МУ_ ЛР_ТЭМ_2013. Тяговые электрические машины и преобразователи
 Скачать 375 Kb.
|
1 Виды и программы испытаний тяговых электрических машинОбщий перечень нормируемых видов испытаний ТЭМ и их программ устанавливается государственным стандартом ГОСТ 258281Е «Машины электрические вращающиеся тяговые» и включает в себя пять видов испытаний для тяговых электрических машин. Квалификационные испытания.Наиболее крупный по объему проведения контрольных и измерительных операций вид испытаний. Они проводятся при выпуске новых типов (модификаций) тяговых машин или при наладке нового производства. Основная цель таких испытаний – «квалифицировать» новый (по конструкции или по технологии изготовления) тип машины, т. е. определить фактические показатели установленного перечня характеристик и параметров машины, как в номинальном, так и в предельных режимах работы. Поэтому такие главные показатели машины в номинальном и предельных режимах работы, как мощность, ток, частота вращения и другие, несмотря на имеющиеся данные проектировочного расчета, в окончательном виде фиксируются по результатам их непосредственных измерений в ходе квалификационных испытаний нового образца. В соответствии с указанной задачей программа квалификационных испытаний включает в себя и наибольшее число измерительных операций: измерение электрического сопротивления всех обмоток машины в холодном и нагретом состояниях; проверка частоты вращения и нагрева подшипников в обоих направлениях, включая и испытание на повышенную частоту вращения; измерение параметров в продолжительном и часовом режимах; снятие электромеханических и нагрузочных характеристик машины; измерение параметров изоляции машины и ее испытание на повышенное напряжение; измерение биения коллектора; снятие диаграммы зон безыскровой коммутации; измерение температуры нагрева всех обмоток машины в режимах номинальной мощности; снятие сеток кривых нагревания и охлаждения; измерение параметров и характеристик вентиляционной системы; исследование электрических переходных процессов в машине и измерение индуктивностей ее обмоток различными способами; снятие кривых распределения межламельных напряжений по окружности коллектора и другое. Типовые испытания.По программе они близки к квалификационным, но отдельные пункты по согласованию с заказчиком могут опускаться. Типовые испытания проводятся как при выпуске машин новых серий, так и при внесении изменений в конструкцию машины, технологию изготовления ее узлов или используемые конструкционные материалы. Необходимость такого освидетельствования вызвана тем, что на разброс выходных параметров и характеристик машины в значительной степени оказывает влияние технология их производства. Поэтому первые 10 тяговых двигателей (5 вспомогательных машин) из новой партии предприятие-изготовитель подвергает типовым испытаниям, на основе которых выводятся усредненные параметры и характеристики, считающиеся типовыми для данной серии или модификации машины. Приемо-сдаточные испытания. Проводятся для каждой машины, передаваемой в эксплуатацию после изготовления или ремонта. Основная цель приемо-сдаточных испытаний – проверить уровень работоспособности узлов машины после завершения всех сборочных операций и соответствие ее выходных параметров и характеристик типовым. Поэтому программа приемо-сдаточных испытаний упрощена в сравнении с квалификационными или типовыми и включает в себя только проверку основных узлов машины: измерение электрического сопротивления обмоток машины; проверка на нагрев в часовом режиме мощности (30 минут работы в каждом направлении вращения); проверка номинальной частоты вращения в обоих направлениях и испытание на повышенную частоту вращения; проверка биения коллектора и степени искрения под щетками в режиме максимальной мощности; измерение сопротивления изоляции и ее проверка повышенным напряжением; проверка уровня вибрации машины, шумов в подшипниках и другое. Периодические испытания. Должны проводиться для машин серийного производства, находящихся в эксплуатации. Цель таких испытаний – периодически (не реже раз в два года) контролировать уровень снижения рабочих параметров машины и их соответствие техническим требованиям. Программа испытаний по объему близка к программе приемо-сдаточных испытаний. Для электрических машин ж.-д. подвижного состава специальных периодических испытаний, как правило, не проводят, поскольку большинство пунктов их программы выполняется в ходе периодических осмотров и ремонтов. Ресурсные испытания.Проводят на установочной серии машин новых или существующих типов при изменении конструкции, технологии изготовления машины или при использовании новых видов конструкционных материалов. Их главная цель – определить ресурс отдельных узлов машины или конструкции в целом, т. е. длительность эксплуатации до достижения конструкцией предельного состояния, требующего ее замены по причине полного физического износа. Обычно ресурсные испытания проводят в виде: исследований износа трущихся частей машины; исследований вибропрочности машины или ее отдельных узлов; исследований различных видов старения изоляции и т. п. 2 Методы и схемы испытаний тяговых электрических машин 2.1 Методы испытаний тяговых электрических машин При любых видах испытаний ТЭМ первоочередной задачей является проверка работоспособности машины под нагрузкой. Для машин, работающих в двигательном режиме, это предполагает создание на их валу механического момента сопротивления, имитирующего уровень эксплуатационных нагружений. Однако техническая сложность воспроизведения механической нагрузки, и особенно ее регулирования в требуемом для испытаний диапазоне, существенно возрастает с ростом мощности испытуемого двигателя. Типовое решение этой проблемы для двигателей средней и большой мощности основывается на использовании принципа обратимости электрических машин. Для механического нагружения вал испытуемого двигателя соединяют с валом нагрузочного генератора, который при работе потребляет механическую энергию, создавая встречный вращению механический момент сопротивления. Вырабатываемая при этом электрическая энергия должна реализовываться каким-нибудь электропотребителем, например, нагрузочным реостатом. Принципиальная схема такой установки приведена на рисунке 1 и носит название схемы испытания методом непосредственного нагружения.  Рисунок 1 – Схема испытания методом непосредственного нагружения Электромагнитный момент любой электрической машины индукторного типа определяется выражением  , (1)где М ЭМ – электромагнитный момент якоря, Нм; С = pN/60a – конструкционная постоянная машины; Ф0 – основной магнитный поток, Вб; Iя – ток якоря, А. Из выражения (1) видно, что регулирование нагрузочного момента на валу испытуемого двигателя может производиться как за счет изменения тока в цепи якоря генератора при регулировании нагрузочного реостата (Rн), так и за счет изменения величины основного магнитного потока при регулировании тока в цепи независимого возбуждения генератора (Rв). Описанная схема отличается предельной простотой в построении и удобством управления, однако имеет существенный недостаток, ограничивающий его широкое распространение на практике. Он заключается в том, что вся потребляемая из сети для питания двигателя электрическая энергия за вычетом энергетических потерь в испытуемом двигателе и нагрузочном генераторе рассеивается на нагрузочном реостате в виде бесполезной тепловой энергии. Таким образом, проведение испытаний современных тяговых двигателей, мощность которых постепенно приближается к 1000 кВт, методом непосредственного нагружения приводило бы к значительным и неоправданным расходам электроэнергии. Поэтому метод непосредственного нагружения нашел практическое применение только для машин малой мощности, а для машин средней и большой мощности был разработан более экономичный метод испытания. Суть предлагаемого метода состоит в том, что вырабатываемая нагрузочным генератором электрическая энергия направляется не в нагрузочный реостат, где она безвозвратно теряется, а возвращается на питание испытуемого двигателя. При этом возникает система замкнутых друг на друга машин, взаимообразным образом обращающих между собой электрическую и механическую энергии (рисунок 2). При такой схеме каждая из машин выступает по отношению к другой одновременно и как источник питания соответствующего вида энергии, и как «полезная» нагрузка. Поэтому такой метод проверки работоспособности машин получил название – испытание методом взаимного нагружения.  Рисунок 2 – Схема энергетического обмена при испытании по методу взаимного нагружения Описанная идея отражает только суть метода, поскольку реальная физическая система замкнутых друг на друга преобразователей автономно работать не сможет в силу наличия внутренних потерь энергии в каждой из испытуемых машин. Для поддержания баланса энергий требуется наличие в схеме дополнительного источника, восполняющего внутренние энергетические потери в системе машин. Обычно в качестве такого внешнего источника выступает электрическая сеть (рисунок 2). Из сравнения двух описанных методов видно, что каждый из них включает в себя одинаковый перечень функциональных элементов – испытуемый двигатель, нагрузочный генератор и питающую сеть. Однако при методе непосредственного нагружения параметры питающей сети должны рассчитываться на полную мощность испытуемого двигателя, а с учетом проверки машин в режиме максимальной мощности даже с двухкратным запасом мощности. В схеме же взаимного нагружения основная мощность испытуемых машин обращается внутри замкнутой системы «ДВИГАТЕЛЬ-ГЕНЕРАТОР», а роль внешней сети сводится только к восполнению внутренних энергетических потерь в системе. Если принять средний КПД электрических машин на уровне 0,9 , то нетрудно подсчитать, что метод взаимного нагружения позволяет экономить до 80 % общего расхода электроэнергии на испытание двигателей в сравнении с методом непосредственного нагружения. Другим преимуществом метода взаимного нагружения является то, что для реализации принципа взаимного питания и нагружения должны использоваться машины с абсолютно 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 испытательных станций, поскольку за один испытательный цикл проходят проверку сразу две собранные машины. Немаловажным преимуществом метода взаимного нагружения является и то, что современные магистральные локомотивы оснащаются одним из видов электрического торможения. Поэтому использование при испытаниях генераторного режима позволяет одновременно проверять работу тягового двигателя для условий рекуперативного или реостатного торможений. Реальная процедура испытаний тяговых электрических машин строится исходя из максимального использования вышеназванных преимуществ метода взаимного нагружения – два подлежащих испытанию двигателя в течение получаса заставляют работать в противоположных режимах в часовом режиме мощности в одну из сторон вращения. Затем путем схемных переключений производится реверсирование направления вращения системы с одновременным изменением и ролей испытуемых машин. Таким образом, за одно испытание проверяется сразу две машины в обоих направлениях вращения и во всех возможных режимах их работы. 2.2 Принципы построения схем испытания ТЭМ методом взаимного нагружения Известно несколько вариантов схем испытаний методом взаимного нагружения для коллекторных ТЭМ постоянного тока. Поэтому важно понимать, что за внешними схемными отличиями принципы, заложенные в методе взаимного наружения, остаются неизменными. Рассмотрим их на примере наиболее распространенного варианта схемы взаимного нагружения, используемой на испытательных станциях большинства локомотивных депо и заводов ж.-д. транспорта. Как следует из основополагающей идеи метода, в схеме задействованы две одинаковые машины. Их валы соединяются съемной муфтой для передачи механической мощности. Электрические цепи этих машин также объединены для возможности обращения между ними электрической энергии. Задача состоит в том, чтобы найти такое схемное решение, которое обеспечивало бы работу одной из машин в заданном режиме двигателя, а другой – в режиме генератора. Поскольку для каждого режима характерны свои отличительные признаки, то задача сводится к созданию условий, при которых каждая из машин реализовывала бы признаки заданного ей режима работы. Так, двигатель при работе создает на валу момент, под воздействием которого и происходит вращение системы (рисунок 3). В двигательном режиме момент и частота вращения машины сонаправлены. Генератор, вращаясь в заданном двигателем направлении, отбирает с вала механическую энергию за счет встречного вращению генераторного момента сопротивления. В генераторном режиме момент и угловая частота вращения направлены встречно относительно друг друга.  Рисунок 3 – Функциональные признаки двигательного и генераторного режимов Возникающее от двигательного момента вращение системы приводит к образованию в якорных проводниках генератора ЭДС, под воздействием которой в схеме должен начать протекать общий для испытуемых машин ток (рисунок 3). В генераторном режиме ЭДС и ток совпадают по направлению. Двигатель, питаясь током генератора, выступает потребителем электрической энергии, механизмом отбора которой является якорная противо-ЭДС двигателя. В двигателе ЭДС и ток якоря противоположны относительно друг друга. Из выделенных функциональных признаков двигательного и генераторного режимов следует, что для достижения противоположных режимов работы двух идентичных машин необходимо обеспечить условие одновременной встречности их моментов и якорных ЭДС. Это главное, но не единственное к схеме требование. Полный перечень требований, предъявляемых к схемной реализации метода взаимного нагружения, можно сформулировать в следующем виде: схемное включение испытуемых машин должно обеспечивать противоположность направлений их моментов на валу и якорных ЭДС; направление тока в якорных цепях испытуемых машин должно быть таким, чтобы совпадать по направлению с ЭДС той из машин, которая выступает в качестве генератора, и быть встречным с ЭДС якоря машины, работающей в режиме двигателя; вращение системы должно происходить в направлении момента той из машин, которую предполагается использовать в качестве двигателя, и быть встречным моменту машины, реализующей генераторный режим. Способ реализации первого из поставленных условий вытекает из анализа зависимостей электромагнитного момента и ЭДС в электрических машинах индукторного типа  (2)Н  етрудно установить, что при одинаковой направленности частот вращения и токов якоря в испытуемых машинах одновременная противоположность моментов и ЭДС возможна только за счет противоположных знаков их магнитных потоков. Схемно это условие легко реализуется за счет изменения полярности включения обмоток возбуждения испытуемых машин. Поэтому на принципиальной схеме рисунка 4 показано реверсивное включение обмоток возбуждения генераторной машины. Второе условие, обеспечивающее работу испытуемых машин в заданных режимах, предполагает наличие в их цепях токов определенного направления. Однако, сопоставляя выражения ЭДС равных по конструкции машин (формула (2)), становится очевидным, что вне зависимости от режимов их работы якорные ЭДС будут всегда оставаться между собой равными по величине и встречными по направлению. В этих условиях, когда в схеме действуют только две равные по величине и противоположные по направлению ЭДС, подключение генератора к зажимам двигателя не сможет обеспечить протекания тока в контуре испытуемых машин. Очевидно, что только превышение ЭДС той машины, которую предлагается использовать в качестве генератора, над противо-ЭДС предполагаемого двигателя создаст условия для появления тока в требуемом направлении. Можно предложить несколько способов получения необходимого разбаланса ЭДС в ветвях испытуемых машин, но в большинстве случаев этого добиваются за счет введения в схему еще одного дополнительного источника ЭДС. Задача этого источника «добавить вольты» к ЭДС генератора, в соответствии с чем он и получил свое название – вольтодобавочная машина (сокращенно ВДМ). Важно понимать, что ВДМ – это искусственно введенный в схему источник, «дополнительные вольты» которого потребовались для преодоления действия противо-ЭДС двигательной машины и создания условий протекания тока в цепи испытуемых машин (рисунок 4).  Рисунок 4 – Принципиальная электрическая схема испытательного стенда по методу взаимного нагружения Конструктивно вольтодобавочная машина может быть реализована в самых различных исполнениях – как полупроводниковый управляемый преобразователь, электромашинный генератор, аккумуляторная батарея и тому подобное. На промышленных предприятиях ВДМ чаще всего представлена в виде электромашинного преобразователя (асинхронный привод с генератором постоянного тока), управляемого по независимой обмотке возбуждения. Однако следует заметить, что для современных условий производства характерна тенденция постепенного вытеснения электромашинных источников бесшумными управляемыми полупроводниковыми преобразователями. На рисунке 4 показано подключение ВДМ в полярности, обеспечивающей работу машины «№ 1» в генераторном, а «№ 2» – в двигательном режимах. Для выполнения третьего из поставленных условий необходимо добиться вращения системы в направлении момента машины, выполняющей роль двигателя. По аналогии с анализом ЭДС сравнение выражений для моментов двух испытуемых машин (формула (1)) приводит к выводу, что после подключения генератора и ВДМ к двигательной цепи через контактор «ВДМ» система будет оставаться неподвижной, несмотря на появление тока от ЭДС ВДМ в цепи испытуемых машин. Из формулы (1) электромагнитного момента следует, что при равенстве конструкционных постоянных, магнитных потоков и токов якоря для условий схемы рисунка 4 будет выполняться и равенство моментов испытуемых машин, а реверсивное включение одной из обмоток возбуждения приведет к нулевой равнодействующей вращающих усилий. Для того, чтобы нарушить механический баланс системы, необходимо изменить количественное соотношение между моментами противодействующих машин, причем, в пользу той из них, которую предполагается использовать в качестве двигателя. Анализ выражения (1) показывает, что теоретически существует несколько способов усиления момента двигателя или ослабления момента генератора. На практике в силу ряда преимуществ наибольшее распространение получила схема усиления двигательного момента за счет подпитки якорной цепи двигателя от еще одного дополнительного источника. Подключение этого источника, получившего название линейный генератор(сокращенно ЛГ), к основной схеме показано на рисунке 4. Из схемы рисунка 4 видно, что при замыкании контактора «ЛГ» в его якорной цепи возникает ток IЛГ, который, складываясь в узле «А» с током от ВДМ, обеспечивает превышение тока двигателя над током генератора.  (3)Неравенство токов в цепи испытуемых машин на величину тока ЛГ при равенстве магнитных потоков и конструкционных констант машин создаст превышение вращающего момента двигателянад моментом сопротивления генератора, в результате чего система придет во вращение, причем, втребуемую сторону. 2.3 Теоретический анализ работы схемы взаимного нагружения Представленная на рисунке 4 принципиальная схема метода взаимного нагружения, как и любая электрическая схема, подчиняется и описывается законами Ома и Кирхгофа. Запишем уравнение второго закона Кирхгофа для основного контура, содержащего две испытуемые машины. За положительное направление обхода примем направление, совпадающее с током генератора (против часовой стрелки). В левой части уравнения запишем сумму ЭДС, действующих в контуре «ДВИГАТЕЛЬ–ГЕНЕРАТОР», а в правой – сумму падений напряжений  , (4)где R– сопротивления якорных обмоток испытуемых машин; r – сопротивления обмоток возбуждения испытуемых машин. С учетом ранее установленного равенства ЭДС ЕГ = ЕД и того, что (ЕВДМ –IГ RВДМ) = UВДМ, выражение (4) приводится к виду  . (5)В соответствии с первым законом Кирхгофа в узле «А» выполняется  . (6)После подстановки выражения (6) для IГ в формулу (5) получаем  . (7)Из описания принципа действия схемы взаимного нагружения следует, что ЛГ создает ток, необходимый только для создания небаланса моментов, и поэтому его величина на порядок меньше якорного тока испытуемых машин. Учитывая, что и RГ величина незначительная приближенно можно считать  . (8)Их выражения (8) следует, что напряжение, создаваемое вольтодобавочной машиной, идет на покрытие внутренних потерь напряжения на сопротивлениях обмоток испытуемых машин. В номинальном режиме падение напряжения на сопротивлениях обмоток тяговых электродвигателей оценивается в (3…5) %. Поэтому потребное выходное напряжение ВДМ обычно не превышает (10…12) % от номинального напряжения испытуемых машин. В то же время ВДМ стоит последовательно в цепи основного генератора, и поэтому ее якорная обмотка должна быть рассчитана на полный диапазон токов испытуемых машин, включая и режим предельной мощности, при котором реализуется двойной часовой ток. Из сказанного можно сделать вывод в отношении технических характеристик вольтодобавочной машины. Вольтодобавочная машина – это многоамперный и низковольтный источник питания в схеме взаимного нагружения. Выразим из выражения (8) ток двигателя  . (9)Полученное выражение устанавливает важный для практики способ регулирования токового режима работы испытуемого двигателя. Для изменения тока в якорной цепи двигателя достаточно регулировать напряжение на зажимах вольтодобавочной машины. Если пренебречь разницей в токах испытуемых машин (IД=IГ =IЯ) то, умножив обе части выражения (8) на ток IГ, можно получить следующее энергетическое соотношение  . (10)В левой части уравнения (10) стоит выражение мощности ВДМ, а в правой – механизм ее реализации для схемы взаимного нагружения. Вырабатываемая источником ВДМ мощность расходуется на покрытие электрических потерь мощности в обеих испытуемых машинах. Аналогичным образом можно произвести анализ технических характеристик для линейного генератора ЛГ. Как уже отмечалось выше, ток ЛГ на порядок меньше якорных токов. С другой стороны, из схемы рисунка 4 видно, что напряжение на зажимах ЛГ может быть представлено в виде  . (11)Очевидно, что второе слагаемое в выражении (11) представляет собой незначительное по величине внутреннее падение напряжения в обмотке возбуждения генератора. Поэтому с допустимым для практики приближением можно считать  . (12)Таким образом, ЛГ по своим техническим характеристикам является полной противоположностью источнику ВДМ. Линейный генератор – это высоковольтный и малоамперный источник питания в схеме взаимного нагружения. Выражение (12) примечательно еще и тем, что указывает простой способ регулирования напряжения на зажимах испытуемого двигателя. Для изменения напряжения на зажимах испытуемого двигателя достаточно регулировать напряжение линейного генератора. Исходя их энергетической роли ВДМ в схеме взаимного нагружения как источника покрытия электрических (переменных) потерь, можно сделать вывод о том, что мощность ЛГ расходуется на компенсацию остальных потерь мощности в системе испытуемых машин механических, магнитных и добавочных, образующих понятие постоянных потерь мощности  . (13)Мощность, вырабатываемая линейным генератором, расходуется на покрытие механических, магнитных и добавочных потерь мощности в обеих испытуемых машинах. В обобщенном виде сравнение технических характеристик и функциональных свойств дополнительных источников питания в схеме взаимного нагружения представлено в таблице 1. Таблица 1 – Сравнительная характеристика источников ВДМ и ЛГ
|