СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА И МЕХАНИЧЕСКИХ ПЕРЕДАЧ
TEST BENCH FOR DC ELECTRIC MACHINES AND MECHANICAL TRANSMISSIONS

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при испытаниях электрических машин постоянного тока и механических передач.
Известны стенды для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач методом взаимного нагружения, при которых якорные обмотки электрических машин, одна из которых выполняет функцию двигателя, а другая выполняет функцию генератора, соединяются параллельно и подключаются к регулируемому источнику постоянного напряжения, а обмотки возбуждения двигателя и генератора подключаются к регулируемым источникам постоянного тока (Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. - М., Недра, 1992, с. 37-39, рис. 33; Коварский Е.М., Янко Ю.И. Испытание электрических машин. - М., Энергоатомиздат, 1990, с. 74-76, рис. 3.1 - рис. 3.4; Афанасов A.M. Теоретический анализ энергетических процессов при взаимной нагрузке тяговых электрических машин постоянного тока / Вюник Дн. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм акад. В. Лазаряна: Зб. наук. пр. 2009, вып.25, с. 258-262, рис. 1).
В известных стендах для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач валы электрических машин соединяются непосредственно с помощью муфты или через последовательно соединенные редуктор и мультипликатор. При этом используются две близкие или одинаковые по мощности электрические машины, одна из которых работает двигателем, другая - генератором. Передаточное число редуктора равно коэффициенту передачи мультипликатора. Точки отбора энергии при этом совпадают, а из сети потребляется мощность, равная потерям в электрических машинах и механических передачах. Режим нагружения определяется соотношением токов возбуждения двигателя и генератора. Известные технические решения не позволяют проводить испытания электрических машин и механических передач с различающимися параметрами, например, разными передаточным числом редуктора и коэффициентом передачи мультипликатора или номинальными напряжениями электрических машин. Поэтому известные способы имеют ограниченные функциональные возможности, т.к. они не позволяют проводить испытания электрических машин и механических передач с различающимися параметрами.
Следовательно, недостатком известных стендов для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач являются ограниченные функциональные возможности.
Из известных технических решений, наиболее близким по достигаемому результату к предполагаемому изобретению является стенд для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач, содержащий две электрические машины, одна из которых выполняет функцию двигателя, а вторая выполняет функцию генератора, валы электрических машин соединены с помощью последовательно включенных редуктора, муфты и мультипликатора, а обмотки возбуждения подключены к выходам соответственно первого и второго тиристорных управляемых выпрямителей, два датчика тока, один из которых включен последовательно с якорной обмоткой двигателя, а второй соединен последовательно с якорной обмоткой генератора, выход второго датчика тока подключен к первому входу контроллера, задатчик тока возбуждения двигателя, подключенный выходом к управляющему входу первого тиристорного выпрямителя, третий выпрямитель, вход которого объединен с входами первого и второго тиристорных выпрямителей и подключен к питающей сети (Патент РФ №2480778, МПК G01R 31/34 (2006.01). Способ испытания электрических машин постоянного тока / С.И. Малафеев. - Опубл. 27.04.2013, Бюл. №12).
В известном стенде для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач валы электрических машин соединяются непосредственно с помощью муфты или через последовательно соединенные редуктор и мультипликатор. При этом используются две близкие или одинаковые по мощности электрические машины, одна из которых работает двигателем, другая - генератором. Передаточное число редуктора равно коэффициенту передачи мультипликатора. Точки отбора энергии при этом совпадают, а из сети потребляется мощность, равная потерям в электрических машинах и механических передачах. Режим нагружения определяется соотношением токов возбуждения двигателя и генератора. Известно, что механический момент, развиваемый двигателем, зависит от токов якорной обмотки и возбуждения. Стенд позволяет регулировать, стабилизировать или изменять по программе механический момент нагрузки машин. Задание и регулирование механического момента осуществляется с помощью обратной связи по моменту, который вычисляется по измеренным значениям токов якорной обмотки и обмотки возбуждения и известной конструктивной постоянной двигателя. В стенде предусмотрено косвенное измерение механического момента и его автоматическое регулирование с помощью обратной связи и контроллера, изменяющего ток возбуждения генератора в зависимости от сигнала задания и механического момента.
Однако известный стенд не позволяют проводить испытания электрических машин и механических передач с различающимися параметрами, например, разными передаточным числом редуктора и мультипликатора или номинальными напряжениями электрических машин. Поэтому известное техническое решение имеет ограниченные функциональные возможности, т.к. он не позволяет проводить испытания электрических машин и механических передач с различающимися параметрами.
Следовательно, недостатком известного стенда для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач являются ограниченные функциональные возможности.
Целью предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей стенда для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач путем независимого регулирования напряжения на якорных обмотках каждой электрической машины постоянного тока.
Поставленная цель достигается тем, что в известный стенд для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач, содержащий две электрические машины, одна из которых выполняет функцию двигателя, а вторая выполняет функцию генератора, валы электрических машин соединены с помощью последовательно включенных редуктора, муфты и мультипликатора, а обмотки возбуждения подключены к выходам соответственно первого и второго тиристорных управляемых выпрямителей, два датчика тока, один из которых включен последовательно с якорной обмоткой двигателя, а второй соединен последовательно с якорной обмоткой генератора, выход второго датчика тока подключен к первому входу контроллера, задатчик тока возбуждения двигателя, подключенный выходом к управляющему входу первого тиристорного выпрямителя, третий выпрямитель, вход которого объединен с входами первого и второго тиристорных выпрямителей и подключен к питающей сети, дополнительно введены задатчик тока возбуждения генератора, второй контроллер, датчик угловой скорости, задатчик режима испытаний, конденсатор и два транзисторных мостовых преобразователя, подключенные входами к выходу третьего выпрямителя, а выходами к якорным обмоткам соответственно двигателя и генератора, управляющие входы первого и второго транзисторных мостовых преобразователей соединены с выходами соответственно первого и второго контроллеров, первый и второй выходы задатчика режима испытаний подключены к входам соответственно первого и второго контроллеров, выходы первого датчика тока и датчика угловой скорости подключены к входам первого контроллера, датчик угловой скорости соединен механически с валом двигателя, конденсатор подключей к выходу третьего выпрямителя, а выход задатчика тока возбуждения генератора подключен к управляющему входу второго управляемого выпрямителя.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ имеет следующие новые признаки: задатчик тока возбуждения генератора; второй контроллер; датчик угловой скорости; задатчик режима испытаний; конденсатор;
два транзисторных мостовых преобразователя. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предполагаемого изобретения обеспечивается расширение функциональных возможностей стенда для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач методом взаимного нагружения, а именно, обеспечивается возможность испытания двух электрических машин или двух механических передач с различающимися параметрами. Расширение функциональных возможностей достигается тем, что испытание предусматривает независимое регулирование напряжений на якорных обмотках каждой электрической машины постоянного тока.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.
Известны датчики тока возбуждения генератора или двигателя постоянного тока (Патент РФ №2480778, МПК G01R 31/34 (2006.01). Способ испытания электрических машин постоянного тока / С.И. Малафеев. - Опубл. 27.04.2013, Бюл. №12). В предлагаемом и известном устройствах датчики тока возбуждения выполняют аналогичные функции.
Известны конденсаторы и транзисторные мостовые преобразователи в стендах для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач (Deaconu S.I., Tutelea L.N., Рора G.N. and Latinovic Т. «Artificial loading for Rotating Electric Machines)), Annals of Faculty Engineering Hunedoara -International Journal of Engineering. Tome IX (Year 2011). Fascicule 1. ISSN 1594-2665, pp.213 - 218). В известных стендах транзисторные мостовые преобразователи используются для регулирования угловой скорости двигателей постоянного тока. В предлагаемом техническом решении транзисторные мостовые преобразователи используются в стенде для испытания электрических машин при взаимном нагружении. Конденсаторы в известном и предлагаемом технических решениях выполняют аналогичные функции.
Датчик угловой скорости и второй контроллер, входы которого подключены к задатчику режима испытаний, первому датчику тока и датчику угловой скорости, а выход соединен с управляющим входом первого транзисторного мостового преобразователя, в аналогичных устройствах не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия)).
Сущность предполагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана функциональная схема стенда для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач. На чертеже обозначено: 1 - питающая сеть; 2 - третий выпрямитель; 3 - конденсатор; 4 - задатчик тока возбуждения двигателя; 5 и 22 - первый и второй транзисторные преобразователи; 6 и 15 - первый и второй тиристорные управляемые выпрямители; 7 и 21 - соответственно первый и второй датчики тока; 8 - обмотка возбуждения двигателя; 9 -якорная обмотка двигателя; 10 - редуктор; 11 и 20 - второй и первый контроллеры; 12 - задатчик тока возбуждения генератора; 13 - муфта; 14 - датчик угловой скорости; 16 - мультипликатор; 17 - задатчик режима испытаний; 18 - обмотка возбуждения генератора; 19 - якорная обмотка генератора.
В стенде для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач валы двух электрических машин 9 и 19, одна из которых выполняет функцию двигателя, а вторая выполняет функцию генератора, жестко соединены с помощью последовательно соединенных редуктора 10, муфты 13 и мультипликатора 16, а обмотки возбуждения 8 и 18 подключены к выходам соответственно первого 6 и второго 15 тиристорных управляемых выпрямителей, управляющие входы которых подключены к выходам соответственно первого 4 и второго 12 задатчиков тока возбуждения, первый датчик тока 7 включен последовательно с якорной обмоткой 9 двигателя, а второй датчик тока 21 соединен последовательно с якорной обмоткой 19 генератора, выходы первого 7 и второго 21 датчиков тока подключены к входам соответственно второго 11 и первого 20 контроллеров, датчик угловой скорости 14 соединен с муфтой 14, а его выход подключен к входу второго контроллера; первый и второй выходы задатчика режима испытаний подключены к входам соответственно второго 11 и первого 20 контроллеров; выходы которых подключены к управляющим входам соответственно первого 5 и второго 22 транзисторных мостовых преобразователей, вход третьего выпрямителя 2 объединен с входами первого 6 и второго 15 тиристорных управляемых выпрямителей и подключен к питающей сети 1, первый 5 и второй 22 транзисторные мостовые преобразователи подключены входами к выходам третьего выпрямителя 2, а выходами к якорным обмоткам соответственно двигателя 9 и генератора 19, конденсатор 3 подключен к выходу третьего выпрямителя 2.
Стенд для испытания электрических машин постоянного тока работает следующим образом. Третий выпрямитель 1 формирует на выходе постоянное напряжение, которое фильтруется конденсатором 3 и обеспечивает электропитание первого 5 и второго 22 транзисторных мостовых преобразователей с широтно-импульсным регулированием. Якорная обмотка двигателя постоянного тока 9 подключена к выходу первого транзисторного преобразователя 5. Обмотка возбуждения 8 двигателя постоянного тока подключена к выходу первого тиристорного управляемого выпрямителя 6. Регулирование выходного напряжения первого транзисторного преобразователя 5 осуществляется с помощью второго контроллера 11. Ток в обмотке возбуждения 8 двигателя стабилизируется с помощью первого тиристорного управляемого выпрямителя 6. Задание тока в обмотке возбуждения 8 двигателя осуществляется с помощью задатчика 4. Токи в якорных обмотках двигателя 9 и генератора 19 измеряются с помощью первого 7 и второго 21 датчиков тока. Сигналы с выходов первого 7 и второго 21 датчиков тока поступают на входы соответственно второго 11 и первого 20 контроллеров. Угловая скорость вращающихся валов измеряется датчиком угловой скорости 14, механически соединенным с муфтой 13. Выходные сигналы задатчика режима испытаний 17 действуют на входах второго 11 и первого 20 контроллеров.
Первый контроллер 20 выполняет следующие процедуры:
21
21
- вычисление электромагнитного момента генератора 19 по формуле М=сI, где с - конструктивная постоянная электрической машины; I- ток якорной обмотки;
M
0
0
- вычисление рассогласования ε = М - М, где М - заданное значение момента (сигнал с первого выхода задатчика режима испытаний 17);
м
0
- преобразование сигнала рассогласования ε=М - М в соответствии с типовым законом регулирования, например, пропорционально-интегральным, в сигнал управления для второго транзисторного мостового преобразователя 22.
M
0
21
Выходной сигнал первого контроллера 20 действует на управляющем входе второго транзисторного мостового преобразователя 22, который поддерживает ток якорной обмотки 19 генератора таким образом, что обеспечивается режим работы системы, при котором рассогласование минимально (ε ≈ 0). Заданное значение момента М при этом может поддерживаться постоянным или изменяться по программе. Таким образом, в системе управления за счет обратной связи по моменту обеспечивается поддержание во всех режимах заданного значения механической нагрузки. При этом на выходе транзисторного мостового преобразователя 22 устанавливается напряжение, соответствующее заданному току I.
Второй контроллер 11 выполняет следующие процедуры:
Ω
0
0
- вычисление рассогласования ε=Ω - Ω, где Ω - заданное значение угловой скорости (сигнал с второго выхода задатчика режима испытаний 17); Ω -выходной сигнал датчика угловой скорости 14;
Ω
0
Ω
- преобразование сигнала рассогласования ε=Ω - Ω в соответствии с типовым законом регулирования, например, пропорционально-интегральным, в сигнал управления u;
Ω
7
i
Ω
д
7
д
- вычисление разности между сформированным сигналом управления u и током i якорной обмотки двигателя 9 (сигнал первого датчика тока 7) ε=u - ki, где k - коэффициент пропорциональности;
i
Ω
д
7
- преобразование сигнала рассогласования ε=u - ki в соответствии с типовым законом регулирования, например, пропорционально-интегральным, в сигнал управления первым транзисторным мостовым преобразователем 5.
0
0
Выходной сигнал второго контроллера 11 действует на входе первого транзисторного мостового преобразователя 5, который поддерживает напряжение на якорной обмотке 9 двигателя таким образом, что обеспечивается режим работы системы, при котором рассогласование между заданным Ω и измеренным Ω значениями угловой скорости минимально (εΩ ≈ 0). Второй контроллер 11, таким образом, обеспечивает регулирование угловой скорости электрических машин с подчиненным контуром регулирования тока якорной обмотки 9 двигателя. Заданное значение угловой скорости Ω при этом может поддерживаться постоянным или изменяться по программе.
Следовательно, в системе управления за счет обратной связи по угловой скорости с коррекцией по току якорной обмотки 9 двигателя обеспечивается поддержание заданного значения угловой скорости двигателя во всех режимах заданных значений угловой скорости и момента механической нагрузки.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение точности поддержания угловой скорости в процессе испытаний и расширение функциональных возможностей способа испытания электрических машин постоянного тока и механических передач путем регулирования, стабилизации или изменения по программе угловой скорости и момента механической нагрузки. При этом регулирование угловой скорости и момента нагрузки происходит независимо друг от друга. При этом напряжение на выходе первого транзисторного мостового преобразователя 5 определяет угловую скорость, а напряжение на выходе второго транзисторного мостового преобразователя 22 - момент нагрузки. Напряжения регулируются независимо, поэтому для проведения испытаний не требуется идентичность параметров электрических машин и механических передач.
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, было выполнено имитационное моделирование системы испытаний электрических машин постоянного тока, реализованной по схеме, изображенной на фиг. 1. Параметры системы имели следующие значения.
Машина постоянного тока П2П-450-132-7У3 (генератор):
Мощность - 400 кВт;
Напряжение - 460 В;
Ток - 968 А;
Частота вращения - 1000/1250 об/мин;
Ток возбуждения - 14/28 А;
Напряжение обмотки возбуждения - 200/100 В.
Машина постоянного тока П2П-450-132-7У3 (двигатель):
Мощность - 400 кВт;
Напряжение - 440 В;
Ток - 968 А;
Частота вращения - 1000 об/мин;
Ток возбуждения - 10/20 А;
Напряжение обмотки возбуждения - 140/70 В;
Транзисторные мостовые преобразователи: напряжение питания U=400 В;
Передаточное число редуктора -10;
Коэффициент передачи мультипликатора - 15.
0
5
22
9
19
0
На фиг. 2 и фиг. 3 приведены результаты моделирования стенда для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач. На фиг. 2 показаны осциллограммы процессов при изменении задания угловой скорости при постоянном заданном моменте механической нагрузки. На фиг. 2,а приведены осциллограммы угловой скорости Ω, заданного момента М, напряжений на выходах первого и второго транзисторных мостовых преобразователей u и u. На фиг. 2,б приведены осциллограммы токов якорных обмоток двигателя I и I и тока I, потребляемого из локальной сети постоянного тока (от третьего выпрямителя 2). На фиг. 3 приведены аналогичные осциллограммы для режима испытания при постоянной заданной угловой скорости и изменяющимся по случайному закону моментом механической нагрузки.
Таким образом, использование в известном стенде для испытания электрических машин постоянного тока и механических передач, содержащем две электрические машины, одна из которых выполняет функцию двигателя, а вторая выполняет функцию генератора, валы электрических машин соединены с помощью последовательно включенных редуктора, муфты и мультипликатора, а обмотки возбуждения подключены к выходам соответственно первого и второго тиристорных управляемых выпрямителей, два датчика тока, один из которых включен последовательно с якорной обмоткой двигателя, а второй соединен последовательно с якорной обмоткой генератора, выход второго датчика тока подключен к первому входу контроллера, задатчик тока возбуждения двигателя, подключенный выходом к управляющему входу первого тиристорного выпрямителя, третий выпрямитель, вход которого объединен с входами первого и второго тиристорных выпрямителей и подключен к питающей сети, дополнительно задатчика тока возбуждения генератора, второго контроллера, датчика угловой скорости, задатчика режима испытаний, конденсатора и двух транзисторных мостовых преобразователей, подключенных входами к выходу третьего выпрямителя, а выходами к якорным обмоткам соответственно двигателя и генератора, управляющие входы первого и второго транзисторных мостовых преобразователей соединены с выходами соответственно первого и второго контроллеров, первый и второй выходы задатчика режима испытаний подключены к входам соответственно первого и второго контроллеров, выходы первого датчика тока и датчика угловой скорости подключены к входам первого контроллера, датчик угловой скорости соединен механически с валом двигателя, конденсатор подключен к выходу третьего выпрямителя, а выход задатчика тока возбуждения генератора подключен к управляющему входу второго управляемого выпрямителя, обеспечивает расширение функциональных возможностей испытания электрических машин постоянного тока путем регулирования, стабилизации или изменения по программе механического момента нагрузки и угловой скорости электрических машин.
Использование предлагаемого технического решения при испытаниях электрических машин постоянного тока и механических передач позволит повысить технический уровень, надежность и точность результатов.