СИСТЕМА ОХЛАЖДЕНИЯ ТЯГОВОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DC TRACTION ELECTRICAL MACHINE COOLING SYSTEM

«Область техники, к которой относится изобретение»
Изобретение относится к области электромашиностроения и касается управления воздушным охлаждением тяговой электрической машины постоянного тока. А именно, изобретение относится к системе охлаждения тяговой электрической машины постоянного тока.
«Уровень техники»
Известен способ охлаждения тяговой электрической машины постоянного тока, в которой расход воздуха изменяется центробежным или осевым вентиляторами, имеющими кинематическую связь с первичным двигателем тепловоза [1].
Недостаток данного способа охлаждения тяговой электрической машины заключаются в том, что расход воздуха не зависит от температуры основных узлов электрической машины, контроль которых должен обеспечиваться в соответствии с ГОСТ 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые", что не обеспечивает поддержание их допустимого температурного диапазона.
Известна тяговая электрическая машина постоянного тока, содержащая якорь с обмоткой, магнитную систему с обмотками возбуждения и добавочными полюса и датчики тока нагрузки и температуры охлаждающей среды, вентилятор охлаждения с приводом, в которой с целью повышения эксплуатационной надежности и КПД, быстродействия и устойчивости регулирования температуры, она снабжена датчиком падения напряжения на обмотке добавочных полюсов, блоком деления сигнала датчика падения напряжения на сигнал тока нагрузки, блоком умножения выходных сигналов указанных датчиков и блоком суммирования выходных сигналов указанных блоков и датчика температуры, при этом выход блока суммирования подключен к входу привода вентилятора охлаждения [2]. Здесь управление расходом охлаждающего воздуха осуществляется по суммарному сигналу датчика температуры охлаждающей среды (воздуха) и датчика температуры обмотки добавочных полюсов, которая определяется датчиком по току нагрузки электрической машины и падению напряжения на добавочных полюсах методом сопротивления.
Недостаток известной тяговой электрической машины заключаются в управлении охлаждением электрической машины по температуре вспомогательного узла - обмотки добавочного полюса, без учета температуры основных узлов электрической машины, допустимый диапазон которых должен обеспечиваться в соответствии с ГОСТ 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые".
Известно устройство для автоматического управления температурным режимом электрической машины, содержащее центробежный вентилятор с приемным и выходным патрубками, воздухопровод для соединения выходного патрубка с корпусом электрической машины, независимый привод вентилятора, регулирующий производительность вентилятора орган и блок автоматического управления этим органом в функции температуры электрической машины, отличающееся тем, что, с целью упрощения и сокращения габаритов устройства, оно снабжено размещенным в приемном патрубке дополнительным осевым вентилятором с приводным электродвигателем, рабочие обмотки которого соединены с блоком автоматического управления [3].
Недостатками данного устройства являются повышенные весо-габаритные показатели системы охлаждения электрической машины по сравнению с системой охлаждения, содержащей один вентилятор, усложнение ее конструкции и низкая точность управления температурой основных узлов электрической машины, контроль которых должен обеспечиваться в соответствии с ГОСТ 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые", поскольку расход воздуха на охлаждение машины в данном устройстве изменяется по температуре одной из последовательных обмоток - обмотки возбуждения или обмотки добавочных полюсов.
Известно устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины с каналом для охлаждающего агента, содержащее вентилятор с управляемым приводом, датчики тока нагрузки и напряжения на клеммах электрической машины, падения напряжения на контролируемой обмотке электрической машины, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающего агента, блок деления выходного сигнала датчика падения напряжения на контролируемой обмотке электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки, блок умножения сигнала датчика напряжения на клеммах электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки, отличающееся тем, что в него введены два блока вычислений и блок перехода, причем на входы первого блока вычислений подают сигналы с датчика тока нагрузки, блока усиления сигнала по температуре охлаждающего агента, блока деления выходного сигнала датчика падения напряжения на контролируемой обмотке электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки, блока умножения сигнала датчика напряжения на клеммах электрической машины на сигнал датчика тока нагрузки и блока перехода, в первом блоке вычислений вычисляют температуру контролируемой обмотки электрической машины по измеренному значению ее сопротивления в горячем состоянии с учетом величины сопротивления контролируемой обмотки в холодном состоянии и формируют управляющее воздействие с учетом заданной температуры, сигналов по току нагрузки, мощности электрической машины и температуре охлаждающего агента, на входы второго блока вычислений подают сигналы по температуре контролируемой обмотки электрической машины, вычисленной в первом блоке вычислений, блока усиления сигнала по температуре охлаждающего агента, датчика частоты вращения вала вентилятора и блока перехода, причем второй блок вычислений, содержащий математическую модель функционирования автоматической системы регулирования температуры электрической машины, формирует управляющее воздействие, пропорциональное величине рассогласования расчетной и заданной температуры контролируемой обмотки с учетом измеренной температуры этой обмотки, количества охлаждающего агента на момент снятия нагрузки и температуры охлаждающего агента, на вход блока перехода подают сигнал с датчика напряжения на клеммах электрической машины, блок перехода подает команду на передачу функций регулирования либо первому блоку вычислений в том случае, если сигнал датчика напряжения на клеммах электрической машины не равен нулю, либо второму блоку вычислений в том случае, если сигнал датчика напряжения на клеммах электрической машины отсутствует, причем управляющие сигналы обоих блоков вычислений подают на входы усилительно преобразующего устройства управляемого привода вентилятора [4].
Недостатком данного устройства для автоматического регулирования температуры электрической машины, работающей на базе математической модели, является то, что управление расходом охлаждающего воздуха осуществляется по сигналу рассогласования расчетной и заданной температуры контролируемой обмотки без учета температуры других узлов электрической машины, допустимый диапозон которых должен обеспечиваться в соответствии с ГОСТ 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые", что не обеспечивает поддержание их требуемого температурного режима.
За прототип принята система охлаждения электрической машины по патенту РФ 2121209. от. 27.10.1998.
«Раскрытие изобретения»
Техническим результатом изобретения является обеспечение допустимого диапазона температур основных узлов электрической машины с одновременным повышением надежности тяговой электрической машины постоянного тока (ТЭМ) и ее КПД, что обеспечивается гарантированным поддержанием температуры узлов указанных ГОСТом 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые" в зоне допустимого диапазона, а также уменьшение затрат энергии на охлаждение.
Указанный технический результат достигается за счет системы охлаждения тяговой электрической машины постоянного тока, состоящей из электрической машины постоянного тока, тепловой модели электрической машины постоянного тока, привода вентилятора охлаждения, состоящего из мотор-вентилятора на базе асинхронного двигателя и преобразователя частоты асинхронного двигателя, регулятора, блоков сравнения и логического блока ИЛИ. Указанная система выполнена с возможностью поддержания в заданном диапазоне температуры обмотки якоря, температуры обмотки возбуждения и температуры коллектора, и с возможностью изменения расхода воздуха на охлаждение в зависимости от максимальной ошибки регулирования температуры указанных узлов.
Краткое описание чертежей
На Фигуре представлена принципиальная блок-схема системы управления охлаждением ТЭМ.
Осуществление изобретения
Сущность изобретения состоит в следующем.
В соответствии с ГОСТ 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые" определяются допустимые превышения средних температур трех узлов ТЭМ - обмотки якоря, обмотки возбуждения и коллектора (Таблица 1). При этом допустимое превышение температуры коллектора значительно ниже, чем обмоток, поскольку коллекторный миканит в своем составе содержит слюду и смолы.
При эксплуатации температуры контролируемых узлов ТЭМ могут изменяться в широких пределах, что вызвано изменением потерь и режима охлаждения. При существующей системе общего воздушного охлаждения ТЭМ и управлении расходом воздуха по контролируемой температуре одного узла другие узлы могут перегреваться, снижая надежность электрической машины. В том случае, если системой управления охлаждением предусмотреть запас по расходу воздуха, исключающий перегрев всех узлов электрической машины, будут иметь место повышенные затраты энергии на ее охлаждение и тем самым снижение результирующего КПД.
В настоящее время разработаны математические модели тяговой электрической машины, позволяющие с высокой точностью рассчитывать текущие температуры всех ее узлов в различных условиях эксплуатации (тепловая модель электрической машины) [5,6]. Предлагаемая система охлаждения строится по принципу мажоритарного управления по отклонению регулируемой величины и использует тепловую математическую модель электрической машины (см. Фигуру).
Предлагаемая система охлаждения ТЭМ состоит из собственно электрической машины 1, тепловой модели электрической машины 2, привода вентилятора охлаждения, состоящего из мотор-вентилятора на базе асинхронного двигателя 3 и преобразователя частоты асинхронного двигателя 4, регулятора 5, блоков сравнения 6 и логического блока j ИЛИ 7.
нв
Система охлаждения работает следующим образом. В каждый момент времени в тепловую модель ТЭМ поступает информация о значении тока I и напряжения на цепях обмотки якоря и обмотки возбуждения U, частоты вращения якоря n, расхода охлаждающего воздуха G и температуры наружного воздуха t.
a
в
кол
По полученным данным тепловая модель ТЭМ рассчитывает текущие значения температуры обмотки якоря t, температуры обмотки возбуждения t, температуру коллектора t. Рассчитанные значения контролируемых температур поступают на блоки сравнении, где определяются ошибки регулирования как разность между заданными значениями температур и их текущими расчетными значениями , , .
max
Полученные ошибки управления поступают на блок ИЛИ, где определяется максимальная ошибка управления Δe, которая является входной величиной регулятора.
max
1
1
На современных локомотивах для охлаждения тягового электрооборудования используются мотор-вентиляторы на базе асинхронных двигателей (АМВ). С учетом этого управляемый привод формируется из собственно асинхронного двигателя и преобразователя частоты ПЧ (см. Фигуру). По значению Δe, регулятор определяет изменение требуемого значения частоты питающего напряжения Δf, а преобразователь частоты реализует требуемое значение Δf.
Таким образом, система измеряет текущие значения ошибок регулирования температур контролируемых узлов ТЭМ и ведет управление по максимальной в данный момент времени ошибке регулирования температуры узлов.
Использование предлагаемой системы обеспечивает поддержание температур узлов ТЭМ в заданном диапазоне изменений, что повышает ее надежность в эксплуатации и не требует применения запаса расхода охлаждающего воздуха, что снижает затраты энергии на привод вентилятора, а соответственно повышает результирующий КПД ТЭМ.
Список литературы.
1. Космодамианский Андрей. Автоматическое регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов. Монография М. Маршрут 2005 г. 256 с., ил.
2. А.С. 15084040 (СССР). Тяговая электрическая машина постоянного тока / Н.М. Луков и др. - Опубл. в БИ, 1990, №29.
3. А.с. 1436198 (СССР). Устройство для автоматического управления температурным режимом электрической машины / П.Е. Шавшуков - Опубл. в БИ, 1988, №41.
4. Патент РФ 2121209. Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины / Космодамианский А.С., Луков Н.М. - Опубл. 27.10.1998.
5. Логинова Е.Ю. Моделирование нестационарных тепловых полей в тяговой электрической машине // «Электротехника». 1999. - №11 - С. 21-24.
6. Логинова Е.Ю., Попов А.А. Результаты экспериментального и расчетного определения температур обмоток тягового электродвигателя // «Вестник ВНИИЖТ». 1999. - №6 - С. 34-39.