Стенд для нагружения синхронных машин при испытаниях

 

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано при испытаниях электрических машин переменного тока. Цель изобретения увеличение надежности, снижение эксплуатационных расходов, повышение быстродействия и улучшение электрических показателей стенда. Стенд для нагружения синхронных машин, магнитные оси роторов которых совпадают, а трехфазные статорные обмотки одинаково ориентированы в пространстве, содержит элементы для крепления машин с блоком поворота статора одной из них, вал для соединения роторов машин, клеммы для подключения статорных обмоток машин, клеммы для подключения обмоток возбуждения, блоки регулирования напряжения, блок управления, измеритель частоты вращения машин, блоки измерения фазных токов, напряжений, мощностей, датчики реактивного тока испытываемых машин, датчики активного тока, контактор для включения машин на взаимную нагрузку, приводной двигатель, муфту для соединения вала приводного двигателя с валом для соединения роторов испытываемых машин, контактор, преобразователь частоты, контактор для подключения индуктивной нагрузки, выполненный на базе инвертора, ведомого сетью, со сглаживающим реактором и управляемого выпрямителя с токоограничивающим трехфазным реактором, контактор для подключения индуктивной нагрузки к питающей сети. 4 ил.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при испытании электрических машин переменного тока на предприятиях, занимающихся производством и ремонтом специальных электрических машин. Цель изобретения увеличение надежности, снижение эксплуатационных расходов, повышение быстродействия и улучшение энергетических показателей стенда. Цель достигается тем, что известный стенд для нагружения синхронных машин при испытаниях, содержащий элементы для крепления двух синхронных машин, магнитные оси ротора которых совпадают, а трехфазные статорные обмотки одинаково ориентированы в пространстве, вал для соединения роторов машин, клеммы для подключения статорной обмотки одной из машин соединены через первый блок измерения фазных токов, напряжений, мощностей, первый контактор и второй блок измерения фазных токов, напряжений, мощностей с одноименными клеммами для подключения статорной обмотки другой машины, клеммы для подключения обмоток возбуждения соединены с выходами источника постоянного напряжения через соответствующие блоки регулирования напряжения, управляющие входы которых соединены соответственно с первым и вторым выходами блока управления, а входы регулируемого напряжения с клеммами статорных обмоток соответствующих машин, измеритель частоты вращения, подключенный к клеммам статорной обмотки одной из машин, датчики реактивного тока, токовые входы которых включены в одноименные фазные силовые провода машин, а входы напряжения подключены к другим одноименным фазным проводам машин, первые одноименные выходные клеммы которых соединены непосредственно, а вторые через блоки регулирования напряжения, датчики активного тока, токовые входы которых включены в одноименные фазные силовые провода машин, а входы напряжения включены между фазным проводом, к которому подключен токовый вход датчика, и общим проводом, первые выходные клеммы соединены непосредственно, приводной двигатель, вал которого посредством муфты соединен с валом для соединения роторов испытываемых машин, а статорные обмотки соединены через второй контактор с выходом регулируемого преобразователя частоты, входы которого соединены с трехфазной питающей сетью, а управляющий вход с третьим выходом блока управления, и трехфазную регулируемую индуктивную нагрузку, снабжен блоком поворота статора одной из испытываемых машин, управляющий вход котоpого соединен с четвертым выходом блока управления, а регулируемая индуктивная нагрузка выполнена статического типа на базе тиристорного инвертора, ведомого сетью, сглаживающего реактора, управляемого выпрямителя и токоограничивающего трехфазного реактора, при этом выход инвертора соединен через третий контактор с выходом первого контактора, а вход инвертора через сглаживающий реактор с выходом управляемого выпрямителя, вход которого подключен через токоограничивающий реактор и четвертый контактор к трехфазной питающей сети, а управляющий вход выпрямителя к пятому выходу блока управления, первая и вторая клеммы управляющего входа инвертора соединены соответственно с вторыми выходными клеммами датчиков активного тока. Применение тиристорного инвертора позволяет преобразовывать значительные по величине токи и напряжения. При этом инвертор потребляет из сети реактивную мощность. Потребляемая из сети реактивная мощность будет тем больше, чем больше угол опережения инвертора. Поэтому в обычных инверторах, предназначенных для передачи активной мощности от источника постоянного тока в сеть переменного тока, стремятся угол опережения β сделать как можно меньше. В заявляемом стенде основное назначение инвертора потребление из сети испытываемых машин реактивной мощности. Поэтому угол опережения β инвертора заявляемого стенда должен быть близок к максимальному значению, т.е. близок к 90^о. При этом инвертор будет выполнять роль регулируемой индуктивной нагрузки. Второе назначение инвертора передача из цепи постоянного тока индуктивной нагрузки в цепь переменного тока испытываемых машин небольшой активной мощности для покрытия потерь в силовом контуре машин. Только при этом условии обе испытываемые машины будут работать при одинаковых номинальных параметрах. Для этого угол опережения инвертора делается немного меньшим 90^о. При этом фазный ток инвертора будет отскакивать от фазного напряжения испытываемых машин на угол, немного больший 90^о, т.е. будет иметь значительную индуктивную составляющую и небольшую активную составляющую. Активная составляющая сетевого тока инвертора будет нести активную мощность в систему стенда. Перевод инвертора в указанный режим работы достигается путем подачи управляющих импульсов на тиристоры с углом опережения соответствующего фазного напряжения, немного меньшим 90^о. Подачу управляющих импульсов в необходимый момент времени обеспечивает система импульсно-фазового управления (СИФУ) инвертора. Поэтому СИФУ инвертора выполняется так, чтобы она обеспечивала подачу управляющих импульсов на тиристоры с углом опережения β, немного меньшим 90^о. Сглаживающий реактора индуктивной нагрузки предназначен для сглаживания выпрямленного тока, а токоограничивающий реактор для уменьшения бросков тока при коммутации тиристоров. Введенный в стенд блок на базе ведомого инвертора и управляемого выпрямителя выполняет функции регулируемой индуктивной нагрузки и подпитывающего устройства. Блок поворота статора синхронной машины предназначен для увеличения угла между осями магнитных полей статора и ротора. В стенде подвижная часть блока поворота статора жестко связывается со статором одной из испытываемых машин. В результате при воздействии на управляющий вход блока поворота статора будет регулироваться угол нагрузки β обеих машин, т.е. будет регулироваться их активная мощность, что позволяет исключить трансформаторный фазорегулятор из силового контура испытываемых машин и тем самым снизить потери мощности в данном контуре. Индуктивная нагрузка имеет меньшие эксплуатационные расходы при обслуживании, что объясняется отсутствием щеточно-контактных и подшипниковых узлов, а также имеет большее быстродействие по сравнению с синхронным компенсатором с блоком поворота статора. Это позволяет в сочетании с указанным соединением датчиков активного тока с СИФУ инвертора нагрузки существенно увеличить быстродействие системы автоматического регулирования активной составляющей тока нагрузки испытываемых машин. При увеличении активной составляющей тока нагрузки генератора относительно активной составляющей тока двигателя появляется разностный сигнал на выходе датчиков активного тока, который путем воздействия на вход СИФУ инвертора поднимает активную составляющую тока индуктивной нагрузки до тех пор, пока активные составляющие токов испытываемых машин не выравниваются. Предложенная индуктивная нагрузка в указанной связи с элементами стенда и введенный блок поворота статора позволяют существенно уменьшить потери мощности в заявляемом статоре. Это достигается, во-первых, отсутствием в силовой цепи испытываемых машин трансформаторного фазорегулятора, через который в прототипе идет полный ток нагрузки. Во-вторых, КПД предложенной индуктивной нагрузки выше, чем синхронного компенсатора. Он определяется произведением КПД инвертора и выпрямителя и составляет в среднем η_Σ 0,95х0,95=0,9. Синхронный компенсатор имеет КПД η 0,8. Канал поступления активной мощности из питающей сети в стенд для покрытия электрических потерь короткий и состоит лишь из индуктивной нагрузки с η_Σ 0,9. Заявляемый стенд повышает коэффициент мощности питающей сети. Это достигается введением опережающего угла управления выпрямителя индуктивной нагрузки. При этом сетевой ток выпрямителя будет опережать напряжение питающей сети. Это значит, что индуктивная нагрузка стенда для питающей сети имеет емкостный характер. Если учесть, что в общем случае нагрузка для питающей сети носит индуктивный характер, то внедрение заявляемого стенда существенно улучшить коэффициент мощности сети и даст значительный экономический эффект, особенно при испытании мощных генераторов. На фиг.1 изображена принципиальная электрическая схема стенда; на фиг.2 принципиальная электрическая схема силовой части индуктивной регулируемой нагрузки; на фиг.3 и 4 векторные и временные диаграммы фазных токов и напряжений соответственно инвертора и выпрямителя индуктивной нагрузки. Стенд предназначен для испытания синхронных машин 1 и 2, магнитные оси роторов которых совпадают, а трехфазные статорные обмотки одинаково ориентированы в пространстве. Стенд содержит элементы для крепления испытываемых машин (на чертеже не показаны) с блоком поворота статора 3 одной из них, вал 4 для соединения роторов машин, клеммы 5 и 6 для подключения статорных обмоток машин, клеммы 7 и 8 для подключения обмоток возбуждения, блоки регулирования напряжения 9 и 10, блок управления 11, измеритель частоты вращения 12 машин, блоки измерения фазных токов, напряжений, мощностей 13 и 14, датчики реактивного тока 15 и 16 испытываемых машин, датчики активного тока 17 и 18, контактор для включения машин на взаимную нагрузку 19, приводной двигатель 20, муфту 21 для соединения вала приводного двигателя с валом для соединения роторов испытываемых машин, контактор 22, преобразователь частоты с регулируемой частотой 23, контактор 24 для подключения индуктивной регулируемой нагрузки 25, выполненный на базе тиристорного инвертора, ведомого сетью 26, со сглаживающим реактором 27 и управляемого выпрямителя 28 с трехфазным ограничителем тока 29, контактор 30 для подключения индуктивной нагрузки к питающей сети. Специфической особенностью индуктивной регулируемой нагрузки стенда является ее двойное назначение. Во-первых, она предназначена для нагружения испытываемых машин индуктивным током. Во-вторых, индуктивная нагрузка должна выполнять роль подпитывающего устройства стенда для покрытия электрических потерь мощности в испытываемых машинах, индуктивной нагрузке и соединительных проводах. Без подпитки машина, испытываемая в режиме генератора, будет нагружаться большей мощностью на величину указанных потерь. При этом невозможно установить с большой точностью равенство параметров испытываемых машин. В результате при испытании специальных машин, например авиационных генераторов, вынуждены испытывать лишь одну машину, а вторая является технологической, что снижает производительность стенда. Поэтому, с целью снижения потерь мощности в стенде и, следовательно, выравнивания активной мощности испытываемых машин в заявляемом стенде, угол нагрузки Θ создается не трансформаторным фазоpегулятоpом, а блоком поворота статора одной из машин. Стенд работает следующим образом. Испытываемые синхронные машины 1 и 2 нагружаются активной мощностью по методу взаимной нагрузки путем поворота оси магнитного поля статора относительно оси поля ротора на угол нагрузки Θ с помощью блока поворота статора, а реактивной мощностью путем подключения индуктивной нагрузки. Для этого в начале контактором 22 подключают приводной двигатель 20 к преобразователю частоты 23. Путем увеличения частоты выходного напряжения преобразователя устанавливают необходимую частоту вращения испытываемых машин, которую контролируют измерителем частоты вращения 12. При этом блоки регулирования напряжения 9 и 10 устанавливают возбуждение машин таким, чтобы их напряжение было номинальным. Это напряжение контролируется с помощью блоков фазных токов, напряжений, мощностей 13 и 14 и при необходимости может быть подкорректировано с пульта управления 11 путем воздействия на управляющие входы блоков регулирования напряжения. Блоком поворота статора 3 устанавливают примерно нулевое значение угла нагрузки Θ испытываемых машин. Контактором 19 включают машины на взаимную работу. Увеличивая блоком поворота статора 3 угол нагрузки Θ, нагружают испытываемые машины активным током. При этом обе машины нагружаются почти одинаковой активной мощностью, пропорциональной sin Θ. Для нагружения машин реактивной мощностью контактором 24 подключают индуктивную нагрузку 25 с углом опережения β=β_max= 85^о и углом управления α=α_max 87^о к силовой цепи испытываемых машин. Контактором 30 подключают индуктивную нагрузку к питающей сети. Уменьшая угол управления α выпрямителя нагрузки путем воздействия на его управляющий вход, плавно увеличивают индуктивный ток нагрузки, при этом будет плавно возрастать ток подпитки. Равенство индуктивных токов нагрузки испытываемых машин обеспечивается с помощью датчика реактивного тока 15 и 16. Разностный выходной сигнал датчиков воздействует на выравнивающие органы блоков регулирования напряжения испытываемых машин. При этом возбуждение менее нагруженной реактивным током машины увеличивается, а более нагруженной снижается. При наступлении равенства индуктивных токов машин выходной разностный сигнал датчиков становится равным нулю и корректировка возбуждения прекращается. Равенство активных составляющих токов нагрузки машин обеспечивается с помощью датчиков активного тока 17 и 18. Разностный выходной сигнал датчиков воздействует на СИФУ инвертора 26 с целью корректировки угла β. Если активная составляющая тока генератора превышает активную составляющую тока двигателя, то разностный сигнал датчиков уменьшает угол β и ток подпитки I_на возрастает. При этом активная составляющая тока генератора снижается. При равенстве активных составляющих токов испытываемых машин корректировка угла β прекращается. В процессе испытания система автоматического регулирования на базе блоков регулирования напряжения с датчиками реактивного тока и управляющего инвертора с датчиками активного тока поддерживает активные и реактивные токи испытываемых машин равными. При этом обе машины будут иметь с высокой степенью точности одинаковые нагрузочные параметры: ток нагрузки, коэффициент мощности нагрузки, ток возбуждения и т.д. Это обеспечивает одновременное испытание обеих машин. Таким образом, предлагаемая в заявляемом стенде индуктивная нагрузка выполняет обе предназначенные ей функции: нагружает испытываемые машины реактивной мощностью и осуществляет подпитку стенда активной мощности с целью покрытия потерь электрической мощности в системе. При этом индуктивная нагрузка характеризуется повышенной надежностью и минимальными эксплуатационными расходами, т.к. выполнена статического полупроводникового типа без щеточных и подшипниковых узлов. Это же объясняет значительно большее быстродействие предлагаемой нагрузки по сравнению с синхронным компенсатором прототипа. При этом увеличивается быстродействие САР стенда в целом. Потери активной мощности в предлагаемом стенде меньше, чем в прототипе. Это объясняется отсутствием в силовом контуре трансформаторного фазорегулятора, более высоким КПД индуктивной статической нагрузки и коротким каналом поступления активной мощности их питающей сети в систему стенда, имеющим КПД 0,9. Применение управляемого выпрямителя с опережающим углом управления позволяет создать индуктивную нагрузку испытываемых машин с емкостным характером по отношению к питающей сети. Поэтому подключение заявляемого стенда к питающей сети может существенно улучшить ее коэффициент мощности, что даст значительный экономический эффект.

Формула изобретения

СТЕНД ДЛЯ НАГРУЖЕНИЯ СИНХРОННЫХ МАШИН ПРИ ИСПЫТАНИЯХ, содержащий элементы для крепления двух синхронных машин, магнитные оси роторов которых совпадают, а трехфазные статорные обмотки одинаково ориентированы в пространстве, вал для соединения роторов испытываемых машин, клеммы для подключения статорной обмотки одной из машин соединены через первый блок измерения фазных токов, напряжений, мощностей, первый контактор и второй блок измерения фазных токов, напряжений, мощностей с одноименными клеммами для подключения статорной обмотки другой машины, клеммы для подключения обмоток возбуждения соединены с выходами источника постоянного напряжения через соответствующие блоки регулирования напряжения, управляющие входы которых соединены соответственно с вторым и третьим выходами блока управления, а входы с клеммами статорных обмоток соответствующих машин, измеритель частоты вращения, подключенный к клеммам статорной обмотки одной из машин, датчики реактивного тока, токовые входы которых включены в одноименные фазные силовые провода машин, а входы напряжений подключены к другим одноименным фазным проводам машин, первые одноименные выходы которых соединены непосредственно, а вторые через блоки регулирования напряжения, датчики активного тока, токовые входы которых включены в одноименные фазные силовые провода машин, а входы напряжения включены между фазным проводом, к которому подключен токовый вход датчика, и общим проводом, первые выходные клеммы соединены непосредственно, приводной двигатель, вал которого посредством муфты соединен с валом для соединения роторов испытываемых машин, а статорные обмотки соединены через второй контактор с выходом регулируемого преобразователя частоты, входы которого соединены с трехфазной питающей сетью, а управляющий вход с третьим выходом блока управления, а также трехфазную регулируемую индуктивную нагрузку, отличающийся тем, что, с целью увеличения надежности, снижения эксплуатационных расходов, повышения быстродействия и улучшения энергетических показателей, в него введен блок поворота статора одной из испытываемых машин, управляющий вход которого соединен с четвертым выходом блока управления, а трехфазная регулируемая индуктивная нагрузка выполнена в виде инвертора, сглаживающего фильтра, управляемого выпрямителя с токоограничителем, при этом выход инвертора соединен через третий контактор с выходом первого контактора, а вход инвертора через сглаживающий фильтр с выходом управляемого выпрямителя, вход которого подключен через токоограничитель и четвертый контактор к трехфазной питающей сети, а управляющий вход выпрямителя к пятому входу блока управления, управляющий вход инвертора соединен соответственно с вторыми выходами датчиков активного тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4

MM4A Досрочное прекращение действия патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Номер и год публикации бюллетеня: 14-2002

Извещение опубликовано: 20.05.2002        

---