RU103934U1 - Стенд для испытаний высокооборотных электрических машин - Google Patents

Abstract

Стенд для испытаний высокооборотных электрических машин, содержащий две группы клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине, размещенной на одном валу с нагрузочным генератором, силовой преобразователь частоты, преобразователь постоянного тока, три сетевых блока коммутации и блок коммутации нагрузочного генератора, датчики тока, напряжения и скорости вращения высокооборотной электрической машины, блок преобразования сигналов датчика скорости вращения, состоящее из системы импульсного формирователя управления и драйвера устройство управления силовыми модулями силового преобразователя частоты, устройство ввода/вывода информационных и управляющих сигналов, которое выполнено в виде платы сопряжения стенда с системной магистралью персонального компьютера и имеет блок ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов, цифроаналоговый преобразователь и таймер-генератор тактовых импульсов, при этом последовательно соединенные силовой преобразователь частоты, вход которого через первый сетевой блок коммутации подключен к питающей сети, датчик тока и датчик напряжения присоединены к первой группе клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине и входу блока коммутации нагрузочного генератора, к которому присоединен нагрузочный генератор с последовательно соединенными датчиком скорости вращения высокооборотной электрической машины и блоком преобразования сигналов датчика скорости вращения, кроме того, нагрузочный генератор через последовательно соединенные блок коммутации нагрузочного генератора, преобразователь постоянного тока и второй сетево

Description

Предлагаемая полезная модель относится к области измерительной техники и может быть использована для измерения различных параметров высокооборотных электрических машин (ВЭМ) и других электродвигателей, в том числе в процессе их изготовления.

Известен стенд для испытаний асинхронного тягового электродвигателя (RU №85674 U1, МПК: G01R 35/04, Н02К 1/08, опубликован 10.08.2009 г., [1]), содержащий находящийся с тяговым электродвигателем на одном валу нагрузочный генератор постоянного тока с независимым возбуждением, регулируемый источник для питания обмотки возбуждения этого генератора и источник для питания испытуемого асинхронного тягового электродвигателя, причем оба указанных источника соединены своими входами с трехфазной питающей сетью 3×380 В 50 Гц, при этом в составе стенда предусмотрен типовой электровозный трансформатор однофазного переменного тока, обмотка собственных нужд которого посредством непосредственного трехфазно-однофазного преобразователя частоты и трехфазного трансформатора подключена к трехфазной питающей сети 3×380 В 50 Гц, низковольтная вторичная обмотка трансформатора посредством выпрямителя соединена с входными клеммами обмотки возбуждения нагрузочного генератора, первая высоковольтная вторичная обмотка трансформатора посредством двухзвенного регулируемого по напряжению и частоте преобразователя, состоящего из однофазного выпрямителя и трехфазного автономного инвертора, соединена входными клеммами испытуемого асинхронного тягового электродвигателя, а вторая высоковольтная вторичная обмотка трансформатора посредством выпрямительно-инверторного преобразователя со сглаживающим реактором подключена к выводам якорной обмотки нагрузочного генератора.

Недостатком данного устройства [1] является то, что оно не предоставляет полной информации о состоянии электрической машины, не имеет никакой защиты от различного рода повреждений исследуемого объекта, не имеет возможности подключения к персональному компьютеру, что в значительной степени усложняет измерительную работу и делает испытания не безопасными для исследуемых электродвигателей.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели и выбранным в качестве прототипа является стенд для исследований асинхронных электрориводов (RU №31079 U1, МПК: Р02Р 9/46, опубликован 10.07.2003 г., [2]), содержащий в своем составе силовые цепи питания электродвигателя и нагрузочного генератора, преобразователи частоты и постоянного тока, блоки коммутации, датчики тока, напряжения и скорости вращения двигателя, блоки гальванической развязки и преобразования сигналов датчиков, устройства управления силовыми модулями преобразователей, устройство ввода/вывода информационных и управляющих сигналов, которое при этом размещено на системной магистрали персонального компьютера внутри его корпуса и выполнено в виде универсальной платы сопряжения, имеющей стандартный интерфейс для подключения к системной магистрали и набор устройств для ввода и вывода информационных и управляющих сигналов как в цифровой, так и в аналоговой форме, при этом плата включает многоканальный аналого-цифровой и цифроаналоговый преобразователи, порт ввода/вывода дискретных сигналов и таймер - генератор тактовых импульсов.

Недостатком устройства [2] является то, что оно не предоставляет информации о состоянии электрической машины, в частности нет информации о температурах корпуса, силовой обмотки, переднего и заднего подшипников, нет информации и о поперечных, вертикальных и осевых вибрациях, происходящих при работе испытуемой высокооборотной электрической машины. Стенд [2] не имеет защиты от различного рода повреждений исследуемого объекта, в том числе перегрева подшипников, что может привести к выходу из строя испытуемой ВЭМ.

Задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является создание стенда для испытаний высокооборотных электрических машин с возможностью надежного и достоверного получения необходимого объема параметров и характеристик испытуемого объекта с целью оптимизации конструкции и достижения оптимальных характеристик исследуемых и разрабатываемых ВЭМ при одновременном обеспечении надежной защиты от выхода из строя при проведении испытаний, в том числе в критических условиях работы (например, при перегреве).

Технический результат от использования полезной модели заключается в повышении точности результатов, полученных при испытаниях, получении более широкого представления о происходящих процессах в испытуемой электрической машине, а так же защите испытуемой электрической машины от различных повреждений при проведении испытаний, что позволит повысить надежность испытаний и минимизировать материальные затраты, связанные с выходом из строя ВЭМ при испытаниях в предельно допустимых режимах его работы.

Решение поставленной задачи и получение соответствующего результата достигаются тем, что в стенд для испытаний высокооборотных электрических машин, содержащем две группы клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине, размещенной на одном валу с нагрузочным генератором, силовой преобразователь частоты, преобразователь постоянного тока, три сетевых блока коммутации и блок коммутации нагрузочного генератора, датчики тока, напряжения и скорости вращения высокооборотной электрической машины, блок преобразования сигналов датчика скорости вращения, состоящее из системы импульсного формирователя управления и драйвера устройство управления силовыми модулями силового преобразователя частоты, устройство ввода/вывода информационных и управляющих сигналов, которое выполнено в виде платы сопряжения стенда с системной магистралью персонального компьютера и имеет блок ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов, цифроаналоговый преобразователь и таймер-генератор тактовых импульсов, при этом последовательно соединенные силовой преобразователь частоты, вход которого через первый сетевой блок коммутации подключен к питающей сети, датчик тока и датчик напряжения присоединены к первой группе клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине и входу блока коммутации нагрузочного генератора, к которому присоединен нагрузочный генератор с последовательно соединенными датчиком скорости вращения высокооборотной электрической машины и блоком преобразования сигналов датчика скорости вращения, кроме того, нагрузочный генератор через последовательно соединенные блок коммутации нагрузочного генератора, преобразователь постоянного тока и второй сетевой блок коммутации подключен к питающей сети, которая через третий силовой блок коммутации подключена к второй группе клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине, при этом соответствующими выходами плата сопряжения соединена с первым и вторым сетевыми блоками коммутации, блоком коммутации нагрузочного генератора, преобразователем постоянного тока, системной магистралью персонального компьютера и посредством устройства управления силовыми модулями преобразователей с силовым преобразователем частоты, введены блок диагностики и защиты, датчики температур силовой обмотки высокооборотной электрической машины, ее переднего и заднего подшипников и корпуса, а также поперечные и вертикальные вибродатчики передней и задней стенок корпуса высокооборотной электрической машины, и осевой, при этом перечисленные датчики присоединены к соответствующим конструктивным элементам высокооборотной электрической машины, а их выходы и выходы блока преобразования сигнала датчика скорости вращения высокооборотной электрической машины, датчиков тока и напряжения присоединены к входу блока диагностики и защиты, выход которого присоединен к плате сопряжения.

Введение в состав испытательного стенда датчиков температур силовой обмотки высокооборотной электрической машины, ее переднего и заднего подшипников и корпуса, а также поперечных и вертикальных вибродатчиков передней и задней стенок корпуса высокооборотной электрической машины, и осевого датчика, подключение их соответствующим конструктивным элементам ВЭМ позволит расширить объем необходимых данных об объекте испытаний. Введение данных, полученных при испытаниях, в блок диагностики и защиты, который присоединен к плате сопряжения позволит своевременно регулировать входные параметры (питание) или полностью отключить от питания объект испытаний, с целью защиты ВЭМ от выхода ее из строя.

Сопоставительный анализ предлагаемого стенда для испытаний ВЭМ с известными из уровня техники стендами для исследований электрических машин и отсутствие описания аналогичного технического решения в известных источниках информации позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемой полезной модели критерию «новизна».

На фигуре показана структурная схема автоматизированного стенда для испытаний высокооборотных электрических машин.

В представленном на фиг. устройстве высокооборотная электрическая машина - 1 подключена к стенду для испытаний, содержащему: нагрузочный генератор - 2; силовой преобразователь частоты - 3; преобразователь постоянного тока - 4; три сетевых блока коммутации 5, 6, 7; блок коммутации нагрузочного генератора - 8; датчики тока - 9; датчики напряжения - 10; датчик скорости вращения - 11 высокооборотной электрической машины 1; блок преобразования сигналов - 12 датчика скорости вращения 11; систему импульсного формирователя управления (СИФУ) - 13 и драйвер - 14, входящие в состав устройства управления силовыми модулями - 15 силового преобразователей частоты 3; устройство ввода/вывода информационных и управляющих сигналов - 16, которое выполнено в виде платы сопряжения стенда с системной магистралью персонального компьютера - 17 и имеет не показанные на фигуре блок ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов, цифроаналоговый преобразователь и таймер-генератор тактовых импульсов; блок диагностики и защиты - 18; датчик температуры силовой обмотки высокооборотной электрической машины - 19; датчики температуры переднего - 20 и заднего -21 подшипников соответственно; датчик температуры корпуса - 22 ВЭМ 1; вибродатчики поперечные - 23, 24 передней и задней стенок корпуса соответственно; вибродатчики вертикальные - 25, 26 передней и задней стенок корпуса соответственно; вибродатчик осевой - 27.

Силовой преобразователь частоты 3 содержит последовательно включенные: управляемый выпрямитель (УВ) - 28; фильтр - 29; автономный инвертор напряжения (АИН) - 30.

Силовой вход УВ 28 силового преобразователя частоты 3 через силовой блок коммутации 5 соединен с питающей сетью. Выходы АИН 30 соединены соответственно с датчиками тока 9, а его вход управления соединен с драйвером 14 устройства управления силовыми модулями 15. Вход управления управляемого выпрямителя 28 соединен с СИФУ 13.

Стенд имеет две группы клемм К1 и К2 для подключения питания к исследуемой высокооборотной машины 1, на одном валу с которой размещен нагрузочный генератор 2.

При этом силовой преобразователь частоты 3, вход которого через сетевой блок коммутации 5 подключается к питающей сети, датчики тока 9 и датчики напряжения 10 соединены последовательно и присоединены к группе клемм К1 и входу блока коммутации нагрузочного генератора 8, к которому присоединен нагрузочный генератор 2, к которому последовательно присоединены датчик скорости вращения 11 ВЭМ 1 и блок преобразования сигналов 12 датчика скорости вращения 11.

Причем нагрузочный генератор 2 через последовательно соединенные блок коммутации нагрузочного генератора 8, преобразователь постоянного тока 4 и сетевой блок коммутации 6 подключен к питающей сети, которая через силовой блок коммутации 7 подключена к группе клемм К2 для питания ВЭМ 1 в режиме машины двойного питания (МДП).

Плата сопряжения 16 соответствующими выходами присоединена к сетевым блокам коммутации 5 и 6, блоком коммутации нагрузочного генератора 8, преобразователем постоянного тока 4, системной магистралью 17 персонального компьютера и посредством устройства управления силовыми модулями преобразователей 15 (через СИФУ 13 и драйвер 14) с УВ 28 и АИН 30 силового преобразователя частоты 4.

Датчик температуры силовой обмотки 19, датчик температуры переднего 20 и заднего 21 подшипников, датчик температуры корпуса 22 ВЭМ 1, а также вибродатчики поперечные 23, 24 соответственно передней и задней стенок корпуса, вибродатчики вертикальные 25, 26 соответственно передней и задней стенок корпуса и вибродатчик осевой 27 присоединены к соответствующим элементам ВЭМ 1, а их выходы и выходы блока преобразования сигнала 12 датчика скорости вращения 11 ВЭМ 1, датчиков тока 9 и напряжения 10 присоединены к входам блока диагностики и защиты 18, выход которого присоедитнен к входу платы сопряжения 16.

Показанный на фигуре стенд работает следующим образом. Стенд управляется от персонального компьютера по системной магистрали 17. От персонального компьютера по системной магистрали 17 к плате сопряжения 16 передается сигнал управления. Плата сопряжения 16 начинает генерировать сигналы управления, которые поступают на вход сетевого блока коммутации 5, вход системы импульсного формирования управления 13 и вход драйвера 14. Система импульсного формирования управления 13 начинает генерировать нужной формы сигнал управления для управляемого выпрямителя 28, а драйвер 14 генерирует нужной формы сигнал управления для автономного инвертора напряжения 30. Сетевое напряжение, через сетевой блок коммутации 5, поступает на сетевой вход управляемого выпрямителя 28, где оно выпрямляется. К автономному инвертору напряжения 30 поступает уже выпрямленное, сглаженное через фильтр 29 напряжение. Таким образом, силовой преобразователь частоты 3 генерирует напряжение необходимой формы, в зависимости от требований испытуемой высокооборотной электрической машины 1. Это напряжение прикладывается к испытуемой ВЭМ 1, которая подсоединена, например, только к группе клемм К1. При этом ток по этой цепи протекает через датчик тока 9, сигнал с которого поступает на вход блока диагностики и защиты 18. Сигнал с датчиков напряжения 10 также поступает на вход блока диагностики 18, работа которого будет описана ниже. Напряжение, приложенное к испытуемой ВЭМ 1, так же прикладывается к блоку коммутации нагрузочного генератора 8. Таким образом, испытуемая ВЭМ 1 начинает работать. Поскольку нагрузочный генератор 2 находится на одном валу с испытуемой ВЭМ 1, скорость вращения вала нагрузочного генератора такая же, как скорость вращения ротора ВЭМ 1. Сигнал импульсного датчика 11 скорости вращения двигателя (ВЭМ) 1 поступает на вход схемы счета 12, где полученный импульсный сигнал преобразуется в цифровой код скорости, который поступает на вход блока диагностики и защиты 18. Сетевой блок коммутации 7 подает питание на статор ВЭМ 1 при работе в режиме машины двойного питания (МДП). При необходимости питания ВЭМ 1 постоянным напряжением при экспериментальном определении сопротивлений фаз обмотки статора, плата сопряжения 16 подает сигнал на вход блока коммутации нагрузочного генератора 8, преобразователя постоянного тока 4 и сетевого блока коммутации 6. Таким образом, обмотки ВЭМ 1 оказываются под постоянным напряжением, которое обеспечивается через управляемые платой сопряжения 16 блок коммутации нагрузочного преобразователя 8, преобразователь постоянного тока 4 и сетевой блок коммутации 6, подключенный к сети.

При работе испытуемой ВЭМ 1, датчик температуры силовой обмотки 19, датчик температуры переднего подшипника 20, датчик температуры заднего подшипника 21, датчик температуры корпуса 22, поперечные вибродатчики 23, 24 передней и задней стенок корпуса соответственно, вертикальные вибродатчики 25, 26 передней и задней стенок корпуса соответственно, а так же осевой вибродатчик 27 передают информацию в блок диагностики и защиты 18. Блок диагностики и защиты 18 обрабатывает полученные со всех датчиков сигналы. Обработанные данные через плату сопряжения 16 передаются на системную магистраль 17. В случае превышения максимально допустимых значений параметров контролируемых величин, блок диагностики и защиты 18 генерирует сигнал аварии, который поступает на плату сопряжения 16. В этом случае плата сопряжения 16 изменяет управляющие сигналы, и либо понижает входные параметры питания испытуемой ВЭМ 1, либо, если предыдущее действие невозможно, разрывает питание испытуемой ВЭМ 1 с сетью путем размыкания сетевых блоков коммутации 5, 6, 7. Например, при нагреве подшипников они расширяются в размерах, что может привести к их заклиниванию, и, как следствие, к выходу из строя испытуемой ВЭМ 1.

Таким образом, при контроле перечисленных параметров имеется возможность надежно защитить исследуемую ВЭМ 1.

С целью промышленной реализации стенда с вновь введенными в него элементами можно использовать следующую комплектующую базу.

В качестве датчиков тока можно использовать датчики LT-1000-TI/SP1.

В качестве датчиков напряжения можно использовать датчики LV 25-P/SP3.

В качестве датчика температуры силовой обмотки целесообразно использовать датчик температуры поверхности ТХК9820 ДДШ 2.821.033ТУ с преобразователем температуры ПИ9701 ТУ 50-97 ДДШ 2.282.033ТУ.

В качестве датчика температуры переднего подшипника целесообразно использовать датчик температуры поверхности ТХК9820 ДДШ 2.821.033ТУ с преобразователем температуры ПИ9701 ТУ 50-97 ДДШ 2.282.033ТУ.

В качестве датчика температуры заднего подшипника целесообразно использовать датчик температуры поверхности ТХК9820 ДДШ 2.821.033ТУ с преобразователем температуры ПИ9701 ТУ 50-97 ДДШ 2.282.033ТУ.

В качестве вибродатчика поперечного передней и задней стенок корпуса можно использовать вибродатчик MB 43-5B ЖЯИУ.433642.001 ТУ с преобразователем вибрационным ИТ12.11.000 ТУ4217.001.43027096.2004 с преобразователем «напряжение-ток» ИТ12.00.510 ТУ4217.001.43027096.2004.

В качестве вибродатчика вертикального передней и задней стенок корпуса, можно использовать вибродатчик MB 43-5B ЖЯИУ.433642.001 ТУ с преобразователем вибрационным ИТ12.11.000 ТУ 4217.001.43027096.2004 с преобразователем «напряжение-ток» ИТ12.00.510 ТУ4217.001.43027096.2004.

В качестве осевого вибродатчика можно использовать вибродатчик MB 43-5B ЖЯИУ.433642.001 ТУ с преобразователем вибрационным ИТ12.11.000 ТУ 4217.001.43027096.2004 с преобразователем «напряжение-ток» ИТ12.00.510 ТУ 4217.001.43027096.2004.

В качестве блока диагностики можно использовать плату ТЕ-TMS320F28335 с микропроцессорным контроллером фирмы "Texas instruments" с ядром ARM, или любой другой микропроцессорный контроллер, удовлетворяющий своей производительностью требованиям разработчиков.

Claims (1)

1. Стенд для испытаний высокооборотных электрических машин, содержащий две группы клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине, размещенной на одном валу с нагрузочным генератором, силовой преобразователь частоты, преобразователь постоянного тока, три сетевых блока коммутации и блок коммутации нагрузочного генератора, датчики тока, напряжения и скорости вращения высокооборотной электрической машины, блок преобразования сигналов датчика скорости вращения, состоящее из системы импульсного формирователя управления и драйвера устройство управления силовыми модулями силового преобразователя частоты, устройство ввода/вывода информационных и управляющих сигналов, которое выполнено в виде платы сопряжения стенда с системной магистралью персонального компьютера и имеет блок ввода/вывода аналоговых и дискретных сигналов, цифроаналоговый преобразователь и таймер-генератор тактовых импульсов, при этом последовательно соединенные силовой преобразователь частоты, вход которого через первый сетевой блок коммутации подключен к питающей сети, датчик тока и датчик напряжения присоединены к первой группе клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине и входу блока коммутации нагрузочного генератора, к которому присоединен нагрузочный генератор с последовательно соединенными датчиком скорости вращения высокооборотной электрической машины и блоком преобразования сигналов датчика скорости вращения, кроме того, нагрузочный генератор через последовательно соединенные блок коммутации нагрузочного генератора, преобразователь постоянного тока и второй сетевой блок коммутации подключен к питающей сети, которая через третий силовой блок коммутации подключена к второй группе клемм для подключения питания к высокооборотной электрической машине, при этом соответствующими выходами плата сопряжения соединена с первым и вторым сетевыми блоками коммутации, блоком коммутации нагрузочного генератора, преобразователем постоянного тока, системной магистралью персонального компьютера и посредством устройства управления силовыми модулями преобразователей с силовым преобразователем частоты, отличающийся тем, что введены блок диагностики и защиты, датчики температур силовой обмотки высокооборотной электрической машины, ее переднего и заднего подшипников и корпуса, а также поперечные и вертикальные вибродатчики передней и задней стенок корпуса высокооборотной электрической машины, и осевой, при этом перечисленные датчики присоединены к соответствующим конструктивным элементам высокооборотной электрической машины, а их выходы и выходы блока преобразования сигнала датчика скорости вращения высокооборотной электрической машины, датчиков тока и напряжения присоединены к входу блока диагностики и защиты, выход которого присоединен к плате сопряжения.