Стенд для исследования нагрузочных режимов электродвигателя электропривода

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СТЕНД ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ НАГРУЗОЧНЫХ РЕЖИМОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ ЭЛЕКТРОПРИВОДА(71) Заявитель Сельскохозяйственное частное унитарное предприятие АСБ Городец(72) Авторы Геращенко Василий Васильевич Яскевич Михаил Яковлевич Бойко Александр Анатольевич Лесник Олег Алексеевич Башаримова Валентина Николаевна Геращенко Александр Васильевич(73) Патентообладатель Сельскохозяйственное частное унитарное предприятие АСБ Городец(57) Стенд для исследования нагрузочных режимов электродвигателя электропривода, содержащий подключенный к сети пускатель, включающий электромагнитную катушку, силовые контакты, блок-контакт, кнопки пуска и останова исследуемого электродвигателя, а также нагружатель, выполненный в виде электромагнитного тормоза с обмоткой возбуждения и с обеспечением возможности соединения с исследуемым электродвигателем упругим валом, датчик момента и датчик частоты вращения, установленные на упругом 15013 1 2011.10.30 валу, измерительный прибор постоянного тока, регулируемый источник постоянного тока,включающий в себя последовательно соединенные автотрансформатор с движком, трансформатор, выпрямитель, конденсатор, фазорегулятор, снабженный регулирующим элементом и подключенный к силовым контактам пускателя, отличающийся тем, что содержит первый эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе и первом резисторе, первый сглаживающий фильтр, вход которого соединен с выводами первого резистора, а выход соединен с измерительным прибором постоянного тока, второй резистор,последовательно соединенные второй эмиттерный повторитель, второй сглаживающий фильтр и второй измерительный прибор постоянного тока, измерительный прибор переменного тока датчик момента выполнен импульсным и включает в себя металлические диски с радиальными прорезями и выступами, установленные на упругом валу преобразователи импульсные щелевые, установленные с обеспечением возможности прохождения прорезей и выступов каждого из дисков в щели соответствующего преобразователя, соединенные с выходами преобразователей дифференцирующие цепи с подключенными к их выходам диодами первый триггер, выполненный на первом и втором биполярных транзисторах и четырех резисторах, при этом базы транзисторов подключены к дифференцирующим цепям с диодами база первого эмиттерного повторителя посредством второго резистора и база второго эмиттерного повторителя соединены параллельно с коллектором второго транзистора первого триггера эмиттер второго транзистора первого триггера соединен с эмиттером первого эмиттерного повторителя и с первым выводом первого резистора датчик частоты вращения содержит металлический диск с радиальными прорезями и выступами, установленный на упругом валу, преобразователь импульсный щелевой, установленный с обеспечением возможности прохождения прорезей и выступов диска в щели преобразователя импульсного щелевого, соединенную с выходом преобразователя импульсного щелевого третью дифференцирующую цепь, второй триггер, выполненный на первом и втором биполярных транзисторах и четырех резисторах последовательно соединенные третий эмиттерный повторитель, четвертую дифференцирующую цепь с диодом на выходе, третий сглаживающий фильтр, при этом база первого транзистора второго триггера соединена с выходом третьей дифференцирующей цепи, а база третьего эмиттерного повторителя соединена с коллектором второго транзистора второго триггера, а положительный вывод выхода третьего сглаживающего фильтра соединен с коллектором транзистора первого эмиттерного повторителя, отрицательный вывод третьего сглаживающего фильтра соединен со вторым выводом первого резистора ваттметр, имеющий последовательную и параллельную обмотки и снабженный третьим и четвертым резисторами, сопротивления каждого из которых равны сопротивлению параллельной обмотки ваттметра, и включенный по схеме с искусственной нейтральной точкой в трехпроводную цепь, при этом последовательная обмотка ваттметра включена в фазу А после фазорегулятора, а искусственная нейтральная точка выполнена посредством соединения звездой параллельной обмотки ваттметра и третьего и четвертого резисторов в одну точку, являющихся лучами звезды, а измерительный прибор переменного тока включен между двумя фазами напряжения после фазорегулятора. Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для исследования электродвигателей приводов переменного тока путем определения зависимости величины линейного напряжения, прикладываемого к обмотке статора электродвигателя, от момента на его валу. Известно нагрузочное устройство для испытания электроприводов, содержащее электромагнитный тормоз с обмоткой, расположенной на статоре, и ротором, кинематически связываемый с валом электродвигателя испытываемого электропривода, датчик частоты вращения и датчик момента, задающее устройство, усилитель, элемент сравнения с двумя 2 15013 1 2011.10.30 входами, первый вход которого соединен с задающим устройством, а выход соединен со статорной обмоткой тормоза посредством усилителя, при этом ротор электромагнитного тормоза связывается с валом электродвигателя испытываемого электропривода упругим валом с установленными на нем датчиками частоты вращения и датчиком момента, причем датчик момента выполнен в виде широтно-импульсного модулятора момента, устройство снабжено каналом обработки информации, включающим транзистор, резистор нагрузки и сглаживающий фильтр, причем коллектор транзистора соединен с положительным выводом выхода датчика частоты вращения, эмиттер транзистора соединен с отрицательным выводом выхода широтно-импульсного модулятора момента и с первым выводом резистора нагрузки, база транзистора посредством резистора подключена к положительному выводу широтно-импульсного модулятора момента, а второй вывод резистора нагрузки подключен к отрицательному выводу датчика частоты вращения, вход сглаживающего фильтра подключен к выводам резистора нагрузки, а выход - ко второму входу элемента сравнения 1. Однако известное нагрузочное устройство имеет ограниченные функциональные возможности, так как использование известного устройства только повышает точность испытания приводов, но не обеспечивает возможность определять зависимость величины линейного напряжения, прикладываемого к обмотке статора электродвигателя, при котором потери мощности в электродвигателе будут минимальны, от величины момента на его валу. Известен стенд для диагностирования электродвигателей, содержащий электродвигатель, подключенный к сети посредством пускателя, включающего электромагнитную катушку, силовые контакты, блок-контакт, кнопку пуска, кнопку останова исследуемого электродвигателя, а также нагружатель, выполненный в виде электромагнитного тормоза с обмоткой возбуждения, соединенного с электродвигателем упругим валом, датчик момента, установленный на упругом валу, регистрирующие приборы, подключенный к обмотке возбуждения электромагнитного тормоза регулятор нагрузки, включающий первый регулируемый источник постоянного тока, и сравнивающий элемент, фазорегулятор,включенный между силовыми контактами пускателя и электродвигателем, датчик частоты вращения, установленный на упругом валу, второй регулируемый источник постоянного тока, электрическую лампу, диод, первый операционный усилитель, включенный как повторитель напряжения, при этом к выходу датчика момента подключен измерительный прибор постоянного тока, сравнивающий элемент, выполненный на втором операционном усилителе, включенном как компаратор, инвертирующий вход которого подключен к выходу датчика частоты вращения, неинвертирующий вход подключен ко второму регулируемому источнику постоянного тока, а выход соединен со входом повторителя напряжения,выход которого подключен посредством диода, включенного в обратном направлении, к электрической лампе 2. Однако известный стенд имеет ограниченные функциональные возможности, так как на нем невозможно определять зависимость величины линейного напряжения, прикладываемого к обмотке статора электродвигателя, при котором потери мощности в электродвигателе будут минимальными, от величины момента на его валу. При уменьшении момента на валу электродвигателя и установке величины напряжения согласно определенной зависимости потери мощности в работающем электродвигателе будут минимальны. Задачей изобретения является повышение эффективности электроприводов с электродвигателями переменного тока путем определения зависимости величины линейного напряжения, прикладываемого к обмотке статора электродвигателя, от момента на его валу, при котором потери мощности в работающем электродвигателе минимальны, и использования полученных результатов для инновационного внедрения при эксплуатации электродвигателей для экономии электроэнергии. Сущность изобретения заключается в том, что стенд для исследования нагрузочных режимов электродвигателя электропривода, содержащий подключенный к сети пускатель,включающий электромагнитную катушку, силовые контакты, блок-контакт, кнопки пуска 3 15013 1 2011.10.30 и останова исследуемого электродвигателя, а также нагружатель, выполненный в виде электромагнитного тормоза с обмоткой возбуждения и с обеспечением возможности соединения с исследуемым электродвигателем упругим валом, датчик момента и датчик частоты вращения, установленные на упругом валу, измерительный прибор постоянного тока, регулируемый источник постоянного тока, включающий в себя последовательно соединенные автотрансформатор с движком, трансформатор, выпрямитель, конденсатор,фазорегулятор, снабженный регулирующим элементом и подключенный к силовым контактам пускателя, согласно изобретению, содержит первый эмиттерный повторитель, выполненный на транзисторе и первом резисторе, первый сглаживающий фильтр, вход которого соединен с выводами первого резистора, а выход соединен с измерительным прибором постоянного тока, второй резистор, последовательно соединенные второй эмиттерный повторитель, второй сглаживающий фильтр и второй измерительный прибор постоянного тока, измерительный прибор переменного тока датчик момента выполнен импульсным и включает в себя металлические диски с радиальными прорезями и выступами, установленные на упругом валу преобразователи импульсные щелевые, установленные с обеспечением возможности прохождения прорезей и выступов каждого из дисков в щели соответствующего преобразователя, соединенные с выходами преобразователей дифференцирующие цепи с подключенными к их выходам диодами первый триггер, выполненный на первом и втором биполярных транзисторах и четырех резисторах,при этом базы транзисторов подключены к дифференцирующим цепям с диодами база первого эмиттерного повторителя посредством второго резистора и база второго эмиттерного повторителя соединены параллельно с коллектором второго транзистора первого триггера, эмиттер второго транзистора первого триггера соединен с эмиттером первого эмиттерного повторителя и с первым выводом первого резистора датчик частоты вращения содержит металлический диск с радиальными прорезями и выступами, установленный на валу, преобразователь импульсный щелевой, установленный с обеспечением возможности прохождения прорезей и выступов диска в щели преобразователя импульсного щелевого,соединенную с выходом преобразователя импульсного щелевого третью дифференцирующую цепь, второй триггер, выполненный на первом и втором биполярных транзисторах и четырех резисторах последовательно соединенные третий эмиттерный повторитель, четвертая дифференцирующая цепь с диодом на выходе, третий сглаживающий фильтр, при этом база первого транзистора второго триггера соединена с выходом третьей дифференцирующей цепи, а база третьего эмиттерного повторителя соединена с коллектором второго транзистора второго триггера, а положительный вывод выхода третьего сглаживающего фильтра соединен с коллектором транзистора первого эмиттерного повторителя, отрицательный вывод третьего сглаживающего фильтра соединен со вторым выводом первого резистора ваттметр, имеющий последовательную и параллельную обмотки, и снабженный третьим и четвертым резисторами, сопротивления каждого из которых равны сопротивлению параллельной обмотки ваттметра, и включенный по схеме с искусственной нейтральной точкой в трехпроводную цепь, при этом последовательная обмотка ваттметра включена в фазу А после фазорегулятора, а искусственная нейтральная точка выполнена посредством соединения звездой параллельной обмотки ваттметра и третьего и четвертого резисторов в одну точку, являющихся лучами звезды, а измерительный прибор переменного тока включен между двумя фазами напряжения после фазорегулятора. На фиг. 1 изображена общая схема стенда на фиг. 2 - напряжение на коллекторе транзистора 41 на фиг. 3 - напряжение на коллекторе транзистора 40 на фиг. 4 - импульсы напряжения на выходе дифференцирующих цепей 35, 36 на фиг. 5 - импульсы напряжения на выходе преобразователя 47 на фиг. 6 - импульсы напряжения на выходе третьей дифференцирующей цепи 48 на фиг. 7 - импульсы напряжения на коллекторе транзистора 50 на фиг. 8 - импульсы напряжения на коллекторе транзистора 51 на фиг. 9 - импульсы напряжения на выходе четвертой дифференцирующей цепи 57 на фиг. 10 - импульсы напряжения после выпрямления диодом 58 на фиг. 11 - напряжение, уровень которого 4 15013 1 2011.10.30 пропорционален частоте вращения вала фиг. 12 - зависимость величины линейного напряжения, которое необходимо приложить к обмотке статора электродвигателя, от момента на его валу для достижения максимально возможного коэффициента полезного действия электродвигателя при изменениях нагрузки. Стенд содержит (фиг. 1) подключенный к сети пускатель 1, включающий электромагнитную катушку 2, силовые контакты 3, блок-контакт 4, кнопки пуска 5 и останова 6 исследуемого электродвигателя 7, а также нагружатель, выполненный в виде электромагнитного тормоза 8 с обмоткой 9 возбуждения и с обеспечением возможности соединения с исследуемым электродвигателем 7 упругим валом 10, датчик 11 момента и датчик 12 частоты вращения, установленные на упругом валу 10, измерительный прибор 13 постоянного тока, регулируемый источник 14 постоянного тока, включающий в себя последовательно соединенные автотрансформатор 15 с движком 16, трансформатор 17, выпрямитель 18,конденсатор 19, фазорегулятор 20, снабженный регулирующим элементом, например в виде вращающегося валика 21 с рукояткой, и подключенный к силовым контактам 3 пускателя 1, первый эмиттерный повторитель 22, выполненный на транзисторе 23 и первом резисторе 24, первый сглаживающий фильтр 25, вход которого соединен с выводами первого резистора 24, а выход соединен с измерительным прибором 13 постоянного тока,второй резистор 26, последовательно соединенные второй эмиттерный повторитель 27,второй сглаживающий фильтр 28 и второй измерительный прибор 29 постоянного тока,измерительный прибор 30 переменного тока, датчик 11 момента, выполненный импульсным и включающим в себя металлические диски 31, 32 с радиальными прорезями и выступами, установленные на упругом валу 8, преобразователи 33, 34 импульсные, установленные с обеспечением возможности прохождения прорезей и выступов каждого из дисков 31, 32 вблизи соответствующего преобразователя 33, 34, соединенные с выходами преобразователей 33, 34 дифференцирующие цепи 35, 36 с подключенными к их выходам диодами 37, 38, первый триггер 39, выполненный на первом 40 и втором 41 биполярных транзисторах и четырех резисторах 42, 43, 44, 45, при этом базы транзисторов 40, 41 подключены к дифференцирующим цепям 35, 36 с диодами 37, 38, база первого эмиттерного повторителя 22 посредством второго резистора 26 и база второго эмиттерного повторителя 27 соединены параллельно с коллектором второго транзистора первого триггера, эмиттер второго транзистора 41 первого триггера 39 соединен с эмиттером первого эмиттерного повторителя 22 и с первым выводом первого резистора 24, датчик 12 частоты вращения содержит металлический диск 46 с радиальными прорезями и выступами, установленный на валу 8, преобразователь 47 импульсный, установленный с обеспечением возможности прохождения прорезей и выступов диска 46 в щели преобразователя 47, соединенную с выходом преобразователя 47 третью дифференцирующую цепь 48, второй триггер 49, выполненный на первом 50 и втором 51 биполярных транзисторах и четырех резисторах 52,53, 54, 55, последовательно соединенные третий эмиттерный повторитель 56, четвертая дифференцирующая цепь 57 с диодом 58 на выходе, третий сглаживающий фильтр 59,при этом база первого транзистора 50 второго триггера 49 соединена с выходом третьей дифференцирующей цепи 48, а база третьего эмиттерного повторителя 56 соединена с коллектором второго транзистора 51 второго триггера 49, а положительный вывод выхода третьего сглаживающего фильтра 59 соединен с коллектором транзистора 23 первого эмиттерного повторителя 22, а отрицательный вывод третьего сглаживающего фильтра 59 соединен со вторым выводом первого резистора 24, ваттметр 60, имеющий последовательную 61 и параллельную 62 обмотки, и снабженный третьим 63 и четвертым 64 резисторами, сопротивления каждого из которых равны сопротивлению параллельной обмотки ваттметра 60, и включенный по схеме с искусственной нейтральной точкой в трехпроводную цепь, при этом последовательная обмотка 61 ваттметра 60 включена в фазу А после фазорегулятора 20, а искусственная нейтральная точка выполнена посредством соединения звездой параллельной обмотки 62 ваттметра 60 и третьего 63 и четвертого 64 5 15013 1 2011.10.30 резисторов в одну точку, являющихся лучами звезды, а измерительный прибор 30 переменного тока включен между двумя фазами напряжения после фазорегулятора 20. Второй эмиттерный повторитель 27 содержит транзистор 65 и резистор 66. Третий эмиттерный повторитель 56 содержит транзистор 67 и резистор 68. Каждый из сглаживающих фильтров 25, 28, 59 содержит резистор 69 и конденсатор 70. Каждая из дифференцирующих цепей 35, 36, 48, 57 содержит два резистора 71, 72 и конденсатор 73. Стенд работает следующим образом. Запускается исследуемый электродвигатель 7,включаются датчик момента 11 и датчик частоты вращения 12, регулируемый источник 14 постоянного тока. Вращением движка 16 автотрансформатора 15 подается напряжение постоянного тока на обмотку 9 возбуждения такой величины, которая обеспечивает на упругом валу 10 момент, пропорциональный величине подаваемого напряжения. Воспроизводимый крутящий момент на валу 10 измеряется следующим образом. В исходном состоянии транзистор 40 триггера 39 закрыт, а транзистор 41 открыт. Поэтому напряжение на коллекторе транзистора 41 равно нулю (фиг. 2), а на коллекторе транзистора 40 (фиг. 3) принимает максимальное значение. В момент времени, равный 1, на выходе преобразователя 33 при вращении вала с диском 31 формируется первый импульс,далее он дифференцируется цепью 35. Выходной сигнал цепи 35 выпрямляется диодом 37, образуя положительный импульс (фиг. 4), который подается на базу транзистора 40. Транзистор 40 открывается, а транзистор 41 закрывается, поэтому на коллекторе транзистора 41 появляется положительное напряжение (фиг. 2). При нагружении моментом вал 10 закручивается на угол пропорционально приложенному моменту. Поэтому диск 32 закручивается относительно диска 31, и в момент времени, равный 2, на выходе преобразователя 34 формируется импульс, имеющий фазовое смещение относительно первого импульса,сформированного преобразователем 33. Этот импульс дифференцируется цепью 36, выходной сигнал цепи 36 выпрямляется диодом 38, образуя положительный импульс(фиг. 4), который подается на базу транзистора 41. Транзистор 41 открывается, а транзистор 40 закрывается. На коллекторе транзистора 41 опять устанавливается напряжение,равное нулю (фиг. 2). В результате происходит формирование на коллекторе второго транзистора 41 прямоугольного импульса, длительность которого пропорциональна величине крутящего момента. Далее формирование прямоугольных импульсов на выходе второго транзистора 41 происходит аналогично описанному выше. Полученные прямоугольные импульсы подаются посредством второго резистора 26 на вход первого эмиттерного повторителя 22 и одновременно на вход второго эмиттерного повторителя 27. С выхода последнего сигнал о величине крутящего момента подается на второй сглаживающий фильтр 28. Сигнал сглаживается фильтром 28 и измеряется вторым измерительным прибором 29 постоянного тока. Частота вращения вала электродвигателя измеряется датчиком 12, при этом на выходе импульсного преобразователя 47 формируются импульсы (фиг. 5), которые дифференцируются третьей дифференцирующей цепью 48. На фиг. 6 изображена разнополярная последовательность остроконечных импульсов, пригодных для запуска триггера 49. В исходном положении триггера считаем, что первый транзистор 50 закрыт (фиг. 7), а второй транзистор 51 открыт (фиг. 8). При поступлении на базу первого транзистора 50 положительного импульса А (фиг. 6) в момент времени 1 транзистор 50 открывается (фиг. 7), а транзистор 51 закрывается (фиг. 8). На выходе транзистора 51 появляется положительное напряжение. При последующем поступлении в момент времени 2 отрицательного остроконечного импульса Б (фиг. 6) на базу транзистора 50 он закрывается (фиг. 7), а транзистор 51 открывается (фиг. 8). В результате этого на выходе транзистора 51 формируется положительный импульс Д (фиг. 8). При поступлении от третьей дифференцирующей цепи 48 остроконечных импульсов В и Г (фиг. 6) на базу транзистора 50 происходит формирование прямоугольного импульса(фиг. 8). Далее формирование прямоугольных импульсов с помощью второго триггера 49 происходит аналогично описанному выше процессу. При различной частоте вращения вала формируются прямоугольные импульсы 6 15013 1 2011.10.30 различной длительности. Для получения одинаковой площади импульсов для любой частоты вращения вала полученные импульсы проходят третий эмиттерный повторитель 56 и дифференцируются четвертой дифференцирующей цепью 57 (фиг. 9). Затем полученные импульсы выпрямляются диодом 58 (фиг. 10) и сглаживаются третьим сглаживающим фильтром 59. На выходе фильтра 59 формируется напряжение, уровень которого пропорционален частоте вращения вала в данный момент времени (фиг. 11). Напряжение с выхода третьего сглаживающего фильтра 59 подается с положительного его вывода на коллектор транзистора 23, а с отрицательного вывода - на второй вывод первого резистора 24. Поэтому при появлении на входе первого эмиттерного повторителя 22 прямоугольного импульса, длительность которого пропорциональна моменту на валу,транзистор 23 открывается на время, равное длительности импульса. Так как питание первого эмиттерного повторителя 22 происходит непрерывно от датчика частоты вращения напряжением, уровень которого пропорционален частоте вращения вала, то на первом резисторе 24 появляется прямоугольный импульс, длительность которого пропорциональна моменту, а высота пропорциональна частоте вращения. Площадь этого импульса и есть сигнал,пропорциональный механической мощности на валу 10 исследуемого электродвигателя. Таким образом, при работе стенда на первом резисторе 24 формируется последовательность прямоугольных импульсов, площадь каждого из которых пропорциональна механической мощности на валу стенда. После сглаживания первым сглаживающим фильтром 25 полученная механическая мощность на валу исследуемого электродвигателя 7 измеряется прибором 13 постоянного тока. С помощью ваттметра 60 на стенде производится измерение активной электрической мощности, потребляемой одной фазой электродвигателя, умножается на три, и таким образом получаем значение потребляемой активной мощности электродвигателем. Линейное напряжение между фазами после фазорегулятора измеряется прибором 30. Далее, устанавливаем с помощью движка 16 автотрансформатора 15 момент на валу, а также с помощью валика 21 фазорегулятора 20 и линейное напряжение, равные номинальным значениям. Отсчет линейного напряжения производим по прибору 30. Измеряем с помощью ваттметра 60 активную мощность, потребляемую электродвигателем, увеличивая его показания в три раза, и механическую мощность на валу 10 с помощью измерительного прибора 13 постоянного тока. Определяем потери мощности как разность активной мощности, потребляемой электродвигателем, и механической мощности на валу 10. Для построения зависимости линейного напряжения, прикладываемого к обмотке статора, от момента на валу электродвигателя имеем первую точку А (фиг. 12). Затем устанавливаем момент на валу, равный 0,8 от номинального. Производим те же измерения, вычисляем потери мощности при номинальном напряжении. Затем, вращая валик 21 фазорегулятора 20, уменьшаем напряжение, прикладываемое к обмотке статора,до достижения минимальных потерь мощности. Измеряем это напряжение по прибору 30,на фиг. 12 получаем точку Б. Аналогично вышеописанной методике устанавливаем последовательно моменты на валу 10, равные 0,6, 0,4, 0,2 от номинального. Выполняем соответствующие установленным моментам измерения, вычисляем потери мощности для каждого эксперимента. Вращением валика фазорегулятора 20 уменьшаем напряжение, прикладываемое к обмотке статора, до достижения минимальных потерь мощности. Всякий раз измеряем это напряжение по прибору 30. Получаем на графике фиг. 12 точки В, Г, Д. Соединяя точки плавной кривой, получаем зависимость линейного напряжения, которое необходимо прикладывать к обмотке статора, от величины момента на валу для того,чтобы потери мощности в электродвигателе были минимальными. Применение полученной зависимости линейного напряжения, которое необходимо устанавливать, от величины момента на валу при эксплуатации электродвигателей, работающих при переменной нагрузке, дает значительный экономический эффект за счет ресурсосбережения электроэнергии. 7 Фиг. 12 Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8