Автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства

Автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к области тяжелого машиностроения, в частности тягового подвижного состава, на котором применяются тяговые полупроводниковые преобразовательные установки (тяговые выпрямительные установки, тяговые преобразователи частоты, тяговые инверторы и др.). Такие установки широко применяются, например, на электрическом тяговом подвижном составе (электровозы, электропоезда) переменного тока, на дизельном тяговом подвижном составе с электрическими передачами мощности переменно-постоянного и переменно-переменного тока и др.

Опыт эксплуатации силовых полупроводниковых приборов (диодов, тиристоров и др.) в тяговых полупроводниковых преобразовательных установках на тяговом подвижном составе и в энергоснабжении показывает, что основные повреждения силовых полупроводниковых приборов при импульсных тепловых нагрузках обусловлены процессами термомеханического старения припоев, расстройствами контактов между силовыми полупроводниковыми приборами и охладителями, вызываемыми значительными колебаниями температуры при нерегулируемом охлаждении [1, 2]. С температурой силовых полупроводниковых приборов и тяговых полупроводниковых преобразовательных установок и характером ее изменения непосредственно связаны показатели надежности силовых полупроводниковых приборов и тяговых полупроводниковых преобразовательных установок: интенсивность отказов и циклостойкость. Оценочные расчеты показывают, что при изменении температуры силовых полупроводниковых приборов на 10°С интенсивность отказов увеличивается в среднем на 25%. При увеличении амплитуды колебаний температуры силовых полупроводниковых приборов значительно снижается циклостойкость. Расчеты показывают, что один процент уменьшения амплитуды колебаний температуры силовых полупроводниковых приборов в 5 раз более эффективная мера повышения надежности силовых полупроводниковых приборов по сравнению с таким же снижением его средней температуры.

Цель изобретения состоит в повышении надежности тяговых полупроводниковых преобразовательных установок и ее системы охлаждения и уменьшении затрат энергии на ее охлаждение. Оно предназначено для использования в тяговом подвижном составе (электровозы, электропоезда, тепловозы, газотурбовозы, дизель-поезда и др.), в котором применяются тяговые полупроводниковые преобразовательные установки.

Известно устройство для охлаждения силового полупроводникового преобразователя [3], содержащее связанный с блоком управления регулятор расхода воздуха через вентилятор, термочувствительный мост, резистивный мост, выход которого подключен к блоку управления, датчик тока силовой цепи полупроводниковых преобразователей и измерительные элементы, например логометры, отличающееся тем, что, с целью повышения точности устройства оно содержит источник эталонного напряжения, преобразователь мощности на датчике Холла, выход которого подключен параллельно одному из силовых вентилей полупроводникового преобразователя, обмотка электромагнита связана с датчиком тока силовой цепи, а выход подключен к первым неподвижным рамкам каждого логометра, вторые неподвижные рамки которых подключены соответственно к выходу термочувствительного моста и к источнику эталонного напряжения, подвижные рамки логометров связаны с подвижными контактами резисторов резистивного моста.

В этом устройстве используется дополнительный сигнал управления по току силовой цепи, что улучшает его работу. Однако в нем не используется второй очень важный дополнительный сигнал управления по температуре наружного охлаждающего воздуха, которая в эксплуатации изменяется в очень широком диапазоне (от -50 до +40°С). Это существенный недостаток этого устройства. Кроме того, устройство отличается большой сложностью и низкой надежностью. Например, подвижные трущиеся контакты резисторов резистивного моста в условиях тряски и вибрации на подвижном составе работают ненадежно, а сопротивление этих контактов меняется в процессе эксплуатации, что искажает характеристики устройства. Из-за наличия в устройстве релейного элемента, содержащего реверсивный двигатель, оно при определенных условиях может работать в релейном режиме, что приведет к колебаниям температуры со значительными амплитудами, а тем самым к уменьшению надежности силовых полупроводниковых приборов и к увеличению затрат мощности на его охлаждение [6, 7].

Известно устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя [4], содержащее вертикально установленный воздуховод с расположенными в нем силовыми полупроводниковыми элементами с охладителями анодной и катодной сторон и магистраль, в которой установлены вентилятор и регулирующий орган, связанный через блок регулирования с датчиком температуры силового полупроводникового элемента, отличающееся тем, что, с целью повышения точности и экономичности устройства в воздуховоде установлены вертикальные перегородки, разделяющие охладители анодной и катодной сторон силовых полупроводниковых элементов и образующие каналы, причем вход и выход каналов, в которых расположены охладители анодных сторон силовых полупроводниковых элементов, соединены с окружающей средой и с магистралью соответственно, а вход и выход каналов, в которых расположены охладители катодных сторон силовых полупроводниковых элементов, соединены с окружающей средой.

Это устройство по принципу построения управляющей части ничем не отличается от предыдущего и ему присущи все недостатки этого устройства.

Известно устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя [5], отличающееся от предыдущих тем, что, с целью повышения экономичности устройства оно содержит трехходовые клапаны, приводы которых соединены с блоком регулирования, причем вход каждого из трехходовых клапанов соединен с выходом соответствующего канала, образованного охладителем катодной стороны силового полупроводникового преобразователя, а выходы - с окружающей средой и входом канала, образованного охладителем анодных сторон силового полупроводникового преобразователя.

Устройства [4] и [5] отличаются от устройства по [3] только аэродинамикой систем охлаждения силовых полупроводниковых приборов.

Предлагаемая непрерывная автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства не имеет недостатков, присущих известным автоматическим устройствам и системам регулирования температуры тяговых полупроводниковых преобразовательных установок.

Функциональная схема предлагаемой непрерывной автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства представлена на фиг.1. Обозначения на схеме: ОР - объект регулирования (поз.1); ИУ1, ИУ2 - измерительные устройства - датчики регулируемой величины (температуры) (поз.2 и 3); ИУ3, ИУ4 - измерительные устройства - датчики основных возмущающих воздействий (поз.4 и 5); ИУ5 - измерительное устройство - датчик регулирующего воздействия (поз.6); СУ1, СУ2, СУ3 - сравнивающие устройства (поз.7, 8 и 9); ЗУ1, ЗУ2, ЗУ3 - задающие устройства - задатчики заданных значений величин (поз.10, 11 и 12); УВ - устройство выбора максимального значения выходного сигнала датчика регулируемой величины (поз.13); УК - устройство коррекции коэффициента передачи регулятора, содержащее математическую модель системы охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (поз.14); РО - регулирующий орган (поз.15); ИМ - исполнительный механизм (поз.16); исполнительный механизм ИМ и регулирующий орган РО образуют ИРУ - исполнительно-регулирующее устройство; ϕ₁₁, ϕ₁₂ - регулируемые величины; λ₁, λ₂ - основные возмущающие воздействия на объект регулирования ОР; μ - регулирующее воздействие на объект регулирования ОР; h_им - выходной сигнал исполнительного механизма; Х_∂i - выходные сигналы датчиков; Х_зj - выходные сигналы задатчиков; ΔХ_су - выходные сигналы сравнивающих устройств; ΔХ_к - выходной сигнал устройства коррекции коэффициента передачи регулятора; η₁, η₂, η₃ - сигналы задания.

В предлагаемой автоматической системе регулирования функции объекта регулирования выполняет система охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки СО (поз.17 на фиг.3), функции измерительных устройств ИУ1 и ИУ2 выполняют датчики температуры ДТ1 и ДТ2 (поз.18 и 19). Этих датчиков может быть несколько в зависимости от числа силовых полупроводниковых приборов, которые могут иметь наиболее высокие температуры. Функции измерительного устройства ИУ3 выполняет датчик тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки ДТН (поз.20), измерительного устройства ИУ4 - датчик температуры наружного охлаждающего воздуха ДТ3 (поз.21), а измерительного устройства ИУ5 - датчик подачи вентилятора охлаждения ДПВ (поз.22). Функции регулирующего органа РО выполняет вентилятор охлаждения ВО (поз.23), а функции исполнительного механизма ИМ - привод вентилятора ПВ (поз.24). Все функциональные элементы системы регулирования (кроме объекта регулирования ОР) образуют регуляторы температуры: по отклонению регулируемой температуры от заданного значения (ИУ1, ИУ2, ЗУ1, СУ1, ИУ5, УК, ИМ и РО) и регуляторы по основным возмущениям: по току нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки (ИУ3, ЗУ2, СУ2, ИМ и РО) и по температуре наружного охлаждающего воздуха (ИУ4, ЗУ3, СУ3, ИМ и РО). Регулятор по отклонению вместе с ОР образуют замкнутый контур в системе регулирования, а регуляторы по возмущениям - разомкнутые контуры.

В предлагаемой системе регулирования используется два дополнительных сигнала управления: по току нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки и по температуре наружного охлаждающего воздуха, поэтому эта система является автоматической комбинированной системой регулирования с сигнальной компенсацией действия основных возмущений: тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки и температуры наружного охлаждающего воздуха. Использование дополнительных сигналов управления позволяет значительно увеличить запасы устойчивости системы и показатели качества ее работы (относительное перерегулирование, время регулирования и др.), то есть уменьшить амплитуду колебаний температуры силовых полупроводниковых приборов и уменьшить затраты энергии на охлаждение силовых полупроводниковых приборов.

Устойчивость и качество работы системы регулирования зависят от значения ее такого статического параметра как коэффициент передачи системы регулирования k_cp (в разомкнутом состоянии), который равен произведению коэффициента передачи объекта регулирования ОР k_op и коэффициента передачи регулятора по отклонению k_p, то есть при постоянном значении k_p коэффициент k_cp будет изменяться пропорционально коэффициенту k_op. Известно [1, 6-8], что коэффициент k_op систем охлаждения как тепловых объектов регулирования увеличивается при уменьшении тепловой нагрузки, что приводит к увеличению коэффициента k_cp и к уменьшению устойчивости и качества работы, то есть к значительным колебаниям регулируемой величины ϕ. Для системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки это означает, что при уменьшении тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки I_н или температуры наружного охлаждающего воздуха Т₂ будет увеличиваться k_op, что приведет к увеличению коэффициента k_cp и к уменьшению устойчивости и качества работы системы, то есть к значительным колебаниям регулируемой температуры силовых полупроводниковых приборов Т₁.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является обеспечение высокого качества работы системы при любых условиях и режимах работы тяговой полупроводниковой преобразовательной установки и, как следствие, повышение надежности тяговой полупроводниковой преобразовательной установки и системы ее охлаждения и снижение затрат мощности на охлаждение. Для его достижения в предлагаемой автоматической системе регулирования коэффициент передачи автоматического регулятора k_p изменяется автоматически в зависимости от регулирующего воздействия μ (подачи Q вентилятора) с помощью измерительных устройств ИУ5 и УК таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования (по замкнутому контуру) k_cp оставался постоянным при любых токах нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки I_н и при любых температурах наружного охлаждающего воздуха Т₂ (см. фиг.2). Таким образом, применение измерительного устройства ИУ5 и устройства коррекции коэффициента передачи регулятора УК позволяет осуществить параметрическую компенсацию действия основных возмущений: тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки и температуры наружного охлаждающего воздуха.

На принципиальной блок-схеме предлагаемой автоматической системы регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства, представленной на фиг.3, функции всех вычислительных устройств (СУ, УВ, УК) и ЗУ выполняет микропроцессорный контроллер МПК (поз.25). Известно, что применение микропроцессорной техники в автоматических системах регулирования температуры открывает широкие возможности их совершенствования [7].

Предлагаемая автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства содержит следующие основные элементы (см. фиг.4): тяговую полупроводниковую преобразовательную установку 26, питаемую напряжением U₁, установленную в воздуховоде 27, соединенном нагнетательным воздуховодом 28 с вентилятором охлаждения 23, датчики 18 и 19 температуры Т₁₁ и Т₁₂ силовых полупроводниковых приборов 29 и 30, сопротивления нагрузки (например, активно-индуктивного R_н-L_н сопротивления 31 и 32 тяговых электродвигателей), датчик 20 тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, плавно управляемый привод 24 вентилятора охлаждения, питаемый напряжением U₂, датчик 21 температуры Т₂ наружного охлаждающего воздуха, датчик 22 подачи Q вентилятора охлаждения 23 и микропроцессорный контроллер 25.

Источники информации

1. Киселев И.Г., Буянов А.Б. Расчеты нагрева и охлаждения полупроводниковых преобразовательных установок железнодорожного транспорта. - С.-Пб., ПГУПС-ЛИИЖТ, 2001. - 80 с.

2. Хазен М.М. Исследование и разработка системы автоматического регулирования режимов принудительного воздушного охлаждения полупроводникового преобразователя при переменных нагрузках // Совершенствование процессов теплообмена и аэродинамики электроподвижного состава // Тр. ВНИИ ж.-д. трансп.(ВНИИЖТ). - М.: Транспорт, 1979. - № 617. - С.40-54.

3. А.с. SU 613306 (СССР). Устройство для охлаждения силового полупроводникового преобразователя. Кл. G 05 D 23/19 / М.М.Хазен, В.И.Иванов, 1978. БИ № 24.

4. А.с. SU 985770 (СССР). Устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя. Кл. G 05 D 23/19 / М.М.Хазен, Н.П.Морозова, 1982, БИ № 48.

5. А.с. SU 1141384 (СССР). Устройство для регулирования температуры силового полупроводникового преобразователя. Кл. G 05 D 23/19 / М.М.Хазен, Н.П.Морозова, С.Д.Соколов и И.Г.Глухов, 1985.

6. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1977. - 224 с.

7. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995. - 271 с.

8. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989. - 296 с.

9. Космодамианский А.С. Автоматические системы регулирования. - М.: РГОТУПС, 2004. - 40 с.

10. А.С.Космодамианский, Н.Н.Стрекалов, Е.Ю.Панин. Системы, обеспечивающие повышение надежности тяговых статических преобразователей локомотивов и экономичности их систем охлаждения. - М.: РГОТУПС, 2004.

Автоматическая система регулирования температуры тяговой полупроводниковой преобразовательной установки тягового транспортного средства, включающая в себя систему охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, установленной в воздуховоде, содержащей силовые полупроводниковые приборы с охладителями, и подключенной к источнику напряжения и нагрузке; вентилятор, установленный в нагнетательном воздуховоде, датчик температуры силового полупроводникового прибора, датчик тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, отличающаяся тем, что она содержит датчик температуры наружного охлаждающего воздуха и датчик подачи вентилятора, установленные в нагнетательном воздуховоде системы охлаждения, несколько датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов (по числу высоко нагревающихся приборов), микропроцессорный контроллер, в который входят устройство выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов; устройство коррекции коэффициента передачи регулятора температуры по подаче вентилятора, содержащее математическую модель системы охлаждения тяговой полупроводниковой преобразовательной установки как объекта регулирования температуры в статике и предназначенное для автоматического изменения коэффициента передачи регулятора температуры таким образом, чтобы коэффициент передачи системы регулирования оставался бы постоянным в заданном диапазоне изменения тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки, температуры наружного охлаждающего воздуха и подачи вентилятора, первое, второе и третье сравнивающие устройства; первое, второе и третье задающие устройства; причем выходные сигналы датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов подключены к входам устройства выбора максимального значения выходного сигнала датчиков температуры силовых полупроводниковых приборов, выход которого подключен к первому входу первого сравнивающего устройства, выход датчика тока нагрузки тяговой полупроводниковой преобразовательной установки подключен к первому входу второго сравнивающего устройства, выход датчика температуры наружного охлаждающего воздуха подключен к первому входу третьего сравнивающего устройства, ко вторым входам первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены выходы соответственно первого, второго и третьего задающих устройств, а выходы первого, второго и третьего сравнивающих устройств подключены соответственно к первому, второму и третьему входам устройства коррекции коэффициента передачи регулятора, к четвертому его входу подключен выход датчика подачи вентилятора, а выход устройства коррекции коэффициента передачи регулятора подключен к входу управляемого привода вентилятора.