СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD TO CONTROL TEMPERATURE OF VEHICLE POWER PLANT AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к области автоматических систем регулирования температуры теплоносителей (высоконагретой детали, воды, масла, надувочного воздуха и др. систем тепловых двигателей, обмоток электрических машин, трансформаторов, элементов полупроводниковых преобразователей и др.) в системах охлаждения энергетических установок транспортных средств (локомотивов, автомобилей, тракторов и др.).
Известны системы автоматического регулирования температуры энергетических установок транспортных средств, содержащие источник электроэнергии, к которому подключены статорные обмотки асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, соединенным с валом вентилятора переменной подачи (с поворотными лопастями) [1-3].
Недостатком таких технических решений является применение механизма поворота лопастей, что усложняет процесс регулирования температуры энергетической установки.
Кроме того, при таком способе изменения подачи вентилятора асинхронный двигатель имеет частоту вращения, пропорциональную частоте питающего напряжения, которая может быть постоянной или изменяться в малом диапазоне, что обуславливает при малых тепловых нагрузках системы охлаждения энергетической установки работу вентилятора охлаждения с малыми углами поворота лопастей и низким кпд вентилятора и электрического привода.
Известна система регулирования температуры энергетической установки транспортного средства [4], содержащая источник электроэнергии переменного тока, управляющий орган, два асинхронных двигателя с фазными роторами и вентилятор охлаждения. Мощность каждого двигателя равна половине мощности вентилятора. Статорные обмотки двигателей подключены к источнику электроэнергии, роторные обмотки соединены последовательно посредством резисторов, а валы соединены с валом вентилятора охлаждения; статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, подключенным к управляющему органу. При величине регулируемой температуры меньше минимального значения поворотный статор асинхронного двигателя занимает положение, при котором частота вращения вентилятора охлаждения равна нулю. При увеличении температуры выше минимальной, угол поворота статора начинает расти, электропривод развивает электромагнитный момент, начинает вращаться, увеличивается подача вентилятора охлаждения. Процесс увеличения подачи будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим в системе охлаждения энергетической установки. В предельном случае угол поворота статора достигает 180 эл.град.
К недостаткам данного технического решения относится узкий диапазон регулирования температуры системы охлаждения энергетической установки.
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбран автоматический способ регулирования температуры [5]. В прототипе при величине сигнала регулируемой температуры меньше минимально заданного значения выходные сигналы управляющего органа имеют минимальное значение. При достижении температурой максимального значения выходные сигналы управляющего органа максимальны, при этом к блоку с математической моделью (БММ) поступают сигналы обратных связей от датчиков угла поворота статора и температуры. БММ рассчитывает контуры регулирования величины угла поворота статора и температуры охлаждаемого воздуха, а блок выбора режима формирует сигналы задания на угол поворота статора и величину добавочного сопротивления в цепи ротора и по точкам пересечения механических характеристик электропривода и кривой, характеризующей зависимость момента сопротивления вентилятора охлаждения от скорости вращения вала, определяют установившийся режим регулирования температуры энергетической установки.
Этот способ регулирования температуры энергетической установки имеет недостатки. Он не обеспечивает широкого диапазона регулируемой температуры и улучшения технологических показателей способа регулирования температуры энергетической установки.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение диапазона частоты вращения вала вентилятора охлаждения, а следовательно, увеличение области регулируемой температуры, а также улучшение массогабаритных и эксплуатационных показателей.
Сущность изобретения состоит в том, что в способе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства, осуществляемом путем анализа температуры энергетической установки и механических характеристик электропривода вентилятора, согласно изобретению в блок математической модели подаются сигналы обратной связи по температуре энергетической установки и сигналы задания на температуру, на основании которых сформированы задания на частоту вращения вала вентилятора, которые поступают на блок выбора режима, при этом он рассчитывает необходимое значение напряжения и частоты тока, подаваемого на обмотку статора асинхронного двигателя посредством преобразователя частоты для обеспечения минимальной мощности потерь и максимального КПД, и по механическим характеристикам электропривода вентилятора определяют установившийся режим регулирования температуры энергетической установки.
Устройство для регулирования температуры энергетической установки транспортного средства содержит источник электроэнергии переменного тока, блок математической модели, блок выбора режима, вентилятор охлаждения, датчик температуры энергетической установки, при этом к источнику электроэнергии подключен полупроводниковый  преобразователь частоты, питающий асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, вал которого соединен с валом вентилятора охлаждения.
Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.
На фиг.1 изображена блок-схема системы регулирования температуры энергетической установки.
На фиг.2 представлены механические характеристики электропривода вентилятора заявляемого изобретения.
Предлагаемое устройство отличается от прототипа тем, что регулятор температуры содержит один асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, статорная обмотка которого подключена к полупроводниковому преобразователю частоты, преобразующему напряжение и частоту тока по алгоритму, заложенному в управляющий орган. Вал ротора асинхронного двигателя соединен с валом вентилятора охлаждения. Частота вращения вала вентилятора охлаждения регулируется путем изменения частоты и амплитуды напряжения, подаваемого полупроводниковым преобразователем частоты на обмотку статора асинхронного двигателя. При этом осуществляется регулирование частоты вращения вала и, следовательно, расхода охлаждающего воздуха в широком диапазоне.
Блок-схема (фиг.1) содержит блок математической модели 1, подключенный к блоку выбора режима 2, который в свою очередь подключен к преобразователю частоты 3, питающему статорную обмотку асинхронного двигателя 4; вал двигателя соединен с валом вентилятора охлаждения 5. Сигнал обратной связи о температуре энергетической установки снимается с датчика температуры 7 наиболее теплонагруженного элемента энергетической установки. Входная цепь преобразователя частоты 3 подключается к трехфазному источнику электроэнергии 6.
7-1
min
max
u
f
Блок математической модели 1 на основании сигнала обратной связи i по температуре энергетической установки и сигналов задания i и i на температуру формирует задание на частоту вращения вала вентилятора 5, которое поступает на блок выбора режима 2. Блок выбора режима 2 рассчитывает необходимое значение напряжения и частоты тока, подаваемого на обмотку статора асинхронного двигателя 4 посредством преобразователя частоты 3 для обеспечения минимальной мощности потерь в электроприводе и, соответственно, максимального КПД, и подает сигналы задания на напряжение i и частоту тока i на преобразователь частоты 3.
7-1
min
u
f
При величине сигнала регулируемой температуры i меньше минимально заданного значения i выходной сигнал блока математической модели 1 имеет нулевое значение, выходные сигналы i и i блока выбора режима 2 при этом также имеют нулевое значение. В результате этого амплитуда и частота напряжения обмотки статора двигателя 4 равняются нулю, следовательно, частота вращения вентилятора охлаждения 5 равна нулю.
6-1
max
7-1
minn
u
f
При увеличении i и дальнейшем выполнении i>i>i увеличиваются выходной сигнал блока математической модели 1, выходные сигналы i и i блока выбора режима 2, увеличиваются амплитуда и частота напряжения обмотки статора асинхронного двигателя 4, у электропривода вентилятора развивается момент, вал начинает вращаться, увеличивается подача воздуха вентилятором охлаждения. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим в системе охлаждения энергетической установки.
7-1
max
u
f
При достижении температурой максимального значения (i≥i) выходной сигнал блока математической модели 1 и выходные сигналы i и i блока выбора режима 2 максимальны. Частота вращения вала вентилятора также максимальна. При дальнейшем увеличении температуры и при невозможности увеличения частоты вращения вала вентилятора 5 происходит оповещение машиниста о превышении температуры энергетической установки максимально допустимого значения и невозможности увеличения частоты вращения вала вентилятора 5.
A
B
C
D
A
B
C
D
На фиг.2 кривая D соответствует зависимости момента (М, Нм) электропривода от скорости вращения вала (W, рад/с) в номинальном режиме работы электропривода. Кривые А-С показывают работу электропривода в искусственном режиме (амплитуда напряжения статора u<u<u<u; частота напряжения статора ротора f<f<f<f). Точки пересечения кривых А-D с кривой Е, характеризующей зависимость момента сопротивления вентилятора охлаждения от скорости вращения его вала, показывают установившиеся режимы работы регулятора.
Технический эффект изобретения заключается в расширении диапазона частоты вращения вала вентилятора охлаждения и увеличении области регулируемой температуры, а также улучшении массогабаритных и эксплуатационных показателей регулятора.
Список используемой литературы
1. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1977.
2. А.С. 206627 (СССР). Система автоматического регулирования температуры охлаждающей среды холодильника тепловоза. Опубликовано 08.12.1967. Бюллетень 1.
3. А.С. 246165 (СССР). Устройство для автоматического регулирования температуры в системе охлаждения. Опубликовано 11.06.1969. Бюллетень №20.
4. Патент RU 2241837. Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства / Н.М. Луков, А.С. Космодамианский, И.А. Алейников. - Опуб. 10.12.2004.
5. Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства / Г.В. Багров, B.C. Мицкович, А.С. Космодамианский, Н.М. Луков, В.И. Воробьев, Д.В. Воробьев, В.Г. Новиков, А.Д. Хохлов, А.А. Пугачев // Патент 2351776 РФ, МПК G01N 19/02, заявка №2007129545/06 от 01.08.2007; опубл. 10.04.2009; бюл.10 (прототип).