ИМИТАТОР МОМЕНТА НАГРУЗКИ

Предлагаемая полезная модель относится к устройствам, обеспечивающим создание на валу испытуемого объекта (двигателя, трансмиссии, муфты и т.п.) активного момента, изменяющегося в щироком диапазоне и имитирующего момент, прикладываемый к валу в реальных условиях эксплуатации объекта.
Из существующих имитаторов момента нагрузки, обеспечивающих выполнение сложных программ испытаний, наиболее распространены электрические. В простейщем случае это может быть электромагнитный тормоз, воздействием на обмотку возбуждения которого можно изменять момент на валу испытуемого объекта 1. Его достоинством является простота и удобство эксплуатации. К недостаткам электромагнитных тормозов следует отнести отсутствие рекуперации энергии и невозможность создания движущего момента.
Ближайшим к предлагаемому по технической сущности является устройство, содержащее машину постоянного тока, питающуюся от управляемого источника ЭДС 2. При этом испытуемый объект, например, двигатель, питающийся от сети переменного тока непосредственно или через регулируемый преобразователь (частоты или напряжения) , механически соединен с указанной нагрузочной машиной постоянного тока, якорная обмотка которой соединена с якорной обмоткой второй мащины постоянного тока (по схеме генератор - двигатель), которая, в свою очередь, механически соединена с машиной переменного тока, связанной с сетью. Этот метод испытаний, хотя и требует сложного комплекта испытательного оборудования - большого количества вращающихся мащин, щироко применяется при испытаниях электрических машин средней и большой мощности. Недостатком этого устройства является невозможность проведения испытаний в динамических режимах (требуется формирование сложных законов управления) и невозможность имитации моментов, характерных для различных производственных механизмов.
Предлагаемая полезная модель решает задачу проведения испытаний как в статических, так и в динамических режимах и имитации моментов нагрузки различных производственных механизмов.
Задача решается тем, что в известный имитатор нагрузки, содержащий две соединенные по якорным цепям машины постоянного тока, одна из которых, нагрузочная, механически соединена с испытуемым объектом, а другая - с подключенной к сети машиной переменного тока, введены источник неизменного тока, выводы постоянного тока которого включены последовательно с машинами постоянного тока, а выводы переменного тока подключены к сети, и тахогенератор, установленный на валу нагрузочной машины и подключенный ко входу блока формирования характеристики нагрузки, к выходу которого подключена обмотка возбуждения нагрузочной машины.
Задача имитации различных характеристик нагрузки и проведения испытаний как в статических, так и в динамических режимах решается путем использования источника неизменного тока, который делает момент нагрузочной машины зависящим только от ее тока возбуждения, и соответствующего выполнения блока формирования характеристики. Так, имитация линейной характеристики, выходящей из начала координат, достигается выполнением указанного блока в виде потенциометра.
Задача имитации линейной характеристики с зоной нечувствительности рещается тем, что блок формирования характеристики нагрузки выполнен в виде последовательной цепи, образованной потенциометром и встречно включенными регулируемым источником постоянного напряжения и диодом.
Задача имитации нелинейных характеристик с зоной нечувствительности решается тем, что в блоке формирования характеристики нагрузки в последовательную цепь, образованную потенциометром и встречно включенными регулируемым источником постоянного напряжения и диодом, введен нелинейный элемент, выход которого является выходом указанного блока. ный преобразователь, соединенные входами с выходом тахогенератора, а выходами
подключенные ко входу сумматора, выход которого соединен со входом усилителя, выход которого служит выходом блока.
Предлагаемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена схема имитатора момента нагрузки, обеспечивающего формирование линейных нагрузочных характеристик без зоны нечувствительности, на фиг 2 - схема имитатора момента нагрузки для формирование линейных нагрузочных характеристик с зоной нечувствительности, на фиг. 3 - схема имитатора момента нагрузки для формирования нелинейных нагрузочных характеристик с зоной нечувствительности, на фиг. 4 - второй вариант выполнения блока формирования характеристик нагрузки для получения линейных характеристик с зоной нечувствительности, на фиг. 5 - пример выполнения блока формирования характеристик нагрузки для получения нагрузочных характеристик, реализующих квадратичную зависимость выходного сигнала от входного, на фиг. 6 пример конкретной реализации на базе операционных усилителей блока формирования характеристик нагрузки для устройства, представленного на фиг. 4, а на фиг. 7 - пример выполнения источника неизменного тока.
Имитатор момента нагрузки (фиг. 1) содержит две последовательно соединенные мащины 1 и 2 постоянного тока, из которых машина 1, нагрузочная, механически соединена с испытуемым объектом 3, а мащина 2-е подключенной к сети мащиной 4 переменного тока, источник 5 неизменного тока, выводы постоянного тока которого включены последовательно с машинами I и 2 постоянного тока, а выводы переменного тока подключены к сети, тахогенератор 6, установленный на валу нагрузочной машины 1, и блок 7 формирования характеристики, при этом обмотка возбуждения 8 нагрузочной машины 1 подключена к выходу блока формирования. В простейшем случае блок формирования может быть выполнен в виде регулируемого потенциометра 9.
Имитатор момента нагрузки, изображенный на фиг. 2, содержит все представленные на фиг. 1 элементы, однако блок 7 формирования характеристики выполнен в нем в виде последовательной цепи из регулируемого потенциометра 9, регулируемого источника 10 постоянного напряжения и диода 11. Имитатор момента нагрузки на фиг. 3 содержит те же элементы, что и устройство на фиг. 2, но в блок 7 формирования характеристики нагрузки последовательно с регулируемым потенциометром 9, регулируемым источником 10 постоянного напряжения и диодом 11 включен нелинейный элемент 12, выход которого является выходом блока 7. Представленный на фиг. 4 блок формирования характеристик содержит пороговый элемент 13 и функциональный преобразователь 14, входы которых соединены с выходом тахогенератора 6, а выходы подключены ко входам сумматора 15, соединенного своим выходом со входом усилителя 16, выход которого является выходом блока. На фиг. 5 представлена функциональная схема блока 7 формирования квадратичной зависимости нагрузочного момента, который содержит блок перемножения 17,входы которого соединены с выходом тахогенератора, регулируемый потенциометр 18,движок которого вместе с выходом блока перемножения 17 подсоединен ко входам сумматора 19, соединеного своим выходом со входом усилителя 20, выход которого является выходом блока формирования характеристик нагрузки. Представленная на фиг. 6 принципиальная схема блока формирования характеристик является конкретной реализацией на базе операционных усилителей схемы рис. 4. Здесь пороговый элемент 13 реализован в виде операционного усилителя 21, в цепь обратной связи которого включен стабилитрон 22, функциональный преобразователь 14- в виде операционного усилителя 23 с регулируемым резистором 24 на входе и параллельно включенными резистором 25 и диодом 26 в цепи обратной связи, сумматор 15в виде операционного усилителя 27. Изображенная на фиг. 7 схема источника неизменного тока на базе параметрического индуктивно-емкостного преобразователя является одной из возможных его реализаций. Источник содержит последовательные цепи из дросселей 28 и конденсаторов 29, соединенные в треугольник, подключенные с одной стороны к трехфазной (в данном конкретном случае) сети переменного тока, а с другой - ко входам переменного тока трехфазного выпрямительного моста 30 на неуправляемых вентилях (диодах), к
выводам постоянного тока которого подключается нагрузка (в нашем случае - машины 1 и 2 постоянного тока).
Имитатор момента нагрузки (фиг. 1) работает следующим образом.
Для проведения испытаний подают напряжение на выводы переменного тока источника неизменного тока 5, подключают к сети испытуемый объект и машину 4 переменного тока. В изображенном на фиг. 1-3 вариантах испытуемый объект - асинхронный двигатель, подключен к сети непосредственно, однако возможно его подключение к сети через регулятор напряжения или преобразователь частоты.
В процессе испытаний асинхронного двигателя (испытуемый объект 3) нагрузочная машина 1 работает в генераторном режиме, машина 2 постоянного тока - в двигательном, а асинхронная машина 4 - в генераторном. Использование источника тока в такой схеме обеспечивает протекание по якорям машин неизменного по величине тока, что создает возможность управления моментом нагрузочной машины по цепи возбуждения. При питании обмотки возбуждения нагрузочной машины 1 от линейного возбудителя создается возможность формирования вертикальных механических характеристик Мс  f((B) нагрузочной машины, при которых величина ее момента зависит только от тока возбуждения и не зависит от скорости. Это обстоятельство позволяет проводить с помощью предлагаемого имитатора момента нагрузки динамические испытания объектов с любыми характеристиками.
Включение в цепь возбуждения нагрузочной машины тахогенератора и блока 7 формирования характеристик (фиг. 1), выполненного в виде регулируемого потенциометра 9, позволяет формировать на валу нагрузочной машины 1 характеристики, приведенные на фиг. 1 справа. Изменением положения движка регулируемого потенциометра 9 изменяют наклон характеристик - при смещении движка на рис. 1 вправо угол между характеристикой и осью моментов М уменьшается. Аналогично работает и имитатор момента нагрузки, изображенный на фиг. 2 и
фиг. 3.
Отличие имитатора момента нагрузки на фиг. 2 состоит в том, что здесь имеется дополнительная возможность смещения точки начала характеристик по оси со, т.е. чем больше введенное в указанную выше последовательную цепь напряжение, тем выше на оси ординат (оси со) точка, служащая началом характеристик. Поскольку выходное напряжение тахогенератора пропорционально угловой скорости нагрузочной машины и направлено встречно напряжению Uon, то до напряжения Un-  Uon ток возбуждения и поток нагрузочной машины будут отсутствовать и соответственно будет равен нулю момент на ее валу (М  kOb). После достижения скоростью значения, при котором UTT  Uon , в обмотке возбуждения нагрузочной машины начинает протекать ток, и растет момент на ее валу. Как и в случае фиг. 1, наклон характеристик изменяется регулированием потенциометра 9, а значение СОо определяется уровнем напряжения
на выходе регулируемого источника 10 постоянного напряжения, т.е. в представленном на фиг. 2 и фиг. 3 вариантах положением движка потенциометра на выходе источника постоянного напряжения. Такие характеристики имитируют линейные характеристики нагрузки с зоной нечувствительности.
Отличие имитатора момента нагрузки на фиг. 3, состоящее во введении в блок формирования характеристики нелинейного элемента, включенного в последовательную цепь из резистора 9, диода 11 и источника 10, обеспечивает возможность формирования нелинейных характеристик, например, таких, как показаны на фиг. 3 справа.
При выполнении блока формирования характеристики нагрузки на базе операционных усилителей выходное напряжение тахогенератора 6 подается на входы блока 13 ограничения и функционального преобразователя 14, выходные сигналы которых суммируются в сумматоре 15 и результат этой операции подается на вход усилителя 16, определяя значение тока возбуждения нагрузочной машины 1. При UTT  Ucpa6 выходное напряжение порогового элемента (компаратора) равно нулю, при Uir Ucpa6 на
его выходе появляется сигнал, определяющий зону нечувствительности характеристики. Коэффициент передачи функционального преобразователя 14 определяет угол наклона характеристик.
Блок формирования характеристик, изображенный на фиг. 5, позволяет имитировать квадратичную зависимость момента нагрузки, для этого выходной сигнал тахогенератора, умноженный на себя в блоке 17 перемножения, суммируется с синалом опорного напряжения, значение которого определяется положением движка потенциометра 18 и определяет зону нечувствительности характеристики. Выходной сигнал сумматора, как и в других вариантах блока, подается на усилитель, питающий обмотку возбуждения 8 нагрузочной мащины.
Следует отметить, что для уменьшения установленной мощности введенного в нагрузочное устройство источника неизменного тока желательно согласовывать изменение задания тока возбуждения мащины 2 постоянного тока с изменением тока возбуждения нагрузочной мащины 1 таким образом, чтобы ЭДС мащин 1 и 2 были близки по абсолютному значению.
Источники информации
1.Н.Ф.Котеленец, Н.Л.Кузнецов. Испытания и надежность электрических машин. - М.: Высш. шк., 1988, с. 46.
2.Н.Ф.Котеленец, Н.Л.Кузнецов. Испытания и надежность электрических машин. - М.: Высш. шк., 1988, с. 71, рис. 5.3.