Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины

 

Изобретение используется в автоматических системах контроля и регулирования температуры электрических машин, например, локомотивов. Устройство содержит вентилятор с управляемым приводом, датчики тока нагрузки и напряжения электрической машины, падения напряжения на контролируемой обмотке, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающего агента, блок деления выходного сигнала датчика падения напряжения на выходной сигнал датчика тока нагрузки, блок умножения сигнала датчика напряжения электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки, блок вычисления температуры обмотки по измеренному значению ее сопротивления в горячем состоянии и коррекции управляющего сигнала по току нагрузки, мощности электрической машины и температуре охлаждающего агента, блок вычислений, содержащий математическую модель функционирования автоматической системы регулирования температуры электрической машины, позволяющую расчетным путем определять изменения значений температуры обмотки при отключении нагрузки электрической машины по измеренному значению температуры обмотки и количеству охлаждающего агента на момент снятия нагрузки и температуре охлаждающего агента, блок перехода, подающий команду на передачу функции регулирования либо блоку вычислений температуры обмотки по измеренному значению ее сопротивления в горячем состоянии в том случае, если напряжение на клеммах электрической машины не равно нулю, либо блоку вычислений, содержащему математическую модель, позволяющую определять значения температуры обмотки при отключении нагрузки электрической машины расчетным путем. Устройство позволяет в каждый момент времени автоматически поддерживать на заданном уровне температуру обмоток электрической машины независимо от изменения условий и режимов работы электрической машины, что приводит к уменьшению затрат энергии на охлаждение, получению качественных процессов регулирования температуры и к повышению надежности электрической машины и привода вентилятора. 1 ил.

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к автоматическим системам контроля и регулирования температуры электрических машин, например тяговых электрических машин локомотивов.

Известно устройство автоматического регулирования температуры электрической машины [1] посредством изменения количества охлаждающего воздуха в зависимости от температуры тепловой модели электрической машины с каналом для охлаждающей среды, содержащее вентилятор, тепловую модель с датчиком температуры, расположенную в канале охлаждающей среды, преобразователь сигнала датчика температуры, соединенный с приводом непрерывного действия вентилятора, тяговый электромагнит, питаемый током электрической машины, соединенный с преобразователем, установленным между датчиком температуры и электромагнитом.

Недостатком этого устройства является то, что температура электрической машины определяется не по температуре ее высоконагретой детали, а по температуре тепловой модели. Известно, что в условиях эксплуатации из-за загрязнения поверхностей отвода теплоты от нагревающихся частей электрической машины и возможных повреждений каналов охлаждающей среды температура обмоток электрической машины может значительно отличаться от температуры ее тепловой модели, к тому же, с течением времени могут изменяться свойства модели, что приводит к снижению точности регулирования температуры. Кроме того, в устройстве [1] не учитывается изменение температуры охлаждающей среды. Все это снижает качество регулирования температуры электрической машины, а значит приводит к увеличенным затратам энергии на привод вентилятора и к снижению надежности электрической машины.

Указанный последний недостаток устранен в известном устройстве непрерывного контроля и автоматического регулирования температуры электрической машины [2]. Это устройство с каналом для охлаждающей среды содержит вентилятор с приводом и аналоговую тепловую модель с датчиком температуры, расположенные в упомянутом канале, преобразователь сигнала датчика температуры соединенный с приводом вентилятора, тяговый электромагнит, питаемый током электрической машины, соединенный с преобразователем, а также датчик температуры охлаждающей среды, усилительный и суммирующий блоки, причем входы последнего из упомянутых блоков соединены с датчиком температуры, а выход через усилительный блок - с преобразователем.

Недостатком этого устройства также является то, что температура электрической машины определяется не непосредственно по температуре какой-либо ее высоконагретой детали, а косвенно - по температуре аналоговой тепловой модели. Как уже отмечалось, в условиях эксплуатации температура обмоток электрической машины как в стационарных, так и в неустановившихся режимах работы может значительно отличаться от температуры ее тепловой модели, что приводит к снижению надежности электрической машины и к увеличению затрат энергии на охлаждение.

Известна также тяговая электрическая машина постоянного тока [3], содержащая якорь с обмоткой, магнитную систему с обмотками возбуждения и добавочных полюсов, датчик температуры охлаждающей среды, датчик падения напряжения на обмотке добавочных полюсов, блоки, выполняющие операции деления сигнала датчика падения напряжения на сигнал датчика тока нагрузки и умножения сигналов этих датчиков, блок, выполняющий операцию суммирования сигналов от электрических датчиков и датчика температуры, электропривод вентилятора охлаждения.

На входы суммирующего блока в данном случае подают сигнал, пропорциональный температуре обмотки добавочных полюсов, т.е. непосредственно высоконагретой детали тяговый электрической машины.

Недостатком данного устройства является то, что при отклонении нагрузки тяговой электрической машины выходные сигналы блоков, выполняющих операции деления сигнала датчика падения напряжения на сигнал датчика тока нагрузки и умножения этих сигналов, будут равны нулю, и на выходы блока суммирования подают только сигнал с датчика температуры охлаждающей среды, что автоматически приведет к уменьшению количества подаваемой охлаждающей среды. При периодических включениях и отключениях нагрузки тяговой электрической машины работа охлаждающего устройства будет иметь релейный характер, что отрицательно сказывается на надежности тяговой электрической машины из-за колебательного характера изменения в ней термических напряжений. Периодические включения и отключения вентилятора приводят также к значительным перегрузкам в приводе вентилятора и существенному увеличению затрат энергии на охлаждение.

Целью изобретения является устранение этого недостатка и, как следствие, достижение качественных устойчивых процессов регулирования температуры, повышение надежности электрической машины и привода вентилятора и снижение затрат энергии на охлаждение.

Предлагаемое устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины 1 содержит канал 2 для охлаждающего агента, вентилятор 3 с управляемым приводом 4, датчик 5 температуры T_вз охлаждающего агента с блоком 6 усиления, датчик 7 падения напряжения ΔU на контролируемой обмотке 8 электрической машины, датчик 9 тока I нагрузки и датчик 10 напряжения U на клеммах электрической машины, датчик 11 частоты вращения n_b вала вентилятора, блок 12 деления сигнала датчика падения напряжения на контролируемой обмотке электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки, блок 13 умножения сигнала датчика тока нагрузки на сигнал датчика напряжения на клеммах электрической машины, блок 14 перехода, имеющий на входе сигнал с датчика напряжения на клеммах электрической машины, блоки 15 - БВ1 и 16 - БВ2 вычислений, причем на входы блока БВ1 подают выходные сигналы: с блока 6 усиления сигнала датчика температуры охлаждающего агента, с датчика 9 тока нагрузки, с блока 12 деления сигнала датчика падения напряжения на контролируемой обмотке электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки, соответствующий величине сопротивления R_r= ΔU/I контролируемой обмотки электрической машины в горячем состоянии, с блока 13 умножения сигнала датчика тока нагрузки на сигнал датчика напряжения на клеммах электрической машины, соответствующий величине мощности P = U x I электрической машины и блока 14 перехода. В блоке БВ1 происходит вычисление значения температуры T^и, являющегося измеренным значением температуры контролируемой обмотки электрической машины по величине сопротивления R_г с учетом сопротивления R_x контролируемой обмотки электрической машины в холодном состоянии в соответствии с правилами измерения температуры обмоток электрических машин стандартным методом сопротивления [4], вырабатывают сигнал рассогласования (T^и - T³), где T³ - заданное значение температуры контролируемой обмотки электрической машины, который корректируют по величине тока нагрузки, мощности электрической машины и температуры охлаждающего агента, и далее в виде сигнала γ управляющего воздействия подают на вход управляемого привода вентилятора.

На входы блока БВ2 подают выходные сигналы с блока 6 усиления сигнала датчика температуры охлаждающего агента, с датчика 11 частоты вращения вала вентилятора, с блока 14 перехода, а также сигнал T^и с блока БВ1, соответствующий измеренному значению температуры контролируемой обмотки электрической машины. Блок БВ2 содержит математическую модель функционирования автоматической системы регулирования температуры электрической машины [5], учитывающую существенную нелинейность статических и динамических характеристик и неоднозначность (переменность) параметров системы охлаждения электрической машины как объекта регулирования температуры и позволяющую расчетным путем получать значения температуры T^p контролируемой обмотки электрической машины по значением T^и, n_b и T_вз на момент снятия нагрузки. В блоке БВ2 формируют сигнал рассогласования (T^p-T³), который корректируют по величине частоты вращения вала вентилятора, пропорциональной количеству охлаждающего агента, и величине температуры охлаждающего агента, и далее в виде сигнала γʹ управляющего воздействия подают на вход управляемого привода вентилятора.

Блок 14 перехода служит для передачи функций регулирования либо блоку БВ1 в том случае, если сигнал датчика напряжения на клеммах электрической машины не равен нулю, т.е. U ≠ 0 (при включенной нагрузке электрической машины), либо блоку БВ2 в том случае, если сигнал датчика напряжения на клеммах электрической машины равен нулю, т.е. U = 0 (при отключенной нагрузке электрической машины).

Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины работает следующим образом.

При включении нагрузки электрической машины появляется напряжение на клеммах электрической машины. Блок 14 перехода подает сигнал на передачу функций регулирования блоку БВ1 - 15. Подают сигналы на входы датчиков 9 - тока нагрузки и 7 - падения напряжения на контролируемой обмотке электрической машины. При нагревании обмоток электрической машины, как только измеренная величина температуры T^и контролируемой обмотки электрической машины становится больше заданного значения T³, на выходе блока БВ1 появляется сигнал управляющего воздействия γ на включение привода вентилятора и плавное увеличение количества G_вз охлаждающего агента. При дальнейшем увеличении T^и увеличивается сигнал рассогласования (T^и - T^з), а значит, и управляющего воздействия γ, и соответственно увеличивается подача вентилятора, которая далее изменяется при изменении как T^и, так и значений I, P и T_вз таким образом, чтобы величина сигнала рассогласования сводилась к минимуму. При отключении нагрузки электрической машины напряжение на клеммах электрической машины становится равным нулю, при этом блок 14 перехода передает функции регулирования блоку БВ2 - 16, на выходе которого формируют сигнал γʹ управляющего воздействия, пропорционального величине сигнала рассогласования (T^p - T^з) и с коррекцией по величине n_в и T_вз, и далее на изменение подачи вентилятора и отключение вентилятора при достижении определенного нижнего значения температуры T^p контролируемой обмотки электрической машины. При периодических включениях и отключениях нагрузки электрической машины блок 14 перехода подает команду на переход (прямой или обратный) и передачу функций регулирования либо блоку БВ1, либо блоку БВ2 в зависимости от величины сигнала датчика напряжения на клеммах электрической машины: U ≠ 0 или U = 0, чем исключается релейный характер работы устройства. Таким образом, температура электрической машины автоматически поддерживается устройством на заданном уровне независимо от условий и режимов ее работы, что позволяет обеспечить качественные устойчивые процессы регулирования температуры, повысить надежность электрической машины и привода вентилятора и приводит к снижению затрат энергии на охлаждение.

Источники информации 1. Авторское свидетельство 544050 (СССР). Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины/ Цурган О.В., Петрожицкий А. А. , Петраков В.А., Комаров Г.А., Луков Н.М. - Опубл. в Б.И., 1977, N 3, кл. H 02 K 9/04.

2. Авторское свидетельство 748683 (СССР). Устройство непрерывного контроля и автоматического регулирования температуры электрической машины/ Герасимов А.Г., Луков Н.М. - Опубл. в Б.И., 1980, N 26, кл. H 02 K 11/00.

3. Авторское свидетельство 1584040 (СССР). Тяговая электрическая машина постоянного тока/ Луков Н.М., Логинова Е.Ю., Попов В.М., Кравцов А.И., Ю.И. Доронин Ю.И., Макаренков А.И. - Опубл. в Б.И., 1990, N 29, кл. H 02 K 9/04, 00.

4. ГОСТ 25000-81. Машины электрические вращающиеся. Методы испытаний на нагревание.

5. Космодамианский А.С., Чернышов Л.А. Методика расчетных исследований переходных процессов в нелинейных АСРТ тяговых электрических машин локомотивов, Моск. ин-т инж. ж. -д. трансп. (МИИТ). - Деп. в ЦНИИТЭИТЯЖМАШ 27.01.92., N 818-тм 92.

Формула изобретения

Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины с каналом для охлаждающего агента, содержащее вентилятор с управляемым приводом, датчики тока нагрузки и напряжения на клеммах электрической машины, падения напряжения на контролируемой обмотке электрической машины, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающего агента, блок деления выходного сигнала датчика падения напряжения на контролируемой обмотке электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки, блок умножения сигнала датчика напряжения на клеммах электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки, отличающееся тем, что в него введены два блока вычислений и блок перехода, причем на входы первого блока вычислений подают сигналы с датчика тока нагрузки, блока усиления сигнала по температуре охлаждающего агента, блока деления выходного сигнала датчика падения напряжения на контролируемой обмотке электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки, блока умножения сигнала датчика напряжения на клеммах электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки и блока перехода, в первом блоке вычислений вычисляют температуру контролируемой обмотки электрической машины по измеренному значению ее сопротивления в горячем состоянии с учетом величины сопротивления контролируемой обмотки в холодном состоянии и формируют управляющее воздействие с учетом заданной температуры, сигналов по току нагрузки, мощности электрической машины и температуре охлаждающего агента, на входы второго блока вычислений подают сигналы по температуре контролируемой обмотки электрической машины, вычисленной в первом блоке вычислений, блока усиления сигнала по температуре охлаждающего агента, датчика частоты вращения вала вентилятора и блока перехода, причем второй блок вычислений, содержащий математическую модель функционирования автоматической системы регулирования температуры электрической машины, формирует управляющее воздействие, пропорциональное величине рассогласования расчетной и заданной температуры контролируемой обмотки с учетом измеренной температуры этой обмотки, количества охлаждающего агента на момент снятия нагрузки и температуры охлаждающего агента, на вход блока перехода подают сигнал с датчика напряжения на клеммах электрической машины, блок перехода подает команду на передачу функций регулирования либо первому блоку вычислений в том случае, если сигнал датчика напряжения на клеммах электрической машины не равен нулю, либо второму блоку вычислений в том случае, если сигнал датчика напряжения на клеммах электрической машины отсутствует, причем управляющие сигналы обоих блоков вычислений подают на входы усилительно преобразующего устройства управляемого привода вентилятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1