Автоматическая микропроцессорная система регулирования температуры энергетической установки транспортного средства
AUTOMATIC MICROPROCESSOR SYSTEM TO CONTROL VEHICLE POWER PLANT TEMPERATURE

Область техники, к которой относится изобретение
Автоматическая микропроцессорная система регулирования температуры (АМСРТ) энергетической установки (ЭУ) транспортного средства относится к транспортному машиностроению, в частности к области автоматических систем регулирования температуры теплоносителей (высоконагретой детали, воды, масла, наддувочного воздуха и др.) в системах охлаждения энергетических установок, обмоток тяговых электрических машин, тяговых трансформаторов, элементов тяговых полупроводниковых преобразователей и др. транспортных средств (локомотивов, автомобилей, тракторов и др.). Как известно, любая автоматическая система содержит две основные соединенные встречно параллельно функциональные части: объект регулирования (ОР) и автоматический регулятор (АР). Любой АР содержит две основные соединенные последовательно функциональные части: управляющий орган (УО) и исполнительно-регулирующее устройство (ИРУ). УО содержит устройства: измерительное (ИУ) (датчик регулируемой величины), задающее (ЗУ), сравнивающее (СУ), усилительно-преобразующее устройство. В свою очередь, ИРУ содержит две основные соединенные последовательно функциональные части: исполнительный механизм (ИМ) и регулирующий орган (РО).
Уровень техники
Известны автоматические системы регулирования температуры (АСРТ), совокупность признаков которых сходна с совокупностью существенных признаков предлагаемого изобретения.
Известна АСРТ теплоносителей ЭУ, регулятор которой содержит в качестве УО пневматический преобразователь температуры с усилителем мощности, а в качестве ИРУ - мембранный пружинный ИМ и вентилятор с электроприводом и поворотными лопастями [Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988, с. 186].
Известна также АСРТ тяговой электрической машины, регулятор которой содержит микропроцессорный УО с датчиком тока и датчиком напряжения на контролируемой обмотке тяговой электрической машины, принцип работы которого основан на зависимости активного сопротивления контролируемой обмотки от ее температуры, усилитель выходного сигнала микропроцессорного УО, преобразователь электрического сигнала в пневматический, усилитель мощности, мембранный пружинный ИМ, вентилятор с механическим приводом и поворотными лопастями [Космодамианский А.С. Автоматическое регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов. - М.: Маршрут, 2005, 429 с., с. 182-191].
1
2мин
2макс
1
1
2
1
2
а
а
Общий недостаток этих АСРТ заключается в том, что они являются статическими, т.к. содержат П-регуляторы. Статическая АСРТ поддерживает регулируемую температуру T в пределах статической неравномерности (фиг. 1. Статические характеристики АСРТ:  - с П-регулятором при Т; b - с П-регулятором при Т; c и d - с комбинированными регуляторами температуры), в результате чего регулируемая температура Т изменяется как при изменении мощности N ЭУ, так и при изменении температуры наружного охлаждающего воздуха Т (характеристика  на фиг. 1). Однако АСРТ обмоток электрических машин, трансформаторов и элементов полупроводниковых преобразователей должны поддерживать регулируемую температуру постоянной независимо от изменений мощности N ЭУ и температуры наружного охлаждающего воздуха Т (характеристика c на фиг. 1). Постоянство температуры обмоток электрических машин, трансформаторов и элементов полупроводниковых преобразователей обеспечивает более высокую надежность электрических машин, трансформаторов и элементов полупроводниковых преобразователей и меньшие затраты энергии на их охлаждение, чем при колебаниях температуры.
1
2
АСРТ высоконагретой детали, воды, масла, наддувочного воздуха и др. ЭУ должны поддерживать температуру в определенной зависимости от мощности N ЭУ и независимо от температуры наружного охлаждающего воздуха Т (характеристика d на фиг. 1), что обеспечивает уменьшение расхода топлива ЭУ, повышение ее надежности и уменьшение затрат энергии на охлаждение ЭУ.
1
2
Для того чтобы АСРТ могли иметь статические характеристики с и d, представленные на фиг. 1, они должны содержать комбинированные регуляторы температуры, использующие дополнительные сигналы управления по мощности N ЭУ и температуре наружного охлаждающего воздуха T.
Аналог предлагаемого изобретения, наиболее близкий к нему по совокупности существенных признаков (прототип).
В качестве прототипа предлагаемого изобретения выбрана АСРТ, содержащая автоматический регулятор температуры с электрическим приводом вентилятора [Патент РФ №2426895. Автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры энергетической установки транспортного средства / Н.М. Луков, А.С. Космодамианский, О.Н. Ромашкова. - Опубл. 20.08.2011, БИ №23].
Регулятор температуры содержит: источник электроэнергии переменного тока, УО с датчиком температуры ЭУ, датчиком мощности ЭУ, датчиком температуры наружного охлаждающего воздуха, датчиком частоты вращения вала вентилятора; три ЗУ; три СУ, два одинаковых АД с фазными роторами, вентилятор, механизм поворота статора одного из двигателей. УО снабжен устройством коррекции коэффициента передачи регулятора температуры по частоте вращения вала вентилятора в соответствии с заложенной в память УО математической моделью АСРТ в статике и динамике и предназначенное для алгебраического суммирования выходных сигналов датчиков температуры и мощности ЭУ, датчика температуры наружного охлаждающего воздуха и автоматического изменения (коррекции) коэффициента передачи регулятора температуры, устройство коррекции подключено, в свою очередь, к механизму поворота статора одного АД, который вместе со вторым АД образуют двухдвигательную установку с общим валом, на котором закреплены контактные кольца, фазные роторы и резисторы с автоматическим выключателем.
АСРТ с таким регулятором температуры также имеет недостатки. Электропривод вентилятора отличается большой сложностью из-за наличия поворотного статора одного из двух АД, механизма поворота статора и блока управления им, шести токосъемных колец и щеточного аппарата, резисторов и их выключателя. Наличие шести токосъемных колец и щеточного аппарата увеличивает общую длину и массу двухдвигательной установки и снижает ее надежность. Недостатком является также пониженная на 8-10% максимальная частота вращения вала с вентилятора, что обусловлено наличием резисторов в цепи роторных обмоток. Пониженная частота вращения вала приводит к уменьшению мощности электропривода вентилятора и к уменьшению КПД привода.
Сущность изобретения
Предлагаемая АМСРТ ЭУ транспортного средства не имеет недостатков известных автоматических систем. Функциональная схема ее представлена на фиг. 2. Обозначения на схеме: ОРТ - объект регулирования температуры (поз. 1); ИУ1 - первое измерительное устройство - датчик регулируемой величины (поз. 2); ИУ2, ИУ3 и ИУ4 - второе, третье и четвертое измерительные устройства - датчики основных возмущающих воздействий (поз. 3, 4 и 5 соответственно); ИУ5 - измерительное устройство - датчик регулирующего воздействия (поз. 6); СУ1, СУ2, СУ3 - первое, второе и третье сравнивающие устройства (поз. 7, 8 и 9); ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3 - первое, второе и третье задающие устройства (поз. 10, 11 и 12); УК - устройство коррекции коэффициента передачи регулятора по отклонению регулируемой величины от заданного значения, содержащее математическую модель автоматической системы регулирования температуры в статике и динамике (поз. 13); ИМ - исполнительный механизм (поз. 14); РО - регулирующий орган (поз. 15).
1
2
3
1
2
3
На фиг. 2 обозначениям соответствуют следующие величины: ϕ - регулируемая величина; λ, λ и λ - основные возмущающие воздействия на ОРТ; μ - регулирующее воздействие на ОРТ; η, η и η - сигналы задания.
Все функциональные элементы АМСРТ ЭУ транспортного средства (кроме ОРТ) образуют регуляторы температуры: регулятор по отклонению регулируемой температуры от заданного значения (ИУ1, ЗУ1, СУ1, УК, ИМ и РО) и регуляторы по основным возмущениям: по мощности ЭУ (ИУ2, ЗУ2, СУ2, УК, ИМ и РО) и по температуре наружного охлаждающего воздуха (ИУЗ, ЗУЗ, СУЗ, УК, ИМ и РО). Регулятор температуры по отклонению вместе с ОРТ образуют замкнутый контур регулирования в системе регулирования температуры, а регуляторы температуры по возмущениям - разомкнутые контуры регулирования.
В АМСРТ ЭУ транспортного средства, принципиальная блок-схема которой представлена на фиг. 3, функции ОРТ выполняет система охлаждения ЭУ (энергетической установке соответствуют поз.16 и 25 на фиг. 3), функции ИУ1 выполняет датчик регулируемой величины - температуры ЭУ (поз. 2). Функции ИУ2 выполняет датчик мощности ЭУ (поз. 3), функции ИУ3 - датчик температуры наружного охлаждающего воздуха (поз. 4), функции ИУ5 - датчик частоты вращения вала вентилятора (поз. 6), функции ИУ4 - датчик частоты вращения вала ЭУ (поз. 5). Функции РО в системе выполняет вентилятор (поз. 15), а функции ИМ - плавно управляемый электропривод вентилятора, функции которого выполняет инвертор (поз. 17) с блоком управления (поз. 18), неуправляемый выпрямитель (НВ) (поз. 24), а также два асинхронных двигателя с фазными роторами (поз. 22 и 23). Измерительные устройства ИУ1, ИУ2, ИУЗ, ИУ4, ИУ5, блок управления преобразователя частоты подключены к микропроцессорному контроллеру (МПК) (поз. 19). К МПК подключен также блок возбуждения (поз. 26) синхронного генератора (СГ) (поз. 25). В принципиальную блок-схему АМСРТ ЭУ транспортного средства входят, кроме того насос охлаждающей жидкости (поз. 27) и охлаждающее устройство ЭУ (поз. 28). Оба асинхронных двигателя (поз. 22 и 23) расположены в общем корпусе, валы их соединены между собой и с валом вентилятора (поз. 15). Позициям 20 и 21 на фиг. 3 соответствуют статорные обмотки асинхронных двигателей.
В принципиальной блок-схеме АМСРТ ЭУ транспортного средства вместо двух одинаковых асинхронных двигателей с фазными роторами, один из которых имеет поворотный статор (как в прототипе [Патент РФ 2426895. Автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры энергетической установки транспортного средства / Н.М. Луков, А.С. Космодамианский, О.Н. Ромашкова. - Опубл. 20.08.2011., Б.И. №23]), применена асинхронная плавноуправляемая двухдвигательная установка без контактных колец и щеточного аппарата. [Сандлер А.С., Каримов Х.Г. Двух-двигательный асинхронный электропривод. - А. С.СССР №235184, МПК Н02Р 7/74, опубл. 16.01.1969. Бюл. №5. Сандлер А.С., Каримов Х.Г. Бесконтактный асинхронный регулируемый электропривод // Электричество, 1969, №10. - С. 48-53]. Роторные обмотки 22 и 23 двухдвигательной установки соединены между собой с обратной последовательностью следования фаз, так что магнитные поля, создаваемые токами в обеих роторных обмотках, вращаются в противоположных направлениях, а вращающие моменты асинхронных двигателей в рабочей зоне скоростей агрегата совпадают по направлению.
1
1
1
1
-1
-1
Статорная обмотка асинхронного двигателя 22 подключена к СГ 25. Статорная обмотка асинхронного двигателя 23 подключена к НВ 24, связанному с инвертором 17. Энергия от СГ 16 поступает в статорную обмотку асинхронного двигателя 22, затем через его ротор передается асинхронному двигателю 23. При указанном соединении роторных обмоток одна часть энергии преобразуется в механическую энергию и оба асинхронных двигателя развивают положительные вращающие моменты, а другая часть энергии, пропорциональная скольжению, возвращается из статора асинхронного двигателя 23 через инвертор 17 в статорные обмотки СГ 25. Скольжение S=(ω-ω)/ω, где ω - частота вращения вала ЭУ 16 и СГ 25 (частота вращения поля статора асинхронного двигателя 13); ω - частота вращения роторов асинхронных двигателей 22 и 23 и вала вентилятора 15 [Сандлер А.С., Каримов Х.Г. Бесконтактный асинхронный регулируемый электропривод // Электричество, 1969, №10. - с. 48-53, с. 49]. Регулирование частоты вращения валов асинхронных двигателей 22 и 23 и вала вентилятора 15 производится введением добавочной ЭДС в цепь выпрямленного напряжения статорной обмотки асинхронного двигателя 23. Величина добавочной ЭДС, определяемой средним значением напряжения инвертора 17, регулируется путем воздействия на угол опережения открывания вентилей инвертора β с помощью блока управления инвертора 18, подключенного к МПК 19. В результате двухдвигательная установка имеет механические характеристики, которые значительно отличаются от механических характеристик асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. На фиг. 4 представлены механические характеристики двухдвигательной установки, построенной на базе асинхронного двигателя серии АК52-6. Видно, что при изменении угла опережения открывания вентилей инвертора β в диапазоне 30-90° частота вращения вала двухдвигательной установки изменяется в широких пределах (80-450 мин). Однако статическая механическая характеристика двухдвигательной установки оказывается линейной (фиг. 5) и коэффициент передачи (усиления) установки имеет значение (∂ω/∂β)=4,17 мин/ град.
В АМСРТ ЭУ транспортного средства используется два дополнительных сигнала управления - по мощности ЭУ и по температуре наружного охлаждающего воздуха, поэтому эта система является автоматической комбинированной системой регулирования температуры с компенсацией действия основных возмущений (мощности ЭУ и температуры наружного охлаждающего воздуха). Использование дополнительных сигналов управления позволяет значительно увеличить запасы устойчивости системы и улучшить показатели качества ее работы (статическая неравномерность, относительное перерегулирование, время регулирования и др.), т.е. уменьшить амплитуду колебаний температуры ЭУ, повысив тем самым ее надежность и экономичность, а также уменьшить затраты энергии на охлаждение.
с
ор
р
с
ор
р
р
с
ор
Устойчивость и качество работы АСРТ зависят от значений статических (коэффициентов передачи) и динамических (времени запаздывания, постоянных времени) параметров всех функциональных элементов, входящих в ее состав, в частности, от значения такого ее статического параметра, как коэффициент передачи системы регулирования k (в разомкнутом состоянии), который равен произведению коэффициента передачи ОРТ k и коэффициента передачи регулятора по отклонению k, т.е. k=k⋅k. При постоянном значении k коэффициент k будет изменяться пропорционально коэффициенту k.
ор
с
ор
с
Известно, что коэффициент k систем охлаждения как тепловых объектов регулирования увеличивается при уменьшении тепловой нагрузки, что приводит к увеличению коэффициента k, к уменьшению запасов устойчивости и ухудшению показателей качества работы системы регулирования, то есть к значительным колебаниям регулируемой величины [Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995, с. 36-40]. Для АМСРТ ЭУ транспортного средства это означает, что при уменьшении ее мощности или температуры наружного охлаждающего воздуха будет увеличиваться k, что приведет к увеличению коэффициента k, к уменьшению запасов устойчивости, ухудшению показателей качества работы системы регулирования, то есть к колебаниям регулируемой температуры ЭУ с большими амплитудами и, как следствие, к ухудшению показателей ее надежности и увеличенным затратам энергии на охлаждение.
Одним из технических результатов предлагаемого изобретения является значительное улучшение показателей надежности ЭУ и ее системы охлаждения и значительное снижение затрат энергии на охлаждение путем обеспечения высокого качества работы АМСРТ ЭУ транспортного средства при изменении во всем диапазоне мощности ЭУ и температуры наружного охлаждающего воздуха.
р
с
Для его достижения в АМСРТ ЭУ транспортного средства в память МПК заложена математическая модель АМСРТ в статике и динамике. Эта математическая модель составляется на основании уравнений теплового баланса в системе охлаждения ЭУ. Математическая модель описывает зависимости температуры ЭУ от количества подаваемого охлаждающего воздуха при разных значениях мощности ЭУ при изменении во всем диапазоне мощности ЭУ и температуры наружного охлаждающего воздуха. Математическая модель учитывает изменение статических и динамических параметров всех функциональных элементов, входящих в состав АМСРТ. Это позволяет системе изменять коэффициент передачи автоматического регулятора температуры по отклонению k автоматически в зависимости от регулирующего воздействия μ (количества подаваемого охлаждающего воздуха) с помощью измерительного устройства ИУ5 и устройства коррекции УК таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования (по замкнутому контуру) k оставался постоянным при изменении во всем диапазоне мощности ЭУ и температуры наружного охлаждающего воздуха (см. фиг. 6).
Таким образом, применение функциональных элементов ИУ5 и УК в регуляторе по отклонению температуры, содержащем математическую модель АМСРТ в статике и динамике, позволяет осуществить параметрическую компенсацию действия основных возмущений - мощности ЭУ и температуры наружного охлаждающего воздуха. В АМСРТ функции всех вычислительных устройств (СУ, УК и ЗУ) выполняют блоки математической модели, заложенной в память МПК.
1
1
ор
1
р
1
с
ук
р
1
2
1
2
ор
р
ук
АМСРТ ЭУ транспортного средства работает следующим образом. После достижения регулируемой температуры Т заданного значения и дальнейшем ее повышении начинают увеличиваться выходные сигналы ИУ1, СУ1, УК, плавно управляемого электропривода вентилятора, что приведет к возрастанию частоты вращения вала вентилятора ω и количества подаваемого охлаждающего воздуха G. Плавное увеличение G и теплоотвода из системы охлаждения ЭУ приведут к стабилизации регулируемой температуры Т. При этом МПК по заложенной в него математической модели АМСРТ в статике и динамике определяет имеющееся значение коэффициента передачи k системы охлаждения ЭУ, то есть вычисляет частную производную (∂T/∂G). Он также вычисляет требуемое значение коэффициента передачи k=(∂G/∂T) регулятора температуры по отклонению, используя заложенное в программу работы МПК заданное значение коэффициента передачи k системы регулирования, и изменяет значение коэффициента передачи устройства коррекции УК k таким образом, чтобы регулятор температуры по отклонению имел значение коэффициента передачи k, равное рассчитанному для данных значений мощности ЭУ N, температуры наружного охлаждающего воздуха Т и количества подаваемого охлаждающего воздуха G. После изменения мощности ЭУ N или температуры наружного охлаждающего воздуха Т и изменения количества подаваемого охлаждающего воздуха G МПК по математической модели АМСРТ в статике и динамике снова определяет новые значения коэффициентов передачи k и k и изменяет значение коэффициента передачи устройства коррекции k.
1
1макс
2макс
рег
1мин
2мин
рег
р
АМСРТ ЭУ транспортного средства в динамике ведет себя следующим образом. После однократного скачкообразного изменения мощности ЭУ N начинается переходной процесс в АМСРТ (см. фиг. 7). Как видно на фиг. 7, переходной процесс в статической АСРТ ЭУ (линии g и h) при N и T будет иметь вид апериодический затянутый с большим временем регулирования τ. Однако переходной процесс в этой системе регулирования при N и T будет иметь вид колебательный, также с большим временем регулирования τ. Более того, если бы значение коэффициента передачи регулятора k этой системы было бы принято несколько большим, то система работала бы в режиме автоколебаний, что привело бы к значительному ухудшению показателей надежности ЭУ и значительному увеличению затрат энергии на ее охлаждение.
1мин
2макс
1мин
2мин
рег.
1
2
На фиг. 7 также видно, что переходные процессы в комбинированной АСРТ ЭУ (линии l и m) как при N и N, так и при N и T будут апериодическими граничными с минимальным временем регулирования τ. Это означает, что комбинированная АСРТ ЭУ при малой статической неравномерности имеет большие запасы устойчивости при изменении мощности N и температуры наружного охлаждающего воздуха T в широких диапазонах. Причем это достигнуто при значительно меньшей статической неравномерности, чем у статической автоматической системы регулирования температуры.
1min
При значении регулируемой температуры? меньшем T, выходные сигналы ИУ1 и УК имеют минимальные значения, при этом выходной сигнал блок управления инвертора угол β также имеет минимальное значение, при котором частота вращения вала вентилятора ω и количество подаваемого охлаждающего воздуха G равны нулю.
1
1min
1
1max
При увеличении регулируемой температуры Т и превышении ею значения T увеличиваются выходной сигнал ИУ1 и угол β. При этом вращающий момент на валу вентилятора становится М>0 и частота вращения вала вентилятора ω>0, при этом увеличится количество подаваемого охлаждающего воздуха G. Процесс увеличения регулируемой температуры T, угла β и частоты вращения вала вентилятора ω будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим работы системы охлаждения ЭУ. В диапазоне изменении угла β от 0 до 90° эл. оба асинхронных двигателя работают в двигательном режиме, развивая разные вращающие моменты. При значении регулируемой температуры T угол β и частота вращения вала вентилятора ω будут максимальными. При этом угол β достигает 90° эл.
1
1
1
При увеличении мощности N ЭУ, будут увеличиваться выходные сигналы ИУ2, СУ2, УК, плавно управляемого электропривода вентилятора, что приведет к возрастанию частоты вращения вала вентилятора ω и количества подаваемого охлаждающего воздуха G. Это, в свою очередь, приведет к увеличению теплоотвода в охладителе без изменения регулируемой температуры Т. Такое изменение количества подаваемого охлаждающего воздуха будет происходить каждый раз при изменении мощности N ЭУ.
2
2.
Увеличение температуры наружного охлаждающего воздуха Т приводит к увеличению выходных сигналов ИУ3, СУ3, УК, плавно управляемого электропривода вентилятора, что приведет к возрастанию частоты вращения вала вентилятора ω и количества подаваемого охлаждающего воздуха G. Это изменение количества подаваемого охлаждающего воздуха G происходит каждый раз при изменении температуры наружного охлаждающего воздуха T
1
2
1
1
2
1
1
1
2
1
Таким образом, изменения мощности N ЭУ или температуры наружного охлаждающего воздуха Т приводят к соответствующим изменениям частоты вращения вала вентилятора ω и количества подаваемого охлаждающего воздуха G при сохранении регулируемой температуры Т на заданном уровне (в соответствии со статическими характеристиками 2 или 3, представленными на фиг. 1), т.е. G (Т, Т, N). Такое комбинированное регулирование температуры Т с использованием дополнительных сигналов управления по мощности N ЭУ и по температуре наружного охлаждающего воздуха Т, которые суммируются с сигналом по регулируемой температуре Т в соответствии с алгоритмом работы регулятора температуры, заложенным в программу работы МПК, обеспечивает точное поддержание ее на заданном уровне без колебаний.
1
р
с
1
2
1
2
С целью обеспечения высокого качества работы системы регулирования температуры Т при любых условиях и режимах работы ЭУ в АМСРТ коэффициент k изменяется автоматически в зависимости от регулирующего воздействия μ (количества подаваемого охлаждающего воздуха G или частоты вращения вала вентилятора ω) с помощью ИУ4 и УК таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования (по замкнутому контуру) k оставался постоянным при любых значениях мощности N ЭУ и температуры наружного охлаждающего воздуха Т (фиг. 6). Таким образом, применение таких функциональных элементов, как ИУ4 и УК позволяет осуществить параметрическую компенсацию действия основных возмущений - мощности N ЭУ и температуры наружного охлаждающего воздуха Т.
Г
Г
Г
Г
1
Г
1
1
Г
1
1
2
1
1
2
1
1
2
Энергетические показатели плавно управляемого электропривода вентилятора зависят от параметров электрических машин - синхронного генератора 16 и асинхронных двигателей 13 и 14, а также от закона изменения напряжения U синхронного генератора. Регулируя напряжение U синхронного генератора, можно улучшить коэффициент мощности и КПД плавно управляемого электропривода при работе с вентиляторной нагрузкой. При этом каждой частоте вращения вала вентилятора будет соответствовать определенное напряжение U синхронного генератора [Сандлер А.С., Каримов Х.Г. Бесконтактный асинхронный регулируемый электропривод // Электричество, 1969, №10. - с. 48-53, с. 50, 51]. Так, например, для рассчитанного агрегата мощностью 20 МВт при U=1730 В и частоте f=100 Гц коэффициент мощности при U=const при S=0,132 равен 0,56, а при S=0,8-0,07. При линейно изменяющемся в зависимости от частоты вращения вала вентилятора напряжении U коэффициент мощности при S=0,132 равен 0,56, а при S=0,8-0,38. [Каримов Х.Г. Бесконтактный регулируемый электропривод. - Ташкент: «Фан», 1982. - 144 с., с. 94-97]. Коэффициент мощности в большой степени зависит от принципа управления инвертором. Кроме обычного симметричного управления с естественной коммутацией вентилей существует еще три возможных принципа управления инвертором: несимметричный, симметричный и комбинированный. Импульсное регулирование выпрямленного тока может рассматриваться как один из способов улучшения коэффициента мощности плавно управляемого электропривода вентилятора. В отличие от указанных выше способов в этом случае функции управления и реализации энергии скольжения асинхронной машины выполняются не одним элементом - инвертором, а разделены между управляемым тиристорным коммутатором и инвертором с минимальным фиксированным углом регулирования. С точки зрения улучшения коэффициента мощности показательным является номинальный режим работы плавно управляемого электропривода вентилятора. Установлено, что величина реактивной мощности Q, потребляемой со вторичной стороны агрегата (вентилятора), весьма незначительна по сравнению с реактивной мощностью Q, потребляемой со стороны статора первого асинхронного двигателя, и полная реактивная мощность, потребляемая агрегатом (вентилятором), Q=Q+Q≈Q. Имеется также принципиальная возможность получения Q=Q+Q=0, т.е. агрегат (вентилятор) потребляет только активную мощность и коэффициент мощности его равен единице [Каримов Х.Г. Бесконтактный регулируемый электропривод.- Ташкент: «Фан», 1982. - 144 с., с. 119-122].
Г
На фиг. 8 представлена функциональная схема автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения синхронного генератора. Так как напряжение U при работе плавно управляемого электропривода изменяется в широких пределах, то система регулирования напряжения может быть построена по принципу разомкнутого управления.
4
5
1
Г
1
ВГ
1
В разработанной автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения синхронного генератора функции ОР выполняет СГ. Внешними возмущающими воздействиями для СГ являются сигналы λ и λ: частота вращения роторов обоих асинхронных двигателей и вала вентилятора ω и частота вращения вала ЭУ ω. Напряжение U является регулируемой величиной ϕ. Ток возбуждения СГ I является регулирующим воздействием μ.
Г
Рациональным способом изменения напряжения U является закон постоянства перегрузочной способности [Каримов X.Г. Бесконтактный регулируемый электропривод. - Ташкент: «Фан», 1982. - 144 с., с. 76], при котором выполняется зависимость
1в
где S - скольжение на верхней части механической характеристики асинхронного двигателя при угле опережения открывания вентилей инвертора β=90°,
1в
Г
Скольжение S=0,132. Расчеты напряжения U удобно выполнять, используя систему относительных единиц.
1
Г
Г
4
В соответствии с этой таблицей построены графики S=(ω) (характеристика 1) и U - (ω) (характеристика 2) на фиг. 9. Характеристика 2 фактически представляет собой статическую характеристику автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения синхронного генератора U по возмущающему воздействию λ - частоте вращения роторов асинхронных двигателей и вентилятора ω.
Г
Г
Рациональный способ изменения напряжения U реализуется с помощью автоматического регулятора напряжения U синхронного генератора. Автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения синхронного генератора содержит, кроме объекта регулирования напряжения (ОРН), следующие функциональные элементы (см. фиг. 8): измерительные устройства ИУ4 (поз. 5) и ИУ5 (поз. 6); устройства умножения (УУ1 и УУ2) (поз. 30 и 33); устройство деления (УД) (поз. 31); сравнивающее устройство СУ6 (поз. 35); задающие устройства ЗУ4 и ЗУ5 (поз. 29 и 32); блок возбуждения синхронного генератора (БВГ) (поз. 26).
Г
Автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения синхронного генератора U работает следующим образом.
Для удобства вычисления и построения статической характеристики системы представим уравнение (1) в ином виде, а именно
1в
1в
или с учетом того, что S=0,132, а (1-S)=0,862, получим
ГН
4
Уравнение (4) обрабатывается вычислительными элементами МПК в следующем порядке (см. фиг. 8). В устройство УУ1 (поз. 30) подаются два сигнала: выходной сигнал устройства ЗУ4 (поз. 29), равный заданному значению U, и выходной сигнал устройства ИУ5, соответствующий значению частоты вращения вала вентилятора ω (возмущающему воздействию λ).
1в
1
5
В устройство УУ2 (поз. 33) подаются два сигнала: выходной сигнал устройства ЗУ5 (поз. 32), равный значению (1-S)=0,862, и выходной сигнал устройства ИУ4, соответствующий значению частоты вращения вала энергетической установки ω (возмущающему воздействию λ).
Выходной сигнал устройства УУ1, равный произведению выходных сигналов устройств ЗУ4 и ИУ4, подается в устройство деления УД (поз. 31), в которое также подается выходной сигнал устройства УУ2, равный произведению выходных сигналов устройств ЗУ5 и ИУ5.
Выходной сигнал устройства УД, равный частному от деления выходного сигнала устройства УУ1 на выходной сигнал устройства УУ2, подается в шестое сравнивающее устройство (СУ6) (поз. 35). Задающие устройства ЗУ4, ЗУ5 и ЗУ6 (поз. 34) в МПК служат для настройки автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения.
1
ГН
Г
4
Выходной сигнал сравнивающего устройства СУ6 подается в блок возбуждения синхронного генератора (поз. 26) и воздействует на ток возбуждения (регулирующее воздействие μ) синхронного генератора, который определяет напряжение генератора U. В результате получается статическая характеристика автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения синхронного генератора U(ω) по частоте вращения роторов асинхронных двигателей и вала вентилятора ω (внешнему возмущающему воздействию λ), представленная на фиг. 9.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения
Предлагаемое изобретение обеспечивает получение следующих видов технического результата. Автоматическая микропроцессорная система регулирования температуры энергетической установки транспортного средства не является статической, поскольку содержит не П-регулятор, а комбинированный регулятор температуры. Она имеет статическую неравномерность, равную нулю или отрицательную. Известно, что только комбинированные системы регулирования температуры имеют большие запасы устойчивости и высокие показатели качества работы. Это значительно повышает экономичность и улучшает показатели надежности энергетической установки и ее системы охлаждения.
Другим видом технического результата от применения предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования температуры энергетической установки транспортного средства является повышенная на 7-9% максимальная частота вращения вала вентилятора. Это приводит к увеличению мощности электропривода вентилятора на 26-32% и к увеличению КПД электропривода на 4-6%.
Следующим видом технического результата от применения предлагаемой автоматической микропроцессорной системы регулирования температуры энергетической установки транспортного средства является отсутствие шести токосъемных колец и двух щеточных аппаратов (как в прототипе), что уменьшает габаритные размеры и массу двухдвигательной установки и повышает ее надежность.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении предлагаемого изобретения, достигается за счет того, что автоматическая микропроцессорная система регулирования температуры энергетической установки транспортного средства, в состав которой входят: энергетическая установка - тепловой двигатель и синхронный генератор, вал которого жестко связан с тепловым двигателем, охлаждающее устройство, насос охлаждающей жидкости, вентилятор, плавно управляемый электропривод вентилятора, микропроцессорный контроллер, в память которого заложена математическая модель автоматической микропроцессорной системы регулирования температуры энергетической установки в статике и динамике, датчик температуры энергетической установки - первое измерительное устройство, датчик мощности энергетической установки - второе измерительное устройство, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха - третье измерительное устройство, датчик частоты вращения вала энергетической установки - четвертое измерительное устройство, датчик частоты вращения вала вентилятора - пятое измерительное устройство, первое, второе, третье, четвертое и пятое сравнивающие устройства, связанные соответственно с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым измерительными устройствами, а также с первым, вторым, третьим, четвертым и пятым задающими устройствами соответственно, устройство коррекции коэффициента передачи регулятора температуры, предназначенное для автоматического изменения коэффициента передачи регулятора температуры таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования оставался бы постоянным в заданном диапазоне изменения мощности энергетической установки, температуры наружного охлаждающего воздуха и частоты вращения вала вентилятора, причем устройство коррекции связано с первым, вторым, третьим сравнивающими устройствами и пятым измерительным устройством, отличается тем, что
- функции плавно управляемого электропривода вентилятора выполняет инвертор с блоком управления, неуправляемый выпрямитель и два асинхронных двигателя с фазными роторами, валы асинхронных двигателей жестко соединены между собой и с валом вентилятора; статорные обмотки первого асинхронного двигателя подключены к статорным обмоткам синхронного генератора и инвертору; статорные обмотки второго асинхронного двигателя подключены к неуправляемому выпрямителю, связанному с инвертором; роторные обмотки обоих асинхронных двигателей соединены между собой с обратной последовательностью следования фаз; регулирование частоты вращения вала вентилятора производится введением добавочной ЭДС в цепь выпрямленного напряжения статорной обмотки второго асинхронного двигателя; величина добавочной ЭДС, определяемой средним значением напряжения инвертора, регулируется изменением угла опережения открывания вентилей инвертора;
- автоматическая микропроцессорная система регулирования температуры энергетической установки транспортного средства дополнительно содержит автоматическую микропроцессорную систему регулирования напряжения синхронного генератора, предназначенную для формирования определенной зависимости напряжения синхронного генератора от частоты вращения валов асинхронных двигателей, позволяющей улучшить коэффициент мощности и КПД плавно управляемого электропривода вентилятора, построенную на основе принципа разомкнутого регулирования, в функциональную схему автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения синхронного генератора входят синхронный генератор, как объект регулирования напряжения, четвертое и пятое измерительные устройства, первое и второе устройства умножения, устройство деления, четвертое, пятое и шестое задающие устройства, шестое сравнивающее устройство и блок возбуждения синхронного генератора; первое устройство умножения связано с четвертым измерительным устройством, четвертым задающим устройством и устройством деления, второе устройство умножения связано с пятым измерительным устройством, третьим задающим устройством и устройством деления, шестое сравнивающее устройство связано с устройством деления, шестым задающим устройством и блоком возбуждения синхронного генератора; в первом устройстве умножения перемножаются выходные сигналы четвертого измерительного устройства и четвертого задающего устройства, во втором устройстве умножения перемножаются выходные сигналы пятого измерительного устройства и пятого задающего устройства, в устройстве деления осуществляется деление выходного сигнала первого устройства умножения на выходной сигнал второго устройства умножения; устройство коррекции, все задающие и сравнивающие устройства, первое и второе устройства умножения, устройство деления являются вычислительными устройствами, входящими в состав микропроцессорного контроллера.
Перечень фигур
Фиг. 1. Статические характеристики автоматических систем регулирования температуры:
а
2мин
2макс
- с П-регулятором при Е; b и c П-регулятором при Т; с и d - с комбинированными регуляторами температуры.
Фиг. 2. Функциональная схема автоматической микропроцессорной системы регулирования температуры энергетической установки.
Фиг. 3. Принципиальная блок-схема автоматической микропроцессорной системы регулирования температуры энергетической установки.
Фиг. 4. Механические характеристики двухдвигательной установки, построенной на базе асинхронного двигателя серии АК52-6 (линии 1-7), и агрегата нагрузки (линия 8) при разных углах опережения открывания вентилей инвертора: 1-90°; 2-85°; 3-78°; 4-66°; 5-55°; 6-38°; 7-30°.
Фиг. 5. Статическая механическая характеристика двухдвигательной установки, построенной на базе асинхронного двигателя серии АК52-6.
ор
р
с
р
с
а
Фиг. 6. Зависимости коэффициентов k, k и k от подачи вентилятора Q при постоянном коэффициенте k () и при постоянном коэффициенте k (б).
1
1мин
1макс
2макс
1макс
1мин
2мин
Фиг. 7. Линии ограничения диапазонов регулирования (статических неравномерностей) (e, f, i и j) и временные переходные характеристики (g, h, l и m) статической (линии е-h) и комбинированной (предлагаемой) (линии i-m) автоматических систем регулирования температуры энергетической установки после изменения мощности N от N до N при температуре наружного охлаждающего воздуха T (линии g и l) и от N до N при Т (линии h и m).
Фиг.8. Функциональная схема автоматической микропроцессорной системы регулирования напряжения синхронного генератора энергетической установки.
Фиг. 9. Зависимости скольжения роторов асинхронных двигателей относительно поля статора первого асинхронного двигателя и напряжения синхронного генератора от частоты вращения роторов и вала вентилятора.
Перечень позиций на фигурах
1 - объект регулирования температуры в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (система охлаждения энергетической установки)
2 - первое измерительное устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства, датчик температуры энергетической установки (регулируемой величины ϕ)
1
3 - второе измерительное устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства, датчик мощности энергетической установки (возмущающего воздействия λ)
2
4 - третье измерительное устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха (возмущающего воздействия λ)
3
5
5 - четвертое измерительное устройство, датчик частоты вращения вала энергетической установки (в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства - возмущающего воздействия λ и в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения синхронного генератора - возмущающего воздействия λ)
4
6 - пятое измерительное устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства, датчик частоты вращения вала вентилятора (возмущающего воздействия λ)
7 - первое сравнивающее устройство
8 - второе сравнивающее устройство
9 - третье сравнивающее устройство
10 - первое задающее устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (по температуре энергетической установки)
11 - второе задающее устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (по мощности энергетической установки)
12 - третье задающее устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (по температуре наружного охлаждающего воздуха)
13 - устройство коррекции коэффициента передачи регулятора по отклонению регулируемой величины от заданного значения в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства
14 - исполнительный механизм в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (плавно управляемый электропривод вентилятора)
15 - регулирующий орган в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (вентилятор)
16 - тепловой двигатель
17 - инвертор
18 - блок управления инвертора
19 - микропроцессорный контроллер
20 - статорная обмотка первого асинхронного двигателя
21 - статорная обмотка второго асинхронного двигателя
22 - первый асинхронный двигатель
23 - второй асинхронный двигатель
24 - неуправляемый выпрямитель
25 - синхронный генератор
26 - блок возбуждения синхронного генератора
27 - насос охлаждающей жидкости
28 - охлаждающее устройство энергетической установки
29 - четвертое задающее устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения (по напряжению синхронного генератора)
30 - первое устройство умножения
31 - устройство деления
32 - пятое задающее устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения (по частоте вращения роторов асинхронных двигателей и вала вентилятора)
33 - второе устройство умножения
34 - шестое задающее устройство в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения
35 - шестое сравнивающее устройство
Перечень обозначений величин
ϕ - регулируемая величина в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (температура энергетической установки)
1
ϕ - регулируемая величина в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения синхронного генератора (напряжение синхронного генератора)
μ - регулирующее воздействие в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (количество подаваемого охлаждающего воздуха)
1
μ - регулирующее воздействие в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения синхронного генератора (напряжение возбуждения синхронного генератора)
1
λ - первое возмущающее воздействие в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (мощность энергетической установки)
2
λ - второе возмущающее воздействие в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (температура наружного охлаждающего воздуха)
3
λ - третье возмущающее воздействие в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (частота вращения вала энергетической установки)
4
λ - четвертое возмущающее воздействие в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения синхронного генератора (частота вращения роторов асинхронных двигателей и вала вентилятора)
5
λ - пятое возмущающее воздействие в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения синхронного генератора (частота вращения вала энергетической установки)
1
η - сигнал задания первого задающего устройства в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (по температуре энергетической установки)
2
η - сигнал задания второго задающего устройства в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (по мощности энергетической установки)
3
η - сигнал задания третьего задающего устройства в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства (по температуре наружного охлаждающего воздуха)
4
η - сигнал задания четвертого задающего устройства в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения синхронного генератора (по напряжению синхронного генератора)
5
η - сигнал задания пятого задающего устройства в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения синхронного генератора (по частоте вращения роторов асинхронных двигателей и вала вентилятора)
6
η - сигнал задания шестого задающего устройства в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения синхронного генератора
рег
τ - время регулирования в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства
4
ω - частота вращения роторов асинхронных двигателей и вала вентилятора (в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения возмущающее воздействие λ)
1
3
5
ω - частота вращения вала энергетической установки (в автоматической микропроцессорной системе регулирования температуры энергетической установки транспортного средства возмущающее воздействие λ и в автоматической микропроцессорной системе регулирования напряжения возмущающее воздействие λ)
1
T - температура энергетической установки (регулируемая величина ϕ)
2
2
T - температура наружного охлаждающего воздуха (возмущающее воздействие λ)
2мин
T - минимальная температура наружного охлаждающего воздуха
2макс
T - максимальная температура наружного охлаждающего воздуха
1
1
N - мощность энергетической установки (возмущающее воздействие λ)
1мин
N - минимальная мощность энергетической установки
1макс
N - максимальная мощность энергетической установки
2
N - затраты энергии на привод вентилятора
G - количество подаваемого охлаждающего воздуха (регулирующее воздействие μ)
М - вращающий момент на валу вентилятора
Г
1
U - напряжение синхронного генератора (регулируемая величина ϕ)
ГН
U - заданное значение напряжения синхронного генератора
ВГ
1
I - ток возбуждения синхронного генератора (регулирующее воздействие μ)
1
S - скольжение роторов асинхронных двигателей относительно поля статора первого асинхронного двигателя
1B
S - скольжение на верхней части механической характеристики асинхронного двигателя
1
Q - реактивная мощность, потребляемая со стороны статора первого асинхронного двигателя
2
Q - реактивная мощность, потребляемая со вторичной стороны агрегата
Q - полная реактивная мощность
с
k - коэффициент передачи системы регулирования (в разомкнутом состоянии)
р
k - коэффициент передачи регулятора по отклонению
ор
k - коэффициент передачи объекта регулирования
ук
k - коэффициент передачи устройства коррекции
1
f - частота
Перечень условных сокращений
АР - автоматический регулятор
АСРТ - автоматическая система регулирования температуры
АМСРТ - автоматическая микропроцессорная система регулирования температуры
АМСРН - автоматическая микропроцессорная система регулирования напряжения
БВГ - блок возбуждения синхронного генератора
ЗУ - задающее устройство
ЗУ1 - первое задающее устройство
ЗУ2 - второе задающее устройство
ЗУ3 - третье задающее устройство
ЗУ4 - четвертое задающее устройство
ЗУ5 - пятое задающее устройство
ЗУ6 - шестое задающее устройство
ИМ - исполнительный механизм
ИРУ - исполнительно-регулирующее устройство
ИУ - измерительное устройство
ИУ1 - первое измерительное устройство, датчик температуры энергетической установки (регулируемой величины ϕ)
1
ИУ2 - второе измерительное устройство, датчик мощности энергетической установки (возмущающего воздействия λ)
2
ИУ3 - третье измерительное устройство, датчик температуры наружного охлаждающего воздуха (возмущающего воздействия λ)
3
5
ИУ4 - четвертое измерительное устройство, датчик частоты вращения вала энергетической установки (возмущающих воздействий λ и λ)
4
ИУ5 - пятое измерительное устройство, датчик частоты вращения вала вентилятора (четвертое возмущающего воздействия λ)
ОР - объект регулирования
ОРТ - объект регулирования температуры
ОРН - объект регулирования напряжения
РО - регулирующий орган
СГ - синхронный генератор
СУ - сравнивающее устройство
СУ1 - первое сравнивающее устройство
СУ2 - второе сравнивающее устройство
СУ3 - третье сравнивающее устройство
СУ4 - четвертое сравнивающее устройство
СУ5 - пятое сравнивающее устройство
СУ6 - шестое сравнивающее устройство
УО - управляющий орган
УД - устройство деления
УУ - устройство умножения
УУ1 - первое устройство умножения
УУ2 - второе устройство умножения
ЭУ - энергетическая установка
Источники информации
1. Сандлер А.С., Каримов X.Г. Бесконтактный асинхронный регулируемый электропривод // Электричество, 1969, №10, - с. 48-53.
2. А.с. №235184 (СССР). Двухдвигательный асинхронный электропривод / А.С. Сандлер А. С., X.Г. Каримов, опубл. в БИ 1969, №5.
3. Каримов X.Г. Исследование мощного регулируемого бесконтактного электропривода с автономным питанием. / Автореферат дисс. к.т.н. - М. 1970. - 20 С.
4. Каримов X.Г. Бесконтактный регулируемый электропривод. - Ташкент: «Фан», 1982. - 144 с.
5. Каримов X.Г. Основы теории и разработка регулируемых бесконтактных электроприводов переменного тока широкой области применения. / Автореферат дисс. д.т.н. - М. 1992. - 40 С.
6. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995. - 271 С.
7. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Маршрут, 2005. - 256 С.
8. Космодамианский А.С. Автоматическое регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов. - М.: Маршрут, 2005, 429 с.
9. Винокуров В.А., Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1986. - 511 с.
10. Луков Н.М., Космодамианский А.С. Автоматические системы управления локомотивов: Учебник для вузов ж.-д. транспорта. - М.: ГОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2007. - 429 с.
11. Теория автоматического управления. Ч. 1. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А. Воронова. -.М: Высш. Школа, 1977. - 303 с.
12. Патент РФ 2426895. Автоматический комбинированный микропроцессорный регулятор температуры энергетической установки транспортного средства / Н.М. Луков, А.С. Космодамианский - опубл. 20.08.2011, Бюл. №23.