RU2256996C1

RU2256996C1 - Computer-aided winding temperature control system for traction electrical machines with ac motor driven fan

Info

Publication number: RU2256996C1
Application number: RU2003132783/11A
Authority: RU
Inventors: Н.М. Луков (RU); Н.М. Луков; О.Н. Ромашкова (RU); О.Н. Ромашкова; А.С. Космодамианский (RU); А.С. Космодамианский; И.А. Алейников (RU); И.А. Алейников; Ю.В. Попов (RU); Ю.В. Попов
Priority date: 2003-11-11
Filing date: 2003-11-11
Publication date: 2005-07-20
Also published as: RU2003132783A

Abstract

FIELD: improved winding temperature control systems for traction electrical machines including those of traction rolling stock.

SUBSTANCE: proposed system designed for controlling temperature of traction electrical machine windings incorporating cooling aid duct has fan; electrical-machine current and voltage sensors; devices sensing voltage drop across winding under control, electrical-machine shaft speed, fan shaft speed, and cooling air temperature; microprocessor controller incorporating control program with mathematical model of electrical-machine cooling system as temperature control entity enabling computation of both mean and maximal local values of fixed and revolving windings of traction electrical machine. Fan shaft is coupled with shafts of two similar phase-wound rotor induction motors whose stator windings are connected to ac power supply, and rotor windings of induction motors are interconnected in series and connected to rectifier. Connected to rectifier output are semiconductor thermoelectric cooler and winding closing unit; the latter is connected, in its turn, to first input of microprocessor controller. One of induction motors has rotary stator connected to drive and the latter is connected to second output of microprocessor controller. Current and voltage sensors of traction electrical machine, devices sensing voltage drop across winding under control, electrical machine shaft speed, fan shaft speed, and cooling water temperature are connected to microprocessor controller inputs.

EFFECT: enhanced efficiency of fan drive and operating effectiveness of temperature control system.

1 cl, 1 dwg

Description

Предлагаемое изобретение относится к области совершенствования систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин, например тяговых электрических машин тягового подвижного состава. Система регулирования содержит систему охлаждения тяговой электрической машины и автоматический регулятор температуры. Система охлаждения тяговой электрической машины является объектом регулирования температуры и содержит собственно тяговую электрическую машину и систему каналов для подвода к тяговой электрической машине охлаждающего воздуха. Автоматический регулятор температуры содержит датчик температуры (измерительное устройство), задающее, усилительно-преобразующее и исполнительно-регулирующее устройства. Исполнительно-регулирующее устройство содержит исполнительный механизм и регулирующий орган. В предлагаемой системе регулирования функции регулирующего органа автоматического регулятора температуры выполняет вентилятор, а его привод выполняет функции исполнительного механизма [1, 2, 3, 10]. В известных устройствах для регулирования температуры обмоток электрических машин, которые фактически являются автоматическими системами регулирования температуры, тип привода вентилятора указывается только в [5]. Известно, что свойства исполнительно-регулирующего устройства оказывают значительное влияние на устойчивость, показатели качества работы и в целом на технико-экономические показатели автоматической системы регулирования температуры. Гидродинамический привод вентилятора, примененный в [5], обладает существенными недостатками: он имеет малую монтажную гибкость из-за наличия валопровода между приводным двигателем и вентилятором; его КПД изменяется прямо пропорционально скорости вращения выходного вала (при заданной скорости вращения входного вала); этот вид привода обладает таким свойством как динамическая несимметричность, его статические и динамические параметры неоднозначны, что ухудшает динамические свойства системы регулирования.The present invention relates to the field of improving the temperature control systems of the windings of traction electric machines, for example traction electric machines of traction rolling stock. The control system includes a cooling system of the traction electric machine and an automatic temperature controller. The cooling system of the traction electric machine is an object of temperature control and contains the traction electric machine itself and a channel system for supplying cooling air to the traction electric machine. The automatic temperature controller contains a temperature sensor (measuring device), specifying, amplifying-transforming and executive-regulating devices. The executive-regulating device comprises an actuator and a regulatory body. In the proposed regulation system, the functions of the regulatory body of the automatic temperature controller are performed by a fan, and its drive performs the functions of an actuator [1, 2, 3, 10]. In known devices for controlling the temperature of the windings of electric machines, which are actually automatic temperature control systems, the type of fan drive is indicated only in [5]. It is known that the properties of the executive-regulating device have a significant impact on stability, performance indicators, and in general on the technical and economic indicators of the automatic temperature control system. The hydrodynamic fan drive used in [5] has significant drawbacks: it has low mounting flexibility due to the presence of a shaft line between the drive motor and the fan; its efficiency varies in direct proportion to the speed of rotation of the output shaft (at a given speed of rotation of the input shaft); this type of drive has such a property as dynamic asymmetry, its static and dynamic parameters are ambiguous, which affects the dynamic properties of the control system.

Предлагаемая автоматическая система регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин свободна от перечисленных недостатков. Автоматическая система регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин, содержащая тяговую электрическую машину 1 с каналом охлаждения 2, отличается от известных систем регулирования температуры тем, что в ней применен электрический привод вентилятора на переменном токе (см. фиг. 1 - принципиальную схему автоматической системы регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин с электрическим на переменном токе приводом вентилятора), который содержит два одинаковых асинхронных двигателя 3 и 4 с фазными роторами, валы которых соединены между собой и с валом вентилятора 5. Статорные обмотки асинхронных двигателей подключены к источнику переменного напряжения, а роторные обмотки соединены последовательно и подключены к замыкателю обмоток 6, соединенному с выходом микропроцессорного контроллера 7, и к выпрямителю 8, к выходу которого подключен полупроводниковый термоэлектрический охладитель 9. Статор одного из асинхронных двигателей выполнен поворотным и связан с приводом 10, подключенным ко второму выходу микропроцессорного контроллера 7, ко входам которого подключены датчики скорости вращения вала вентилятора 11; температуры охлаждающего воздуха 12; скорости вращения вала электрической машины 13; падения напряжения на контролируемой обмотке 14, тока нагрузки тяговой электрической машины 15, напряжения на ее зажимах 16.The proposed automatic temperature control system for the windings of traction electric machines is free from the listed disadvantages. An automatic temperature control system for windings of traction electric machines, containing a traction electric machine 1 with a cooling channel 2, differs from the known temperature control systems in that it uses an electric fan of an alternating current fan (see Fig. 1 - circuit diagram of an automatic temperature control system windings of traction electric machines with electric AC fan drive), which contains two identical induction motors 3 and 4 with phase rotors and, whose shafts are interconnected and with the fan shaft 5. The stator windings of induction motors are connected to an alternating voltage source, and the rotor windings are connected in series and connected to a winding closer 6 connected to the output of the microprocessor controller 7, and to a rectifier 8, to the output of which a semiconductor thermoelectric cooler is connected 9. The stator of one of the asynchronous motors is rotary and connected to the drive 10 connected to the second output of the microprocessor controller 7, to the input ladies which are connected to the speed sensors of the fan shaft 11; cooling air temperature 12; the rotation speed of the shaft of the electric machine 13; voltage drops on the controlled winding 14, the load current of the traction electric machine 15, the voltage on its terminals 16.

Микропроцессорный контроллер содержит управляющую программу с математической моделью системы охлаждения тяговой электрической машины как объекта регулирования температуры, позволяющей рассчитывать как средние, так и максимальные локальные значения неподвижных и вращающихся обмоток тяговой электрической машины по измеренным значениям тока и напряжения электрической машины, скорости вращения ее вала, температуры и подачи охлаждающего воздуха, а также измерять температуру одной или нескольких неподвижных обмоток тяговой электрической машины по измеренным значениям падения напряжения на этих обмотках и тока, протекающего через обмотки.The microprocessor controller contains a control program with a mathematical model of the cooling system of the traction electric machine as an object of temperature regulation, which allows to calculate both average and maximum local values of the stationary and rotating windings of the traction electric machine from the measured values of current and voltage of the electric machine, rotation speed of its shaft, temperature and supply of cooling air, as well as measure the temperature of one or more fixed windings of traction electric Coy car from the measured voltage drop across these windings and the current flowing through the coils.

Предлагаемая система регулирования может содержать статический регулятор и работать только по отклонению регулируемой величины от заданного значения или комбинированный регулятор с компенсацией возмущающих воздействий по нагрузочному току, по мощности тяговой электрической машины, по температуре охлаждающего воздуха, а также иметь более сложный алгоритм работы регулятора - ПИ, ПИД, ПД.The proposed control system may contain a static controller and operate only on the deviation of the controlled variable from the set value or a combined controller with compensation of disturbing influences on the load current, on the power of the traction electric machine, on the temperature of the cooling air, and also have a more complex controller operation algorithm - PI, PID, PD.

Предлагаемая автоматическая система регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин работает следующим образом (на примере системы, содержащей регулятор, работающий только по отклонению регулируемой величины от заданного значения). При значении регулируемой температуры t_p меньше минимального значения t_{p min} выходной сигнал микропроцессорного контроллера 7, подаваемый на вход механизма поворота 10 статора асинхронного двигателя 4, имеет минимальное значение, при этом выходной сигнал поворотного статора α_с также имеет минимальное значение α_cmin. Статор асинхронного двигателя 4 занимает положение (т.е. имеет угол поворота β), при котором скорость вращения вала вентилятора ω_в и его подача равны нулю. Это обусловлено тем, что при согласованном положении статоров асинхронных двигателей 3 и 4, когда α_с=0 эл. градусов, ЭДС в роторных обмотках направлены встречно и Е_р=E_p1+Е_р2=0. При этом ток в роторной цепи равен нулю и электропривод вентилятора имеет момент, равный нулю, и ω_в=0.The proposed automatic temperature control system for the windings of traction electric machines works as follows (using an example of a system containing a regulator that works only by deviating an adjustable value from a given value). When the adjustable temperature t _{p is} less than the minimum value t _{p min, the} output signal of the microprocessor controller 7 supplied to the input of the rotation mechanism 10 of the stator of the induction motor 4 has a minimum value, while the output signal of the rotary stator α _s also has a minimum value α _cmin . The stator of the induction motor 4 occupies a position (i.e., has a rotation angle β) at which the rotation speed of the fan shaft ω _in and its supply are zero. This is due to the fact that with the coordinated position of the stators of induction motors 3 and 4, when α _s = 0 el. degrees, the EMF in the rotor windings are directed in the opposite direction and E _p = E _p1 + E _p2 = 0. In this case, the current in the rotor circuit is equal to zero and the electric fan drive has a moment equal to zero, and ω _in = 0.

При увеличении t_p и достижении значения выше t_{p min} увеличивается выходной сигнал микропроцессорного контроллера, подаваемый на вход механизма поворота 10 статора асинхронного двигателя 4, увеличиваются α_с и β. При этом Е_р1>0; в обмотках роторов асинхронных двигателей 3 и 4 ток будет больше нуля, электропривод вентилятора будет иметь момент больше нуля и ω_в>0, увеличится подача вентилятора 5. Процесс увеличения сигналов t_p, α_с, β, E_p1 и ω_в будет продолжаться до тех пор, пока не наступит равновесный тепловой режим работы системы охлаждения тяговой электрической машины. При изменении β от 0 до 90° эл. один из асинхронных двигателей будет работать в генераторном (тормозном) режиме, а второй - в двигательном режиме. При дальнейшем увеличении β и выполнении условия 90° эл. <β<180° эл. оба асинхронных двигателя работают в двигательном режиме, развивая моменты. В предельном случае, когда β=180° эл., векторы ЭДС обмоток роторов совпадают и Е_р=E_p1+Е_р2; асинхронные двигатели развивают одинаковые моменты, работая как два обычных асинхронных двигателя. При t_p=t_{p min} сигналы α_с, β и ω_в максимальны. При этом β достигает 180° эл., т.е. статор асинхронного двигателя 4 займет положение, при котором ω_{в mах} будет из-за сопротивления полупроводникового термоэлектрического охладителя 9 на 6-10% меньше синхронной. Поэтому с целью защиты тяговой электрической машины от перегрева в экстремальных климатических условиях или при чрезмерном загрязнении воздушных фильтров для увеличения подачи вентилятора система снабжена устройством замыкания 6 роторных обмоток асинхронных двигателей, подключенным к микропроцессорному контроллеру 7.With increasing t _p and reaching a value above t _{p min} the output signal of the microprocessor controller increases, supplied to the input of the rotation mechanism 10 of the stator of the asynchronous motor 4, α _c and β increase. Moreover, E _p1 >0; in the windings of the rotors of induction motors 3 and 4, the current will be more than zero, the fan drive will have a moment greater than zero and ω _at > 0, the fan flow will increase 5. The process of increasing the signals t _p , α _с , β, E _p1 and ω _в will continue to until the equilibrium thermal mode of operation of the cooling system of the traction electric machine. When β changes from 0 to 90 ° el. one of the asynchronous motors will work in the generator (brake) mode, and the second in the motor mode. With a further increase in β and the fulfillment of the condition of 90 ° el. <β <180 ° e. both induction motors operate in motor mode, developing moments. In the extreme case, when β = 180 ° el., The EMF vectors of the rotor windings coincide and E _p = E _p1 + E _p2 ; asynchronous motors develop the same moments, working like two ordinary induction motors. When t _p = t _{p min the} signals α _c , β and ω _{in the} maximum. In this case, β reaches 180 ° el., I.e. the stator of the induction motor 4 will take a position in which ω _{in max} will be 6-10% less than the synchronous due to the resistance of the semiconductor thermoelectric cooler 9. Therefore, in order to protect the traction electric machine from overheating in extreme climatic conditions or with excessive pollution of air filters to increase the fan supply, the system is equipped with a shorting device 6 of the rotor windings of asynchronous motors connected to the microprocessor controller 7.

При изменении ω_в от 0 до ω_{в mах} изменяется скольжение асинхронного двигателя от 1,0 до S_min. Мощность скольжения асинхронного двигателя зависит от скольжения и при вентиляторной нагрузке имеет максимальное значение 15% от номинальной мощности асинхронного двигателя при скольжении 0,25. В предлагаемой системе регулирования энергия скольжения асинхронного двигателя используется для охлаждения охлаждающего воздуха в системе охлаждения с помощью полупроводникового термоэлектрического охладителя 9. Полупроводниковый термоэлектрический охладитель дает возможность получения холода на основе использования в нем термоэлектрического явления Пельтье при отсутствии движущихся частей и холодильного агента; является универсальным; простым по конструкции, компактным, имеет высокую надежность и практически неограниченный срок службы.When a change _in ω 0 to ω _max changes _in the slip of the asynchronous motor from 1,0 to S _min. The slip power of an induction motor depends on the slip and, with a fan load, has a maximum value of 15% of the rated power of the induction motor with a slip of 0.25. In the proposed control system, the slip energy of an induction motor is used to cool the cooling air in the cooling system using a semiconductor thermoelectric cooler 9. The semiconductor thermoelectric cooler makes it possible to obtain cold based on the use of the Peltier thermoelectric phenomenon in the absence of moving parts and a refrigerant; is universal; simple in design, compact, has high reliability and almost unlimited service life.

Таким образом, в рассматриваемой системе охлаждение тяговой электрической машины осуществляется двумя путями: путем охлаждения тяговой электрической машины атмосферным воздухом, продуваемым с помощью вентилятора 5, и путем охлаждения самого охлаждающего воздуха с помощью полупроводникового термоэлектрического охладителя 9, использующего электрическую энергию скольжения асинхронного двигателя. Использование энергии скольжения асинхронного двигателя значительно повышает КПД такого электрического привода вентилятора и увеличивает эффективность работы системы регулирования температуры.Thus, in the system under consideration, the traction electric machine is cooled in two ways: by cooling the traction electric machine with atmospheric air blown with a fan 5, and by cooling the cooling air itself with a semiconductor thermoelectric cooler 9 using the slip electric energy of an induction motor. The use of slip energy of an induction motor significantly increases the efficiency of such an electric fan drive and increases the efficiency of the temperature control system.

Источники информацииSources of information

1. Луков Н.М. Автоматизация тепловозов, газотурбовозов и дизель-поездов. - М.: Машиностроение, 1988.1. Lukov N.M. Automation of diesel locomotives, gas turbines and diesel trains. - M.: Mechanical Engineering, 1988.

2. Луков Н.М. Основы автоматики и автоматизации тепловозов. - М.: Транспорт, 1989.2. Lukov N.M. Fundamentals of automation and automation of diesel locomotives. - M .: Transport, 1989.

3. Луков Н.М. Автоматическое регулирование температуры двигателей. - М.: Машиностроение, 1995.3. Lukov N.M. Automatic temperature control of engines. - M.: Mechanical Engineering, 1995.

4. А.с. 544050 (СССР). Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины /Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ, 1978, №20.4. A.S. 544050 (USSR). Device for automatic temperature control of an electric machine / N.M. Lukov and others. - Publ. in BI, 1978, No. 20.

5. А.с. 748683 (СССР). Устройство непрерывного контроля и автоматического регулирования температуры электрической машины /Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ, 1980, №26.5. A.S. 748683 (USSR). The device for continuous control and automatic temperature control of an electric machine / N.M. Lukov and others. - Publ. in BI, 1980, No. 26.

6. А.с. 15084040 (СССР). Тяговая электрическая машина постоянного тока /Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ, 1990, №29.6. A.S. 15084040 (USSR). Traction electric DC machine / N.M. Lukov and others. - Publ. in BI, 1990, No. 29.

7. Патент РФ 2121209. Устройство для автоматического регулирования температуры электрической машины /А.С.Космодамианский и Н.М.Луков. - Опубл. в БИ, 1998, №30.7. RF patent 2121209. A device for automatically controlling the temperature of an electric machine / A.C. Kosmodamiansky and N.M. Lukov. - Publ. in BI, 1998, No. 30.

8. Патент РФ 2177669. Устройство для автоматического регулирования температуры обмоток электрической машины постоянного тока /А.С.Космодамианский, Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ, 1998, №30.8. RF patent 2177669. A device for automatically controlling the temperature of the windings of an electric DC machine / A.C. Kosmodamiansky, N.M. Lukov and others. - Publ. in BI, 1998, No. 30.

9. Патент РФ 2201028. Исполнительно-регулирующее устройство для автоматических систем регулирования температуры обмоток тяговых электрических машин /А.С.Космодамианский, Н.М.Луков и др. - Опубл. в БИ №8, 2003.9. RF patent 2201028. Executive-regulating device for automatic temperature control systems of windings of traction electric machines / A.S. Kosmodamiansky, N.M. Lukov, etc. - Publ. in BI No. 8, 2003.

10. Космодамианский А.С. Измерение и регулирование температуры обмоток тяговых электрических машин локомотивов. Монография. - М. - РГОТУПС, 2002. - 285 с.10. Cosmodamian A.S. Measurement and temperature control of windings of traction electric machines of locomotives. Monograph. - M. - RGOTUPS, 2002 .-- 285 p.

Claims

An automatic temperature control system for the windings of traction electric machines with a channel for cooling air, comprising a fan, current and voltage sensors of the traction electric machine, voltage drop on the controlled winding, shaft speed of the electric machine, fan shaft speed, cooling air temperature, a microprocessor controller, comprising a control program with a mathematical model of the cooling system of a traction electric machine as an object of temperature control which allows calculating both the average and maximum local values of the stationary and rotating windings of the traction electric machine, characterized in that the fan shaft is connected to the shafts of two identical induction motors with phase rotors, the stator windings of which are connected to an alternating current source, and the rotor windings are connected in series and connected to a rectifier, the output of which is connected to a semiconductor thermoelectric cooler and a winding circuit block connected to the first output of the mic oprotsessornogo controller; the stator of one of the asynchronous motors is rotary and connected to a drive connected to the second output of the microprocessor controller, and current and voltage sensors of the traction electric machine, voltage drop across the controlled winding, shaft speed of the electric machine, fan shaft rotation speed are connected to the inputs of the microprocessor controller, cooling air temperature.