CC BY
84
УДК 621.313.004.67:622
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ИСПЫТАТЕЛЬНОГО СТЕНДА ТЯГОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА
А.В.Сорокин1, А.С.Леоненко2
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Испытательный стенд обеспечивает высокое качество ремонта тяговых двигателей постоянного тока и уменьшает вероятность их отказа при эксплуатации. Стенд реализован по классической схеме с использованием метода взаимной нагрузки. Проведено моделирование разомкнутой системы управления электропривода испытательного стенда, показавшее неудовлетворительное качество процесса испытаний. Предложена структура замкнутой системы управления. Проведенные исследования показали работоспособность испытательного стенда в различных режимах работы. Ил. 8. Библиогр. 4 назв.
Ключевые слова: испытательный стенд; испытания тяговых двигателей постоянного тока; системы управления.
TEST BED CONTROL SYSTEM FOR DC TRACTION MOTORS A.V. Sorokin, A.S. Leonenko
Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074.
A test bed provides high quality repairs of DC traction motors and reduces the probability of failure under operation. The test bed is created by the classical scheme with the use of a loading-back method. The authors carried out the modeling of the open-loop control system of the test bed electric drive that showed the poor quality of the testing process. A closed-loop control system is proposed. Performed studies have shown operability of the test bed in various modes. 8 figures. 5 sources.
Key words: test bed; tests of DC traction motors; control systems.
Для обеспечения высокого качества ремонта и уменьшения вероятности отказа при эксплуатации все электрические машины после ремонта должны пройти соответствующие испытания. Достаточный объем информации о качестве ремонта тяговой электрической машины может быть получен в ходе испытаний и регламентирован в соответствии с требованиями ГОСТ 2582-81 «Машины электрические вращающиеся тяговые».
При массовом ремонте испытания электрических машин в полном объеме требуют совершенства испытательного оборудования, высокой производительности и простоты обслуживания.
Стенд реализован по классической схеме с использованием метода взаимной нагрузки (возвратной работы) [1,2]. При этом методе две однотипные машины соединяются электрически и механически (с помощью полумуфт). Функциональная схема стенда приведена на рис. 1. В приводе одна машина работает в режиме генератора (НМ - нагрузочная машина), а другая - в режиме двигателя (ИМТ - испытуемая машина). Машина, работающая генератором (НМ), питает машину, работающую двигателем (ИМТ), которая, в
свою очередь, вращает генератор (НМ). Потери обеих машин покрываются генератором G1 (ГПЭ-1000) и генератором G2 (ГПЭ-1700). Генератор G2 покрывает электрические потери, а генератор G1 - магнитные и механические. В качестве генераторов предлагается использовать генераторы машинного агрегата (МА), используемые при испытании экскаваторных машин, так как стенд является многофункциональным [3].
Отличие функциональной схемы стенда для испытания тяговых двигателей в том, что отпадает необходимость в источнике возбуждения нагрузочной машины (НМ), так как обмотка возбуждения ^НМ) питается вместе с LИМТ от генератора G1.
Пуск испытуемого двигателя производится плавным увеличением напряжения на якоре ИМТ, что осуществляется с помощью генератора 01. При этом одновременно возбуждается нагрузочная машина (НМ). После автоматического разгона на заданную скорость производятся испытания в соответствии с ГОСТ изменением напряжения генератора G2.
Для проверки работоспособности предложенного способа испытания с конкретным набором оборудования проведено имитационное моделирование. Разра-
1Сорокин Александр Васильевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 89027619817, e-mail: sorokin@isea.ru
Sorokin Alexander, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: 89027619817, e-mail: sorokin@isea.ru
2Леоненко Алексей Сергеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры горных машин и электромеханических систем, тел.: 83952613588, e-mail: idfix3@yandex.ru
Leonenko Aleksei, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mining Machinery and Electromechanical Systems, tel.: 83952613588, e-mail: idfix3@yandex.ru
Рис. 1. Схема испытательного стенда тяговых двигателей
ботана и уточнена математическая модель привода испытательного стенда тяговых электродвигателей постоянного тока, реализованного по структуре генератор - двигатель с тиристорным возбудителем и вольтодобавкой. В качестве испытуемой машины принят тепловозный тяговый электродвигатель типа ЭД-108А как наиболее часто встречающийся в заказах завода на ремонт. Это четырехполюсная реверсивная машина постоянного тока с последовательным возбуждением.
В ДПВ обмотка возбуждения включается в цепь якоря. Ток якоря одновременно является током возбуждения. Включение обмотки возбуждения в цепь якоря, мощность которой на два порядка выше, чем мощность возбуждения, создает условия для форсированного изменения магнитного потока двигателя, наводя в полюсах и массивных частях станины вихревые токи, которые, в свою очередь, будут оказывать влияние на общий поток машины [5]. В динамике приходится учитывать влияние вихревых токов в виде эквивалентного короткозамкнутого контура, имеющего единичный коэффициент связи с обмоткой возбуждения. Для ДПВ поток является функцией тока якоря и все процессы, протекающие в машине, определяются кривой намагничивания.
Существенно нелинейная система дифференциальных уравнений, описывающая электропривод ис-
пытательного стенда, была представлена в нормальной форме Коши, разрешенная относительно производных. Анализ велся численным решением нелинейных дифференциальных уравнений с помощью метода Рунге-Кутта четвертого порядка. Для моделирования использовалось специализированное СПО 01Т31э [4].
Комплекс проведенных исследований с использованием данной динамической модели включал в себя исследования в режимах пуска испытуемой машины на различные скорости установившегося движения, нагружение испытуемой машины до номинальной нагрузки, испытание на максимальной скорости.
Исследование разомкнутой системы управления испытательного стенда. На рис. 2 представлен процесс пуска испытуемой машины на максимальную (кривая 1) и номинальную скорость (кривая 2) при моменте сопротивления, равном холостому ходу. Как видно из рисунка, характер переходного процесса имеет апериодический характер с постоянной времени, равной 5 с. Длительное время разгона объясняется динамикой генератора 01, служащего источником энергии испытуемой машины. Ток испытуемой машины также имеет апериодический характер с пиковым броском, не превышающим допустимый ток двигателя.
Рис. 3 иллюстрирует опыт разгона испытуемой
Рис. 2. Пуск испытуемой машины на максимальную (1) и номинальную (2) скорость при моменте сопротивления,
равном холостому ходу
машины на номинальную скорость при максимальном моменте сопротивления. В данном режиме характер переходного процесса разгона испытуемой машины имеет некоторое незначительное перерегулирование. Постоянная времени уменьшилась до 2 с, что объясняется внутренней электромагнитной форсировкой электропривода стенда.
Рис. 4 отображает процессы разгрузки (кривая 1) и нагрузки (кривая 2) испытуемой машины на номинальной скорости. Нагружение происходит скачкообразно до максимального момента сопротивления.
В этом режиме скорость падает с 63 до 22 рад/сек, т.е. в три раза. Это объясняется значительной крутизной естественной механической характеристики двигателя постоянного тока с последовательным возбуждением. Затянутое время нагружения объясняется динамикой генератора G2, имеющего значительную индуктивность цепи возбуждения. Уменьшение постоянной времени процесса нагрузки по сравнению с разгрузкой объясняется внутренней электромагнитной форсировкой, так как обмотки возбуждения испытуемой и нагрузочной машин совместно включены в якорную цепь испытуемой машины и их магнитный поток напрямую зависит от тока якоря. На этом рисунке демонстрируется опыт сброса нагрузки с номинального значения до холостого хода при номинальной скорости. Значительное увеличение скорости до 197 рад/сек превышает кратковременную максимально допустимую скорость испытуемого двигателя ЭД-108А. Поэтому данный режим невозможен без организации дополнительного управления.
Очевидно, что разомкнутая система электропривода испытательного стенда устойчива. На динамику системы влияние вихревых токов в виде эквивалентного короткозамкнутого контура практически не сказывается. Это объясняется довольно значительной инерцией, заложенной в обмотках возбуждения генераторов 01 и 02. В системе данная особенность играет роль задатчиков интенсивности. Основной недостаток разомкнутой системы - значительное падение скорости при набросе нагрузки, а также значительное увеличение скорости при сбросе нагрузки. Поэтому
для стабилизации скорости необходимо реализовать замкнутую систему электропривода.
Исследование замкнутой системы управления испытательного стенда. На рис. 1 представлена система управления испытательного стенда. Было проведено исследование по определению возможности построения СУ замкнутой только по скорости испытуемой машины через тахогенератор БР и датчик скорости ДС. Сигнал обратной отрицательной связи подавался на вход тиристорного преобразователя 111, подключенного к обмотке возбуждения генератора 01.
Рис. 5 отображает процесс нагружения испытуемой машины в электроприводе испытательного стенда с системой управления, замкнутой по скорости.
Кривая 4 характеризует процессы, протекающие в разомкнутой системе. Кривые 1, 2 и 3 отображают переходные процессы в замкнутой по скорости системе управления с различными коэффициентами обратной связи. Характеристика 1 имеет самый большой коэффициент, а 3 - самый малый.
Рис. 4. Разгрузка (1) и нагрузка (2) испытуемой машины на номинальной скорости
Становится очевидным, что даже максимально возможный коэффициент обратной связи по скорости не дает требуемого качества управления. Просадка скорости остается значительной.
Был предложен вариант организации системы управления с введением дополнительной, слабой положительной обратной связи по току испытуемой машины. Сигнал обратной связи через датчик тока ДТ поступает на вход тиристорного преобразователя Ш, подключенного к обмотке возбуждения генератора С1.
Рис. 6 иллюстрирует процесс разгона испытуемой машины до номинальной скорости в замкнутой (кривые 2 и 3) и разомкнутой (кривая 1) системах при холостом ходе.
Характеристика 3 отражает процессы в замкнутой системе по скорости и току якоря испытуемой машины. Перерегулирование несколько увеличилось
по сравнению с системой, замкнутой только по скорости (кривая 2). Но это увеличение несущественно. Броски токов в обеих замкнутых системах практически совпадают и не превышают предельно допустимые.
На рис. 7 представлен процесс нагрузки испытуемой машины на номинальной скорости. Очевидно, что просадка скорости в электроприводе стенда с предложенной системой управления незначительна и составляет от 3 до 5%.
Была необходимость проверки работоспособности системы управления испытательным стендом при сбросе нагрузки (рис. 8). Данный режим исследовал процессы, протекающие в электроприводе испытательного стенда при аварийной ситуации. В разомкнутой системе, как было показано ранее, скорость возрастала до недопустимых пределов. В данном случае
Рис. 5. Нагрузка испытуемой машины на номинальной скорости в замкнутой по скорости системе
Рис. 6. Разгон испытуемой машины до номинальной скорости в замкнутой системе при холостом ходе
процесс приобрел незначительную колебательность, но качество системы управления оказалось удовлетворительным.
Исследование устойчивости электропривода испытательного стенда было проведено моделированием процессов в допустимой области изменения параметров. Анализ показал, что даже применение положительной обратной связи по току якоря ИМТ оставляет систему устойчивой. Переходные процессы, протекающие в электроприводе, имеют удовлетворительное качество и быстродействие.
Исследуемый испытательный стенд развертывается на ООО «Рудоремонтный завод» ООО «Компания "Востсибуголь"», расположенном в г. Черемхово. Он является частью испытательного комплекса электрических машин постоянного тока [3]. Теперь появится возможность проводить послеремонтные испытания не только машин независимого, но и последовательного возбуждения, что, несомненно, улучшит качество ремонта.
Библиографический список
1. Жерве Г.К. Промышленные испытания электрических машин. Л.: Энергоатомиздат, 1984. 570 с.
2. Родькин Д.И. Системы динамического нагружения и диагностики электродвигателей при послеремонтных испытаниях. М.: Недра, 1992. 236 с.
3. Сорокин А.В. Специальный комплекс для послеремонт-
ных испытаний электрических машин горного оборудования, эксплуатирующегося в условиях Севера // Горные машины и автоматика. 2005. №2. С. 48-49.
4. Сорокин А.В. Моделирование систем управления автоматизированного электропривода // Управление в системах: Вестник ИрГТУ. Сер. Кибернетика. 2000. № 4. С. 13-18.
УДК 621.311.001
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И ТОПОЛОГИЧЕСКИЙ МЕТОД РАСЧЕТА НАДЕЖНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ
И.Н.Шушпанов1, К.В.Суслов2, Н.И.Воропай3
Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Разработана математическая модель надежности распределительной электрической сети, которая повышает надежность элементов электрической сети. Для оценки надежности данной модели разработан метод оценки надежности элементов электрической сети (топологический метод). Данным методом определяются показатели надежности, такие как вероятность отказа элемента, частота отказа элемента, продолжительность отказа элемента. Данный метод является универсальным методом определения показателей надежности и может быть применим к расчетам любых электрических систем. Ил.1. Табл. 7. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: модель надежности; топологический метод; распределительная электрическая сеть; показатели надежности; элементы сети.
1Шушпанов Илья Николаевич, аспирант, тел.: 89021709919, e-mail: ilis83@mail.ru Shushpanov Ilya, Postgraduate, tel. 89021709919, e-mail: ilis83@mail.ru.
2Суслов Константин Витальевич, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения и электротехники, тел.: 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu
Suslov Konstantin, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electric Power Supply and Electrical Engineering, tel 89148704673, e-mail: souslov@istu.edu
3Воропай Николай Иванович, доктор технических наук, зав. кафедрой электроснабжения и электротехники, e-mail: otep@istu.edu
Voropai Nikolai, Doctor of technical; sciences, Professor, Head of the Department of Electric Power Supply and Electrical Engineering, e-mail: otep@istu.edu
