Пристрій для автоматичного регулювання температури електричних машин

Реферат: Пристрій для автоматичного регулювання температури електричних машин додатково містить два блоки обчислень, причому на вхід першого блока обчислень подають сигнал з датчика струму навантаження, у першому блоці обчислень обчислюють перегрів електричної машини, відповідний стану рівноваги між кількістю теплоти, що виділяється в обмотках електричної машини і кількістю теплоти, що віддається охолоджувальному агенту, при цьому сигнал про згаданий перегрів передають в блок обчислень з математичною моделлю функціонування температури електричної машини; на вхід другого блока подають сигнал з датчика температури зовнішнього повітря, причому в другому блоці обчислюють значення коефіцієнта впливу зовнішнього повітря на охолодження електричної машини, вихідний сигнал з другого блока обчислень про коефіцієнт впливу зовнішнього повітря передають в блок обчислень за математичною моделлю функціонування автоматичної системи регулювання температури електричної машини, причому блок обчислень за математичною моделлю функціонування автоматичної системи регулювання температури електричної машини формує сигнал на зміну частоти обертання двигуна вентилятора охолодження електричної машини і передає цей сигнал в виконавчий пристрій керованого приводу вентилятора. UA 69574 U (12) UA 69574 U UA 69574 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до автоматичних систем регулювання температури якірних і полюсних обмоток електричних машин, зокрема тягових електричних двигунів постійного струму локомотивів. Відомий пристрій автоматичного регулювання температури електричної машини шляхом зміни подачі холодного повітря в залежності від температури якірних і полюсних обмоток електричної машини з каналами для охолоджуючого середовища, що містить вентилятор з приводом постійного струму, датчики струму тягового двигуна і температури охолоджуючого середовища, частоти обертання вентилятора охолодження тягового двигуна, блоки обробки результатів і вироблення сигналів на виконавчий пристрій для зміни частоти обертання двигуна вентилятора, при якій підтримується температура обмоток тягового електродвигуна в заданих межах. Недоліком цього пристрою є те, що при зміні навантаження електровоза двигун вентилятора різко змінює частоту обертання, що призводить до виникнення динамічних навантажень в двигуні вентилятора і, відповідно, до зниження надійності його роботи. Найбільш близьким з технічною суттю і отриманим результатом є пристрій [2] для автоматичного регулювання температури електричної машини (фіг. 1) з каналами для холодильного агента, який містить вентилятор 3 з керованим приводом 4, датчики струму та напруги 10 електричної машини, падіння напруги на контрольованій обмотці 7, температури зовнішнього повітря (холодильного агента) 5, частоти обертання двигуна вентилятора 11, блок множення сигналів датчиків напруги і струму 13 електричної машини, блок розподілу сигналу датчика падіння напруги на контрольованій обмотці на сигнал струму 12 електричної машини, блок обчислення середньої температури обмотки по обчисленому значенню її опору в гарячому стані, блоки обчислень 15 і 16, які містять математичну модель функціонування автоматичної системи регулювання температури електричної машини, що дозволяє розрахунковим шляхом визначати значення температури контрольованої обмотки як при включенні, так і при відключенні напруги живлення електричної машини. Одним з недоліків даного рішення (прототипу) є те, що при наявності розбіжностей між вимірюваною і заданою температурою обмоток тягової машини необхідна зміна частоти обертання двигуна вентилятора охолодження тягової машини проводиться з використанням математичної моделі, вихідними даними для якої є параметри роботи електричної машини в даний момент часу, у тому числі: температура обмоток електричної машини, частота обертання двигуна вентилятора, напруга і струм електричної машини, температура зовнішнього повітря. Таким чином, згадана математична модель прогнозує тепловий стан електричної машини за параметрами роботи системи в даний момент часу. Така математична модель може надійно функціонувати тільки при одноразовій зміні режиму роботи тягової машини. Насправді режим роботи тягової машини з точки зору теплових розрахунків змінюється за випадковою закономірністю, випадковим чином змінюється і кількість теплоти, яка виділяється в обмотках тягової машини, внаслідок чого в тілі електричної машини має місце накладення температурних полів і розрахунки температур з цієї причини є малонадійними. З іншого боку, для різних тягових машин, що мають різні маси, різні конструкції, зв'язок температур обмоток з параметрами їх роботи буде носити індивідуальний характер. Іншим недоліком даного технічного рішення (прототипу) є використання в якості датчика 5 температури зовнішнього повітря аналогового пристрою із мостом Віна і підсилювачем сигналу 6, показання якого можуть спотворюватися під дією електромагнітних полів, які мають місце на електровозі. Задачею корисної моделі є усунення зазначених недоліків і створення автоматичного пристрою керування приводом вентилятора охолодження тягової машини, що дозволяє підтримувати температуру обмоток полюсів і якоря в заданих межах і забезпечувати зниження енергії на роботу вентилятора. Поставлена задача досягається тим, що для визначення температури перегріву обмоток тягової машини, зокрема, тягового двигуна електровоза, використовуються індивідуальні залежності температури обмоток від струму тягової машини і температури зовнішнього повітря, викладені, наприклад, у нормативному документі [5]. Згідно з нормативним документом [5] розрахункове значення нагріву визначається окремо для полюсних і якірних обмоток p  I  K cз  K зn , (1) де p - очікуване розрахункове значення температури обмоток через деякий інтервал часу T , °C; 1 UA 69574 U  I - перегрів тих же обмоток за їх початкового стану і струму електричної машини, °C; Kcз - коефіцієнт сезонного впливу. Для зимових умов Kcз  11 ; для літніх умов K cз  10 ; , , K зn - коефіцієнт приведення перевищення температури обмоток тягових електричних 5 машин до розрахункової температурі навколишнього повітря. У документі [5] значення K зn представлені в табличному вигляді (табл. 1). Таблиця 1 Значення коефіцієнта K зn Обмотки 0 0,90 0,94 Полюсів Якоря 10 5 0,92 0,95 Значення K зn при температурі, °C 10 15 20 25 0,94 0,96 0,98 1,0 0,96 0,98 0,99 1,0 30 1,02 1,01 35 1,04 1,02 Залежності коефіцієнта K зn від температури близькі до лінійних і описуються наступними залежностями Для полюсних обмоток Kпол  0,9  0,04Tз.n. , нв (2) Для якірних обмоток як Kнв  0,94  0,024T з.n. , (3) 15 де Tз.n. - температура зовнішнього повітря, °C. Значення розрахункового перегріву обмоток  I в нормативному документі [5] визначається залежністю I   t  t   0 1  , T T  (4) 20 25 30 де  - стале значення перегріву обмоток тягової машини при досить великому часу охолодження при заданому струмі теплової машини, °C; t - проміжок часу, через який визначається розрахунковий перегрів теплової машини, хв; T - умовний час, визначений теплоємністю теплової машини та умовами її охолодження зовнішнім повітрям, хв.;  0 - значення перегріву обмоток тягової машини, що передував розрахунковому перегріву, °C. При цьому значення перегріву  для кожного типу тягових двигунів представлено в графічному вигляді. Наприклад, для тягового двигуна НБ406 (електровозів ВЛ8) графічна залежність  описується у вигляді 3-х парабол: ,1  0,06048I  0,00084762 , при 0  I  350 , I (5) 2 (6) 2 (7) ,2  0,39244I  0,002189 , при 350  I  485 , I ,3  0,54589I  0,024987 , при 485  I  600 , I 35 де I - електричний струм тягової машини, А. Значення умовного часу T у нормативному документі [5] також має індивідуальне значення для кожного типу тягового двигуна. Для того ж тягового двигуна НБ406 значення T становить 44 хв. 2 UA 69574 U t менше 0,1. Тоді для T тягового двигуна НБ406 розрахунковий відрізок часу t повинен бути не більше 0,1 44  4,4 хв. Формула (4) в документі [5] отримана за умови, що відношення 5 Використання розрахункових залежностей (1-7) для визначення перегріву обмоток тягової машини буде ефективним, якщо після кожного інтервалу часу t попереднє значення 0 буде визначатися інструментальними вимірами, тоді неточності самої формули (3) при малих значеннях інтервалу часу t не матимуть істотного значення для регулювання температури тягових обмоток. З використанням формул (1-7) визначається розбіжність між перегрівами якірних t як і полюсних tпол обмоток. 10 як t як  як  р , доп tпол  пол доп  пол , р (8) (9) де  як - допустимий перегрів якірних обмоток, °C; доп пол - допустимий перегрів полюсних обмоток, °C. доп 15 20 З двох значень розбіжностей між перегрівами як і пол вибирається більше значення max . Для забезпечення надійної роботи електричної машини протягом тривалого часу доцільно підтримувати перегрів тягових обмоток нижче припустимого значення на  , °C. У цьому випадку коригування частоти обертання двигуна вентилятора охолодження тягової машини буде проводитися не за величиною max , a з різниці max   , і тоді поправка до числа обертів визначиться по співвідношенню: n  max   , 25 (10) де  - коригуючий коефіцієнт. Для реалізації викладеної схеми керування швидкістю обертання вентилятора охолодження тягової машини і підтримки температури її обмоток на рівні, відповідному перегріву їх і рівному max   , в електричну схему регулювання температури обмоток тягової машини вводяться додатково два блоки. У першому блоці по струму тягової машини розраховується значення  , у другому блоці по температурі Tз.n. зовнішнього повітря розраховується поправочний 30 35 40 коефіцієнт K зn . Електрична схема регулювання температури обмоток тягової машини представлена на фіг. 2. Пропонований пристрій для автоматичного регулювання температури електричної машини 1 містить канал 2 для проходу холодильного агента, вентилятор 3 з приводом 4, датчик температури зовнішнього повітря 5, датчики струму навантаження 6, падіння напруги U на контрольованій обмотці 7, блок 8 ділення падіння напруги U на контрольованій обмотці на струм I тягової машини, блок 9 обчислення рівновісного перегріву тягових обмоток  , блок 10 обчислення коефіцієнта K зn впливу зовнішнього повітря на температуру обмоток  , мікропроцесорний контролер 11, в який надходять сигнали з блока 8 ділення падіння напруги на обмотках тягової машини на струм навантаження, з блока 9 розрахунку рівновісного перегріву  , з блока 10 визначення коефіцієнта K зn впливу зовнішнього повітря на температуру обмоток, при цьому в мікропроцесорному контролері 11 по опору обмоток в гарячому стані Rг та його значення в холодному стані R x згідно з [3] визначають виміряне значення температури T0 обмоток в даний момент часу, з різниці температур T0 і Tзn визначають перегрів 0 обмоток в даний момент часу 45 0  To.  Tз.n. . (11) 3 UA 69574 U 5 Пристрій для автоматичного регулювання температури електричної машини працює наступним чином. При включенні електричної машини датчик струму 6 посилає сигнали в блок 8 і в блок 9, датчик 7 падіння напруги посилає сигнал у блок 8, датчик температури зовнішнього повітря посилає сигнал у блок 10. В блоці 8 шляхом ділення падіння напруги U на обмотках електричної машини на струм I обчислюється електричний опір Rг , значення якого передається в мікропроцесорний контролер 11. У блоці 9 по струму I навантаження електричної машини розраховується рівновісне значення перегріву  , яке передається в 10 мікропроцесорний контролер 11. У блоці 10 по температурі Tз.n. , розраховується коефіцієнт K зn , значення якого передається в мікропроцесорний контролер 11. У блоці 11 виконуються наступні операції. За значенням електричного опору Rг обмоток тягової машини в гарячому стані з урахуванням опору R x в холодному стані цих обмоток у відповідності з [3] визначається температура обмоток Ti ; за значенням Ti визначається початкове значення перегріву обмоток як різниця температур Ti та Tз.n. 15 0  Ti.  Tз.n. (12) За значеннями для заданого інтервалу часу Tc з урахуванням умовного часу T і коефіцієнта сезонного впливу Kcз за формулою (1) визначається очікуваний перегрів p обмоток тягової машини через заданий інтервал часу T . За значеннями p і з визначається 20 розбіжність  перегріву обмоток тягової електричної машини.   р  з . (13) За отриманою розбіжністю  перегріву обмоток тягової електричної машини визначається поправка до частоти обертання двигуна вентилятора охолодження тягової машини. 25 n     . 30 35 40 45 50 (14) За обчисленим значенням  n мікропроцесорний контролер (блок 11) формує керуючий сигнал і передає його в виконавчий пристрій керованого приводу 4 вентилятора охолодження тягової електричної машини, при цьому відразу після включення електричної машини як початкового перегріву 0 обмоток електричної машини приймається згідно з [5] рівним 15 °C. Регулювання частоти обертання двигуна вентилятора охолодження електричної машини і, як наслідок, регулювання подачі кількості холодильного агента (повітря), проводиться послідовно, через малі відрізки часу, що дозволяє, по-перше, плавно змінювати число обертів двигуна вентилятора охолодження електричної машини, і по-друге, не допускати значного відхилення температури обмоток електричної машини від заданого рівня і тим самим мінімізувати витрати енергії на роботу двигуна вентилятора охолодження електричної машини. Джерела інформації: 1. Авторское свидетельство 1584040(СССР). Тяговая электрическая машина постоянного тока/ Луков Н. М., Логинова Е. Ю., Попов В. М., Кравцов А. Н., Доронин Ю. И., Макаренков А. И. - Опубл. в Б. И., 1990, № 29, кл.Н02К9/04,00; 2. Патент 2121209 (Россия). Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины:/ Космодамианский А. С., Луков Η. Μ., опуб. В Б. И., 1998, кл.Н02К9/04. 3. ГОСТ 25000-81. Машины электрические, вращающиеся. Методы испытаний на нагревание. 4. Космодамианский А. С., Чернышев Л. А. Методика расчетных исследований переходных процессов в нелинейных АСРТ тяговых электрических машин локомотивов, Моск. ин-т инж. ж.д. трансп.(МИИТ). – Деп.в ЦНШТЭИТЯЖМАШ 27.01.92., № 818-тм92. 5. Правила тяговых расчетов для поездной работы. - М.: Транспорт, 1985. 287с. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ Пристрій для автоматичного регулювання температури електричних машин з каналами для холодильного агента, що містить вентилятор з керованим приводом, датчики струму 4 UA 69574 U 5 10 15 20 навантаження на клемах електричної машини, падіння напруги на контрольованій обмотці електричної машини, температури зовнішнього повітря, блок ділення вихідного сигналу датчика падіння напруги на контрольованій обмотці електричної машини на сигнал датчика струму навантаження і обчислення температури обмотки за виміряним значенням її опору в гарячому стані, блок обчислень за математичною моделлю функціонування автоматичної системи регулювання температури електричної машини, який відрізняється тим, що в пристрій для автоматичного регулювання температури електричної машини додатково введені два блоки обчислень, причому на вхід першого блока обчислень подають сигнал з датчика струму навантаження, у першому блоці обчислень обчислюють перегрів електричної машини, відповідний стану рівноваги між кількістю теплоти, що виділяється в обмотках електричної машини і кількістю теплоти, що віддається охолоджувальному агенту, при цьому сигнал про згаданий перегрів передають в блок обчислень з математичною моделлю функціонування температури електричної машини; на вхід другого блока подають сигнал з датчика температури зовнішнього повітря, причому в другому блоці обчислюють значення коефіцієнта впливу зовнішнього повітря на охолодження електричної машини, вихідний сигнал з другого блока обчислень про коефіцієнт впливу зовнішнього повітря передають в блок обчислень за математичною моделлю функціонування автоматичної системи регулювання температури електричної машини, причому блок обчислень за математичною моделлю функціонування автоматичної системи регулювання температури електричної машини формує сигнал на зміну частоти обертання двигуна вентилятора охолодження електричної машини і передає цей сигнал в виконавчий пристрій керованого приводу вентилятора. 5 UA 69574 U Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6