Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства

Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства

Реферат

 

Регулятор содержит источник электроэнергии переменного тока, например синхронный генератор, приводимый во вращение от теплового двигателя, управляющий орган, асинхронный двигатель и вентилятор охлаждения. Асинхронный двигатель выполнен с фазным ротором, статорная обмотка его подключена к источнику электроэнергии, а роторная - к преобразователю частоты. Преобразователь частоты подключен к источнику электроэнергии и к блоку управления преобразователя частоты, соединенному с управляющим органом и роторной обмоткой асинхронного двигателя. Технический результат изобретения - повышение КПД и надежности установки, а также снижение ее веса и габаритов. 1 ил.

Предлагаемое изобретение относится к транспортному машиностроению, в частности к области автоматических систем регулирования температуры теплоносителей (воды, масла, наддувочного воздуха), нагревающейся детали теплового двигателя, обмоток тяговых электрических машин, трансформаторов, элементов полупроводниковых перобразователей и др. в системах охлаждения транспортных средств (автомобилей, локомотивов и др.) Любая автоматическая система содержит две функциональные части: объект регулирования (например, система охлаждения энергетической установки) и автоматический регулятор [1]. Любой автоматический регулятор содержит две основные соединенные последовательно функциональных части: управляющий орган (например, термореле в автоматическом регуляторе температуры) и исполнительно-регулирующее устройство (например, привод вентилятора охлаждения и собственно вентилятор охлаждения энергетической установки транспортного средства). В свою очередь исполнительно-регулирующее устройство содержит две основные функциональные части: исполнительный механизм (например, привод вентилятора охлаждения) и регулирующий орган (например, вентилятор охлаждения) [2, 3].

Известные автоматические регуляторы температуры непрерывного действия с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе содержат источник электроэнергии (например, тяговый или вспомогательный генератор). Известны автоматические регуляторы температуры энергетических установок транспортных средств с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе трех типов.

Автоматический регулятор температуры первого типа содержит источник электроэнергии, к которому подключен преобразователь частоты (обычно со звеном постоянного тока - выпрямителем), соединенный со статорной обмоткой асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, соединенным с валом вентилятора охлаждения. К преобразователю частоты подключен управляющий орган, управляющий им по регулируемой температуре t_p в системе охлаждения энергетической установки транспортного средства [1, 3, 4]. В таком электроприводе вентилятора охлаждения реализован принцип частотного управления асинхронным двигателем [5, 6, 8].

Автоматический регулятор второго типа содержит источник электроэнергии, к которому подключен преобразователь фазного напряжения, соединенный со статорной обмоткой специального асинхронного двигателя с двухслойным (или двухпакетным) ротором, соединенным с валом вентилятора охлаждения. К преобразователю напряжения подключен управляющий орган, управляющий им по регулируемой температуре t_p. В электроприводе вентилятора охлаждения этого типа реализован принцип фазного управления специальными асинхронными двигателями [5, 7].

Автоматические регуляторы температуры третьего типа содержат источники электроэнергии, к которым непосредственно подключена статорная обмотка асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, соединенным с валом вентилятора охлаждения переменной подачи (с поворотными лопатками рабочего колеса). К механизму поворота лопаток рабочего колеса вентилятора охлаждения переменной подачи подключен управляющий орган, управляющий им по регулируемой температуре t_p [1, 2, 3, 8, 9, 12].

Известные автоматические регуляторы температуры энергетических установок транспортных средств с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе имеют существенные недостатки. В автоматических регуляторах температуры с частотным управлением асинхронным двигателем вентилятора охлаждения применяются преобразователи частоты со звеном постоянного тока, имеющие определенные габаритные размеры, вес и стоимость. При частотном управлении асинхронным двигателем с вентиляторной нагрузкой его КПД снижается, а нагрев увеличивается из-за несинусоидальности напряжения, особенно в зоне частичных нагрузок. Трудности с возвратом реактивной мощности Q от асинхронного двигателя к источнику электроэнергии вынуждают создавать электроприводы вентиляторов охлаждения не с плавным, а со ступенчатым изменением скорости вращения вала _w асинхронного двигателя (квазичастотное управление) [11].

В автоматических регуляторах температуры с фазным управлением специальным асинхронным двигателем применяются преобразователи напряжения, имеющие определенные габаритные размеры, вес и стоимость. Наличие такого преобразователя напряжения и специального асинхронного двигателя снижает технико-экономические показатели автоматического регулятора температуры. При фазном управлении асинхронным двигателем с вентиляторной нагрузкой КПД электропривода вентилятора сильно снижается, особенно при уменьшении скорости вращения вала _w асинхронного двигателя. Кроме того, в таком электроприводе вентилятора охлаждения номинальная мощность специального асинхронного двигателя на 30-40% меньше мощности обычного асинхронного двигателя подобных размеров [5, 7].

В автоматических регуляторах температуры с электроприводом вентилятора охлаждения переменной подачи необходимо применение механизма поворота лопаток рабочего колеса, что усложняет конструкцию механической части автоматических регуляторов температуры. Этот механизм поворота увеличивает размеры, вес и стоимость вентилятора охлаждения и автоматического регулятора температуры. Кроме того, в таком автоматическом регуляторе температуры вентилятор имеет скорость вращения вала, пропорциональную частоте питающего напряжения, которая может изменяться в небольшом диапазоне или быть постоянной, что обуславливает при малых тепловых нагрузках системы охлаждения энергетической установки транспортного средства работу вентилятора охлаждения с малыми углами установки лопаток рабочего колеса и низкими КПД вентилятора охлаждения и электропривода вентилятора охлаждения.

Предлагаемый регулятор температуры энергетической установки транспортного средства на переменном токе не имеет недостатков известных автоматических регуляторов температуры с электроприводом вентилятора охлаждения: в нем не применяется преобразователь частоты или преобразователь напряжения на полную мощность асинхронного двигателя вентилятора охлаждения, а также механизм поворота лопаток рабочего колеса. В нем применен серийный асинхронный двигатель с фазным ротором, статорная обмотка которого непосредственно подключена к источнику электроэнергии, а роторная обмотка подключена к статическому полупроводниковому преобразователю частоты с непосредственной связью (без звена постоянного тока), соединенному посредством блока управления с управляющим органом автоматического регулятора температуры энергетической установки транспортного средства. Конструкция предлагаемого регулятора температуры намного проще, меньше по размерам, весу и стоимости, надежнее и экономичнее, чем известных автоматических регуляторов с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе.

Предлагаемый регулятор температуры содержит следующие основные элементы (см. принципиальную блок-схему): источник электроэнергии 1, например, синхронный генератор, приводимый во вращение от теплового двигателя 2, роторная обмотка которого подключена к регулятору напряжения 3, а к его статорной обмотке непосредственно подключена статорная обмотка асинхронного двигателя 4, вал которого соединен с валом вентилятора охлаждения 5. Роторная обмотка асинхронного двигателя подключена к преобразователю частоты 6, подключенному к источнику электроэнергии 1 и к блоку управления 7 преобразователя частоты, соединенному с управляющим органом 8 и с роторной обмоткой асинхронного двигателя 4.

Предлагаемый регулятор температуры энергетической установки транспортного средства с электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе работает следующим образом. При величине регулируемой температуры t_p меньше нижнего предела диапазона регулирования выходной сигнал управляющего органа 8 I_У1 имеет такое значение, при котором выходные сигналы блока управления 7 I_У2 и I_У3 имеют значения, обеспечивающие скорость вращения вала ротора асинхронного двигателя 4 и вентилятора охлаждения 5 _w = 0. При этом подача вентилятора охлаждения 5 также равна нулю. Это обусловлено тем, что _w зависит от частоты вращения магнитного поля статорной обмотки _c относительно статора и от частоты вращения магнитного поля роторной обмотки _p относительно ротора и определяется выражением: _w = _cp (1). Знак "минус" в (1) соответствует вращению магнитного поля статора и ротора в одном направлении, знак "+" - в противоположных направлениях. Изменяя _p и направление вращения магнитного поля ротора можно принудить асинхронный двигатель вращать вал со скоростью _w как выше, так и ниже синхронной. При синхронной частоте вращения _wc преобразователь частоты подает постоянный ток в роторную обмотку, при этом _p = 0 и скольжение асинхронного двигателя S = 1-(_cp)/_c = 0 (2). В предлагаемом регуляторе температуре асинхронный двигатель 4 работает в режиме электрической машины двойного питания (от источника электроэнергии 1 и от преобразователя частоты 6) [12, 13]. При S=0 асинхронный двигатель 4 работает в режиме синхронного двигателя. При _p = _c S = 1 и _w = 0. При увеличении регулируемой температуры t_p и превышении ею нижнего предела диапазона регулирования увеличивается выходной сигнал управляющего органа 8 I_У1, изменяются сигналы на выходе блока управления 7 I_У2 и I_У3 (по одному из них изменяется _p, а по другому - напряжение), что приводит к изменению частоты на выходе преобразователя частоты 6, к уменьшению _p и к увеличению _w. Процесс изменения величин t_p, I_У1, I_У2, I_У3, _p и _w будет продолжаться до тех пор, пока не настанет равновесный тепловой режим работы системы охлаждения энергетической установки транспортного средства. При достижении t_p верхнего предела диапазона регулирования - t_{p max} величины I_У1, I_У2, I_У3, _p и _w достигнут своих предельных значений. При этом _p = 0, S = 0 и _w = _{w ном}. Мощность, габаритные размеры и вес преобразователя частоты 6 определяются мощностью скольжения асинхронного двигателя 4. При вентиляторной нагрузке асинхронного двигателя мощность преобразователя максимальна при S=0,33 и составляет 16-18% от номинальной мощности вентилятора охлаждения.

В предлагаемом регуляторе температуры должен быть применен преобразователь частоты 6 с непосредственной связью (без звена постоянного тока), который называется преобразователем "низкой" частоты. Для питания роторной обмотки асинхронного двигателя 4, которая может работать при очень низкой частоте вращения поля _p относительно ротора, целесообразно применение преобразователя именно "низкой" частоты, обеспечивающего получение синусоидального тока в роторной цепи при ползучих "низких" частотах. Применение преобразователя частоты с принудительной коммутацией вентилей позволит осуществить наиболее простую схему блока управления 7.

Характерным важным свойством таких преобразователей частоты является изменение знака реактивной мощности нагрузки Q при частоте коммутации вентилей (_Т), большей, чем частота преобразуемого напряжения источника электроэнергии 1 _c. Так как напряжение в двигательном режиме асинхронного двигателя (электрической машины двойного питания) больше, чем ЭДС скольжения обычного асинхронного двигателя при данном скольжении, то отдаваемая в источник электроэнергии 1 Q больше потребляемой Q со стороны ротора.

Таким образом, в предлагаемом регуляторе температуры асинхронный двигатель 4 может работать с опережающим коэффициентом мощности (cos). Одним из преимуществ асинхронного двигателя 4, работающего в качестве электрической машины двойного питания, по сравнению с обычным асинхронным двигателем является возможность получения высокого cos асинхронного двигателя и источника электроэнергии за счет перевозбуждения асинхронного двигателя 4 со стороны ротора.

Таким образом, предлагаемый регулятор температуры автоматически изменяет _w (и подачу вентилятора охлаждения) в зависимости от регулируемой температуры t_p при изменении ее в заданных пределах без использования в нем преобразователя частоты или преобразователя напряжения между источником электроэнергии 1 и асинхронным двигателем 4 (на полную мощность вентилятора охлаждения), специальных асинхронных двигателей или вентиляторов с поворотными лопатками вентиляторного колеса. При этом асинхронный двигатель и источник электроэнергии имеют повышенные КПД и cos, а регулятор температуры энергетической установки транспортного средства более надежен и имеет меньшие габаритные размеры, вес и стоимость изготовления.

Источники информации 1. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989.

2. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1977.

3. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995.

4. Булгаков А. А. Частотное управление асинхронными двигателями. - М.: Наука, 1966.

5. Могильников B.C., Олейников А.М. Асинхронный электродвигатель с двухслойным ротором. - М.: Энергия, 1983.

6. Винокуров В. А. , Попов Д.А. Электрические машины железнодорожного транспорта. - М.: Транспорт, 1986.

7. Торба С.В. Применение фазового регулирования частоты вращения асинхронного мотор-вентилятора охлаждающего устройства электровоза // Конструкция и производство транспортных машин. - Харьков, 1982. - Вып.14. - С. 48-50.

8. А.с. СССР 246165.

9. А.с. СССР 206627.

10. Патент ФРГ 2121209.

11. А.с. СССР 127540.

12. Ботвинник М.М., Шакарян Ю.Г. Управляемая машина переменного тока. - М.: Наука, 1969.

13. Собинин Ю.А., Грузов В.Л. Частотно-регулируемый электропривод. - Л.: Энергоатомиздат, 1985.

Формула изобретения

Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства, содержащий источник электроэнергии переменного тока, например, синхронный генератор с регулятором напряжения, приводимый во вращение от теплового двигателя, управляющий орган, асинхронный двигатель и вентилятор охлаждения, вал которого соединен с валом асинхронного двигателя, отличающийся тем, что асинхронный двигатель выполнен с фазным ротором, его статорная обмотка подключена к источнику электроэнергии переменного тока, а роторная на выходы преобразователя частоты, также подключенного к источнику электроэнергии переменного тока, а на входы преобразователя частоты подаются управляющие сигналы с выводов блока управления, один из которых соответствует изменению частоты, а второй - изменению напряжения на выходе преобразователя частоты, один вход блока управления подключен к выходу преобразователя частоты, а другой вход - к выходу управляющего органа.

РИСУНКИ

Рисунок 1