УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПОЛЕЗНОЙ МОЩНОСТИ ЭЛЕКТРОПРИВОДА Российский патент 2009 года по МПК G01R21/00 

Устройство предназначено для отделения совокупной мощности потерь всех видов от мощности полезного действия электропривода в технологических или испытательных установках. Заявленное устройство является многоцелевым и может быть использовано, например;

- для сравнительного контроля металлорежущих инструментов - фрез, циркулярных пил, шлифовальных кругов, резцов и т.д.;

- в составе балочных или крановых весов для оперативного взвешивания сравнительно тяжелых грузов (десятки, сотни кг) непосредственно при погрузке (разгрузке);

- в составе устройств для контроля технологической готовности к использованию полужидких масс, преимущественно густых, высоковязких (компаундов, битумов, смол, лаков, красок, клеев, строительных растворов и т.п.);

- в составе устройств для контроля крутящих моментов, преимущественно тяжелых механизмов, например крупногабаритных трубопроводных вентилей, сложных ответственных узлов машин;

- для контроля фактической загруженности конвейеров, транспортеров, эскалаторов, лифтов и т.д.

Известны устройства для контроля мощности электроприводов с функцией отделения мощности полезных затрат электрической энергии от мощности затрат на потери, например, «Устройство для контроля качества инструмента» по авт. свид. СССР №1250959 от 26.09.83 г., кл. G01R 21/00.

Это устройство выполнено на базе стрелочного электромеханического прибора электродинамической системы, в которой при его работе производится поворот катушки напряжения, кинематически связанной со стрелочным механизмом, в магнитном поле катушки тока. Указанное устройство - это по сути механизм точной механики, уязвимой для ударных и вибрационных нагрузок.

Кроме того, стрелочные приборы требуют вполне определенного рабочего положения, например строго вертикального, или наоборот - строго горизонтального. В этом заключается также определенный недостаток упомянутого устройства. Следует отметить также, что стрелочный (аналоговый) отсчет показаний менее удобен, чем цифровой отсчет.

Известно также устройство для контроля мощности по авт. свид. СССР №646266 от 07.12.77, кл. G01R 21/00, и устройство по авт. свид. СССР №1132246 от 13.07.81, кл. G01R 21/00.

Указанные устройства - ваттметры - в своем составе не имеют стрелочных механизмов точной механики и выполнены на электронных элементах. Это обеспечивает их более высокую устойчивость к ударным и вибрационным нагрузкам и допускает практически любое их рабочее положение.

Недостаток этих устройств заключается в том, что они не имеют функции отделения мощности полезного действия от совокупной мощности всех видов потерь (трение во всех кинематических передачах механизма, сопротивление воздуха движущимся (вращающимся) узлам и деталям, собственный нагрев электропривода и т.д.), всегда сопутствующих полезной работе электропривода в станке, технологической установке, испытательном стенде,

Из других аналогов с разной степенью отличия от заявленного устройства можно отметить устройства, описанные в патентах:

Патент Англии №2.010.498 от 18 дек. 1978 г., кл. G01R 21/00;

Патент Германии №2.532.356 от 22 авг.1985 г., кл. G01R 21/00;

Патент Франции №2.731.077 от 23 февр. 1995 г., кл. G01R 21/00;

Патент США №5.107.438 от 21 апр. 1992 г., кл. 364-483;

Патент США №5.559.719 от 24 сент.1996 г., кл. 364-483;

Патент ЕВРО №0.014.517 от 7 янв. 1980 г., кл. G01R 21/00.

Все перечисленные устройства-аналоги не имеют функции отделения совокупной мощности потерь от мощности полезного использования и по своим признакам значительно отличаются от заявленного устройства.

Известно также устройство для контроля мощности по авт. свид. СССР №1161888 от 15 дек.1983 г, кл. G01R 21/00.

Это устройство по выполняемой им функции стоит ближе к заявленному устройству, чем перечисленные аналоги, но и оно не решает задачу отделения совокупной мощности потерь от мощности полезного действия применительно именно к электроприводу.

Это обусловлено следующими существенными признаками этого устройства:

1. Компенсационная обмотка трансформатора тока 3 (на схеме трансформатора она верхняя) подключена ко вторичной обмотке трансформатора напряжения 9 через выпрямительный мостик и фильтрующий дроссель 13.

2. Первичная и компенсационная обмотки трансформатора тока 3 гальванически соединены друг с другом и имеют общую токовую цепь по сопротивлению 4.

3. Вторичная обмотка трансформатора тока 3 подключена к токовому входу ваттметра 27 через сопротивление 25.

4. Вторичная обмотка второго трансформатора напряжения 17 подключена к колебательному контуру 20, 22 и (через амперметр 23) к токовому входу другого ваттметра 24.

5. Устройство построено на базе однофазной сети и в совокупности с вышеперечисленными признаками, в принципе не решает задачу контроля полезной мощности трехфазного электропривода (и однофазного - тоже).

Из перечисленных аналогов следует выделить устройство по Авт. свид. СССР №1250959 от 26 сент.1985 г., кл. G01R /00.

Этот аналог содержит подключенный к трехфазной питающей сети трехфазный электродвигатель 1, трехфазный ваттметр 2 электродинамической системы, имеющей три активных элемента «катушка тока - катушка напряжения»: 4 и 6, 13 и 14, 3 и 5,создающих вращающий момент для стрелочного механизма ваттметра. Катушки 4 и 6, 13 и 14 создают вращающий момент для отклонения стрелочного механизма в одну сторону, а катушки 3 и 5 создают вращающий момент противоположного направления. (Это обеспечивается соответствующим фазированием выводов любой из катушек в паре 3 и 5.)

В состав этого аналога входят также три понижающих трансформатора 10, 11, 12 напряжения, к соединенным последовательно вторичным обмоткам которых подключены реостаты 8 и 15.

Недостатком этого устройства является тот факт, что он, как указано выше, построен с использованием ваттметра электродинамической системы - прибора точной электромеханики, весьма чувствительного к ударным и вибрационным воздействиям. Кроме того, приборы электродинамической системы являются лабораторными переносными приборами настольного исполнения (класс 0,5; 0,2), что крайне неудобно, и не выпускаются в щитовом исполнении, т.е как встраиваемые в вертикальные панели более сложных, синтезированных устройств.

Из всех рассмотренных аналогов наиболее близким к заявленному устройству как по составу признаков, так и по выполняемой функции является устройство по авт. свид. СССР №1250959 от 26 сент.1983 г., кл. G01R/00, 21/00 - (фиг.2) Это устройство принимается за прототип.

Сущность изобретения состоит в том, что в предлагаемое устройство введен ваттметр электронной системы щитового исполнения и два трансформатора тока с компенсационными обмотками. Первичные обмотки трансформаторов тока включены в две линии трехфазной питающей сети электродвигателя. Вторичные обмотки трансформаторов тока подключены к токовым входам ваттметра, компенсационные обмотки трансформаторов тока подключены ко вторичным обмоткам понижающих трансформаторов напряжения и соответствующим им реостатам.

Первичные обмотки понижающих трансформаторов напряжения подключены именно к тем двум линиям трехфазной питающей сети электродвигателя, в которые включены первичные обмотки трансформаторов тока.

На чертеже представлена электрическая схема заявленного устройства (для лучшего понимания - вместе с элементами, например, испытательной установки для контроля качества металлорежущего инструмента).

На чертеже трехфазный асинхронный электропривод 1 подключен к питающей сети Ua, Uв, Uc через первичные - сильноточные - обмотки 2 и 3 трансформаторов тока 4 и 5, а вторичные - слаботочные - обмотки 6 и 7 трансформаторов тока 4 и 5 подключены к токовым входам Ja и Jc электронного цифрового ваттметра 8.

Входы напряжения Ua, Uв, Uc ваттметра 8 подключены к питающей сети. Компенсационные - сильноточные - обмотки 9 и 10 трансформаторов тока 4 и 5 подключены через реостаты 11 и 12 ко вторичным обмоткам 13 и 14 понижающих трансформаторов 15 и 16. Напряжение, снимаемое с обмоток 13 и 14, составляет единицы вольт (2-3 В). Трансформаторы тока 4 и 5 могут быть выполнены на ферритовых сердечниках броневого (чашечного) типа и имеют небольшие размеры (⊘30-48 мм). Их обмотки - первичные 2 и 3 и компенсационные 9 и 10 - имеют по 1-2 витка.

Вторичные обмотки содержат по несколько сотен витков провода ⊘0,1-0,2 мм.

Что касается диаметра провода сильноточных первичных 2 и 3 и компенсационных 9 и 10 обмоток, то он (диаметр) определяется исходя из конкретной задачи - максимального рабочего тока электропривода 1.

Следует заметить также, что на практике для упрощения изготовления трансформаторов тока 4 и 5 можно из промышленного электронно-цифрового ваттметра 8 изъять его собственные входные трансформаторы тока, ввести (вмотать) в них компенсационные обмотки (по 1-2 витка) и вновь установить трансформаторы тока на их прежнее место в ваттметре.

На чертеже трансформаторы тока 4 и 5 условно вынесены из ваттметра 8. Трехфазный электронный ваттметр 8 имеет две пары входов тока Ja и Jc и три входа напряжения Ua, Uв, Uc.

В качестве ваттметра 8 может быть использован любой промышленный ваттметр электронной системы, например трехфазный ваттметр мод. Ц-301 ТУ25-04.ОПВ.533.094-84.

Электрические параметры двух трансформаторов тока 4 и 5, двух понижающих трансформаторов напряжения 15 и 16 и двух реостатов 11 и 12 соответственно идентичны друг другу.

Движки реостатов 11 и 12 имеют кинематическую связь 17 и соответственно одну общую ручку регулировки. Возможна и раздельная регулировка реостатов 11 и 12, но это менее удобно.

На чертеже показаны также кинематическая связь 18 электропривода 1 с испытуемым инструментом 19 (фрезой, циркульной пилой, шлифовальным кругом), а также испытательный брусок 20 (из металла, камня, пластмассы). Инструмент 19 и брусок 20 в состав заявленного устройства непосредственно не входят и на схеме показаны лишь для лучшего понимания работы устройства в целом.

РАБОТА УСТРОЙСТВА

При включении устройства в работу на холостом ходу (т.е. без обработки бруска 20) электропривод 1 по кинематической цепи 18 (шкивы, приводные ремни, шестерни) приводит во вращение инструмент 19 (фрезу, циркулярную пилу, шлифовальный круг и т.п.).

При этом ваттметр 8 дает показания суммарных потерь холостого хода устройства, которые слагаются из следующих компонентов:

- потери на трение во всей кинематической цепи инструмента испытательной установки;

- потери на преодоление сопротивления воздуха всем вращающимся элементам установки (ротору привода, инструменту и др.)

- потери на вихревые токи и гистерезис в магнитопроводе электропривода;

- потери на электромагнитное поле рассеяния (излучение);

- омические потери в обмотках и проводах электропривода и др.

Как известно, совокупные потери холостого хода только самого электропривода составляют 30-60% и более от его номинальной мощности.

Общие же потери всей установки на холостом ходу соответственно еще больше.

Реостатами 11 и 12 устанавливают силу тока в компенсационных обмотках 9 и 10 равной силе тока в первичных обмотках 2 и 3 трансформаторов тока 4 и 5. Как известно, трансформаторы напряжения 15 и 16 переворачивают фазу напряжения во вторичных обмотках 13 и 14 на 180°.

Таким образом, токи в первичных обмотках 2 и 3 и в компенсационных обмотках 9 и 10 находятся практически в противофазе. Оба эти тока наводят ЭДС (ток) во вторичных обмотках 6 и 7 трансформаторов тока 4 и 5. При равенстве токов в обмотках 2 и 9 и (3 и 10) токи, наведенные во вторичных обмотках 6 и 7, становятся равными нулю, и соответственно показания ваттметра 8 становятся равными нулю.

Устройство оказывается сбалансированным.

После этого к испытуемому инструменту 19 подается испытательный брусок 20 и начинается процесс его резания.

Мощность электропривода 1 возрастает, равенство токов в обмотках 2 и 9 и (3 и 10) нарушается, и во вторичных обмотках 6 и 7 устанавливается ток, соответствующий их разностному электромагнитному потоку.

Ваттметр 8 вновь дает показания, но эти показания являются результатом только полезной работы - непосредственно процесса фрезерования (резания, шлифования, и т.д.). По показаниям ваттметра 8 испытуемые образцы инструмента 19 можно сравнивать, сопоставлять, оценивать по критерию - полезная (чистая) мощность резания.

Изобретение относится к области приборостроения и может быть применено для контроля полезной мощности электропривода. Технический результат - отделение мощности полезных затрат электроэнергии от совокупной мощности всех видов потерь. Для достижения данного результата введены два трансформатора тока с компенсационными обмотками. При этом первичные обмотки трансформаторов тока включены в две линии питающей трехфазной сети. Вторичные обмотки трансформаторов тока подключены к токовым входам ваттметра электронной системы. Каждая компенсационная обмотка подключена одним своим выводом ко вторичной обмотке понижающего трансформатора напряжения, а другим выводом - к соответствующему этому трансформатору реостату. Первичные обмотки понижающих трансформаторов напряжения подключены к тем линиям питающей трехфазной сети, в которые включены первичные обмотки трансформаторов тока. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для контроля полезной мощности электропривода, содержащее трехфазный электродвигатель, трехфазный ваттметр, три клеммы напряжения которого подключены к трем фазным линиям питающей сети, два понижающих трансформатора напряжения и подключенные к их вторичным обмоткам одним выводом реостаты, отличающееся тем, что в него введены два трансформатора тока с компенсационными обмотками, при этом первичные обмотки трансформаторов тока включены в две линии питающей трехфазной сети, вторичные обмотки трансформаторов тока подключены к токовым входам ваттметра электронной системы, каждая компенсационная обмотка подключена одним своим выводом ко вторичной обмотке понижающего трансформатора напряжения, а другим выводом - к соответствующему этому трансформатору реостату, причем первичные обмотки понижающих трансформаторов напряжения подключены именно к тем линиям питающей трехфазной сети, в которые включены первичные обмотки трансформаторов тока.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что движки реостатов кинематически связаны друг с другом и имеют одну общую ручку регулировки.