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Dokumentenidentifikation DE69304475T2 03.04.1997
EP-Veröffentlichungsnummer 0587849
Titel THERMISCHER SCHUTZ FÜR WECHSELSTROMGENERATOR DES HAUPTANTRIEBES EINER LOKOMOTIVE
Anmelder General Electric Co., Schenectady, N.Y., US
Erfinder VANEK, Laurence, Dean, Girard, PA 16417, US;
MCGRATH, Robert, Gerald, North East, PA 16428, US
Vertreter Voigt, R., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 65812 Bad Soden
DE-Aktenzeichen 69304475
Vertragsstaaten DE, ES, FR, GB, IT, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 12.03.1993
EP-Aktenzeichen 939074621
WO-Anmeldetag 12.03.1993
PCT-Aktenzeichen US9302279
WO-Veröffentlichungsnummer 9320608
WO-Veröffentlichungsdatum 14.10.1993
EP-Offenlegungsdatum 23.03.1994
EP date of grant 04.09.1996
Veröffentlichungstag im Patentblatt 03.04.1997
IPC-Hauptklasse H02H 7/06
IPC-Nebenklasse B60L 11/02   

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf thermische Überlasten und insbesondere auf einen thermischen Überlastschutz für Fahrzeug-Synchrongeneratoren (Alternatoren) einer Lokomotive.

Es ist allgemein bekannt&sub1; für einen Überlastschutz für umlaufende elektrische Maschinen zu sorgen. Die bestehende, angewendete Methodik beruht auf der Verwendung von Statorwicklungs-Temperatursensoren, um ein Signal für entweder Alarm, Lastsenkung oder "Auslösung" des Synchrongenerators zu sorgen, wenn über eine gegebene Grenze hinausgehende Temperaturen auftreten. Dies würde üblicherweise das Ergebnis von irgendeiner Art von elektrischer Überlast sein. Die Schutzfunktion würde dadurch ausgeführt werden, daß entweder die Last manuell verkleinert oder für eine Schnellabschaltung des Schalters des Synchrongenerators gesorgt wird.

Ein Überlastschutz für umlaufende elektrische Maschinen soll eine Einrichtung schaffen, um eine ibermäßige Erwärmung des elektrischen Wicklungsisolationssystems zu verhindern. Der verwendete Schutz ist für die meisten Typen von umlaufenden elektrischen Maschinen ähnlich gewesen, und die verwendeten Vorrichtungen fallen ublicherweise in eine von mehreren Kategorien. Beispielsweise kann die verwendete Vorrichtung eine Zeitverzögerungs-Überstromvorrichtung oder ein -relais, ein thermisches Relais oder eine Vorrichtung, die durch den elektrischen Maschinenstrom betätigt wird, ein Temperaturrelais oder eine -vorrichtung, die durch einen eingebetteten Wicklungstemperatursensor oder Thermostat betätigt wird, oder eine Kombination von diesen Vorrichtungen sein.

Die gewählte Schutzoption besteht üblicherweise darin, einen Alarm an einen Operator zu liefern, den Synchrongenerator von seiner Last zu trennen oder auszulösen oder kurze Überlast-Ausschläge zu gestatten, die mit der Inverszeit-Überlastbegrenzungskurve der Maschine kompatibel ist. Die Verwendung von eingebetteten Wicklungssensoren ist gegenwärtig das bevorzugte Verfahren für thermischen Schutz. Die meisten großen Maschinen verwenden gewöhnlich Widerstand-Temperatur-Detektoren (RTD's für Resistance Temperature Detectors), die in den Statorwicklungen eingebettete sind, um die Statorwicklungstemperaturen direkt abzufühlen.

Leider sind Lokomotiven-Traktions-Synchrongeneratoren üblicherweise nicht gegenüber beschädigenden thermischen Überlasten geschützt worden aufgrund der Philosophie, daß zulässige Kurzzeit-Nennwertgrenzen des Traktionsmotors verhindern werden, daß die Temperaturen des Synchrongenerators überhöhte Werte erreichen. Es ist ersichtlich, daß ein Bedürfnis besteht für eine thermische Schutzsteuerung, die für eine glatte und graduelle Verkleinerung in der elektrischen Last des Synchrongenerators sorgt.

Zusammenfassung der Erfindung

Dieses Bedürfnis wird erfüllt durch das Verfahren und das System gemäß der vorliegenden Erfindung, das für einen Schutz des Lokomotiven-Traktions-Synchrongenerators (Alternators) gegen thermische Überlasten sorgt. Die Erfindung verwendet Statorwicklungs-Temperaturinformation, die von einem eingebetteten Sensor erhalten wird.

Die vorliegende Erfindung schafft auch ein thermisches Überlastschutz-Steuersystem und ein Verfahren für eine Lokomotive mit einem Synchrongenerator (Alternator), der Gleichstromleistung über einen Gleichrichter an mehrere Traktionsmotoren liefert. Das System und das Verfahren beinhalten ein Abtasten der Umgebungseinlaßlufttemperatur zu dem Synchrongenerator und Liefern einer Sensortemperatur. Eine einzelne Traktionsmotor-Stromtemperatur wird dann berechnet unter Verwendung der Einlaßlufttemperatur und der Sensortemperatur. Schließlich wird die thermische Überlast als Antwort auf den Traktionsmotorstrom gesteuert.

Dementsprechend ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen thermischen Überlastschutz zu schaffen. Es ist eine weitere Aufgabe, einen thermischen Überlastschutz automatisch in einer Weise zu schaffen, die mit Dieselmotor-Lasterfordernissen kompatibel ist. Diese und andere Aufgaben werden aus einem Lesen der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen und Ansprüchen deutlich.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Figur 1 ist eine Darstellung von einer üblichen Lokomotive, die das hier beschriebene thermische Überlastschutzsystem verwendet; und

Figur 2 ist ein Fließbild des in Figur 1 gezeigten thermischen Überlastschutzsystems.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

In Figur 1 ist eine dieselelektrische Lokomotive 10 dargestellt, die durch ein thermisches Überlastschutzsystem 12 gesteuert wird, wie es hier beschrieben wird. Allgemein ist die Lokomotive 10 in diesem speziellen Beispiel in der Weise gezeigt, daß sie ein Triebwerk 14 und einen Haupttraktions-Synchrongenerator 16 aufweist. Der Haupttraktions-Synchrongenerator 16 hat üblicherweise eine Felderregung, die durch ein an Bord befindliches Mikrocomputersystem 18 gesteuert wird, um eine Last konstanter Leistung an dem Triebwerk 14 beizubehalten, wenn die Lokomotive 10 in ihrer normalen kontinuierlichen Nennleistungsumgebung arbeitet. Eine Steuerung der Felderregung des Synchrongenerators verändert die Zugkraft, die durch Traktionsmotoren geliefert wird, die auf jeder Achse auf den Lokomotivengestellen 20 angebracht sind. Das Mikrocomputersystem 18 steuert die Lokomotive 10 und kann einen oder mehrere Mikrocomputer aufweisen zum Steuern und Schützen gegen beschädigende Betriebsbedingungen.

Von dem Lokomotiven-Schutzsystem 14, dem Traktionsgenerator 16 und den Traktionsmotoren (nicht gezeigt) kann gefordert werden, für kurze Zeiten jenseits der Dauernennwerte ihrer Teile zu arbeiten. In diesem Fall berechnet das thermische Überlastschutzsystem 12 des Traktionsgenerators kontinuierlich einen begrenzenden Wert für den Generatorlaststrom in Größen des Traktionsmotorstroms, und die Zugkraft der Lokomotive wird automatisch dementsprechend eingestellt. Die Aufgabe besteht darin, eine Überhitzung der Wicklungsisolation des Generators zu verhindern. Die Einrichtung, die jede geeignete Einrichtung sein kann, aber vorzugsweise ein Computer-Softwareprogramm zum Ausführen dieser Berechnung ist, ist in dem Mikrocomputer 18 enthalten.

Es sei darauf hingewiesen, daß das thermische Überlastschutzsystem 12, wie es hier beschrieben wird, mit Vorteil mit jedem Typ von einer umlaufenden elektrischen Maschine verwendet werden kann. Das thermische Überlastschutzsystem 12 wird für eine Verwendung mit der Lokomotive 10 nur zu Beschreibungszwecken dargestellt, und es nicht als Beschränkung der Erfindung zu verstehen.

Es wird nun auf Figur 2 und weiterhin auf Figur 1 Bezug genommen; das thermische Überlastschutzsystem 12 ist als ein Fließbild von Rechen- und Meßschritten gezeigt, die als Blöcke dargestellt sind. Jeder Block beschreibt hier eine Operation oder einen Schritt, der durch das thermische Schutzsystem 12 ausgeführt wird. Es sei darauf hingewiesen, daß die Operationen auch durch diskrete Komponenten ausgeführt werden können, wobei jeder Block eine Array von Schaltungen aufweist.

Das Blockdiagramm in Figur 2 stellt ein Verfahren dar, um für einen thermischen Überlastschutz für umlaufende elektrische Maschinen zu sorgen und soll ein Mittel schaffen, eine übermäßige Erhitzung in einer Weise zu verhindem, die mit Dieseltriebwerks-Belastungserfordernissen kompatibel ist. Es gibt kein Auftreten einer abrupten Änderung oder eines plötzlichen Verlustes der Zugkraft der Lokomotive während der Ausführung der Schritte, die in dem Fließbild von Figur 2 dargestellt sind.

In dem Fließbild 12 in Figur 2 werden drei Systemvariablen abgefühlt und liefern die einzigen erforderlichen Eingaben für das Verfahren zum Schaffen eines thermischen Überlastschutzes, das üblicherweise in Echtzeit in Ein-Sekunden-Intervallen ausgeführt wird. Die erforderlichen Systemvariablen umfassen Umgebungseinlaßlufttemperatur zu dem Lokomotiven-Traktionsgenerator, einen in die Generatorstatorwicklung eingebetteten Temperatursensor und Traktionsmotorankerstrom. Die Auslesung des Temperatursensors wird über eine Nachschlagetabelle in eine Temperatur in Grad Celsius umgewandelt. Die entstehende Sensortemperatur und der abgetastete Wert der Umgebungslufttemperatur werden verwendet, um eine Traktionsmotor-Strombegrenzung zu berechnen, die dann mit dem bestehenden Stromwert verglichen wird. Wenn die Grenze überschritten wird, wird der Feldstrom des Generators so eingestellt, daß der abgetastete Traktionsmotorstrom gleich dem berechneten Wert ist. Der Traktionsmotorstrom und der Traktionsgeneratorstrom stehen linear und direkt miteinander in Beziehung, da die Generatorstrombegrenzung gleich der Traktionsmotor-Strombegrenzung ist, multipliziert mit der Anzahl von Traktionsmotoren pro Lokomotive. Der Traktionsmotorstrom wird aus Zweckmäßigkeitsgründen abgefühlt. Es ist der Traktionsgeneratorstrom, der geregelt werden soll.

Das Fließbild 12 beginnt am Block 22, wo der Wicklungssensor ausgelesen wird, und schreitet fort zum Block 24, um die Wicklungssensortemperatur zu ermitteln. Wenn die Wicklungssensortemperatur an dem Entscheidungsblock 26 dahingehend bestimmt wird, daß sie kleiner als oder gleich einer im voraus festgesetzten Wicklungssensor-Temperaturflagge Tlim ist, geht das Programm 12 zum Block 28 und wird wiederholt. Wenn in dem Entscheidungsblock 26 ermittelt wird, daß die Wicklungssensortemperatur größer als die Temperaturgrenze ist, dann wird die Umgebungstemperatur am Block 30 gelesen.

Das Programm 12 läuft dann weiter zum Block 32, wo die Traktionsmotor-Strombegrenzung berechnet wird, bevor es zum Block 34 weiterläuft, wo der abgetastete Traktionsmotorstrom gelesen wird. Wenn an dem Entscheidungsblock 36 ermittelt wird, daß der abgetastete Traktionsmotorstrom kleiner als oder gleich der berechneten Traktionsmotorstrombegrenzung aus dem Block 32 ist, läuft das Programm 12 direkt weiter zu dem Fortsetzungsblock 28, um wiederholt zu werden. Wenn an dem Entscheidungsblock 36 ermittelt wird, daß der abgetastete Traktionsmotorstrom größer als die berechnete Traktionsmotorstrombegrenzung von dem Block 32 ist, setzt das Programm 12 am Block 38 den abgetasteten Traktionsmotorstrom gleich der berechneten Traktionsmotorstrombegrenzung.

Wenn am Entscheidungsblock 40 ermittelt wird, daß der abgetastete Traktionsmotorstrom, der nun gleich der berechneten Traktionsmotorstrombegrenzung ist, größer als oder gleich dem kontinuierlichen Traktionsmotar-Nennstrom ist, läuft das Programm zum Block 28 und wird wiederholt. Wenn an dem Entscheidungsblock 40 ermittelt wird, daß der abgetastete Traktionsmotorstrom, der nun gleich der berechneten Traktionsmotorstrombegrenzung ist, kleiner als der kontinuierliche Traktionsmotor-Nennstrom ist, läuft das Programm weiter zum Block 42, um den kontinuierlichen Traktionsmotorstrom gleich der berechneten Traktionsmotorstrombegrenzung zu setzen. Das Programm läuft dann zum Block 28 weiter, wo es fortgesetzt wird.

Es wird weiterhin auf Figur 2 Bezug genommen; die Strombegrenzung (LIMIT) des Traktionsmotors wird durch das thermische Überlastschutzsystem gemäß der folgenden Gleichung (1) gerechnet:

LIMIT = K1 - K2*((T - TA)/TCORR + TA)

wobei

LIMIT = Traktionsmotor-Strombegrenzung

K1 = Konstante, die mit der maximalen zulassigen Wicklungstemperatur in Beziehung steht (K1 = Iss/NTM + K2*Ths)

Iss = stationärer Generatorstrom entsprechend Ths

NTM = Anzahl der Traktionsmotoren pro Lokomotive

Ths = maximale zulässige Statorwicklungs- Hitzepunkttemperatur

K2 = Konstante, die mit der Zeitrate der Lastverminderung in Beziehung steht

T = Statorwicklungs-Sensortemperatur

TA = Umgebungslufttemperatur des Generators

TCORR = Kalibrierungsfaktor

(Sensoranstieg/Hitzepunktanstieg)

Der Traktionsmotor-Strombegrenzungswert LIMIT, der gemäß Gleichung (1) berechnet wird, ist eine direkte Funktion des Wicklungssensor-Temperaturanstiegs über die Umgebungslufttemperatur des Generators. Größere Werte des Sensortemperaturanstiegs ergeben kleinere Werte für die Stromgrenze. Der berechnete Traktionsmotor-Stromgrenzwert variiert, wenn die Überlast fortschreitet aufgrund der Tatsache, daß er kontinuierlich berechnet wird während des Betriebes des thermischen Überlastschutzsystems 12. Wenn die berechneten Traktionsmotor-Stromgrenz- und abgetasteten Stromwerte komzidieren, beginnt die Absenkung der Generatorlast.

Das thermische Überlastschutzsystem und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung sorgen für einen Schutz gegen thermische Überbelastungen an dem Traktionsalternator der Lokomotive. Das System und das Verfahren verwenden Statorwicklungs-Temperaturinformation, die von einem eingebetteten Sensor erhalten wird. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung werden das System und das Verfahren durch die Mikrocomputer an Bord der Lokomotive ausgeführt. Die Wirkung auf das Antriebssystem aufgrund der Ausführung des Systems und des Verfahrens ist eine glatte und graduelle Senkung in der elektrischen Last des Generators auf einen neuen Wert, der gleichzeitig die Wicklungstemperatur auf einen vorbestimmten Wert begrenzt, und zwar ohne irgendeine abrupte Änderung oder einen totalen Verlust der Zugkraft der Lokomotive. Der Generator wird nicht von seiner Last getrennt, und das System und das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung bringen das Antriebssystem in einen sicheren Betriebszustand in Übereinstimmung mit einer im voraus festgesetzten Betriebstemperaturgrenze, ohne daß irgendeine menschliche Intervention erforderlich wird.

Die vorliegende Erfindung sorgt für ein System und ein Verfahren zum thermischen Überlastschutz und verhindert schädliche transiente thermische Überbelastungen, die einen Ausfall des Generators bewirken können oder die Lebensdauer seiner Isolation drastisch verkürzen können. Ein zusätzlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie die Belastung der Kraftmaschine oder des Dieselmotors graduell und glatt verkleinert. Dieser Vorgang vermeidet die übermäßige transiente Erzeugung von Motorrauch. Eine transiente Überdrehzahl des Triebwerks, wie sie bei einem plötzlichen Verlust oder einer abrupten Lastsenkung auftreten würde, wird ebenfalls vermieden. Schließlich ist eine Intervention durch einen menschlichen Operator an keiner Stufe der Schutzfunktion oder während der Erholung von der aufgetretenen Überlast erforderlich.

Nachdem die Erfindung im Detail und unter Bezugnahme auf ihr bevorzugtes Ausführungsbeispiel beschrieben worden ist, wird deutlich, daß andere Modifikationen und Abwandlungen möglich sind, ohne von dem Schutzumfang der Erfindung, wie er in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen.


Anspruch[de]

1. Steuerverfahren für thermischen Überlastschutz für eine Lokomotive mit einem Generator, der mehreren Traktionsmotoren Gleichstromleistung zuführt, wobei das Verfahren die Schritte enthält:

(a) Bereitstellen einer Statorwicklungs-Sensortemperatur (22),

(b) Abtasten von Umgebungseinlaßlufttemperatur zu dem Generator (30),

(c) Berechnen einer Traktionsmotor-Stromgrenze (32), um einen berechneten Traktionsmotor-Stromgrenzwert zu erzeugen, enthaltend die Schritte:

i. Dividieren einer Differenz zwischen der Statorwicklungs-Sensortemperatur und der Generator-Umgebungslufttemperatur durch einen Kalibrationsfaktor, um einen ersten Wert zu erzeugen,

ii. Summieren des ersten Wertes und der Generator-Umgebungslufttemperatur, um einen zweiten Wert zu erzeugen,

iii. Multiplizieren des zweiten Wertes mit einer Konstanten, die mit der Zeitrate der Lastreduktion in Beziehung steht, um einen dritten Wert zu erzeugen, und

iv. Subtrahieren des dritten Wertes von einer Konstanten, die mit einer maximalen zulässigen Wicklungstemperatur in Beziehung steht, um einen vierten Wert zu erzeugen, der den berechneten Traktionsmotor-Stromgrenzwert angibt, und

(d) Steuern des Generatorfeldstroms als Antwort auf den berechneten Traktionsmotor-Stromgrenzwert.

2. Steuerverfahren für thermischen Überlastschutz nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Steuerns der thermischen Überlast ferner den Schritt enthält, daß der Generatorfeldstrom automatisch so eingestellt wird, daß der abgetastete Traktionsmotorstrom gleich dem berechneten Traktionsmotor- Stromgrenzwert ist.

3. Steuerverfahren für thermischen Überlastschutz nach Anspruch 1, ferner die Schritte enthaltend:

(a) Abtasten eines bestehenden Traktionsmotor-Stromwertes (34) und

(b) Vergleichen des berechneten Traktionsmotor-Stromgrenzwertes mit dem bestehenden Traktionsmotor-Stromwert (36).

4. Steuerverfahren für thermischen Überlastschutz nach Anspruch 1, wobei der Schritt des Bereitstellens einer Sensortemperatur ferner den Schritt enthält, daß ein in die Statorwicklung des Generator eingebetteter Temperatursensor verwendet wird.

5. Thermisches Überlastschutzsystem für eine Lokomotive mit einem Generator, der mehreren Traktionsmotoren Gleichstromleistung zuführt, enthaltend:

(a) eine Einrichtung zum Bereitstellen einer Statorwicklungs-Sensortemperatur,

(b) eine Einrichtung zum Abtasten von Umgebungseinlaßlufttemperatur zu dem Generator,

(c) eine Einrichtung zum Berechnen einer Traktionsmotor-Stromgrenze, um einen berechneten Traktionsmotor-Stromgrenzwert zu erzeugen, enthaltend:

i. eine Einrichtung zum Dividieren einer Differenz zwischen der Sensortemperatur und der Umgebungslufttemperatur des Generators durch einen Kalibrationsfaktor, um einen ersten Wert zu erzeugen,

ii. eine Einrichtung zum Summieren des ersten Wertes und der Umgebungslufttemperatur des Generators, um einen zweiten Wert zu erzeugen,

iii. eine Einrichtung zum Multiplizieren des zweiten Wertes mit einer Konstanten, die mit einer Zeitrate der Lastreduktion in Beziehung steht, um einen dritten Wert zu erzeugen, und

iv. eine Einrichtung zum Subtrahieren des dritten Wertes von einer Konstanten, die mit einer maximalen zulässigen Wicklungstemperatur in Beziehung steht, um einen vierten Wert zu erzeugen, der den berechneten Traktionsmotor-Stromgrenzwert angibt, und

(d) eine Einrichtung zum Steuern des Generatorfeldstroms als eine Antwort auf den berechneten Traktionsmotor- Stromgrenzwert.

6. Thermisches Überlastschutzsystem nach Anspruch 5, ferner enthaltend:

(a) eine Einrichtung zum Abtasten eines bestehenden Traktionsmotor-Stromwertes, und

(b) eine Einrichtung zum Vergleichen des berechneten Traktionsmotor-Stromgrenzwertes mit dem bestehenden Traktionsmotor-Stromwert.

7. Thermisches Überlastschutzsystem nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Abtasten von Umgebungseinlaßlufttemperatur einen Wicklungstemperatursensor aufweist.

8. Thermisches Überlastschutzsystem nach Anspruch 5, wobei die Einrichtung zum Bereitstellen einer Sensortemperatur einen in die Statorwicklung des Generators eingebetteten Temperatursensor aufweist.

9. Thermisches Überlastschutzsystem nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung zum Berechnen einer Traktionsmotor- Stromgrenze eine kontinuierliche Berechnung aufweist.

10. Thermisches Überlastschutzsystem nach Anspruch 6, wobei die Einrichtung zum Abtasten eines bestehenden Traktionsmotor-Stromwertes einen Gleichstromshunt aufweist.







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