СХЕМА ИСПЫТАНИЯ АСИНХРОННЫХ МАШИН МЕТОДОМ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть применена в качестве схемы испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки.
Аналогом предлагаемой полезной модели является схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки, при которой валы испытуемых электродвигателей имеют механическую связь и каждый из них подключен к однотипным частотным преобразователям со звеньями постоянного тока, соединенными общей шиной, при этом преобразователи подключены к трехфазной сети (RU 140678 U1, 24.10.2013) [1].
Недостатком данного аналога является отсутствие датчика скорости вращения вала двигателя, системы управления, а также возможность существенных бросков тока и понижения напряжения в питающей сети в переходных режимах работы, в том числе в процессе вывода испытуемой машины на режим нагрузки.
Другим аналогом предлагаемой полезной модели является схема испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки, состоящая из двух неуправляемых выпрямителей, получающих питание от трехфазной сети, двух звеньев постоянного тока, электрически связанных между собой, входы которых соединены с выходами неуправляемых выпрямителей, двух однотипных управляемых инверторов, входы которых соединены с выходами звеньев постоянного тока, муфты, механически связывающей между собой испытуемые асинхронные двигатели, получающие питание от управляемых инверторов, оснащенная системой управления, выходы которой соединены с входами управляемых инверторов, а входы которой соединены с выходами следующих устройств: двух датчиков тока, входы которых соединены с выходами управляемых инверторов, датчика скорости, соединенного с роторами испытуемых асинхронных двигателей, двух вычислителей частоты питающего напряжения, входы которых соединены с выходами управляемых инверторов, и задатчика параметров сети и испытуемых асинхронных двигателей (RU 163996 U1, 20.08.2016) [2].
Недостатком данного аналога является возможность перегрузок в схеме в процессе вывода испытуемой машины на режим нагрузки, обусловленная некорректной работой системы управления из-за контроля тока только по одной из фаз статора машин. Не учитывается возможность несимметрии тока в фазах обмоток статора, а также вероятность существенного понижения напряжения питающей сети в переходных режимах работы, в том числе в процессе вывода испытуемой машины на режим нагрузки.
Прототипом предлагаемой полезной модели является схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки, оснащенная датчиком напряжения, вход которого соединен со звеньями постоянного тока, а выход подключен к входу системы управления, индикатором, вход которого подключен к выходу системы управления. При этом выход первого звена постоянного тока подключен к силовому входу первого управляемого инвертора через первый датчик тока, выход второго звена постоянного тока подключен к силовому входу второго управляемого инвертора через второй датчик тока (RU 197440 U1, 27.04.2020) [3].
Недостатком данного прототипа является возможность существенных бросков тока и понижения напряжения питающей сети в переходных режимах работы, в том числе в процессе вывода испытуемой машины на режим нагрузки.
Целью предлагаемой полезной модели является повышение надежности схемы испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки за счет предотвращения существенных бросков тока и понижения напряжения питающей сети в процессе вывода испытуемого асинхронного двигателя на режим нагрузки, а также расширение ее функциональных возможностей путем реализации заданных переходных режимов работы испытуемого асинхронного двигателя при проверке его технического состояния.
Указанная цель достигается тем, что схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки, состоящая из задатчика параметров, первого и второго датчиков тока, первого и второго неуправляемых выпрямителей, получающих питание от трехфазной сети, первого и второго звеньев постоянного тока, электрически соединенных между собой, входы которых соединены с выходами первого и второго неуправляемых выпрямителей соответственно, муфты, механически связывающей между собой первую и вторую асинхронные машины, первого и второго управляемых инверторов, к выходам которых подключены первая и вторая асинхронные машины соответственно, первого и второго вычислителей частоты питающего напряжения, входы которых соединены с выходами первого и второго управляемых инверторов соответственно, датчика скорости, соединенного с роторами первой и второй асинхронных машин, системы управления, выходы которой соединены с управляющими входами первого и второго управляемых инверторов; причем выходы задатчика параметров, датчика скорости, первого и второго вычислителей частоты питающего напряжения, первого и второго датчиков тока подключены к входам системы управления, датчика напряжения, вход которого соединен со звеньями постоянного тока, а выход подключен к входу системы управления, индикатором, вход которого подключен к выходу системы управления, выход первого звена постоянного тока подключен к силовому входу первого управляемого инвертора через первый датчик тока, выход второго звена постоянного тока подключен к силовому входу второго управляемого инвертора через второй датчик тока, дополнена накопителем электрической энергии, силовые контакты которого подключены к звеньям постоянного тока, а его управляющие входы подключены к системе управления испытательного стенда.
На фигуре представлена функциональная схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки, отражающая связи элементов.
Предлагаемая схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки состоит из подключенных к трехфазной сети 1 преобразователей частоты 2 и 3, состоящих соответственно из неуправляемых выпрямителей 2.1 и 3.1, звеньев постоянного тока 2.2 и 3.2 и управляемых инверторов 2.3 и 3.3, датчика напряжения 4, задатчика параметров 5, индикатора 6, датчиков тока 7 и 8, системы управления 9, вычислителей частоты напряжения 10 и 11, датчика частоты вращения 12, асинхронных машин 13 и 14, валы которых соединены между собой посредством муфты, 15 накопитель электрической энергии.
Входы неуправляемых выпрямителей 2.1 и 3.1 подключены к трехфазной сети 1. Входы звеньев постоянного тока 2.2 и 3.2 соединены с выходами первого и второго неуправляемых выпрямителей 2.1 и 3.1 соответственно. Валы первой и второй асинхронной машины соединены между собой посредством муфты. Силовой вход управляемого инвертора 2.3 подключен к выходу звена постоянного тока 2.2 через датчик тока 7. Силовой вход управляемого инвертора 3.3 подключен к выходу звена постоянного тока 3.2 через датчик тока 8. Обмотка статора асинхронной машины 13 подключена к выходу управляемого инвертора 2.3, обмотка статора асинхронной машины 14 подключена к выходу управляемого инвертора 3.3. Звенья постоянного тока 2.2 и 3.2 имеют между собой электрическое соединение. Выходы системы управления 9, соединены с входом индикатора 6 и управляющими входами управляемых инверторов 2.3 и 3.3. Входы системы управления 9 соединены с выходом задатчика параметров 5, выходом датчика напряжения 4, вход которого подключен к звеньям постоянного тока 2.2 и 3.2, выходами датчиков тока 7 и 8, выходом датчика частоты вращения 12, соединенного с роторами асинхронных машин 13 и 14, выходом вычислителя частоты питающего напряжения 10, вход которого соединен с выходом управляемого инвертора 2.3, выходом вычислителя частоты питающего напряжения 11, вход которого соединен с выходом управляемого инвертора 3.3. Управляющий вход накопителя электрической энергии 15 подключен к системе управления 9, силовые контакты накопителя электрической энергии 15 подключены к электрическому соединению первого и второго звеньев постоянного тока 3.2 и 2.2.
Устройство работает следующим образом. Подведенное от трехфазной сети 1 напряжение поступает на вход преобразователей частоты 2 и 3, где оно преобразуется в постоянное напряжение посредством выпрямителей 2.1, 3.1, передается в звенья постоянного тока 2.2, 3.2 и далее инвертируется с помощью управляемых инверторов 2.3, 3.3 в переменное напряжение, имеющее требуемое действующее значение и частоту.
Процесс нагружения асинхронного двигателя осуществляется следующим образом.
з.п.т. 1
з.п.т. 2
Для корректной работы системы управления 9, оператором вносятся необходимые данные в задатчик параметров 5. Система управления 9 работает следующим образом. Контролируя с помощью датчиков тока 7, 8 и датчика напряжения 4 мгновенные значения мощности (р и р), подаваемой со звеньев постоянного тока 2.2, 3.2 через управляемые инверторы 2.3, 3.3 на обе асинхронные машины 13, 14, увеличивается частота вращения их роторов (n), за счет синхронного увеличения частоты питающих их напряжений  до номинального значения. Контроль над частотой напряжения на выходе управляющих инверторов 2.3, 3.3 осуществляется с помощью вычислителей частоты питающего напряжения 10, 11.
з.п.т. 1
з.п.т. 2
После выхода асинхронных машин 13, 14 на режим холостого хода с номинальной частотой питающего напряжения у второй асинхронной машины 14 плавно уменьшается частота питающего ее напряжения  при этом осуществляется контроль над мощностями р и р в звеньях постоянного тока 2.2 и 3.2. При этом вторая асинхронная машина 14 нагружается в генераторном режиме, а первая асинхронная машина 13 нагружается в двигательном режиме до требуемого значения скольжения (скорости вращения), контролируемого с помощью датчика скорости 12.
Мощность, вырабатываемая асинхронной машиной 14, работающей в генераторном режиме, передается асинхронной машине 13, работающей в двигательном режиме, через электрическое соединение звеньев постоянного тока 2.2, 3.2.
Определение электрической мощности обеих асинхронных машин 13, 14 осуществляется следующим образом.
з.п.т. 1
инв1
з.п.т. 1
инв 1
Измерения, выполненные с помощью датчика тока 7 и датчика напряжения 4, позволяют системе управления 9 определить мощность, проходящую через управляемый инвертор 2.3 (р). Известные заранее потери мощности в инверторе 2.3 при заданной нагрузке Δр позволяют системе управления 9 определить электрическую мощность асинхронной машины 13 как разность р-Δp.
з.п.т. 2
инв 2
з.п.т. 2
инв 2.
Измерения, выполненные с помощью датчика тока 8 и датчика напряжения 4, позволяют системе управления 9 определить мощность, проходящую через управляемый инвертор 3.3 (р). Известные заранее потери мощности в инверторе 3.3 при заданной нагрузке p позволяют системе управления 9 определить электрическую мощность асинхронной машины 14 как разность р-Δp
Индикатор 6 позволяет вывести определенные системой управления 9 электрические мощности асинхронных машин.
Предварительно перед проведением испытаний двигателя накопитель электрической энергии 15 подключают к электрическому соединению звеньев постоянного тока 2.2, 3.2, подключенных к выходам неуправляемых выпрямителей 2.1, 3.1, для создания запаса электрической энергии, необходимого в процессе последующих испытаний.
В процессе испытаний в переходных режимах при увеличении мощности, потребляемой парой электрических машин 13, 14, накопитель энергии 15 передает дополнительную электрическую мощность в соединенные между собой звенья постоянного тока 2.2, 2.3; при передаче мощности от электрических машин 13, 14 к звеньям постоянного тока 2.2, 2.3 накопитель энергии 15 аккумулирует данную мощность.
Таким образом, предложенная полезная модель позволяет добиться повышения надежности схемы испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки за счет предотвращения существенных бросков тока и просадок напряжения в питающей сети, а также расширить функциональные возможности проверки технического состояния асинхронных машин при реализации заданных переходных режимах работы.
Источники информации:
1. Патент на полезную модель РФ №140678, МПК G01R 31/34, 2013.
2. Патент на полезную модель РФ №163996, МПК G01R 31/34, 2016.
3. Патент на полезную модель РФ №197440, МПК G01R 31/34, 2020.