CC BY
50
УДК 621.313.1:629.458.27
ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИНВАРИАНТНЫХ СТЕНДОВ С РЕКУПЕРАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА
В. С. ЗАХАРЕНКО, И. В. ДОРОЩЕНКО
Учреждение образования «Гомельский государственный технический университет имени П. О. Сухого»,
Республика Беларусь
Введение
Существует множество путей повышения качества и надежности новой выпускаемой техники. Одним из путей повышения надежности является проведение многочисленных стендовых испытаний важных узлов машин, следовательно, немаловажным является развитие и совершенствование методов стендовых испытаний.
В данной работе рассматривается область применения испытательных стендов, обеспечивающих постоянство частоты вращения и момента нагрузки. Эти испытательные стенды построены на основе электрических машин постоянного тока и способны возвращать часть энергии в сеть или в привод.
Научная идея построения высокоуправляемых испытательных стендов заключается в использовании каскада взаимонагруженных машин постоянного тока с системой управления приводной частью, поддерживающей постоянство частоты вращения и с системой управления нагрузочной частью, поддерживающей постоянство момента нагрузки при отдаче энергии в сеть.
Цель работы
Целью данной работы является рассмотрение области применения инвариантных стендов с рекуперацией энергии на основе электрических машин постоянного тока, в частности, определение области допустимых значений потока возбуждения, тока якоря генератора, а также момента двигателя.
Общие положения
Как известно, в большинстве современных приводов транспортных средств, строительных механизмов, обрабатывающих устройств и других рабочих машин используются механические трансмиссии, передающие вращательное движение двигателя рабочим органам. Надежность и качество работы таких приводов напрямую зависят от прочности трансмиссий и надежности работы трансмиссий в широком диапазоне нагрузочных моментов и угловых скоростей.
Отсюда становится понятным возросший интерес к разработке новых методов и средств испытания рабочих машин и их трансмиссий у изготовителей, а особенно у разработчиков новой техники.
ГОСТами 16504-81, 16162-93, 29285-95 определено около 45 видов испытаний, которым подвергаются механические трансмиссии. Важнейшими из них являются стендовые испытания, когда программа испытаний реализуется при моделировании механических воздействий, соответствующих реальным условиям использования трансмиссий. Наиболее эффективно создаются различные нагрузочные механические характеристики с помощью управляемых электромеханических стендов.
Для испытаний трансмиссий новой техники и особенно исследования их поведения в условиях, приближенных к реальным рабочим или аварийным, требуется исследовательский стенд, который может обеспечивать механические нагрузки в широком диапазоне с высокой точностью и быстродействием. Причем переход от одного вида
нагрузочных характеристик к другим должен осуществляться программной системой автоматического управления. В настоящее время высокие требования предъявляются к управляемости (из-за необходимости автоматизации), энерго- и ресурсосбережению.
Трудно не согласиться с тем, что в дальнейшем будут возрастать требования к испытательным стендам по энергосбережению. Наибольшее энергосбережение обеспечивают стенды, построенные на принципе взаимной нагрузки электрических машин [1]. Это делает наиболее перспективным для испытания трансмиссий, электрических машин и приводов применение машин постоянного тока, поскольку они обеспечивают наилучшую гибкость регулирования, наилучшие динамические свойства электропривода и наибольший диапазон регулирования [1].
На рис. 1, 2 и 3 представлены функциональные схемы стендов с рекуперацией энергии в сеть и в привод [1], [2], [3].
Сеть
Рис. 1. Функциональная схема стенда с рекуперацией энергии в сеть и управлением нагрузочной машиной по якорному каналу
Сеть
Рис. 2. Функциональная схема стенда с рекуперацией энергии в сеть и управлением нагрузочной машиной по каналу возбуждения
Сеть
Рис. 3. Функциональная схема стенда с рекуперацией энергии в привод
На схемах обозначено: М1 - двигатель; М2 - генератор; ГО1, ТО2 - преобразователи; иА - датчик тока якоря двигателя; BR - датчик скорости вращения; AR - регулятор скорости с относительным коэффициентом передачи КРСО; АА - регулятор тока с относительным коэффициентом передачи КРМО; AV - регулятор якорного напряжения; UV - датчик напряжения; КСі, КС2, КС3, КС4 - коэффициенты передачи суммирующих усилителей по каналам обратных связей.
Регулятор тока АА выполняет функцию регулятора момента, т. к. электродвигатель работает при постоянном номинальном потоке.
Первый вариант стенда (рис. 1) обеспечивает регулирование момента и скорости от нулевых до номинальных значений, а также выше номинального значения скорости при условии ограничения мощности (не выше номинального значения).
Определим области допустимых значений момента двигателя, потока возбуждения и тока якоря генератора для стенда, схема которого указана на рис. 2.
Используя системы уравнений (2.7) и (2.8) [1]
и Я01 = —Е1 • Е + Я • I Я01 Я01 Я01
М 01 01 £ II • I Я01
Е Я01 01 Ф II •
и В02 1В02,
и Я02 II — 2 Е - Я • I Я02 02 Я02
М 02 2 0 Ф II • I Я02
Е Я02 II 0 2 • ^
^Ф02 1В02
М 01 1 1 М 2
і • К
м
• Щм.
(1)
= Щ01.
Щ01 =
£ф01 • и Я01 ЯЯ01 • М 01
Кт • ^Ф012
К • и
м 01 = —^--------^
’ Щ01 і • — щ • иЯ02 • иВ02
• — • — • я
-І*- а/г ттт ^»-а
и 0СМ0 М 01 ,
и
ОСщС
= Щ01.
(2)
где ия01, ия02 - напряжения на якорях двигателя и генератора, в относительных единицах; —Е1, —Е2 - отношения номинальных ЭДС и напряжения якоря двигателя и генератора; ЕЯ01 , ЕЯ02 - ЭДС якоря двигателя и генератора, в относительных величинах; —м - отношение номинального момента двигателя к номинальному моменту генератора; —щ - отношение номинальной частоты вращения генератора к номинальной частоте вращения двигателя; ЯЯ01, ЯЯ02 - относительные сопротивления якорных цепей двигателя и генератора; 1Я01, 1Я02 - значения токов якоря двигателя и генератора в относительных величинах; £Ф01, £Ф02 - произведения конструктивных коэффициентов машин на поток возбуждения двигателя и генератора, в относительных единицах; М01, М02 - значения моментов двигателя и генератора, в относительных величинах; щ01, щ02 - значения частот вращения двигателя и генератора, в относительных величинах; ив02 - напряжение возбуждения генератора, в относительных единицах; 1В02 - значение тока возбуждения
1
генератора, в относительных величинах; і - передаточное число трансмиссии; и0СМ0 -напряжение обратной связи по моменту, в относительных единицах; и0Сш0 - напряжение обратной связи по скорости, в относительных единицах.
Получим уравнения для построения кривых, ограничивающих область допустимых значений потока возбуждения ( Щ0ад) и тока якоря (1Я02д ) генератора:
, ж 1 _ —Е2 • ^Ф02Д • щ01Н — і • —т ' иЯ02Н
М 01 = ^Ф02Д---------------------2 — — я-----*
і —М —ю ЯЯ02 (3)
Д Г _ У т иЯ02Н + ЯЯ02 • 1Я02Д
М 01 = ' 1Я02Д ^ ^ ,
—Е2 •—М -щЭ1
где ЛФ02Д - произведение конструктивного коэффициента машины на поток возбуждения генератора (допустимое значение), в относительных единицах; иЯ02Н - номинальное напряжение на обмотке якоря генератора, в относительных величинах; щ<эШ -номинальное значение частоты вращения двигателя, в относительных величинах; 1Я02Д -допустимое значение тока якоря генератора, в относительных величинах; !0ад -
допустимое значение тока генератора, в относительных величинах.
Механические характеристики стенда приведены на рис. 4. Кривые 1, 2 и 3 соответствуют приводной части стенда; 4, 5 и 6 - нагрузочной. Кривые 1, 4 - при номинальном сигнале задания; 2, 5 - при половине номинального; 3, 6 - при нулевом значении сигнала задания. Характеристики нагрузочной части с учетом САУ построены при различных значениях — РМ0 (коэффициента передачи регулятора момента): сплошные линии - — РМ0 = 5; штриховые - — РМ0 = 10; пунктирные - — РМ0 = 20. Напряжение на якоре генератора иЯ02Н = 0,3. На рис. 5 построены по (1) границы областей допустимых значений Щ02Д < 1 (кривые 1...4) и !Я0ЗД < 1 (кривые 5...8). Кривые 1, 5 - при иЯ02Н = 1; 2, 5 - при иЯ02Н = 0,7; 3, 7 - при иЯ02Н = 0,5; 4, 8 - при иЯ02Н = 0,3 . Штриховкой показаны области допустимых значений при иЯ02Н = 0,5 .
Найдем области допустимых значений для стенда, функциональная схема которого показана на рис. 3.
-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
МО1, о.е.
Рис. 4. Механические характеристики стенда с рекуперацией энергии в сеть и управлением генератором по каналу возбуждения
Используя системы уравнений (1) и (2), получим выражения для границ областей допустимых значений потока возбуждения, тока якоря генератора, а также момента двигателя из-за снижения потока возбуждения:
М О1 АФоін,
МО1 _ АФО1Н ■ АФО2Д ■ Щэ
КЕ2 ■ АФО2Д І ■ Кю ' КЕ1 ■ АФО1Н
1 ■ Кш ■ Iі ■ КМ ■ ^ЯОД2 ■ АФ О1ІІ + ^ЯОД1 ■ АФО2Д '
МО1 І ■ ■ АФО1Н ■ 1ЯО2Д
К ■ АФ ■ ттт~ + ^ ■ I
Е1 О1Н ^О1 ЯДО2 ЯО2Д
КЕ2 ■ АФО1Н ■ ЩО1 _ ^ЯДО1
(4)
где АФО1Н - произведение конструктивного коэффициента машины на поток возбуждения
двигателя (номинальное значение), в относительных единицах; ^ЯОд2 - относительное
сопротивление обмотки якоря генератора без учета параметров преобразователя; ^ЯОД1 -
относительное сопротивление обмотки якоря двигателя без учета параметров преобразователя.
щО1,
о.е.
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 МО1, о.е.
Рис. 5. Области допустимых значений потока возбуждения и тока якоря генератора для стенда с рекуперацией энергии в сеть и управлением генератором по каналу
возбуждения
Найдем области допустимых значений для стенда, функциональная схема которого показана на рис. 3.
Используя системы уравнений (1) и (2), получим выражения для границ областей допустимых значений потока возбуждения, тока якоря генератора, а также момента двигателя из-за снижения потока возбуждения:
МО1 = кФО1Н,
Л/Г 1 ІҐТл КЕ2 "кФО2Д _ і'Кю "КЕ1 ' кФО1Н
МО1 = кФО1Н • кФО2Д • щО1--------г----------Д-------------------------V, (5)
01 Д і •К ЛіК •Я кФ + Я кФ )
' V М “ЯОД2 ЛЧ^О1Н Т“ЯОД1 ЛЧ^О2Д/
М = і К кФ Т КЕ1 * кФО1Н •ЩО1 + ЯЯДО2 • ТЯО2Д
М О1 = і'Кю "кФО1Н Т ЯО2Д • ^ 7_ „ .
КЕ2 ‘кФО1Н -ЩО1 _ ЯЯДО1
где кФО1Н - произведение конструктивного коэффициента машины на поток возбуждения
двигателя (номинальное значение), в относительных единицах; ЯЯОд2 - относительное
сопротивление обмотки якоря генератора без учета параметров преобразователя; ЯЯОд1 -
относительное сопротивление обмотки якоря двигателя без учета параметров преобразователя.
На рис. 6 приведены механические характеристики стенда. Кривые 1, 2 и 3 соответствуют приводной части стенда; 4, 5 и 6 - нагрузочной. Кривые 1, 4 - при номинальном сигнале задания; 2, 5 - при половине номинального; 3, 6 - при нулевом значении сигнала задания. Искусственные характеристики для нагрузочной части построены при различных значениях КРМ0: сплошные линии - КРМ0 = 5; штриховые -КРМ0 = 10; пунктирные - КРМ0 = 20. На рис. 7 построены по выражениям (2) границы областей допустимых значений момента двигателя (кривые 9...12), потока возбуждения генератора кЦО2Д < 1 (кривые 5...8) и тока якоря генератора ТЯО2Д < 1 (кривые 1...4). Кривые
1, 5 и 9 - при кЦО1Н = 1; 2, 6 и 10 - при кЦО1Н = 0,7; 3, 7 и 11 - при кЦО1Н = 0,5; 4, 8, 12
при кЦО1Н = 0,3. Штриховкой выделены области допустимых значений момента двигателя и потока возбуждения генератора, серым цветом - области допустимых значений тока якоря генератора. Выделенные области построены при кЦО1Н = 0,5 .
-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 МО1, о.е.
Рис. 6. Механические характеристики стенда с рекуперацией энергии в привод щО1,
-0,2 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 МО1, о.е.
Рис. 7. Область допустимых значений момента двигателя, потока возбуждения и тока якоря генератора для стенда с рекуперацией энергии в привод
Обсуждение полученных результатов, выводы
Из приведенного анализа видно, что наибольшую область допустимых значений имеет стенд с рекуперацией энергии в сеть и управлением генератора по якорному каналу. Стенд с рекуперацией энергии в привод имеет меньшую область допустимых значений момента и скорости, но он обеспечивает более высокие энергетические показатели за счет отсутствия потерь в преобразователе, согласующем генератор с сетью.
Литература
1. Захаренко, В. С. Инвариантный электромеханический стенд с рекуперацией энергии для испытания механических трансмиссий: дис. ... к-та техн. наук: 05.09.03. - Гомель, 2000. - 123 с.
2. Пат. 5370 BY, МПК7 Н02Р 5/00, H04R 29/00. Устройство для управления системой нагружения испытательного стенда / В. И. Луковников, С. И. Захаренко, В. А. Савельев. - № 19990246 ; заявл. 17.03.99; опубл. 30.09.2003 //Афщыйны бюлетэнь /Дзярж. пат. ведамства Рэсп. Беларусь. - 2003. - № 3. - С. 50.
3. Пат. 5694 BY, МПК7 Н02Р 5/00, H04R 29/00. Устройство для управления системой нагружения испытательного стенда / В. И. Луковников, С. И. Захаренко, В. А. Савельев. - № 19990325; заявл. 06.04.99; опубл. 30.12.2003 //Афщыйны бюлетэнь /Дзярж. пат. ведамства Рэсп. Беларусь. - 2003. - № 4.
Получено 12.06.2006 г.
