Испытательный стенд тягового электропривода Российский патент 2023 года по МПК G01R31/34 H02K26/00 G01L5/24 

Заявляемое техническое решение относится к области электротехники и служит для проведения испытаний электрических машин, а также полупроводниковых преобразователей, используемых в условиях переменных нагрузок и частот вращения в качестве тягового электропривода.

Известен «Стенд для испытания и обкатки ведущих мостов транспортных средств» (патент РФ № 101188 U1, опубл. 10.01.2011, Бюл. № 1). К сожалению, данный стенд разрабатывался для испытаний и обкатки ведущих мостов транспортного средства вне зависимости от того, каким способом обеспечивается движение такого транспортного средства. Как следствие, применить стенд, изготовленный в соответствии с данным техническим решением, хотя и являющимся аналогом заявляемому, для испытаний тягового привода электротранспорта не представляется возможным.

Известен «Стенд для испытания электродвигателей постоянного и переменного тока» (патент РФ № 2670715 C1, опубл. 24.10.2018, Бюл. № 30). Как следует из описания к указанному патенту, данный стенд преимущественно предназначен для испытания электродвигателей стрелочных переводов.

Известен также «Стенд для испытания электроприводов» (патент РФ № 2737738 C1, опубл. 02.12.2020, Бюл. № 34). Данное техническое решение, как следует из его описания, предназначено для стендовых испытаний тяжело нагруженных электроприводов запорной арматуры трубопроводов.

Принципиальным недостатком всех представленных выше аналогов по сравнению с заявляемым техническим решением является то обстоятельство, что в процессе проведения испытаний на них невозможно реализовать режимы так называемого рекуперативного торможения. В ходе подобных режимов тяговый электропривод должен переходить из двигательного в генераторный режим, чтобы преобразовывать кинетическую энергию движущегося транспортного средства в электричество.

Возможность осуществления режимов рекуперативного торможения, несомненно, является существенным достоинством для процесса эксплуатации любого электротранспорта. Из-за режима движения, как и складывающейся дорожной обстановки время от времени транспортному средству приходится тормозить. Данная функция позволяет пополнять заряд аккумуляторов, обычно устанавливаемых на электрическом транспорте, прямо во время торможения.

Далее, неотъемлемой составляющей тягового электропривода современного электротранспорта становится инвертор – полупроводниковое устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное с заданными амплитудой и частотой. Именно последнее непосредственно питает электрическую машину, в свою очередь, которая приводит в движение транспортное средство. Поэтому изучение электромагнитных процессов, имеющих место в подобном полупроводниковом преобразователе, является весьма желательным в ходе испытаний тягового электропривода.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому техническому решению является «Автоматизированный стенд для исследования и испытания электроприводов» (патент РФ № 122781 U1, опубл. 10.12.2012, Бюл. № 34. Данное техническое решение использовано в качестве прототипа.

В числе прочего оно содержит: первый рубильник, с соответствующими полюсами которого соединён первый автоматический выключатель, а также первый набор предохранителей, первый контактор, датчик тока, с которым соединён инвертор, и нагрузочную машину постоянного тока.

Недостатком данного технического решения является невозможность с его помощью надлежащим образом проводить испытания полупроводникового преобразователя, который должен использоваться для питания электрической машины тягового привода. При этом наиболее общей схемой из тех полупроводниковых преобразователей, что применяются на электротранспорте, следует признать так называемую схему со звеном постоянного тока.

Отметим, что в качестве электрических машин в тяговом электроприводе транспортных средств ныне чаще всего используют синхронные и асинхронные электродвигатели традиционных конструкций, а также синхронные машины с возбуждением на постоянных магнитах. Машины постоянного тока также используются, но в последнее время, всё реже.

Мощности же этих агрегатов могут составлять десятки, а то и сотни киловатт. Поэтому, если испытания тягового электропривода потребуется проводить в течение достаточно длительного времени, такие работы будут сопровождаться неоправданно большим расходом электрической энергии из сети.

Технические результаты от использования предлагаемого технического решения заключаются в обеспечении возможностей:

• проводить испытания не только электрической машины тягового электропривода, но и его полупроводникового преобразователя;

• создавать в ходе испытаний режимы рекуперативного торможения, что также весьма существенно для тягового электропривода;

• снизить неоправданный расход электроэнергии из сети в ходе испытаний.

Данный технический результат достигается следующим образом.

В испытательный стенд тягового электропривода, содержащий первый рубильник, с соответствующими полюсами которого соединён первый автоматический выключатель, первый набор предохранителей, первый контактор, датчик тока, с которым соединён инвертор, и нагрузочную машину постоянного тока, введены: первый набор датчиков напряжения, первый набор датчиков тока, выпрямитель, конденсатор, датчик напряжения, первый фильтр, второй набор датчиков напряжения, второй набор датчиков тока, подвижная платформа, датчик момента, обратимый преобразователь, второй фильтр, второй контактор, второй набор предохранителей, второй автоматический выключатель, второй рубильник. При этом фазы первого набора предохранителей соединены с соответствующими полюсами первого автоматического выключателя.

Полюса первого контактора соединены с соответствующими фазами первого набора предохранителей, и через первый набор датчиков напряжения и первый набор датчиков тока соединен с соответствующими входами выпрямителя.

Положительный и отрицательный выходы выпрямителя соединены с соответствующими клеммами конденсатора. Клеммы конденсатора соединены с соответствующими входами инвертора, через датчик напряжения и датчика тока. Выходы инвертора соединены с соответствующими фазами первого фильтра.

Фазы первого фильтра соединены с соответствующими входами второго набора датчиков напряжения, второго набора датчиков тока, а также с соответствующими фазами испытуемого тягового электропривода, размещенного на подвижной платформе.

Выходной вал испытуемого тягового электропривода с помощью муфты соединён с датчиком момента, который с помощью ещё одной муфты соединён с валом нагрузочной машины постоянного тока, клеммы которой соединены с клеммами обратимого преобразователя, другие клеммы которого соединены с соответствующими фазами второго фильтра.

Фазы второго фильтра соединены с соответствующими полюсами второго контактора. Полюса второго контактора соединены с соответствующими фазами второго набора предохранителей. Фазы второго набора предохранителей соединены с соответствующими полюсами второго автоматического выключателя. Полюса второго автоматического выключателя, соединены с соответствующими полюсами второго рубильника.

Более подробно заявляемое техническое решение раскрыто в примере реализации, представленном на фиг. 1, где изображена принципиальная электрическая схема стенда.

На фиг. 1 обозначены:

1. Трёхфазная сеть (3Ф), из которой потребляется электроэнергия для проведения испытаний, и куда она может возвращаться (см. ниже) в ходе их проведения;

2. Первый рубильник (Р1), трёхполюсный;

3. Первый автоматический выключатель (АВ1), также трёхполюсный;

4. Первый набор предохранителей (П1), включающий в себя три предохранителя одинакового номинала, по одному на каждую из трёх фаз;

5. Первый контактор (К1), трёхполюсный;

6. Первый набор датчиков напряжения (ДН1), датчики предназначены для измерения переменного напряжения, по одному на каждую из трёх фаз, датчики включены по схеме, используемой для измерения линейных напряжений;

7. Первый набор датчиков тока (ДТ1), датчики предназначены для измерения переменного тока, по одному на каждую из трёх фаз, датчики измеряют фазные токи;

8. Выпрямитель (В), собран по мостовой трёхфазной схеме;

9. Конденсатор (К) с так называемой схемой предзаряда и защиты, являющийся звеном постоянного тока;

10. Датчик напряжения (ДН), обеспечивает измерение выпрямленного напряжения;

11. Датчик тока (ДТ), обеспечивает измерение выпрямленного тока;

12. Инвертор (И), полупроводниковое устройство, преобразующее постоянное напряжение в переменное заданной частоты и амплитуды, может использоваться, например, в тех случаях, когда в испытуемом тяговом электроприводе применена машина переменного тока, при этом его конструкция не предусматривает своего собственного (штатного) инвертора;

13. Первый фильтр (Ф1), трёхфазный, служит для снижения влияния высших гармоник;

14. Второй набор датчиков напряжения (ДН2), датчики предназначены для измерения переменного напряжения, по одному на каждую из трёх фаз, датчики включены по схеме, используемой для измерения линейного напряжения, в случае необходимости входы датчиков напряжения могут быть отсоединены от первого фильтра «13» и с помощью проводов присоединены в нужном для проведения испытаний месте;

15. Второй набор датчиков тока (ДТ2), датчики предназначены для измерения переменного тока, по одному на каждую из трёх фаз, датчики измеряют фазные токи, в случае необходимости входы датчиков тока могут быть отсоединены от первого фильтра «13», а затем с помощью проводов присоединены в нужном для проведения испытаний месте;

16. Подвижная платформа (ПП), обеспечивает возможность размещения испытуемого тягового электропривода, а также небольших его перемещений в вертикальном и горизонтальном направлениях;

17. Датчик момента (ДМ), действие которого основано на эффекте так называемой магнитострикции, возникающей при скручивании участка вала, изготовленного из ферромагнитного материала, например, из стали. На стенде данный участок вала помещен между двумя муфтами. На фиг. 1 эти муфты условно изображены слева и справа от датчика момента. Помимо величины момента конструкция датчика позволяет также получать значение частоты вращения измеряемого участка вала;

18. Нагрузочная машина постоянного тока (МПТ) с независимым возбуждением и соединением обмотки якоря с обратимым преобразователем «19». В процессе испытаний двигательных режимов тягового электропривода она обеспечивает создание необходимого момента сопротивления. В этом случае она работает в генераторном режиме, а вырабатываемая ею электроэнергия с помощью обратимого преобразователя «19» через второй фильтр «20», полюса второго контактора «21», фазы второго набора предохранителей «22», полюса второго автоматического выключателя «23» и второго рубильника «24» может возвращаться в сеть «1».

При отработке режимов рекуперативного торможения нагрузочная машина «18» должна работать в двигательном режиме, «подкручивая» испытуемый тяговый электропривод и получая электроэнергию из сети «1» по той же цепочке, но только в обратном порядке следования элементов стенда («1» –> «24» –> «23» –> «22» –> «21» –> «20» –> «19»);

19. Обратимый преобразователь (ОП), ещё одно полупроводниковое устройство, схема которого при определённых положениях переключателя позволяет переменный ток из сети «1» преобразовывать в постоянный требуемого напряжения. Величина создаваемого постоянного напряжения задаётся вращением соответствующего потенциометра или путём подачи команды по последовательному интерфейсу связи. Последнее подаётся на якорь нагрузочной машины постоянного тока «18».

При «другом» положении переключателя обратимый преобразователь работает в так называемом режиме ведомого, т.е. превращает выработанное нагрузочной машиной постоянное напряжение в переменное, по фазе, частоте и амплитуде соответствующее тем же параметрам, но имеющим место в сети «1». Естественно, при этом должны быть замкнуты контакты второго контактора «21», второго автоматического выключателя «23» и второго рубильника «24»;

20. Второй фильтр (Ф2), трёхфазный, служит для снижения влияния высших гармоник;

21. Второй контактор (К2), также трёхполюсный;

22. Второй набор предохранителей (П2), также состоящий из трёх предохранителей одинакового номинала, по одному на каждую из трёх фаз;

23. Второй автоматический выключатель (АВ2), также трёхполюсный;

24. Второй рубильник (Р2), тоже трёхполюсный.

Связи между перечисленными выше элементами соответствуют тому, что изображено на фиг. 1. В частности, полюса первого рубильника «2» соединены трёхжильным кабелем с соответствующими фазами сети «1». Полюса первого автоматического выключателя «3» соединены также трёхжильным кабелем с фазами первого набора предохранителей «4». Фазы первого набора предохранителей «4» соединены трёхжильным кабелем с соответствующими полюсами первого контактора «5».

Фазы первого набора датчиков напряжения «6» соединены трёхжильным кабелем с соответствующими полюсами первого контактора «5». Фазы первого набора датчиков тока «7» соединены трёхжильным кабелем с соответствующими фазами первого контактора «5». Фазы первого набора датчиков тока «7» соединены с соответствующими входами выпрямителя «8».

Положительный и отрицательный выходы выпрямителя «8» соединены с соответствующими клеммами звена постоянного тока (конденсатора) «9». Клеммы звена постоянного тока «9» соединены с соответствующими входами инвертора «12», датчика напряжения «10» и датчика тока «11».

Выходы инвертора «12» соединены с соответствующими фазами первого фильтра «13». Фазы первого фильтра «13» соединены с соответствующими входами второго набора датчиков напряжения «14», второго набора датчиков тока «15», а также трёхжильным кабелем с соответствующими фазами испытуемого тягового электропривода, размещенного на подвижной платформе «16».

Выходной вал испытуемого тягового электропривода с помощью муфты соединён с датчиком момента «17», который с помощью другой муфты соединён с валом нагрузочной машины постоянного тока «18». Клеммы нагрузочной машины постоянного тока «18» соединены двухжильным кабелем с клеммами обратимого преобразователя «19».

Другие клеммы обратимого преобразователя «19» соединены с соответствующими фазами второго фильтра «20». Фазы второго фильтра «20» соединены трёхжильным кабелем с соответствующими полюсами второго контактора «21». Полюса второго контактора «21» соединены трёхжильным кабелем с соответствующими фазами второго набора предохранителей «22».

Фазы второго набора предохранителей «22» соединены трёхжильным кабелем с соответствующими полюсами второго автоматического выключателя «23».

Полюса второго автоматического выключателя «23» соединены с соответствующими полюсами второго рубильника «24».

Порядок использования стенда будет определяться целями планируемых испытаний, а также особенностями конструкции испытуемого тягового электропривода.

В исходном положении – по соображениям электробезопасности – стенд должен быть отключён от сети «1» с помощью первого «2» и второго «24» рубильников. По тем же соображениям перед началом соответствующих электромонтажных работ рекомендуется разрядить все имеющиеся в стенде «силовые» конденсаторы (см. звено постоянного тока «9», первый фильтр «13» и второй фильтр «20»).

Далее, во всех случаях перед началом испытаний испытуемый тяговый электропривод будет необходимо закрепить на подвижной платформе «16».

После того, как испытуемый тягового электропривода будет надёжно закреплён на подвижной платформе «16», а через вал датчика момента «17» соединён с валом нагрузочной машины «18», можно приступать к монтажу электрической части планируемых испытаний.

На данном этапе, если испытуемый тяговый электропривод будет укомплектован штатным инвертором, который, в свою очередь, как предполагается, должен получать питание от электрохимического источника постоянного тока, например, аккумуляторной батареи или водородного элемента, инвертор стенда «12» использовать не обязательно. В этом случае будет достаточно соединить клеммы испытуемого тягового электропривода с соответствующими клеммами звена постоянного тока «9».

Те же клеммы звена постоянного тока «9» следует использовать также и в случае, когда испытуемый тяговый электропривод будет машиной постоянного тока.

Если испытуемый тяговый электропривод – машина переменного тока, которая не укомплектована штатным инвертором, её клеммы следует соединить с соответствующими клеммами инвертора «12» стенда.

Далее следует убедиться, что выходы первого набора датчиков напряжения «6», первого набора датчиков тока «7», датчика напряжения «10», датчика тока «11», второго набора датчиков напряжения «14», второго набора датчиков тока «15», а также датчика момента «17» подключены к соответствующему(им) фиксирующему(им) устройству(ам) – самописцу(ам), осциллографу(ам), аналого-цифровым преобразователям с запоминающими устройствами и т.п. При этом само(и) это(и) фиксирующее(ие) устройство(а) подготовлено(ы) к работе надлежащим образом.

Последующие действия в отношении стенда будут определяться целью и программой предстоящих испытаний.

Так, например, если планируется проводить испытания работы тягового электропривода в режимах рекуперативного торможения, переключатель обратимого преобразователя «19» должен быть переведен в соответствующее положение. После чего можно будет замыкать контакты второго контактора «21», второго автоматического выключателя «23» и второго рубильника «24».

Если тяговый электропривод планируется испытывать в режиме двигателя, т.е. режиме, противоположном рекуперативному торможению, переключатель обратимого преобразователя «19» должен быть переведен в соответствующее («другое») положение.

Затем можно замкнуть контакты первого контактора «5», первого автоматического выключателя «3», второго контактора «21», второго автоматического выключателя «23», первого и второго рубильников, «2» и «24».

Изменять нагрузку на выходном валу тягового электропривода можно путём передачи команды по соответствующему электронному интерфейсу либо вращением соответствующего потенциометра на обратимом преобразователе «19». При этом будет изменяться напряжение, прикладываемое к якорю нагрузочной машины «18» и электромагнитный момент на её валу, разумеется, если к её обмотке возбуждения будет приложено необходимое напряжение. Контролировать величину создаваемой нагрузки можно с помощью показаний датчика момента «17».

Одновременно обратимый преобразователь «19», работая в режиме ведомого, будет вырабатывать переменное трёхфазное напряжение, которое через второй фильтр «20», второй контактор «21», второй набор предохранителей «22», второй автоматический выключатель «23» и второй рубильник «24» станет поступать в сеть «1». Это позволит избежать при работе предлагаемого стенда неоправданного расхода электроэнергии.

Если в ходе испытаний будет необходимо оценить работу штатного инвертора тягового электропривода, входы второго набора датчиков напряжения «14» и второго набора датчиков тока «15» следует с помощью проводов соединить с выходами этого инвертора.

По окончании проведенных испытаний стенд рекомендуется отключить от сети «1», разомкнув первый «2» и второй «23» рубильники, а затем разрядить все имеющиеся силовые конденсаторы.

Представленное описание позволяет однозначно утверждать, что осуществление данного технического решения чётко обеспечивает достижение заявленных технических результатов, а именно, обеспечивает возможности:

• испытывать как полупроводниковый преобразователь тягового электропривода, так и его электрическую машину;

• испытывать тяговый электропривод в режимах рекуперативного торможения;

• снизить в ходе испытаний неоправданный расход электроэнергии из сети.

Испытательный стенд тягового электропривода относится к области электротехники и служит для обеспечения возможности проведения испытаний электрических машин и полупроводниковых преобразователей, используемых на электрическом транспорте в условиях переменных нагрузок и частот вращения. Электрическая схема стенда представлена на фиг. 1. Здесь обозначены: 1 – сеть; 2 – первый рубильник; 3 – первый автоматический выключатель; 4 – первый набор предохранителей; 5 – первый контактор; 6 – первый набор датчиков напряжения; 7 – первый набор датчиков тока; 8 – выпрямитель; 9 – звено постоянного тока; 10 – датчик напряжения; 11 – датчик тока; 12 – инвертор; 13 – первый фильтр; 14 – второй набор датчиков напряжения; 15 – второй набор датчиков тока; 16 – подвижная платформа, предназначенная для размещения испытываемого тягового электропривода; 17 – датчик момента; 18 – нагрузочная машина постоянного тока; 19 – обратимый преобразователь; 20 – второй фильтр; 21 – второй контактор; 22 – второй набор предохранителей; 23 – второй автоматический выключатель; 24 – второй рубильник. Техническим результатом при реализации заявленного решения является возможность проведения испытаний не только электрической машины тягового электропривода, но и его полупроводникового преобразователя; создавать в ходе испытаний режимы рекуперативного торможения, что также весьма существенно для тягового электропривода; а также снижение неоправданного расхода электроэнергии из сети в ходе испытаний. 1 ил.

Испытательный стенд тягового электропривода, содержащий первый рубильник, с соответствующими полюсами которого соединён первый автоматический выключатель, первый набор предохранителей, первый контактор, датчик тока, с которым соединён инвертор, и нагрузочную машину постоянного тока, отличающийся тем, что в стенд введены первый набор датчиков напряжения, первый набор датчиков тока, выпрямитель, конденсатор, датчик напряжения, первый фильтр, второй набор датчиков напряжения, второй набор датчиков тока, подвижная платформа, датчик момента, обратимый преобразователь, второй фильтр, второй контактор, второй набор предохранителей, второй автоматический выключатель, второй рубильник, причем фазы первого набора предохранителей соединены с соответствующими полюсами первого автоматического выключателя, полюса первого контактора соединены с соответствующими фазами первого набора предохранителей, и через первый набор датчиков напряжения и первый набор датчиков тока соединен с соответствующими входами выпрямителя, положительный и отрицательный выходы выпрямителя соединены с соответствующими клеммами конденсатора, клеммы конденсатора соединены с соответствующими входами инвертора через датчик напряжения и датчика тока, выходы инвертора соединены с соответствующими фазами первого фильтра, соединенного через второй набор датчиков напряжения и второй набор датчиков тока с соответствующими фазами испытуемого тягового электропривода, размещенного на подвижной платформе, выходной вал тягового электропривода с помощью муфты соединён с датчиком момента, который с помощью другой муфты соединён с валом нагрузочной машины постоянного тока, клеммы которой соединены с клеммами обратимого преобразователя, другие клеммы которого соединены с соответствующими фазами второго фильтра, фазы второго фильтра соединены с соответствующими полюсами второго контактора, полюса второго контактора соединены с соответствующими фазами второго набора предохранителей, соединенного с соответствующими полюсами второго автоматического выключателя, соединенного с соответствующими полюсами второго рубильника.