СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН В ДИНАМИЧЕСКОМ РЕЖИМЕ
TEST BENCH OF ELECTRICAL MACHINES IN DYNAMIC MODE

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при испытаниях электрических машин постоянного и переменного тока.
Известны стенды для испытания электрических машин в динамическом режиме, содержащие трансформатор, подключенный первичной обмоткой к питающей сети, а вторичной обмоткой - к входу управляемого выпрямителя, и задающий генератор (Вайнер Α., Мохнатый Α., Набок С., Калашник С., Хижняк В. Послеремонтные испытания двигателей переменного тока. Стенд для динамического нагружения / Новости электротехники, 2011, №2 (68); патент РФ №2334993, МПК G01R 31/34. - Опубл. 27.09.2008; патент РФ №2133044, МПК G01R 31/34; E21C 31/04. - Опубл. 10.07.1999).
В известных стендах для испытания электрических машин в динамическом режиме на статор машины подается напряжение, вызывающее возвратно-вращательное движение ротора. Энергетическое состояние испытуемого двигателя и питающей электрической сети при этом характеризуется энергообменными процессами в системе электрическая машина - сеть. При разгоне машины происходит потребление электрической энергии из сети, при торможении машины имеет место рекуперация кинетической энергии вращающихся масс в питающую электрическую сеть. Так как процессы потребления и рекуперации происходят поочередно, то такие испытания характеризуются низкой энергетической эффективностью. При режиме разгона потребляется большая мощность, при рекуперации использование возвращаемой энергии приводит к повышению напряжения в узле подключения нагрузки. При этом эффективное использование рекуперированной энергии возможно только при наличии в сети приемника электрической энергии соответствующей мощности.
Следовательно, недостатком известных стендов для испытания электрических машин в динамическом режиме является низкая энергетическая эффективность.
Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому изобретению является стенд для испытания электрических машин в динамическом режиме, содержащий трансформатор, подключенный первичной обмоткой к питающей сети, а вторичной обмоткой - к входу управляемого выпрямителя, дроссель, один из выводов которого подключен к первой выходной шине управляемого выпрямителя, и задающий генератор (Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. - М.: Недра, 1992, с. 161, рис. 9.3).
В известных стендах для испытания электрических машин в динамическом режиме на статор машины подается напряжение, вызывающее вращательно-колебательное движение ротора. Энергетическое состояние испытуемого двигателя и питающей электрической сети при этом характеризуется энергообменными процессами в системе электрическая машина - сеть. При разгоне машины происходит потребление электрической энергии из сети, при торможении машины имеет место рекуперация кинетической энергии вращающихся масс в питающую электрическую сеть. Так как процессы потребления и рекуперации происходят поочередно, то такие испытания характеризуются низкой энергетической эффективностью. При режиме разгона потребляется большая мощность, при рекуперации использование возвращаемой энергии приводит к повышению напряжения в узле подключения нагрузки. При этом эффективное использование рекуперированной энергии возможно только при наличии в сети приемника электрической энергии соответствующей мощности. Периодический процесс потребления и рекуперации энергии вызывает колебания напряжения в сети и увеличение потерь электрической энергии.
Следовательно, недостатком известного стенда для испытания электрических машин в динамическом режиме является низкая энергетическая эффективность.
Целью предлагаемого изобретения является повышение энергетической эффективности испытания электрических машин в динамическом режиме.
Поставленная цель достигается тем, что в известный стенд для испытания электрических машин в динамическом режиме, содержащий трансформатор, подключенный первичной обмоткой к питающей сети, а вторичной обмоткой - к входу управляемого выпрямителя, дроссель, один из выводов которого подключен к первой выходной шине управляемого выпрямителя, и задающий генератор, дополнительно введены маховик, управляемый реверсивный преобразователь энергии и суперконденсатор, подключенный одним выводом к второму выводу дросселя, а другим выводом - к второй выходной шине управляемого выпрямителя, управляемый реверсивный преобразователь энергии подключен силовым входом к выводам суперконденсатора, управляющим входом соединен с выходом задающего генератора, а выходом подключен к обмоткам испытуемой электрической машины, на валу которой установлен маховик.
По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ имеет следующие новые признаки:
- маховик;
- управляемый реверсивный преобразователь энергии;
- суперконденсатор.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».
При реализации предлагаемого изобретения обеспечивается повышение энергетической эффективности испытания электрических машин в динамическом режиме. При испытании электрической машины ротор приводится в возвратно-вращательное движение. Источником питания силового преобразователя, управляющего электрической машиной, служит суперконденсатор. При разгоне электрической машины происходит потребление электрической энергии от суперконденсатора, при торможении машины кинетическая энергия движущихся масс преобразуется в электрическую энергию, которая аккумулируется в суперконденсаторе. Потери энергии при работе электромеханической системы в динамическом режиме компенсируются путем подзаряда суперконденсатора с помощью управляемого выпрямителя, подключенного к питающей электрической сети.
Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».
По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода:
- маховик;
- управляемый реверсивный преобразователь энергии;
- суперконденсатор.
Известны маховики в стендах для испытания электрических машин (патент РФ №2496100, МПК G01M 17/00. - Опубл. в БИ, 20.10.2013). В известных устройствах и предлагаемом техническом решении маховики используются для создания динамической нагрузки электрической машины и, следовательно, выполняют аналогичные функции.
Известны управляемые реверсивные преобразователи энергии в стендах для испытания электрических машин (Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. - М.: Недра, 1992, с. 208, рис. 11.1). В известных устройствах и предлагаемом техническом решении маховики используются для создания динамической нагрузки электрической машины и, следовательно, выполняют аналогичные функции.
Суперконденсаторы в известных стендах для испытания электрических машин в динамическом режиме не обнаружены.
Таким образом, указанные признаки обеспечивают заявляемому техническому решению соответствие требованию «существенные отличия».
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 показана функциональная схема стенда для испытания электрических машин в динамическом режиме. На чертеже обозначено: 1 - питающая электрическая сеть; 2 - трансформатор; 3 - управляемый тиристорный выпрямитель; 4 - дроссель; 5 - суперконденсатор; 6 - задающий генератор; 7- управляемый реверсивный преобразователь энергии; 8 - электрическая машина; 9 - маховик.
В стенде для испытания электрических машин в динамическом режиме трансформатор 2 подключен первичной обмоткой к питающей сети 1, а вторичной обмоткой - к входу управляемого выпрямителя 3, один из выводов дросселя 4 подключен к первой выходной шине управляемого выпрямителя 3, второй вывод дросселя соединен с первым выводом суперконденсатора 5, второй вывод которого подключен к второй шине управляемого выпрямителя 3, управляемый реверсивный преобразователь энергии 7 подключен силовым входом к выводам суперконденсатора 5, управляющим входом соединен с выходом задающего генератора 6, а выходом подключен к обмоткам испытуемой электрической машины 8, на валу которой установлен маховик 9.
м
Стенд для испытания электрических машин в динамическом режиме работает следующим образом. Суперконденсатор 5, подключенный к выходу управляемого выпрямителя 3 через дроссель 3, функционирует в режиме подзаряда. На нем с помощью управляемого выпрямителя поддерживается постоянное напряжение. Управляемый выпрямитель подключен к питающей электрической сети 1 через трансформатор 2. Дроссель 4 предназначен для снижения пульсаций тока заряда суперконденсатора 5. Задающий генератор 6 формирует знакопеременное напряжение управления для реверсивного преобразователя энергии 7. Управляемый реверсивный преобразователь энергии формирует напряжение питания двигателя 8, обеспечивающее его возвратно-вращательное движение за счет энергии, накопленной в суперконденсаторе 5. При вращении двигателя 8 в одном направлении, т.е. разгоне до максимальной скорости Ω, в маховике 9 накапливается кинетическая энергия
<mrow><msub><mi>W</mi><mi>к</mi></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>J</mi><msubsup><mi>Ω</mi><mi>м</mi><mn>2</mn></msubsup></mrow><mn>2</mn></mfrac></mrow>
,
где J - момент инерции маховика 9.
При изменении направления вращения двигателя 8 происходит торможение вращающихся масс и преобразование двигателем 8 механической энергии в электрическую энергию, которая возвращается в суперконденсатор 5. Далее цикл повторяется.
Потери энергии в элементах реверсивного преобразователя 7 и двигателе 8 компенсируются за счет подзаряда суперконденсатора 5 от питающей сети 1. Таким образом, потребление энергии из питающей сети 1 при испытаниях электрической машины 8 определяется потерями в элементах стенда и составляет 5…15% от мощности испытуемой электрической машины.
Техническая реализация реверсивного преобразователя энергии 7 определяется типом электрической машины. Для испытания электрических машин постоянного тока в качестве реверсивного преобразователя энергии используется мостовой транзисторный преобразователь, схема которого показана на фиг. 2. Устройство, изображенное на фиг. 2, содержит содержит транзисторы 10-13 и обратные диоды 14-17. К выходу реверсивного преобразователя подключена якорная обмотка двигателя постоянного тока 18.
Для испытания электрических машин переменного тока, например, асинхронных машин, в качестве реверсивного преобразователя энергии используется мостовой трехфазный транзисторный инвертор, схема которого показана на фиг. 3. Инвертор, изображенный на фиг. 3, содержит транзисторы 19-24 и обратные диоды 25-30. К выходу инвертора подключен асинхронный трехфазный двигатель 31.
Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает повышение энергетической эффективности стенда за счет того, что испытание электрических машин предусматривает использование рекуперированной энергии при торможении вращающихся масс непосредственно для последующего разгона машины с маховиком 8.
С целью подтверждения положительного эффекта, достигаемого при использовании предлагаемого технического решения, было выполнено имитационное моделирование системы испытаний асинхронного двигателя, реализованной по схеме стенда, изображенной на фиг. 1.
Параметры стенда двигателя имели следующие значения.
Машина переменного тока (двигатель):
Мощность - 400 кВт;
Напряжение (линейное) - 380 В;
Частота вращения номинальная - 950 об/мин;
Тиристорный преобразователь: выходное напряжение U=690 В;
Суперконденсатор 100 Φ.
2
Маховик с моментом инерции 30 кг·м.
На фиг. 4 приведены результаты моделирования системы, реализующей предлагаемый стенд для испытания электрических машин в динамическом режиме: диаграмма электропотребления, потребляемой и рекуперируемой энергии и скорости вращения маховика.
ц
Длительность цикла возвратно-вращательного движения Т=8 с. Механическая энергия, потребляемая электрической машиной в двигательном режиме, равна 1,1 МДж. Энергия, рекуперируемая при торможении машины, составляет 1,0 МДж. Энергия, потребляемая из сети за цикл, равна 0,1 МДж. Таким образом, полная мощность электрической машины, работающей поочередно в двигательном и генераторном режимах, равна 500 кВт. Мощность, потребляемая стендом, равна 25 кВт, т.е составляет 5% от мощности электрической машины при испытаниях.
Таким образом, использование в стенде для испытания электрических машин в динамическом режиме, содержащем трансформатор, подключенный первичной обмоткой к питающей сети, а вторичной обмоткой - к входу управляемого выпрямителя, дроссель, один из выводов которого подключен к первой выходной шине управляемого выпрямителя, и задающий генератор, дополнительно маховика, управляемого реверсивного преобразователя энергии и суперконденсатора, подключенного одним выводом к второму выводу дросселя, а другим выводом - к второй выходной шине управляемого выпрямителя, при этом управляемый реверсивный преобразователь энергии подключен силовым входом к выводам суперконденсатора, управляющим входом соединен с выходом задающего генератора, а выходом подключен к обмоткам испытуемой электрической машины, на валу которой установлен маховик, обеспечивает повышение энергетической эффективности испытаний.
Использование предлагаемого технического решения при испытаниях электрических машин позволит повысить технический уровень и снизить электропотребление.