Система управления тяговыми электродвигателями тепловоза с поосным регулированием силы тяги и учетом эффективности охлаждения электродвигателей
SYSTEM FOR CONTROLLING TRACTION MOTORS OF A LOCOMOTIVE WITH AXIAL TRACTIVE FORCE CONTROL AND COMPLIANCE WITH THE MOTOR COOLING EFFICIENCY

Изобретение относится к области тягового электропривода локомотивов с микропроцессорной системой поосного регулирования силы тяги и касается обеспечения надежности работы тяговых электродвигателей (ТЭД) при снижении эффективности охлаждения.
Текущий контроль избыточного давления охлаждающего воздуха в коллекторной камере каждого электродвигателя и снижение нагрузки двигателя в случае уменьшения давления воздуха в его коллекторной камере относительно заданного значения позволяет обеспечить ресурс электрической машины при неисправности ее системы охлаждения путем независимого управления ключами управляемого выпрямителя с учетом ошибки управления расходом охлаждающего воздуха.
Уровень техники
В настоящее время на тепловозах применяют микропроцессорную систему поосного регулирования силы тяги, алгоритм работы которой позволяет управлять напряжением на обмотке каждого тягового двигателя независимо от других тяговых двигателей (Фиг. 1) [1].
Микропроцессорная система управления тепловоза определяет ошибки регулирования всех контролируемых величин и рассчитывает значения их задания.
диз
сг
сг.
Управление тепловозом осуществляется контроллером машиниста, который задает требуемую позицию контроллера (пк). В соответствии со значением пк регулятор дизеля устанавливает соответствующие частоту вращения коленчатого вала дизеля n и цикловую подачу топлива, которые определяют мощность дизеля и момент на его валу. Момент, создаваемый дизелем, передается тяговому синхронному генератору, который преобразует входную механическую мощность в выходную электрическую мощность переменного тока, характеризуемую действующими значениями фазного напряжения U и частотой ƒОдновременно от коленчатого вала дизеля приводится во вращение ротор синхронного возбудителя, являющегося источником однофазного переменного напряжения для питания обмотки возбуждения тягового синхронного генератора.
Переменное напряжение тягового генератора с параметрами  передается на трехфазные управляемые выпрямительные мосты УВМ1-УВМ6. На выходное напряжение каждого выпрямительного моста индивидуально включены электродвигатели постоянного тока ТЭД1…ТЭД6. Для управления ключами мостов УВМ1…УВМ6 используется блок управления управляемыми выпрямительными мостами БУУВМ.
Мосты УВМ1-УВМ6 выпрямляют подведенное напряжение и регулируют его значение на входе каждого двигателя  обеспечивая значение моментов ТЭД1…ТЭД6, при которых выполняется условие устойчивого сцепления колесных пар тепловоза с рельсами.
ВГ
Напряжение тягового синхронного генератора регулируется током его обмотки возбуждения I, которая включена в цепь обмотки якоря синхронного возбудителя через неуправляемый выпрямительный мост.
В свою очередь обмотка возбуждения синхронного возбудителя получает питание от источника постоянного напряжения. Ток обмотки возбуждения синхронного возбудителя регулируется методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Управление ключами блока ШИМ осуществляется микропроцессорной системой поосного регулирования касательной силы тяги по текущим значениям скоростей колесных пар тепловоза  токов якорей тяговых двигателей  среднему значению выпрямленного напряжения тяговых электродвигателей  частоты вращения вала дизеля  (или позиции контроллера пк).
Тяговые электродвигатели постоянного тока, применяемые в энергетической цепи тепловоза, относится к классу машин предельного использования, имеют всегда систему принудительного охлаждения, работают в широком диапазоне изменения нагрузок и климатических условий при ограниченном диапазоне регулирования расхода охлаждающего воздуха. Большие нагрузки и тяжелые условия эксплуатации ТЭД приводят к частым отказам по причине перегрева их обмоток. Поэтому надежной и правильной работе системы охлаждения ТЭД уделяется большое внимание при проектировании локомотивов.
Известен способ принудительного охлаждения тяговой электрической машины, в которой расход воздуха изменяется центробежным или осевым вентиляторами, имеющими кинематическую связь с первичным двигателем тепловоза [2].
Недостаток данного способа охлаждения тяговой электрической машины заключаются в том, что в случае ее использования на тепловозах с поосным регулированием силы тяги при разрушении брезентового воздуховода ее системы охлаждения расход воздуха через вентиляционные каналы машины резко снижается, а температуры основных узлов превышают допустимые значения, установленные ГОСТ 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые", что приводит к снижению ресурса машины или ее отказу.
Известна система централизованного воздухоснабжения электрических машин и аппаратов тепловоза, содержащая воздухозаборный узел с поворотным направляющим аппаратом и пропорциональный температурный регулятор расхода воздуха с датчиком температуры, установленным с наружной стороны воздухозаборного узла, органом управления и пневматическим исполнительным механизмом, кинематически связанным с направляющим аппаратом воздухозаборного узла, отличающаяся тем. что в нее введены два редуктора давления, пневматический преобразователь температуры и позиционер, при этом орган управления выполнен пневматическим и соединен входами с выходами первого редуктора давления и преобразователя температуры, а выходом - с первым входом позиционера, второй вход позиционера подключен к выходу второго редуктора давления, а выход - к входу исполнительного механизма, сочлененного с позиционером жесткой механической обратной связью, входы преобразователя температуры соединены с выходами первого редуктора давления и датчика температуры, а входы обоих редукторов давления связаны с тормозной пневмомагистралью тепловоза [3].
Недостатками данного способа охлаждения тяговой электрической машины являются:
1. управление охлаждением электрической машины осуществляется по температуре наружного воздуха без учета эффективности охлаждения обмоток, что снижает надежность ее эксплуатации;
2. невозможность управлять током электрической машины с учетом эффективности ее охлаждения, что снижает надежность их эксплуатации.
Известна тяговая электрическая машина постоянного тока, содержащая якорь с обмоткой, магнитную систему с обмотками возбуждения и добавочных полюсов, 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 [4].
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.
Недостатками данного способа управления охлаждением тяговой электрической машины является следующее:
1. на режимах частичной нагрузки тяговых электродвигателей нарушение герметичности воздуховода одного электродвигателя приведет к повышенному расходу воздуха вентилятором через все электродвигатели тележки - при групповом приводе вентилятора охлаждения, или через все электродвигатели локомотива - при централизованной системе воздухоснабжения, что неоправданно повысит затраты мощности на привод вспомогательных систем локомотива;
2. на расчетном режиме при номинальной нагрузке тяговых электродвигателей нарушение герметичности воздуховода двигателя не позволит вентилятору обеспечить требуемую скорость воздуха в его вентиляционных каналах и поддержать значения температур основных узлов электрической машины, установленные ГОСТ 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые", поскольку частота вращения вентилятора лопастей определяется частотой вращения вала дизеля. Это приведет к снижению ресурса машины или ее отказу.
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 [5].
Недостатками данного способа управления охлаждением электрической машины являются:
1. сложность предлагаемой системы;
2. невозможность поддержания допустимых температур обмоток электрической машины изменением тока нагрузки в зависимости от эффективности ее охлаждения.
Раскрытие изобретения
Техническим результатом изобретения является повышение надежности ТЭД, что обеспечивается соответствием нагрузки на ТЭД и режима его охлаждения. При работе тягового электропривода осуществляется непрерывный контроль давления воздуха в коллекторных камерах всех ТЭД, и при снижении давления ниже заданного значения в коллекторной камере любого ТЭД уменьшается ток в его обмотках за счет снижения напряжения на его входе, а на других ТЭД напряжение повышается.
Предложенная система управления тяговыми электродвигателями тепловоза с поосным регулированием силы тяги и учетом эффективности охлаждения электродвигателей позволяет обеспечить:
1. независимое управление нагрузкой каждого ТЭД тепловоза в зависимости от эффективности его охлаждения, что гарантирует поддержание температуры узлов, указанных ГОСТом 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые" в зоне допустимого диапазона;
2. сохранение значения силы тяги тепловоза при снижении эффективности охлаждения ТЭД, поскольку алгоритмом поосного регулирования предусмотрено повышение тяговых моментов исправных ТЭД при уменьшении тягового момента неисправного ТЭД;
3. контроль исправности системы охлаждения каждого ТЭД;
4. повышение надежности ТЭД тепловоза в эксплуатации при неисправности их системы охлаждения.
Указанный технический результат достигается тем, в канал управления ключами выпрямителей напряжения ТЭД тепловоза с поосным регулированием силы тяги вводятся дополнительные сигналы разности давления задания воздуха в коллекторной камере и фактического давления воздуха в коллекторной камере каждого ТЭД, изменяющего угол управления ключами выпрямителя ТЭД в том числе и по ошибке управления давлением воздуха, в результате чего обеспечится соответствие нагрузки и режима охлаждения каждого ТЭД.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлена принципиальная схема энергетической цепи тепловоза с микропроцессорной системой поосного регулирования касательной силы тяги.
На Фиг. 2 представлена принципиальная схема системы управления тяговыми электродвигателями тепловоза с поосным регулированием силы тяги и учетом эффективности охлаждения электродвигателей.
вентилятор охлаждения ТЭД - создает избыточное давление охлаждающего воздуха в коллекторных камерах электродвигателей, обеспечивая их принудительное охлаждение;
БКД - блок контроля давления воздуха в коллекторных камерах ТЭД1-ТЭД6;
Дд1-Дд6 - датчики давления воздуха в коллекторной камере;
- заданное значение давления охлаждающего воздуха в коллекторной камере;
- давления воздуха в коллекторных камерах ТЭД1-ТЭД6;
- ошибки давления воздуха в коллекторных камерах ТЭД1-ТЭД6.
Осуществление изобретения
Сущность изобретения состоит в следующем.
В коллекторную камеру каждого ТЭД устанавливаются датчики давления воздуха Дд1-Дд6, выходные сигналы которых  поступают в блок контроля давления БКД (Фиг. 2).
БКД - блок контроля давления воздуха в коллекторных камерах ТЭД1-ТЭД6; Дд1-Дд6 - датчики давления воздуха в коллекторной камере;  - заданное значение давления охлаждающего воздуха в коллекторной камере;  - давления воздуха в коллекторных камерах ТЭД1-ТЭД6;  - ошибки давления воздуха в коллекторных камерах ТЭД1-ТЭД6
Туда же поступает сигнал задания давления воздуха  который формируется микропроцессорной системой в зависимости от пк. В блоке БДК формируются ошибки управления давлением воздуха в каждом ТЭД  как разность между заданным значением и текущим значением давления воздуха  где n - номер ТЭД.
Микропроцессорная система изменяет текущий угла управления ключами  выпрямителей УВМ1-УВМ6 с учетом значений  каждого ТЭД.
Вентилятор охлаждения ТЭД - создает избыточное давление охлаждающего воздуха в коллекторных камерах электродвигателей обеспечивая их принудительное охлаждение.
Предлагаемая система управления тяговыми электродвигателями тепловоза с поосным регулированием силы тяги и учетом эффективности охлаждения ТЭД обладает преимуществами перед аналогичными системами без учета контроля эффективности их охлаждения, а именно:
1. повышение надежности ТЭД тепловоза в эксплуатации при неисправности их системы охлаждения.
2. независимое управление нагрузкой каждого ТЭД тепловоза в зависимости от эффективности его охлаждения, что гарантирует поддержание температуры узлов, указанных ГОСТом 2582-2013 "Машины электрические вращающиеся тяговые" в зоне допустимого диапазона;
3. контроль исправности системы охлаждения каждого ТЭД;
Список литературы
1. Микропроцессорные системы автоматического регулирования электропередачи тепловозов: Учебное пособие для студентов вузов железнодорожного транспорта/ А.В. Грищенко, В.В. Грачев, С.И. Ким, Ю.И. Клименко и др.: Под редакцией А.В. Грищенко. - М.: Маршрут, 2004 - 172 с.
2. Космодамианский А.С. Автоматическое регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов. Монография М. Маршрут 2005 г. 256 с, ил.
3. Патент 1823835. Система централизованного воздухоснабжения электрических машин и аппаратов тепловоза/ Хлебников Ю.В., Морошкин Б.Н., Миончинский В.А., Кочетков А.Н. Бабаев В.Е., Беляев Н.В. - Опубликовано 23.06.1993. Бюл. №23.
4. А.с. 15084040 (СССР). Тяговая электрическая машина постоянного тока /Н.М. Луков и др. - Опубл. в БИ, 1990, №29.
5. Патент РФ 2121209. Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины / А.С. Космодамианский, Н.М. Луков. - Опубл. в Б.И. 1998, №30.