СПОСОБ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ БЛОКОВ ПУСКО-ТОРМОЗНЫХ РЕЗИСТОРОВ Российский патент 2012 года по МПК F01P7/00 F01P7/02 F01P5/04 F04D27/00 

Изобретение относится к способам разомкнутой вентиляции и предназначено для принудительного воздушного охлаждения блоков пуско-тормозных резисторов (БПТР) электровоза с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими от высоковольтной контактной сети постоянного тока с напряжением 3000 В.

Реостатное регулирование скоростью оборотов тяговых двигателей с помощью изменения схемы соединения секций БПТР является наиболее распространенным способом управления тягой и торможением электровоза. Регулирование сопровождается большим выделением тепла на резисторах, и требующим его эффективного принудительного отвода.

При постоянстве напряжения контактной сети нагрев резисторов и выделяющееся тепло полностью зависят от тока, протекающего через последовательно включенные резисторы и якорные обмотки тяговых двигателей (ТЭД), и прямо пропорциональны квадрату величины этого тока. Потому важно, чтобы частота вращения электродвигателей вентиляции (ЭДВ) линейным образом зависела от якорного тока, протекающего через резисторы. А скорость потока воздуха и соответственно производительность вентилятора при этом - пропорциональны квадрату тока.

Известен автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры энергетической установки транспортного средства для реализации способа охлаждения БПТР, содержащий источник электроэнергии переменного тока, управляющий орган с датчиком температуры, два одинаковых асинхронных двигателя с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к источнику электроэнергии, роторные обмотки соединены последовательно посредством резисторов, а валы соединены с валом вентилятора охлаждения. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, подключенным к управляющему органу с датчиком температуры. В устройстве также применены: датчик мощности энергетической установки, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха и датчик угла поворота статора, подключенные к входам микропроцессорного контроллера. К одному из выходов микропроцессорного контроллера подключен механизм поворота статора асинхронного двигателя. Параллельно резисторам, соединяющим роторные обмотки асинхронных двигателей, подключены рабочие обмотки дросселей насыщения (магнитных усилителей), управляющие обмотки которых подключены ко второму выходу микропроцессорного контроллера посредством блока управления. В другом исполнении в автоматическом, комбинированном микропроцессорном регуляторе температуры энергетической установки транспортного средства роторные обмотки асинхронных двигателей соединены последовательно посредством эмиттер-коллекторных переходов транзисторов, базы и эмиттеры которых подключены ко второму выходу микропроцессорного контроллера посредством блока управления транзисторами (патент РФ на изобретение №2364752, F01P 7/00).

Известен регулятор температуры энергетической установки транспортного средства для реализации способа охлаждения энергетической установки, представляющий собой регулятор температуры T₁ энергетической установки транспортного средства, содержащий источник электроэнергии переменного тока, управляющий орган с датчиком температуры, вентилятор охлаждения и два асинхронных двигателя с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к источнику электроэнергии, роторные обмотки соединены последовательно посредством резисторов, а валы соединены с валом вентилятора охлаждения; статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, подключенным к управляющему органу. Этот регулятор также имеет существенный недостаток, который заключается в следующем. В цепи роторных обмоток асинхронных двигателей постоянно включены сопротивления R_д резисторов, поэтому наибольшая частота вращения привода вентилятора охлаждения ограничивается частотой, меньшей номинальной на 6-10%. Увеличенное скольжение s приводит при угле поворота статора 180 электрических градусов к соответствующему уменьшению (на 6-10%) коэффициента полезного действия привода вентилятора охлаждения и к работе его при мощности меньше номинальной. Все это снижает технико-экономические показатели регулятора температуры. Самым простым способом ликвидации этого недостатка регулятора температуры с электрическим приводом вентилятора на переменном токе является увеличение скорости привода вентилятора охлаждения путем шунтирования при малых скольжениях дополнительных резисторов в роторной цепи. Для уменьшения бросков тока необходимо плавно уменьшать сопротивление в цепи роторных обмоток при угле поворота статора в несколько меньшем, чем 180°. Это плавное уменьшение сопротивления в цепи роторных обмоток асинхронных двигателей может быть осуществлено двумя способами: путем подключения параллельно резисторам, соединяющим роторные обмотки, управляемых индуктивных сопротивлений - дросселей насыщения (магнитных усилителей) или путем соединения роторных обмоток посредством транзисторов - управляемых полупроводниковых сопротивлений (патент РФ на изобретение №2241837, F01Р 7/00) - прототип.

Техническими задачами изобретения являются: повышение надежности и качества охлаждения БПТР электровоза путем использования в качестве ЭДВ синхронных магнитоэлектрических двигателей (МЭД) с возбуждением на постоянных магнитах, рассчитанных на достаточно низкое напряжение (не более 48 В); снижение энергопотребления и улучшение габаритно-массовых характеристик ЭДВ и системы в целом; снижение электромагнитных помех и влияния системы охлаждения на якорный ток ТЭД во всех режимах реостатного регулирования и во время переходов с реостатного на ходовой режим и обратно; обеспечение управления МЭД путем использования измерительных шунтирующих резисторов для измерения якорного тока ТЭД электровоза; защита от перегрева МЭД; решение задач диагностики и прогнозирования основных неисправностей оборудования и формирование предписаний путем использования микропроцессорных средств; обеспечение кодового взаимодействия системы для ее интеграции с верхним уровнем системы управления электровоза.

Для решения поставленной задачи предлагается способ воздушного охлаждения блоков пуско-тормозных резисторов, включающий подачу тока на электродвигатели вентиляции и управление частотой оборотов электродвигателей вентиляции, отличающийся тем, что в нем упомянутое управление частотой оборотов электродвигателей вентиляции осуществляют в зависимости от величины якорного тока пары тяговых электродвигателей, причем формирование управляющего тока производится по линейной зависимости от якорного тока с обеспечением плавного ограничения якорного тока через холодные резисторы при переключениях секций блоков пуско-тормозных резисторов во всех режимах реостатного регулирования и во время переходов с реостатного режима на ходовой режим и обратно, периодически регистрируют величину якорных токов электродвигатели вентиляции, определяют min- и mаx-значения якорного тока, по результатам определения этих значений осуществляют уменьшение или увеличение тока, поступающего на электродвигатели вентиляции для защиты их от перегрева, реостатное регулирование скоростью оборотов тяговых электродвигателей осуществляют путем переключения схемы соединения секций блоков пуско-тормозных резисторов, периодически диагностируют состояние системы охлаждения блоков пуско-тормозных резисторов и передают информацию от датчиков системы охлаждения на верхний уровень управления для принятия корректирующих действий.

На фиг.1 показана структурная схема системы воздушного охлаждения для реализации способа; на фиг.2 - структурная схема инвертора трехсекционного трехфазного для реализации способа; на фиг.3 - схема построения ДУПР для реализации способа.

На чертежах показано: 1 и 1n - первый и n-ный соответственно БУ; 2.1 и 2n - первый и n-ный соответственно ЭПВ; 3.1. и 3n - первый и n-ный соответственно трехфазные трехсекционные АИ; 4.1 и 4n - первый и n-ный соответственно ИШ; 5.1 и 5n - первый и n-ный соответственно ШТ; 6.1 и 6n - первый и n-ный соответственно МЭД вентиляторов; 7.1, 7.2, и 7.3 - первая, вторая и третья, соответственно статорные обмотки; 8.1 и 8n - первый и n-ный соответственно ДТ; 9 и 9n - первая n-ная соответственно пары ТЭД;, 10.1 и 10n - первый и n-ный соответственно БПТР; 11.1, 11.2 и 11.3 - первый, второй и третий соответственно ДУ первого и n-ного АИ 3.1 и 3n; 12.1 и 12n - первый и n-ный ДУПР на элементах Холла.

Способ реализуется следующим образом.

Исходное состояние силовых IGBT-транзисторных ключей секций инвертора 3 находится в состоянии «замкнуто», что соответствует шунтированию статорных обмоток 7 МЭД 6 вентилятора и его нерабочему состоянию. Ток охлаждаемого БПТР 10 протекает полностью через силовые ключи, минуя статорные обмотки 7. БУ 1 при подаче на него напряжения производит измерение якорного тока через охлаждаемый БПТР 10 и ТЭД 9 с помощью измерительного шунта 4. При достижении пороговой величины тока, требующей обдува резисторов, БУ1 осуществляет ШИМ-коммутацию силовых ключей инвертора через драйверы управления 11 с гальванической развязкой, обеспечивающую питание статорных обмоток 7 со скважностью, которая определяется током через охлаждаемые резисторы и обеспечивает необходимую по условиям охлаждения производительность вентилятора. Поскольку МЭД 6 рассчитан на достаточно низкое напряжение (не более 48 В), изменение режима работы системы охлаждения не оказывает существенного влияния на якорный ток ТЭД 9 при переключениях секций БПТР 10 во всех режимах реостатного регулирования и во время переходов с реостатного на ходовой режим и обратно. При этом система управления двигателем вентилятора обеспечивает ограничения тока через МЭД 6 вентиляции для защиты их от перегрева и отключения одной из фаз на заданное время для исключения бросков якорного тока.

Порядок ШИМ-коммутации силовых ключей определяется по состоянию элементов Холла, входящих в ДУПР 12 МЭД 6. ШТ 5 шунтирует силовые входы секций АИ 3 с помощью силового ШТ 5 при коротком замыкании или перегрузки по якорному току в течение заданного времени, а также перенапряжении на силовых ключах АИ 3. Данные о срабатывании ШТ 5, о якорном токе и результаты диагностики передаются по кодовому тракту в систему управления верхнего уровня электровоза.

Таким образом, в предлагаемом изобретении скорость вращения каждого МЭД вентилятора регулируется независимо от другого МЭД вентилятора и трехсекционным трехфазным автономным АИ тока.

Секции инвертора АИ, соединенные между собой по входу параллельно, подключены и включены последовательно с охлаждаемым БПТР и питаемыми через него ТЭД. Инвертор управляет частотой вращения МЭД вентиляции в соответствии с величиной якорного тока пары ТЭД, обеспечивая оптимальный расход и напор продуваемого воздуха через охлаждаемый БПТР.

При постоянстве напряжения контактной сети нагрев резисторов и выделяющееся тепло полностью зависят от тока, протекающего через последовательно включенные резисторы и якорные обмотки ТЭД и прямо пропорциональны квадрату величины этого тока. Потому важно, чтобы частота вращения электродвигателей вентиляции линейным образом зависела от якорного тока, протекающего через резисторы, а скорость потока воздуха и соответственно производительность вентилятора при этом - пропорциональны квадрату тока.

В случае перегрева или короткого замыкания статорных обмоток МЭД, а также их перегрузки или неисправности ключей АИ внутренние средства БУ производят шунтирование входов АИ, обеспечивая тем самым его защиту.

В связи с этим обеспечение экономичной, надежной и безопасной эксплуатации является основной задачей системы охлаждения БПТР, которая может быть решена путем создания системы охлаждения БПТР, работающей оптимальным образом под управлением микропроцессора и интегрированной с системой управления электровоза и улучшения габаритно-массовых и электротехнических характеристик КЭД вентиляции.

Использование активных вычислительных средств системы и связь ее с системой управления электровоза позволяют получить ряд преимуществ по сравнению с существующими пассивными системами охлаждения БПТР.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для принудительного воздушного охлаждения блоков пуско-тормозных резисторов (БПТР) электровоза с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими от высоковольтной контактной сети постоянного тока с напряжением 3000 В. Технический результат - повышение надежности и качества охлаждения БПТР электровоза, снижение энергопотребления и улучшение габаритно-массовых характеристик ЭДВ и системы в целом; снижение электромагнитных помех и влияния системы охлаждения на якорный ток ТЭД во всех режимах реостатного регулирования и во время переходов с реостатного на ходовой режим и обратно, защита от перегрева МЭД. Способ воздушного охлаждения БПТР включает подачу тока на ЭДВ и формирование предписаний, при этом управление частотой вращения ЭДВ осуществляют в зависимости от величины якорного тока пары ТЭД. Формирование управляющего тока производится по линейной зависимости от якорного тока с обеспечением плавного ограничения якорного тока через холодные резисторы при переключениях секций БПТР во всех режимах реостатного регулирования и во время переходов с реостатного режима на ходовой режим и обратно, регистрируют величину якорных токов ЭДВ, определяют min- и max-значения якорного тока. Уменьшают или увеличивают ток ЭДВ для защиты от перегрева. Диагностируют состояние системы охлаждения БПТР и передают информацию от датчиков системы охлаждения на верхний уровень управления для принятия корректирующих действий. 3 ил.

Способ воздушного охлаждения блоков пуско-тормозных резисторов, включающий подачу тока на электродвигатели вентиляции и управление частотой оборотов электродвигателей вентиляции, отличающийся тем, что в нем управление частотой оборотов электродвигателей вентиляции осуществляют в зависимости от величины якорного тока пары тяговых электродвигателей, причем формирование управляющего тока производится по линейной зависимости от якорного тока с обеспечением плавного ограничения якорного тока через холодные резисторы при переключениях секций блоков пуско-тормозных резисторов во всех режимах реостатного регулирования и во время переходов с реостатного режима на ходовой режим и обратно, периодически регистрируют величину якорных токов электродвигатели вентиляции, определяют min и max значения якорного тока, по результатам определения этих значений осуществляют уменьшение или увеличение тока, поступающего на электродвигатели вентиляции для защиты их от перегрева, реостатное регулирование скоростью оборотов тяговых электродвигателей осуществляют путем переключения схемы соединения секций блоков пуско-тормозных резисторов, периодически диагностируют состояние системы охлаждения блоков пуско-тормозных резисторов и передают информацию от датчиков системы охлаждения на верхний уровень управления для принятия корректирующих действий.