СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ВЫСОКООБОРОТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Полезная модель относится к испытательной технике, в частности, к установкам и стендам для испытания высокооборотных электрических машин подвижного состава при воздействии регулируемых динамичных нагрузок и вибраций, изменяющихся по заданному закону. Предложенное техническое решение может найти применение, в том числе, при создании установок для вибрационных и динамических испытаниях электродвигателей локомотивов и другого подвижного состава железнодорожного транспорта на стадиях проектирования, производства и послеремонтных испытаний электрических машин.
Известен стенд для исследований асинхронных электроприводов, содержащий силовые цепи питания электродвигателя и нагрузочного генератора, преобразователи частоты и постоянного тока, блоки коммутации, датчики тока, напряжения и скорости вращения двигателя, блоки гальванической развязки и преобразования сигналов датчиков, устройства управления силовыми модулями преобразователей, устройство ввода/вывода информационных и управляющих сигналов, отличающийся тем, что устройство ввода/вывода информационных и управляющих сигналов размещено на системной магистрали персонального компьютера внутри его корпуса и выполнено в виде универсальной платы сопряжения, имеющей стандартный интерфейс для подключения к системной магистрали и набор устройств для ввода и вывода информационных и управляющих сигналов как в цифровой, так и в аналоговой форме, при этом плата включает многоканальный аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, порт ввода/вывода дискретных сигналов и таймер - генератор тактовых импульсов [патент №31079 U1, МПК: H02P 9/46, опуб. 10.07.2003 г., БИ №19, «Стенд для исследований асинхронных электроприводов», автор Крюков О.В. и др.].
Недостатком данного стенда является то, что он не предоставляет возможности проведения динамических вибрационных испытаний электрических машин, имитирующих воздействие динамических сил, возникающих при движении подвижного состава железнодорожного транспорта.
Известен стенд для испытаний высокооборотных электрических машин, содержащий две группы клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине, размещенной на одном валу с нагрузочным генератором, силовой преобразователь частоты, преобразователь постоянного тока, три сетевых блока коммутации и блок коммутации нагрузочного генератора, датчики тока, напряжения и скорости вращения высокооборотной электрической машины, блок преобразования сигналов датчика скорости вращения, состоящее из системы импульсного формирователя управления и драйвера устройство управления силовыми модулями силового преобразователя частоты, устройство ввода/вывода информационных и управляющих сигналов, которое выполнено в виде платы сопряжения стенда с системной магистралью персонального компьютера и имеет блок ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов, цифроаналоговый преобразователь и таймер-генератор тактовых импульсов, при этом последовательно соединенные силовой преобразователь частоты, вход которого через первый сетевой блок коммутации подключен к питающей сети, датчик тока и датчик напряжения присоединены к первой группе клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине и входу блока коммутации нагрузочного генератора, к которому присоединен нагрузочный генератор с последовательно соединенными датчиком скорости вращения высокооборотной электрической машины и блоком преобразования сигналов датчика скорости вращения, кроме того, нагрузочный генератор через последовательно соединенные блок коммутации нагрузочного генератора, преобразователь постоянного тока и второй сетевой блок коммутации подключен к питающей сети, которая через третий силовой блок коммутации подключена к второй группе клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине, при этом соответствующими выходами плата сопряжения соединена с первым и вторым сетевыми блоками коммутации, блоком коммутации нагрузочного генератора, преобразователем постоянного тока, системной магистралью персонального компьютера и посредством устройства управления силовыми модулями преобразователей с силовым преобразователем частоты, отличающийся тем, что введены блок диагностики и защиты, датчики температур силовой обмотки высокооборотной электрической машины, ее переднего и заднего подшипников и корпуса, а также поперечные и вертикальные вибродатчики передней и задней стенок корпуса высокооборотной электрической машины, и осевой, при этом перечисленные датчики присоединены к соответствующим конструктивным элементам высокооборотной электрической машины, а их выходы и выходы блока преобразования сигнала датчика скорости вращения высокооборотной электрической машины, датчиков тока и напряжения присоединены к входу блока диагностики и защиты, выход которого присоединен к плате сопряжения [патент RU №103934 U1, МПК: G01R 35/00, опуб. 27.04.2011 г., БИ №12, «Стенд для испытаний высокооборотных электрических машин», автор Боровиков П.В. и др.].
Недостатком данного стенда является то, что он не предоставляет возможности проведения динамических вибрационных испытаний электрических машин, имитирующих воздействие динамических сил, возникающих при движении подвижного состава железнодорожного транспорта.
Техническим результатом данной полезной модели является расширение функциональных возможностей испытательного стенда, за счет дополнительных вибрационных воздействий, имитирующих динамическое воздействие неровностей пути на высокооборотные электрические машины при эксплуатации подвижного состава.
Технический результат достигается тем, что в стенд для испытания высокооборотных электрических машин дополнительно введены датчик скорости вращения вала, две группы клемм, опорная станина с датчиком перемещения, который соединен с блоком диагностики и защиты, синусный механизм, электропривод с датчиком частот, блок управления и питания, блок преобразования сигналов, причем на опорной станине размещены испытуемая высокооборотная электрическая машина, нагрузочный генератор, и дополнительно установлена опорная станина, которая соединена с блоком вынужденных колебаний для динамических нагрузок стенда, который соединен с синусным механизмом, который установлен на валу электропривода, на котором так же установлен и датчик скорости электропривода, причем блок преобразования сигналов, блок управления и питания соединен с устройством ввода и вывода информационных и управляющих сигналов.
На фигуре показана структурная схема стенда для испытаний высокооборотных электрических машин.
В представленном на фиг. устройстве высокооборотная электрическая машина - 1 подключена к стенду для испытаний, содержащему: нагрузочный генератор - 2; силовой преобразователь частоты - 3; преобразователь постоянного тока - 4; три сетевых блока коммутации 5, 6, 7; блок коммутации нагрузочного генератора - 8; датчики тока - 9; датчики напряжения - 10; датчик скорости вращения - 11 высокооборотной электрической машины 1; стенд имеет четыре группы клемм K1, К2, К3 и К4, клеммы К1 и К2 для подключения питания к исследуемой высокооборотной машине, а клеммы К3 и К4 для подключения питания к устройству вынужденных колебаний; блок преобразования сигналов - 12 датчика скорости вращения 11; систему импульсного формирователя управления (СИФУ) - 13 и драйвер - 14, входящие в состав устройства управления силовыми модулями - 15 силового преобразователей частоты 3; устройство ввода/вывода информационных и управляющих сигналов - 16, которое выполнено в виде платы сопряжения стенда с системной магистралью персонального компьютера - 17 и имеет не показанные на фигуре блок ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов, цифроаналоговый преобразователь и таймер-генератор тактовых импульсов; блок диагностики и защиты - 18; датчик температуры силовой обмотки высокооборотной электрической машины - 19; датчики температуры переднего - 20 и заднего - 21 подшипников соответственно; датчик температуры корпуса - 22 ВЭМ 1; вибродатчики поперечные - 23, 24 передней и задней стенок корпуса соответственно; вибродатчики вертикальные - 25, 26 передней и задней стенок корпуса соответственно; вибродатчик осевой - 27, управляемый выпрямитель (УВ) - 28; фильтр - 29; автономный инвертор напряжения (АИН) - 30, датчик перемещений 31 опорной станины стенда 33, блок вынужденных колебаний 32, синусный механизм 34, установленного на валу электропривода 35, датчик 36 скорости вращения вала электропривода и блок преобразования сигналов 37, которые подключены к блоку управления и питания 38.
Стенд для испытаний высокооборотных электрических машин работает следующим образом: стенд управляется от персонального компьютера по системной магистрали 17. От персонального компьютера по системной магистрали 17 к плате сопряжения 16 передается сигнал управления. Плата сопряжения 16 начинает генерировать сигналы управления, которые поступают на вход сетевого блока коммутации 5, вход системы импульсного формирования управления 13 и вход драйвера 14, устройства управления силовыми модулями преобразователей 15, а также на вход блока управления и питания 38 устройства вынужденных колебаний системы динамического нагружения стенда 32. Питание от блока 38, через клеммы К3 и К4 подается на электрод 35 и синусный механизм 34 приходит в движение и создает колебания опорной станине 33. Вертикальные колебательные движения опорной станины фиксируются датчиком перемещения 31 и передаются на вход диагностики 18. Частота вращения вала электропривода 35 и синусного механизма 34 снимается датчиком частоты вращения 36 и через блок преобразования сигналов 37, подается на блок управления и питания 38. Блок управления и питания 38 управляет работой устройства вынужденных колебаний системы динамического нагружения стенда. Система импульсного формирования управления 13 генерирует нужной формы сигнал управления для управляемого выпрямителя 28, а драйвер 14 генерирует нужной формы сигнал управления для автономного инвертора напряжения 30. Сетевое напряжение, через сетевой блок коммутации 5, поступает на сетевой вход управляемого выпрямителя 28, где оно выпрямляется. К автономному инвертору напряжения 30 поступает уже выпрямленное, сглаженное через фильтр 29 напряжение. Таким образом, силовой преобразователь частоты 3 генерирует напряжение необходимой формы, в зависимости от требований испытуемой высокооборотной электрической машины 1. Это напряжение прикладывается к испытуемой ВЭМ 1, которая подсоединена, например, только к группе клемм К1 или К2. При этом ток по этой цепи протекает через датчик тока 9, сигнал с которого поступает на вход блока диагностики и защиты 18. Сигнал с датчиков напряжения 10 также поступает на вход блока диагностики 18, работа которого будет описана ниже. Напряжение, приложенное к испытуемой ВЭМ 1, так же прикладывается к блоку коммутации нагрузочного генератора 8. Таким образом, испытуемая ВЭМ 1 начинает работать. Поскольку нагрузочный генератор 2 находится на одном валу с испытуемой ВЭМ 1, скорость вращения вала нагрузочного генератора такая же, как скорость вращения ротора ВЭМ 1. Сигнал импульсного датчика 11 скорости вращения двигателя (ВЭМ) 1 поступает на вход схемы счета 12, где полученный импульсный сигнал преобразуется в цифровой код скорости, который поступает на вход блока диагностики и защиты 18. Сетевой блок коммутации 7 подает питание на статор ВЭМ 1 при работе в режиме машины двойного питания (МДП). При необходимости питания ВЭМ 1 постоянным напряжением при экспериментальном определении сопротивлений фаз обмотки статора, плата сопряжения 16 подает сигнал на вход блока коммутации нагрузочного генератора 8, преобразователя постоянного тока 4 и сетевого блока коммутации 6. Таким образом, обмотки ВЭМ 1 оказываются под постоянным напряжением, которое обеспечивается через управляемые платой сопряжения 16 блок коммутации нагрузочного преобразователя 8, преобразователь постоянного тока 4 и сетевой блок коммутации 6, подключенный к сети.
При работе испытуемой ВЭМ 1, датчик температуры силовой обмотки 19, датчик температуры переднего подшипника 20, датчик температуры заднего подшипника 21, датчик температуры корпуса 22, поперечные вибродатчики 23, 24 передней и задней стенок корпуса соответственно, вертикальные вибродатчики 25, 26 передней и задней стенок корпуса соответственно, а так же осевой вибродатчик 27 и датчик перемещений 31 опорной станины передают информацию в блок диагностики и защиты 18. Блок диагностики и защиты 18 обрабатывает полученные со всех датчиков сигналы. Обработанные данные через плату сопряжения 16 передаются на системную магистраль 17. В случае превышения максимально допустимых значений параметров контролируемых величин, блок диагностики и защиты 18 генерирует сигнал аварии, который поступает на плату сопряжения 16. В этом случае плата сопряжения 16 изменяет управляющие сигналы, и либо понижает входные параметры питания испытуемой ВЭМ 1 и электропривода 35 устройства вынужденных колебаний системы динамического нагружения стенда, либо, если предыдущее действие невозможно, разрывает питание испытуемой ВЭМ 1 и электропривода 35 с сетью путем размыкания сетевых блоков коммутации 5, 6, 7 и блока питания и управления 38. Например, при нагреве подшипников они расширяются в размерах, что может привести к их заклиниванию, и, как следствие, к выходу из строя испытуемой ВЭМ 1.
Таким образом, при контроле перечисленных параметров имеется возможность надежно защитить исследуемую ВЭМ 1.
Предлагаемый стенд позволяет: расширить функциональные возможности стенда для вибрационных и динамических испытаний электродвигателей локомотивов и другого подвижного состава железнодорожного транспорта, повысить качество испытаний электрических машин, снизить количество отказов электрических машин в эксплуатации на 20% и уменьшить силы сопротивления вращения вала ротора электрической машины на 3% за счет своевременного выявления, в процессе испытания на стенде, не качественного монтажа вала ротора электрической машины на подшипники электрической машины и тем самым позволяет исключить быстрый и неравномерный износ вала ротора и выход из строя подшипников.