Исполнительно-регулирующее устройство для автоматических систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин

 

Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к автоматическим системам контроля и регулирования температуры и защите от перегрева тяговых электрических машин, например локомотивов. Технический результат заключается в обеспечении наиболее экономичного режима работы вентилятора. В исполнительно-регулирующем устройстве для автоматических систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин в первом блоке вычислений системы управления определяют величину количества охлаждающего воздуха, необходимого в данный момент для поддержания в заданных пределах температуры наиболее нагретых частей обмоток тяговых электрических машин, и определяют конечное число парных значений угла установки лопаток вентиляторного колеса и его скорости вращения. Во втором блоке вычисления определяют мощность и кпд вентилятора для каждой пары значений угла установки лопаток вентиляторного колеса и его скорости вращения. В третьем блоке вычислений определяют рабочую зону и расчетные значения скорости вращения вала вентилятора и угла установки лопаток вентиляторного колеса для наиболее экономного режима работы вентилятора. В четвертом блоке вычислений корректируют характеристику сети, уточняют положение рабочей точки вентилятора и значения угла установки лопаток вентиляторного колеса и его скорости вращения. В первом блоке сравнения формируют сигнал управляющего воздействия на независимый управляющий привод вентилятора, при необходимости переводят устройство в аварийный режим работы. Во втором блоке сравнения формируют сигнал управляющего воздействия на управляемый реверсивный привод механизма поворота лопаток вентиляторного колеса, при необходимости переводят устройство в аварийный режим работы. В результате обеспечивается изменение подачи охлаждающего воздуха по сигналу управляющего органа автоматического регулятора температуры при минимуме затрат электроэнергии или дизельного топлива, минимальном кпд вентилятора во всем диапазоне изменения подачи охлаждающего воздуха. 3 ил.

Известно, что в системах охлаждения тягового электрооборудования тепловозов подача вентиляторов охлаждения, имеющих механический привод от вала силовой установки или электрический привод от тягового генератора (ротор которого также приводится во вращение от вала силовой установки), является функцией только величины скорости вращения n_д вала силовой установки, определяемой положением рукоятки контроллера машиниста [1], и не связана ни с температурой элементов охлаждаемого оборудования, ни с его токовой нагрузкой, ни с температурой охлаждающего воздуха. Известно, что отсутствие этой связи приводит к тому, что в условиях эксплуатации температура обмоток тяговых электрических машин может изменяться в широких пределах и что для снижения затрат (расхода дизельного топлива или электроэнергии) на привод вентиляторов и повышения надежности тяговых электрических машин необходимо устойчиво поддерживать температуру наиболее нагретых частей их обмоток на рациональных уровнях независимо от изменения нагрузочных токов и температуры охлаждающего воздуха [2].

Известно, что в условиях эксплуатации тепловозов режимы работы на средних положениях рукоятки контроллера машиниста, характеризующиеся широким диапазоном изменения нагрузочных токов при величине подачи охлаждающего воздуха, составляющей 64-73% от номинальной, являются наиболее тяжелыми по условиям нагревания обмоток тяговых электродвигателей [3], при этом локальные значения температуры якорных обмоток могут превышать установленные допустимые значения.

Известно, что для осевых вентиляторов, применяемых в системах охлаждения тепловозов, угол _в наклона лопаток вентиляторного колеса (с жестким закреплением в нем) выбирают для расчетного режима работы оборудования, причем требуемая подача L и напор р охлаждающего воздуха должны быть обеспечены при максимальном кпд _в и минимальной мощности N_в вентилятора [4, 5]. Известно также, что режимы работы осевых вентиляторов систем охлаждения тяговых электрических машин тепловозов в большей части времени отличаются от расчетного режима.

Известно, что регулирование подачи осевого вентилятора путем изменения величины _в в сравнении с другими способами позволяет получить при прочих равных условиях наибольшую площадь зоны экономичных режимов. При этом форма и расположение зоны в координатной плоскости L - р таковы, что обеспечивается глубокое регулирование напора и подачи при работе вентилятора на сеть с периодически изменяющейся характеристикой [6].

Известен осевой вентилятор с поворотными лопатками как исполнительно-регулирующее устройство для автоматических систем регулирования температуры, имеющий механический привод от вала силовой установки [7] или электрический привод от тягового генератора [8], подача которого определяется величиной скорости вращения n_в вала вентиляторного колеса, пропорциональной n_д, и величиной угла _в установки лопаток вентиляторного колеса, и может автоматически изменяться в широких пределах путем изменения _в, при этом величина _в изменяется незначительно. Недостатком этого исполнительно-регулирующего устройства является то, что при высоких значениях n_д (а следовательно, и n_в) и небольших _в, когда не требуется большого количества охлаждающего воздуха, затраты на привод вентилятора могут быть завышенными, а при работе тепловоза на низких и средних положениях рукоятки контроллера машиниста количество подаваемого вентиляторной установкой охлаждающего воздуха может оказаться недостаточным даже при максимальной величине угла _в. Кроме того, в эксплуатационных условиях тепловозов, особенно маневровых, характеризующихся частым изменением положения рукоятки контроллера машиниста, известный осевой вентилятор значительное время работает в переходных режимах, при этом его рабочие режимы могут выходить за пределы зоны экономичной работы.

Известно также, что в условиях эксплуатации тепловозов может изменяться характеристика сети (при загрязнении воздушных фильтров и охлаждаемых поверхностей тяговых электрических машин, при нарушении целостности воздуховодов, при изменении температуры охлаждающего воздуха и др.).

Предлагаемое исполнительно-регулирующее устройство содержит: осевой вентилятор 1 (см. фиг. 1) с независимым от _д управляемым приводом, например электроприводом 2 на переменном токе с частотным регулированием, позволяющим плавно изменять n_в в зависимости от величины управляющего воздействия ₁; механизм 3 поворота лопаток вентиляторного колеса; систему управления 4. Осевой вентилятор состоит из рабочего колеса 5, насаженного на вал 6, поворотных лопаток 7, закрепленных в рабочем колесе, траверсы 8, перемещающейся вдоль направляющего конца вала и связанной с рычагами 9 поворота лопаток, имеющими противовесы. Механизм поворота лопаток служит для плавного изменения _в в зависимости от величины управляющего воздействия ₂ и содержит, например, шарико-винтовую пару 10 качения с управляемым реверсивным электроприводом 11, преобразующую вращательное движение винта в поступательное движение гайки, причем гайка шарико-винтовой пары связана с траверсой посредством штока 12. Система управления содержит математическую модель работы вентилятора, реализующую один из методов [9] оптимального выбора параметров n_в и _в, и предназначена для формирования сигналов управляющего воздействия ₁ и ₂ в зависимости от величины выходного сигнала управляющего органа автоматического регулятора температуры, причем управляющие сигналы ₁ и ₂ формируют таким образом, чтобы обеспечить наиболее экономичный режим работы вентилятора.

Устройство работает следующим образом. Сигнал управляющего органа автоматического регулятора температуры подают на вход блока БВ1 (вычислений, см. поз. 19 на фиг.2) системы управления, где с использованием известной зависимости определяют величину L_i ³ требуемого (заданного) в данный момент времени количества подаваемого охлаждающего воздуха, необходимого для поддержания в заданных пределах температуры наиболее нагретых частей обмоток тяговых электрических машин. Далее определяют с использованием известных статических характеристик исполнительно-регулирующего устройства (фиг.3) j парных значений _в и n_в, соответствующих значению L_i ³ (при этом jk, где k - число значений n_в), и подают на вход блока БВ2 (поз.20). В блоке БВ2 вычисляют значения N_в и _в вентилятора для каждого из j парных значений _в и n_в с использованием известных зависимостей от подачи охлаждающего воздуха напора p(L) воздуха, мощности N_в(L) и кпд _в(L) вентилятора (аэродинамических характеристик вентилятора) и известной характеристики p(L) сети и подают их на вход блока БВ3 (поз. 21). В блоке БВ3 определяют рабочую зону и расчетные значения скорости вращения n_в ^р вала вентилятора и угла ^p_в поворота лопаток вентилятора, соответствующие наиболее экономичному режиму работы вентилятора, и подают их на вход блока БВ4 (поз.22). В блоке БВ4 корректируют характеристику сети, уточняют положение рабочей точки вентилятора с учетом возможного изменения характеристики сети и корректируют значения _в и n_в (при которых величина _в принимает наибольшее значение, а величина N_в - наименьшее), причем на вход блока БВ4 подают выходные сигналы L^и, р^и и t^и датчиков 15, 16 и 17, измеряющих соответственно подачу, напор и температуру охлаждающего воздуха. С выхода блока БВ4 подают на вход блоков БС1 (сравнения, поз.23) и БС2 (поз.24) откорректированные значения соответственно скорости вращения n_в ^к вала вентилятора и угла ^к_в установки лопаток вентиляторного колеса. На вход блоков БС1 и БС2 подают измеренные значения n_в ^и и ^и_в этих величин соответственно, где вырабатывают сигналы рассогласования (n_в ^к-n_в ^и) и (^к_в-^и_в). С выхода блоков БС1 и БС2 подают сигналы управляющего воздействия ₁ и ₂ соответственно на управляемый привод вентилятора и управляемый реверсивный привод механизма поворота лопаток, при этом подачу вентилятора приводят в соответствие с величиной выходного сигнала управляющего органа автоматического регулятора температуры. Если по окончании переходного процесса, имеющего регламентированную продолжительность, величина сигнала рассогласования (n_в ^к-n_в ^и) или (^к_в-^и_в) превышает допустимые пределы (что возможно при сбоях в выполнении программы управления, возникших неисправностях в приводах вентилятора и механизма поворота лопаток или по другим причинам), то исполнительно-регулирующее устройство переводится в аварийный режим работы, при котором устанавливается максимальная подача охлаждающего воздуха. При этом с выходов блоков БС1 и БС2 подают информацию на монитор 18 о переводе устройства в аварийный режим работы и причинах сбоев или неисправностей. Если измеренные значения L^и и р^и при коррекции характеристики p(L) сети по окончании переходных процессов отличаются от значений подачи и напора, соответствующих рабочей точке известной характеристики сети на величину, превышающую установленные пределы (например, при нарушении целостности воздуховодов), то с выхода блока БВ4 также подают информацию о возможных неисправностях на монитор. Если величина Li³ требуемого количества подаваемого охлаждающего воздуха, необходимого для поддержания в заданных пределах температуры наиболее нагретых частей обмоток тяговых электрических машин, снижается и в какой-то момент времени становится равной нулю, то с выхода блока БВ1 подают сигнал ₀ на вход блока БС1 на остановку электродвигателя управляемого привода вентилятора и прекращение подачи охлаждающего воздуха.

Источники информации 1. Куликов Ю.А. Системы охлаждения силовых установок тепловозов. - М.: Машиностроение, 1988. -280 с.

2. Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988. -272 с.

3. Логинова Е.Ю. Совершенствование методов анализа теплового состояния тяговых электродвигателей тепловозов и характеристик их систем охлаждения: Автореферат дис.... докт. техн. наук. - М., 2000. -48 с.

4. Тепловозы. Под ред. Н.И. Панова - М.: Машиностроение, 1976. -544 с.

5. Калинушкин М. П. Вентиляторные установки. - М.:. Высш. школа, 1979. -223 с.

6. Брусиловский И.В. Аэродинамика осевых вентиляторов. - М.: Машиностроение, 1984. -240 с.

7. Н. М. Луков, А.С. Космодамианский, В.М. Попов. Исполнительно-регулирующие устройства для АСГТ тягового электрооборудования локомотивов// Сб. научн. трудов по материалам Пятой межвузовск. научно-методич. конфер. РГОТУПС "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта", М., 2000. - ч. I - С.72-74.

8. А. с. 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, 3, кл. Н 02 К 9/04.

9. Жиглявский А.А., Жилинскас А.Г. Методы поиска глобального экстремума. - М.: Наука. Гл. ред. физ.-мат. лит., 1991. -248 с.

Формула изобретения

Исполнительно-регулирующее устройство для автоматических систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин, содержащее осевой вентилятор с независимым управляемым приводом, позволяющим плавно изменять скорости вращения вентиляторного колеса, и механизм поворота лопаток вентиляторного колеса с управляемым реверсивным приводом для плавного изменения угла установки лопаток, а также датчики, измеряющие величину подачи, напора и температуры охлаждающего воздуха, скорости вращения вентиляторного колеса, угла установки лопаток вентиляторного колеса, и монитор для визуального представления информации, отличающееся тем, что в него введена система управления с математической моделью вентилятора, реализующей оптимальный выбор величины скорости вращения вентиляторного колеса и величины угла установки лопаток вентиляторного колеса, предназначенная для приведения величины подачи воздуха вентилятора в соответствие с выходным сигналом управляющего органа автоматического регулятора температуры и формирования сигналов управляющего воздействия, подаваемых на вход независимого управляемого привода, позволяющего плавно изменять скорость вращения вентиляторного колеса, и ко входу управляемого реверсивного привода механизма поворота лопаток вентиляторного колеса, которые формируют таким образом, чтобы обеспечить наиболее экономичный режим работы вентилятора, причем вышеупомянутая система управления содержит первый блок вычислений, где определяют величину требуемого в данный момент времени количества подаваемого охлаждающего воздуха, необходимого для поддержания в заданных пределах температуры наиболее нагретых частей обмоток тяговых электрических машин, и определяют конечное число парных значений угла установки лопаток вентиляторного колеса и скорости вращения вентиляторного колеса, соответствующих этому количеству подаваемого охлаждающего воздуха, причем на вход первого блока вычислений подают выходной сигнал управляющего органа автоматического регулятора температуры, второй блок вычислений, где вычисляют значения мощности и кпд вентилятора для каждой пары значений угла установки лопаток вентиляторного колеса и скорости вращения вентиляторного колеса по аэродинамическим характеристикам вентилятора и характеристике сети, причем на вход второго блока вычислений подают с выхода первого блока вычислений парные значения угла установки лопаток вентиляторного колеса и скорости вращения вентиляторного колеса, третий блок вычислений, в котором определяют рабочую зону и расчетные значения скорости вращения вала вентилятора и угла установки лопаток вентиляторного колеса, соответствующие наиболее экономичному режиму работы вентилятора, причем на вход третьего блока вычислений подают значения мощности и кпд вентилятора для каждой пары значений угла установки лопаток вентиляторного колеса и скорости вращения вентиляторного колеса, четвертый блок вычислений, где корректируют характеристику сети, уточняют положение рабочей точки вентилятора с учетом возможного изменения характеристики сети и корректируют значения угла установки лопаток вентиляторного колеса и скорости вращения вентиляторного колеса, при которых величина кпд вентилятора принимает наибольшее значение, а величина мощности вентилятора - наименьшее, и если измеренные значения подачи и напора охлаждающего воздуха при коррекции характеристики сети по окончании переходных процессов отличаются от значений подачи и напора воздуха, соответствующих рабочей точке характеристики сети на величину, превышающую установленные пределы, то с выхода четвертого блока вычислений подают на монитор информацию о возможных неисправностях, причем на вход четвертого блока вычислений подают с выхода третьего блока вычислений расчетные значения скорости вращения вала вентилятора и угла установки лопаток вентиляторного колеса, соответствующие наиболее экономичному режиму работы вентилятора, а также выходные сигналы датчиков, измеряющих соответственно величину подачи, напора и температуры охлаждающего воздуха, первый блок сравнения, где вырабатывают сигнал рассогласования, представляющий собой разность откорректированного с учетом возможного изменения характеристики сети и измеренного значения скорости вращения вентиляторного колеса, и формируют сигнал управляющего воздействия, подаваемого на вход независимого управляемого привода вентилятора, и если этот сигнал рассогласования по окончании переходного процесса, имеющего регламентированную продолжительность, превышает допустимые пределы, то формируют вышеупомянутый сигнал управляющего воздействия, по величине соответствующий максимальной подаче охлаждающего воздуха, и подают информацию на монитор о переводе исполнительно-регулирующего устройства в аварийный режим работы, причем на вход первого блока сравнения подают с выхода четвертого блока вычислений откорректированное значение скорости вращения вентиляторного колеса и выходной сигнал датчика, измеряющего величину скорости вращения вентиляторного колеса, а также выходной сигнал с первого блока вычислений на остановку вентилятора и прекращение подачи охлаждающего воздуха в том случае, если величина требуемого количества подаваемого охлаждающего воздуха, необходимого для поддержания в заданных пределах температуры наиболее нагретых частей обмоток тяговых электрических машин, становится равной нулю, второй блок сравнения, где вырабатывают сигнал рассогласования, представляющий собой разность откорректированного с учетом возможного изменения характеристики сети и измеренного значений угла установки лопаток вентиляторного колеса, и формируют сигнал управляющего воздействия, подаваемого на вход управляемого реверсивного привода механизма поворота лопаток вентиляторного колеса, и если этот сигнал рассогласования по окончании переходного процесса, имеющего регламентированную продолжительность, превышает допустимые пределы, то формируют вышеупомянутый сигнал управляющего воздействия, по величине соответствующий максимальной подаче охлаждающего воздуха, и подают информацию на монитор о переводе исполнительно-регулирующего устройства в аварийный режим работы, причем на вход второго блока сравнения подают с выхода четвертого блока вычислений откорректированное значение угла установки лопаток вентиляторного колеса, а также выходной сигнал датчика, измеряющего величину угла установки лопаток вентиляторного колеса.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3