АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОМБИНИРОВАННАЯ МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ СГЛАЖИВАЮЩЕГО РЕАКТОРА ТЯГОВОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА
AUTOMATIC COMBINED MICROPROCESSOR SYSTEM TO CONTROL TRACTION FACILITY SMOOTHING REACTOR TEMPERATURE

Область техники, к которой относится изобретение
Предлагаемое изобретение относится к области автоматизации тяговых транспортных средств (локомотивов, автомобилей, тракторов и др.), содержащих тяговые электрические машины (тяговые генераторы, тяговые двигатели и др.), в частности к автоматическим системам управления и регулирования на тяговом подвижном составе (электровозах, электропоездах).
Уровень техники
Известны системы, совокупность признаков которых сходна с совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения.
Известно устройство автоматизированного управления вентиляторами (Михайловский В.Н., Исаев В.Ф., Лорман Л.М., Чернохлебов В.Е., Кожевников Б.Я. Система САУВ для электровоза ВЛ80С. - «Локомотив», №10, 2003, с.25-29), изменяющее расход охлаждающего воздуха путем изменения скорости вращения валов приводных двигателей вентиляторов в зависимости от теплового состояния силового оборудования электровоза. Оно содержит асинхронные трехфазные двигатели привода вентиляторов, подключенные через блоки контакторов к обмотке собственных нужд силового трансформатора электровоза или к выходу тиристорного преобразователя частоты в зависимости от режима работы устройства. Оно содержит также датчики тока тяговых двигателей, включенные в их якорные цепи, и датчики вентиляции, расположенные в канале системы вентиляции и подключенные своими выходами на входы микропроцессора управления, подключенного также одним из входов к задатчику уставки переключения на номинальную или низкую скорость вращения валов вентиляторов, а выходами - к блокам контакторов и к преобразователю частоты. Микропроцессор управления сравнивает в форме напряжений выходные значения датчиков тока якоря и вентиляции с заданными уставками и обеспечивает переключение режимов работы вентиляторов с номинальной скорости вращения на пониженную и наоборот.
Это устройство имеет существенные недостатки. В нем действительные значения температуры агрегатов тягового электрооборудования не измеряются, а рассчитываются в микропроцессоре управления по его тепловой модели с использованием значений выходных сигналов датчиков тока якоря и вентиляции. По принципу действия - это устройство релейного действия, что приводит к значительным колебаниям температуры тяговых двигателей, сглаживающего реактора и выпрямительной установки и к снижению их надежности. Амплитуда колебаний температуры этих агрегатов тягового электрооборудования значительно увеличивается при уменьшении температуры наружного охлаждающего воздуха. Кроме того, релейный характер работы вентиляторов приводит к увеличенным в несколько раз затратам энергии на их привод (Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995, с.176, 177). В процессе эксплуатации этого устройства на сети железных дорог выявлен также недостаток, заключающийся в том, что изменение скорости вращения валов вентиляторов происходит без учета действительной температуры выпрямительной установки, тяговых двигателей и сглаживающих реакторов, которые в отдельных режимах работы электровоза являются лимитирующими по нагреву. Это снижает эффективность этого устройства и надежность силового электрооборудования электровоза.
Аналог предлагаемого изобретения, наиболее близкий к нему по совокупности существенных признаков (прототип)
Известна система автоматизированного регулирования скорости вращения валов вентиляторов электровоза переменного тока (патент РФ №2295461, B60L 1/12), содержащая тяговый двигатель постоянного тока, в якорную цепь которого включен сглаживающий реактор, вентилятор, датчик тока, включенный в цепь тока якоря тягового двигателя, датчик вентиляции, расположенный в воздуховоде вентилятора, первый блок контакторов, подключенный к обмоткам собственных нужд силового трансформатора электровоза и к обмоткам асинхронного двигателя вентилятора, а также к одному из входов микропроцессора управления, второй блок контакторов, подключенный входами на второй выход микропроцессора управления и на выход тиристорного преобразователя, а своим выходом - к обмоткам приводного двигателя вентилятора, датчики вентиляции и задатчик режима, соединенные с микропроцессором управления, датчик температуры, установленный на шине сглаживающего реактора и соединенный через узел гальванической развязки с входом микропроцессора управления. Эта известная система также является системой релейного действия и обладает всеми недостатками, присущими предыдущему устройству.
Сущность изобретения
1
2
им
д1÷4
з1÷3
су1÷3
к
p
1÷3
Функциональная схема предлагаемой автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства переменного тока, например электровоза, представлена на фиг.1. Обозначения на схеме: ОР - объект регулирования (поз.1); ИУ1 - измерительное устройство (поз.2) - датчик регулируемой величины (температуры); ИУ2, ИУ3 - измерительные устройства - датчики основных возмущающих воздействий (поз.3 и 4 соответственно); ИУ4 - измерительное устройство (поз.5) - датчик регулирующего воздействия; СУ1, СУ 2, СУ3 - сравнивающие устройства (поз.6, 7 и 8); ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3 - задающие устройства (поз.9, 10 и 11) - задатчики заданных значений величин; УК - устройство коррекции коэффициента передачи регулятора по отклонению регулируемой величины от заданного значения (поз.12), содержащее математическую модель системы охлаждения сглаживающего реактора как объекта регулирования температуры в статике; РО - регулирующий орган (поз.13); ИМ - исполнительный механизм (поз.14); исполнительный механизм и регулирующий орган образуют исполнительно-регулирующее устройство - ИРУ; φ - регулируемая величина; λ, λ - основные возмущающие воздействия на ОР; µ - регулирующее воздействие на объект регулирования; h - выходной сигнал исполнительного механизма; x - выходные сигналы датчиков; x - выходные сигналы задатчиков; Δх - выходные сигналы сравнивающих устройств; Δх - выходной сигнал устройства коррекции коэффициента передачи регулятора по отклонению k; η - сигналы задания.
1
2
тд
в
в
к
1
2
На принципиальной блок-схеме предлагаемой автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства переменного тока, представленной на фиг.2, функции измерительных устройств ИУ1 и ИУ3 выполняют датчики ДТ1 и ДТ2 (поз.2 и 4) температуры сглаживающего реактора Т и наружного охлаждающего воздуха Т. Функции измерительного устройства ИУ2 выполняет датчик ДТД (поз.3) тока тягового двигателя I, измерительного устройства ИУ4 - датчик ДЧВ (поз.5) подачи Q вентилятора охлаждения. Так как подача вентилятора охлаждения Q пропорциональна скорости вращения вала вентилятора ω, то удобнее в качестве сигнала регулирующего воздействия µ использовать не подачу вентилятора охлаждения Q, а скорость вращения вала вентилятора ω. Функции регулирующего органа РО в системе регулирования выполняет вентилятор охлаждения ВО (поз.13), а исполнительного механизма ИМ - его плавно управляемый привод ПВ (поз.14), электрический с питанием электродвигателя вентилятора охлаждения от статического преобразователя частоты, частота напряжения на выходе которого пропорциональна выходному сигналу U микропроцессорного контроллера МПК, который содержит сравнивающие устройства СУ1, СУ2 и СУ3, задающие устройства ЗУ1, ЗУ2 и ЗУ3, а также устройство коррекции УК регулятора температуры по отклонению. Функциональные элементы ИУ1, ЗУ1, СУ1, УК, ИМ и РО системы регулирования температуры образуют регулятор температуры по отклонению регулируемой температуры от заданного значения. Функциональные элементы ИУ2, ЗУ2, СУ2, ИУ4, УК, ИМ и РО образуют регулятор по току тягового двигателя (возмущающее воздействие λ), а функциональные элементы ИУ3, ЗУ3, СУ3, ИУ4, УК, ИМ и РО - регулятор по температуре наружного охлаждающего воздуха (возмущающее воздействие λ). Регулятор температуры по отклонению вместе с ОР образуют замкнутый контур регулирования в системе регулирования температуры, а регуляторы температуры по возмущениям - разомкнутые контуры регулирования. Известно, что замкнутый контур регулирования в системе регулирования температуры при определенных условиях может работать с низким качеством и даже неустойчиво.
д
2
В предлагаемой системе регулирования температуры используется два дополнительных сигнала управления: по току I тягового двигателя и по температуре T наружного охлаждающего воздуха, поэтому эта система является автоматической комбинированной системой регулирования температуры с компенсацией действия основных возмущений. Такое использование дополнительных сигналов управления позволяет значительно увеличить запасы устойчивости системы и показатели качества ее работы (статическая неравномерность, относительное перерегулирование, время регулирования и др.), то есть уменьшить амплитуду колебаний температуры сглаживающего реактора СР, тягового двигателя ТД и силовых полупроводниковых приборов выпрямительной установки ВУ, повысить тем самым их надежность и уменьшить затраты энергии на их охлаждение.
cp
ор
p
cp
op
p
p
cp
op
op
cp
д
2
op
cp
1
Устойчивость и качество работы системы регулирования зависят от значения такого ее статического параметра, как коэффициент передачи системы регулирования k (в разомкнутом состоянии), который равен произведению коэффициента передачи объекта регулирования ОР k и коэффициента передачи регулятора по отклонению k (k=k·k), то есть при постоянном значении k коэффициент k будет изменяться пропорционально коэффициенту k. Известно [Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995, с.39-40. Космодамианский А.С. Автоматическое регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин. - М.: Маршрут, 2005, с.76, 78], что коэффициент k систем охлаждения как тепловых объектов регулирования увеличивается при уменьшении тепловой нагрузки, что приводит к увеличению коэффициента k и к уменьшению устойчивости и качества работы системы регулирования, то есть к значительным колебаниям регулируемой величины φ. Для системы регулирования температуры сглаживающего реактора это означает, что при уменьшении тока I или температуры наружного охлаждающего воздуха T будет увеличиваться коэффициент k, что приведет к увеличению коэффициента k и к уменьшению устойчивости и качества работы системы регулирования, то есть к колебаниям с большими амплитудами регулируемой температуры Тсглаживающего реактора, тягового двигателя и силовых полупроводниковых приборов тяговой выпрямительной установки и, как следствие, к уменьшению их надежности, а также к увеличенным затратам энергии на их охлаждение.
Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства переменного тока, блок-схема которой представлена на фиг.3, содержит: тяговый трансформатор 15, тяговую выпрямительную установку 16, тяговый двигатель 17 постоянного тока, в якорную цепь которого включены сглаживающий реактор 18, на шине которого установлен датчик температуры 2, подключенный к первому входу микропроцессорного контроллера 6, и датчик тока 7, подключенный ко второму входу микропроцессорного контроллера 19, силовой трансформатор 20, подключенный к обмотке собственных нужд тягового трансформатора 15, преобразователь частоты 21, подключенный к силовому трансформатору 20 и к выходу микропроцессорного контроллера 19, асинхронный двигатель 22, статорные обмотки которого подключены к статическому преобразователю частоты 21, а вал соединен с валом вентилятора охлаждения 13, в воздуховодах которого установлены тяговый двигатель 17, сглаживающий реактор 18, тяговая выпрямительная установка 16 и датчик температуры наружного охлаждающего воздуха 4, подключенный к третьему входу микропроцессорного контроллера 19. Датчик 5 скорости вращения вала вентилятора подключен к четвертому входу микропроцессорного контроллера 19.
На фиг.4 представлена принципиальная схема предлагаемой автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства переменного тока, которая содержит: тяговый трансформатор 15, тяговую выпрямительную установку 16, тяговый двигатель 17, сглаживающий реактор 18, датчик 2 температуры сглаживающего реактора, микропроцессорный контроллер 19, датчик 3 тока тягового двигателя, силовой трансформатор 20, статический преобразователь частоты 21, асинхронный двигатель 22 вентилятора охлаждения 13 с воздуховодами, датчик 4 температуры наружного охлаждающего воздуха, датчик 5 скорости вращения вала вентилятора охлаждения. Статический преобразователь частоты 21 и асинхронный двигатель 22 выполняют функции исполнительного механизма 14. Тяговый трансформатор 15 подключен к контактному проводу 23 питающей контактной электросети посредством токоприемника 24.
1
д1
cy1
к
в
ор
1
p
1
cp
p
д
2
д
2
op
p
Автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства работает следующим образом. После достижения заданного значения температуры Т сглаживающего реактора при дальнейшем увеличении этой температуры начинает увеличиваться выходной сигнал U датчика температуры ДТ1 (поз.3 на фиг.2), сигнал Uна выходе сравнивающего устройства СУ1 (поз.6), сигнал U на выходе устройства коррекции УК (поз.12), сигнал ω на выходе привода вентилятора ПВ 14 и подачи Q вентилятора ВО 13. Плавное увеличение подачи Q вентилятора ВО и соответственно теплоотвода от сглаживающего реактора приводит к стабилизации регулируемой температуры. При этом микропроцессорный контроллер МПК 19 в соответствии с заложенной в него математической моделью систем охлаждения сглаживающего реактора, тягового двигателя и выпрямительной установки как объектов регулирования температуры определяет значение коэффициента передачи k, то есть вычисляет частную производную (∂T/∂Q). Он также вычисляет требуемое значение коэффициента передачи k=(∂Q/∂Т) регулятора температуры по отклонению, используя заложенное в программу работы микропроцессорного контроллера МПК 19 заданное значение коэффициента передачи k системы регулирования, и изменяет значение коэффициента передачи устройства коррекции УК таким образом, чтобы регулятор температуры по отклонению имел значение коэффициента передачи k, равное рассчитанному для данных значений тока I, температуры наружного охлаждающего воздуха Т и подачи Q вентилятора. После изменения тока Iили температуры наружного охлаждающего воздуха T и изменения значения подачи Q вентилятора ВО 13 микропроцессорный контроллер 19 в соответствии с математической моделью систем охлаждения снова определяет новые значения коэффициентов передачи k и k и изменяет значение коэффициента передачи устройства коррекции.
д
д макс
2 макс
рег
д мин
2 мин
рег
p
д макс
2 макс
д мин
2 мин
рег
p
д
2
в
Предлагаемая непрерывная автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства переменного тока в динамике ведет себя следующим образом. После однократного скачкообразного изменения тока тягового двигателя I начинается переходной процесс в системе регулирования температуры (см. фиг.5). Переходной процесс в статической автоматической системе регулирования температуры сглаживающего реактора (линии 27 и 28) при I и Т - апериодический затянутый с большим временем регулирования τ. Однако переходной процесс в этой системе регулирования при I и T - колебательный, также с большим временем регулирования τ. Более того, если бы значение коэффициента передачи регулятора по отклонению k этой системы было бы взято несколько большим, то тогда система работала бы в режиме автоколебаний, что привело бы к значительному снижению надежности сглаживающего реактора, тягового двигателя и выпрямительной установки и к значительному увеличению затрат энергии на их охлаждение. На фиг.5 также видно, что переходные процессы в предлагаемой автоматической комбинированной микропроцессорной системе регулирования температуры (линии 31 и 32) как при I и Т, так и при I и T - апериодические граничные с минимальным временем регулирования τ. Это означает, что предлагаемая автоматическая комбинированная система регулирования температуры при малой статической неравномерности имеет большие запасы устойчивости при изменении тока нагрузки и температуры наружного воздуха в широких диапазонах. Причем это достигнуто при значительно меньшей статической неравномерности, чем у статической автоматической системы регулирования температуры. Такая качественная работа предлагаемой автоматической комбинированной системы регулирования температуры обеспечена благодаря автоматическому изменению значения коэффициента передачи регулятора по отклонению k в зависимости от значений тока нагрузки I, температуры наружного охлаждающего воздуха Т и подачи Q (или скорости вращения вала ω) вентилятора.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения
д
д макс
д мин
2
2 мин
2 макс
1
д
2
в
д макс
д мин
2
2 мин
2 макс
p
в
ср
д макс
д мин
2
мин
2
макс
Техническим результатом предлагаемого изобретения является значительное повышение надежности сглаживающего реактора, тягового двигателя и силовых полупроводниковых приборов выпрямительной установки и значительное снижение затрат энергии на охлаждение путем обеспечения высокого качества работы системы регулирования температуры при изменении тока тягового двигателя I в диапазоне от I до I или температуры наружного охлаждающего воздуха T в диапазоне от T до Т. Для его достижения в предлагаемой автоматической системе регулирования температуры в микропроцессорный контроллер заложена математическая модель системы охлаждения сглаживающего реактора T(I, Т, Q) как объекта регулирования температуры в статике. Эта математическая модель составляется на сновании уравнений теплового баланса в системах охлаждения и описывает зависимости температуры сглаживающего реактора, тягового двигателя и выпрямительной установки от подачи Q и скорости вращения ω вала вентилятора при значениях тока тягового двигателя в диапазоне от I до I или температуры наружного охлаждающего воздуха Т в диапазоне от Т до T. Это позволяет системе изменять коэффициент передачи автоматического регулятора температуры по отклонению k автоматически в зависимости от подачи Q и частоты вращения ω вентилятора (регулирующего воздействия µ) с помощью измерительного устройства ИУ4 и устройства коррекции УК таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования (по замкнутому контуру) k оставался постоянным при изменении тока тягового двигателя в диапазоне от I до I или температуры наружного охлаждающего воздуха в диапазоне от Т до T (см. фиг.6). Таким образом, применение измерительного устройства ИУ4 и устройства коррекции УК коэффициента передачи регулятора температуры по отклонению температуры, содержащего математическую модель систем охлаждения сглаживающего реактора, тягового двигателя и тяговой выпрямительной установки как объектов регулирования температуры в статике, позволяет осуществить параметрическую компенсацию действия основных возмущений - тока тягового двигателя и температуры наружного охлаждающего воздуха.
В результате обеспечения высокого качества работы предлагаемой автоматической комбинированной системы регулирования температуры значительно повышается надежность сглаживающего реактора, тягового двигателя и выпрямительной установки и значительно уменьшаются затраты энергии на их охлаждение.
Технический результат достигается за счет того, что автоматическая комбинированная микропроцессорная система регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства, содержащая: тяговый трансформатор, к вторичной обмотке которого подключена тяговая выпрямительная установка, соединенная с тяговым двигателем постоянного тока, в якорную цепь которого включен сглаживающий реактор; силовой трансформатор, подключенный к обмотке собственных нужд тягового трансформатора; статический преобразователь частоты, подключенный к силовому трансформатору; асинхронный двигатель, статорные обмотки которого подключены к преобразователю частоты, а вал соединен с валом вентилятора охлаждения, в воздуховодах которого расположены тяговый двигатель, сглаживающий реактор и тяговая выпрямительная установка, дополнительно содержит: устройство коррекции коэффициента передачи регулятора температуры по подаче вентилятора, содержащее математическую модель систем охлаждения сглаживающего реактора, тягового двигателя и тяговой выпрямительной установки как объекта регулирования температуры в статике и предназначенное для автоматического изменения коэффициента передачи регулятора температуры по отклонению таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования оставался бы постоянным во всех диапазонах изменения тока тягового двигателя, температуры наружного охлаждающего воздуха и подачи вентилятора; первое измерительное устройство, предназначенное для измерения температуры сглаживающего реактора; второе измерительное устройство, предназначенное для измерения тока тягового двигателя; третье измерительное устройство, предназначенное для измерения температуры наружного охлаждающего воздуха; четвертое измерительное устройство, предназначенное для измерения подачи вентилятора; первое, второе и третье задающие устройства; первое, второе и третье сравнивающие устройства. Третье сравнивающее устройство связано с устройством коррекции, третьим измерительным устройством и третьим задающим устройством, второе сравнивающее устройство связано с устройством коррекции, со вторым измерительным устройством и вторым задающим устройством, а первое сравнивающее устройство связано с устройством коррекции, с первым измерительным устройством, первым задающим устройством. Устройство коррекции, в свою очередь, связано с четвертым измерительным устройством и статическим преобразователем частоты.
Перечень фигур
Фиг.1. Функциональная схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства.
Фиг.2. Принципиальная блок-схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства.
Фиг.3. Блок-схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства.
Фиг.4. Принципиальная схема автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры сглаживающего реактора тягового транспортного средства.
∂
н мин
д макс
2 макс
д макс
д мин
2 мин
Фиг.5. Линии ограничения диапазонов регулирования (статических неравномерностей) (25, 26, 29 и 30) и временные переходные характеристики (27, 28, 31 и 32) статической (линии 25-28) и комбинированной (предлагаемой) (линии 29-32) автоматических систем регулирования температуры сглаживающего реактора после изменения тока тягового двигателя I от I до I при температуре наружного охлаждающего воздуха Т (линии 27 и 31) и от I до I при T (линии 28 и 32).
op
p
cp
p
cp
op
p
cp
Фиг.6. Зависимости коэффициентов k, k и k от подачи вентилятора Q: а) - при постоянном коэффициенте k; б) - при постоянном коэффициенте k. Линиям 33 соответствуют зависимости k(Q), линиям 34 - k(Q) и линиям 35 - k(Q).