НАГРЕВАТЕЛЬ ВОЗДУХА ДЛЯ НАЗЕМНОГО ГОРОДСКОГО ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА (ВАРИАНТЫ)
AIR HEATER FOR GROUND URBAN ELECTRIC VEHICLE (VERSIONS)

Группа изобретений относится к области электротехники и может быть использована для конструирования электрооборудования городского электротранспорта, а именно нагревателей воздуха троллейбусов или трамваев.
Известные выпускающиеся нагреватели воздуха салона и кабины для городского электрического транспорта (ГЭТ), работающие от контактной сети 600 В постоянного тока, в разной степени не свободны от недостатков:
- в части их основных эксплуатационных параметров,
- в части их надежности и долговечности,
- в части их адаптации к реальным условиям эксплуатации.
Отчасти это связано с тем, что совершенствование нагревателей воздуха салона и кабины для ГЭТ велось по аналогии с бытовыми и промышленными нагревателями воздуха не транспортного исполнения, питание которых осуществлялось от обычной однофазной или трехфазной сети переменного тока 220/380 В, 50 Гц.
В то же время нагреватели воздуха салона и кабины для ГЭТ - это изделия, к которым предъявляется иная система требований, существенно отличающаяся от системы требований к бытовым и промышленным тепловентиляторам и тепловым пушкам. Они, прежде всего, должны быть принципиально безынерционными, практически мгновенно входящими в рабочий тепловой режим и мгновенно остывающими при отключении напряжения. Первое из этих требований принципиально важно, поскольку в зимнее время электрические транспортные средства в странах с холодным климатом вынуждены находиться длительное время на морозе (на улице). Перед выходом на линию они должны как можно быстрее отогреваться для того, чтобы у них «отпотели» стекла, в первую очередь лобовые, боковые и обзорные стекла кабины, а также чтобы быстрее создать комфортные климатические условия для водителей и пассажиров.
Кроме того, мгновенное вхождение в рабочий тепловой режим и мгновенное остывание нагревательных элементов при отключении напряжения необходимы для использования нагревателей воздуха в составе систем автоматического управления климатом (климат-контроля). Это нужно для оперативного отклика не только самих нагревателей воздуха, но и температуры выходящего из них воздуха на команды системы управления.
Известные широко использовавшиеся ранее и в настоящее время в бытовых и промышленных тепловентиляторах и тепловых пушках нагревательные системы на основе трубчатых электронагревателей (ТЭНов), характеризующиеся чрезвычайно высокой тепловой инерционностью при начальном разогреве транспортного средства в течение первых 10÷15 минут после включения нагревателей воздуха, практически не отдавали тепло в салон, а разогревали массивное, теплоемкое тело ТЭНа. Только после его прогрева начиналась отдача тепла помещению.
В режиме автоматического поддержания температуры помещения (салона, кабины) система управления в простейшем и дешевом исполнении просто дает команды на включение нагревателей воздуха при достижении температурой в помещении нижнего допустимого значения принятого интервала температур и на их выключение при достижении температурой в помещении верхнего допустимого значения этого интервала).
Известные нагреватели воздуха на ТЭНах включаются и выключаются по командам системы управления, только:
- при включении напряжения нагрева в течение длительного времени остывший за время перерыва ТЭН нагревается сам, а температура в помещении продолжает падать;
- при выключении напряжения нагрева массивный, с большой собственной теплоемкостью ТЭН в течение длительного времени продолжает отдавать тепло в помещение, и уже достигшая верхней границы принятого интервала температура воздуха в помещении продолжает расти.
Все это приводит и к дискомфорту в помещениях салона, кабины, и к большим неоправданным потерям энергии на разогрев и так уже перегретых помещений. Введение автоматических поправок времени включения-выключения ТЭНов себя не оправдало, поскольку, во-первых, ведет к значительному усложнению систем климат-контроля, а во-вторых, работает очень неэффективно в широком диапазоне температур окружающей среды.
Другим уязвимым местом в известных и выпускаемых нагревателях является используемый производителями этих изделий (для вращения крыльчатки вентилятора) коллекторный двигатель постоянного тока. Существенное увеличение надежности и долговечности нагревателей воздуха достигнуто в ряде нагревателей воздуха электротранспорта за счет установки в них вентиляторов с бесколлекторными двигателями.
Одним из современных аналогов заявляемого изобретения (по варианту I), воплощающим вышеописанные особенности нагревателя воздуха, является «Отопитель подвесной», производимый ОАО «Этон» г. Смолевичи, Беларусь. Данное устройство включает блок нагрева воздуха, состоящий из трубчатых оребренных нагревательных элементов, и блок нагнетания воздуха, включающий вентилятор с бесколлекторным электродвигателем. Отопитель-аналог оснащен датчиками температуры релейного типа (250 В, 10 А), которые могут быть использованы в схеме автоматического отключения нагревательных элементов при достижении температурой выходящего из отопителя воздуха значения 75±5°C.
Однако применение в данном отопителе с трубчатыми нагревательными элементами (ТЭН) блока нагнетания на базе бесколлекторного двигателя не способно значительно увеличить надежность изделия из-за описанных выше недостатков ТЭНов. При этом возрастет лишь его стоимость по причине большей стоимости осевого вентилятора с бесколлекторным электродвигателем.
Кроме того, применение бесколлекторных двигателей ограничивается широким диапазоном напряжений контактной сети электротранспорта. Поэтому на практике, как правило, вентилятор подключают к отдельному источнику питания, что загромождает внутренний объем транспортного средства и удорожает отопительную технику.
Известны также другие нагреватели воздуха, в состав которых входит вентилятор с бесколлекторным двигателем. Они описаны в следующих патентах: патент RU №88611, патенты CN №201089343 и №201129860.
Известна также другая группа патентов на нагреватели воздуха электротранспортных средств [патенты RU на изобретения №2342605, 2343364, 2343365, 2345908, 2376156, патенты RU на полезные модели №62223, 72533, 73058, 73455] фирмы ООО НПФ «Этна», содержащие помещенный в корпус более совершенный блок подачи и нагрева воздуха, свободный от недостатков ТЭНов. Эти конструкции имеют вентилятор с электродвигателем, как правило, расположенным в обечайке, и крыльчаткой, а также нагревательный элемент, выполненный из электрически соединенных отрезков воздухопрозрачных спиралей. В них гораздо эффективнее решается задача с использованием найденного авторами ООО НПФ «Этна» Заявителя решения - перехода к принципиально безынерционным системам нагрева, практически мгновенно входящим в рабочий тепловой режим и мгновенно остывающим при отключении напряжения.
Казалось бы, достаточно взять обычную открытую спираль, в которой источник нагрева непосредственно (без нескольких тепловых сопротивлений по пути теплового потока, как это имеет место в ТЭНе) и эффективно отдает тепловую энергию движущемуся вокруг нее потоку воздуха.
Однако есть две проблемы.
Во-первых, спираль должна действительно эффективно отдавать тепло движущемуся потоку воздуха. Для этого ее нужно разместить именно там, где скорость движущегося потока воздуха максимальна. Во-вторых, в движущемся транспорте на нее действуют достаточно сильные внешние механические нагрузки. Поэтому спираль должна быть достаточно жестко зафиксирована на несущих элементах и не иметь механических резонансов в диапазоне механических вибраций электротранспортного средства.
Последняя проблема решается во втором варианте заявляемого изобретения, в котором спираль набирается из отдельных относительно коротких, последовательно соединенных электрически участков, жестко зафиксированных через изоляторы на прочном металлическом держателе заявленной в данной заявке конструкции (вариант II), изготовленной по новой технологии механической и сборочной.
Второе требование выполнено путем реализации кругового расположения участков спирали («большая» спираль, собранная из участков «маленьких» спиралей). Используемые в нагревателях воздуха осевые вентиляторы создают кольцевой, хорошо локализованный по сечению этого кольца поток воздуха. Именно в этом кольцевом сечении, в той части воздушного потока, где скорость потока воздуха максимальна, и расположены участки спиралей. Это и обеспечило максимально эффективную теплоотдачу и максимальную безынерционность нагревательного блока и всего нагревателя в целом. Разделение спирали на множество отдельных участков позволило решить еще две важные задачи авторам из фирмы ООО НПФ «Этна» для электротранспортных нагревателей воздуха и зарегистрировать это в предшествующих патентах. Ранее нагреватели воздуха для электротранспорта выполняли с раздельным питанием нагревательного блока (от контактной сети транспортного средства - 600 В постоянного тока) и двигателя вентилятора (от имеющегося во всех троллейбусах и трамваях источника стабилизированного напряжения 28 В). Это создавало упомянутые ниже проблемы.
Во-первых, при эксплуатации нагревателей воздуха в электротранспорте из-за ошибок в коммутации достаточно сложной электрической схемы троллейбусов и трамваев зачастую подавалось напряжение на нагревательный блок без подачи напряжения на вентилятор. Это приводило к выходу изделий из строя либо к резкому снижению их ресурса.
Кроме того, нестабильность питающего напряжения контактной сети (максимальный разброс его) составляет от 300 до 1000 В. Это приводит к изменению мощности нагрева в таком диапазоне напряжений почти в 10 раз. Вентилятор питается от источника стабилизированного напряжения 28 В и создает практически постоянный по расходу поток воздуха. Соответственно перепад температур воздуха при прохождении его через нагреватель воздуха меняется также почти на порядок (примерно от 10°C до 100°C). При малых напряжениях контактной сети на пассажиров и водителей в зимнее время дует холодный воздух, а при максимальных напряжениях контактной сети этот воздух обжигает пассажиров и водителя.
В заявляемом техническом решении предложено брать напряжение на двигатель вентилятора с источника, которым является сам нагревательный блок.
Это можно реализовать благодаря тому, что он состоит из множества участков спиралей. Напряжение на двигатель вентилятора в соответствии с этим техническим приемом снимается с одной или более спиралей, при этом их сопротивление подбиралось таким образом, чтобы вывести вентилятор в оптимальный режим работы.
При этом при любых ошибках в коммутации электрической схемы троллейбусов и трамваев невозможно включить напряжение нагрева в отсутствие напряжения на двигателе вентилятора. И, что важно, напряжение двигателя вентилятора становится пропорциональным напряжению на блоке нагрева. При этом при увеличении последнего и выделении большей мощности в блоке нагрева вентилятор дает более сильный поток воздуха, а при снижении напряжения в контактной сети и выделении меньшей мощности в блоке нагрева поток воздуха становится слабее. Это обеспечивает сразу и стабилизацию температуры выходящего из нагревателя воздуха во всем диапазоне напряжения контактной сети, и большую долговечность и надежность лучше охлаждаемого при больших нагрузках блока нагрева.
Известен также нагреватель воздуха электротранспортных средств [патент CN на полезную модель №202926688], характеризующийся наличием блоков нагрева и нагнетания воздуха. Последний состоит из вентилятора с бесколлекторным электродвигателем постоянного тока и микропроцессором для его управления. Данный нагреватель пригоден так же, как и заявляемый в данной заявке, для обогрева салонов и кабин электротранспортных средств.
Известен также электронагреватель транспортного средства [заявка JP №2002293130], имеющий расположенные в корпусе блок нагрева, блок питания, блок управления подачей напряжения, бесколлекторный электродвигатель и микроконтроллер, управляющий работой последнего. Особенностью описанного нагревателя воздуха является наличие в нем микропроцессорной системы управления, которая обеспечивает оптимизацию работы двигателя и его защиту от перегрева.
Однако работа известных используемых микропроцессорных систем управления двигателей вентиляторов обеспечивается только до напряжения, примерно в полтора раза превышающего номинальное. В приведенном ниже примере в конце описания номинальное напряжение вентилятора 48 В, а предельно допустимое напряжение 72 В. Особенно эти системы чувствительны к выбросам напряжения, которые могут составлять до нескольких киловольт с длительностью в несколько миллисекунд. Возникающие в связи с этим остановка или отказ двигателя приводят к выходу из строя отопительной техники с бесколлекторным двигателем.
При использовании нагревателей воздуха в трамваях и троллейбусах существовал еще один недостаток - возможность смены полярности (переполюсовка). Она возможна и за счет ошибок в коммутации нагревателей в трамваях и троллейбусах при подключении нагревателей воздуха в схему трамвая и троллейбуса, а в троллейбусах, кроме того, за счет движения троллейбуса в обратном направлении по той же контактной сети, например, при маневрах в троллейбусных парках. При этом блок нагрева независимо от полярности работает в одних и тех же режимах. Вентилятор при смене полярности подаваемого на его двигатель напряжения работать перестает.
Этот недостаток устранен в заявляемом изобретении введением в схему питания двигателя вентилятора нагревателя воздуха узла, препятствующего переполюсовке в виде диодного моста. В результате при любой полярности напряжения на входе нагревателя на двигатель вентилятора поступает «правильное» напряжение, при котором он функционирует в описанном выше режиме.
Аналоги для нагревателя воздуха для наземного городского электротранспорта (вариант II)
Форма и другие особенности держателей под изоляторы и спиральные нагревательные элементы в силу важности их прочного крепления, влияющего на надежность нагревателя воздуха для электротранспортных средств, постоянно видоизменяются и совершенствуются. Аналоги держателей в нагревателях воздуха электротранспортных средств представлены в ряде патентов:
- в виде опорных элементов, закрепленных на корпусе и отстоящих друг от друга на расстоянии, превышающем диаметр спирали; они отличаются друг от друга зеркальностью изображения, при этом на ребрах опорных элементов выполнены углубления для шаговой намотки спирали [патент RU 2071639] - это более удачные конструкции.
Более близкие аналоги представлены в патентах фирмы ООО НПФ «Этна»:
- в виде рамок [патенты RU №2343364, 2343365, 62223];
- металлических держателей, которые закреплены на прямоугольных рамках нагревательного блока [патент RU на изобретение №2342605, патент RU на полезную модель №72533];
- в виде радиально вытянутых вдоль корпуса пластин [патенты RU на изобретения №2345908, 2376156, патенты RU на полезные модели №73058, 73455].
Наиболее близким аналогом держателя для нагревателя воздуха является последняя конструкция [патенты RU на полезные модели №143153, 143310], где его форма становится многогранником с окнами для продувания, помещенным в обечайку. Это предшествующая заявляемой конструкции модель держателя организации-Заявителя, в которой была цельная - неразъемная - торцевая часть держателя. Технология изготовления держателя еще не была отработана до сегодняшнего уровня так полно и органично и так соединена с монтажом элементов на держателе.
Задачей изобретения по вариантам I и II является повышение надежности и срока службы устройства при одновременном уменьшении габаритов нагревателя воздуха для наземного городского электротранспортного средства.
Сущность заявляемого изобретения по варианту I заключается в том, что в нагреватель воздуха для наземного городского электротранспортного средства входят помещенные в корпус: блок нагнетания воздуха, установленный на входе воздушного потока в нагреватель в торцевой его части и включающий осевой вентилятор с бесколлекторным электродвигателем постоянного тока с встроенным управляющим им микропроцессором; и установленный плотно к блоку нагнетания и следом за ним, помещенный в цилиндрическую вытянутую обечайку, жестко установленную и закрепленную на прочном каркасе, блок нагрева воздуха, имеющий расположенные и стянутые винтами на аксиально вытянутом внутри обечайки держателе пары изоляторов с последовательно соединенными спиральными нагревательными элементами, открытыми для доступа воздуха, образующими делитель напряжения с двумя сопротивлениями - меньшим и большим, при этом блок нагрева имеет три вывода, крайние из которых подключены к источнику внешнего питания, а средний и один из крайних - к цепи питания электродвигателя; ограничитель напряжения электродвигателя, расположенный с внешней стороны обечайки и выполненный в виде размещенных на печатной плате и электрически соединенных между собой базовых элементов: источника опорного напряжения, компаратора, регулятора выходного напряжения, формирователя уровня напряжения, фильтра напряжения питания, фильтра выходного напряжения, шин питания - плюсовой, входной минусовой, выходной минусовой, при этом плюсовая и входная минусовая шины ограничителя напряжения подключены ко входу питания бесколлекторного двигателя, а его вышеназванные базовые элементы включены следующим образом: фильтр выходного напряжения - между плюсовой и выходной минусовой шинами питания и соединен с регулятором выходного напряжения, фильтр напряжения питания - между плюсовой и входной минусовой шинами питания, источник опорного напряжения - между плюсовой и входной минусовой шинами питания и подключен к компаратору, включенному между плюсовой шиной и регулятором выходного напряжения и подключенному к формирователю уровня напряжения, включенному между плюсовой и выходной минусовой шинами питания; устройство предотвращения подачи напряжения обратной полярности на бесколлекторный электродвигатель, установленное на входе ограничителя напряжения, выполненное в виде диодного моста с четырьмя портами - двумя входными и двумя выходными, к входным портам которого подключены выводы с меньшего по величине из двух сопротивлений делителя напряжения блока нагрева, а к выходным портам - вход ограничителя напряжения бесколлекторного двигателя осевого вентилятора.
Кроме того, заявляется нагреватель воздуха, в котором величины сопротивлений делителя напряжений на основе спиральных нагревательных элементов блока нагрева подчинены соотношению:
1
2
2,5≤R/R≤25,
1
где R - величина большего сопротивления, Ом,
2
R - величина меньшего сопротивления, Ом.
Кроме того, заявляется нагреватель воздуха, в котором каждый из вышеназванных электрически соединенных базовых элементов ограничителя напряжения бесколлекторного электродвигателя имеют в своем составе следующее: фильтр напряжения питания - конденсатор, фильтр выходного напряжения - электрически соединенные между собой индуктивность, конденсатор и коммутирующий диод, источник опорного напряжения - маломощный стабилитрон, последовательно соединенный с рядом резисторов и параллельно - с фильтром пульсации напряжения, компаратор - соединенные между собой дифференциальный каскад на двух биполярных транзисторах, параллельную RC-цепь, задающую параметры гистерезиса, и резисторы, формирователь уровня напряжения - последовательно соединенные две группы резисторов, состоящих из параллельно соединенных между собой высокоомных и последовательно соединенных между собой низкоомных резисторов, регулятор выходного напряжения включает нижеуказанные и соединенные следующим образом: первый резистор - с входом усилителя напряжения на биполярном транзисторе, выход которого подключен через второй резистор к управляющему входу электронного вентиля, соединенного с параллельно включенными третьим резистором и стабилитроном, а свободные выводы названных элементов регулятора выходного напряжения, включая и исток электронного вентиля, выведены на входную минусовую шину, сток последнего - на фильтр выходного напряжения.
Сущность заявляемого изобретения по варианту II характеризуется тем, что в нагревателе воздуха для наземного городского электротранспортного средства, в состав которого входят помещенные в корпус: блок нагнетания воздуха с вентилятором и электродвигателем; установленный плотно к блоку нагнетания, помещенный в вытянутую в аксиальном направлении обечайку, жестко установленную и закрепленную на прочном каркасе, блок нагрева воздуха, имеющий расположенные и стянутые винтами на аксиально вытянутом и зафиксированном внутри обечайки держателе пары изоляторов с последовательно соединенными спиральными нагревательными элементами, открытыми для доступа воздуха, держатель состоит из двух раздельно выполненных одинаковых частей, изготовленных из плоских формоустойчивых металлических листов с выполненными в них сквозными отверстиями для монтажа изоляторов и отверстиями в виде протяженных и ориентированных вдоль направления держателя сквозных окон для предотвращения замыкания спиральных нагревательных элементов, каждая из частей сформована в фигуру с ломаной поверхностью с возможностью образования половины полой усеченной пирамиды, аксиально вытянутой и соединяемой со второй - зеркально противолежащей, в единую конструктивную структуру посредством резьбовых соединений, размещенных у краев торцевых сторон держателя.
Заявляется также способ изготовления аксиально вытянутого держателя нагревателя воздуха для наземного городского электротранспортного средства по варианту II, по которому на формоустойчивые металлические листы наносят метки для выемок в виде сквозных отверстий для крепления изоляторов и отверстий в виде протяженных и ориентированных вдоль направления держателя сквозных окон, выполняют отверстия в теле металлических листов, затем формуют из них фигуры с ломаными поверхностями в виде формоустойчивых аксиально расположенных половин полой усеченной пирамиды, устанавливают и фиксируют на них изоляторы, затем объединяют полученные половины с зафиксированными изоляторами в единую конструктивную структуру в виде усеченной пирамиды посредством резьбовых соединений, после этого устанавливают спиральные нагревательные элементы на держатель в форме усеченной пирамиды и фиксируют их на нем, затем вводят его в обечайку.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в обеспечении высокой надежности работы нагревателя электротранспорта при высоких значениях перенапряжения в контактной сети троллейбуса или трамвая и, как следствие, в цепи питания электродвигателя нагревателя, причем при значениях напряжения, превышающих отношение максимального напряжения к минимальному более чем в 3 раза. Заявляемое устройство обеспечивает стабильность работы электродвигателя нагревателя в таких условиях в широком диапазоне напряжений. Подключение электродвигателя к делителю напряжения, сформированному из нагревательных спиральных элементов, исключает возможность подачи напряжения на нагревательный элемент при неработающем вентиляторе (отсутствии воздушного потока, снимающего тепло с поверхности нагревательного элемента).
Конструкции отопителей на ТЭНах всех известных производителей, в том числе и конструкции отопителей фирмы «Этон», не позволяют организовать делитель напряжения с необходимым коэффициентом деления, т.к. они сконструированы на одном-двух ТЭНах, имеющих заданную мощность, стандартные типоразмеры и установленные значения сопротивлений. Спиральные нагревательные элементы в заявляемой конструкции удается разделить на любое необходимое количество отрезков с варьируемыми значениями сопротивления и, таким образом, реализовать зависимость числа оборотов вращения вентилятора от изменений напряжения в контактной сети транспортного средства.
Совокупность используемых в заявляемой конструкции блоков и базовых узлов обеспечивает:
- изменение напряжения на электродвигателе вентилятора пропорционально напряжению нагрева в диапазоне напряжений контактной сети от 300 до 600 В и его стабилизацию в диапазоне напряжений 600÷920 В на уровне, при котором обеспечивается максимальная эффективность работы вентилятора;
- защиту электродвигателя в диапазоне напряжений 600÷920 В от перенапряжения за счет погашения избыточного напряжения на блоке регулирования выходного напряжения ограничителя напряжения;
- защиту двигателя вентилятора от имеющихся в контактной сети выбросов в несколько киловольт и длительностью до 5 миллисекунд. Кроме того, заявляемый нагреватель воздуха характеризуется минимальными габаритными размерами и массой в сравнении с аналогичными характеристиками как отечественных, так и зарубежных электроприборов аналогичного содержания.
Уровень изобретения
Одним из самых уязвимых мест в выпускаемых нагревателях воздуха был используемый производителями этих изделий (для вращения крыльчатки вентилятора) коллекторный двигатель постоянного тока. Существенное увеличение надежности и долговечности этих изделий могло быть достигнуто именно за счет установки в них вентиляторов с бесколлекторными электродвигателями (с электронным управлением). Однако этому препятствовал широкий диапазон напряжений, который поступал на вход бесколлекторного двигателя с делителя напряжения, точнее верхняя часть этого диапазона напряжений.
Упомянутый выше делитель напряжения на базе спиральных нагревательных элементов линейно преобразует напряжение контактной сети. Как уже упоминалось выше, оно меняется от возможной его нижней границы до верхней границы более чем в 3 раза. Кроме того, в контактной цепи иногда «проскакивают» высоковольтные импульсы амплитудой до 6 кВ. Линейно преобразованные делителем, они создают диапазон напряжений, неприемлемый для надежной работы бесколлекторного двигателя с собственным микропроцессором. Если настроить коэффициент линейного преобразования используемого делителя напряжения таким образом, чтобы вентилятор эффективно работал при малых напряжениях контактной сети, при высоких напряжениях в ней, подаваемые на двигатель вентилятора напряжения приводят к выходу его из строя. При верхних напряжениях контактной сети, а тем более при попадании в нагреватель воздуха высоковольтных импульсов перенапряжения, напряжение, попадающее на электронную схему управления бесколлекторным двигателем (микропроцессор), практически гарантированно и в достаточно короткое время выведет эту схему из строя.
В рамках настоящего изобретения было предложено введение между диодным мостом и входом бесколлекторного двигателя вентилятора специального ограничителя напряжения. Он должен был ограничить напряжения выше какого-то определенного уровня и не допустить попадания на двигатель напряжений выше этого уровня. Причем существующие схемы ограничения напряжения в данном случае были принципиально непригодны. Они принципиально не решали двух важных задач:
- стабилизации работы вентилятора и устройства в целом в условиях сильной нестабильности питающего напряжения, наличия в сети высоковольтных импульсов (существующие схемы «перебрасывали» напряжение с одного уровня на другой при одном и том же граничном напряжении на входе ограничителя);
- они сами потребляли достаточно значительную энергию, и при этом в них выделялось значительное количество тепловой энергии, что требовало введения в конструкцию массивных радиаторов для отвода этого тепла, настолько габаритных, что это приводило к заметному увеличению массогабаритных характеристик и себестоимости нагревателя воздуха в целом.
Заявляемое и измененное в сравнении с подобными аналогами соединение всех узловых крупных блоков делает заявляемое техническое решение новым. Подобных нагревателей воздуха для этого применения не имеется. По крайней мере, в патентной и другой научно-технической литературе обнаружить их не удалось. В силу отсутствия подобных разработок и практически освоенных нагревателей воздуха электротранспорта подобного типа патентуемое устройство высоко востребовано Заказчиком - отечественным предприятием и всеми остальными трамвайными и троллейбусными заводами РФ, а также эксплуатирующими организациями, и является одной из инновационных разработок для обновляемой продукции троллейбусного завода ЗАО «Тролза» («Троллейбусный завод «Тролза», находящийся в Саратовской области (г. Энгельс), по масштабам производства не имеет себе равных - сегодня это крупнейший в мире поставщик троллейбусов. По улицам 89 городов России и ряда зарубежных стран: Аргентины, Болгарии, Венгрии, Греции, Колумбии, Сербии, Узбекистана и т.д., курсируют троллейбусы, изготовленные на «Тролзе». Завод имеет возможность выпускать более 2500 троллейбусов в год. Производит троллейбусы с 1951 года. Общий выпуск составил более 60 тысяч троллейбусов. Одна из моделей троллейбусов, выпускаемых ЗАО «Тролза», - "ЗиУ-682Г-016", долгие годы являлась самой выпускаемой в мире». http://www.trolza.ru/), по заданию которого выполнено данное оригинальное техническое решение и ведется его опытная проверка.
Подробно заявляемый нагреватель воздуха для наземного городского электротранспортного средства описан с помощью фиг. 1, а также поясняющих иллюстраций и фото фиг. 2 - фиг. 7, где на фиг. 2 показаны блоки нагрева и нагнетания воздуха (разрез); на фиг. 3 - часть держателя; на фиг. 4 - электрическая схема ограничителя напряжения электродвигателя; на фиг. 5 - электрическая схема нагревателя воздуха; на фиг. 6 - ограничитель напряжения электродвигателя (фото); на фиг. 7 - блок нагрева воздуха (вид спереди) - сзади просматривается вентилятор с бесколлекторным двигателем.
Позициями на фигурах обозначены более крупным шрифтом, заключенным в круг, - базовые элементы ограничителя напряжения (начиная с цифр 21 по 26 включительно), а более мелким шрифтом - их составляющие, а также другие более крупные узлы:
1 - блок нагнетания воздуха;
2 - блок нагрева воздуха;
3 - ограничитель напряжения электродвигателя;
4 - устройство предотвращения подачи напряжения обратной полярности на электродвигатель;
5 - термодатчик;
6 - вентилятор;
7 - электродвигатель;
8 - обечайка;
9 - каркас для закрепления обечайки (блока нагрева с закрепленным на нем бесколлекторным вентилятором);
10 - винты для стяжки пар изоляторов и крепления участков спиралей;
11 - держатель спиральных элементов и изоляторов;
12 - изоляторы;
13 - спиральные нагревательные элементы;
14 - протяженные в аксиальном направлении отверстия;
15 - сквозные отверстия для установки изоляторов;
16 - два крайних вывода блока нагрева на источник внешнего питания
17 - два вывода средний и один из крайних блока нагрева для питания бесколлекторного электродвигателя (через диодный мост и ограничитель напряжения);
18 - шина питания ограничителя 3 плюсовая с выводами на источник внешнего питания и на нагрузку;
19 - шина питания ограничителя 3 входная минусовая с выводом на источник внешнего питания;
20 - шина питания ограничителя 3 выходная минусовая с выводом на нагрузку;
21 - фильтр напряжения питания ограничителя 3;
22 - фильтр выходного напряжения ограничителя 3;
23 - источник опорного напряжения ограничителя 3;
24 - компаратор ограничителя 3;
25 - формирователь уровня напряжения ограничителя 3;
26 - регулятор выходного напряжения ограничителя 3;
27 - конденсатор фильтра напряжения питания;
28 - катод маломощного стабилитрона источника опорного напряжения;
29 - анод маломощного стабилитрона источника опорного напряжения;
30 - фильтр пульсации напряжения источника опорного напряжения;
31 - резисторы источника опорного напряжения;
32, 33 - резистор компаратора;
34 - первая группа резисторов компаратора;
35 - вторая группа резисторов компаратора;
36, 37 - базы биполярных транзисторов компаратора;
38, 39 - эмиттеры биполярных транзисторов компаратора;
40, 41 - коллекторы биполярных транзисторов компаратора;
42 - параллельная RC-цепь компаратора;
43 - база биполярного транзистора регулятора выходного напряжения;
44 - эмиттер биполярного транзистора регулятора выходного напряжения;
45 - коллектор биполярного транзистора регулятора выходного напряжения;
46 - анод стабилитрона регулятора выходного напряжения;
47 - катод стабилитрона регулятора выходного напряжения;
48 - управляющий вход электронного вентиля регулятора выходного напряжения;
49 - исток электронного вентиля регулятора выходного напряжения;
50 - сток электронного вентиля регулятора выходного напряжения;
51 - первый резистор регулятора выходного напряжения;
52 - второй резистор регулятора выходного напряжения;
53 - третий резистор регулятора выходного напряжения;
54 - анод коммутирующего диода фильтра выходного напряжения;
55 - катод коммутирующего диода фильтра выходного напряжения;
56 - индуктивность фильтра выходного напряжения;
57 - конденсатор фильтра выходного напряжения;
58, 59 - группа высокоомных резисторов формирователя уровня напряжения;
60, 61 - группа низкоомных резисторов формирователя уровня напряжения;
62 - опорная монтажная пластина ограничителя 3;
63 - перемычка ограничителя 3;
64 - диодный мост устройства 4;
65 - входные порты устройства 4;
66 - выходные порты устройства 4.
В состав нагревателя воздуха для наземного городского электротранспортного средства - трамвая или троллейбуса - входят помещенные в корпус: блок нагнетания воздуха 1 и установленный плотно к нему и следом за ним блок нагрева воздуха 2, ограничитель напряжения электродвигателя 3, устройство 4 предотвращения подачи напряжения обратной полярности на электродвигатель, термодатчики 5 и крепежная арматура для перечисленных узлов нагревателя воздуха и их элементов. Блок нагнетания воздуха 1 установлен на входе воздушного потока в нагреватель в торцевой его части и включает осевой вентилятор 6 с бесколлекторным электродвигателем 7 постоянного тока с встроенным управляющим им микропроцессором.
1
2
Блок нагрева воздуха 2 помещен в цилиндрическую вытянутую обечайку 8, жестко установленную и закрепленную на прочном каркасе 9. Данный блок 2 имеет расположенные и стянутые винтами 10 на аксиально вытянутом внутри обечайки 8 держателе 11 пары изоляторов 12 с последовательно соединенными спиральными нагревательными элементами 13, открытыми для доступа воздуха, образующими делитель напряжения с двумя сопротивлениями - большим R и меньшим R.
Блок нагрева воздуха 2 имеет три вывода 16, 17, два крайних 16 - для выхода на источник внешнего питания, другие два средний и один из крайних 17, предназначены для питания бесколлекторного электродвигателя 7 через диодный мост 4 и ограничитель напряжения 3. Ограничитель 3 напряжения электродвигателя 7 расположен с внешней стороны обечайки 8 и представляет собой электрически соединенные элементы: фильтр 21 напряжения питания, фильтр 22 выходного напряжения, источник 23 опорного напряжения, компаратор 24, формирователь 25 уровня напряжения, регулятор 26 выходного напряжения. С помощью шин - плюсовой 18, входной минусовой 19 с выводом на источник питания и выходной минусовой 20 с выводом на электродвигатель 7 - ограничитель электрически связан с другими элементами нагревателя. Выходные шины 18, 20 ограничителя напряжения 3 подключены к входу питания бесколлекторного электродвигателя 7. Шины 18, 19 используются для соединения ограничителя напряжения 3 к устройству 4 предотвращения подачи напряжения обратной полярности на бесколлекторный электродвигатель 7. Более подробно описание элементов, входящих в ограничитель 3 напряжения электродвигателя 7, будет дано ниже.
2
Устройство 4 предотвращения подачи напряжения обратной полярности на бесколлекторный электродвигатель 7 установлено на входе ограничителя напряжения 3 и выполнено в виде диодного моста 64 с четырьмя портами - двумя входными 65 и двумя выходными 66. К входным портам 65 устройства подключены выводы с меньшего R из двух сопротивлений делителя напряжения блока 2 нагрева воздуха, а к выходным портам 66 - вход ограничителя напряжения 3 бесколлекторного электродвигателя 7 осевого вентилятора 6.
Дополнительным усовершенствованием изобретения является выбор оптимальных величин сопротивлений делителя напряжения.
Они подчинены соотношению:
1
2
1
2
2,5≤R/R≤25, где R - величина большего сопротивления, Ом, R - величина меньшего сопротивления, Ом.
Это отношение будет выполняться при использовании любых вентиляторов с любым номинальным напряжением питания от 24 до 220 В. Предельные значения отношения величин сопротивлений делителя напряжения сопротивлений были получены расчетным путем, результаты которого были подтверждены на практике. Фактически это такие значения сопротивлений, которые обеспечивают эффективную работу вентилятора нагревателя воздуха при минимальном и максимальном напряжениях в контактной сети электротранспортного средства.
Оптимальным вариантом реализации нагревателя воздуха является схема, учитывающая все особенности эксплуатации бесколлекторного электродвигателя нагревателя воздуха на базе спиральных нагревательных элементов. Для этого в нее в качестве одного из необходимых узлов введена схема ограничителя напряжения. В состав этой схемы входят: фильтр напряжения питания 21, выполненный в виде конденсатора 22, который подключен к плюсовой шине 18 питания и входной минусовой шине 19.
Источник опорного напряжения 23 состоит из маломощного стабилитрона, имеющего катод 28 и анод 29, фильтра пульсации напряжения 30 и последовательно соединенных резисторов 31. При этом катод 29 маломощного стабилитрона и один из выводов фильтра 30 пульсации напряжения подключены к плюсовой шине 18 питания, а анод 28 маломощного стабилитрона, объединенный со вторым выводом фильтра 30 пульсации напряжения через включенные последовательно резисторы 31, подключен к входной минусовой шине 19 питания. Это же соединение подключено к резистору 32 компаратора 33.
Компаратор 24 состоит из соединенных между собой резисторов 32, 33 и первой и второй группы последовательно соединенных резисторов 34, 35, дифференциального каскада на двух биполярных транзисторах с составляющими элементами баз 36, 37, эмиттеров 38, 39 и коллекторов 40, 41 а также параллельной RC-цепи 42, задающей параметры гистерезиса (разницы напряжений, при которых схема ограничителя осуществляет переключение напряжений питания вентилятора с больших значений на меньшие и обратно). Эмиттеры 38, 39 биполярных транзисторов объединены между собой, а также соединены с одним из выводов резистора 33, второй вывод которого соединен с плюсовой шиной 18. Второй вывод резистора 32 соединен с параллельно соединенными элементами RC-цепи 42 и базой 36 биполярного транзистора. Вторые выводы элементов RC-цепи 42 подключены к коллектору 41 биполярного транзистора и группе последовательно соединенных резисторов 34. Коллектор 40 биполярного транзистора подключен ко второй группе последовательно соединенных резисторов 35.
Регулятор выходного напряжения 26 состоит из: усилителя напряжения на биполярном транзисторе с базой 43, эмиттером 44, коллектором 45, стабилитрона с анодом 46 и катодом 47, электронного вентиля с управляющим входом 48, истоком 49, стоком 50, первого 51, второго 52 и третьего 53 резисторов. Один из выводов первого резистора 51 подключен к базе 43 биполярного транзистора усилителя напряжения, причем эти элементы соединены также с первой группой резисторов 34 компаратора 24. Коллектор 45 биполярного транзистора усилителя напряжения подключен через второй резистор 52 к управляющему входу 48 электронного вентиля, соединенного с параллельно включенными третьим резистором 53 и стабилитроном, а именно его катодом 47. Второй вывод первого резистора 51, эмиттер 44 биполярного транзистора усилителя напряжения, анод 46 стабилитрона, второй вывод третьего резистора 53 и исток 49 электронного вентиля выведены на входную минусовую шину 19, сток 50 последнего - на фильтр выходного напряжения 22. Фильтр выходного напряжения 22 состоит из коммутирующего диода с анодом 54 и катодом 55, индуктивности 56 и конденсатора 57. Анод 54 коммутирующего диода подключен к стоку 50 электронного вентиля регулятора выходного напряжения 26 и к одному из выводов индуктивности 57. Катод 55 коммутирующего диода и один из выводов конденсатора 57 подключены к плюсовой шине 18 питания, вторые выводы конденсатора 57 и индуктивности 56 подключены к выходной минусовой шине 20.
В формирователь уровня напряжения 9 входят соединенные последовательно две группы резисторов: высокоомных 58, 59 и низкоомных 60, 61. Высокоомные резисторы 58, 59 включены параллельно друг другу, низкоомные резисторы 60, 61 - последовательно между собой. Второй свободный вывод низкоомного резистора 61 подключен к плюсовой шине 18 питания. Одни из выводов высокоомных резисторов 58, 59 объединены между собой и этим соединением подключены к выходной минусовой шине 20. Вторые выводы высокоомных резисторов 58, 59 и свободный вывод низкоомного резистора 60 также объединены между собой и этим соединением подключены к базе 37 биполярного транзистора компаратора 8. Элементы ограничителя напряжения 3 размещены на опорной монтажной пластине 62 в виде печатной платы из стеклотекстолита и прямоугольной формы. Расположение всех этих элементов на верхней стороне платы дополнено перемычками 63.
Второй вариант заявляемого изобретения также решает задачу повышения надежности и срока службы нагревателя. Это в предлагаемом варианте конструкции обеспечивается за счет конфигурации держателя 11 спиральных нагревательных элементов 13 блока нагрева воздуха нагревателей воздуха движущихся электротранспортных средств в городе. Это один из наиболее важных вопросов в плане надежности, срока службы, удобства эксплуатации и ремонтопригодности отопительной техники. В отличие от ТЭНов, в которых спираль заливается наполнителем из изоляционного материала, в предлагаемом решении принципиально важно обеспечить максимальную открытость спиральных нагревательных элементов 13 для обдува воздухом с целью исключения перегрева и максимальной отдачи с них тепла в помещения салона и/или кабины водителя транспортного средства. Подвижность транспортного средства и наличие в нем вибрационных и ударных механических нагрузок добавляет особые проблемы к прочности крепления узлов в отопительной технике. Это - противоречивые требования - прочность установки и монтажа спиральных нагревательных элементов 13 на крепежной основе с максимальной раскрытостью для прохождения нагнетаемого воздушного потока сквозь ряды размещенных друг за другом достаточно близко спиральных тепловых элементов в аксиальном направлении по ходу воздушного потока и по периферии воздушного потока в сечении, параллельном торцевым. Обрывы, пережог, нарушение прочности крепления спиралей в зоне держателя способны спровоцировать аварийный режим - привести к выведению из строя блока нагрева, например, по причине короткого замыкания. Разработка особо надежного держателя для спиральных тепловых элементов, тем более в условиях дополнительного на них механического воздействия - за счет более интенсивного воздушного потока бесколлекторного электродвигателя осевого вентилятора, является основной целью второго варианта заявляемого нагревателя - изделия повышенной надежности в эксплуатации с увеличенным сроком службы.
Ранее были предприняты попытки конструирования данных держателей путем компоновки их из нескольких протяженных в аксиальном направлении пластин (для установки и крепления пар изоляторов). Все эти предпосылки предлагаемого изобретения - признаки технических решений - запатентованы фирмой-Заявителем ООО НПФ «Этна». Однако решения не переставали дорабатываться, видоизменяться, совершенствоваться и преобразовались в новую более совершенную технологию и конструкцию держателя, способного повлиять на надежность нагревателя воздуха электротранспортного средства. Главное отличие держателя от последней предшествующей конструкции в том, что он выполнен разъемным, но не из отдельных пластин, а из двух одинаковых половин. При их сочленении образуется сомкнутая прочная формоустойчивая фигура со сквозными вытянутыми отверстиями. Вышеописанный аксиально вытянутый держатель 11 (его половинки) изготавливают следующим образом. На формоустойчивый лист металла наносят метки для выемок в виде сквозных отверстий 15 для монтажа изоляторов 12 на держатель 11 и отверстий 14 в виде протяженных и ориентированных вдоль направления держателя 11 окон - с целью предотвращения короткого замыкания спиральных нагревательных элементов 13 на корпус держателя при воздействии на них вибраций и ударов, а также при их перегреве и провисании. Затем выполняют по меткам отверстия 14, 15 любым современным методом, например методом вырубания штамповкой или лазерной резкой. После этого формуют из металлических листов с выполненными отверстиями 14, 15 ломаные поверхности в виде половин полой аксиально вытянутой усеченной пирамиды. После устанавливают и закрепляют в сформированных отверстиях изоляторы 12. Собирают из полученных половин общую конструктивную структуру посредством резьбовых соединений, размещенных у краев торцевых сторон держателя 11.
Затем на полученном держателе 11 над внешней его стороной устанавливают, накручивая на винты и зажимая гайками, размещенными на шайбах, спиральные нагревательные элементы 13. Далее держатель 11 с закрепленными на нем изоляторами 12, спиральными нагревательными элементами 13 устанавливают внутрь обечайки 8 и закрепляют при помощи резьбовых соединений.
Заявляемый нагреватель работает следующим образом. При подключении его к контактной сети электропитания транспортного средства (троллейбуса, трамвая) происходит нагрев спиральных элементов 13 и начинается вращение лопаток вентилятора 6, обеспечивающее прохождение потока воздуха через спиральные нагревательные элементы 13. Вращение лопаток вентилятора 6 начинается одновременно с включением блока 2 нагрева, поскольку, когда высокое напряжение от контактной сети подается на блок 2 нагрева воздуха, то с него, как с делителя напряжения, существенно меньшее напряжение подается на электродвигатель 7 вентилятора 6 через устройство 4 предотвращения подачи напряжения обратной полярности и ограничитель 3 напряжения. Возможность использования блока 2 нагрева воздуха в качестве делителя напряжения осуществляется благодаря тому, что он составлен из ряда участков спирали, соединенных последовательно, с части из которых можно снимать любое требуемое для двигателя вентилятора напряжение.
При расчете элементов конструкции нагревателя выбирают такое сечение проволоки спиралей, при котором исключается свечение спиральных нагревательных элементов 13 блока 2 нагрева воздуха. Это в значительной степени повышает надежность изделия, а также исключает возможность появления эффекта выжигания кислорода.
Включение устройства 4 предотвращения подачи напряжения обратной полярности в виде диодного моста 64 в заявляемое устройство исключает ошибки при подключении изделия к бортовой сети троллейбуса (трамвая), что повышает надежность работы нагревателя. Ограничитель 3 напряжения в диапазоне от минимального до номинального напряжения обеспечивает постоянную температуру на выходе заявляемого нагревателя. При превышении номинального значения напряжения ограничитель напряжения обеспечивает стабилизацию напряжения на электродвигателе 7 при максимальном расходе воздуха, что гарантирует надежность функционирования микропроцессорной системы вентилятора 6 и электродвигателя 7, которая обеспечивает оптимальный режим работы электродвигателя и защиту от превышения температуры электродвигателя. Установленные на обечайке термодатчики 5 при превышении температуры в аварийной ситуации разрывают цепь термозащиты, входящую в цепь пусковой обмотки контактора транспортного средства, через который подается напряжение питания на заявляемый нагреватель, что приводит к разрыву силовой цепи контактора и снятию напряжения с заявляемого нагревателя.
Пример. Заявляемый нагреватель воздуха для наземного городского электротранспортного средства проходит испытания на одном из предприятий г.Саратова на выполнение требований безотказности, срока службы, надежности, в том числе и на воздействие внешних механических факторов, включая вибрацию, стойкость к воздействию условий транспортирования и к воздействию климатических факторов. Испытания показывают соответствие заданным параметрам по обоим вариантам изобретения.
В устройстве используются размещенные в корпусе: блок 1 нагнетания воздуха, включающий вентилятор 6 с бесколлекторным электродвигателем 7 марки 6318/2HPR, блок 2 нагрева воздуха со спиральными нагревательными элементами 13, ограничитель 3 напряжения электродвигателя в полном соответствии с описанием его конструкции в данном изобретении с учетом конкретного варианта, изложенного в дополнительном пункте формулы изобретения. Блок 2 нагрева воздуха имеет держатель 11 по варианту II заявляемого изобретения, который представляет собой композицию, собранную из двух одинаковых аксиально вытянутых фигур. Они при соединении образуют усеченную шестигранную пирамиду с возможностью аккуратного захода краев - как протяженного края, так и по торцам - друг на друга, а не встык. В держателе выполнены аксиально протяженные окна 14, выполненные для того, чтобы увеличить расстояние от центров участков спиралей до металлического держателя, и по шесть рядов сквозных отверстий 15, необходимых для установки в них керамических изоляторов 12 и соответствующего размещения поверх изоляторов шести рядов отрезков воздухопрозрачных спиралей, выполненных из высокоомного жаропрочного материала. Внутри корпуса на внешней стороне обечайки 8 установлены термодатчики 5, а также устройство 4 предотвращения подачи напряжения обратной полярности на электродвигатель в виде диодного моста. Устройство имеет запасы по всем основным параметрам.