СИСТЕМА ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ БЛОКОВ ПУСКОТОРМОЗНЫХ РЕЗИСТОРОВ
AIR COOLING SYSTEM FOR STARTING-BRAKING RESISTOR

Изобретение относится к системам разомкнутой вентиляции и предназначено для принудительного воздушного охлаждения блоков пускотормозных резисторов (БПТР) электровоза с коллекторными тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими от высоковольтной контактной сети постоянного тока с напряжением 3000 В.
Традиционно в качестве электродвигателей вентиляции (ЭДВ) БПТР используются коллекторные электродвигатели (КЭД) с последовательным возбуждением, рассчитанные на номинальное напряжение до 300 В, занимающие значительные объемы в системе охлаждения и создающие значительные электромагнитные помехи. КЭД приводят в движение осевые одноступенчатые вентиляторы. КЭД требуют частого ремонта и трудоемкого обслуживания. Ресурс работы КЭД в условиях эксплуатации с нагретыми ПТР составляет не более 20000 часов.
Широко известны системы охлаждения БПТР электровоза, в которых в каждом канале охлаждения (КО) для управления частотой вращения КЭД используются отдельные преобразователи собственных нужд (ПСН), запитанные от контактной сети.
Расходно-напорные параметры и эффективность охлаждения при этом достаточно низкие, так как измерения не дают полной достоверной информации всех факторов в реальном масштабе времени для их фиксации, что не позволяет оперативно обнаружить и предупредить осложнения в работе.
Известны системы охлаждения электровозов, в которых КЭД вентиляции в каждом КО подсоединяются параллельно к первым секциям БПТР, постоянно включенных при реостатном регулировании в цепь якорного тока ТЭД.
Известны системы охлаждения электровозов, в которых электродвигатели вентиляции подсоединяются параллельно к первым секциям БПТР, постоянно включенных при реостатном регулировании.
Для такой схемы частота вращения КЭД и охлаждение БПТР целиком зависит от режима работы ТЭД, т.е. практически регулировке не поддаются. При малых значениях тока охлаждение становится особенно малоэффективным, так как линейная зависимость производительности охлаждения от якорного тока не обеспечивается, особенно при малых значениях тока. В основном это объясняется нелинейным изменением под действием якорного тока магнитного потока возбуждения электродвигателей вентиляции и, как следствие, суммарного сопротивления электродвигателей и первой секции БПТР. Изменение суммарного сопротивления оказывает также влияние на якорный ток тяговых электродвигателей (ТЭД). Отсутствие микропроцессорных средств не позволяет учесть все влияющие факторы и решать задачи диагностики и прогнозирования основных неисправностей оборудования, формирования предписаний персоналу по результатам диагностики и прогнозирования на верхний уровень управления электровоза.
Известен автоматический регулятор температуры теплоносителей энергетической установки, содержащий в качестве управляющего органа пневматический преобразователь температуры с усилителем мощности, а в качестве исполнительно-регулирующего устройства - мембранный пружинный исполнительный механизм и вентилятор с электроприводом и поворотными лопастями [Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988, с.186].
Известен также автоматический микропроцессорный регулятор температуры тяговой электрической машины, содержащий микропроцессорный управляющий орган с датчиком тока и датчиком напряжения на контролируемой обмотке тяговой электрической машины, принцип работы которого основан на зависимости активного сопротивления контролируемой обмотки от ее температуры, усилитель выходного сигнала микропроцессорного управляющего органа, преобразователь электрического сигнала в пневматический, усилитель мощности, мембранный пружинный исполнительный механизм, осевой вентилятор с механическим приводом и поворотными лопатками [Космодамианский А.С. Автоматическое регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов. - М.: Маршрут, 2005, с.182-191].
1
2.
Общий недостаток этих регуляторов температуры заключается в том, что они статические. Автоматические системы регулирования температуры тяговой электрической машины, также как и автоматические системы регулирования температуры энергетической установки, с П-регуляторами также являются статическими. Статическая система поддерживает регулируемую температуру T в пределах статической неравномерности. Однако автоматические системы регулирования температуры обмоток электрических машин, трансформаторов и элементов полупроводниковых преобразователей должны поддерживать температуру постоянной независимо от изменений мощности N энергетической установки и температуры наружного охлаждающего воздуха Т Постоянство температуры обмоток электрических машин, трансформаторов и элементов полупроводниковых преобразователей обеспечивает более высокую надежность электрических машин, трансформаторов и элементов полупроводниковых преобразователей и меньшие затраты энергии на их охлаждение, чем при колебаниях температуры.
Известен автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры энергетической установки транспортного средства, содержащий источник электроэнергии переменного тока, управляющий орган с датчиком температуры, два одинаковых асинхронных двигателя с фазными роторами, статорные обмотки которых 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 с датчиком температуры. В устройстве также применены: датчик мощности энергетической установки, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха и датчик угла поворота статора, подключенные к входам микропроцессорного контроллера. К одному из выходов микропроцессорного контроллера подключен механизм поворота статора асинхронного двигателя. Параллельно резисторам, соединяющим роторные обмотки асинхронных двигателей, подключены рабочие обмотки дросселей насыщения (магнитных усилителей), управляющие обмотки которых подключены ко второму выходу микропроцессорного контроллера посредством блока управления. В другом исполнении в автоматическом, комбинированном микропроцессорном регуляторе температуры энергетической установки транспортного средства роторные обмотки асинхронных двигателей соединены последовательно посредством эмиттер-коллекторных переходов транзисторов, базы и эмиттеры которых подключены ко второму выходу микропроцессорного контроллера посредством блока управления транзисторами (патент РФ на изобретение №2364752, F01P 7/00).
1
д
Известен регулятор температуры энергетической установки транспортного средства, представляющий собой регулятор температуры Т энергетической установки транспортного средства, содержащий источник электроэнергии переменного тока, управляющий орган с датчиком температуры, вентилятор охлаждения и два асинхронных двигателя с фазными роторами, статорные обмотки которых 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. Этот регулятор также имеет существенный недостаток, который заключается в следующем. В цепи роторных обмоток асинхронных двигателей постоянно включены сопротивления R резисторов, поэтому наибольшая скорость привода вентилятора охлаждения ограничивается скоростью, меньшей номинальной на 6-10%. Увеличенное скольжение s приводит при угле поворота статора 180 электрических градусов к соответствующему уменьшению (на 6-10%) коэффициента полезного действия привода вентилятора охлаждения и к работе его при мощности меньше номинальной. Все это снижает технико-экономические показатели регулятора температуры. Самым простым способом ликвидации этого недостатка регулятора температуры с электрическим приводом вентилятора на переменном токе является увеличение скорости привода вентилятора охлаждения путем шунтирования при малых скольжениях дополнительных резисторов в роторной цепи. Для уменьшения бросков тока необходимо плавно уменьшать сопротивление в цепи роторных обмоток при угле поворота статора, в несколько меньшем чем 180°. Это плавное уменьшение сопротивления в цепи роторных обмоток асинхронных двигателей может быть осуществлено двумя способами: путем подключения параллельно резисторам, соединяющим роторные обмотки, управляемых индуктивных сопротивлений - дросселей насыщения (магнитных усилителей) или путем соединения роторных обмоток посредством транзисторов - управляемых полупроводниковых сопротивлений (патент РФ на изобретение №2241837, F01P 7/00). - ПРОТОТИП.
Техническими задачами изобретения являются: повышение надежности и качества охлаждения БПТР электровоза путем использования в качестве ЭДВ синхронных магнитоэлектрических двигателей (МЭД) с возбуждением на постоянных магнитах; снижение энергопотребления и улучшение габаритно-массовых характеристик ЭДВ и системы в целом; снижение электромагнитных помех и влияния системы охлаждения на якорный ток ТЭД во всех режимах реостатного регулирования и во время переходов с реостатного на ходовой режим и обратно; обеспечение управления МЭД путем использования измерительных шунтирующих резисторов для измерения якорного тока ТЭД электровоза; защита от перегрева МЭД; решение задач диагностики и прогнозирования основных неисправностей оборудования и формирование предписаний путем использования микропроцессорных средств; обеспечение кодового взаимодействия системы для ее интеграции с верхним уровнем системы управления электровоза.
Для решения поставленных задач предлагается система воздушного охлаждения БПТР электровоза, работающего от высоковольтной контактной сети постоянного тока с напряжением 3000 В и оборудованного n-группами пар последовательно соединенных коллекторных тяговых электродвигателей (ТЭД), содержащая n-каналов охлаждения (КО), каждый из которых содержит блок управления (БУ), ЭДВ охлаждения соответствующего БПТР, отличающаяся тем, что в каждый КО в качестве ЭДВ введен бесконтактный вентильный синхронный электродвигатель с возбуждением на постоянных магнитах на роторе (МЭД), рассчитанный на достаточно низкое напряжение (не более 48 В) и содержащий датчик температуры (ДТ), датчик углового положения ротора (ДУПР) на элементах Холла, первую, вторую и третью статорные обмотки МЭД с соединением фаз обмотки по схеме «звезда», измерительный шунт (ИШ), шунтирующий тиристор (ШТ), трехфазный автономный инвертор (АИ), в состав которого входят три инверторные секции, каждая из которых содержит драйвер управления (ДУ) и шесть IGBT-транзисторных ключей, включенных по трехфазной мостовой схеме, фазные выходы которой посекционно подключены к соответствующей статорной обмотке МЭД, управляющие входы - через ДУ к соответствующей первой группе управляющих выходов БУ, первая, вторая и третья группы входов которого соединены соответственно с первой, второй и третьей группами выходов ДУПР на элементах Холла, при этом входы питания каждой секции АИ поканально по положительному входу объединены и подключены к аноду ШТ и к положительному входу контактной сети через БПТР соответствующего КО, по отрицательному входу объединены и подключены к катоду ШТ и к отрицательному входу контактной сети через ИШ и последовательно соединенные обмотки якоря и возбуждения пары ТЭД соответствующего КО, причем четвертая группа входов БУ является группой выходов ИШ, пятая группа входов БУ является группой выходов ДТ, вторая группа управляющих выходов БУ является группой входов управления ШТ, первая группа вводов-выводов является группой вводов-выводов связи с системой управления электровозом.
На фиг.1 показана структурная схема системы воздушного охлаждения БПТР; на фиг.2 - структурная схема инвертора автономного трехсекционного трехфазного; на фиг.3 - схема построения ДУПР.
На чертежах показано: 1 и 1n - первый и n-й соответственно БУ; 2.1 и 2n - первый и n-й соответственно ЭПВ; 3.1. и 3n - первый и n-й соответственно трехфазные трехсекционные АИ; 4.1 и 4n - первый и n-й соответственно ИШ; 5.1 и 5n - первый и n-й соответственно ШТ; 6.1 и 6n - первый и n-й соответственно МЭД вентиляторов; 7.1, 7.2 и 7.3 - первая, вторая и третья соответственно статорные обмотки МЭД; 8.1 и 8n - первый и n-й соответственно ДТ; 9 и 9n - первая n-я соответственно пары ТЭД; 10.1 и 10n - первый и n-й соответственно БПТР; 11.1, 11.2 и 11.3 - первый, второй и третий соответственно ДУ первого и n-го АИ 3.1 и 3n; 12.1 и 12n - первый и n-й ДУПР на элементах Холла.
Система работает следующим образом.
Исходное состояние силовых IGBT-транзисторных ключей секций инвертора 3 находится в состоянии «замкнуто», что соответствует шунтированию статорных обмоток 7 МЭД 6 вентилятора и его нерабочему состоянию. Ток охлаждаемого БПТР 10 протекает полностью через силовые ключи, минуя статорные обмотки 7. БУ 1 при подаче на него напряжения производит измерение якорного тока через охлаждаемый БПТР 10 и ТЭД 9 с помощью измерительного шунта ИШ 4. При достижении пороговой величины тока, требующей обдува резисторов, БУ1 осуществляет ШИМ-коммутацию силовых ключей инвертора 3 через драйверы управления 11 с гальванической развязкой, обеспечивающую питание статорных обмоток 7 со скважностью, которая определяется током через охлаждаемые резисторы и обеспечивает необходимую по условиям охлаждения производительность вентилятора. Поскольку МЭД 6 рассчитан на достаточно низкое напряжение (не более 48 В), изменение режима работы системы охлаждения не оказывает существенного влияния на якорный ток ТЭД 9 при переключениях секций БПТР 10 во всех режимах реостатного регулирования и во время переходов с реостатного на ходовой режим и обратно. При этом система управления двигателем вентилятора обеспечивает ограничения тока через МЭД 6 вентиляции для защиты их от перегрева и отключения одной из фаз на заданное время для исключения бросков якорного тока.
Порядок ШИМ-коммутации силовых ключей определяется по состоянию элементов Холла, входящих в ДУПР 12 МЭД 6. ШТ 5 шунтирует силовые входы секций АИ 3 при коротком замыкании или перегрузке по якорному току в течение заданного времени, а также перенапряжении на силовых ключах АИ 3. Данные о срабатывании ШТ 5, о якорном токе и результаты диагностики передаются по кодовому тракту в систему управления верхнего уровня электровоза.
Таким образом, в предлагаемом изобретении скорость вращения каждого МЭД вентилятора регулируется независимо от другого МЭД вентилятора и трехсекционным трехфазным автономным АИ тока.
Секции инвертора АИ, соединенные между собой по входу параллельно, подключены и включены последовательно с охлаждаемым БПТР и питаемыми через него ТЭД. Инвертор управляет частотой вращения МЭД вентиляции в соответствии с величиной якорного тока пары ТЭД, обеспечивая оптимальный расход и напор продуваемого воздуха через охлаждаемый БПТР.
При постоянстве напряжения контактной сети нагрев резисторов и выделяющееся тепло полностью зависят от тока, протекающего через последовательно включенные резисторы и якорные обмотки ТЭД, и прямо пропорциональны квадрату величины этого тока. Потому важно, чтобы частота вращения электродвигателей вентиляции линейным образом зависели от якорного тока, протекающего через резисторы, а скорость потока воздуха и соответственно производительность вентилятора при этом пропорциональны квадрату тока.
В случае перегрева или короткого замыкания статорных обмоток МЭД, а также их перегрузки или неисправности ключей АИ внутренние средства БУ производят шунтирование входов АИ, обеспечивая тем самым его защиту.
В связи с этим обеспечение экономичной, надежной и безопасной эксплуатации является основной задачей системы охлаждения БПТР, которая может быть решена путем создания системы охлаждения БПТР, работающей оптимальным образом под управлением микропроцессора и интегрированной с системой управления электровоза, и улучшения габаритно-массовых и электротехнических характеристик КЭД вентиляции.
Использование активных вычислительных средств системы и связь ее с системой управления электровоза позволяют получить ряд преимуществ по сравнению с существующими пассивными системами охлаждения БПТР.