СПОСОБ ИСПЫТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ПОСТОЯННОГО ТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G01R31/34 E21C31/04 

Изобретение относится к машиностроению, а именно, к способам и устройствам послеремонтного испытания электрических машин постоянного тока и, в частности, на горных предприятиях для послеремонтного испытания двигателей, генераторов экскаваторов, буровых станков и др.

Основными требованиями, предъявляемыми к испытательным установкам являются:
- простота технической реализации установки;
- высокие энергетические показатели;
- отсутствие механического агрегирования электрической машины с нагрузочными устройствами;
- малые капитальные затраты;
- возможность плавного токового нагружения испытуемой машины в требуемом диапазоне скоростей;
- возможность динамического нагружения электрической машины с имитацией режимов, приближенных к эксплуатационным.

Известны устройства, представляющие собой нагрузочные агрегаты и комплексы, предусматривающие механическое агрегирование испытуемой электрической машины со вспомогательными нагрузочными машинами:
1. A. C. СССР N 924637, КЛ. G 01 R 31/34. Устройство для испытания двигателя постоянного тока. / Авт. изобрет. Р. П. Мартикайнен и Ю.М. Слепцов /. Опубл. 30.04.82. Бюл. N 16.

2. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. - Л.: Энергоатомиздат, 1984.

Существенным недостатком этих устройств является необходимость механического агрегирования испытуемой машины со вспомогательными нагрузочными машинами, а также сложность комплекса.

Известен способ динамического нагружения, выбранный в качестве прототипа, включающий подключение обмотки якоря и обмотки возбуждения испытуемой машины к регулируемым источникам питания, разгон электрической машины с номинальным током возбуждения до заданной скорости и динамическое нагружение ее регулированием напряжения на якоре или тока возбуждения с определенной частотой, поддерживая работу электрической машины в переходных режимах [Родькин Д. И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. -М.: Недра, 1992].

Известно устройство, выбранное в качестве прототипа [ Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. - М.: Недра, 1992, стр. 107, рис.6.2а], содержащее реверсивный преобразователь в цепи обмотки якоря и реверсивный преобразователь в цепи обмотки возбуждения электрической машины, регулятор скорости, вход обратной связи по скорости которого соединен с датчиком скорости, регулятор тока возбуждения, вход обратной связи которого соединен с датчиком тока возбуждения, а также задающие генераторы, подключенные на входы регулятора скорости и регулятора тока возбуждения. Устройство представляет собой замкнутую систему регулирования с обратными связями по скорости и току, реализованную, например, как система с параллельной, либо последовательной корректней.

Несмотря на отсутствие механического агрегирования испытуемой машины со вспомогательными нагрузочными машинами, недостатком прототипов является сложность управления, так как они требуют специального вычислительного оборудования. Определение сигналов задания скорости и тока по частоте, амплитуде занимает много времени [Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. - М., Недра, 1992. стр. 106, режим 2121].

Недостаток известного способа и устройства заключается также в том, что электрическая машина работает при испытании в режимах, не свойственных эксплуатационным. Ток электрической машины имеет пульсирующий характер с частотой задающего генератора [Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. - М.: Недра, 1992. стр.141, 143, рис.8.3., рис.8.5.]. Коммутация электрической машины при таком нагружении непредсказуема и может даже явиться причиной выхода ее из строя, так как машина, с точки зрения коммутации, оказывается в экстремальных условиях.

Мощность, потребляемая устройством при проведении таких испытаний, равна либо больше номинальной мощности испытуемой машины, что является также существенным препятствием, не позволяющим простыми средствами без больших капитальных затрат реализовать стенды для испытания крупных электрических машин, например, экскаваторных.

Технический результат предлагаемого способа и устройства заключается в упрощении способа и устройства испытания.

Он достигается тем, что в способе испытания электрической машины постоянного тока, включающем подключение обмотки якоря и обмотки возбуждения испытуемой машины к регулируемым источникам питания, разгон электрической машины с номинальным током возбуждения до заданной скорости и нагружение ее регулированием напряжения на обмотке якоря и на обмотке возбуждения, после разгона электрической машины с номинальным током возбуждения до заданной скорости проводят ее статическое токовое нагружение одновременным уменьшением тока возбуждения двигателя и снижением напряжения на якоре двигателя, а динамическое нагружение осуществляют путем последовательных пуска, рекуперативного торможения, реверсирования с заданным током отсечки и номинальным током возбуждения.

Технический результат достигается также тем, что в устройстве для испытания электрической машины постоянного тока, содержащем реверсивный преобразователь в цепи обмотки якоря и реверсивный преобразователь в цепи обмотки возбуждения электрической машины, регулятор скорости, вход обратной связи по скорости которого соединен с датчиком скорости, регулятор тока возбуждения, вход обратной связи которого соединен с датчиком тока возбуждения, дополнительно содержится задатчик номинального тока возбуждения, задатчик тока якоря, задатчик скорости, узел регулируемой токовой отсечки с задатчиком тока отсечки, а также датчик тока якоря, включенный в цепь якоря электрической машины. Его выход соединен с входом узла регулируемой токовой отсечки, который через ключи задатчика тока отсечки соединен с входом обратной связи по току якоря регулятора скорости, а выход задатчика тока якоря соединен с входом задания тока возбуждения регулятора тока возбуждения и с дополнительным входом регулятора скорости. При этом выход задатчика скорости соединен с входом задания скорости регулятора скорости, а выход задатчика номинального тока возбуждения соединен с дополнительным входом регулятора тока возбуждения.

Наличие новой совокупности существенных признаков и связей между ними подтверждает соответствие технического решения критерию "новизна".

Одновременное уменьшение тока возбуждения двигателя и снижение напряжения на обмотке якоря двигателя после разгона его с номинальным током возбуждения позволяет осуществить статическое токовое нагружение во всем диапазоне скоростей без применения вычислительного оборудования, без предварительного определения сигналов задания скорости и тока по частоте и амплитуде, что значительно упрощает процедуру испытаний. Величину тока нагружения при этом можно изменять от тока холостого хода до номинального и более. Мощность, потребляемая электрической машиной, при этом не превышает мощности холостого хода, которая составляет 10-15% от номинальной мощности. Так при испытании крупной электрической машины мощностью 2500 кВт потребляемая мощность равна 250-375 кВт, что позволяет легко реализовать предлагаемый способ и устройство. Простыми средствами повторяя нагружение во всем диапазоне скоростей, можно качественно продиагностировать машину с позиций нагрева отдельных элементов и узлов, качество пайки, работу коллектора и т.п.

Динамическое нагружение электрической машины путем последовательных пусков, рекуперативного торможения и реверсирования с заданным током отсечки и номинальным током возбуждения позволяет также проводить испытания (нагружение) электрической машины без применения вычислительного оборудования, без предварительного определения сигналов задания скорости и тока по частоте и амплитуде, что также значительно упрощает процедуру испытаний. Кроме того, такой способ динамического нагружения имитирует работу электрической машины, приближенную к эксплуатационной. Так, например, приводы экскаваторов практически работают в режимах пуска, рекуперативного торможения и реверсирования. Поэтому, меняя ток отсечки и повторяя пуск, торможение, реверсирование, качественно диагностируют машину с позиций коммутации, качества монтажа узлов машины, нагрева и т.п. При этом машина нагружается током, мало отличающимся от эксплуатационного.

Из литературных источников не известно использование перечисленных факторов для упрощения статического и динамического нагружения электрической машины, что свидетельствует о соответствии заявленного технического решения критерию "изобретательский уровень".

Работа устройства поясняется функциональной схемой, помещенной на фиг. 1, схемой узла регулируемой токовой отсечки с задатчиком тока отсечки, помещенной на фиг. 2, а также статическими и динамическими характеристиками, изображенными в координатах скорость (ω) - ток (I) на фиг. 3.

Устройство состоит из преобразователей 1,2 в цепи обмотки якоря 3 и в цепи обмотки возбуждения 4. На вход преобразователя 1 включен регулятор скорости 5, а на вход преобразователя 2 - регулятор тока возбуждения 6.

Система регулирования - замкнутая с отрицательной обратной связью по току якоря с регулируемой токовой отсечкой, току возбуждения, скорости электрической машины. Обратная связь по току якоря содержит датчик тока якоря 7, узел регулируемой токовой отсечки 8, соединенный последовательно с задатчиком тока отсечки 9. Задатчик тока отсечки соединен с регулятором скорости 5.

Обратная связь по току возбуждения содержит датчик тока возбуждения 10, выход которого соединен с входом регулятора тока возбуждения 6. Обратная связь по скорости содержит датчик скорости 11, выход которого соединен с входом регулятора скорости 5.

Для задания скорости используется задатчик скорости 12, выход которого соединен с входом регулятора скорости 5.

Для задания номинального тока возбуждения используется задатчик номинального тока возбуждения 13, выход которого соединен с входом регулятора тока возбуждения 6.

Для задания тока в обмотке якоря используется задатчик тока якоря 14, выход которого соединен с входом регулятора тока возбуждения 6 и с входом регулятора скорости 5.

В качестве задатчиков можно использовать потенциометры, сельсинные командоаппараты и т.п.

В качестве преобразователей 1,2 можно использовать электромашинные или статические преобразователи переменного напряжения в регулируемое постоянное. В качестве регуляторов можно использовать суммирующие магнитные усилители, либо регуляторы на базе унифицированных систем регулирования, например УБСР - АИ.

В качестве датчика скорости можно использовать любой датчик (импульсный, тахогенератор и т. п. ) с регулируемым выходным устройством (делитель, потенциометр и т.п.).

В качестве первичных датчиков тока якоря и тока возбуждения можно использовать шунты с устройствами гальванической развязки и усилением, например из набора блочных систем регулирования, например, серии БРГ - 3 или БРГ-Э.

Узел регулируемой токовой отсечки может быть выполнен также на базе элементов системы УБСР - АИ. Однако наиболее просто его можно реализовать на стабилитронах. Число ступеней отсечки выбирается, исходя из шкалы мощностей электрических машин, подлежащих испытанию.

На фиг. 2. представлена схема узла регулируемой токовой отсечки 8 с задатчиком тока отсечки 9. В качестве токовой отсечки используются стабилитроны 15, 16, 17. Резисторы 18, 19, 20 в цепи стабилитронов подбираются, исходя из требуемого тока отсечки. Задатчик тока отсечки 9 представляет набор ключей 21, 22, 23, соединенных с регулятором скорости 5 и стабилитронами задатчика тока отсечки 9. Датчик тока якоря 7 соединен с резисторами 18, 19, 20.

На фиг. 3. динамические характеристики представлены траекториями разгона, торможения и реверсирования o-a'-b'-с'-d'-e'-f'-k'-l'-а'... и o-a-b-c-d-e-f-k-l-a... для различных токов и скоростей.

Для подключения предлагаемого устройства к испытуемой машине предусмотрены клеммы A, B, C, D.

Испытание электрической машины производится следующим образом. Преобразователи 1 и 2 подключаются к испытуемой машине с помощью клемм A, B, C, D. Устанавливается датчик скорости 11. Задатчики скорости 12, номинального тока возбуждения 13, тока якоря 14 устанавливаются в нулевое положение. Выбирают величину тока отсечки и подключают обратную связь по току якоря к соответствующему входу регулятора скорости замыканием ключа 21, 22 или 23 (фиг. 2). Подается питание на стенд и задатчиком номинального тока возбуждения 13 устанавливают номинальный ток возбуждения испытуемой машины. Задатчиком скорости 12 плавно разгоняют машину до заданной скорости. Затем задатчиком тока якоря 14 устанавливают заданный ток якоря. Одновременно с увеличением тока якоря происходит снижение напряжения на якоре электрической машины, что стабилизирует скорость при ослаблении поля и позволяет при слабой обратной связи по скорости получить хорошее качество регулирования.

При одновременном нагружении током и снижении напряжения на якоре мощность, потребляемая машиной, остается примерно одной и той же и равной мощности холостого хода, что и дает возможность испытывать мощные машины с ограниченной потребляемой мощностью.

После статического токового нагружения проводят динамическое нагружение. Для этого задатчик тока якоря 14 устанавливают в нулевое положение и машину разгоняют с номинальным током возбуждения до заданной скорости холостого хода (траектория o-a-b-с, фиг. 3). Затем, задатчиком скорости 12, переводят машину в тормозной режим и реверсируют. Машина переходит по траектории c-d-e-f-k в точку k, соответствующую режиму холостого хода, но обратного направления. Ток якоря машины при этом не превышает установленного тока отсечки. Опыт повторяют, меняя установившиеся скорость и ток, формируя, например, траекторию o-a'-b'-с'-d'-e'-f'-k'-l'-а'. Таким образом, можно формировать динамические электромеханические характеристики испытуемой машины, имитируя режимы ее работы, приближенные к эксплуатационным.

Способ и устройство являются простыми как с точки зрения реализации, так и эксплуатации. Реализовать стенд под силу наладочному участку горного предприятия, используя серийное оборудование. Применение предлагаемого способа и устройства позволяет с малыми энергетическими затратами проводить испытания электрических машин в широком диапазоне скорости и тока, а также осуществлять динамическое нагружение с имитацией режимов работы, приближенных к эксплуатационным, что позволяет объективно оценить качество ремонта электрической машины.

Область применения - машиностроение, электронные предприятия. Техническим результатом является упрощение способа и устройства испытания. Способ испытания включает в себя статическое токовое нагружение одновременным уменьшением тока возбуждения и напряжения на якоре, а также динамическое нагружение последовательным пуском, рекуперативным торможением, реверсированием с заданным током отсечки и номинальным током возбуждения. Устройство для испытания содержит реверсивные преобразователи в цепи якоря и цепи возбуждения, регуляторы скорости, тока возбуждения, узел регулируемой токовой отсечки, задатчики скорости, статического тока якоря, номинального тока возбуждения. Выход задатчика статического тока якоря соединен с входом задания тока возбуждения регулятора возбуждения и дополнительным входом регулятора скорости. Применение способа и устройства упрощает процедуру испытаний, позволяет испытывать крупные машины постоянного тока с ограниченной потребляемой мощностью, а также осуществлять динамическое нагружение с имитацией режимов работы, приближенных к эксплуатационным. 2 с.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ испытания электрической машины постоянного тока, включающий подключение обмотки якоря и обмотки возбуждения испытуемой машины к регулируемым источникам питания, разгон электрической машины с номинальным током возбуждения до заданной скорости и нагружение ее регулированием напряжения на обмотке якоря и на обмотке возбуждения, отличающийся тем, что после разгона электрической машины с номинальным током возбуждения до заданной скорости проводят ее статическое токовое нагружение одновременным уменьшением тока возбуждения двигателя и снижением напряжения на якоре двигателя, а затем динамическое нагружение путем последовательных пуска, рекуперативного торможения, реверсирования с заданным током отсечки и номинальным током возбуждения. 2. Устройство для испытания электрической машины постоянного тока, содержащее реверсивный преобразователь в цепи обмотки якоря и реверсивный преобразователь в цепи обмотки возбуждения электрической машины, регулятор скорости, вход обратной связи по скорости которого соединен с датчиком скорости, регулятор тока возбуждения, вход обратной связи которого соединен с датчиком тока возбуждения, отличающееся тем, что дополнительно содержит задатчик номинального тока возбуждения, задатчик тока якоря, задатчик скорости, узел регулируемой токовой отсечки с задатчиком тока отсечки, а также датчик тока якоря, включенный в цепь якоря электрической машины, выход которого соединен с входом узла регулируемой токовой отсечки, который через ключи задатчика тока отсечки соединен с входом обратной связи по току якоря регулятора скорости, а выход задатчика тока якоря соединен с входом задания тока возбуждения регулятора тока возбуждения и дополнительным входом регулятора скорости, при этом выход задатчика скорости соединен с входом задания скорости регулятора скорости, а выход задатчика номинального тока возбуждения соединен с дополнительным входом регулятор тока возбуждения.