Способ управления электродвигателем привода вентилятора системы охлаждения энергоустановки
METHOD OF ELECTRIC POWER PLANT COOLING SYSTEM FAN DRIVE MOTOR CONTROL

Изобретение относится к системам охлаждения энергоустановок технических средств.
Под энергоустановками заявитель понимает любые двигатели, преобразующие энергию окисления топлива в механическую энергию движения (поступательного или вращательного), любые двигатели, преобразующие электрическую энергию в механическую энергию движения, любые генераторы, преобразующие механическую энергию движения в электрическую энергию, любые устройства, преобразующие электрическую или механическую энергию в тепловую энергию, а также электрическую аппаратуру управления упомянутыми выше агрегатами. При этом под техническим средством заявитель понимает любые стационарные или мобильные установки, в том числе транспортные средства, содержащие в своем составе энергоустановку и, по меньшей мере, один электропривод вентилятора ее системы охлаждения.
Из интернет ресурса:
http://www.vazdriver.ru/shema_vklyucheniya_ventilyatora_ohlazhdeniya/shema_vklyucheniya_elektrodvigatelya_ventilyatora, информация просмотрена 23.08.2018, известен способ управления электродвигателем привода вентилятора (далее электродвигатель) системы охлаждения энергоустановки технического средства, заключающийся в опосредованной задатчиком скорости вращения ротора электродвигателя (далее задатчик скорости) подаче полного напряжения борт сети технического средства в электрическую цепь электродвигателя при нагреве энергоустановки до температуры, величина которой равна или превышает регламентируемую величину (порог) включения электродвигателя, и в отключении напряжения борт сети от электрической цепи электродвигателя при понижении температуры энергоустановки до температуры, величина которой равна или меньше регламентируемой величины (порога) отключения электродвигателя.
Для реализации описанного в упомянутом источнике информации способа применен задатчик скорости, образованный двухпозиционным нормально разомкнутым термоконтактным включателем, контакты которого выполнены последовательно расположенным в электрической цепи электродвигателя. Из интернет ресурса: http://autolirika.ru/teoriya/shema-ventilyatora-radiatora.html, информация просмотрена 23.08.2018, известно, что задатчик скорости может быть выполнен образованным нормально разомкнутым термоконтактным включателем и силовым электромагнитным реле с нормально разомкнутыми контактами. В данном случае, релейный элемент реле, через термоконтактный включатель, а контакты реле, через электрическую цепь электродвигателя, выполнены гальванически связанными с источником напряжения борт сети автомобиля. При этом, исходя из многообразия электромагнитных обмоток электродвигателей, схем их взаимного соединения и подключения к источнику (источникам) электрического напряжения (питания), а также конструктивного исполнения электродвигателей, в контексте данного изобретения в качестве обобщающего термина, обозначающего электромагнитную обмотку электродвигателя, применено словосочетание «электрическая цепь».
Реализация данного способа не обеспечивает тепловой стабильности охлаждаемого оборудования.
Из интернет источника, упомянутого в расположенном выше абзаце также известен способ управления электродвигателем системы охлаждения энергоустановки, заключающийся в опосредованной задатчиком скорости:
- подаче пониженного, относительно напряжения борт сети технического средства, напряжения к электрической цепи электродвигателя при нагреве энергоустановки до температуры, величина которой равна или превышает регламентируемое значение первого (низкотемпературного) порога включения электродвигателя,
- в отключении пониженного, относительно напряжения борт сети технического средства, напряжения от электрической цепи электродвигателя при понижении температуры-энергоустановки до температуры, величина которой меньше регламентируемого значения первого порога включения электродвигателя,
или:
- в подаче полного напряжения борт сети технического средства в электрическую цепь электродвигателя при нагреве энергоустановки до температуры, величина которой равна или превышает регламентируемое значение второго (высокотемпературного) порога включения электродвигателя,
- в подаче пониженного, относительно напряжения борт сети технического средства, напряжения в электрическую цепь электродвигателя при охлаждении энергоустановки до температуры, величина которой меньше регламентируемого значения второго (высокотемпературного) порога включения электродвигателя,
в отключении напряжения борт сети от электрической цепи электродвигателя при понижении температуры энергоустановки до температуры, величина которой меньше регламентируемого значения первого (низкотемпературного) порога включения электродвигателя.
В дальнейшем описании вместо термина «пониженное, относительно напряжения бортсети технического средства, напряжение» применены сокращенные словосочетания «пониженное напряжение борт сети» или «пониженное напряжение».
Для реализации цитированного способа применен задатчик скорости, образованный балластным резистором, обеспечивающим питание электродвигателя пониженным напряжением, и нормально разомкнутым трехпозиционным термоконтактным включателем, содержащим, в свою очередь, контакты высокотемпературной и низкотемпературной электрических цепей. При этом контакты низкотемпературной электрической цепи трехпозиционного термоконтактного включателя и балластный резистор выполнены последовательно расположенными относительно электрической цепи электродвигателя, а контакты высокотемпературной электрической цепи трехпозиционного термоконтактного включателя выполнены расположенными с возможностью шунтирования балластного резистора.
К недостаткам данного решения следует отнести пуск электродвигателя при пониженном напряжении питания.
Из интернет ресурса: http://lacetti-gentra.ru/sxemy-1/6j2_5_9.html, информация просмотрена 28.08.2018, известно, что задатчик скорости может быть образован терморезистивным датчиком температуры, электронным блоком управления, балластным резистором, а также первым (малой скорости) и вторым (большой скорости) силовыми электромагнитными реле с нормально разомкнутыми контактами. В данном случае релейные элементы первого и второго реле, а равно и терморезистивный датчик температуры выполнены гальванически связанными с соответствующими выводами электронного блока управления. При этом контакты первого реле и балластный резистор выполнены последовательно расположенными относительно электрической цепи электродвигателя, а контакты второго реле выполнены расположенными с возможностью шунтирования балластного резистора и контактов первого реле.
К недостаткам данного решения также следует отнести пуск электродвигателя при пониженном напряжении питания.
Из интернет источника, упомянутого в расположенном выше абзаце, известен способ управления двумя электродвигателями, а именно - электродвигателем вентилятора охлаждения основной энергоустановки (основного вентилятора) и электродвигателем вентилятора охлаждения вспомогательной энергоустановки (кондиционера), заключающийся в опосредованной задатчиком скорости:
- подаче пониженного напряжения в электрические цепи электродвигателей основного вентилятора и вентилятора кондиционера при нагреве основной энергоустановки до температуры, величина которой равна или превышает регламентируемое значение первого (низкотемпературного) порога включения электродвигателей,
- в отключении пониженного напряжения от электрических цепей электродвигателей при охлаждении энергоустановки до температуры, величина которой меньше регламентируемого значения первого порога включения электродвигателей,
или:
- в подаче полного напряжения борт сети технического средства к электрическим цепям электродвигателей основного вентилятора и вентилятора кондиционера при нагреве основной энергоустановки до температуры, величина которой равна или превышает регламентируемое значение второго (высокотемпературного) порога включения электродвигателей или при включении вспомогательной энергоустановки.
При реализации данного способа задатчик скорости обеспечивает питание электрических цепей электродвигателей пониженным напряжением посредством их последовательного подключения к борт сети технического средства, а питание полным напряжением посредством их параллельного подключения к борт сети.
К недостаткам данного решения следует отнести пуск электродвигателей при пониженном напряжении питания.
При движении транспортных средств по глубокому снегу (относится к наземному транспорту) или во время метели (касается любых технических средств) возможно попадание снега под крыльчатки вентиляторов систем охлаждения энергоустановок. Попавший под крыльчатки снег, под воздействием генерируемого или накопленного энергоустановкой (энергоустановками) тепла тает, а по мере остывания последней (последних) замерзает, что может вызвать прихватывание крыльчатки (крыльчаток) вентилятора(ов). Последующее включение вентилятора(ов) в таком состоянии может вызвать перегрев электродвигателя(ей) вплоть до возгорания. В случае наличия на техническом средстве двух вентиляторов наибольшую опасность представляет случай заклинивания обоих моторов.
Из патента RU 2193270, МПК H02K 15/00, G01R 31/34, публ. 27.02.2002, известен способ выявления неисправности электрического двигателя, заключающийся в запуске электродвигателя, осуществляемом подключением его электрической цепи к источнику электрического напряжения (питания), в последующем периодическом отключении питающего напряжения от электрической цепи электродвигателя и контроле ЭДС, генерируемой в электрической цепи, при вращении ротора электродвигателя по инерции. При этом по величине зарегистрированной ЭДС выявляют неисправность электрического двигателя, степень его нагруженности и принимают решение о возможности дальнейшей эксплуатации; при наличии неисправности производят отключение электрической цепи электродвигателя от питающего напряжения.
Применительно к системам охлаждения энергоустановок технических средств, работающих, как правило, с переменной нагрузкой, данный способ управления электродвигателем не обеспечивает температурной стабильности охлаждаемого оборудования.
Из книги Р.А. Лунина, А.Н. Наумова «Авиационное и радиоэлектронное оборудование самолета ЯК-18Т», издание второе, М. «Транспорт», 1982, интернет ресурс - http://voennizdat.com/downloadbook.php?id=556, просмотрен 25.10.2018, известен способ управления электродвигателем привода стеклоочистителя, заключающийся в опосредованном задатчиком скорости запуске электродвигателя, осуществляемом, при температуре окружающего воздуха от плюс 30°С до минус 20°С, подачей в электрическую цепь электродвигателя полного напряжения борт сети технического средства (Vсети) на время не более 5 сек, в последующей подаче первого пониженного (V1) или второго пониженного (V2), относительно полного напряжения борт сети (Vсети), напряжения, где Vсети>V1>V2, величина первой (V1) и второй (V2) амплитуд которого выбирается пилотом из двух пред заданных задатчиком скорости значений в зависимости от требуемой производительности стеклоочистителя. Данный способ управления реализуется посредством задатчика скорости, образованного соответствующими органами управления и оборудованием самолета (коммутационной аппаратурой и балластными резисторами, обеспечивающими питание электродвигателя пониженным напряжением двух различных амплитуд), и действиями пилота. При этом цитируемый способ характеризуется следующими ограничениями:
- при температуре окружающего воздуха выше плюс 30°С разрешен пуск электродвигателя, осуществляемый подачей в его электрическую цепь пониженного напряжения любой из амплитуд, регламентируемых задатчиком скорости.
1
- при температуре окружающего воздуха ниже минус 20°С запуск электродвигателя должен быть осуществлен посредством подачи в его электрическую цепь полного напряжения борт сети (Vсети) на время не более 30 сек с последующей подачей первого пониженного (V) напряжения. Под борт сетью, в данном случае, понимается контекстуальная электрическая сеть, питающая упоминаемый электродвигатель.
Крайний способ управления обеспечивает отрыв примерзшей щетки от очищаемой щеткой поверхности, но требует визуального контроля и периодического вмешательства человека в работу электропривода. Способ не обеспечивает контроля работоспособности электродвигателя в контексте его применения в составе систем охлаждения энергоустановок, размещаемых, как правило, в недоступных для визуального наблюдения зонах технических средств. Тем не менее, данный способ управления электроприводом принят в качестве прототипа.
Приняв во внимание, что электродвигатели, вернее роторы электродвигателей, являются объектом управления, а также обобщая конструктивные особенности упомянутых выше задатчиков скорости, в составе последних можно выделить субъект управления и интерфейс (пуско-регулирующе-ограничивающее устройство). Где, под субъектом управления можно понимать и термочувствительный элемент терморезистивного датчика или термоконтактного включателя (переключателя), посредством которых оцениваются температура охлаждаемого оборудования (на фиг. 1…3 обозначен как датчик температуры объекта), необходимость и степень охлаждающего воздействия, и упомянутые в прототипе действия человека, и датчик температуры окружающей среды (см. Фиг. 1…3), и многое иное, а под интерфейсом следует понимать, по отдельности и в любой совокупности взятые и реле, и коммутационную аппаратуру, в том числе контакты термоконтактного включателя (переключателя), и электронный блок управления (на Фиг. 1…3 обозначен аббревиатурой ЭБУ), в частности его полупроводниковый выходной элемент (см. Фиг. 3), а также балластные резисторы или электрические цепи электродвигателей, в случае их последовательного подключения к электрической бортсети энергоустановки.
Для понимания сути заявляемого следует помнить, что электрическая цепь электродвигателя (без учета обмотки возбуждения), в случае вращения его ротора, может быть представлена как последовательная электрическая цепь, состоящая из источника ЭДС и активно-индуктивного сопротивления, а для случая остановленного ротора, в случае питания постоянным током (вид тока) и после завершения переходных процессов, - как активно сопротивление.
Задачей изобретения было создание способа управления электродвигателем, обеспечивающего применение электродвигателя в качестве привода вентилятора системы охлаждения энергоустановки, температурную стабильность охлаждаемого оборудования, а также повышенную живучесть энергоустановки.
Поставленная задача решается в способе управления электродвигателем, заключающемся в пуске электродвигателя, осуществляемом путем подачи через интерфейс задатчика скорости в электрическую цепь электродвигателя полного напряжения борт сети энергоустановки в пределах ограниченного регламентом временного периода, и в последующей подаче через интерфейс задатчика скорости пониженного напряжения, величина амплитуды которого меньше величины амплитуды полного напряжения борт сети.
Задача решается тем, что:
- Величину регламентированного периода времени устанавливают равной интервалу времени, в течение которого происходит стабилизация амплитуды изменяющегося тока в электрической цепи электродвигателя до уровня, характерного для установившегося режима работы электродвигателя при заданных режиме питания и температуре.
- Подачу в электрическую цепь электродвигателя пониженного напряжения также осуществляют в течение регламентированного периода времени, после чего производят измерения амплитуды напряжения борт сети и среднего значения амплитуды напряжения, приложенного к электрической цепи электродвигателя, затем сравнивают измеренные амплитуды напряжений с их пред заданными (предустановленными) значениями.
- В случае отсутствия расхождения между измеренными и пред заданными значениями амплитуд напряжений, в зависимости от состояния субъекта управления задатчика скорости, осуществляют или пролонгацию подачи в электрическую цепь электродвигателя пониженного напряжения достигнутой на предыдущем этапе амплитуды, или осуществляют ее дальнейшее понижение, или переводят электродвигатель на питание полным напряжением борт сети.
- В случае выявления расхождения между измеренными и пред заданными значениями амплитуд напряжений осуществляют сравнительную, относительно пред заданных значений, оценку критичности расхождений и в зависимости от полученной оценки либо выполняют включение индикатора неисправности электродвигателя, либо выполняют включение индикатора неисправности и осуществляют обесточивание электродвигателя.
Задача также может решаться тем, что в случае питания электрической цепи электродвигателя пониженным напряжением, амплитуда которого может плавно или ступенчато изменяться в регламентированном интервале значений в зависимости от состояния субъекта управления задатчика скорости, одно из значений амплитуд напряжений данного интервала принимают в качестве реперного (контрольного) и используют в процессе контроля работоспособности электродвигателя.
Изобретение сопровождается рисунками, иллюстрирующими заявляемый способ управления:
Фиг. 1, где показан вариант структурной электрической схемы, реализующий подачу к электрической цепи электродвигателя или полного напряжения борт сети, или пониженного напряжения, амплитуда которого зависит от величины предустановленного балластного резистора R, а также обеспечивающий измерение амплитуды напряжения борт сети и среднего значения амплитуды напряжения, приложенного к электрической цепи электродвигателя в установившемся режиме его работы при пониженном напряжении.
Фиг. 2, где показан вариант структурной электрической схемы, реализующий подачу к электрической цепи электродвигателя или полного напряжения борт сети, или пониженного напряжения, амплитуда которого равна половине напряжения борт сети, а также обеспечивающий измерение амплитуды напряжения борт сети и среднего значения амплитуды напряжения, приложенного к электрической цепи электродвигателя в установившемся режиме его работы при пониженном напряжении.
Фиг. 3, где показан вариант структурной электрической схемы, реализующий подачу к электрической цепи электродвигателя напряжения, амплитуда которого может изменяться в диапазоне от некоторого минимального значения, обеспечивающего вращение ротора с минимальной частотой (скоростью), до полного напряжения борт сети, а также обеспечивающий измерение амплитуды напряжения борт сети и среднего значения амплитуды напряжения, приложенного к электрической цепи электродвигателя в установившемся режиме его работы при пониженном, до величины реперного, напряжении.
Структурные схемы Фиг. 1…3 выполнены с применением известных специалистам условных графических изображений, при этом стрелки, направленные в сторону ЭБУ, обозначают входные сигналы, а стрелки, исходящие от ЭБУ, обозначают выходные сигналы.
Изобретение может быть реализовано в устройстве, см. Фиг. 1…3, содержащем объект управления - электрическая цепь одного или, как вариант, двух электродвигателей, и задатчик скорости вращения ротора (роторов) электродвигателя (электродвигателей), включающий в себя интерфейс, а также субъект управления - датчик температуры охлаждаемого объекта и датчик температуры окружающей среды, в которой расположен охлаждаемый объект.. Интерфейс задатчика скорости, в различных вариантах, может содержать:
- ЭБУ, реле и балластный резистор, выполненные с возможностью подключения электрической цепи электродвигателя непосредственно или через балластный резистор к борт сети энергоустановки. Данный вариант проиллюстрирован на Фиг. 1.
- ЭБУ, реле и электрические цепи электродвигателей, выполненные с возможностью их параллельного или последовательного подключения к борт сети энергоустановки. Цитируемый вариант проиллюстрирован на Фиг. 2.
- ЭБУ, содержащий силовой полупроводниковый элемент, показан вынесенным за пределы электронного блока управления, выполненный с возможностью последовательного, с электрической цепью электродвигателя, подключения к борт сети энергоустановки. Последний вариант проиллюстрирован на Фиг. 3.
При этом датчики субъекта управления, во всех выше показанных вариантах, выполнены гальванически связанными с электронным блоком управления. Изобретение может быть реализовано следующим образом: 1. Пуск электродвигателя (или электродвигателей, далее электродвигателя) осуществляют подачей в электрическую цепь электродвигателя через интерфейс задатчика скорости полного напряжения борт сети энергоустановки. Подачу полного напряжения борт сети в электрическую цепь электродвигателя осуществляют в пределах интервала времени, в течение которого происходит стабилизация амплитуды изменяющегося тока, протекающего в электрической цепи электродвигателя, и его снижение до уровня, характерного для установившегося режима работы электродвигателя при заданных режиме питания и температуре окружающей среды. Интервалы времени выхода электродвигателя на установившийся режим при нормальной работе электродвигателя в случае питания его электрической цепи полным напряжением борт сети при различной температуре окружающей среды заданы предустановленными данными, занесенными в память ЭБУ. Момент запуска электродвигателя задан параметрами датчика температуры охлаждаемого объекта. Корректировка величины интервала времени, в течение которого осуществляется подача в электрическую цепь электродвигателя полного напряжения борт сети, осуществляется ЭБУ в зависимости от параметров датчика температуры окружающей среды.
2. После завершения периода времени, в течение которого происходит выход электродвигателя на установившийся режим при питании его электрической цепи полным напряжением борт сети, электрическую цепь электродвигателя переводят на питание пониженным, относительно напряжения борт сети, напряжением. Подачу пониженного напряжения борт сети в электрическую цепь электродвигателя осуществляют также в пределах интервала времени, в течение которого происходит стабилизация амплитуды изменяющегося тока, протекающего в электрической цепи электродвигателя, и его снижение до уровня, характерного для установившегося режима работы электродвигателя при заданных режиме питания и температуре окружающей среды. Интервалы времени выхода электродвигателя на установившийся режим при нормальной работе электродвигателя в случае питания его электрической цепи пониженным напряжением борт сети при различной температуре окружающей среды также заданы предустановленными данными, занесенными в память ЭБУ. Корректировка величины интервала времени, в течение которого осуществляется подача в электрическую цепь электродвигателя пониженного напряжения борт сети, осуществляется ЭБУ в зависимости от параметров датчика температуры окружающей среды.
3. После завершения периода времени, в течение которого происходит переход электродвигателя на установившийся режим при питании его электрической цепи пониженным напряжением, производят измерения амплитуды напряжения борт сети и среднего значения амплитуды напряжения, приложенного к электрической цепи электродвигателя, затем сравнивают измеренные амплитуды напряжений с их пред заданными значениями, заблаговременно (в процессе изготовления и настройки ЭБУ) занесенными в память ЭБУ.
3.1 В случае отсутствия расхождения между измеренными и пред заданными значениями амплитуд напряжений, в зависимости от параметров датчика температуры охлаждаемого объекта (составная часть субъекта управления) осуществляют или пролонгацию подачи в электрическую цепь электродвигателя пониженного напряжения или переводят электродвигатель на питание полным напряжением борт сети - проиллюстрировано на Фиг. 1…2. При этом, как показано на Фиг. 3, может быть также осуществлен перевод электрической цепи электродвигателя на питание напряжением, амплитуда которого меньше амплитуды напряжения, подаваемого в электрическую цепь электродвигателя на предшествующем измерению этапе.
3.2 В случае выявления расхождения между измеренными и пред заданными значениями амплитуд напряжений осуществляют сравнительную, относительно пред заданных значений, оценку критичности расхождений и в зависимости от полученной оценки либо выполняют включение индикатора неисправности электродвигателя, либо выполняют включение индикатора неисправности и осуществляют обесточивание электродвигателя.
4. В случае реализации возможности питания электрической цепи электродвигателя пониженным напряжением, амплитуда которого может плавно или ступенчато варьироваться в регламентированном интервале значений в зависимости от параметров датчика температуры охлаждаемого объекта (составная часть субъекта управления), одно из значений амплитуд напряжений данного интервала принимают в качестве реперного (контрольного) и используют в процессе контроля работоспособности электродвигателя.
Заявленный способ управления электродвигателем обеспечивает пуск электродвигателя при максимальном крутящем моменте и температурную стабильность охлаждаемого оборудования, предотвращает перегрев электродвигателя в случае защемления (прихвата/примораживания) крыльчатки вентилятора, что делает возможным применение данного способа для управления электродвигателем привода вентилятора системы охлаждения энергоустановки.