Спосіб навантаження синхронних двигунів при випробуваннях і пристрій для його здійснення

Винахід відноситься до області електротехніки, зокрема, до випробувань синхронних двигунів в умовах електроремонтних цехів. Відомий спосіб випробування синхронних машин за методом взаємного навантаження (А.с. СРСР 1412457 G01R31/34 «Стенд для нагружения синхронных машин при испытаниях»). Статорні обмотки синхронних машин, що з'єднані валами, живляться від трансформаторів з відпайками, за допомогою яких регулюється фазовий зсув напруг статорних обмоток і встановлюється необхідний струм навантаження. Недоліками описаного способу є: - необхідність встановлення двох двигунів з однаковими параметрами, що важко здійснити в умовах електроремонтних цехів тому, що ремонтуються двигуни найрізноманітніших конструкцій; - трудоємність виконання механічного зв'язку між валами. Найбільш близьким технічним рішенням є спосіб випробування двигунів змінного струму (асинхронних) на нагрівання і на вібрацію (Економічний патент НДР 257691 G01R31/34, публ. 88.0622 «Способи випробування асинхронних двигунів на нагрівання і вібрацію»). Спосіб навантаження полягає в тому, що двигун розганяється до необхідної швидкості за допомогою перетворювача частоти, модулюється вихідна частота живлення, формується пряме і зворотне поле двигуна, підтримується на заданому рівні струм статорних обмоток, вимірюється рівень вібрацій двигуна при навантаженні. Недоліками наведеного способу є: - низька вірогідність навантаження з огляду на те, що при живленні від перетворювача частоти струм у ланцюзі статора несинусоїдальний, внаслідок чого розподіл втрат у міді і сталі двигуна, який характерний для режиму живлення від мережі, не буде дотримуватися в режимі випробувань (підвищене нагрівання сталі двигуна за рахунок того, що втрати в ній залежать від частоти гармоніки струму). - при випробуванні токовим навантаженням синхронних двигунів виявляється схильність їх до коливань при зміні напруги живлення; - відомий спосіб не зв'язує частоту модуляції напруги з параметрами випробуваного двигуна. Відомий пристрій для випробування синхронних машин за методом взаємного навантаження (А.с. СРСР 1412457 G01R31/34 «Стенд для нагружения синхронных машин при испытаниях»). Стенд містить у собі два робочих навантажувальних місця для кріплення синхронних двигунів. Випробувані двигуни зв'язуються валами один з одним. Статорні обмотки синхронних машин з'єднуються за допомогою трансформаторів з відпайками. Шляхом перемикання відпайок трансформаторів регулюється фазовий зсув напруг статорних обмоток синхронних машин, при цьому змінюється токове навантаження двигуна. Недоліками цього пристрою є: - необхідність встановлення двох двигунів з однаковими параметрами, що важко здійснити в умовах електроремонтних цехів, тому що ремонтуються двигуни найрізноманітніших конструкцій; - трудоємність виконання механічного зв'язку між валами; - складність конструкції внаслідок необхідності встановлення складного трансформаторного устаткування потужність якого повинна бути не меншою за потужність випробуваного двигуна. Найбільш близьким технічним рішенням є пристрій випробування двигунів змінного струму (асинхронних) на нагрівання і на вібрацію (Економічний патент НДР 257691 G01R31/34, публ. 88.0622 «Способи випробування асинхронних двигунів на нагрівання і вібрацію»). Пристрій складається з перетворювача частоти за допомогою якого здійснюють розгін двигуна до необхідної швидкості. За допомогою цього самого перетворювача частоти модулюється вихідна частота живлення, формується пряме і зворотне поле двигуна, підтримується на заданому рівні струм статорних обмоток. Недоліки наведеного пристрою наступні: - перетворювач повинен мати можливість повернення енергії в мережу, що ускладнює конструкцію як силової частини, так і системи керування; - потужність перетворювача для живлення двигуна повинна дорівнювати потужності випробуваного двигуна, що підвищує ціну установки, ускладнює конструкцію й обслуговування; = підвищені втрати у перетворювачі частоти при випробуваннях на відміну від систем, що живляться від мережі. Спосіб навантаження синхронних двигунів і пристрій для його здійснення пояснюються графічними матеріалами: Фіг.1. Блок-схема пристрою реалізації способу навантаження синхронного двигуна. Фіг.2. Блок-схема системи керування тиристорним збудником. Задача винаходу - підвищення вірогідності випробувань на нагрівання синхронних двигунів, підвищення енергетичних показників процесу випробувань. Поставлена мета досягається тим, що синхронний двигун за допомогою перетворювача частоти розганяють до синхронної швидкості і, синхронізувавши, підключають до мережі, задають змінну складову струму збудження постійної амплітуди і змінної частоти, визначають максимум потужності при зміні частоти змінної складової струму збудження, фіксують значення частоти при максимумі потужності, встановлюють задану амплітуду змінної складової струму збудження відповідно до завдання навантажувального режиму, вимірюють напругу на статорі, струм статора і струм збудження визначають потужність, що споживається. Таким чином, навантаження здійснюється синусоїдальним струмом, що є близьким до режиму експлуатації синхронного двигуна, зменшуються втрати у випробуваному двигуні, виключаються втрати у перетворювачі в режимі навантаження, зменшується потужність (до 7-10% від потужності випробуваного двигуна) і габаритні показники перетворювача, навантаження двигуна здійснюється за рахунок зміни параметрів малопотужного джерела - тиристорного збуджувача двигуна. Сутність запропонованого способу навантаження полягає в наступному. Електромагнітний момент синхронного двигуна визначається рівністю: sin 0 МЄМ = 3 × E × U × w0 × x d де E , U - е.р.с. двигуна і його напруга живлення; w0 - синхронна швидкість двигуна; xd - синхронний індуктивний опір двигуна по поздовжній осі; 0 - кут навантаження. Рівняння електромеханічної рівноваги синхронного двигуна: J× d20 dt 2 Mн + Ky × d0 + K c × 0 = Mн dt де - момент навантаження; J - момент інерції; Ky - коефіцієнт, що враховує заспокійливий момент синхронного двигуна (залежить від параметрів демпферної обмотки); Kc - коефіцієнт, що враховує синхронізуючий момент двигуна, він пропорційний струму збудження синхронного двигуна: * K c » K cн × iв , K cн де - коефіцієнт при номінальному струмі. Представимо струм збудження в наступній формі: i * = ( a + b × sin l × t ) в , де a , b - коефіцієнти, величини яких a < 1,0 ; a + b < 1,0 ; b < a . Тоді: d2 0 d0 + K cн ( a + b × sin l × t ) × 0 = Mн dt dt Це рівняння з періодичними коефіцієнтами яке неможливо розв'язати теоретично. Диференціальне рівняння, що описує поводження ротора двигуна при зміні параметрів цілком відповідають диференціальному рівнянню електричного ланцюга, що включає індуктивність Л, ємність С, активний опір R (М. П. Костенко, Л.М. Пиотровський, Електрические машины, ч. II Госэнергоиздат, М-Л, 1958, з 372). При цьому момент інерції K K відповідає індуктивності, коефіцієнт y відповідає опору, коефіцієнт cн - ємності; кут навантаження відповідає K (t) току, що протікає через електричний ланцюг при дії зовнішньої е.р.с. Значення коефіцієнта c , що зміниться, еквівалентно зміні в часі ємності. При цьому еквівалентна ємність може бути представлена так: 1 1 C( t ) = = = K сн ( t ) K сн × ( a + b × sin l × t ) J× 2 + Ky × k= ¥ = C0 + åC k × sin(k × l × t + j k ) k =1 де Ck C0 - постійна складова еквівалентної ємності; - максимальні значення k - тої ємності, що змінюється з частотою k × l ; jk - кут зсуву між сигналом керування та кривої зміни ємності. З теорії ланцюгів відомо, що якщо один з параметрів змінюється по гармонійному закону, то на виході маємо сигнал, який має спектр, що містить частоти k × l . Отже, рішення диференціального рівняння можна представити так: 0( t ) = 00 + D 01 × sin l × t + + D 0 2 × sin 2l × t + ...D 0k × sin k × l × t D0 k мав максимальну величину, необхідно, щоб k = 1,0 і l відповідали Для того, щоб один з параметрів резонансній частоті електромеханічної системи, що визначається виразом: w0 = p × K сн J де p - число пар полюсів двигуна; J - момент інерції двигуна. Збігу частот власних коливань і впливу, обумовленого зміною струму збудження приводить до того, що максимальні значення потужності, яка циркулює між двигуном та мережею, досягають таких величин, при яких токове навантаження статорного ланцюга може складати величини порівнянні з номінальним струмом статора o (рівним, більшим або меншим за номінальний). Кут навантаження при цьому змінюється в діапазоні 0( t ) » 2 ¸ 20 , а з мережі споживається потужність, порівнянна з номінальною і повертається приблизно таке саме значення потужності. За період гармонійного впливу з мережі споживається потужність, що дорівнює електричним та механічним втратам у двигуні, що навантажується. Зі сказаного видно, що досягаються умови, при яких двигун навантажується токовим навантаженням і розвиває знакозмінний момент. Ці обидві величини можуть бути обрані відповідно до завдання на режим навантаження. w Якщо частота l не відповідає частоті 0 , то при навантаженні можливі неякісні показники, тому що будуть D0 k виявлятися складові , причому ті з них, яким відповідає полігармонійна крива двигуна моменту, що розвивається: M( t ) = M0 + DM1 × sin l × t + + D M2 × sin 2l × t + ... DMk × sin k × l × t . При цьому можливий максимум моменту при k ¹ 1,0 . Щоб сформувати змінну складову струму збудження відповідно до частоти власних коливань, яка, як правило, невідома на етапі пошуку оптимального режиму навантаження, у ході повільної зміни частоти струму збудження, фіксуючи миттєві значення струмів і напруг обмоток фаз статора, за допомогою ЕОМ обчислюються миттєві значення повної потужності, що циркулює між двигуном і мережею живлення. При цьому програмним шляхом за допомогою ЕОМ визначається значення частоти змінної складової струму збудження, при якому амплітуда повної потужності максимальна. Це відповідає максимуму електромагнітного моменту, що w = l . Час зміни сигналу вибирається таким чином, щоб виключити розвивається двигуном, тобто рівності 0 вплив постійної часу обмотки збудження в заданому діапазоні керуючого впливу. Цей режим відповідає режиму оптимального навантаження і спостерігається, як правило, при частотах 0,5-2Гц сигналу впливу. Він може бути визначений експериментальне в ході виконання підготовчих робіт або при випробуваннях автоматично. У процесі навантаження підтримують струм збудження на заданому рівні. Його зміна може відбуватися по мірі нагрівання обмотки збудження. У процесі навантаження не здійснюється коректування частоти, при якій можливі найбільш сприятливі режими. Це пояснюється практичною незалежністю частоти власних коливань від зміна опорів у процесі нагрівання машини. У процесі навантаження фіксуються наступні параметри режиму: I A, I B, I C - миттєві значення струмів двигуна по 3-х фазах статора; UA, UB, UC - миттєві значення напруги живлення двигуна по 3-х фазах; I в - миттєві значення струму збудження синхронного двигуна. По отриманим даним за період навантаження обчислюються наступні параметри: потужність, що споживається з мережі ; ефективне значення струмів статора; еквівалентне значення струму збудження; температура обмоток статора (контролюється зміною активного опору обмоток статора). Обчислення значень зазначених параметрів за період навантаження здійснюється за допомогою ЕОМ програмним шляхом. Блок-схема пристрою, що реалізує спосіб, представлена на фіг.1. Синхронний двигун (СД) 1 підключається до мережі через перетворювач частоти (ПЧ) 3 за допомогою вимикача 4, або безпосередньо в мережу за допомогою вимикача 5. У фази статорного ланцюга СД підключені блоки датчиків напруги 7 і струму 8. Між двома фазами мережі живлення (перед вимикачем 5) включений датчик напруги 6. Збудження СД здійснюється за допомогою тиристорного збуджувача (ТЗ) 2. У ланцюг обмотки збудження включений датчик струму 9. Інформація з виходів датчиків струму (8, 9) і напруги (6, 7) надходить на відповідні входи аналого-цифрового перетворювача (АЦП) 12. Від АЦП 12 інформація в цифровому вигляді надходить на центральний контролер (ЦК) 14, що зв'язаний по послідовному інтерфейсу з ЕОМ 15. За допомогою цифро-аналогового перетворювача (ЦАП) 10 ЦК 14 здійснює видачу сигналу завдання на ПЧ 3. За допомогою контролера комутаційного устаткування (ККУ) 11 ЦК 14 здійснює керування вимикачами 4 і 5. Система керування тиристорним збуджувачем (СКТЗ) 13 поєднує в собі аналого-цифровий перетворювач (АЦП), цифрову систему імпульсно-фазового керування (ЦСІФК) і формувач сигналу завдання (ФСЗ) (див. фіг.2). Синхронний двигун (СД) 1 підключається до мережі через перетворювач частоти (ПЧ) 3 за допомогою вимикача 4 і розганяється до необхідної швидкості, синхронізується з мережею, підключається безпосередньо в мережу за допомогою вимикача 5. Синхронізація здійснюється в такий спосіб: сигнали з датчиків напруги 6 і 7 через АЦП 12 надходять у ЦК 14, який на підставі аналізу частот і фазових зсувів сигналів формує через ЦАП 10 завдання на ПЧ 3. Після розгону і виконання умов синхронізації ЦК 14 за допомогою ККУ 11 здійснює відключення вимикача 4 і включення вимикача 5. Завдання режиму навантаження здійснюється за допомогою СКТЗ 13 (див. фіг.2). При цьому від ЦК 14 на СКТЗ надходять дані про необхідний сигнал завдання струму збудження у виді коефіцієнтів амплітуд постійної і змінної складової, а також частоти змінної складової. Формувач сигналу завдання (ФСЗ) у режимі реального часу формує цифровий код, що відповідає необхідному сигналу завдання, що надходить на ЦСІФК, що керує тиристорами ТЗ 2. У ЦСІФК програмне реалізований Пі-регулятор струму збудження на який надходить цифровий код, що відповідає різниці сигналу завдання і сигналу реального струму збудження, що надходить від датчика струму 9 через АЦП. Перетворювач 3 - автономний інверторний перетворювач з вихідною частотою 0-50Гц. Вихідна напруга живлення перетворювача частоти повинна бути приблизно рівною напрузі живлення синхронного двигуна. При цьому потужність пускового перетворювачі невелика - до 7-10% потужності випробуваного двигуна (потужність повинна дорівнювати втратам у випробуваному синхронному двигуні), тому що навантаження здійснюється при живленні двигуна від мережі. Крім того, зменшуються втрати, тому що виключається їх значна частина (втрати у перетворювачі). У режимі іспиту здійснюється навантаження синхронного двигуна протягом необхідного проміжку часу.