Пристрій керованого охолодження машин постійного струму

Пристрій керованого охолодження машин постійного струму, що містить вентилятор, який механічно з'єднаний з валом асинхронного двигуна, що з'єднаний з тиристорним регулятором напруги; блок обчислень із математичною моделлю функціонування пристрою керованого охолодження електричних машин, який враховує експлуатаційні режими роботи машини і розраховує зміну значення температури обмотки якоря, що контролюється; для контролю струму навантаження й напруги живлення машини постійного струму, температури охолоджуючого повітря введено відповідні датчики, який відрізняється тим, що пристрій додатково містить асинхронний двигун для приводу машини постійного струму, який з'єднаний з тиристорним регулятором напруги, механічну муфту, яка з'єднує ротор привідного асинхронного двигуна з якорем машини постійного струму, перетворювач частоти, який з'єднаний з асинхронним двигуном вентилятора, реверсивний тиристорний перетворювач, з яким з'єднана якірна обмотка машини постійного струму, тиристорний перетво U 2 24488 1 3 24488 те, що RS-тригер прийняв новий стійкий стан, повернення його у початковий стан можливе лише після повного охолодження позистора й повторного підключенн двигуна до мережі, тим самим виключаючи можливість самовільного підключення електродвигуна до мережі після відкриття позистора. Недоліками цієї системи є: відсутність демонстрації процесу роботи пристрою керованого охолодження машини; зупинка двигуна для його охолодження; необхідність розташування позистора безпосередньо біля обмотки, що не завжди можливо; пристрій не дозволяє оцінити середню температур у обмоток машини, так як датчик (позистор) розташований в одному місці. Відомий винахід [А.С. №1229883, Н02Н5/04, SU, "Пристрій для контролю температури електроустановки постійного струму", Баклушин Β.Η., Винс А.Д., "Бюлетень винаходів", 16.08.84]. Пристрій складається з двох ланцюгів, один із яких складається з датчика напруги якоря й датчика ЕРС якоря, приєднаних до послідовно з'єднаних суматора, блока ділення й масштабуючого підсилювача. Другий ланцюг складається з датчика напруги на додаткових полюсах ділителя й масштабуючого підсилювача. В пристрої виділяється величина сигнала, пропорційна опору будь-якої з обмоток якірного ланцюга двигуна, й при даному перевантаженні викликає певне перегрівання обмоток. Контроль температури всіх обмоток двигуна дозволяє виключити недопустимі перевантаження двигуна. Даний пристрій має наступні недоліки: здійснення тільки контролю температури й неможливість регулювання ступеню вентиляції електричної машини; відсутність демонстрації процесу роботи пристрою; пристрій не враховує нагрів, пов'язаний з дією втрат у сталі якоря працюючої машини. Відомий винахід [пат. №97102016/09А, Н02К9/04, RU, "Пристрій для автоматичного регулювання температури електричної машини", Космодамианський О.С., “Роспатент”, www.fips.ru, 27.01.99], що складається з вентилятора, який механічно з'єднаний з валом асинхронного двигуна, що з'єднаний з тиристорним регулятором напруги; блоку обчислень з математичною моделлю функціонування пристрою керованого охолодження електричних машин, який враховує експлуатаційні режими її роботи і розраховує зміну значення температури обмотки якоря, що контролюється; для контролю струму навантаження й напруги живлення машини постійного струму, температури охолоджуючого повітря введено відповідні датчики. Даний пристрій має наступні недоліки: не враховується нагрів, пов'язаний з дією втрат у сталі якоря працюючої машини; система керування не дозволяє здійснювати регулювання температури при зміні навантаження; відсутність демонстрації процесу роботи пристрою. Відоме технічне рішення приймається за про 4 тотип, бо має спільні суттєві ознаки з технічним рішенням, що пропонується. Спільними для запропонованого технічного рішення і прототипа є наступні риси: контроль температури охолоджуючого повітря машини, що охолоджується, за допомогою відповідних датчиків; регулювання частоти обертання двигуна вентилятора; наявність математичної моделі, яка розраховує температуру нагріву обмоток машини, що охолоджується. В основу корисної моделі поставлено задачу демонстрації процесу роботи електричних машин шляхом введення в систему електроннообчилювальної машини, яка містить математичну модель функціонування автоматичної системи регулюваного охолодження електричної машини постійного струму. Запропоноване технічне рішення відрізняється від прототипа наступними блоками та зв'язками: для демонстрації протікання робочих процесів і керування роботою пристрою введено ЕОМ; для живлення асинхронного двигуна вентилятора введено перетворювач частоти; введено зв’язок між ЕОМ та перетворювачем частоти для керування швидкості обертання вентилятора. Перелік фігур корисної моделі: Фіг.1 Блок-схема пристрою керованого охолодження машин; Фіг.2 Алгоритм роботи пристрою; Фіг.3 Електрична принципова схема пристрою; Фіг.4 Зовнішній вигляд пристрою спереду; Фіг.5 Зовнішній вигляд пристрою зліва. Пристрій керованого охолодження машин постійного струму, що складається з вентилятора 9, який механічно з'єднаний з валом асинхронного двигуна 8 (тип АПН 21/2, номінальна напруга Uн=220/380B, номінальний струм Ін=2,47/143А, номінальна потужність Рн=0,4кВт, номінальна частота обертання n=2750об/хв, коефіцієнт корисної дії η=70%, cosφ=0,7), що з'єднаний з тиристорним регулятором напруги; блоку обчислень з математичною моделлю функціонування пристрою керованого охолодження електричних машин, який враховує експлуатаційні режими її роботи і розраховує зміну значення температури обмотки якоря, що контролюється. Для контролю струму навантаження й напруги живлення машини постійного струму введено датчики 23 і 24 (LEM тип LA-25, LV-25), для контролю температури охолоджуючого повітря - датчики 18, 19 (тип ММТ-8, робочий діапазон температури "-40"-"+70"С), який відрізняється тим, що він додатково обладнаний асинхронним двигуном 33 (тип АO42-4, номінальна напруга Uн=220/380B, номінальний струм Ін=10,5А, номінальна потужність Рн=2,8кВт, номінальна частота обертання n=1420об/хв, cosj=0,85, коефіцієнт корисної дії η=83,5%) для приводу машини постійного струму 22 (тип П-41, номінальна напруга Uн=230В, номінальний струм Ін=11,7А, номінальна потужність Р=2,7кВт, номінальна частота обертання n=1450об/хв, коефіцієнт корисної дії η=75,5%), який з'єднаний з тиристорним регулятором напру 5 24488 ги 26 (діапазон регулювання напруги 0-220В, крок регулювання 1°); механічною муфтою 32, яка з'єднує ротор приводного асинхронного двигуна 33 з якорем машини постійного струму 22; перетворювачем частоти 3 (марка Mitsubishi FS-520, діапазон регулювання частоти 0-120Гц, крок зміни частоти 0,1Гц, діапазон регулювання пускового моменту 015%Мн), який з'єднаний з асинхронним двигуном 8 вентилятора 9; реверсивним тиристорним перетворювачем 17 (діапазон регулювання напруги 0220В, крок регулювання 1°), з яким з'єднана якірна обмотка машини постійного струму 22; тиристорним перетворювачем 11 (діапазон регулювання напруги 0-220В, крок регулювання 1°), який з'єднаний з обмоткою збудження машини постійного струму 22; електронно-обчислювальною машиною 36, що містить математичну модель роботи системи керованого охолодження, яка враховує втрати в сталі і демонструє протікання процесів в електричних машинах; датчиками (LEM тип LA-25, LV25) для вимірювання струму 30 і напруги живлення 31 приводного асинхронного двигуна 33, датчиками для вимірювання струму 4 і напруги живлення 5 асинхронного двигуна 8 вентилятора 9, струму збудження 12 машини постійного струму, швидкості обертання якоря 34 (тип ТМГ-30) машини постійного струму 22; виходи з датчиків 4, 5, 12, 18, 19, 23, 24, 30, 31, 34 з'єднані з відповідними входами електронно-обчислювальної машини 36 через аналого-цифровий перетворювач 35 (має 8 аналогових входів і 2 ци фрових виходи, розрядність 12 біт, час перетворення 1,47мкс, швидкість перетворення 500кБіт/с, вхідна аналогова напруга 0-2,5В), виходи електронно-обчислювальної машини 36 з'єднані через цифро-аналоговий перетворювач 35 з відповідними входами перетворювача частоти 3 асинхронного двигуна 8, з відповідними входами реверсивного тиристорного перетворювача 17 якірної обмотки машини постійного струму, з відповідними входами тиристорного перетворювача 11 обмотки збудження машини постійного струму, з відповідними входами тиристорного регулятора напруги 26 приводного асинхронного двигуна; контрольно-вимірювальними приладами для контролю струму 6 (амперметр тип Е8030, похибка вимірювання 2,5%, діапазон вимірювання 0-2A) і напруги живлення 7 (вольтметр тип Е-421, похибка вимірювання 2,5%, діапазон вимірювання 0-250В) асинхронного двигуна 8 вентилятора, струму 20 (амперметр тип М381, похибка вимірювання 1,5%, діапазон вимірювання 020А) і напруги живлення 21 (вольтметр тип М381, похибка вимірювання 1,5%; діапазон вимірювання 0-150В) якірної обмотки машини постійного струму 13 (амперметр тип М42100, похибка вимірювання 1,5%, діапазон вимірювання 0-1А) і напруги живлення 14 (вольтметр тип М-330, похибка вимірювання 1,5%, діапазон вимірювання -250...+250В) обмотки збудження машини постійного струму 22, струму 27 (амперметр тип М381, похибка вимірювання 1,5%, діапазон вимірювання 0-10А), напруги живлення 28 (вольтметр тип Е-421, похибка вимірювання 2,5%, діапазон вимірювання 0-250В) і споживаємої потужності 29 (ватметр тип Д365, похибка вимірювання 1,5%, діапазон вимірювання 6 0-2000кВт) приводного асинхронного двигуна 33; автоматичними вимикачами 1, 2, 10, 16, 25, 37, 52 для комутації і захисту електричних ланцюгів (автоматичний вимикач 1 тип АЕ-46М-10Р, ~660В, 50А; автоматичний вимикач 2 тип АП-50Б-ЗМТЗ, ~500В, 16А; автоматичні вимикачі 16, 25 тип АП50Б-ЗМТ2, ~500В, 16А; а втоматичний вимикач 10 тип АП-25-220В, 6,3А; автоматичний вимикач 37 тип АЕ 30, 220В, 1 А). Роботу пристрою керованого охолодження докладно пояснюють за допомогою алгоритма (Фіг.2). Для підключення мережі пристрою до джерела живлення вмикають автоматичний вимикач 1. Також на цьому кроці вмикають автоматичні вимикачі 2, 10, 25, 37, 52, подаючи цим напругу живлення на перетворювач частоти 3, тиристорні регулятори напруги 11 й 26 та ланцюги керування. На наступному етапі вводять в електроннообчислювальну машину 36 параметри машини 22, що охолоджується: номінальну потужність і швидкість обертання, кількість полюсів, кількість пазів якоря, клас нагрівостійкості ізоляції (її допустимий перегрів і теплоємність), діаметр і довжину якоря і колектора, внутрішній діаметр станини, розміри паза і зубця якоря, кількість витків у секції і елементарних провідників у пазі, параметри обмоточного дроту (діаметр з ізоляцією і без неї), а також параметри сталі, з якої виготовлене осердя якоря (товщина листа, коефіцієнт заповнення осердя), значення теплоємності й робочого діапазона перевищення температури охолоджуючого повітря, робочого діапазона перевищення температури обмотки якоря. Також задають номінальну швидкість обертання вентилятора 9, подаючи керуючий сигнал з ЕОМ 36 через цифро-аналоговий перетворювач 35 на перетворювач частоти 3. На наступному етапі розраховують параметри теплової схеми заміщення машини 22, що охолоджується, для визначення температури, до якої будуть розігріватися основні її частини (а особливо ізоляція) при номінальному режимі роботи. В ході роботи машини 22 параметри її теплової схеми заміщення не змінюються. Визначають кутові швидкості активної частини якоря n a й колектора n к : D w Dw na = a , nк = к , 2 2 де Da й Dк - діаметри якоря й колектора; p ×n ω - швидкість обертання якоря, w = ; 30 n - частота обертання якоря. Визначають коефіцієнти тепловіддачі активної й лобової частин, а також колектора по емпіричним формулам: ( 0. 9 a a = 9 .5 × 1 + 0 .6 n a ( 0. 75 1 + 0 .6 n к ) ), ( 0. 85 a л = 12.5 × 1 + 0 .85 nа ), . а к = 16 × Тепловий опір від поверхні активної частини обмотки до повітря: 1 Ra = , p × Da × l × aк де l - довжина якірної частини обмотки. 7 24488 Тепловий опір від поверхні лобової частини: 1 Rла = , æ æ lб ö æ 1 ö æ lб öö ç ал ç 1- ÷ + ç ÷ ÷× ç ÷ Sл ç ç l' f ÷ ç rб ÷ ç l'f ÷÷ ø è ø è øø è è де Sл - площа поверхні на одну сторону якоря Sл=0.95·p·Dа·l’f; lб - довжина лобової частини обмотки; l’f - розрахунковий виліт лобової частини обмотки; D 1 rб = б + - середня температура плоскої lи ал стінки; Dб - товщина ізоляції під бандажами; λи - коефіцієнт теплопередачі ізоляції. Визначають тепловий опір колектор-повітря: 1 Rко = , p × Dк × 1.25 × lк × ак де lк - довжина колектора. Визначають еквівалентний поперечний коефіцієнт теплопередачі пучка дротів lе : 2,5l n le = , æ di ö 1,1× ç ç d ÷ -1 ÷ è мø де ln - коефіцієнт теплопередачі ізоляції обмоточного дроту; di, dм - діаметри обмоточного дроту з ізоляцією і без неї. Визнають внутрішній опір пазу за допомогою коефіцієнта: p (h - h ) u= + 1 к , 4 (r1 - r2 ) де h1, hк , r1, r2 - геометричні розміри пазу. Тепловий опір пазової ізоляції: é ù ê ú 1 ê D іп 1 ú, Rіп = × + z × l êП × lі æ 0 .33 ö ú 12l е × ç u + ÷ú ê u øû è ë де Π периметр пазової ізоляції, æ2ö П 2h1 + ç ÷r1 + p × r2 ; = è3ø z - кількість пазів якоря; Δіп - товщина ізоляції пазу; lі - коефіцієнт теплопровідності пазової ізоляції. Розраховують тепловий опір від пазів до поверхні якоря: r + h1 + 0.5 × r1 Rz = 2 , 3 × z × bz × l × k c × lFe де bz - відстань між пазами якоря; kc - коефіцієнт заповнення якоря; lFe - коефіцієнт теплопередачі сталі якоря; l - довжина якірної частини обмотки. Розраховують результуючий тепловий опір Rco: Rco=Rz+Ra. Розраховують тепловий опір лобових частин машини: 8 lл , 0.5 × Sм × l м де lл - довжина лобової частини обмотки якоRмл = ря; æ pö 2 Sм = z × Nn ç ÷ × dм - загальна площа перерізу è 4ø дротів; Nn - кількість провідників у пазі; λм - коефіцієнт теплового опору міді. Тепловий опір Rіл знаходять, виходячи з припущення, що lм ®¥: hл Rіл = , 12 × Sл × l ел де lел - коефіцієнт теплопередачі пучка дротів; hл - товщина лобової частини обмотки. Результуючий тепловий опір для обох лобових частин якірної обмотки машини: R Rла + Rіл + мл 30 . Rмо = 2 Визначають тепловий опір зв'язку обмотки з колектором: Rмк = 0 .6 × (wс - 1) R млR іл , wс де ωс - кількість витків у секції. Знаходять результуючу теплову провідність від обмотки якоря до охолоджуючого повітря: 1 1 1 Lі = + + . Rмо (Rсо + Rіп ) (Rко + Rмк ) Для того, щоб забезпечити безаварійну роботу машини 22, що охолоджується, задають робоче перевищення температури обмотки якоря Qмр 0. 8 × Qіз . = На наступному етапі натискають кнопку 45, чим вмикають асинхронний двигун 8, який приводить у дію вентилятор 9. Вентилятор вмикають на швидкість обертання 0,8wном , так як номінальна швидкість обертання вентилятора розраховується на найважчий режим його роботи. На наступному етапі подають керуючий сигнал з ЕОМ 36 через цифро-аналоговий перетворювач 35 на тиристорний перетворювач 11, що регулює напругу обмотки збудження 15. Через 1 хвилину після ввімкнення вентилятора 9, натиснувши кнопку 43, запускають асинхронний двигун 33. Ротор двигуна 33 через механічну муфту 32 приводить у рух якір машини 22, що працює у генераторному режимі. На наступному етапі проводиться реєстрація сигналів датчиків, які визначають поточні значення струму Ія[і] і напруги якоря Uя[i], струму збудження Ізб [і], швидкості обертання якоря охолоджуємої машини ω[і] і температури охолоджуючого повітря на вході і виході його з машини, Т1[і] і Т2[і] відповідно. Значення температури охолоджуючого повітря на вході його в машину Т1[і] не повинно перевищува ти 20С°. Температуру о холоджуючого повітря на виході з машини Т2[і] використовують для додаткового контролю за температурою обмотки якоря машини 22. 9 24488 На наступному етапі за методом діагностики машин постійного струму визначають опір якірного ланцюга машини 22, що охолоджується. Для цього за виміряними даними складається система диференційних рівнянь: Uя [] × Ія і [] Lя [] × Ія і [] і = і × dIя [] 2 і dw[] i + Ія [i] × R я [] + J i [×] i × [] і w + a × w2 [] , i dt dt dI [] і Uзб [] × Ізб і [ = L зб [і ]× Ізб і [] зб + I2 []× Rзб [] , і ] × і зб і dt де Lя[i] - індуктивність якірного ланцюга; Rя[і] - опір обмотки якоря; сІіУ[ dIя [] І - похідна струм у якоря машини; dt J[i] - момент інерції частин машини, що обертаються; а - момент опору обертанню; dw[] i - похідна швидкості обертання якоря dt машини; Uзб [i] - напруга збудження машини; Lзб [i]- індуктивність обмотки збудження; dIзб [] i - похідна струм у збудження; dt Rзб [і] - опір обмотки збудження. 10 У відповідність з виразом складається система рівнянь, з якої визначають опір якірного ланцюга (який складається з суми опору обмотки якоря Rя[i] і додаткових полюсів Rдп[і]). На наступному етапі розраховують втрати, що призводять до нагріву: втрати в обмотці якоря Ря[і] і додаткових полюсах Рдп[і], втрати у сталі Рст[і]. Суму втрат, що приводять до нагріву, в обмотці якоря Ря[і] і додаткових полюсах Рдп[і], визначають наступним чином: Pя, дп [] = (Rя [] + Rдп [і])× І2 [] і і я і Питомі втрати у сталі якоря визначають при випробуваннях під час яких з якоря машини 22 обов'язково знімається навантаження, тобто машина працює у режимі холостого ходу. Проводять діагностику машини 22 шляхом завдання швидкості при номінальному потоці, зміні струму збудження, вимірі струму якоря, напруги на якорі, струму збудження при чотирьох значеннях стр уму збудження (1,0; 0,75; 0,5; 0,3)Ізбн шляхом зміни напруги на обмотці збудження. Повторюють виміри при чотирьох заданих значеннях швидкості (1,0; 0,75; 0,5; 0,3)wн, складають систему з рівнянь для кожного з заданих значень швидкості: Uя 0Ія 0 = І2 0Rя, дп + D Рмехw1 + U2 0С0w1 + Із0Uя0С1w1 + І20 С2 w1 я я з Uя1Ія1 = І21R я, дп + DРмехw1 + U21С0w1 + Із1Uя1С1w1 + І21С2w1 я я з Uя2Ія2 = І2 2Rя, дп + DРмехw1 + U22С0w1 + Із2Uя 2С1w1 + І22С2w1 я я з Uя3Ія3 = І23Rя, дп + DРмехw1 + U23С0w1 + Із3Uя3 С1w1 + І23С2w1 я я з Вирішують систему і визначають ΔΡмехw 1 і коефіцієнти С0w 1, С1w 1, С2w 1 питомих втрат у сталі, за допомогою яких визначають втрати в сталі: 2 2 DPстw1 = U яС0 w1 + ІзUяС1w1 + Із С 2w1 . У процесі роботи поточне значення втрат у сталі визначається наступним чином: 2 2 Рст [] = U я []С0 w1 + Ізб [і ]UяС1w1 + Ізб [і ]С 2w1 . і і На наступному етапі проводять розрахунок поточних приведених втрат обмотки якоря Ра[і]: Р [] і , Pa [i ] = Pя, дп [] + ст і Rіп 1+ R со де поточні втрати у сталі Рст[і] враховують поточні додаткові втрати Pдод[і]. На наступному етапі розраховують перевищення температури повітря при поточному нагріві: Р [] і Q n [] = Qмр - а . i Lі Розраховують кількість повітря, необхідну для охолодження машини 22 при поточному нагріві: 0. 5 × K n × (å P[]) i Q n [] = i , 1100 × Qn [] i де Кn - коефіцієнт заповнення якоря сталлю; ΣΡ[і]=Ρя,дп [і]+Рст[і] - сума поточних втрат. На наступному етапі знаходять необхідну частоту обертання вентилятора і подають керуючий сигнал на перетворювач частоти 3: nнеоб = Qn [i]× nном Qном - номінальна частота обертання венти де nном лятора; Qном - кількість охолоджуючого повітря для номінального режиму. Якщо машина постійного струму 22 продовжує працювати, то повторюється цикл вимірювання за допомогою датчиків і т.д. Для припинення роботи охолоджуємої машини 22 вимикають приводний асинхронний двигун 33, для чого натискають на кнопку 44. Вимикають збудження машини постійного струму 22, вимкнувши для цього автоматичний вимикач 10. Асинхронний двигун 8 з вентилятором 9 на його валу продовжує працювати з попередньою частотою обертання, охоложуючи непрацюючу машину постійного струму 22 на протязі 5 хвилин для її повного охолодження. Після 5 хвилин роботи асинхронний двигун 8 зупиняється. Для цього від'єднується від мережі перетворювач частоти 3 натисканням кнопки 46. На наступному кроці вимикають автоматичні вимикачі 2, 10, 25, 37, 52, позбавляючи цим живлення перетворювач частоти 3, тиристорні регулятори напруги 11 й 26 та схеми керування. Потім для відключення пристрою від джерела живлення вимикають автоматичний вимикач 1. 11 24488 12 13 24488 14 15 Комп’ютерна в ерстка А. Крулевський 24488 Підписне 16 Тираж 26 прим. Міністерство осв іт и і науки України Держав ний департамент інтелектуальної в ласності, вул. Урицького, 45, м. Київ , МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислов ої в ласності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601