Стенд для испытания электроприводов

Полезная модель относится к испытательной технике и электрооборудованию и может быть использована для исследования и испытания электроприводов, предназначенных для управления исполнительными механизмами, в частности для управления трубопроводной арматурой.
В настоящее время возросло значение энергосберегающих технологий, обеспечивающих эффективное и рациональное использование электроэнергии, в том числе эффективное использование электроэнергии при производстве и испытаниях электроприводов, особенно тяжело нагруженных электроприводов с большими крутящими моментами.
Известен стенд для испытания двигателя под нагрузкой на основе управления преобразованием частоты (патент CN108845260, опубл. 20.11.2018). Стенд содержит нагрузочный двигатель с преобразователем частоты, испытуемый двигатель с преобразователем частоты, и систему автоматического управления. Оба преобразователя частоты подключены своими входами питания к сети переменного тока и соединены между собой шиной постоянного тока. Двигатели кинематически соединены через установленный между ними датчик крутящего момента, соединенный информационной линией связи со входом системы автоматического управления. Шина постоянного тока снабжена тормозным блоком.
При работе стенда генерируемая нагрузочным двигателем энергия увеличивает напряжение на шине постоянного тока. И когда напряжение на шине постоянного тока превышает установленное значение, тормозной блок высвобождает эту избыточную энергию. Недостатком стенда является использование дополнительного оборудования в виде тормозного блока, в котором в процессе преобразования избыточной энергии возникают дополнительные потери энергии. Наличие дополнительного оборудования в целом снижает надежность работы стенда.
Кроме того, в данном стенде не предусмотрено испытание электроприводов, оснащенных редуктором, что снижает функциональные возможности стенда. Наличие редуктора (кинематической передачи) необходимо в электроприводе исполнительного механизма, т.к. при работе указанного электропривода необходимо учитывать величину и характер изменения механической нагрузки, определяемые параметрами исполнительного механизма. В результате, отсутствие редуктора не позволяет имитировать на стенде реальные условия работы исполнительного механизма.
Известен стенд для испытания электроприводов (патент CN111273171, опубл. 12.06.2020). Стенд содержит нагрузочный электродвигатель с преобразователем частоты, испытуемый электродвигатель с преобразователем частоты, и систему автоматического управления. Преобразователь частоты нагрузочного двигателя подключен своим входом питания к сети переменного тока. Преобразователи частоты нагрузочного и испытуемого двигателей соединены шиной постоянного тока. Преобразователь частоты испытуемого привода своим входом питания подключен к шине постоянного тока. Двигатели механически соединены своими валами для передачи крутящего момента. При работе стенда система управления задает преобразователю частоты нагрузочного двигателя определенное значение величины крутящего момента, с которым указанный двигатель нагружает испытуемый двигатель за счет механического соединения их валов.
В данном стенде генерируемая нагрузочным двигателем энергия возвращается обратно в испытуемый привод через шину постоянного тока и расходуется при вращении испытуемого двигателя. Однако недостатком данного стенда являются его ограниченные функциональные возможности ввиду того, что на стенде невозможно обеспечить корректные испытания электроприводов, оснащенных редукторами. Это обусловлено тем, что редукторы имеют свой КПД, поэтому передача крутящего момента от двигателя испытуемого привода на выходное звено его редуктора будет иметь погрешность, связанную с величиной указанного КПД. Наряду с этим, изменение КПД редуктора в ходе его эксплуатации дополнительно увеличит погрешность передачи крутящего момента с испытуемого привода через его редуктор на исполнительный механизм, что не сможет обеспечить корректную передачу заданного значения величины крутящего момента.
Передача заданного значения величины крутящего момента является важнейшей характеристикой электропривода исполнительного механизма, в частности электропривода трубопроводной арматуры, т.к. от величины крутящего момента на выходе электропривода зависит работа исполнительного механизма, в частности, зависит уплотнение трубопроводной арматуры.
Из патента RU2737738 (опубл. 02.12.2020), выбранного за ближайший аналог, известен стенд для испытания электроприводов, включающих блок управления на основе преобразователя частоты, электродвигатель и редуктор. Данный стенд содержит нагрузочный привод, включающий преобразователь частоты, электродвигатель и редуктор, и систему автоматического управления, соединенную приемо-передающими информационными линиями с преобразователями частоты нагрузочного и испытуемого приводов. Выходное звено нагрузочного привода выполнено с возможностью кинематического соединения с выходным звеном испытуемого привода и снабжено датчиком крутящего момента, соединенным информационной линией связи со входом системы автоматического управления. Стенд используется для испытания тяжело нагруженных электроприводов.
Электропитание нагрузочного и испытуемого приводов осуществлено от трехфазной сети переменного тока. В качестве нагрузочного электродвигателя использован асинхронный электродвигатель.
Основным недостатком стенда является неэффективное использование потребляемой из сети энергии. Это обусловлено тем, что в стенде не используется энергия, генерируемая при работе нагрузочного электродвигателя, что в итоге приводит к нежелательному увеличению затрат электроэнергии.
Кроме того, асинхронным двигателям для создания и поддержания магнитного потока требуются большие намагничивающие реактивные токи, что негативно сказывается на увеличении электрических потерь при работе стенда.
Таким образом, актуальна проблема разработки энергоэффективного стенда для испытания электроприводов исполнительных механизмов.
Технический результат, на достижение которого направлена полезная модель, заключается в  обеспечении снижения потребления энергии из внешней сети при испытаниях электроприводов, в том числе тяжело нагруженных электроприводов исполнительных механизмов.
Техническая проблема решается и технический результат достигается тем, что устройство для испытания электроприводов, как и ближайший аналог, содержит нагрузочный привод, включающий электродвигатель и редуктор, при этом выходное звено нагрузочного привода кинематически соединено с выходным звеном испытуемого привода, нагрузочный привод выполнен с возможностью подключения своим входом питания к сети переменного тока.
В отличие от ближайшего аналога, нагрузочный привод выполнен с возможностью подключения к его шине постоянного тока входа питания испытуемого привода.
Кроме того, электродвигатель нагрузочного привода выполнен в виде синхронного двигателя с ротором на постоянных магнитах.
Кроме того, устройство содержит систему автоматического управления.
При этом нагрузочный привод содержит преобразователь частоты, соединенный информационным входом-выходом с первым входом-выходом системы автоматического управления, выполненной с возможностью соединения своим вторым входом-выходом с информационным входом-выходом преобразователя частоты испытуемого привода.
При этом выходное звено нагрузочного привода снабжено датчиком крутящего момента, соединенным со входом системы автоматического управления.
Сущность полезной модели поясняет схематичное изображение стенда для испытания электроприводов.
Нижеуказанными позициями на чертеже обозначены следующие элементы
1 - нагрузочный электропривод;
2 - преобразователь частоты нагрузочного привода;
3 - электродвигатель нагрузочного привода;
4 - редуктор нагрузочного привода;
5 - испытуемый электропривод;
6 - преобразователь частоты испытуемого привода;
7 - электродвигатель испытуемого привода;
8 - редуктор испытуемого привода;
9 - выпрямитель;
10 - шина постоянного тока;
11 - датчик крутящего момента;
12 - система автоматического управления стендом;
13 - пост управления оператора;
14 - датчик положения;
15 - выпрямитель;
16 - инвертор нагрузочного привода;
17 - инвертор испытуемого привода.
Стенд для испытания электроприводов содержит нагрузочный привод 1, включающий преобразователь частоты 2, электродвигатель 3 и редуктор 4, и испытуемый привод 5, включающий преобразователь частоты 6, электродвигатель 7 и редуктор 8.
Преобразователь частоты 2 нагрузочного привода включает в себя выпрямитель 9 для преобразования переменного тока в постоянный и инвертор 16 для преобразования постоянного тока в переменный требуемой частоты и амплитуды.
Преобразователь частоты 6 испытуемого привода включает в себя инвертор 17 для преобразования постоянного тока в переменный требуемой частоты и амплитуды и выпрямитель 15.
Нагрузочный привод 1 своим входом питания подключен к сети переменного тока через выпрямитель 9. Выход выпрямителя 9 соединен шиной постоянного тока нагрузочного привода 1 со входом питания инвертора 16 нагрузочного привода. Шина постоянного тока нагрузочного привода 1 соединена со входом питания испытуемого привода 5 шиной постоянного тока 10.
Электродвигатель 3 нагрузочного привода выполнен в виде синхронного двигателя с ротором на постоянных магнитах. Электродвигатель 7 испытуемого привода может быть выполнен в виде асинхронного  двигателя или синхронного двигателя.
Выходное звено редуктора 4 нагрузочного привода выполнено с возможностью кинематического соединения с выходным звеном редуктора 8 испытуемого привода. Редуктор 4 нагрузочного привода может быть выполнен в виде цевочного (циклоидного) редуктора.
Выходное звено нагрузочного привода 1 снабжено датчиком крутящего момента 11, выполненным на основе тензорезисторных датчиков. Конструкция датчика крутящего момента 11 раскрыта в патенте RU202477 патентообладателя ООО НПП «ТЭК».
Для обеспечения испытаний, связанных с резкой остановкой выходного звена испытуемого привода 5, на роторе нагрузочного двигателя 3 установлена электромагнитная тормозная муфта (на фиг. не показана). Указанная электромагнитная тормозная муфта соединена с выходом системы автоматического управления 12.
Система автоматического управления 12, выполненная на основе программируемого логического контроллера, своим первым входом-выходом соединена с информационным входом-выходом преобразователя частоты 2, своим вторым входом-выходом соединена с информационным входом-выходом преобразователя частоты 6, и своим входом соединена с выходом датчика крутящего момента 11.
Для корреляции измеренного крутящего момента с положением выходного звена испытуемого привода 5 выходное звено нагрузочного привода 1 может быть оснащено датчиком положения 14. В качестве датчика положения 14 может быть использовано любое известное устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вала в электрические сигналы (например, оптический датчик положения, магнитный датчик положения). Датчик положения 14 соединен своим информационным выходом со входом системы автоматического управления 12.
Система автоматического управления 12 выполнена с возможностью управления оператором с поста управления 13, оснащенного компьютером. Для этого в системе управления 12 предусмотрен вход-выход, соединенный с входом-выходом поста управления 13.
Стенд для испытания электроприводов работает следующим образом.
Питающее напряжение сети переменного тока поступает на выпрямитель 9 нагрузочного привода, который преобразует переменное напряжение в постоянное. Далее постоянное напряжение по шине постоянного тока нагрузочного привода 1 поступает на инвертор 16 нагрузочного привода, и по шине постоянного тока 10 поступает через питающий вход испытуемого привода 5 на инвертор 17 испытуемого привода. При этом выпрямитель 15 пропускает постоянное напряжение на шину постоянного тока испытуемого привода 6.
Система автоматического управления 12, работающая по программе, посредством инвертора 16  создает крутящий момент на выходном звене нагрузочного электропривода 1, и, следовательно, на выходном звене испытуемого электропривода 5.
При вращении двигателя 3 нагрузочного привода в обмотке его статора наводится электродвижущая сила (ЭДС), и двигатель 3 нагрузочного привода работает в генераторном режиме. Генерируемая нагрузочным двигателем 3 энергия через инвертор 16 по шине постоянного тока 10 поступает на вход питания испытуемого привода 5. В результате испытуемый привод 5 обеспечен рекуперированной электроэнергией, генерируемой нагрузочным двигателем 3. При этом механические потери энергии на вращение редукторов 4 и 8, а также механические и электрические потери энергии на вращение двигателей 3 и 7 компенсирует питание сети, поступающее на вход питания нагрузочного привода 1.
В программе испытаний системы управления 12 предусмотрен запуск электродвигателей 3 и 7 с различными скоростями вращения, в различной очередности, в согласном или встречном направлениях, с нарастанием или убыванием скорости вращения и т.д., в целях имитации на стенде реальных условий работы исполнительных механизмов (трубопроводной арматуры).
Например, в программе испытаний предусмотрен алгоритм, согласно которому сначала производят запуск испытуемого электропривода 5. Испытуемый электропривод 5 начинает свое движение и одновременно приводит в движение кинематически соединенное с ним выходное звено нагрузочного электропривода 1. Затем система управления 12 производит запуск нагрузочного электропривода 1, который создает на выходном звене испытуемого электропривода 5 нарастающую во времени дополнительную нагрузку. Тем самым имитируют работу исполнительного механизма (трубопроводной арматуры) при нарастании давления текущей среды в трубопроводе.
В течение испытаний датчик крутящего момента 11 отправляет в систему автоматического управления 12 сигналы, характеризующие значение крутящего момента на выходном звене редуктора 8 испытуемого привода.
В случае оснащения выходного звена нагрузочного привода 1 датчиком положения 14, одновременно с измерением крутящего момента датчик положения 14 отправляет системе автоматизированного управления 12 сигнал, характеризующий положение выходного звена редуктора 8 испытуемого привода. В результате получают значения крутящих моментов на выходном звене редуктора 8 испытуемого привода при его конкретных положениях, и соответственно, конкретных положениях исполнительного механизма (трубопроводной арматуры), например, при страгивании, выходе из зоны уплотнения, среднем ходе, входе в зону уплотнения и окончательной работе трубопроводной арматуры.
Эксплуатацию электропривода 5 после проведенных испытаний осуществляют путем его подключения к сети переменного тока через выпрямитель 15.
Выполнение электродвигателя 3 нагрузочного привода в виде синхронного двигателя с ротором на постоянных магнитах способствует снижению затрат электроэнергии. Это обусловлено тем, что в синхронном двигателе с ротором на постоянных магнитах (по сравнению с асинхронным двигателем) магнитный поток создается и поддерживается постоянными магнитами, поэтому не требуется потребления реактивных токов из сети, что способствует снижению электрических потерь, и следовательно, способствует снижению затрат электроэнергии на компенсацию указанных потерь.
Подключение испытуемого привода 5 своим входом питания к шине постоянного тока нагрузочного привода 1 позволяет испытуемому приводу 5 потреблять энергию, генерируемую нагрузочным электродвигателем 3. Это обеспечивает существенное снижение потребления энергии из внешней сети при испытаниях электроприводов. Работа изготовленного на предприятии ООО НПП «ТЭК» стенда для испытания электроприводов показала, что более чем на 80 % электропитание стенда обеспечивается за счет рекуперации энергии.
Таким образом, разработан энергоэффективный стенд для испытания электроприводов исполнительных механизмов, в том числе тяжело нагруженных электроприводов с максимальным крутящим моментом до 200000 Нм.