Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для использования при испытаниях электрических машин постоянного тока.

Известны способы испытания электрических машин постоянного тока методом взаимного нагружения, при которых якорные обмотки двигателей соединяются параллельно и подключаются к регулируемому источнику постоянного напряжения, а обмотки возбуждения двигателя и генератора подключаются к регулируемым источникам постоянного тока (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. / Вiсник Дн. нац. ун-ту залiзн. трансп. iм акад. В.Лазаряна: Зб. наук. пр. 2009, вып.25, с.258-262, рис. 1).

При реализации известных способов испытания электрических машин постоянного тока используются две близкие или одинаковые по мощности электрические машины, одна из которых работает двигателем, другая - генератором. Точки отбора энергии при этом совпадают, а из сети потребляется мощность, равная потерям в электрических машинах. Режим нагружения определяется соотношением токов возбуждения двигателя и генератора. Известно, что механический момент, развиваемый двигателем, зависит от токов якорной обмотки и возбуждения. Однако в известных способах механический момент не стабилизируется и не регулируется. Поэтому известные способы имеют низкую точность поддержания механической нагрузки при длительных испытаниях и ограниченные функциональные возможности, т.к. не позволяют регулировать, стабилизировать или изменять по программе механический момент нагрузки машин.

Следовательно, недостатками известных способов испытания электрических машин постоянного тока являются низкая точность поддержания механической нагрузки в процессе длительных испытаний и ограниченные функциональные возможности, т.к. они не позволяют регулировать, стабилизировать или изменять по программе механический момент нагрузки машин.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому изобретению является способ испытания электрических машин постоянного тока методом взаимного нагружения, при котором якорные обмотки двигателей 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).

При реализации известного способа испытания электрических машин постоянного тока используются две близкие или одинаковые по мощности электрические машины постоянного тока, одна из которых работает двигателем, другая - генератором. Точки отбора энергии при этом совпадают, а из сети потребляется мощность, равная потерям в электрических машинах. Режим нагружения определяется соотношением токов возбуждения двигателя и генератора. Известно, что механический момент, развиваемый двигателем, зависит от токов якорной обмотки и возбуждения. Однако в известных способах механический момент нагрузки не контролируется и не регулируется. Поэтому известный способ имеет низкую точность поддержания механической нагрузки в процессе длительных испытаний и ограниченные функциональные возможности, т.к. не позволяет регулировать, стабилизировать или изменять по программе механический момент нагрузки машин.

Следовательно, недостатками известного способа испытания электрических машин постоянного тока являются низкая точность поддержания механической нагрузки в процессе длительных испытаний и ограниченные функциональные возможности, т.к. он не позволяет регулировать, стабилизировать или изменять по программе механический момент нагрузки машин.

Целью предлагаемого изобретения является повышение точности поддержания механической нагрузки в процессе длительных испытаний и расширение функциональных возможностей способа испытания электрических машин постоянного тока путем регулирования, стабилизации или изменения по программе механического момента нагрузки машин.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе испытания электрических машин постоянного тока методом взаимного нагружения, при котором якорные обмотки двигателей соединяются параллельно и подключаются к регулируемому источнику постоянного напряжения, а обмотки возбуждения двигателя и генератора подключаются к регулируемым источникам постоянного тока, дополнительно измеряют ток i якорных обмоток и ток i_вд обмотки возбуждения двигателя, по результатам измерений вычисляют поток возбуждения Ф_вд=Ф_вд(i_вд) и электромагнитный момент двигателя по формуле M=kФ_вд(i_вд)i, где k - конструктивная постоянная двигателя, сравнивают вычисленное значение с заданным значением момента нагрузки M₀ и вычисляют рассогласование ε=M₀-M, в зависимости от величины рассогласования ε регулируют ток возбуждения генератора по алгоритму стабилизации момента нагрузки M=M₀.

По сравнению с наиболее близким аналогичным техническим решением предлагаемый способ имеет следующие новые признаки:

- дополнительно измеряют ток i якорных обмоток;

- дополнительно измеряют ток i_вд обмотки возбуждения двигателя;

- вычисляют поток возбуждения Ф_вд=Ф_вд(i_вд);

- по результатам измерений вычисляют электромагнитный момент двигателя по формуле M=kФ_вд(i_вд)i, где k - конструктивная постоянная двигателя;

- сравнивают вычисленное значение с заданным значением момента нагрузки M₀ и вычисляют рассогласование ε=M₀-M;

- в зависимости от величины рассогласования ε регулируют ток возбуждения генератора по алгоритму стабилизации момента нагрузки M=M₀.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «новизна».

При реализации предлагаемого изобретения обеспечивается повышение точности поддержания механической нагрузки в процессе длительных испытаний и расширение функциональных возможностей при испытаниях машин постоянного тока методом взаимного нагружения, а именно обеспечиваются стабилизация, регулирование или программное изменение взаимной нагрузки электрических машин во всем диапазоне изменения нагрузок и угловых скоростей. Повышение точности и расширение функциональных возможностей достигается тем, что способ испытания предусматривает косвенное измерение механического момента и его автоматическое регулирование с помощью обратной связи и контроллера, изменяющего ток возбуждения генератора.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию «положительный эффект».

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области электротехники, автоматики и электропривода.

Операции измерения тока i якорных обмоток и измерения тока i_вд обмотки возбуждения двигателя используются в системах управления электрическими машинами (Патент РФ №2281525, МКИ G01R 31/34, 2006 г.). В известных технических решениях указанные операции имеют аналогичное назначение.

Операция вычисления потока возбуждения Ф_вд=Ф_вд(i_вд) используется в устройствах для испытания электрических машин (Патент РФ №2281525, МКИ G01R 31/34, 2006 г.). В известных технических решениях и предлагаемом способе указанная операция используется по аналогичному назначению и обеспечивает функциональное преобразование тока возбуждения для вычисления потока возбуждения.

Операции:

- по результатам измерений вычисляют электромагнитный момент двигателя по формуле M=kФ_вд(i_вд)i, где k - конструктивная постоянная двигателя;

- сравнивают вычисленное значение с заданным значением момента нагрузки M₀ и вычисляют рассогласование ε=M₀-M;

- в зависимости от величины рассогласования е регулируют ток возбуждения генератора по алгоритму стабилизации момента нагрузки M=M₀, в известных технических решениях аналогичного назначения 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 системы, реализующей предлагаемый способ испытания электрических машин постоянного тока. На чертеже обозначено: 1, 3 и 14 - первый, второй и третий управляемые тиристорные преобразователи; 2 и 4 - первый и второй задатчики; 5 и 9 - первый и второй датчики тока; 6 - обмотка возбуждения двигателя; 8 - якорная обмотка двигателя; 7 и 10 - первый и второй усилители; 11 - якорная обмотка генератора; 12 - контроллер; 13 - обмотка возбуждения генератора.

Система, реализующая предлагаемый способ испытания электрических машин постоянного тока, работает следующим образом. Якорная обмотка двигателя постоянного тока 8 подключена к выходу первого тиристорного преобразователя 1. Обмотка возбуждения двигателя постоянного тока подключена к выходу второго тиристорного преобразователя. Ток обмотки возбуждения измеряется с помощью первого датчика тока 5. Регулирование выходного напряжения первого тиристорного преобразователя 1 осуществляется с помощью первого задатчика 2. Регулирование тока в обмотке возбуждения двигателя осуществляется с помощью второго задатчика 4. Ток в якорных обмотках двигателя 8 и генератора 11 измеряется с помощью датчика тока 9. Сигналы с выходов первого 5 и второго 9 датчиков тока через соответственно первый 7 и второй 10 усилители поступают на входы контроллера 12.

Контроллер 12 выполняет следующие процедуры:

- вычисление потока возбуждения двигателя Ф_вд(i_вд) в зависимости от тока возбуждения i_вд (сигнал с выхода первого датчика тока 5); зависимость Ф_вд(i_вд) рассчитывается в соответствии с кривой намагничивания электротехнической стали (см., например, Данку А., Фаркаш А., Надь Л. Электрические машины. - М., Энергоатомиздат, 1984, с.250);

- вычисление электромагнитного момента двигателя по формуле M=kФ_вд(i_вд)i;

- вычисление рассогласования ε=M₀-M;

- преобразование сигнала рассогласования ε=M₀-M в соответствии с типовым законом регулирования, например пропорционально-интегральным, в сигнал управления для третьего тиристорного преобразователя 14.

Выходной сигнал контроллера 12 действует на входе третьего тиристорного преобразователя 14, который поддерживает ток в обмотке возбуждения 13 генератора 11 таким образом, что обеспечивается режим работы системы, при котором рассогласование минимально (ε≈0).

Таким образом, в системе управления за счет обратной связи по моменту обеспечивается поддержание во всех режимах заданного значения механической нагрузки.

Заданное значение момента M₀ может поддерживаться постоянным или изменяться по программе.

Таким образом, предлагаемое техническое решение обеспечивает расширение функциональных возможностей способа испытания электрических машин постоянного тока путем регулирования, стабилизации или изменения по программе механического момента нагрузки машин.

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-450-132-7УЗ (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-450-132-7УЗ (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;

Тиристорный преобразователь: напряжение питания U=400 В.

На фиг.2 приведены результаты моделирования системы, реализующей предлагаемый способ испытания электрических машин постоянного тока. На фиг.2,а показана диаграмма изменения сигнала задания для момента нагрузки, на фиг.2,б приведена диаграмма механического момента. Система обеспечивает поддержание заданного значения момента нагружения и проведение испытания по программе.

Таким образом, использование в известном способе испытания электрических машин постоянного тока методом взаимного нагружения, при котором якорные обмотки двигателей соединяются параллельно и подключаются к регулируемому источнику постоянного напряжения, а обмотки возбуждения двигателя и генератора подключаются к регулируемым источникам постоянного тока, использование дополнительно операций, при которых измеряют ток i якорных обмоток и ток i_вд обмотки возбуждения двигателя, по результатам измерений вычисляют поток возбуждения Ф_вд=Ф_вд(i_вд) и электромагнитный момент двигателя по формуле M=kФ_вд(i_вд)i, где k - конструктивная постоянная двигателя, сравнивают вычисленное значение момента с заданным значением момента нагрузки M₀ и вычисляют рассогласования ε=M₀-M, в зависимости от величины рассогласования е регулируют ток возбуждения генератора по алгоритму стабилизации момента нагрузки M=M₀, обеспечивает повышение точности поддержания механической нагрузки в процессе длительных испытаний и расширение функциональных возможностей способа испытания электрических машин постоянного тока путем регулирования, стабилизации или изменения по программе механического момента нагрузки машин.

Использование предлагаемого технического решения при испытаниях электрических машин постоянного тока позволит повысить технический уровень, надежность и точность результатов.