СХЕМА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МОЩНОСТИ, ПОТРЕБЛЯЕМОЙ АСИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ ПРИ ИСПЫТАНИИ ИХ МЕТОДОМ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована при испытании асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки в качестве схемы для определения мощности, подводимой к двигателям [1, 2, 3].
В рассматриваемой схеме испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки используются преобразователи частоты, являющиеся источником несинусоидального напряжения и переменной частоты. Следовательно, для оценки потерь мощности в частотных преобразователях в такой схеме необходимо определить мощность переменного тока в трехфазной несинусоидальной цепи с частотой тока, которая может значительно отличаться от 50 Гц. Для непосредственного измерения этой мощности требуется применение специальных приборов и схем измерения электрической мощности.
В настоящее время известно множество способов измерения электрической мощности в несинусоидальных цепях переменного тока.
Один из способов сводится к одновременному формированию интегралов от произведения сигналов напряжения и тока в нагрузке и от произведения задержанных на фиксированный интервал времени сигналов напряжения и тока в нагрузке. Результат измерения определяют по равным значениям накапливаемых интегралов в четные от начала измерений моменты равенства значений результатов интегрирования [4].
Другой способ основан на преобразовании мгновенной мощности, потребляемой нагрузкой, в пропорциональное этой мощности переменное электрическое напряжение. Из сформированного электрического напряжения выделяют пульсирующие напряжения различных полярностей. Сглаживая пульсации обоих напряжений, преобразуют их в постоянные разнополярные напряжения, равные по величине пиковым значениям пульсирующих напряжений. Постоянные разнополярные напряжения суммируют, и результат суммирования измеряют вольтметром постоянного тока, прокалиброванным в единицах мощности [5].
Для измерения мощности переменного тока в несинусоидальных цепях часто применяют датчики, работающие на эффекте Холла. Так в схеме-прототипе для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки предложен способ измерения сигналов токов и напряжения посредством шунтов, датчиков Холла, сумматора и программного продукта, обеспечивающего математическую обработку фиксируемых сигналов [6].
Приведенные способы характеризуются использованием специальных датчиков, микросхем, наличием сложного программного обеспечения. Это приводит к усложнению и повышению стоимости измерительной схемы стенда.
Целью предлагаемой полезной модели является снижение стоимости и упрощение измерительной схемы стенда.
Указанная цель достигается за счет отказа от использования специальных датчиков, микросхем, сложного программного обеспечения для обработки сигналов; применения общепромышленных электроизмерительных приборов в качестве средств измерения мощности переменного тока с частотой 50 Гц и электроизмерительных приборов постоянного тока; использования двух контакторов, обеспечивающих поэтапную перекоммутацию схемы испытаний в процессе измерений. Таким образом, мощность, подводимая к двигателям, определяется косвенным способом.
На фиг. 1 показана схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки и подключенные к схеме измерительные приборы. На фиг. 1 обозначены следующие элементы: 1, 2 - испытуемые асинхронные двигатели; 3, 4 - преобразователи частоты; 3.1, 4.1 - неуправляемые выпрямители первого и второго частотных преобразователей; 3.2, 4.2 - звенья постоянного тока первого и второго частотных преобразователей; 3.3, 4.3 - управляемые инверторы первого и второго частотных преобразователей; 5, 6 - контакторы; 7, 8, 9 - ваттметры; 10 - амперметр постоянного тока; 11 - вольтметр постоянного тока; 12 - общая шина постоянного тока; 13 - механическая связь валов двигателей 1 и 2, вращающихся с одинаковой угловой частотой.
Схема состоит из трех общепромышленных электроизмерительных приборов для измерения мощности переменного тока частотой 50 Гц, подаваемого на входы обоих частотных преобразователей и одного из асинхронных двигателей; из общепромышленных электроизмерительных приборов для измерения мощности постоянного тока, передаваемого по общей шине постоянного тока; двух контакторов, позволяющих обесточить вход выпрямителя одного из преобразователей частоты.
Определение электрической мощности, потребляемой асинхронными двигателями при испытании их методом взаимной нагрузки для принятой схемы стенда (см. фиг. 1) проводится в три этапа.
На первом этапе собирается схема, приведенная на фиг. 2, и проводятся следующие действия:
- подается питание из сети на выпрямитель первого преобразователя 3.1: осуществляется запуск обеих машин 1, 2 на холостом ходу при номинальной частоте напряжения, питающего двигатели;
- при неизменной частоте напряжения, питающего двигатель 2, уменьшается частота напряжения, питающего двигатель 1, за счет чего 1 нагружается в режиме генератора, а 2 - в режиме двигателя; проводятся измерения мощности, передаваемой через шину постоянного тока 12, и мощности, подаваемой на двигатель 2 от управляемого инвертора 4.3, по разности которых определяется зависимость потерь в управляемом инверторе 4.3 от мощности, потребляемой двигателем 2:
- при неизменной частоте напряжения, питающего двигатель 2, увеличивается частота напряжения, питающего двигатель 1, за счет чего 2 нагружается в режиме генератора, а 1 - в режиме двигателя; проводятся измерения мощности, передаваемой через шину постоянного тока 12, и мощности, вырабатываемой генератором 2, по разности которых определяется зависимость потерь в управляемом инверторе 4.3 от мощности, вырабатываемой генератором 2, и передаваемой от него в звено постоянного тока:
- определяем зависимость мощности, подводимой к инвертору 4.3 второго частотного преобразователя 4, от мощности, потребляемой двигателем 2:
- определяем зависимость мощности, подводимой к инвертору 4.3 второго частотного преобразователя 4, от мощности, вырабатываемой генератором 2:
Используя зависимости (3) и (4) получаем зависимости:
На втором этапе определяются потери в неуправляемом выпрямителе. Измерения на втором этапе проводятся по схеме, приведенной на фиг. 1, отличие которой состоит в том, что электрическая энергия от сети в звенья постоянного тока передается по обоим неуправляемым выпрямителям одновременно. Измерения проводятся при тех же режимах работы асинхронных машин, что и на первом этапе.
В результате измерений получают следующие зависимости:
- мощности на выходе выпрямителя 4.1 второго частотного преобразователя 4 от мощности, потребляемой двигателем 2:
инв
д
где P(W) определяется по выражению (3);
- мощности на выходе выпрямителя 4.1 второго частотного преобразователя 4 от мощности, вырабатываемой генератором 2:
инв
г
где P(W) определяется по выражению (4);
- потерь мощности в выпрямителе 4.1 второго частотного преобразователя 4 от мощности, передаваемой им в звено постоянного тока при работе машины 2 как в двигательном, так и в генераторном режиме:
с
где W - мощность, потребляемая вторым частотным преобразователем 4 из сети.
Второй этап завершается определением зависимости потерь мощности в неуправляемом выпрямителе 4.1 от подводимой к нему мощности из сети:
в соответствии с выражениями (9) и (10).
Необходимо выполнить действия в соответствии с формулами (1)-(10), как для первого, так и для второго частотного преобразователя.
с
г
д
шпт
Составляющие W, W, W, P получены по результатам измерений. Первые два этапа проводятся только один. Цель первых двух этапов - получение зависимостей (1)-(10) для их дальнейшего многократного использования.
с1
с2
шпт
Третий этап проводится следующим образом. Измеритель мощности 9 на данном этапе не требуется. При некотором установившемся режиме измеряются величины W, W, P, после чего из следующих имеющихся зависимостей выражаются и находятся следующие величины:
выпр1
выпр2
- из (11), (12) определяется ΔP, ΔP;
выпр1
выпр2
- из (9) и (10) определяется P, P;
инв1
инв2
- из (7) и (8) определяется P, P;
инв1
инв2
- из (5), (6) определяется ΔP, ΔP;
д
г
- из (3) и (4) определяется W и W.
Практическая ценность представленной схемы для определения мощности заключается в том, что при номинальной частоте напряжения испытываемых двигателей равной 50 Гц все измерения требуют применения измерительных приборов, рассчитанных на эту же частоту напряжения, что значительно упрощает и удешевляет измерительную схему.
Источники информации:
1. Патент на изобретение Р.Ф. №2433419 G01R 31/34, 2010.
2. Авилов, В.Д. Математическая модель процесса испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки [Текст] / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов // Вестник СибАДИ. 2013. №5 (33). С. 75-81.
3. Авилов, В.Д. Оценка энергетической эффективности применения метода взаимной нагрузки при испытании асинхронных тяговых двигателей [Текст] / В.Д. Авилов, Д. И. Попов, А. В. Литвинов // Известия Транссиба. - Омск, 2013. - №3 (1). - С. 2-7.
4. Патент на изобретение Р.Ф. №2229723 G01R 21/06, G01R 21/133, 2004.
5. Патент на изобретение Р.Ф. №2296338 G01R 21/06, 2007.
6. Патент на полезную модель Р.Ф. №80018, МПК G01R 31/04, 2008.