных полюсов, датчики частоты вращения вала электрической машины и частоты вращения вала вентилятора, датчик температуры охлаждающей среды, блоки расчета значений омического сопротивления в горячем состоянии обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов, причем на входы каждого из указанных блоков расчета подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины и с соответствующего датчика падения напряжения на обмотке главных полюсов, компенсационной обмотке и обмотке добавочных полюсов, блок измерений значений средней температуры изоляции обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов, причем на входы указанного блока подают сигналы с выходов блоков расчета значений омического сопротивления обмотки главных полюсов, компенсационной обмотки и обмотки добавочных полюсов в горячем состоянии, а также для 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, и блок вычислений, при этом на соответствующий входы блока вычислений подают выходные сигналы датчиков частоты вращения вала электрической машины и частоты вращения вала вентилятора, датчика температуры охлаждающей среды на выходе из канала охлаждающей среды, датчиков тока и напряжения электрической машины, выходные сигналы указанного блока измерений и блока расчета величины мощности электрической машины, с выхода блока вычислений подают сигнал управляющего воздействия на вход управляемого привода вентилятора охлаждения.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для регулирования степени увлажнения изоляции обмоток тяговой электрической машины на входе канала для охлаждающей среды установлен перфорированный электросушитель воздуха с управляемым преобразователем мощности.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что для контроля степени увлажнения изоляции обмоток тяговой электрической машины на выходе из канала для охлаждающей среды установлен датчик влажности.