УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА

УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА


RU (11) 2177669 (13) C2

(51) 7 H02K9/04 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 07.12.2007 - может прекратить свое действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 2000105953/09 
(22) Дата подачи заявки: 2000.03.14 
(24) Дата начала отсчета срока действия патента: 2000.03.14 
(45) Опубликовано: 2001.12.27 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: RU 21211209 C1, 27.10.1998. SU 1584040 A1, 07.08.1990. US 5160881 А, 03.11.1992. DE 3925793 A1, 07.02.1991. ЕР 0086844 A1, 31.08.1983. 
(71) Заявитель(и): Российский государственный открытый технический университет путей сообщения 
(72) Автор(ы): Космодамианский А.С.; Луков Н.М.; Попов В.М. 
(73) Патентообладатель(и): Российский государственный открытый технический университет путей сообщения 
Адрес для переписки: 125808, Москва, ул. Часовая, 22/2, РГОТУПС, проректору по научной работе, проф. В.И.Апатцеву 

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОМАТИЧЕСКОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ ОБМОТОК ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА 

Изобретение относится к области электромашиностроения, а именно к автоматическим системам контроля и регулирования температуры, а также защиты от перегрева электрических машин. Технический результат, заключающийся в обеспечении поддержания в заданных пределах максимальных значений температуры обмоток электрической машины, достигается тем, что в блок вычисления электрической машины введены блок, содержащий математическую модель электрической машины как теплового объекта, причем на входы блока, содержащего математическую модель, подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины, частоты вращения вала электрической машины, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающей среды, а также воздействие, корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок коррекции, в котором проводят сравнение рассчитанных и измеренных значений средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов, причем на вход блока коррекции подают с выхода блока, содержащего математическую модель, рассчитанные значения средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов, с выхода блока измерений - измеренные значения средней температуры этих обмоток, а с выхода блока коррекции подают на вход блока, содержащего математическую модель, воздействие, корректирующее процесс вычисления в этом блоке значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок сравнения, в котором проводят сравнение рассчитанных значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов с заданными значениями и вырабатывают сигналы рассогласования, представляющие собой разность рассчитанных и заданных значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, причем на входы блока сравнения подают рассчитанные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов с выхода блока, содержащего математическую модель, а также заданные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок формирования сигнала управляющего воздействия, который подается с выхода этого блока на вход управляемого привода вентилятора в системе охлаждения электрической машины, причем на входы блока формирования подают сигналы рассогласования с выхода блока сравнения, сигнал о переводе устройства в аварийный режим работы с выхода блока коррекции, а также сигналы с выходов блока расчета величины мощности электрической машины и датчиков тока электрической машины и температуры охлаждающей среды. 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к электромашиностроению, в частности к автоматическим системам контроля и регулирования температуры, а также защиты от перегрева электрических машин, например тяговых электрических машин локомотивов.

Известно электронное моделирующее устройство [1], по величине выходного сигнала которого автоматически ступенями изменяется подача мотор-вентиляторов в системе охлаждения тяговых электродвигателей электровозов. В основу его работы положена аналогия между динамическими процессами нагревания и остывания якорных обмоток электрических машин и процессами заряда и разряда конденсатора в R-C цепи. Недостатками системы, содержащей это устройство, является то, что вследствие ее разомкнутости (если рассматривать ее как автоматическую систему регулирования температуры, на вход исполнительно-регулирующего устройства подается выходной сигнал электронной модели, а не измеренное значение температуры обмоток тяговых электродвигателей), система имеет большую статическую неравномерность и повышенные затраты электроэнергии на функционирование.

Известна тяговая электрическая машина постоянного тока [2], содержащая якорь с обмоткой, магнитную систему с обмотками возбуждения и добавочных полюсов, датчик температуры охлаждающей среды, датчик падения напряжения на обмотке добавочных полюсов, датчик тока, блоки, выполняющие операции деления сигнала датчика падения напряжения на сигнал датчика тока и умножения сигналов этих датчиков, блок, выполняющий операцию суммирования сигналов от электрических датчиков и датчика температуры, электропривод вентилятора охлаждения.

Недостатком данного устройства является то, что при отключении напряжения питания тяговой электрической машины выходные сигналы блоков, выполняющих операции деления сигнала датчика падения напряжения на сигнал датчика тока и умножения этих сигналов, будут равны нулю и на вход блока суммирования подают только сигнал с датчика температуры охлаждающей среды, что автоматически приведет к уменьшению количества подаваемой охлаждающей среды. При этом количество охлаждающей среды может не соответствовать тому количеству теплоты, которое необходимо отводить от электрической машины для поддержания температуры ее обмоток в заданных пределах.

Известно также устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины [3], содержащее вентилятор с управляемым приводом, датчики напряжения и тока электрической машины, датчик падения напряжения на контролируемой обмотке, датчик частоты вращения вала вентилятора, датчик температуры охлаждающего агента, блоки деления и умножения сигналов датчиков напряжения и тока электрической машины, блок вычисления средней температуры обмотки по измеренному значению ее сопротивления в горячем состоянии и коррекции управляющего сигнала по току, мощности электрической машины и температуре охлаждающего агента, блок вычислений, содержащий математическую модель функционирования автоматической системы регулирования температуры электрической машины, позволяющую расчетным путем определять значения температуры контролируемой обмотки при отключении напряжения питания электрической машины по измеренному значению средней температуры обмотки на момент отключения напряжения, количеству и температуре охлаждающего агента, а также блок перехода, подающий команду на передачу функций регулирования либо блоку вычисления средней температуры обмотки в том случае, если напряжение на зажимах электрической машины не равно нулю, либо блоку вычислений, содержащему математическую модель, позволяющую расчетным путем определять значения температуры обмотки при отключении напряжения питания электрической машины (в этом случае напряжение на зажимах электрической машины равно нулю). Устройство позволяет автоматически поддерживать в заданных пределах среднюю температуру контролируемой обмотки независимо от изменения условий и режимов работы электрической машины.

Недостатком данного устройства является то, что при этом средняя температура других обмоток электрической машины, в том числе и вращающейся якорной обмотки, может изменяться при изменении тока и мощности электрической машины.

Известна математическая модель системы охлаждения тяговых электрических машин локомотивов как объекта регулирования температуры [4]. Система охлаждения рассматривается здесь с позиций теории автоматического регулирования как элемент автоматической системы регулирования температуры. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений, составленную на основании уравнений теплового баланса, описывающую процессы изменения средней температуры обмотки одного добавочного полюса в зависимости от регулирующего (подача охлаждающей среды) и возмущающих (напряжение, ток электрической машины, температура охлаждающей среды) воздействий.

Известно также, что в процессе эксплуатации тяговых электрических машин значения максимальной локальной температуры обмоток могут существенно превышать их средние значения [5, 6], и выходить за рамки установленных ГОСТ предельно допустимых по нагреванию значений температуры обмоток [7].

Предлагаемое устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока 1 (см. фиг. 1) содержит канал 2 для охлаждающей среды; вентилятор 3 с управляемым приводом 4; датчик 5 температуры вз охлаждающей среды с преобразователем 6; датчики 7 и 8 падения напряжения Uгп и Uдп соответственно на обмотках главных 9 и добавочных 10 полюсов электрической машины; датчик 11 частоты вращения nд вала электрической машины; датчик 12 тока Iд и датчик 13 напряжения Uд на зажимах электрической машины; датчик 14 частоты вращения nв вала вентилятора, пропорциональной подаче Gвз вентилятора; блоки 15 и 16 расчета значений омического сопротивления в горячем состоянии Rгп г и Rдп г соответственно обмоток главных и добавочных полюсов, причем на вход блока 15 подают выходные сигналы преобразователей 7 и 12, а на вход блока 16 подают выходные сигналы преобразователей 8 и 12; блок 17 расчета (измерений БИ) значений средней температуры обмоток главных (Тгп ср)и и добавочных (Тдп ср)и полюсов (являющихся измеренными значениями температуры этих обмоток в соответствии с правилами измерения температуры обмоток электрических машин стандартным методом сопротивления [8] ), причем на вход блока 17 подают выходные сигналы блоков 15 и 16, в блок 17 вводят также значения сопротивления обмоток главных Rгп х и добавочных Rдп х полюсов в холодном состоянии; блок 18 расчета величины мощности Рд электрической машины, причем на вход блока 18 подают выходные сигналы преобразователей 12 и 13; блок 19 вычислений, содержащий математическую модель [7] тяговой электрической машины как теплового объекта, позволяющую определять нестационарное поле распределения температур в ней как едином тепловом объекте при работе в энергетической цепи локомотива в реальных условиях эксплуатации и расчетным путем определять значения максимальной локальной температуры вращающейся якорной обмотки Тя з, обмоток главных Тгп р и добавочных Тдп р полюсов тяговой электрической машины в зависимости от регулирующего (подача охлаждающей среды Gвз и возмущающих (напряжение Uд, ток Iд электрической машины, частота nд вращения вала электрической машины и температура Твз охлаждающей среды) воздействий, причем на вход блока 19 подают выходные сигналы преобразователей 6, 11, 12, 13, 14, 17 и 18, в блок 19 вводят также заданные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки Тя з, обмоток главных Тгп з и добавочных Тдп з полюсов тяговой электрической машины; монитор М (поз. 20) для визуального представления информации.

Устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока работает следующим образом. Предварительно в ячейки памяти ЭВМ вводят информацию о значениях Rгп х, Rдп х, Тя з, Тгп з и Тдп з для данного типа электрической машины. В соответствии с заложенной программой в ЭВМ вводят сигналы с измерительных преобразователей 6, 7, 8, 11, 12, 13 и 14. В блоке 19 (фиг. 1), содержащем математическую модель MM тяговой электрической машины как теплового объекта (поз. 21 на фиг. 2), производят расчетное определение значений Тя з, Тгп р, Тдп р, а также значений средней температуры обмоток главных (Тгп ср)р и добавочных (Тдп ср)р полюсов по измеренным значениям Твз, nд, Iд, Uд и nв. В блоках 15 и 16 по измеренным значениям Uгп, Uдп и Iд рассчитывают значения Rгп г и Rдп г. В блоке 17 рассчитывают значения (Тгп ср)и и (Тдп ср)и, являющиеся измеренными значениями средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов электрической машины, информацию о них выводят на монитор 20 и вводят также в блок коррекции БК (поз. 23 на рис. 2) блока БВ. В блоке 23 проводят сравнение расчитанных и измеренных значений средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов.

Если расхождение в результатах расчетов и измерений находится в допустимых пределах, с блока 23 подают на вход блока 21 воздействие , корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры обмоток якорной Тя р, главных Тгп р и добавочных Тдп р, полюсов. Далее в блоке сравнения БС (поз. 22) проводят сравнение рассчитанных значений Тя р, Тгп р и Тдп р с заданными значениями Тя з, Тгп з и Тдп з и вырабатывают сигналы рассогласования, представляющие собой разность между рассчитанными и заданными значениями максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов: (Тя р-Тя з), (Тгп р-Тгп з) и (Тдп р-Тдп з). При нагревании обмоток электрической машины, если (Тя р-Тя з) 0, (Тдп р - Тгп з) 0 и (Тдп р-Тдп з) 0, то цикл расчетного определения величин Тя р, Тгп р и Тдп р повторяют, причем расчет проводят при новых измеренных значениях Твз, nд, Iд, Uд и nв. Если какой-либо из сигналов рассогласования (Тя р-Тя з) > 0, (Тгп р -Тгп з) > 0 или (Тдп р - Тдп з) > 0, то его подают на вход блока формирования БФ сигнала управляющего воздействия (поз. 24), где сигнал корректируют по величине возмущающих воздействий Рд, Iд и Твз.

С выхода блока 24 подают сигнал управляющего воздействия на вход управляемого привода 4 (фиг. 1) вентилятора охлаждения. Если при дальнейшем нагревании обмоток электрической машины сигнал рассогласования увеличивается, то соответственно увеличивается и подача вентилятора, в результате чего регулируемая величина Тя р, Тгп р, или Тдп р поддерживается в заданных пределах. Значения Тя р, Тгп р и Тдп р выводятся на монитор 20. Если условие (Тя р-Тя з) > 0 выполняется, и при этом выполняется одно из условий (Тгп р-Тгп з) > 0 или (Тдп р-Тдп з) > 0, то на вход блока 24 подают сигнал рассогласования (Тя р-Тя з), поскольку наименьший ресурс по тепловому фактору имеет изоляция якорной обмотки [7]. Если (Тя р - Тя з) 0, но при этом одновременно выполняются условия (Тгп р-Тгп з) > 0 и (Тдп р-Тдп з) > 0, то на вход блока 24 подают максимальный по величине сигнал. Оптимальный подход к выбору заданных значений Тя з, Тгп з и Тдп з должен обеспечить наибольший ресурс изоляционных материалов обмоток, определяющий в основном долговечность электрической машины, при минимуме расхода электроэнергии (или расхода топлива) на функционирование устройства для автоматического регулирования температуры обмоток.

Если расхождение в результатах расчетов и измерений значений средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов электрической машины превышает допустимые пределы, в случае возможных сбоев при выполнении программы функционирования устройства, выходе из строя системы измерения параметров или по другим причинам, то с выхода блока 23 подают сигнал о переводе устройства в аварийный режим работы на вход блока 24, далее с выхода блока 24 подают сигнал управляющего воздействия на увеличение подачи вентилятора до максимального значения. Одновременно выводят информацию о переводе устройства в аварийный режим работы, сбоях или возникших неисправностях и их причинах на монитор 20.

При движении локомотива на выбеге, когда измеряемые параметры Uд=0 и Iд= 0, величины Тя р, Тгп р и Тдп р определяют расчетным путем в блоке 21, содержащем математическую модель, по последним значениям Тя р, Тгп р и Тдп р на момент отключения напряжения питания электрической машины и измеренным значениям Твз, nд и nв, далее сравнивают в блоке 22 рассчитанные значения Тя р, Тгп р и Тдп р с заданными Тя з, Тгп з и Тдп з. При уменьшении сигналов рассогласования (Тя р - Тя з), (Тгп р - Тгп з) и (Тдп р - Тдп з) подают с выхода блока 24 сигнал у на вход управляемого привода вентилятора на уменьшение подачи вентилятора, и далее, при полном выполнении условий (Тя р-Тя з) 0, (Тгп р - Тгп з) 0 и (Тдп р - Тдп з) 0, на остановку вентилятора охлаждения и прекращение подачи охлаждающей среды.

Таким образом, предлагаемое устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрических машин обеспечивает поддержание в заданных пределах максимальных значений температуры ее обмоток независимо от условий и режимов работы электрической машины в процессе эксплуатации, позволяет защитить ее от перегрева обмоток, обеспечить качественные устойчивые процессы регулирования температуры, повысить долговечность электрической машины при минимальных затратах электроэнергии (расхода топлива) на функционирование системы охлаждения.

Источники информации

1. Рахманинов В.И. Исследование автоматизации и эффективности применения средств экономии электроэнергии на электровозах: Автореферат дис. канд. техн. наук. - М., 1977. - 18 с.

2. Авторское свидетельство 1584040 (СССР). Тяговая электрическая машина постоянного тока/ Луков Н.М., Логинова Е.Ю., Попов В.М., Кравцов А.И., Доронин Ю.И., Макаренков А.И. - Опубл. в БИ N 29, 1990, кл. Н 02 К 9/04, 00.

3. Патент РФ 2121209. МКИ Н 02 К 9/04. Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины/ А.С.Космодамианский, Н.М.Луков. N 97102016/09; заявл. 11.02.97. Опубл. 27.10.98, Бюл. N 30, 1998.

4. Математическая модель системы охлаждения тяговых электрических машин локомотивов как объекта регулирования температуры. Луков Н.М, Попов В.М., Космодамианский А. С. РГОТУПС, М., 1998, 16 с., дел. в ВИНИТИ 06.11.98., N 3217-В98.

5. Богаенко И.Н. Контроль температуры электрических машин. - Киев: Техника, 1975. - 176 с.

6. Попов А.А., Логинова Е.Ю. Результаты экспериментального и расчетного определения температур обмоток тягового электродвигателя. Вестник ВНИИЖТ, 1999, N 6, с. 34-39.

7. Логинова Е.Ю. Совершенствование методов анализа теплового состояния тяговых электродвигателей тепловозов и характеристик их систем охлаждения: Автореферат дис. докт. техн. наук. - М., 2000. 48 с.

8. ГОСТ 25000-81. Машины электрические вращающиеся. Методы испытаний на нагревание. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока с каналом для охлаждающей среды, содержащее вентилятор с управляемым приводом, датчики тока и напряжения электрической машины, падения напряжения на обмотках главных и добавочных полюсов, частоты вращения вала электрической машины, частоты вращения вала вентилятора, температуры охлаждающей среды, блоки расчета значений омического сопротивления в горячем состоянии обмоток главных и добавочных полюсов, причем на входы этих блоков подают сигналы с выходов датчиков тока электрической машины и падения напряжения на обмотках главных и добавочных полюсов, блок измерений, причем на входы блока измерений подают сигналы с выходов блоков расчета значений омического сопротивления обмоток главных и добавочных полюсов в горячем состоянии, а также значения омического сопротивления этих обмоток в холодном состоянии, блок расчета величины мощности электрической машины, причем на входы этого блока подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины, блок вычисления, отличающееся тем, что в последний введены блок, содержащий математическую модель электрической машины как теплового объекта, причем на входы блока, содержащего математическую модель, подают сигналы с выходов датчиков тока и напряжения электрической машины, частоты вращения вала электрической машины, частоты вращения вала вентилятора,

температуры охлаждающей среды, а также воздействие, корректирующее процесс вычисления значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок коррекции, в котором проводят сравнение рассчитанных и измеренных значений средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов, причем на вход блока коррекции подают с выхода блока, содержащего математическую модель, рассчитанные значения средней температуры обмоток главных и добавочных полюсов, а с выхода блока измерений - измеренные значения средней температуры этих обмоток, с выхода блока коррекции подают на вход блока, содержащего математическую модель, воздействие, корректирующее процесс вычисления в этом блоке значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок сравнения, в котором проводят сравнение рассчитанных значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов с заданными значениями и вырабатывают сигналы рассогласования, представляющие собой разность рассчитанных и заданных значений максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, причем на входы блока сравнения подают рассчитанные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов с выхода блока, содержащего математическую модель, а также заданные значения максимальной локальной температуры якорной обмотки, обмоток главных и добавочных полюсов, блок формирования сигнала управляющего воздействия, который подается с выхода этого блока на вход управляемого привода вентилятора в системе охлаждения электрической машины, причем на входы блока формирования подают сигналы рассогласования с выхода блока сравнения, сигнал о переводе устройства в аварийный режим работы с выхода блока коррекции, а также сигналы с выходов блока расчета величины мощности электрической машины и датчиков тока электрической машины и температуры охлаждающей среды.




ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал
Электроника и электротехника




СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+автомобильная -сигнализация".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "датчик" будут найдены слова "датчик", "датчики" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("датчик!").


Металлоискатели и металлодетекторы | Электронные устройства охраны и сигнализации | Электронные устройства систем связи | Приемные и передающие антенны | Электротехнические и радиотехнические контрольно-измерительные приборы и способы электроизмерений | Электронные устройства пуска, управления и защиты электродвигателей постоянного и переменного тока | Электродвигатели постоянного и переменного тока | Магниты и электромагниты | Кабельно-проводниковые и сверхпроводниковые изделия


Рейтинг@Mail.ru