УСТРОЙСТВО ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ ТЯГОВОГО ДВИГАТЕЛЯ

Полезная модель относится к электромашиностроению, в частности к системам контроля температуры тяговых электродвигателей постоянного тока (ТЭД) электровозов и тепловозов в процессе эксплуатации (мониторинг).
Контроль температуры различных частей ТЭД нужен для решения таких практических задач как: защита от тепловых перегрузок, определение наиболее нагретой точки ТЭД с целью прогнозирования ресурса изоляции и двигателя в целом, для управления мотор-вентиляторами, охлаждающими ТЭД и др.
Защита от перегрузок вращающихся электрических машин предназначена для обеспечения средства предотвращающего значительный перегрев обмоток электрической машины. Исходя из того, что основным видом повреждения является пробой изоляции (до 40%), температурный фактор в основном определяет ресурс ТЭД. Превышение температуры на 10°С (для класса изоляции В) снижает ресурс изоляции в два раза. Таким образом, для прогнозирования ресурса ТЭД очень важно иметь объективную информацию о температуре ТЭД.
Обычно в таких системах защиты используются встроенные датчики температуры обмоток. Чаще всего, в промышленных двигателях для этого используют резистивные датчики температуры, встроенные в статорные обмотки для непосредственной регистрации температуры статорной обмотки. Более сложное оборудование описано в статье "Thermal Tracking-a Rational Approach to Motor Protection," IEEE Transactions on Power Apparatus and Systems, Vol.PAS-93 (Sept.-Oct. 1974), pp.1335-1344». В статье описано аналоговое реле с конструкцией, основанной на знании тепловой схемы вращающейся машины, и содержащей обратную связь от встроенного датчика температуры. Тепловая модель, которая используется для прогнозирования температуры вращающегося ротора, известна. Эта модель использует известную температуру статора и ток статорной обмотки. Система прогнозирует температуру двигателя и обеспечивает сигнал отключения, если превышены предельные условия.
В отличие от промышленных двигателей, исторически, тяговые двигатели не были защищены от тепловых перегрузок. Расположение двигателей подвергает кабели температурных датчиков ударам и вредному воздействию окружающей среды. Возможность ложных индикаций или повреждений датчиков обычно влияют на надежность системы, которая мешает использовать встроенные датчики.
Патент США №5298842 описывает тепловую защиту двигателя локомотива, основанную на измерении трех переменных: температуру воздуха на входе системы
охлаждения, температуру статорной обмотки, измеренную встроенным датчиком, и ток статорной обмотки двигателя.
Известна система тепловой защиты, содержащая электронное моделирующее устройство (RU 21211209), по величине выходного сигнала которого автоматически ступенями изменяется подача воздуха мотор-вентиляторов в системе охлаждения тяговых электродвигателей электровозов. В основу его работы положена аналогия между динамическими процессами нагревания и остывания якорных обмоток электрических машин и процессами заряда и разряда конденсатора в R-C цепи. Недостатком системы, содержащей это устройство, является то, что вследствие ее разомкнутости, (если рассматривать ее как автоматическую систему регулирования температуры, на вход исполнительно-регулирующего устройства которой подается выходной сигнал электронной модели, а не измеренное значение температуры обмоток тяговых электродвигателей), система имеет большую статическую неравномерность и повышенные затраты электроэнергии на функционирование.
Известна математическая модель системы охлаждения тяговых электрических машин локомотивов как объекта регулирования температуры (Математическая модель системы охлаждения тяговых электрических машин локомотивов как объекта регулирования температуры. Луков Н.М, Попов В.М., Космодамианский А.С. РГОТУПС, М., 1998, 16 с., дел. в ВИНИТИ 06.11.98., N3217-В98.) Система охлаждения рассматривается здесь с позиций теории автоматического регулирования как элемент автоматической системы регулирования температуры. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, составленную на основании уравнений теплового баланса, описывающую процессы изменения средней температуры обмотки одного добавочного полюса в зависимости от регулирующего (подача охлаждающей среды) и возмущающих (напряжение, ток электрической машины, температура охлаждающей среды) воздействий.
Известно также, что в процессе эксплуатации тяговых электрических машин значения максимальной локальной температуры обмоток могут существенно превышать их средние значения (Богаенко И.Н. Контроль температуры электрических машин. - Киев:
Техника, 1975. - 176 с.; Попов А.А., Логинова Е.Ю. Результаты экспериментального и расчетного определения температур обмоток тягового электродвигателя. Вестник ВНИИЖТ, 1999, N6, с.34-39), и выходить за рамки установленных ГОСТ предельно допустимых по нагреванию значений температуры обмоток.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины
постоянного тока (РФ №2177669), содержащее математическую модель электрической машины как теплового объекта, причем на входы блока, содержащего математическую модель, подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины, частоты вращения вала электрической машины, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающей среды, а также воздействие, корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов. Устройство выполняет вычисление максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов.
Недостатками указанного устройства являются сложность устройства, заключающаяся в том, для его функционирования необходимо знать падения напряжения на обмотках главных и добавочных полюсов электрической машины. В тяговом двигателе это является большой проблемой из-за невозможности размещения кабелей в пространстве двигателя. Проблемой также является измерение скорости вращения вала двигателя. Кроме того, данное устройство производит вычисление температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, которая может не соответствовать локальным температурам наиболее нагретых областей, а соответственно, и перегревам.
Необходимо иметь тепловую расчетную модель ТЭД для мониторинга теплового состояния двигателя в процессе изменения нагрузки при эксплуатации и прогноза состояния изоляции в наиболее нагреваемых точках.
Цель полезной модели - упрощение устройства за счет установки датчиков в доступных местах с одновременным повышением точности определения локальных наиболее нагретых областей внутреннего пространства двигателя. Технической задачей является использование математической тепловой модели для мониторинга теплового состояния двигателя в процессе эксплуатации и прогноза наиболее нагреваемых точек, основанной на использовании измерений температуры в доступных точках.
Для решения поставленных задач в устройство для мониторинга теплового состояния тягового двигателя с каналом для охлаждающей среды и с вентилятором с управляемым приводом, содержащее датчик температуры охлаждающей среды, установленный на входе канала для охлаждающей среды, блок вычисления с блоком, содержащим математическую модель двигателя как теплового объекта, на вход которого подают сигналы с датчика температуры, установленного на входе канала для охлаждающей среды, введены датчики температуры, установленные на выходе охлаждающей среды и на корпусе под полюсом, сигналы с которых также подаются на вход блока, содержащего математическую модель, а выход указанного вычислительного
блока соединен с системой управления тяговым двигателем, на вход которой по программе блока вычисления поступают рассчитанные значения максимальных локальных температур самых нагреваемых точек внутреннего пространства двигателя.
Предлагаемое устройство для автоматического контроля температуры обмоток электрической машины постоянного тока 1 (см. фиг.1) содержит канал 2 для охлаждающей среды; вентилятор 3 с приводом 4, датчик 5 температуры охлаждающей среды на входе канала 2, датчик 6 температуры на выходе 8 охлаждающей среды, датчик 7, установленный на корпусе под главным полюсом 9. Датчики 5, 6 и 7 соединены с преобразовательным блоком 10, который передает обработанную информацию в вычислительный блок 11, содержащий математическую модель двигателя как теплового объекта, которая определяет установившиеся температуры различных частей тягового электродвигателя. Вычислительный блок 11 в этом случае представляется как совокупность программно-вычислительных средств, в числе которых важное место занимает тепловая математическая модель, позволяющая определить температуру всех частей тягового электродвигателя 1. Датчик 12 определяет значения тока ТЭД для расчета текущих значений потерь. Стрелками показано движение охлаждающей среды.
Подробную информацию о температурном поле машины можно получить теоретическим путем на основе уравнения теплопроводности. Действительно, корректная математическая модель обеспечивает полную картину поля, если имеются надежные сведения о распределении потерь, свойствах материалов и течении охлаждающих агентов. Для этого в вычислительный блок закладывается математическая модель теплового состояния двигателя, построенная на основании тепловых схем замещения и позволяющая по нескольким информационным значениям температуры конкретных частей машины определять общую картину температурных полей двигателя, и, соответственно, температуру наиболее нагретых точек. Такая математическая модель может быть разработана и проверена на конкретных данных большого количества двигателей с учетом применяемых систем изоляции, как в неподвижных, так и во вращающихся обмотках. Используя тепловую модель ТЭД, можно контролировать температуру таких частей машины, как коллектор или якорная обмотка при вращении машины, имея информацию с ограниченного числа нескольких неподвижных точек (например, корпуса, охлаждающего воздуха).
Схема расчета температур по тепловой модели изображена на фиг.2, где:
вх охл
θ - температура на входе вентилирующего воздуха, определяемая датчиком 2;
вых охл
θ - температура на выходе вентилирующего воздуха, определяемая датчиком 6;
k
θ - температура корпуса, определяемая термодатчиком 7;
яi
θ - температуры частей якоря, рассчитываемые моделью;
л.чj.
θ - температуры лобовых частей, рассчитываемые моделью.
Тепловая математическая модель построена на основе использования тепловых схем заземления. Поскольку потери энергии происходят внутри элементов конструкции электрической машины, поле ее температуры является полем с внутренними источниками и приемниками теплоты. Для получения решений составляется система уравнений, включающая источники и приемники теплоты, учитывая все способы передачи ее от источников к приемникам.
Корректная тепловая математическая модель обеспечивает полную картину поля, если имеются надежные сведения о распределении потерь, свойствах материалов и течении охлаждающих агентов.
Таким образом, во время движения локомотива, сигналы с датчиков температуры 5, 6 и 7, а также с датчика тока 12, с определенными интервалами времени преобразуются в блоке преобразования 10 и поступают в вычислительный блок 11, который на их основе и на основе математической тепловой модели вычисляет прогнозируемые величины температуры в наиболее нагреваемых локальных областях двигателя. Сигналы с вычислительного блока 11 поступают в систему управления тяговым двигателем.
Экспериментальные данные по нагреву обмоток были получены на испытательной станции локомотивного депо «Тайга» при испытании ТЭД ТЛ-2К1 остов №995, якорь №121. Сравнительные измерения проводились при помощи переносного пирометра лазерного типа IEC 825/93 класса 2. Погрешность измерения связана с тем, что измерялись точки доступные визуально.
Расхождение результатов расчета с результатами испытаний не превышают 10%, а с результатами литературы 5%.
Таким образом, разработанное устройство мониторинга позволяет с достаточной точностью определять установившиеся температуры разных узлов ТЭД, реализовать на практике определения температур узлов, недоступных для непосредственного измерения, например, в период эксплуатации. Это предполагает использование тепловой модели при мониторинге ТЭД с целью прогнозирования ресурса.
Разработанная тепловая модель может применяться для других типов ТЭД и позволяет в кратчайшее время рассчитать установившееся тепловое поле любой машины при введении соответствующих параметров.