Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к области автоматических систем регулирования температуры теплоносителей в системах охлаждения энергетических установок транспортных средств (локомотивов, автомобилей, тракторов и др.). Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства содержит два асинхронных двигателя с фазным ротором, соединенных с вентилятором, статорные обмотки двигателей подключены к источнику электроэнергии, роторные обмотки соединены посредством регулируемых сопротивлений, изменение величины которых осуществляется посредством импульсно-ключевого регулирования, подключенного к управляющему органу соединенного с датчиками угла поворота статора и температуры охлаждаемого воздуха. Управляющий орган содержит блок математической модели, рассчитывающий контуры регулирования угла поворота статора и температуры охлаждаемого воздуха, и блок выбора режима, формирующего сигналы задания на угол поворота статора и величину добавочного сопротивления в цепи ротора. Валы соединены с валом вентилятора охлаждения, статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, подключенным к управляющему органу. Техническим результатом является повышение диапазона частоты вращения вала вентилятора охлаждения, и, следовательно, повышение диапазона регулируемой температуры. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к области автоматических систем регулирования температуры теплоносителей (высоконагретой детали, воды масла, надувочного воздуха и др. систем тепловых двигателей, обмоток электрических машин, трансформаторов, элементов полупроводниковых преобразователей и др.) в системах охлаждения энергетических установок транспортных средств (локомотивов, автомобилей, тракторов и др.).

Известны автоматические регуляторы температуры энергетических установок транспортных средств, содержащие источник электроэнергии, к которому подключены статорные обмотки асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, соединенным с валом вентилятора переменной подачи (с поворотными лопастями). К механизму поворота лопастей вентилятора подключен орган, управляющий им по температуре энергетической установки транспортного средства [Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1977; А.С. 206627 (СССР); А.С. 246165 (СССР)].

Недостатком такого технического решения является применение механизма поворота лопастей, что усложняет конструкцию регулятора. Механизм поворота лопастей увеличивает размеры и массу вентилятора охлаждения, а также стоимость вентилятора и регулятора. Кроме того, при таком способе изменения подачи вентилятора асинхронный двигатель имеет частоту вращения, пропорциональную частоте вращения питающего напряжения, которая может быть постоянной или изменяться в малом диапазоне, что обуславливает при малых тепловых нагрузках системы охлаждения энергетической установки работу вентилятора охлаждения с малыми углами поворота лопастей и низким кпд вентилятора и электрического привода.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является регулятор температуры энергетической установки транспортного средства [Патент RU 2241837. Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства / Н.М.Луков, А.С.Космодамианский, И.А.Алейников. - опубл. 10.12.2004], содержащий источник электроэнергии переменного тока, управляющий орган, два асинхронных двигателя с фазными роторами и вентилятор охлаждения. Мощность каждого двигателя равна половине мощности вентилятора. Статорные обмотки двигателей 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. При величине регулируемой температуры меньше минимального значения поворотный статор асинхронного двигателя занимает положение, при котором частота вращения вентилятора охлаждения равна нулю. При увеличении температуры выше минимальной, угол поворота статора начинает расти, электропривод развивает электромагнитный момент, начинает вращаться, увеличивается подача вентилятора охлаждения. Процесс увеличения подачи будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим в системе охлаждения энергетической установки. В предельном случае угол поворота статора достигает 180 эл. град.

К недостаткам данного технического решения относится узкий диапазон регулирования температуры системы охлаждения энергетической установки.

Целью изобретения является повышение диапазона частоты вращения вала вентилятора охлаждения, а следовательно, повышение диапазона регулируемой температуры.

Это достигается тем, что регулятор температуры содержит два асинхронных двигателя с фазным ротором, статорные обмотки которых подключены к источнику электроэнергии, роторные обмотки соединены последовательно посредством регулируемых резисторов, изменение величины которых осуществляется посредством импульсно-ключевого регулирования, определяемого выходными параметрами управляющего органа, подключенного к датчикам угла поворота статора и температуры охлаждающего органа. Валы соединены с валом вентилятора охлаждения, статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, подключенным к управляющему органу. Диапазон регулирования частоты вращения вала вентилятора регулируется одновременно углом поворота статора и величиной сопротивления резисторов в цепи роторов. Энергия скольжения преобразуется в тепловую энергию и рассеивается на резисторах роторной цепи. Угол поворота статора влияет на суммарную ЭДС роторной цепи, т.е. управляет электромагнитным моментом, развиваемым электроприводом. Величина сопротивлений резисторов в роторной цепи влияет на скольжение асинхронного двигателя, т.е. их введение искусственно смягчает механические характеристики асинхронного электропривода. При этом осуществляется регулирование частоты вращения вала в широком диапазоне.

Сущность изобретения поясняется принципиальной блок-схемой (фиг.1). Предлагаемый регулятор содержит следующие основные элементы: управляющий орган 1, подключенный к механизму поворота статора 2 асинхронного двигателя 3 и устройству импульсно-ключевого регулирования 8 сопротивления резисторов 7, посредством которых соединены роторные обмотки асинхронных двигателей 3 и 4. Валы двигателей соединены между собой и валом вентилятора охлаждения 5, статорные обмотки подключены к источнику электроэнергии переменного тока 6. Сигналы обратных связей о состоянии поворотного статора и температуры охлаждаемого воздуха снимаются с датчиков угла поворота статора 9 и температуры воздуха 10.

Автоматический регулятор работает следующим образом. При величине сигнала регулируемой температуры i_10-1 меньше минимально заданного значения i_min выходные сигналы управляющего органа 1 i_1-2 и i_1-8 имеют минимальное значение, при этом выходной сигнал механизма поворота статора 2 и соответствующий ему сигнал обратной связи i_9-1 имеет минимальное значение и статор асинхронного двигателя занимает положение, при котором частота вращения вентилятора охлаждения равна нулю. Это обусловлено тем, что при согласном положении статоров асинхронных двигателей 3 и 4, когда угол поворота статора двигателя 3 составляет 0 эл. град., ЭДС в роторных обмотках направлены встречно, и результирующая ЭДС ротора равна нулю. При этом ток в роторной цепи равен нулю, электромагнитный момент электропривода равен нулю, скорость вращения вала равна нулю. Импульсно-ключевое регулирование сопротивлений резисторов в цепи ротора не осуществляется. Резисторы 7 полностью введены в цепь ротора.

При увеличении i_10-1 и дальнейшем выполнении i_max>i_10-1>i_minn увеличиваются выходные сигналы управляющего органа 1, увеличивается угол поворота статора асинхронного двигателя 3, начинает коммутировать резисторы 7 устройства импульсно-ключевого регулирования 8. При этом результирующая ЭДС ротора больше нуля, в обмотках ротора протекает ток, у электропривода вентилятора развивается момент, вал начинает вращаться, увеличивается подача воздуха вентилятора охлаждения. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим в системе охлаждения энергетической установки.

При достижении температурой максимального значения (i_10-1≥imax) выходные сигналы управляющего органа 1 максимальны. Угол поворота статора составляет 180 эл. град., векторы ЭДС обмоток роторов полностью совпадают, результирующая ЭДС ротора достигает максимального значения, двигатели развивают одинаковые моменты, работая как механический вал. Устройство импульсно-ключевого регулирования 8 полностью выводит резисторы 7 из цепи ротора. Электропривод переходит на естественную механическую характеристику. Частота вращения вала вентилятора определяется частотой источника электроэнергии переменного тока 6 и моментом сопротивления вентилятора охлаждения 5.

Блок-схема управляющего органа 1 представлена на фиг.2. Управляющий орган содержит блок с математической моделью (БММ) системы вентилятор-электропривод и блока выбор режима (БВР). К БММ поступают сигналы обратных связей i_9-1 и i_10-1 от датчика угла поворота статора и датчика температуры, а также БВР, который, в свою очередь, подключен к механизму поворота статора и к устройству импульсно-ключевого регулирования. БММ рассчитывает контуры регулирования величины угла поворота статора и температуры охлаждаемого воздуха, БВР формирует сигналы задания на угол поворота статора i_1-2 и величину добавочного сопротивления в цепи ротора i_1-8, при которых кпд системы вентилятор-электропривод как исполнительно-регулирующего устройства будет максимальным.

Механические характеристики электропривода вентилятора предлагаемого регулятора температуры приведены на фиг.3. Линия D соответствует зависимости момента (М, Нм) электропривода от скорости вращения вала (W, рад/с) в номинальном режиме работы электропривода. Линии А-С показывают работу электропривода в искусственном режиме (угол поворота статора φ_А<φ_B<φ_C<φ_D,φ_D=π добавочное сопротивление в цепи ротора R_A>R_B>R_C>R_D, R_D=0). Точки пересечения линий A-D с линией Е, характеризующей зависимость момента сопротивления вентилятора охлаждения от скорости вращения его вала, показывают установившиеся режимы работы регулятора.

1. Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства, содержащий источник электроэнергии переменного тока, два асинхронных двигателя с фазным ротором, статорные обмотки которых подключены к источнику электроэнергии, а роторные соединены последовательно посредством резисторов, валы двигателей соединены с валом вентилятора охлаждения; статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, подключенным к управляющему органу, отличающийся тем, что роторные обмотки соединены через регулируемые резисторы, изменение величины которых осуществляется посредством импульсно-ключевого регулирования, определяемого выходными параметрами управляющего органа, подключенного к датчикам угла поворота статора и температуры охлаждающего воздуха.

2. Регулятор по п.1, отличающийся тем, что управляющий орган содержит блок математической модели для расчета контура регулирования величины углов поворота статора и блок выбора режима, формирующего сигналы задания на угол поворота статора и величину добавочного сопротивления в цепи ротора.