УСТРОЙСТВО НЕПРЕРЫВНОГО ТЕМПЕРАТУРНОГО КОНТРОЛЯ И АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ НАГРУЗКИ СИЛОВОГО ЭЛЕКТРООБОРУДОВАНИЯ ЭЛЕКТРОВОЗА
DEVICE FOR ELECTRIC LOCOMOTIVE CONTINUOUS TEMPERATURE CONTROL AND AUTOMATIC ADJUSTMENT OF ELECTRIC POWER EQUIPMENT LOAD

Изобретение относится к разделу совершенствования систем регулирования температуры и автоматического регулирования нагрузки силовых групп электрооборудования подвижного состава, а именно к области непрерывного температурного контроля сглаживающих реакторов (СР) и тяговых электрических двигателей (ТЭД) электровоза.
Главной задачей в области температурного контроля является контроль тепловых параметров выбранного объекта и обеспечение прямого или косвенного воздействия на него для сохранения и поддержания оптимальных условий работы объекта и его работоспособного состояния. Известны несколько способов достижения поставленной цели.
Известна система автоматизированного регулирования скорости вращения валов вентиляторов электровоза переменного тока [1], содержащая тяговый двигатель постоянного тока, в якорную цепь которого включены 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 система релейного действия обладает следующими недостатками: 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. Это 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 [2]. 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.
В рассматриваемой области, наиболее близкой, по технической сущности к заявленной, является система автоматической комбинированной микропроцессорной системы регулирования температуры СР тягового транспортного средства.
Это устройство (прототип) содержит: 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. 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.
Недостатками данной системы являются: сложность предлагаемой установки, не учтена работа асинхронной машины при пониженных напряжениях, ненадежным элементом является статический преобразователь частоты, что, несомненно, влияет на работу асинхронного двигателя. Данное устройство не способно влиять на электрические параметры (ток и напряжение) цепи выпрямительно-инверторный преобразователь - сглаживающий реактор - тяговые электрические двигатели (ВИЛ - СР - ТЭД), а лишь способно считывать информацию с определенной точностью и воздействовать на данную цепь путем увеличения количества охлаждающего воздуха, чего явно недостаточно в эксплуатации и что также не исключает возникновения пожара на электровозе.
Задачей, поставленной перед разработчиками, было создание устройства непрерывного температурного контроля и автоматического регулирования нагрузки силового электрооборудования электровоза при типовой системе управления с целью повышения надежности и, как следствие, уменьшения пожаров на электровозе.
Поставленная задача решается тем, что устройство непрерывного температурного контроля и автоматического регулирования нагрузки силового электрооборудования электровоза, содержащее блоки силового электрооборудования, питания, микропроцессорного контроллера, мониторинга локомотива, отличающееся тем, что в блок силового электрооборудования включены датчики температуры, в блок микропроцессорного контроллера включены аналого-цифровые преобразователи, выходные усилители, элементы сравнения, а в блок мониторинга локомотива включены данные о температуре силового электрооборудования и сигналы оповещения о его перегреве.
Данное устройство поясняется чертежом, представленным на фиг.1.
Функциональная схема предлагаемого устройства содержит:
I - блок силового электрооборудования;
II - блок питания;
III - блок микропроцессорного контроллера;
IV - блок мониторинга локомотива.
Блок силового электрооборудования (поз.I) содержит: формирователи импульсов (СФИ - поз.1), формирующие и распределяющие по тиристорам ВИП управляющие импульсы требуемых параметров с заданной фазой и в заданной алгоритмом последовательности; выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИП - поз.2) предназначен для выпрямления однофазного переменного тока частотой 50 Гц в постоянный, плавного регулирования напряжения питания тяговых двигателей в режиме тяги и преобразования постоянного тока в однофазный переменный ток частотой 50 Гц и плавного регулирования противо-ЭДС инвертора в режиме рекуперативного торможения; сглаживающий реактор (СР - поз.3) предназначен для сглаживания пульсаций выпрямленного тока в цепи тяговых двигателей; датчики температуры (Д - поз.4), предназначенные для определения температуры СР и тяговых электрических двигателей; тяговые электрические двигатели (ТД - поз.5) предназначены для преобразования электрической энергии, получаемой из контактной сети, в механическую, передаваемую с вала двигателя на колесную пару электровоза; датчики тока двигателей (ДТ - поз.6), предназначенные для формирования электрического сигнала, пропорционального току двигателей.
Блок питания (поз.II) содержит элемент питания (БП - поз.7) датчиков температуры.
0
Блок микропроцессорного контроллера (поз.III) содержит: два идентичных микропроцессорных контроллера МПК1 и МПК2 (поз.8 и 9), они предназначены для управления коллекторными тяговыми двигателями; каждый МПК включает в себя: формирователи входных сигналов (БВС - поз.10) слежения α за потенциальными условиями открытия тиристоров; формирователи сигналов (БФ - поз.11), содержащие схему обработки сигналов датчиков углов коммутации; аналого-цифровые преобразователи (БАЦП - поз.12), содержащие схему обработки аналоговых сигналов датчиков токов, напряжений и температуры, а также задатчиков пульта машиниста; микропроцессорный контроллер (БМК - поз.13), осуществляющий логическую обработку и вычислительные операции реализуемыми программными методами в микроконтроллере; формирователи дискретных сигналов ввода/вывода (БВВ - поз.14), предназначены для задания режима работы и формирования сигналов управления контакторами ослабления поля, песочницами, преобразователем частоты фаз вентиляторов и панелью индикации пульта машиниста, а также обеспечивают стыковку МПК с оборудованием электровоза, работающего с уровнем напряжения бортовой сети 50 В и гальваническую развязку цепей микроконтроллера; выходные усилители (БВУ - поз.15 и 16) служат для гальванической развязки цепей выходных сигналов от цепей микроконтроллера и элементы согласования с внешними устройствами усиливают сигналы, сформированные БМК.
В блок микропроцессорного контроллера дополнительно установлены выходные усилители (БВУ - поз.17) и аналого-цифровые преобразователи (БАЦП - поз.18). Дополнительные элементы применяются для оцифровки сигналов, поступающих от аналоговых температурных датчиков на элемент сравнения (или мах - поз.19), а далее в блок БМК и для усиления сигналов управления ВИП на выходе БМК, предназначенные для управления ВИПами электровоза.
Блок мониторинга локомотива (поз.IV) содержит сигнальную аппаратуру, позволяющую на пульте машиниста увидеть температуру электрооборудования, этот же блок подаст сигнал о тепловом перегреве оборудования. Использование сигнализации (поз.20) позволит предупредить машиниста о перегреве силовой группы сглаживающий реактор - тяговые двигатели.
Согласно разработанной функциональной схеме устройства непрерывного температурного контроля и автоматического регулирования нагрузки силового электрооборудования электровоза в эксплуатации предлагается применить датчики температуры (поз.4), измеряющие температуру на крайних витках сглаживающих реакторов (поз.3) и на статоре тягового двигателя. Таким образом температура СР и ТД измеряются непрерывно при эксплуатации электровоза. Данные сигналов температурных датчиков (поз.4) поступают в блок микропроцессорного контроллера (поз.II), где сигналы преобразуются и поступают на вход БМК (поз.13). БМК (поз.13) по специально разработанной программе с заданной частотой проводит последовательный опрос каналов температурных датчиков (поз.4) и выявляет наибольший по величине сигнал, выявляя, таким образом, максимально-допустимую температуру СР (поз.3) и ТД (поз.5). БМК проводит селективное управление ВИП (поз.2) электровоза посредством алгоритма замыкания электронных ключей через дополнительный БВУ (поз.17). Сигналы управления от БМК увеличивают фазу тиристоров плеч ВИП (поз.2). В результате токовая нагрузка с более нагруженного блока силового электрооборудования (поз.I) распределяется равномерно между остальными группами двигателей (поз.5), снижая ток перегретой силовой группы, без существенной потери силы тяги электровоза. Блок мониторинга локомотива (поз.IV) оповещает машиниста о перегреве блока силового электрооборудования (поз.I), показывая температуру сглаживающего реактора (поз.3) и ТД (поз.5). Таким образом, производятся непрерывный температурный контроль и защита силового оборудования от возгорания в эксплуатации.
Технический результат заключается в повышении надежности и продлении срока службы сглаживающих реакторов (поз.3), тяговых двигателей (поз.5) и выпрямительно-инверторных преобразователей (поз.2), экономии энергии на тягу поездов на 3,5-7% и предотвращения пожаров тягового электрооборудования.
Список использованной литературы
1. Патент РФ №2295461, МПК B60L 1/12, заявлен 09.09.2005 г.
2. Патент РФ №2406622 С2, МПК B60L 1/12, заявлен 16.05.2008 г.