НАГРУЖАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ Российский патент 1995 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к двигателестроению, а именно к испытанию двигателей внутреннего сгорания.

Известны нагружающие устройства для испытания двигателей внутреннего сгорания [1] по схеме асинхронного вентильного каскада типа КИ 5662, которые содержат асинхронную машину с фазным ротором, вентильный преобразователь, токоограничивающие реакторы, системы управления, регулирования и защиты. Работа асинхронно-вентильного нагружающего устройства основана на введении в цепь ротора асинхронной машины с фазным ротором добавочной ЭДС. Такие нагружающие устройства обеспечивают: двигательный режим (холодной обкатки) при ω < ω₀, где ω частота вращения нагружающего устройства; ω₀ синхронная частота вращения асинхронной машины; генераторный режим (горячая обкатка) при ω > ω₀, динамическое рекуперативное торможение (горячая обкатка) при ω ω_o.

Недостатком таких устройств является пульсация момента нагрузки для двигателей малой мощности, что вызывает колебание частоты вращения и вносит искажение в желаемый процесс испытаний.

Известно нагружающее устройство стенда для испытания двигателей внутреннего сгорания [2] содержащее асинхронную машину с трехфазным статором, фазным ротором и неуправляемым роторным блоком вентилей, ведомый сетью инвертор, сглаживающий дроссель в цепи выпрямленного тока, токоограничивающие реакторы, подключенные к стороне переменного тока инвертора, датчики момента, скорости и тока, систему импульсно-фазового управления инвертором, двумя парами встречно-параллельно соединенных тиристоров, включенных в две фазы статора асинхронной машины, которое за счет расширения функциональных возможностей обеспечивает совмещение режимов: двигательного, генераторного и динамического рекуперативного торможения.

Описанное устройство принято за прототип. Недостатком такого нагружающего устройства является пульсация момента нагрузки (например, в [5] приведена расчетная зависимость от времени электромагнитного момента для двигателя АК-82-6). Для двигателей малой мощности в режиме динамического торможения такие пульсации вносят искажения в желаемый процесс испытаний и снижают точность воспроизведения режимов нагружения на валу испытуемого двигателя внутреннего сгорания (ДВС).

В нагружающем устройстве, принятом за прототип [2] обмотка статора асинхронной машины 1 при динамическом торможении питается пульсирующим постоянным током, по схеме однополупериодного выпрямления, коэффициент пульсации для таких схем по первой гармонике 1,57 [3] следовательно, магнитное поле в воздушном зазоре, создаваемое этим током, также будет пульсирующим. В режиме динамического рекуперативного торможения асинхронная машина работает как обращенный синхронный генератор. Электромагнитный вращающий момент, развиваемый электрической машиной согласно [4] можно принять
М ≈ kВ², где k коэффициент пропорциональности;
В индукция магнитного поля.

Для двигателей малой мощности, имеющих сравнительно малые Т_эм, Т_м электромагнитную и электромеханическую постоянные времени, пульсации М могут достигать значительной величины и вызывать пульсации частоты вращения. Кроме того, из-за реакции якоря при нагрузке существенно уменьшается магнитный поток электрической машины, что оказывает влияние на механические характеристики нагружающего устройства в целом.

Целью изобретения является повышение эффективности устройства путем уменьшения пульсации момента нагрузки и частоты вращения для двигателей малой мощности.

Поставленная цель достигается тем, что в нагружающее устройство стенда для испытания двигателей внутреннего сгорания, содержащее асинхронную машину с трехфазным статором и фазным ротором, неуправляемым роторным блоком вентилей, ведомый сетью инвертор, сглаживающий дроссель в цепи выпрямленного тока ротора, токоограничивающие реакторы, подключенные к цепи переменного тока инвертора, блок выбора режима обкатки, датчики момента, скорости, тока и систему импульсно-фазового управления инвертором, дополнительно введены источник выпрямленного тока, состоящий из регулятора, управляющего органа, системы импульсно-фазового управления и силового блока для стабилизации индукции магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины, подключенный через понижающий трансформатор к трехфазной сети перемененного тока, выход выпрямленного тока которого через коммутационный аппарат перехода на режим динамического торможения подключен к статорной обмотке асинхронной машины, микроэлектронный преобразователь Холла, состоящий из датчика Холла, усилителя и выходного каскада, предназначенный для измерения индукции магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины, выход которого подключен к входу управления источником выпрямленного тока, к другому управляющему входу которого подключен блок выбора режима, при этом статор асинхронной машины подключен через коммутационный аппарат к трехфазной сети, к управляющему входу которого подключен блок устройства управления логический, к одному входу которого подключен блок логического переключающего устройства, а к другому входу подключен блок устройства согласования, подключенный к датчику тока для стабилизации индукции в воздушном зазоре асинхронной машины с фазным ротором.

Эффективность испытаний при использовании предлагаемого решения достигается повышением точности воспроизведения эксплуатационных и других нагрузочных режимов, так как устраняются пульсации момента и частоты вращения для двигателей малой мощности, имеющих малые постоянные времени, позволяет повысить качество и ускорить процесс доводки при разработке и изготовлении двигателей.

Оно также позволяет поддерживать заданное электромагнитное состояние асинхронной машины, уменьшить воздействие вибрационных электродинамических сил, действующих на обмотку электрической машины, равномерно распределить магнитное поле в воздушном зазоре асинхронной машины, полнее использовать объем электрической машины, получить жесткую механическую характеристику электрической машины в режиме динамического торможения, устранить перенапряжения в обмотках машины, возникающие при пульсациях тока, т.е. повысить надежность изоляции. Таким образом, увеличивается надежность и ресурс нагружающего устройства в целом.

Других решений со сходными признаками не обнаружено.

На фиг. 1 представлена функциональная схема нагружающего устройства; на фиг. 2 схема подключения электрической машины; на фиг. 3 функциональная схема микроэлектронного преобразователя Холла; на фиг. 4 функциональная схема источника выпрямленного тока.

Нагружающее устройство содержит асинхронную балансирную машину, соединенную с испытуемым двигателем внутреннего сгорания (например, типа 4АПК2Б) 1, фазный ротор которой подключен к неуправляемому роторному блоку вентилей 2, ведомый сетью инвертор 3 (типа ПТДЕ), сглаживающий дроссель 4 в цепи выпрямленного тока инвертора, токоограничивающие реакторы 5 в цепи переменного тока инвертора, микроэлектронный преобразователь Холла 6 (например типа ИПХ-45) в зазоре асинхронной машины, состоящий из датчика Холла 22, усилителя 23 и выходного каскада 24, источника выпрямленного тока 7 (например ТЕ4), состоящего из регулятора 25, управляющего органа 26, системы импульсно-фазового управления 27 (СИФУ) и силового блока 28, включенный через понижающий трансформатор 8 (например ТТ) к трехфазной сети, выход постоянного тока которого подключен к коммутационному аппарату 9 (например ПМЛ), который подключен к трехфазной сети и выводам статорной обмотки асинхронной машины 1, логическое переключающее устройство 10, вход которого подключен к блоку 11 выбора режима и датчику скорости 12, а выход подключен к входу блока устройства управления логическому 13 (например типа УЛ-2АИ), к другому входу которого подключен блок устройства согласования 14 (например ИН-ЗАИ), вход которого подключен к датчику тока 15, а выход блока устройства управления логического 13 подключен к входу управления коммутационного аппарата 9, регуляторы 16 и 17 момента и скорости, соединенные с блоком выбора режима 11 и соответственно с датчиком момента 18 и скорости 12, выход регуляторов 16 и 17 подключен к блоку ключей 19, вход которого соединен также с логическим переключающим устройством 10, регулятор тока 20 подключен со стороны входа к блоку ключей 19 и датчику тока 15, а со стороны выхода к системе импульсно-фазового управления инвертором 21.

Устройство работает следующим образом.

Логический сигнал задания режима горячей или холодной обкатки и сигнал задания величины скорости или нагружающего момента V₃ подаются на вход блока 11 выбора режима с внешнего устройства управления. Блок выбора режима осуществляет управление логическим переключающим устройством 10 и в зависимости от режима обкатки подает сигнал задания величины скорости на вход регулятора скорости 17 или сигнал задания величины нагружающего момента на вход регулятора 16 момента. При режиме холодной окатки сигнал, поступающий с блока 11 выбора режима, переводит логическое переключающее устройство 10 в положение, при котором коммутационный аппарат 9 по сигналу от блока 13 устройства управления логического подключает статор асинхронной машины 1 к трехфазной сети, а блок 19 ключей обеспечивает подключение регулятора 17 скорости к регулятору тока. К статору асинхронной машины 1 подводится трехфазное переменное напряжение сети и нагружающее устройство работает в двигательном режиме, прокручивая вал ДВС. Состояние логического переключающего устройства 10 и блока ключей неизменно при регулировании скорости от 0 до ω₀, где ω_o синхронная скорость асинхронной машины. Энергия скольжения за вычетом потерь в преобразователе рекуперируется в питающую сеть через инвертор 3. В режиме горячей обкатки нагружающее устройство выполняет две функции: стартеpный запуск ДВС и нагружение работающего двигателя внутреннего сгорания. В режиме горячей обкатки блок 11 выбора режимов разрушает работу логического переключающего устройства 10 в функции скорости. До скорости, при которой не происходит запуск ДВС, логическое переключающее устройство 11 включает коммутационный аппарат 9 и к статору асинхронной машины 1 подводится полное напряжение сети. При запуске ДВС ток асинхронной машины падает до 0, сигнал с датчика тока 15 поступает на блок устройства согласования 14, где преобразуется в логический сигнал и поступает на блок устройства управления логический 13, на который одновременно поступает сигнал от логического переключающего устройства 10, блок 13 выдает сигнал на коммутационный аппарат 9 и он отключает двигатель 1 от сети и подключает его к источнику выпрямленного тока 7. Блок ключей 19 соединяет регулятор момента 16 с регулятором тока 20. Источник выпрямленного напряжения 7 возбуждает в зазоре асинхронной машины 1 номинальный магнитный поток, который стабилизируется по сигналу микроэлектронного преобразователя Холла 6. Нагружающее устройство переходит в режим динамического рекуперативного торможения. Асинхронный двигатель с фазным ротором работает как обращенный синхронный генератор, возбуждаемый со стороны статора. Механическая энергия испытуемого двигателя внутреннего сгорания за исключением потерь в асинхронном двигателе 1 и инверторе 3 передается в питающую сеть.

Выполнение нагружающего устройства описанным выше образом позволяет уменьшить пульсации момента и скорости для двигателей малой мощности и, таким образом, позволяет повысить точность воспроизведения желаемых режимов нагружения, сократить сроки испытания двигателей при их разработке и доводке. Кроме того, предлагаемое нагружающее устройство позволяет повысить эффективность испытания, поскольку повышение точности позволяет отказаться от проведения повторных испытаний.

Сущность изобретения: нагружающее устройство содержит асинхронную машину, фазный ротор которой подключен к неуправляемому блоку вентилей 2, ведомый сетью инвертор 3, дроссель 4, токоограничивающие реакторы 5, микроэлектронный преобразователь Холла 6, источник выпрямленного тока 7, понижающий трансформатор 8, коммутационный аппарат 9, переключающее устройство 10, блок 11 выбора режима, датчик 12 скорости, блок управления 13, устройство согласования 14, датчик тока 15, регуляторы 16 и 17 момента и скорости, датчик момента 18, блок ключей 19, регулятор тока 20 и систему 21 импульсно-фазового управления инвертором. 4 ил.

НАГРУЖАЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО СТЕНДА ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ, содержащее асинхронную машину с трехфазным статором и фазным ротором и неуправляемым роторным блоком вентилей, ведомый сетью инвертор, сглаживающий дроссель в цепи выпрямленного тока ротора, токоограничивающие реакторы, подключенные к цепи переменного тока инвертора, блок выбора режима обкатки, датчики момента, скорости и тока, систему импульсно-фазового управления инвертором, блок ключей, регуляторы скорости, момента и тока и логическое переключающее устройство, отличающееся тем, что оно снабжено источником выпрямленного тока, состоящим из регулятора, управляющего органа, системы импульсно-фазового управления и силового блока для стабилизации индукции магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины и подключенным через понижающий трансформатор к трехфазной сети переменного тока, причем выход выпрямленного тока источника через коммутационный аппарат перехода на режим динамического торможения подключен к статорной обмотке асинхронной машины, микроэлектронным преобразователем Холла, состоящим из датчика Холла, усилителя и выходного каскада для измерения индукции магнитного поля в воздушном зазоре асинхронной машины, выход которого подключен к одному входу управления источника выпрямленного тока, к другому управляющему входу которого подключен блок выбора режима, при этом статор асинхронной машины подключен к трехфазной сети через коммутационный аппарат, к управляющему входу которого подключен блок устройства управления логической, к одному входу которого подключен блок логического переключающего устройства, а к другому входу блок устройства согласования, подключенный к датчику тока.