RU2241837C2 - Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области автоматических систем регулирования температуры теплоносителей в системах охлаждения энергетических установок транспортных средств. Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства содержит источник электроэнергии переменного тока, управляющий орган, асинхронный двигатель и вентилятор охлаждения. В регуляторе применены два одинаковых асинхронных двигателя с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к источнику электроэнергии, роторные обмотки соединены последовательно посредством резисторов, а валы соединены с валом вентилятора охлаждения. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, подключенным к управляющему органу. Изобретение обеспечивает повышение кпд и надежности регулятора. 4 ил.

Description

Регулятор температуры относится к транспортному машиностроению, в частности к области автоматических систем регулирования температуры теплоносителей (высоконагретой детали, воды масла, наддувочного воздуха и др. тепловых двигателей, обмоток электрических машин, трансформаторов, элементов полупроводниковых преобразователей и др.) в системах охлаждения энергетических установок транспортных средств (локомотивов, автомобилей, тракторов и др.).

Любая автоматическая система содержит две функциональные части: объект регулирования и автоматический регулятор [1]. Любой автоматический регулятор содержит две основные соединенные последовательно функциональные части: управляющий орган и исполнительно-регулирующее устройство. В свою очередь, исполнительно-регулирующее устройство содержит две функциональные части: исполнительный механизм и регулирующий орган [2, 3]. В автоматических регуляторах температуры, содержащих в качестве регулирующего органа вентилятор охлаждения, функции исполнительного механизма выполняет привод вентилятора [2, 3]. Известные автоматические регуляторы температуры с электрическим приводом вентилятора на переменном токе содержат источник электроэнергии (обычно тяговый генератор или вспомогательный генератор). Известны автоматические регуляторы температуры энергетических установок транспортных средств с электрическим приводом вентилятора на переменном токе трех видов. Автоматические регуляторы температуры первого вида содержат источник электроэнергии, к которому подключен преобразователь частоты (обычно содержащий звено постоянного тока - выпрямитель), соединенный со статорными обмотками асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, соединенного с валом вентилятора. К преобразователю температуры подключен управляющий орган, управляющим им по температуре теплоносителя в системе охлаждения энергетической установки транспортного средства [1, 3, 4]. В электрическом приводе вентилятора такого автоматического регулятора температуры реализован принцип частотного управления асинхронным двигателем [6, 8]. Автоматические регуляторы температуры второго вида содержат источник электроэнергии, к которому подключен преобразователь фазного напряжения, соединенный со статорными обмотками специального асинхронного двигателя с двухслойным (или двухпакетным) ротором, соединенным с валом вентилятора. К преобразователю фазного напряжения подключен управляющий орган, управляющим им по температуре энергетической установки транспортного средства. В электрическом приводе вентилятора охлаждения такого автоматического регулятора температуры реализован принцип фазного управления асинхронным двигателем с двухслойным (или двухпакетным) ротором [5, 7]. Автоматические регуляторы температуры третьего вида содержат источник электроэнергии, к которому подключены статорные обмотки асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором, соединенным с валом вентилятора переменной подачи (с поворотными лопастями). К механизму поворота лопастей вентилятора подключен управляющий орган, управляющим им по температуре энергетической установки транспортного средства [3, 8, 9]. Известные автоматические регуляторы температуры энергетической установки транспортного средства имеют существенные недостатки. В автоматических регуляторах температуры с частотным управлением асинхронного двигателя вентилятора охлаждения необходимо применять преобразователи частоты определенных габаритных размеров, массы и стоимости на полную мощность асинхронного двигателя. Это также снижает надежность автоматического регулятора температуры. При частотном управлении асинхронным двигателем с вентиляторной нагрузкой его кпд снижается из-за несинусоидальности питающего напряжения, особенно в зоне частичных нагрузок. В автоматических регуляторах температуры с фазным управлением асинхронным двигателем с двухслойным (или двухпакетным) ротором необходимо применение преобразователя фазного напряжения определенных габаритных размеров, массы и стоимости. Это также снижает надежность автоматического регулятора температуры. При фазном управлении асинхронным двигателем с вентиляторной нагрузкой кпд электрического привода значительно снижается при уменьшении частоты вращения вентилятора. Кроме того, в таком электрическом приводе вентилятора охлаждения мощность асинхронного двигателя на 30-40% меньше номинальной мощности подобного асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. В автоматических регуляторах температуры с электроприводом вентилятора переменной подачи необходимо применение механизма поворота лопастей, что усложняет конструкцию регулятора. Механизм поворота лопастей увеличивает размеры и массу вентилятора охлаждения, а также стоимость вентилятора и регулятора. Кроме того, при таком способе изменения подачи вентилятора асинхронный двигатель имеет частоту вращения, пропорциональную частоте вращения питающего напряжения, которая может быть постоянной или изменяться в малом диапазоне, что обуславливает при малых тепловых нагрузках системы охлаждения энергетической установки работу вентилятора охлаждения с малыми углами поворота лопастей и низким кпд вентилятора и электрического привода. Предлагаемый автоматический регулятор температуры с электроприводом вентилятора на переменном токе не имеет недостатков известных автоматических регуляторов: в нем не применяется преобразователь частоты или преобразователь фазного напряжения, а также механизм поворота лопастей вентилятора охлаждения. В нем применены два одинаковых асинхронных двигателя с фазными роторами, каждый мощностью, равной половине мощности вентилятора. Статор одного из асинхронных двигателей поворотный, однако, механизм поворота статора намного проще, меньше и дешевле, чем механизм поворота лопастей вентилятора охлаждения. Предлагаемый автоматический регулятор температуры с плавно управляемым электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе содержит следующие основные элементы (фиг.1. Принципиальная блок-схема автоматического регулятора температуры энергетической установки транспортного средства с плавно управляемым электроприводом вентилятора охлаждения на переменном токе): управляющий орган 1, подключенный к механизму поворота статора 2 асинхронного двигателя 3, вал которого соединен с валом второго асинхронного двигателя 4 и с валом вентилятора охлаждения 5, статорные обмотки асинхронных двигателей подключены к источнику электроэнергии 6, а их роторные обмотки соединены последовательно посредством резисторов 7. Автоматический регулятор температуры работает следующим образом. При величине регулируемой температуры t_p меньше минимального значения t_pmin выходной сигнал управляющего органа 1 I_y имеет минимальное значение I_ymin, при этом выходной сигнал механизма поворота статора 2 α_с имеет минимальное значение α_cmin и статор асинхронного двигателя 3 занимает положение (т.е. имеет угол поворота β), при котором частота вращения вентилятора ω_W охлаждения 5 равна нулю. Это обусловлено тем, что при согласном положении статоров асинхронных двигателей 3 и 4, когда α_с=0 электрических градусов, ЭДС (Е) в роторных обмотках направлены встречно и Е $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{'}}{\text{р}}$ =Е $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{'}}{\text{2}}$ +Е $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{''}}{\text{2}}$ =0. При этом ток в роторной цепи равен нулю и у электропривода вентилятора охлаждения вращающий момент (М) равен нулю и ω_w=0. При увеличении t_p и дальнейшем выполнении t_p>t_pmin увеличивается выходной сигнал управляющего органа 1 I_y, увеличиваются α_с и β. При этом Е $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{'}}{\text{p}}$ >0; в обмотках роторов будет ток I₂>0, у электропривода вентилятора М>0, ω_W>0, увеличивается подача вентилятора охлаждения G_W. Процесс увеличения сигналов t_p, I_y, α_c, β, E $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{'}}{\text{p}}$ , I₂ и ω_W будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим в системе охлаждения энергетической установки. При увеличении β от нуля до 90 эл. градусов один из асинхронных двигателей будет работать в генераторном (тормозном) режиме, а второй - в двигательном режиме. При дальнейшем увеличении P и выполнении 90° эл. <β<180° эл. обе активные составляющие I₂>0, т.е. оба асинхронных двигателя работают в двигательном режиме, развивая разные моменты. В предельном случае, когда β=180° эл. (это соответствует ±180°/р геометрических, р - число пар полюсов) векторы ЭДС обмоток роторов совпадают и Е $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{'}}{\text{р}}$ =Е $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{'}}{\text{2}}$ +Е $\genfrac{}{}{0ex}{}{\text{''}}{\text{2}}$ ; двигатели развивают одинаковые моменты, работая как два обычных двигателя. При t_p=t_pmax сигналы I_у, α_с, β и ω_W максимальны. При этом Р достигает 180°, т.е. статор асинхронного двигателя 3 займет положение, при котором ω_wmax, частота вращения ω_W из-за резисторов 7 будет меньше синхронной на 6-10%. Электропривод вентилятора охлаждения предлагаемого автоматического регулятора температуры имеет механические характеристики, показанные на фиг. 2. Зависимости вращающего момента электропривода от ω_W при разных β статора асинхронного двигателя 3 (линии 2-8), которые в точке пересечения с характеристикой вентилятора охлаждения (линия 1) отражают установившиеся режимы работы электропривода вентилятора охлаждения. На фиг.3 даны статическая характеристика электропривода вентилятора охлаждения - зависимость ω_W от β (линия 1) и зависимость кпд η_д асинхронных двигателей 3 и 4 от β (линия 2). Зависимость η_д(ω_W) такая же, как у гидрообъемного привода и электрического привода вентилятора охлаждения с фазным управлением асинхронным двигателем. При условии, если статические характеристики управляющего органа 1 и механизма поворота статора 2 линейны, то статическая характеристика автоматического регулятора температуры будет иметь вид, показанный на фиг.4. Таким образом, предлагаемый автоматический регулятор температуры автоматически изменяет ω_W (и подачу вентилятора охлаждения) в зависимости от t_p при изменении ее в пределах регулирования без использования в нем преобразователя частоты и преобразователя фазного напряжения, специального асинхронного двигателя или механизма поворота лопастей.

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. Захарчук А.С. Экспериментальное исследование тиристорной системы плавного регулирования температуры двигателей с асинхронным мотор-вентилятором с двухслойным ротором. - Л.: ЛИИЖТ, 1976 (Деп. рук., ЦНИИТЭИ МПС, 25.05.76, №343, 76).

8. А.с. 206627 (СССР).

9. А.с. 246165 (СССР).

10. А.с. 4378415 (СССР).

11. Патент ФРГ 2121209.

Claims (1)

1. Регулятор температуры энергетической установки транспортного средства, содержащий источник электроэнергии переменного тока, управляющий орган, асинхронный двигатель и вентилятор охлаждения, отличающийся тем, что в нем применены два одинаковых асинхронных двигателя с фазными роторами, статорные обмотки которых подключены к источнику электроэнергии, роторные обмотки соединены последовательно посредством резисторов, а валы соединены с валом вентилятора охлаждения; статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и соединен с механизмом поворота, подключенным к управляющему органу.

Images