В данной работе производилась разработка вариантов основной схемы испытательного стенда и проведено их сравнение по критерию минимизации мощности основного силового оборудования.
- Исходные данные
Стенд предназначен для проведения приёмо-сдаточных испытаний асинхронных тяговых электродвигателей моделей ТАД-5 мощностью 610 кВт и ТАД-7 мощностью 700 кВт по методу взаимной нагрузке.
Данные для расчета и выбора основного силового оборудования стенда определяются номинальными значениями параметров испытуемых машин, параметрами основных испытательных режимов и данными питающей сети.
Предполагается, что сеть в месте установки стенда, работает на напряжение 380 вольт и частоту 50 Гц.
Основные технические характеристики испытуемых двигателей приведены в таблице 1.
Таблица 1
Параметры испытуемых электрических машин
|
Тип |
- |
ТАД-5 УХЛ2 |
ТАД-7 УХЛ2 |
|
Мощность, Pн |
кВТ |
610 |
700 |
|
Напряжение, Uн |
В |
660 |
700 |
|
Ток, Iн |
А |
610 |
668 |
|
Частота, f |
Гц |
29... 116 |
25,5... 147,4 |
|
cos φ |
- |
0,93 |
0,93 |
|
КПД, hн |
% |
94 |
92,9 |
|
Частота вращения, n |
об/мин |
870... 3480 |
500... 2870 |
|
Ток холостого хода, Iх.х (при U, f=50 Гц). |
А |
115 |
136 |
|
Масса |
кг |
3500 |
4500 |
Таблица 2
Основные параметры испытательных режимов
|
Тип двигателя |
ТАД-5 УХЛ2 |
ТАД-7 УХЛ2 |
|
1. Определение параметров холостого хода. |
f = 50Гц n = 1500 об/мин Uххmax = 1014 В |
f = 50 Гц n = 1000 об/мин Uххmax = 910 В |
|
2. Определение параметров короткого замыкания. |
f = 50 Гц Uк.з = 200 В, Iк.з.max=1200А |
f=50 Гц Uк.з =200 В, Iк.з.max=1200 А |
|
3. Испытание под нагрузкой |
f = 0 … 116 Гц n = 0 … 3480 об/мин U = 0…660 В I = 0 … 610 А |
f = 0 … 147 Гц n = 0 … 2870 об/мин U = 0…700 В I = 0 … 668 А |
|
4. Испытание при повышенной частоте вращения. |
n = 4250 об/мин f = 116 Гц Время испытания — 2 мин |
n = 3590 об/мин f = 183 Гц Время испытания — 2 мин |
Примем, что в стенде используются инверторы и выпрямитель из серии ACS800 multi drive фирмы ABB, с КПД выпрямителя равным 98 %, КПД инвертора 98,5 % и коэффициентом мощности инвертора равным 0,923.
- Стенд работает по методу взаимной нагрузке
Преимуществом метода взаимной нагрузки является то, что для реализации принципа взаимности питания и нагрузки в качестве двигателя и генератора должны использоваться машины с равными параметрами и характеристиками. Поэтому, исходя из принципа обратимости электрических машин, в качестве нагрузочного генератора в условиях реального производства, выгодно использовать другой, аналогичный испытуемому, двигатель из проверяемой партии. Это позволяет вдвое повысить пропускную способность испытательной станции, поскольку за один испытательный цикл проходят проверку сразу две собранные машины.
Рис. 1. Базовая схема стенда
Принцип работы стенда (рисунок 1): соединяем машины механически и электрически, чтоб одна из них, работала в генераторном режиме, и отдавала выработанную энергию второй, а последняя, работая двигателем, расходовала развиваемую механическую энергию на вращение первой. Автономные инверторы напряжения предоставляют возможность в широких пределах регулировать задание для машины выполняющей роль двигателя, и регулировать тормозной момент генератора. Диодный выпрямитель служит для питания шины постоянного тока энергией из сети, необходимой для покрытия потерь системы двигатель-генератор.
- Активная мощность потерь в стенде.
Рис. 2. Схема циркуляции активной мощности при нагрузке испытуемых двигателей
На рисунке 2, показанно циркуляция энергии в базовой схеме стенда выраженой через мощность на валу двигателя, мощности потерь и КПД устройств.
Найдем активную мощность потерь в схеме:
) (1)
где
- мощность испытуемого двигателя;
- КПД испытуемого двигателя;
- КПД нагрузочной машины;
- КПД инвертора;
- мощность, выдаваемая из сети для покрытия потерь.
- Разработка основной схемы стенда по принципу минимизации мощности основного силового оборудования.
Найдем активную мощность выпрямителя. Предназначение выпрямителя в схеме покрывать потери энергии и его выходная мощность равна мощности потерь системы.
Расчитаем мощность потерь по формуле (1):
=
)=
В связи с тем, что напряжение питающей сети 380/220В значительно ниже номинального напряжения испытуемых двигателей (660В,700 В), необходимо использовать трансформаторное оборудование. Поскольку в трех основных видах испытаний (холостой ход, номинальный режим, короткое замыкание) требуются существенно разные уровни испытательного напряжения (повышенное до 1014В, близкое к номинальному — 660, 700 В и пониженное — 200 вольт), целесообразно с целью минимизации номинальной мощности преобразователей частоты, питающих испытуемые машины, использовать это трансформаторное оборудование для согласования всех основных уровней испытательного напряжения с номинальным напряжением преобразователей частоты.
Возможны два варианта построения силовых цепей испытательного стенда.
Рис. 3. схемы стенда № 1
В первом варианте (рисунок 3) два трансформатора подключаются к выходам преобразователей частоты и испытуемой, и нагрузочной электрических машин, обеспечивая повышение выходного напряжения ПЧ (
=380 В) до необходимых значений в режимах холостого хода и номинальной нагрузке, а режим короткого замыкания обеспечивается непосредственно с выхода ПЧ. Для обеспечения номинального режима мощность трансформатора и мощность инвертора преобразователя частоты должны соответствовать полной мощности большего из испытуемых двигателей, т. е. должна быть не менее
(2)
Коэффициент трансформации должен обеспечить повышение напряжения ПЧ- 380В до уровня Uтад-7 = 700 В, т. е. должен составлять 380/700 = 0,542. Если принять для этого режима схему соединения вторичных обмоток — «треугольник”, то переключении с «треугольника» на «звезду» выходное напряжение составит 
, что достаточно для обеспечения режима холостого хода.
Поскольку продолжительность испытаний в режиме К. З. невелика (не более 1–2 мин), требуемое значение полной выходной мощности ПЧ должно быть:
(3)
где 
коэффициент перегрузки ПЧ по току.
Рис. 4.схемы стенда вариант № 2
Во втором варианте построения схемы силовых цепей стенда (рисунок 4) устанавливается автотрансформатор на входе выпрямителя, питающего цепи постоянного тока ПЧ. Этим обеспечивается повышение переменного трехфазного напряжения до 700/405 В, что, в свою очередь, обеспечивает получение необходимого максимального напряжения непосредственно на выходе ПЧ — 700 В. Повышенное и пониженное значения напряжения испытуемых машин обеспечиваются с помощью трансформаторного оборудования, установленного на выходе ПЧ (T1,Т2 на рисунке 4).. В режиме к. з. испытуемых машин трансформаторы обеспечивают уменьшение номинального выходного напряжения ПЧ 700В до уровня 200В. Этим достигается уменьшение в этом режиме тока ПЧ от значения 
.max =1200А до величины:
(4)
В опыте холостого хода вторичная обмотка трансформатора, включенная по схеме «треугольника», размыкается и её каждая фазная обмотка включается последовательно с напряжением первичной обмотки (соединённой в “звезду”), увеличивая напряжение испытуемого двигателя до значения 700+
=1043 В
Поскольку длительный режим испытаний при значениях напряжения и тока испытуемых двигателей, близких к номинальным, требуется только при проведении испытаний под нагрузкой (при снятии рабочих характеристик, проверке диапазона регулирования скорости, определении К. П. Д, коэффициента мощности и т. д.), а максимальные значения напряжения (в режиме холостого хода) и максимальные значения тока (в режиме к. з.) должны использоваться только в кратковременных режимах.
Расчетная мощность трансформатора в опыте к. з. может быть принятой равной:
(5)
где
коэффициент перегрузки трансформатора по току.
Мощность преобразователей частоты во втором варианте схемы стенда должна выбираться по режиму длительной нагрузке, т. е. по номинальной мощности испытуемых машин:
Расчетная полная мощность повышающего автотрансформатора на входе выпрямителя:
(6)
где 
напряжение сети;
коэффициент мощности выпрямителя
Таким образом, требуемая мощность преобразователей частоты в обоих вариантах схем испытательного стенда одинакова, а суммарная мощность трансформаторного оборудования во втором варианте значительно меньше, чем в первом варианте:
Заключение: Были разработаны две основные схемы стенда для испытаний электродвигателей ТАД-5 и ТАД-7. Праведно их сравнение и выбрана схема с меньшой совокупной мощностью трансформаторов.
В принятом варианте осуществлена идея переключения с помощью контакторов понижающего трансформатора, применяемого при испытании короткого замыкания, на повышающий автотрансформатор для опыта холостого хода, что дает возможность не нагружать преобразователь частоты повышенным током при определении параметров короткого замыкания или повышенным напряжением при определение параметров холостого хода что позволяет применять преобразователь меньший мощности и стоимости
Литература:
- ООО «ПетроЭнергоцентр» Стенд для приемо-сдаточных испытаний крупных электрических машин. URL:http://www.petroenergocenter.ru/uslugi/tad7 (дата обращения: 07.06.2016)
- Бейерлейн Е. В. Обоснование применения энергосберегающей схемы испытаний крупных асинхронных электродвигателей. Выпуск № 4 / том 315 / 2009 Известия Томского политехнического университета [Электронный ресурс] URL:http://cyberleninka.ru/article/n/obosnovanie-primeneniya-energosberegayuschey-shemy-ispytaniy-krupnyh-asinhronnyh-elektrodvigateley. (Дата обращения:08.06.2016)
- Каталог продукции. Промышленные приводы АББ ACS800 URL:http://www.ep.ru/product/katalogs/ABB/17_ACS800_Multidrive.pdf (дата обращения: 07.06.2016)
