Система энергообеспечения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза
POWER SUPPLY SYSTEM FOR ASYNCHRONOUS ELECTRIC MOTORS OF DIESEL ENGINE COOLING FANS AND TRACTION ENGINES OF DIESEL LOCOMOTIVE

Изобретение относится к подвижному составу железнодорожного транспорта и касается системы обеспечения электропитанием асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза.
Известна система энергообеспечения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей маневренного тепловоза, содержащая связанные с валом дизеля генераторы, питающие все узлы и детали системы, а именно: тяговый генератор постоянного тока, обеспечивающий энергией тяговый двигатель тепловоза, тормозной компрессор с приводом от хвостовика тягового генератора, электродвигатели трехфазного переменного тока для привода вентилятора холодильной камеры и вентиляторов охлаждения тяговых электродвигателей, а также многоканальный преобразователь постоянного тока тягового генератора в трехфазный переменный ток и постоянный ток питания потребителей вспомогательных нужд в виде цепей управления и освещения, зарядки аккумуляторной батареи и обмотки возбуждения тягового генератора, (Патент РФ на полезную модель №193 840, МПК B60L 1/00, В61С 5/00, B60L 50/11, B60L 2200/26, опубл. 18.11.2019).
Недостатком этой известной системы энергообеспечения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей маневренного тепловоза с электрическим приводом вспомогательных нужд является то, что обеспечение электроэнергией всех потребителей вспомогательных нужд, таких как цепи управления и освещения, зарядка аккумуляторной батареи, обмотка возбуждения, вентиляторы холодильной камеры и тяговых двигателей производится от тягового генератора постоянного тока, основное назначение которого - питание тяговых электродвигателей. Это приводит к значительному снижению мощности, поступающей на тяговые двигатели, а общеизвестен факт, что повышение мощности тяговых генераторов постоянного тока связано с рядом принципиальных технических сложностей: увеличение массы генератора и снижение надежности работы.
Известна наиболее близкая к заявляемому изобретению система энергообеспечения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза, принятая за прототип и содержащая связанные с валом дизеля генераторы, питающие все узлы и детали системы, а именно: тяговый генератор, обеспечивающий энергией тяговый двигатель тепловоза, и вспомогательный генератор, связанные своими обмотками возбуждения с аккумуляторной батареей для получения начального возбуждения; асинхронные электродвигатели переменного тока, по меньшей мере, одного вентилятора охлаждения дизеля и, по меньшей мере, одного вентилятора охлаждения тягового двигателя тепловоза; программируемый управляющий микропроцессор, обеспечиваемый энергией вспомогательного генератора и связанный с датчиками температуры, фиксирующими температурный режим в дизеле и тяговом двигателе тепловоза, а также связанные с ним обратной связью регуляторы тока, возбуждаемого обмотками возбуждения тягового и вспомогательного генераторов; силовой трехфазный нерегулируемый выпрямитель напряжения; и, по меньшей мере, два инверторных преобразователя (Патент РФ на полезную модель №88326, МПК В61С 5/00, опубл. 10.11.2009).
Недостатками данной конструкции является то, что форма переменного трехфазного напряжения вспомогательного генератора, питающего инвертор напряжения и двигатели вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых электродвигателей, далека от синусоидальной, что приводит к значительному снижению КПД двигателей и, соответственно, эффективности охлаждения; частота питающей сети не регулируется и зависит от частоты вращения вспомогательного генератора, что ухудшает тепловой режим охлаждаемых агрегатов. Кроме того, при использовании тяговых генераторов постоянного тока большой мощности для питания тяговых двигателей возникает ряд принципиальных трудностей: с увеличением мощности генератора возрастают его размеры и снижается надежность в эксплуатации, тогда как масса тягового генератора переменного тока примерно на 30% меньше массы генератора постоянного тока такой же мощности, а межремонтный интервал увеличен в 1,5 - 2 раза.
Техническим результатом заявляемого технического решения является повышение эффективности охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза, обеспечивающее повышение надежности работы тепловоза, снижение трудозатрат на ремонт и техническое обслуживание его оборудования в процессе его эксплуатации, за счет использования для привода асинхронных электродвигателей переменного тока вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза двукратно преобразованного напряжения трехфазного генератора переменного тока вначале выпрямленного для его стабильности, исключающей колебания, а затем вновь преобразуемого в переменное, контролируемое на соответствие норме, учитывающей температурный режим в дизеле и тяговых двигателях тепловоза.
Указанный технический результат достигается тем, что в системе энергообеспечения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза, содержащей связанные с валом дизеля генераторы, питающие узлы системы и соединенные своими обмотками возбуждения с аккумуляторной батареей для получения начального возбуждения: тяговый генератор, обеспечивающий энергией тяговый двигатель тепловоза, и вспомогательный генератор; асинхронные электродвигатели переменного тока, по меньшей мере, одного вентилятора охлаждения дизеля и, по меньшей мере, одного вентилятора охлаждения тягового двигателя тепловоза; программируемый микропроцессор, обеспечиваемый энергией вспомогательного генератора и связанный с датчиками температуры, фиксирующими температуру в дизеле и тяговом двигателе тепловоза, а также связанные с ним обратной связью регуляторы тока, возбуждаемого обмотками возбуждения тягового и вспомогательного генераторов; силовой трехфазный нерегулируемый выпрямитель напряжения; и, по меньшей мере, два инверторных преобразователя,.... микропроцессор системы выполнен с возможностью хранения информации о пределах нормы тепловых режимов в дизеле и в тяговом двигателе тепловоза, о пределах нормы напряжения на обмотках возбуждения генераторов и о пределах нормы напряжения, преобразуемого инверторными преобразователями для питания асинхронных двигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза, а также с возможностью использования им этой информации как для контроля и корректировки напряжения на обмотках возбуждения генераторов системы, так и для контроля и корректировки напряжения, питающего асинхронные электродвигатели вентиляторов охлаждения дизеля и тягового двигателя тепловоза, при этом, в качестве вспомогательного генератора для питания обмоток возбуждения обоих генераторов и микропроцессора использован генератор постоянного тока, а в качестве тягового генератора для привода тяговых двигателей тепловоза и генератора для привода асинхронных электродвигателей переменного тока вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза использован трехфазный генератор переменного тока, подключенный через силовой трехфазный выпрямитель напряжения к тяговым двигателям постоянного тока и инверторным преобразователям, преобразующим выпрямленное напряжение в переменное и связанным своими выходами-входами с входами-выходами микропроцессора с возможностью осуществления им контроля частоты этого преобразованного инверторами переменного напряжения в зависимости от зафиксированного датчиками температуры теплового режима в дизеле и тяговом двигателе и его соответствия норме путем его предварительной проверки в нем на соответствие установленной норме тепловых режимов в дизеле и тяговых двигателях тепловоза, и последующего формирования им одной из команд, направляемой обратно к этим инверторам напряжения, а именно: либо команды об оставлении инверторами той же частоты действующего на них напряжения как соответствующего установленной норме, либо команды о необходимости корректировки ими частоты действующего на них напряжения до его величины, соответствующей установленной норме тепловых режимов в дизеле и тяговых двигателях тепловоза.
Предлагаемая система энергообеспечения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза приведена на структурной схеме.
Система энергообеспечения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза содержит:
- Генераторы, питающие узлы системы и связанные с валом дизеля 1, а именно: тяговый генератор переменного тока 2, обеспечивающий энергией тяговый двигатель тепловоза 3, и вспомогательный генератор постоянного тока 4, связанные своими обмотками возбуждения, соответственно, 5 и 6, с аккумуляторной батареей 7 для получения начального возбуждения;
- Регуляторы тока 8 и 9, возбуждаемого обмотками возбуждения 5 и 6 тягового 2 и вспомогательного 4 генераторов;
- Асинхронные электродвигатели переменного тока вентиляторов охлаждения дизеля 1 и тягового двигателя тепловоза 3, соответственно, 10 и 11;
- Силовой трехфазный нерегулируемый выпрямитель напряжения 12, подключенный своим входом к выходной трехфазной обмотке тягового генератора переменного тока 2 и преобразующий его переменное напряжение в постоянное стабилизированное напряжение;
- Инверторные преобразователи 13 и 14, преобразующие напряжение постоянного тока в трехфазное переменное напряжение и связанные, каждый, своими входами с выходами силового выпрямителя напряжения 12, а своими выходами связаны с асинхронных электродвигателей переменного тока вентиляторов охлаждения дизеля 1 и тягового двигателя тепловоза 3, соответственно, 10 и 11.;
- Программируемый микропроцессор 15 с хранящейся в нем информацией о пределах нормы тепловых режимов в дизеле 1 и в тяговом двигателе тепловоза 3, о пределах нормы напряжения на обмотках возбуждения 5 и 6 генераторов 2 и 4 и о пределах нормы напряжения, преобразуемого инверторными преобразователями 13 и 14 для питания асинхронных двигателей 10 и 11 вентиляторов охлаждения дизеля 1 и тяговых двигателей тепловоза 3. Этот микропроцессор 15 обеспечивается энергией от вспомогательного генератора 4 и связан с датчиками температуры Dt1 и Dt3, фиксирующими температуру в дизеле 1 и тяговом двигателе тепловоза 3, а также связан одними своими входами-выходами с выходами-входами регуляторов тока 8 и 9, возбуждаемого обмотками возбуждения 5 и 6 тягового 2 и вспомогательного 4 генераторов, а другими своими входами-выходами этот микропроцессор 15 связан с выходами-входами инверторных преобразователей 13 и 14 с возможностью контроля частоты преобразованного ими переменного напряжения в зависимости от теплового режима в дизеле 1 и тяговом двигателе 3, зафиксированного датчиками температуры Dt1 и Dt3;
- Автоматические контакторы 16, 17 и 18, связывающие узлы системы.
Связанный с тяговым генератором переменного тока 2 силовой выпрямитель 12, подключен к тяговому двигателю тепловоза 3 через автоматический контактор 16 для его энергетического обеспечения выпрямленным постоянным напряжением.
Вместе с тем, вспомогательный генератор постоянного тока 3, питающий микропроцессорный блок 15 подключен также к тормозному компрессору 19 и цепям управления 20 через статические преобразователи 21 и 22, преобразующие постоянное напряжение, вырабатываемое этим генератором, в переменное напряжение.
Система энергообеспечения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза работает следующим образом.
Во время запуска дизеля 1 обмотки возбуждения 5 и 6 обоих генераторов 2 и 4 получают начальное возбуждение от аккумуляторной батареи 7 и приводят в действие свои генераторы 2 и 4, питающие узлы системы.
Микропроцессор 15, энергетически поддерживаемый вспомогательным генератором постоянного тока 4, получает информацию от датчиков температуры Dt1 и Dt8 о тепловых режимах в охлаждаемых агрегатах: дизеле 1 и тяговом двигателе тепловоза 3. а также от регуляторов тока 8, 9 о величине напряжения на обмотках возбуждения 5 и 6 обоих генераторов 2 и 4, анализирует ее, сравнивая с пределами хранящейся в нем нормы этого напряжения в рамках существующего теплового режима в дизеле 1 и в тяговом двигателе 3 тепловоза, и принимает решение о поддержании или необходимости корректировки величины напряжения на обмотках возбуждения 5 и 6 этих генераторов напряжения 2 и 4, а затем направляет соответствующую команду регуляторам тока 8 и 9 об оставлении или корректировке напряжений на упомянутых обмотках возбуждения обоих генераторов. После чего сами регуляторы тока 8 и 9 оставляют или корректируют напряжения на упомянутых обмотках, а последние оставляют или корректируют напряжение своих генераторов 2 и 4. Связанные с вспомогательным генератором 4 статистические преобразователи 21 и 22, преобразующие постоянное напряжение вспомогательного генератора 4 в переменное, направляют это преобразованное напряжение двигателю тормозного компрессора 19 и цепям управления 20.
Одновременно напряжение, вырабатываемое генератором 2 поступает на силовой трехфазный выпрямитель 12 и выпрямленное поступает через автоматические поездные контакторы 17 и 18 на инверторные преобразователи 13 и 14, которые первоначально преобразуют это входное постоянное напряжение в трехфазное переменное напряжение, а затем направляют его в микропроцессор 15.
При этом, микропроцессор 15, получающий информацию с датчиков температуры Dt1 и Dt3 о тепловых режимах в охлаждаемых агрегатах: дизеле 1 и тяговом двигателе тепловоза 3, анализирует ее, сравнивая со своей хранящейся в нем информацией о пределах нормы напряжения, преобразуемого инверторными преобразователями 13 и 14 в зависимости от пределов нормы теплового режима в охлаждаемом дизеле и тяговом двигателе тепловоза, и после этого выносит решение о соответствии или несоответствии теплового режима в этих агрегатах его норме, а затем направляет инверторным преобразователям 13 и 14 одну из команд: оставить или изменить частоту их выходного переменного напряжения до нормы. После этого, инверторные преобразователи 13 и 14 корректируют частоту переменного напряжения, учитывающую тепловой режим в дизеле и тяговом двигателе, и направляют его со своего выхода на входы асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения 10 и 11 дизеля 1 и тягового двигателя тепловоза 3, обеспечивая, тем самым, оптимальную частоту вращения их вентиляторов охлаждения.
Таким образом, заявляемое техническое решение, благодаря совокупности своих существенных признаков, отраженных в формуле изобретения, обеспечивает повышение эффективности охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза, способствующее повышению надежности работы тепловоза и снижению трудозатрат на ремонт и техническое обслуживание его оборудования в процессе его эксплуатации, за счет использования для привода асинхронных электродвигателей переменного тока вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза двукратно преобразованного напряжения трехфазного генератора переменного тока вначале выпрямленного для обеспечения его стабильности, исключающей колебания, а затем вновь преобразуемого в переменное напряжение, контролируемое на соответствие норме, учитывающей температурный режим в дизеле и тяговых двигателях тепловоза. При этом, использование самого генератора переменного тока для питания асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза также способствует повышению эффективности их энергообеспечения, т.к. относительно генератора постоянного тока этот используемый генератор при той же мощности имеет меньшую в 1,8-2,5 раза массу, а при одинаковых габаритных размерах имеет большую максимальную мощность и, кроме того, он более надежен в работе и обладает увеличенным сроком службы.
Заявленная система энергообеспечения асинхронных электродвигателей вентиляторов охлаждения дизеля и тяговых двигателей тепловоза прошла необходимые испытания и готова к использованию в тепловозах.