5.3. Автоматическое регулирование температуры электрических машин

На локомотивах тяговые электрические машины охлаждаются воздухом, продуваемым через внутренние полости специальными вентиляторами. Подача воздуха к электрическим машинам может осуществляться как от независимых вентиляторов, так и от вентиляторов, насаженных на вал электрической машины. В первом случае имеет место принудительная система охлаждения, во втором – самовентиляция.

Тяговые электрические машины локомотивов большой мощности всегда имеют принудительную систему вентиляции, так как они обычно имеют большой ток при малой частоте вращения якоря.

Охлаждение тяговых электрических машин осуществляться индивидуальными или групповыми вентиляторами, или централизованной системой подачи охлаждающего воздуха. Во всех случаях расход воздуха через электрические машины зависит только от режима работы дизеля тепловоза (постоянное значение для электровозов) и не зависит от параметров окружающей среды, что приводит к значительному перерасходу мощности на привод вентиляторов охлаждения. Как показывает опыт эксплуатации, такой привод неэффективен с точки зрения расхода электроэнергии. Среднее значение потребляемой электроэнергии вспомогательными машинами на локомотивах переменного тока более чем в два раза превышает аналогичный показатель на электровозах постоянного тока.

Основная доля потребления электроэнергии приходится на систему вентиляции силового оборудования (тяговых двигателей, тягового трансформатора, сглаживающих реакторов и др.). Повышенный расход связан, прежде всего, с тем, что мощность систем вентиляции определяется из условия реализации локомотивом номинальной мощности при самых неблагоприятных условиях.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Система регулирования расхода воздуха для охлаждения тяговых электрических машин тепловоза ТЭ10УК дозирует поток воздуха на тяговые генератор и электродвигатели. Расход воздуха Q1 … Q3, охлаждающего тяговые электрические машины, регулируется блоками жалюзи БЖ1 … БЖ3(БЖ1 - для тягового генератора, БЖ2 - для тяговых электродвигателей передней тележки, БЖ3 - для задней). Блоки жалюзи устанавливаются на входы вентиляторов и управляются тяговыми электромагнитами ТМ1 … ТМ3соответственно.

 

При отсутствии тока в катушках электромагнитов жалюзи находятся в положении "открыто". Вследствие размещения створок жалюзи в потоке воздуха его расход через тяговые электрические машины по сравнению со штатным уменьшается на 3 … 5 %.

При протекании по катушкам электромагнитов тока жалюзи находятся в положении "закрыто". В этом случае расход воздуха через тяговые электрические машины составляет 15 … 20 % от номинального значения. Поэтому значительно уменьшается мощность, необходимая для привода вентиляторов. На холостом ходу дизеля жалюзи воздухозаборников всегда закрыты независимо от позиции контроллера.

Момент открытия жалюзи определяется тепловым состоянием тяговых электрических машин, регистрируемым косвенным путем: по разности температур Dt между воздухом, выходящим из электрической машины и наружным. Для тяговых электрических машин тепловозов 2ТЭ10УК принятоDt = 40°С.

Измерение температур осуществляется датчиками Дt1 … Дt3, установленными в выпускном канале тягового генератора и в окнах для выхода воздуха у 2-го и 5-го тяговых электродвигателей.

Такими образом, если Dt < 40 °С жалюзи закрыты, если Dt > 40 °С - открыты. При длительном движении локомотива жалюзи будут периодически открываться (при Dt > 40 °С) и закрываться (при Dt = 37 … 38 °С).

Обмотки главных полюсов тяговых электродвигателей типа ЭД-118Б имеют изоляцию класса F, для которой допустимое превышение температуры равно 155 °С. Это значение достигается через 33 мин после начала движения с номинальным током.

Для привода вспомогательных машин (вентиляторов, компрессоров, насосов циркуляции трансформаторного масла) на отечественных тепловозах и электровозах переменного тока используют асинхронные трехфазные двигатели. Они получают питание от тягового генератора на тепловозах, через расщепитель фаз на или батарею конденсаторов на электровозах переменного тока. При этом двигатели образуют систему нерегулируемого привода. Особенность асинхронного двигателя в том, что его электромагнитный момент пропорционален квадрату питающего напряжения. Если номинальному напряжению соответствует номинальный пусковой электромагнитный момент электродвигателя МЭМ, то при минимальном напряжении для гарантированного пуска двигателя, имеющего заданный момент сопротивления на валу, его электромагнитный момент должен быть равен 2,16МЭМ.

Мощность, которую необходимо подвести к двигателю для его гарантированного запуска, будет равна 2,16РН, т. е. она, как минимум, в два раза превышает номинальную. Симметрия напряжения питания может быть обеспечена только в условиях номинального или максимально приближенного к нему режиму работы вспомогательных машин. Завышенные мощности приводных двигателей и вызывают перерасход потребляемой электроэнергии.

Снизить потребление электроэнергии на электровозах переменного тока позволяет система регулируемого привода с применением различного рода преобразователей частоты и числа фаз.

Оптимизация режимов работы вентиляторов заключается в изменении количества охлаждаемого воздуха, необходимого для нормального теплового режима оборудования, в зависимости от нагрузок оборудования и температуры окружающей среды. Момент сопротивления Мсопр на валу двигателя вентилятора пропорционален квадрату частоты вращения рабочего колеса или квадрату частоты вращения вала электродвигателя.

 

Поэтому при снижении частоты вращения двигателя n в k раз потребление электроэнергии уменьшается пропорционально величине (n /k)3. Так, если уменьшить частоту вращения двигателей вентиляторов и маслонасосов в 3 раза (автоматической системы управления вентиляции электровозов ВЛ82), то расход электроэнергии сократится примерно в 9 раз, с 290 до 32,2 кВт. Суммарное потребление электроэнергии всеми приводными двигателями вентиляторов в режиме пониженной частоты вращения примерно соответствует потреблению того же количества электроэнергии одним двигателем в номинальном режиме.

Особенность схемы питания электродвигателей привода вспомогательных агрегатов электровоза ВЛ85 состоит в обеспечении нормальной работы двух групп вспомогательных машин при разных частотах питающего напряжения, системах преобразования числа фаз и способах формирования пусковых процессов. Двигатели вентиляторов М11 … М1З и маслонасос М17 могут запитываться либо напряжением частотой 50 Гц непосредственно от выводов аЗ—хЗ обмотки собственных нужд тягового трансформатора, либо напряжением частотой 16 2/3 Гц от преобразователя частоты и числа фаз через соответствующие контакторы.

Преобразователь получает питание от выводов аЗ—5 обмотки собственных нужд тягового трансформатора. Фаза С2 — общая для обеих систем питания, переключение с одной системы на другую — автоматическое в соответствии с токовой нагрузкой тяговых двигателей. Питание двигателей вентилятора и компрессоров осуществляется только напряжением частотой 50 Гц через соответствующие контакторы. При установившихся режимах системы с частотой 50 Гц число фаз преобразовывается при помощи симметрирующих конденсаторов. Они распределены таким образом, что при любом произвольном порядке включения симметрирующая емкость близка к оптимальной. Чтобы увеличить пусковой момент двигателя, включаемого первым, конденсаторы С102 … С104 через контакторы КМ1, КМ2 и КМЗ подключаются к сборным шинам фаз С2 … СЗ.

В качестве датчика окончания процесса пуска и появления трехфазной системы напряжения на сборных шинах С1, С2, СЗ служит реле напряжения панели А1. Для снятия статического заряда с конденсаторов после их отключения имеются резисторы. От токовых перегрузок вспомогательные машины защищены тепловыми реле, при срабатывании которых отключаются соответствующие контакторы.

На электровозе ВЛ85 датчики вентиляции (типа ДВ-3) контролируют величину расхода воздуха в воздуховодах мотор-вентиляторов М11 … М13. Питание всех датчиков системы автоматического управления вентиляции секции электровоза осуществляется от платы блока питания кассеты МКУ-22.1 двухполярным напряжением ±12 В.

Величина расхода воздуха воспринимается чувствительным элементом датчика вентиляции, сигнал с которого усиливается, объединяется с сигналами остальных датчиков вентиляции секции электровоза по схеме «ИЛИ — МАХ» и подается в кассету МКУ-22.1. В последней моделируются тепловые процессы охлаждаемого оборудования. Монтируются датчики вентиляции на улитках мотор-вентиляторов М11 … М13.

Панель управления ПУ-61 представляет собой стальной каркас, на котором монтируются панели реле ПР-61 и фильтра ПФ-24, электромагнитные контакторы 827 … 829 (типа МК1-20) низкой частоты вращения мотор-вентиляторов М11 … М13, а также панель питания ПП-61 и кассета управления МКУ-22.1. Панель управления устанавливается в ВВК. Панель управления ПУ-61 подключается к низковольтным цепям электровоза и блоку БУВ-11 через штепсельные разъемы.

 

Панель реле ПР-61 имеет реле К1, К2, КЗ, К4 и К5. Реле К1 в зависимости от режима работы системы автоматического управления вентиляторами подготавливает цепи включения контакторов КМ11 … КМ13 либо контакторов 827 … 829. Панель фильтра ПФ-24 содержит тумблер SA2 «Вкл. САУВ». Блок индикации БИ-51 состоит из стрелочного указателя температуры (УТ), переключателя SA3 и тумблера SA1 отключения системы автоматического управления вентиляции при работе по системе многих единиц. На шкале УТ нанесены метки уставок переключения на номинальную и низкую частоты вращения мотор-вентиляторов. В температурный указатель встроен светодиодный индикатор красного света отказов системы автоматического управления вентиляции. С помощью переключателя SA3 можно вывести на УТ для контроля температуру оборудования каждой секции. Блок индикации располагается на пульте машиниста в кабине электровоза.

В зависимости от теплового состояния силового оборудования электровоза система автоматического управления вентиляции регулирует расход охлаждающего его воздуха (Q) изменением частоты вращения (n) приводных двигателей вентиляторов М11 … М13.

Кассета МКУ-22.1 вычисляет величину превышения температуры одновременно шести элементов оборудования (тиристоров ВИП, сглаживающих реакторов и четырех частей ТД — обмоток якорей, главных и добавочных полюсов, компенсационных обмоток) и настраивает расход охлаждающего воздуха по максимально нагретому элементу сравнением с уставками переключения на номинальную или низкую частоту вращения вентиляторов.

Превышение температуры вычисляется на основании информации о величинах тока тяговой нагрузки, получаемой от блока измерений БИ-027 в виде напряжения, пропорционального тяговому току, а также о расходе охлаждающего воздуха от датчиков вентиляции. Автоматическая система управления вентиляции имеет две ступени расхода воздуха — номинальный и низкий чему соответствует номинальная nном (f1) и низкая nниз (f2) частоты вращения вентиляторов М11 … М13. При номинальной частоте вращения (nном = 1400 об/мин) мотор-вентиляторы питаются от источника трехфазного напряжения 380 В, 50 Гц электровоза через штатные контакторы КМ11 … КМ13 (контакторы 827 … 829 системы автоматического управления вентиляции в этом случае отключены).

При низкой частоте вращения (nниз = 480 об/мин) мотор-вентиляторы питаются от тиристорного преобразователя частоты блока БУВ-11 через контакторы 827 … 829 (контакторы КМ11 … КМ13 в этом случае отключены). Тиристорный преобразователь блока БУВ-11 совместно с силовым трансформатором создает симметричную трехфазную систему напряжений 65 В (16,66 Гц). Тиристоры преобразователя управляются от панели ПУ-61 импульсами, генерируемыми кассетой МКУ-22.1. Трансформатор подключен к обмотке собственных нужд тягового трансформатора электровоза через панель питания ПП-61. В работу автоматическую систему управления вентиляции вводят выключателем «Вкл. САУВ». При этом тумблер SA1 «Откл. САУВ» на блоке индикации БИ-51 должен стоять в положении «Вкл.».

После поднятия токоприемника и включения ГВ напряжение 380 В переменного тока через приведенные цепи поступает на первичные обмотки силового трансформатора и трансформатора синхронизации.

Когда автоматическая система управления вентиляции включается, температура на УТ блока БИ-51 в кабине устанавливается равной 80 °С. При включенных вентиляторах, собранной схеме «Тяга» и отсутствии тягового тока температура на УТ уменьшается. После того как она достигнет величины 75 °С, начинается автоматический цикл переключения мотор-вентиляторов на низкую частоту вращения, имеющий продолжительность 14 с и состоящий из семи тактов, каждый из которых длится 2 с.

Во ВНИКТИ разработана схема универсального преобразователя напряжения для питания приводов вспомогательных агрегатов всех серий локомотивов. Основой силового модуля является диодно-тиристорные (УВ) и транзисторные модули автономного инвертора напряжения (АИН), датчики тока (ТA1 … ТA4), а также фильтровые конденсаторы СФ и дроссели L.

 

Управляемый выпрямитель предназначен для преобразования входного однофазного или трехфазного напряжения в выпрямленное напряжение, управления предварительным зарядом емкости фильтра СФ, защиты преобразователя в случае коротких замыканий в преобразователе или нагрузке. Управляемый выпрямитель содержит три диодно-тиристорных модуля, при этом катодную группу образуют тиристоры, а анодную – диоды. После плавного заряда емкости фильтра через резисторно-диодную цепь до номинального значения, микропроцессорная система управления включает тиристоры, коммутируя их непрерывно, начиная с точки естественной коммутации.

Автономный инвертор напряжения преобразует выпрямленное напряжение в трехфазное, регулируемое по частоте и амплитуде в соответствии с алгоритмом управления микропроцессорной системы автоматического регулирования. Выходное напряжение автономного инвертора напряжения является выходным напряжением преобразователя частоты. Датчик напряжения ТV1 и датчик тока ТА1 осуществляют, соответственно, контроль уровня постоянного напряжения и постоянного тока. Измерение выходных токов преобразователя осуществляется датчиками тока ТА2, ТА3, ТА4. Напряжение на выходе автономного инвертора напряжения формируется с использованием метода пространственно-векторной модуляции базовых векторов. Микропроцессорный блок управления осуществляет переключение IGBT-модулей в соответствии с используемым законом управления асинхронного двигателя вспомогательного привода.

 

В состав системы управления: центральное процессорное устройство (ЦПУ), фильтры и преобразователи уровней аналоговых сигналов (ФПА), узел ввода-вывода дискретных сигналов (ДВВ), температурные измерители (ТИ), драйвера силовых модулей (ДСМ), блок аппаратных защит (БАЗ), пульт управления и индикации (ПУИ), блок питания (БП). ЦПУ является ядром системы управления и выполнено на основе цифрового сигнального процессора, представляющего собой многофункциональное устройство, предназначенное для выполнения встроенной управляющей программы, ввода-вывода управляющих и диагностических сигналов, их преобразования и обработки по заданным алгоритмам, прямого цифрового управления силовыми транзисторами инвертора и тиристорами выпрямителя.

Блок ТИ позволяет измерять сопротивление резистивных датчиков температуры по двухпроводной (от датчика температуры радиатора) и четырехпроводной (от датчика температуры теплоносителя) схемам. ДСМ обеспечивают управление затворами силовых IGBT-транзисторов и тиристорами анодной группы выпрямителя, а также обеспечивают защиту силовых транзисторов от коротких замыканий в нагрузке и от сквозных токов. ДСМ выполнены на базе стандартных модулей фирмы Concept, установленных непосредственно на плате СУ. ПУИ выполнен на отдельной плате и устанавливается на переднюю панель преобразователя. Информация об основных параметрах работы преобразователя отображается на четырех семисегментных индикаторах. Кнопками можно задавать частоту питания двигателя, регулируемую температуру охлаждающей жидкости дизеля, выбрать для отображения один из указываемых дополнительными светодиодами параметров преобразователя (f, Ud, Id, Uф, Iф, t°С).
Системой управления ведется непрерывный контроль теплового состояния охладителя, работоспособности отдельных узлов преобразователя по показаниям встроенных датчиков тока, напряжения, статусных выходов драйверов. Она обеспечивает следующие виды защит: от превышения максимального тока асинхронного двигателя выше 1,5*IН - отключение через время не более 1 с, от внешних и внутренних коротких замыканий, от превышения входного напряжения автономного инвертора напряжения выше 650 В, от перегрузки силовых транзисторов по току, от превышения температуры корпусов полупроводниковых приборов выше допустимой нормы. После срабатывания защит снимаются сигналы управления силовыми транзисторами, а затем обеспечивается автоматическое повторное включение преобразователя не менее 2 раз.

Силовой преобразователь частоты обеспечивает синусоидальную форму тока в асинхронном электродвигателе, что способствует снижению потерь в нем от высших гармоник. С целью защиты силовых IGBT-модулей от коммутационных перенапряжений непосредственно на их выводах установлены специальные снабберные конденсаторы, которые обеспечивают допустимый уровень перенапряжений. Микропроцессорная автоматическая система управления дает возможность использовать различные законы формирования выходного напряжения.