CC BY
5
АВТОМАТИЗАЦИЯ И УПРАВЛЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМИ ПРОЦЕССАМИ И ПРОИЗВОДСТВАМИ
УДК 621.313.333:621.372.632 DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-84-88
ПОСТРОЕНИЕ ОБОБЩЕННОЙ СТРУКТУРЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ МЕТОДОМ ВЗАИМНОЙ НАГРУЗКИ
Д.И. Попов
Статья содержит результаты исследований, посвященных построению обобщенной структуры автоматизированной системы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки. Выполнен анализ структур существующих схем испытаний электрических машин методом взаимной нагрузки. Синтезирована обобщенная структурная схема автоматизированной системы испытаний различных типов электрических машин методом взаимной нагрузки. Проанализированы типовые схемы взаимной нагрузки асинхронных двигателей. Получено обобщение приведенных типовых схем в виде структурной схемы автоматизированной системы испытаний.
Ключевые слова: автоматизированная система испытаний, структурная схема, типовые схемы, асинхронная машина, метод взаимной нагрузки, преобразователи частоты.
Для эффективной эксплуатации электромеханических преобразователей требуется наличие систем, позволяющих производить соответствующие испытания и диагностирование технического состояния.
В настоящее время актуальными задачами являются разработка новых и совершенствование существующих систем испытаний и диагностирования с целью обеспечения требуемого объема испытаний с высокими технико-экономическими показателями.
Наилучшими такими показателями обладают системы с применением метода взаимной нагрузки [1-6]. Наиболее эффективно применение данного метода при длительных испытаниях под нагрузкой (например, испытание на нагрев в течение часа при номинальной нагрузке). Данный метод испытаний позволяет полезно использовать электрическую энергию, вырабатываемую нагрузочной машиной, работающей в режиме генератора (рекуперации), создающей момент сопротивления вращению вала испытуемого двигателя.
Все известные схемы взаимной нагрузки имеют общие структурные элементы и связи между ними [6-18]. Проведенный анализ известных схем позволил сформировать обобщенную структурную схему автоматизированной системы испытаний электрических машин методом взаимной нагрузки, представленную на рис. 1.
Приведенная схема является общей для испытаний, как асинхронных двигателей (АД), так и двигателей постоянного тока (ДПТ).
В виду широкого применения систем данного типа для испытаний ДПТ методом взаимной нагрузки и значительного объема накопленного опыта при их разработке и эксплуатации больший интерес для исследований представляют подобные системы, предназначенные для испытаний АД. Отсутствие широкого внедрения таких систем и глубокой проработки теоретических вопросов, связанных с их созданием (обоснованием выбора структуры, состава оборудования, параметров элементов, методов управления режимами работы) в настоящее время приводят к необходимости значительных дополнительных исследований.
В схеме, приведенной на рис. 1, под преобразователем понимается, в том числе и многозвенный преобразователь, состоящий из нескольких элементов, соединенных между собой (например, двух-звенный преобразователь частоты).
Некоторые известные схемы испытаний [14-16] имеют несколько параллельных ветвей, содержащих преобразователь с нагрузочной электрической машиной. Такие параллельные ветви можно заменить одной эквивалентной ветвью, содержащей один преобразователь и одну нагрузочную машину.
Рис. 1. Обобщенная структурная схема автоматизированной системы испытаний электрических машин методом взаимной нагрузки
Системы управления и диагностирования, как правило, имеют ряд идентичных элементов, выполняющих одинаковые функции (измерительные приборы и датчики, микропроцессорные или микроконтроллерные системы обработки, анализа данных и принятия решений). Следовательно, с целью минимизации требуемого оборудования данные системы можно объединить в одну общую систему управления и диагностирования (СУиД) процессом испытаний.
Введенные упрощения и обобщения при анализе известных схем испытаний электрических машин методом взаимной нагрузки позволяют существенно сузить количество типов всех возможных структурных схем. Типовые схемы испытаний АД методом взаимной нагрузки с учетом типа нагрузочной машины, состава преобразователей электрических параметров и их наличия в тех или иных ветвях, приведены на рис. 2.
Рис. 2. Типовые схемы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки
На приведенных типовых схемах взаимной нагрузки электрических машин введены следующие условные обозначения:
НАМ - нагрузочная асинхронная машина;
НГПТ - нагрузочный генератор постоянного тока;
ОЯ, ОВ - обмотка якоря и возбуждения соответственно;
В - неуправляемый выпрямитель;
В-И - управляемый выпрямитель-инвертор.
Представленные схемы (см. рис. 2) приведены в однолинейном исполнении: линии с постоянным током, а также трехфазные линии отмечены соответствующим количеством перечеркивающих их коротких штрихов. Данные схемы можно условно разделить на три типа, в каждом из которых имеется два варианта исполнения: первый тип характеризуется наличием НАМ и питанием одной из двух асинхронных машин синусоидальным напряжением; второй тип характеризуется наличием НАМ и питанием обеих асинхронных машин напряжением, сформированным посредством широтно-импульсной модуляции; третий тип характеризуется наличием НГПТ.
Типизация схем испытаний АД методом взаимной нагрузки выполнена с точки зрения того, что при математическом моделировании различные типы схем будет иметь существенные различия в системах уравнений, описывающих их работу [19]. При этом различные схемы одного типа будут иметь идентичный или незначительно отличающийся состав уравнений, входящих в их математическую модель. Для схем первого типа (рис. 2 а, б) математические модели будут идентичны. Математические модели схем второго типа будут отличаться от моделей первого типа наличием электрической связи между управляемыми выпрямителями-инверторами по звену постоянного тока. Для различных схем второго типа (рис. 2 в, г): математические модели станут идентичными после замены в первой схеме (рис. 2 в) двух неуправляемых выпрямителей на один эквивалентный. Математические модели для схем третьего типа (рис. 2 д, е) будут содержать уравнения для НГПТ, что будет существенно отличать их от моделей первого и второго типа. Математические модели двух схем третьего типа (рис. 2 д, е) будут отличаться источником питания НГПТ, нагрузкой неуправляемого выпрямителя и формой пульсаций напряжения в звене постоянного тока (между неуправляемым выпрямителем и управляемым выпрямителем-инвертором).
Анализ структуры данных схем позволил синтезировать обобщенную структурную схему, предназначенную для испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки, представленную на рис. 3.
Испытуемый двигатель
Ммех
Нагрузочная машина
Рис. 3. Обобщенная структурная схема автоматизированной системы испытаний асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки
86
На приведенной обобщенной структурной схеме введены следующие условные обозначения:
51 - 57 - коммутаторы;
Д - датчики электрических показателей;
Дмех - датчики механических показателей;
С - конденсатор;
Д - диод;
Ву - выпрямитель управляемый;
ОВ* - обмотка возбуждения (имеется в схеме только в случае применения НГПТ);
Ву* - выпрямитель управляемый, имеющийся в схеме только в случае применения НГПТ).
На приведенной схеме штрихи, обозначающие количество проводов в линии, не отмечены в тех случаях, когда имеются два варианта рода тока в данном соединении.
Сочетания включенного и выключенного состояний коммутаторов 51 - 57 позволяет получить схему для испытаний АД методом взаимной нагрузки, соответствующую одной из типовых схем (см. рис. 2). Сочетания включенных коммутаторов и соответствующие им типы схем взаимной нагрузки сведены в таблицу.
Типы схем взаимной нагрузки и способы их получения с применением обобщенной структурной схемы
Тип схем взаимной нагрузки АД Коммутаторы, которые необходимо включить на обобщенной структурной схеме Номер рисунка с соответствующей типовой схемой
Первый (5ь ^ 56) рис. 2 а
(53,57) рис. 2 б
Второй (5Ь ^ 56) рис. 2 в
(53, &) рис. 2 г
Третий (53, £0 рис. 2 д
(53,53) рис. 2 е
Синтезированная структурная схема системы испытаний АД методом взаимной нагрузки (см. рис. 3) является обобщением известных схем данного назначения. Обобщенная структурная схема позволяет установить общие элементы и взаимосвязи между ними для известных схем испытаний АД методом взаимной нагрузки и является практичным инструментом анализа данных схем. В результате анализа типовых схем взаимной нагрузки (см. рис. 2) отмечены общие и частные особенности, которые необходимо учесть при математическом моделировании их работы.
Список литературы
1. Бирюков В.В. Анализ схемных решений силовых цепей мотор-генераторных установок постоянного тока, работающих по методу взаимной нагрузки / В.В. Бирюков // Вестник Иркутского государственного технического университета. - 2005. - № 4(24). - С. 86-89.
2. Чегодаев Ф.В. Моделирование асинхронного частотного привода с помощью метода взаимной нагрузки / Ф.В. Чегодаев, С.Н. Чижма, В.А. Спиридонов // Известия Транссиба. 2013. № 2(14). С. 3137.
3. Энергоэффективные испытательные стенды для электродвигателей / Е.Я. Омельченко, А.В. Белый, С.С. Енин, Н.В. Фомин // Электротехнические системы и комплексы. 2018. № 3(40). С. 1219.
4. Бейерлейн Е.В. Испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки / Е.В. Бейер-лейн, О.Л. Рапопорт, А.Б. Цукублин // Известия Томского политехнического университета. 2005. Т. 308. № 7. С. 153-156.
5. Казаков Ю.Б. Экспериментальное и расчетное, на основе полевых моделей, исследование электромеханических процессов в асинхронных машинах, объединенных общим валом, при испытаниях методом взаимной нагрузки / Ю.Б. Казаков, И.А. Палилов // Автоматизация в электроэнергетике и электротехнике. 2016. Т. 1. С. 184-189.
6. Коварский Е.М., Янко Ю.И. Испытание электрических машин. М.: Энергоатомиздат, 1990.
320 с.
7. Патент 143348 РФ. Устройство для испытания асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.07.2014. Бюл. № 20.
8. Патент 2691778 РФ. Стенд для испытания асинхронных машин и способ их нагружения / Д.И. Попов. Опубл. 18.06.2019. Бюл. № 17.
9. Патент 80018 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / О.Л. Рапопорт, А.Б. Цукублин, Е.В. Бейерлейн. Опубл. 20.01.2009. Бюл. № 2.
10. Патент 2433419 РФ. Способ испытания асинхронных электродвигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, А.И. Володин, В.Т. Тихонов, В.В. Лукьянченко, Е.В. Панькин. Опубл. 10.11.2011. Бюл. № 31.
11. Патент 140678 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 20.05.2014. Бюл. № 14.
12. Патент 145998 РФ. Схема испытаний асинхронных двигателей методом их взаимной нагрузки / В.Д. Авилов, В. В. Харламов, Д.И. Попов, А.В. Литвинов. Опубл. 27.09.2014. Бюл. № 27.
13. Патент 197440 РФ. Схема испытания асинхронных машин методом взаимной нагрузки / В.В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 27.04.2020. Бюл. № 12.
14. Патент 2200960 РФ. Устройство для испытаний бесколлекторных электрических машин переменного тока / А.С. Курбасов, И.Л. Таргонский, Э.А. Долгошеев. Опубл. 20.03.2003. Бюл. № 8.
15. Патент 85674 РФ. Стенд для испытаний асинхронного тягового электродвигателя / Л.Г. Козлов, С.С. Осипов, В.П. Феоктистов, В.А. Коновалов. Опубл. 20.02.2009. Бюл. № 22.
16. Патент 99186 РФ. Стенд для испытаний асинхронного тягового электродвигателя / Л.Г. Козлов, С.С. Осипов, В.П. Феоктистов, В.А. Коновалов. Опубл. 10.11.2010. Бюл. № 31.
17. Патент 178716 РФ. Стенд для испытания асинхронных двигателей методом взаимной нагрузки / В.В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 17.04.2018. Бюл. № 11.
18. Патент 195604 РФ. Стенд для автоматизированных испытаний асинхронного двигателя / В.В. Харламов, Д.И. Попов. Опубл. 03.02.2020. Бюл. № 4.
19. Попов Д.И. Математическое моделирование физических процессов в испытательных комплексах электрических машин / Д.И. Попов // Омский научный вестник. 2018. № 4(160). С. 79-84.
Попов Денис Игоревич, д-р техн. наук, доцент, popovomsk@yandex.ru, Россия, Омск, Омский государственный университет путей сообщения
DEVELOPMENT OF A GENERALIZED STRUCTURE FOR AUTOMATED TESTING SYSTEM OF INDUCTION MOTORS BY THE METHOD OF MUTUAL LOAD
D.I. Popov
The article contains the results of research devoted to the construction of a generalized structure of an automated system for testing induction motors by the method of mutual loading. The analysis of the structures of existing test schemes of electric machines by the method of mutual loading is carried out. A generalized block diagram of an automated testing system of various types of electric machines by the method of mutual loading is synthesized. Typical schemes of mutual loading of induction motors are analyzed. A generalization of the above standard schemes in the form of a block diagram of an automated test system is obtained.
Key words: automated test system, block diagram, standard circuits, induction motor, mutual load method, frequency converters.
Popov Denis Igorevich, doctor of technical sciences, docent, popovomsk@yandex.ru, Russia, Omsk, Omsk State Transport University
УДК 656.259
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-88-95
КОНСТРУКТИВНЫЙ РАСЧЕТ МАГНИТНОГО УСИЛИТЕЛЯ СИММЕТРИРУЮЩЕГО УСТРОЙСТВА ОБРАТНОГО ТЯГОВОГО ТОКА
А.В. Пультяков, К.В. Менакер, Е.М. Бушуев, М.В. Востриков
Проблема асимметрии обратного тягового тока на участках, электрифицированных переменным током, остается актуальной в настоящее время. Авторами ранее была предложена схема симметрирующего устройства обратного тягового тока, основанная на непрерывном измерении значений составляющих тягового тока в рельсовых линиях и изменении их реактивного сопротивления с помощью управляемых магнитных усилителей. В настоящей работе приводятся сведения по расчету конструктивных и электрических параметров магнитных усилителей, с учетом действующих на железнодорожном транспорте значений тяговых токов и возможных коэффициентов асимметрии.
Ключевые слова: магнитный усилитель, обратный тяговый ток, обратная тяговая сеть, асимметрия, симметрирующее устройство.
Введение. В настоящее время более 25 процентов отказов аппаратуры рельсовых цепей в хозяйстве железнодорожной автоматики и телемеханики связано с влиянием асимметрии обратного тягового тока. Асимметрия также является причиной большого числа сбоев передаваемых кодов в системе автоматической локомотивной сигнализации (АЛС). Элементы защиты от асимметрии обратного тягового тока представлены в виде дроссель-трансформаторов, фильтров, разрядников, автоматических выключателей, устройств с нелинейными вольт-амперными характеристиками. Статистика отказов аппаратуры рельсовых цепей и сбоев кодов АЛС подтверждает низкую эффективность работы указанных защитных элементов [1-6].
