СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ ЛИНЕЙНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН

Во многих случаях применения вращающихся машин для привода механизмов возвратно- поступательного действия и электрических генераторов приводимых от двигателей внутреннего сгорания, возникает необходимость применения устройств преобразования вращения в поступательное действие и обратно. Эти устройства являются лишним звеном, поглощающим часть полезной мощности. Для снижения потерь в возвратно-поступательных механизмах возникла необходимость создания линейных двигателей и генераторов.

Однако при конструировании линейных машин возникает проблема выбора материалов и технических решений. Одним из путей ее решения являются полигонные испытания, которые обычно малоэффективны ввиду большой трудоемкости и материальных затрат. Современным источником информации для оценки параметров разрабатываемой машины являются испытания на стендах. Научные основы создания испытательных стендов позволяют максимально приблизить испытания машин в лабораторных установках к реальным полигонным испытаниям.

Поэтому актуальной задачей является создание испытательного стенда для получения характеристик и разработки эффективных алгоритмов управления линейных двигателей и генераторов.

К разрабатываемому стенду были предъявлены жесткие требования, такие как скорость перемещения транслятора до 15 м/с, перемещение транслятора в пределах от 50 до 120 мм, частота колебания транслятора до 100 Гц, усилие, измеряемое на трансляторе до 11 кН и тяжелые условия эксплуатации при воздействии температуры до +150 °С.

Обзор имеющихся стендов для испытания линейных электрических машин показал, что представленные многими научно-исследовательскими центрами устройства разработаны для скоростей перемещения транслятора до 4 м/с, что обусловлено применяемыми в качестве привода, гидравлических и пневматических цилиндров. Невозможность повышения скорости перемещения таких устройств обусловлена ограничениями уплотнительных элементов.

Поэтому в механической части привода исследуемого объекта, в разрабатываемом стенде было принято решение отказаться от данных устройств в пользу кривошипно-шатунного механизма, скорость перемещения которого фактически не ограничена.

В состав стенда входят устройства привода машины, устройства контроля и управления и прочие вспомогательные устройства.

Разработанный стенд обеспечивает два режима работы исследуемого объекта: режим генератора и режим двигателя.

В режиме генератора исследуемая электрическая машина приводится в движение кривошипно- шатунным механизмом (рисунок 1).

Частота возвратно-поступательных движений регулируется входящим в состав системы частотным преобразователем, управляемым микропроцессором, а амплитуда колебаний регулируется изменяемым положением кривошипа.

Обмотки электрической машины посредством твердотельных реле, через мостовой выпрямитель, подключаются к нагрузке, при этом контролируется напряжение и ток, вырабатываемые генератором, а также основные параметры машины – температура, положение, скорость и частота.

Гибкая электрическая система позволяет во время работы изменять схему включения обмоток генератора звезда – треугольник – последовательное – параллельное включение. При правильном подборе алгоритма управления это даст возможность получить максимальную мощность генератора не зависимо от положения и скорости транслятора.

Также система позволяет плавно и ступенчато менять величину нагрузки (в пределах от 0 до 25 кВт), что должно позволить определить стойкость генератора к ударным и плавным изменениям нагрузки.

Напряжение, ток и форма энергии, вырабатываемой генератором измеряются системой контроля и управления с помощью входных устройств к которым подключены выводы присоединения нагрузки и трансформатор тока.

Кроме этого стенд позволяет исследовать генератор в тяжелых условиях работы, воздействуя на него источником тепла с температурой до 150 °С.

В режиме двигателя исследуемая машина механически отключается от привода стенда и подключается к нагрузочному устройству, в качестве которого выступает гидравлический цилиндр (рисунок 2). Гидроцилиндр управляется системой клапанов, позволяющих создать динамическую нагрузку на трансляторе машины.

Для питания машины, работающей в режиме двигателя, используется источник постоянного напряжения. Обмотки двигателя подключаются к источнику посредством твердотельных реле, которые управляются системой контроля и управления по принципу широтно-импульсной модуляции. Алгоритм управления работает в прямой зависимости от сигнала положения транслятора, что позволяет останавливать индуктор и менять направление его движения в любой момент времени.

Для определения усилия, создаваемого двигателем, служит тензометрический датчик силы, смонтированный на трансляторе машины. Положение транслятора и его скорость определяются датчиком положения.

Для отвода излишков тепла, выделяемых обмотками на статоре исследуемой машины и защиты магнитов транслятора от перегрева, в состав испытательного стенда введена система охлаждения (рисунок 3), управляемая системой контроля и управления. Управляющее воздействие заключается в изменении производительности водяного насоса в зависимости от температуры обмоток статора и температуры жидкости на выходе из рубашки охлаждения электрической машины. Изменение производительности насоса позволяет изменить интенсивность отвода тепла, что в свою очередь дает возможность поддержания стабильной температуры обмоток статора генератора.

Принятые при проектировании испытательного стенда решения позволяют добиться таких показателей как максимальная скорость перемещения транслятора до 40 м/с, максимально измеряемое усилие до 100 кН, частота перемещения транслятора до 100 Гц, мощность нагрузки до 25 кВт, напряжение нагрузки до 400 В, измерение электрического тока до 300 А, точность определения положения транслятора до 0,1 мм, измерение температуры элементов машины до 204 °С, частота оцифровки входных сигналов системы контроля и управления до 800 кГц.