СИСТЕМА ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ
WATER COOLING SYSTEM OF ELECTRIC MOTOR

Предлагаемое изобретение относится к области частотно-регулируемого асинхронного электропривода и может быть использовано в высокоскоростных технологических машинах типа металлорежущих станков.
Системы, аналогичные предлагаемой, известны. К ним относится, например, система водяного охлаждения, описанная на сайте reinolds.com.ua/service/serv_nasos/ohlag-dvigatelya.php, состоящая из электродвигателя, насоса, соединенного с его валом, и охлаждающего кожуха двигателя, через который насосом прокачивается вода. Такие системы охлаждения весьма просты, но применимы чрезвычайно ограниченно, т.к. требуют размещения двигателя в водной среде. Последнее обусловливает их использование преимущественно в погружных насосах и не позволяет их устанавливать на технологических машинах, к которым, относятся станки. Вместе с тем существуют системы водяного охлаждения электродвигателей, лишенные отмеченного недостатка, в частности, система, описанная в file: ///С:/Users/user/Desktop/АВ-8000_6000УЗ%20электродвигатель.htm. Эта система по технологической сущности близка к предлагаемой и принята нами за прототип. На указанном сайте она приведена на рис. 6 и включает в себя циркуляционную гидросистему, выполненную в виде соединенных кольцевым, трубопроводом проточной емкости, окружающей подверженные нагреву элементы электродвигателя, насоса для подачи воды в емкость и охладителя воды на выходе ее из емкости. Она содержит также датчики температуры воды и манометры, установленные на трубопроводе на входе и выходе емкости, и регулятор расхода воды, представляющий собой задвижку с электроприводом. Кроме того, в ней имеются водяные фильтры, электроуправляемый вентиль и настроечные дроссели.
Система-прототип вполне применима для охлаждения электродвигателей высокоскоростных технологических машин, но обладает низким быстродействием, поскольку регулирование ее работы по данным термометров осуществляется оператором. Но от быстродействия зависит точность поддержания температуры, допустимой при эксплуатации двигателя и, как следствие, долговечность последнего (его межремонтные сроки).
В связи с изложенным проблемой, подлежащей решению предлагаемой системой охлаждения, явилось повышение быстродействия системы.
Технически решение данной проблемы достигается за счет того, что система водяного охлаждения электродвигателя, содержащая циркуляционную гидросистему, выполненную в виде соединенных кольцевым трубопроводом проточной емкости, окружающей подверженные нагреву элементы электродвигателя, насоса для подачи воды в емкость и охладителя воды на ее выходе из емкости, датчик температуры воды, установленный на участке трубопровода между емкостью и охладителем, и регулятор расхода воды, отличается от прототипа тем, что она снабжена датчиком фазного тока электродвигателя, выход которого через фильтр низкой частоты соединен с частотомером и параллельным последнему сглаживающим фильтром, блоком возведения сигнала в степень «одна и три десятых», вход которого соединен с выходом частотомера, а выход - со входом первого усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, блоком возведения сигнала в «квадрат», вход которого соединен со сглаживающим фильтром, а выход - со входом второго усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, компаратором, прямой вход которого соединен с задатчиком предельно допустимый температуры воды, инверсный - с выходом датчика температуры воды, а выход - со входом третьего усилителя с регулируемым коэффициентом усиления, первым трехвходовым сумматором, первый вход которого через блок задержки и инвертор соединен с выходом третьего усилителя, второй вход соединен напрямую с выходом третьего усилителя, а третий вход - напрямую с выходом второго усилителя, вторым трехвходовым сумматором, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора, второй вход - с выходом третьего усилителя, а третий - с выходом первого усилителя, при этом насос выполнен регулируемым по производительности, регулятор расхода воды выполнен в виде регулятора производительности насоса, а вход регулятора соединен с выходом второго сумматора.
Схема предлагаемой системы приведена на фиг. 1. На фиг. 2 показаны временные диаграммы, иллюстрирующие работу входящих в систему фильтров.
Система водяного охлаждения электродвигателя 1, питающегося от частотного преобразователя 2, содержит циркуляционную гидросистему, выполненную в виде соединенных кольцевым трубопроводом проточной емкости 3, окружающей подверженные нагреву элементы электродвигателя 1, насоса 4 для подачи воды в емкость и охладителя 5 воды на ее выходе из емкости, датчик температуры воды 6, установленный на участке 7 трубопровода между емкостью 3 и охладителем 5, и регулятор 8 расхода воды.
м
э
t
Дополнительно она снабжена датчиком 9 фазного тока электродвигателя 1, выход которого через фильтр низкой частоты 10 соединен с частотомером 11 и параллельным последнему сглаживающим фильтром 12, блоком 13 возведения сигнала в степень «одна и три десятых», вход которого соединен с выходом частотомера, а выход - со входом первого усилителя 14 с регулируемым коэффициентом усиления К, блоком 15 возведения сигнала в «квадрат», вход которого соединен со сглаживающим фильтром 12, а выход - со входом усилителя 16 с регулируемым коэффициентом усиления К, компаратором 17, прямой вход которого соединен с задатчиком 18 предельно допустимой температуры воды, инверсный - с выходом датчика температуры 6 воды, а выход - со входом третьего усилителя 19 с регулируемым коэффициентом усиления К, первым трехвходовым сумматором 20, первый вход которого через блок задержки 21 и инвертор 22 соединены с выходом третьего усилителя 19, второй вход соединен напрямую с выходом третьего усилителя 19, а третий вход - напрямую с выходом второго усилителя 16, вторым трехвходовым сумматором 23, первый вход которого соединен с выходом первого сумматора 20, второй вход - с выходом третьего усилителя 19, а третий - с выходом первого усилителя 14, при этом насос 4 выполнен регулируемым по производительности, регулятор 8 расхода воды выполнен в виде регулятора производительности насоса, а вход регулятора соединен с выходом второго сумматора 23.
Работа системы основана на использовании известных соотношений, описывающих потери асинхронного частотно-регулируемого двигателя:
э
ф
а
где Р - электрические потери в обмотках двигателя; I - фазный ток обмотки; r - активное сопротивление обмотки;
где Рм - магнитные потери в двигателе; к - поправочный коэффициент;  - удельные потери в стали на единицу массы при индуктивности 1 Гл и частоте 50 Гц; В - среднее значение индукции; fн - частота напряжения питания двигателя; М - масса сердечника.
С достаточной для практики точностью правомерно считать, что для конкретного двигателя
э
м
э
м
э
м
где К и К - некоторые постоянные коэффициенты. Поскольку Р и Р вызывают нагрев двигателя при его работе, но он происходит с некоторым запаздыванием по отношению к ним, то целесообразно определенное «упреждение», увеличивающее производительность насоса, входящего в систему, сразу же после увеличения Р и Р, не дожидаясь, когда температура двигателя недопустимо возрастает. Когда температура начинает возрастать, то, очевидно, производительность насоса тоже следует увеличивать. Причем выполнять это имеет смысл тем быстрее, чем быстрее температура двигателя растет. Если все это учесть, то система охлаждения будет обладать весьма высоким быстродействием.
м
э
t
з
м
э
ф
3
ф
t
1,3
1,3
2
2
Перед эксплуатацией двигателя, оснащенного предложенной системой водяного охлаждения, ее необходимо настроить. Для этого усилители 14 и 16 регулируют, делая их коэффициенты усиления, соответственно равными К и К, рассчитанными заранее в зависимости от параметров двигателя 1. Коэффициент усиления К регулируют на основе предварительных пробных запусков двигателя. После этого задатчиком 18 вводят в систему сигнал, эквивалентный допустимому значению температуры нагрева двигателя t, и включают двигатель. На выходе датчика 9 появляется сигнал, имеющий вид, показанный на первой временной диаграмме на фиг. 2. Проходя через фильтр 10, он превращается в сигнал, показанный на второй временной диаграмме, а проходя через фильтр 12 - в сигнал, показанный на третьей временной диаграмме. Частотомер 11 выдает сигнал, соответствующий частоте питающего двигатель напряжения f, на выходе блока 13 появляется сигнал f, а на выходе усилителя 14 - сигнал K⋅f'. На выходе фильтра 12 возникает сигнал, в среднем равный I, на выходе блока 15 - сигнал I, а на выходе усилителя 16 - сигнал К⋅I. При возрастании температуры t - фактической температуры, отображаемой сигналом датчика 6, на выходе компаратора 17 имеет место возрастающий сигнал (t-t)=Δt, а на выходе усилителя 19 - сигнал К⋅Δt. Он поступает на сумматор 20 непосредственно, а на инвертор 22 - с задержкой на время τ, обусловленной применением блока 21.
t
t
э
t
э
t
t
м
2
2
1,3
Сигналы на выходе инвертора 22 и усилителя 19 отличаются на величину Δ(К⋅Δt), характеризующую скорость изменения сигнала К⋅Δt. Сумматор 20 алгебраически складывает К⋅I и Δ(К⋅Δt), а затем сумматор 23 складывает сигнал К⋅I+Δ(К⋅Δt) с сигналами K⋅Δt и К⋅t. В результате на выходе сумматора 23 окажется сигнал, отображающий электрические потери в двигателе, магнитные потери, температуру на выходе проточной емкости и скорость ее изменения. Этот сигнал, поступая на регулятор 8, заставляет соответствующим образом работать насос, обеспечивая определенную скорость циркуляции воды в гидросистеме. При увеличении частоты f питающего двигатель напряжения, тока I, температуры t или скорости увеличения последней, скорость циркуляции воды будет возрастать. В противном случае - снижаться. Так как факторов, инициирующих указанные увеличение или снижение четыре, причем два из них действуют с «упреждением», то происходить это будет достаточно быстро.
Быстро будет осуществляться и необходимый и достаточный теплоотвод от двигателя. А это, в свою очередь, повлечет за собой повышение точности поддержания температуры, допустимой при эксплуатации двигателя, повышение экономичности системы (насосу не нужно будет всегда работать с максимальной производительностью) и повышение долговечности двигателя.
Таким образом, предлагаемая система водяного охлаждения электродвигателя обеспечивает существенный технический результат, проистекающий из увеличения ее быстродействия.