Способ упреждающего управления системой охлаждения силового электропривода энергетической установки
METHOD FOR ANTICIPATORY CONTROL OF COOLING SYSTEM OF POWER DRIVE OF POWER PLANT

Изобретение относится к области теплотехники и электротехники. Предпочтительно может быть использовано для управления жидкостной системой охлаждения силового электропривода энергетической установки, включающего инвертор и, по меньшей мере, одну электрическую силовую машину стационарного типа, такого как, например, электродвигатель для привода электрогенератора, вентилятора, нагнетателя и т.п., или мобильного типа, например, транспортного, такого как силовой электропривод энергетической установки электромобиля, или такого как силовой электропривод энергетической установки автомобиля с комплексной энергоустановкой (КЭУ).
Техническим результатом способа упреждающего управления системой охлаждения силового электропривода любой энергетической установки является повышение эффективности и быстродействия за счет упреждающей работы системы охлаждения при понижении энергозатрат на ее работу. Данный результат достигается тем, что в жидкостной системе охлаждения 1 управляют электроприводом насоса 2, обеспечивая циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор 3, через рубашки охлаждения инвертора 5, имеющего датчик тока 6 в цепи постоянного тока, и силового электропривода, например, выполненного в виде, по меньшей мере, одного силового электродвигателя 7, имеющего встроенный датчик 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7, и вентилятором с первым регулируемым электроприводом 4, для чего определяют параметры номинального режима работы системы охлаждения силового электропривода энергетической установки и по их изменению определяют интенсивность и порядок изменения управляющих воздействий на вентилятор и насос, причем электропривод 9 насоса 2 выполняют регулируемым, а сигнал, сформированный датчиком 6 тока, преобразуют квадратичным формирователем 10, при этом сигнал, сформированный датчиком 8 температуры корпуса силового двигателя 7, преобразуют первым пороговым усилителем 11 и/или вторым пороговым усилителем 12 с зоной гистерезиса, также, выходные сигналы, сформированные вторым пороговым усилителем 12 с зоной гистерезиса и квадратичным формирователем 10, суммируют первым сумматором 13 и в зависимости от состояния коммутатора 14, определяемого уровнем сигнала, сформированного первым пороговым усилителем 11, управляют частотой вращения первого регулируемого электропривода 4 вентилятора радиатора 3, а также суммируют вторым сумматором 15 с сигналом задания минимальной производительности насоса 2, задаваемым формирователем минимального сигнала насоса 16, управляют частотой вращения второго регулируемого электропривода 9 насоса 2.
Известен способ охлаждения (Патент Российской Федерации № RU 2569214 С2), при котором для охлаждения электропривода транспортного средства используют термодатчики и регулирующие устройства, способствующие понижению и стабилизации рабочих температур компонентов привода. Осуществляют принудительное циркулирование теплоносителя по замкнутому гидравлическому контуру, объединяющему в систему переноса теплообменные устройства. В качестве теплоносителя используют низкокипящий хладагент, который подают с обеспечением понижения давления в испарители, совмещенные тяговым двигателем и силовым контроллером, обеспечивающим частотное регулирование. Повышают давление хладагента и подают его конденсаторы-радиаторы, сравнивают сигналы, поступающие от термодатчиков, контролирующих температуру компонентов привода и воздушной среды. С помощью системы термостабилизации сравнивают их с оптимальными значениями рабочих температур, регулируют теплообмен в системе, обеспечивая заданные диапазоны рабочих температур.
Недостатком данного способа является сложность схемы реализации и высокий уровень энергопотребления основных элементов системы охлаждения их большие габариты и вес, так как требуется отвод около 10 кВт тепловой энергии, а также высокий уровень энергопотребления системы охлаждения.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является патент RU 2700158 С1, при котором в жидкостной системе охлаждения насосом обеспечивающим циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор с вентилятором с первым регулируемым электроприводом, рубашки охлаждения инвертора, имеющим датчик тока в звене постоянного тока, и тягового электродвигателя со встроенным датчиком температуры корпуса, а частота вращения вентилятора регулируется в зависимости от температуры теплоносителя на выходе из радиатора.
Недостатками способа - прототипа является низкая эффективность охлаждения электродвигателя при больших значениях токов статора по причине запаздывания по времени и относительно медленного понижения температуры перегретой охлаждающей жидкости, учитывая ее большую массу и теплоемкость, вследствие превышенной над оптимальной температурой поверхностей инвертора и тягового электродвигателя при ухудшении теплоотдачи в режиме начинающегося кипения перегретой охлаждающей жидкости и начинающегося кипения на перегретых поверхностях инвертора и тягового электродвигателя или дополнительные потери энергии при постоянно высокой избыточной производительности работы насоса и вентилятора.
Техническим результатом, который обеспечивается изобретением, является повышение эффективности путем ускорения действий упреждающего быстродействия способа работы системы управления системой 1 охлаждения, при котором происходит понижение энергозатрат путем упреждающей интенсификации работы основных элементов системы охлаждения при адекватной оптимизации по времени и по интенсификации работы вентилятора с первым регулируемым электроприводом и насоса со вторым регулируемым электроприводом, соответствующей уровню, близкому к предполагаемому уровню тепловыделений инвертора и силового электродвигателя и их растущую интенсивность планируемой работы в системе охлаждения энергетической установки.
Указанный технический результат обеспечивается тем, что в способе упреждающего управления системой охлаждения силового электропривода энергетической установки, при котором в жидкостной системе охлаждения 1 управляют электроприводом насоса 2, обеспечивая циркуляцию охлаждающей жидкости через радиатор 3, через рубашки охлаждения инвертора 5, имеющего датчик 6 тока в цепи постоянного тока, и, по меньшей мере, одного силового электродвигателя 7, имеющего встроенный датчик 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7, и вентилятором с первым регулируемым электроприводом 4, для чего определяют параметры номинального режима работы системы охлаждения силового электропривода энергетической установки и по их изменению определяют интенсивность и изменение управляющих воздействий на вентилятор и насос, причем второй регулируемый электропривод 9 насоса 2 выполняют регулируемым, а сформированный датчиком тока 6 сигнал, преобразуют квадратичным формирователем 10, при этом сигнал, сформированный датчиком 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7, преобразуют первым пороговым усилителем 11 с первой зоной не чувствительности и вторым пороговым усилителем 12 со второй зоной не чувствительности и с зоной гистерезиса, также, выходные сигналы, сформированные вторым пороговым усилителем 12 с зоной гистерезиса и квадратичным формирователем 10, суммируют первым сумматором 13 и в зависимости от состояния коммутатора 14, определяемого уровнем сигнала, сформированного первым пороговым усилителем 11, управляют частотой вращения первого регулируемого электропривода 4 вентилятора радиатора 3, а также суммируют вторым сумматором 15 с сигналом задания минимальной производительности насоса 2, задаваемым формирователем минимального сигнала насоса 16, управляют частотой вращения второго регулируемого электропривода 9 насоса 2.
На чертеже показана схема системы, реализующая последовательность действий предложенного способа.
Суть последовательности действий предлагаемого способа управления системой охлаждения при работе силового электропривода энергетической установки заключается в следующем.
В жидкостных системах охлаждения энергетической установки, в общем случае, принято контролировать степень нагрева энергетической установки по температуре охлаждающей жидкости. При этом, перегрев силового двигателя опять же фиксируется по температуре охлаждающей жидкости в охладителе. Этот же принцип реализуется и способе, взятом за прототип.
При этом следует отметить, что уровень температуры охлаждающей жидкости в системе охлаждения 1 является следствием, а причина заключается в теплоотдаче в систему охлаждения, пропорциональной количеству потребляемого ДВС любой энергетической установки топлива или номинальной мощности тепловыделения силового электродвигателя 7 энергетической установки, или теплоотдаче в систему охлаждения 1 от силового электропривода энергетической установки, электромобиля или автомобиля с КЭУ, определяющей причиной является квадрат величины потребляемого тока как эквивалент мощности нагрева, как тока потребляемого инвертором, так и тока потребляемого самим силовым электродвигателем. Поэтому, контроль потребляемого силовым электродвигателем тока позволяет с достаточной точностью прогнозировать количество тепла, которое необходимо отвести, обеспечивая при этом оптимальный уровень энергопотребления элементов системы охлаждения, таких как вентилятор 4 радиатора 3 охлаждения и насос 2 подачи охлаждающей жидкости. Из этого положения и вытекает суть предлагаемого способа, которая заключается в определении близкого к мгновенному значению тепловыделения для определения последующего перспективного нагрева энергопотребляющих устройств.
На чертеже показана система управления жидкостной системой охлаждения 1 силового электропривода энергетической установки, реализующая предложенный способ, например, включающего, по меньшей мере, один силовой электродвигатель 7.
Предложенный способ реализуется, например, следующей системой управления жидкостной системой охлаждения 1 силового электропривода электромобиля или гибридного автомобиля с КЭУ.
Система охлаждения силового электропривода энергетической установки включает установленный в жидкостной системе охлаждения 1 насос 2 с электромеханическим приводом, обеспечивающим циркуляцию охлаждающей жидкости по системе 1 охлаждения через радиатор 3, рубашки охлаждения инвертора 5 и силового электродвигателя 7 энергетической установки, вентилятор радиатора 3 с первым регулируемым электроприводом 4, инвертор 5, имеющий датчик 6 тока в цепи постоянного тока, и силовой электродвигатель 7 энергетической установки со встроенным датчиком 8 температуры его корпуса, причем электропривод 9 насоса 2 выполняют регулируемым, а устройство управления системой 1 жидкостного охлаждения силового электропривода энергетической установки в указанной системе охлаждения 1 включает датчик 6 тока силового электродвигателя 7 и инвертора 5 энергетической установки, выход последнего соединен с квадратичным формирователем 10 преобразования тока, выход которого соединен со вторым входом 13b сумматора 13, выход датчика 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7, соединен со входами первого порогового усилителя 11 и второго порогового усилителя 12 с зоной гистерезиса, выход которого соединен с первым входом 13а сумматора 13, выход 13с которого соединен с входом 14b коммутатора 14, выход первого порогового усилителя 11 соединен с управляющим входом 14а коммутатора 14, выход 14с которого соединен со входом первого регулируемого электропривода 4 вентилятора и вторым входом 15b сумматор 15 первый вход 15а которого соединен с формирователем минимального сигнала насоса 16, а выход 15с сумматора 15 соединен со вторым регулируемым электроприводом 9 насоса 2.
Устройство управления системой охлаждения силового электропривода энергетической установки реализующее предложенный способ согласно последовательности действий предлагаемого способа управления системой охлаждения силового электропривода энергетической установки работает следующим образом.
Включение вентилятора системы охлаждения в работу может происходить при заданной минимальной температуре, определяемой датчиком 8 температуры корпуса силового электродвигателя 7, например, 20°С или 40°С, и пороговым усилителем 11, согласно величине его первой зоны не чувствительности, а насос 2 приводится во вращение вторым регулируемым электроприводом 9 со скоростью, задаваемую формирователем 16 минимального сигнала управления насосом 2 и обеспечивающую минимальную требуемую циркуляцию охлаждающей жидкости, начиная с момента включения управления системой охлаждения силового электропривода энергетической установки.
Режим соответствующий, начальному рабочему режиму, то есть режиму включения в работу системы охлаждения для стабилизации температуры силового электродвигателя 7, например, при нагреве корпуса силового электродвигателя 7 до заранее заданной температуры 20-40°С, при котором включается в работу первый регулируемый привод 4 вентилятора и усиливается интенсивность работы насоса 2, которые обеспечивают необходимое охлаждение силового электродвигателя 7 и инвертора 5.
Следующий режим упреждающего управления системой охлаждения инвертора 5 и силового электродвигателя 7 электропривода энергетической установки, например электромобиля, происходит и регулируется по изменению потребляемого ими тока.
Для чего определяют параметры текущего номинального режима работы системы охлаждения силового электропривода электромобиля и далее по их изменению определяют интенсивность и необходимые изменения управляющих воздействий на вентилятор и насос.
Ток, протекающий в звене питания инвертора 5, соответствующий току в обмотках статора силового электродвигателя 7, фиксируется датчиком тока 6, выходной сигнал которого преобразуется квадратичным преобразователем 10 с коэффициентом передами 1.2÷1.5, выбранным разработчиком системы охлаждения и отражающий дополнительные нагревы, например, от потерь в стали силового электродвигателя. Сигнал, сформированный квадратичным преобразователем, пройдя через сумматор 13, коммутируется коммутатором 14, который управляется выходным сигналом первого порогового усилителя 11, формирующим команду в соответствии с уровнем температуры силового электродвигателя в зависимости от требований к минимально допустимой температуре окружающей среды, и фиксируемую датчиком температуры 8. Сигнал с сумматора 13, в случае прохождения через коммутатор 14, задает текущую требуемую частоту вращения первым регулируемым приводом 4 вентилятору радиатора 3 и вторым регулируемым приводом 9 через сумматор 15 насосу 2, обеспечивающими необходимую текущую частоту его вращения, или ее постепенное увеличение, исходя из прогнозирования по приросту тока в соответствии со сравнением с текущей величиной тока статора силового электродвигателя 7 или другого силового агрегата силового электропривода, т.е. с величиной изменения силового момента, типичную прогнозируемую номинальную и/или растущую интенсивность работы системы охлаждения, по параметрам близким к энергии, выделяемой при работе и идущей на нагрев инвертора и силового двигателя.
При возникновении возможных аварийных ситуаций, например, при сильном загрязнении поверхности радиатора 3, или при повреждении контура циркуляции или каких-либо других условиях, когда эффективность системы охлаждения станет недостаточной. При повышении температуры, фиксируемой датчиком 8 предельно максимальной температуры корпуса силового электродвигателя 7, например, +80°С и более, до значения которой простирается вторая зона не чувствительности, и получаемой вследствие различных факторов, в том числе и вследствие повышенной температуры окружающей среды, срабатывает второй пороговый усилитель 12 с зоной гистерезиса и сигнал с его выхода, пройдя через сумматор 13 и коммутатор 14 задает максимальную интенсивность работы вентилятора 3, и через сумматор 15, к насосу 2. Выключение этого режима работы произойдет на стадии возврата к максимальной номинальной штатной температуре, на более низком уровне за счет возвратной зоны гистерезиса, например, при +60°С.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет повысить эффективность системы охлаждения путем повышения теплосъема, опережающего нагрев от повышенного тока силового электродвигателя 7, близкого к энергии, выделяемой при работе и идущей на нагрев инвертора и силового двигателя, и обеспечивает понижение энергозатрат при работе вентилятора и насоса вследствие предупреждения режима экстренного устранения перегрева охлаждающей жидкости в системе охлаждения при ее обычной работе, реагирующей на повышение температуре охлаждающей жидкости.
На основании изложенного можно утверждать следующее.
Поставленная техническая задача решается техническими средствами и может быть использована в предложенном виде в народном хозяйстве, следовательно, предложение соответствует критерию изобретения «промышленная применимость».
Предложение имеет отличия от известного способа работы, следовательно, соответствует критерию изобретения «новизна».
Предложение при выполнении всех известных и новых действий способа позволяет достичь новых, ранее неизвестных технических результатов, следовательно, соответствует критерию изобретения «изобретательский уровень».