Устройство для определения пульсационных потерь электрических машин пульсирующего тока
Полезная модель относится к области контрольно-измерительной технике и может быть использована для определения пульсационных потерь электрических машин. Задача полезной модели - повышение точности и достоверности измерения пульсационных потерь электрической машины, снижение потерь решается тем, что в устройство для определения пульсационных потерь электрической машины пульсирующего тока, содержащее преобразователь тока с гальванической развязкой, расположенный в силовой цепи испырасположенный в силовой цепи испытуемой электрической машины; выпрямительную установку, в силовой цепи которой расположен сглаживающий реактор; измерительный шунт, расположенный в силовой цепи якоря испытуемой электрической машины с магнитоэлектрическим амперметром; добавочное сопротивление с магнитоэлектрическим вольтметром; регулируемый резистор и индуктивный шунт в шунтирующей цепи обмоток возбуждения двигателя и генератора, высоковольтный источник постоянного тока, в силовой цепи которого расположен сглаживающий реактор, введены отличия - оно дополнительно содержит преобразователь напряжения с гальванической развязкой, расположенный в силовой цепи испытуемой электрической машины, а также аналогово-цифровой преобразователь, аналоговые входы которого подключены к измерительным выводам преобразователей тока и напряжения, а цифровые выводы подключены к персональному компьютеру информационно-измерительной системы. Технический результат - измерение полной мощности, потребляемой двигателем достигается применением современной измерительной техники с помощью преобразователей тока и напряжения с гальванической развязкой, например, типа LEM, с выходом на информационно-измерительную систему.
Полезная модель относится к области контрольно-измерительной технике и может быть использована для определения пульсационных потерь электрических машин.
Известно, что пульсационные потери определяют при помощи малокосинусного электродинамического ваттметра, последовательную обмотку которого подключают к вторичной обмотке воздушного трансформатора тока (ВТТ), а параллельную - через конденсатор, обеспечивающий компенсацию погрешности измерения фазы. Первичную обмотку ВТТ включают последовательно в силовую цепь двигателя. Настройку измерительной системы, состоящей из ваттметра, ВТТ и компенсирующего конденсатора, следует производить на переменном токе частоты 100 Гц по образцовому прибору с типовым трансформатором тока согласно п. 5.6.1 ГОСТ 2582-81 «Машины электрические вращающиеся тяговые».
Наиболее близкой по технической сущности к предлагаемой полезной модели, принятой за прототип, является устройство для определения пульсационных потерь, содержащее преобразователь тока с гальванической развязкой, расположенный в силовой цепи испытуемой электрической машины; выпрямительную установку, в силовой цепи которой расположен сглаживающий реактор; измерительный шунт в силовой цепи якоря испытуемой электрической машины с магнитоэлектрическим амперметром; добавочное сопротивление с магнитоэлектрическим вольтметром; регулируемый резистор и индуктивный шунт в шунтирующей цепи обмоток возбуждения двигателя и генератора, высоковольтный источник постоянного тока, в силовой цепи которого расположен сглаживающий реактор (Р. И. Аликин, А. Г. Захаров, А. И. Михайлов, В. Т. Мушта «Экспериментальное определение добавочных пульсационных потерь и к.п.д. тяговых электродвигателей пульсирующего тока». Электровозостроение. - т. 17, с. 81-91).
К недостаткам известного устройство следует отнести следующее:
Применение ВТТ не позволяет измерять истинные значения переменного тока, протекающего в силовой цепи испытываемого объекта, т.к. показания амперметра, подключенного к измерительной (вторичной) обмотке ВТТ, являются условными величинами переменного тока, определяемыми согласно градуировке ВТТ, которую необходимо проводить на переменном токе совместно с применяемым типовым трансформатором тока, например И509. При градуировке измерительного комплекса возникает необходимость подбора разделительной емкости для разных пределов измерений по вольтметровой цепи ваттметра. Поскольку пульсационные потери изменяются от нескольких сотен ватт до нескольких десятков ватт, то при таком широком диапазоне изменения величины пульсационных потерь производить измерения при одном значении коэффициента трансформации тока не представляется возможным, т.к. при малых значениях переменной составляющей пульсирующего тока показания малокосинусного ваттметра незначительны. В связи с этим возникает необходимость в применении многопредельного измерительного трансформатора тока И54М, чем обеспечивается возможность в широком диапазоне изменять коэффициент трансформации тока. Процесс градуировки с подбором емкости весьма трудоемкий и достоверную градуировку провести затруднительно. В связи с этим и результаты по определению пульсационных потерь получаются с погрешностью. Так как ВТТ не является типовым измерительным устройством и не входит в перечень оборудования и устройств метрологического обеспечения, то его применение нецелесообразно. Поскольку достоверность значений (погрешность измерений) переменной составляющей тока в силовой цепи испытываемого объекта неизвестна (величина переменной составляющей тока определяется косвенно), то предлагается схема по определению пульсационных потерь с использованием современных типовых средств измерений.
Задача полезной модели - повышение точности и достоверности измерения пульсационных потерь электрической машины, снижение потерь.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для определения пульсационных потерь электрической машины пульсирующего тока, содержащее преобразователь тока с гальванической развязкой, расположенный в силовой цепи испытуемой электрической машины; выпрямительную установку, в силовой цепи которой расположен сглаживающий реактор; измерительный шунт, расположенный в силовой цепи якоря испытуемой электрической машины с магнитоэлектрическим амперметром; добавочное сопротивление с магнитоэлектрическим вольтметром; регулируемый резистор и индуктивный шунт в шунтирующей цепи обмоток возбуждения двигателя и генератора, высоковольтный источник постоянного тока, в силовой цепи которого расположен сглаживающий реактор, введены отличия - оно дополнительно содержит преобразователь напряжения с гальванической развязкой, расположенный в силовой цепи испытуемой электрической машины, а также аналогово-цифровой преобразователь, аналоговые входы которого подключены к измерительным выводам преобразователей тока и напряжения, а цифровые выводы подключены к персональному компьютеру информационно-измерительной системы.
Технический результат - получение достоверных значений пульсационных потерь электрических машин пульсирующего тока- достигается путем измерения полной мощности, потребляемой двигателем с применением современной измерительной техники с помощью преобразователей тока и напряжения с гальванической развязкой, например, типа LEM, с выходом на информационно-измерительную систему.
На фигуре 1 представлено устройство для определения пульсационных потерь электрических машин пульсирующего тока.
На фигуре 2 - мгновенные значения тока и напряжения.
На фигуре 3 - пульсационные потери тягового двигателя типа НБ-520 В в номинальном режиме.
Устройство содержит (фиг.1) испытуемую электрическую машину 1, запитанную от выпрямительной установки 2. В силовой цепи машины 1 установлены преобразователь тока 3 и преобразователь напряжения 4, которые подключены к информационно - измерительной системе 5 (ИИС), содержащей аналогово-цифровой преобразователь 6 (АЦП) и персональный компьютер 7 (ПК). Кроме того, в силовой цепи машины 1 расположен измерительный шунт 8 с амперметром 9, а для измерения напряжения на зажимах машины 1 подключен вольтметр 10 с добавочным сопротивлением 11.
В качестве преобразователя тока 3 и преобразователя напряжения 4 используют датчик тока типа LT1000 и датчик напряжения типа LV100 компенсационного типа, например, LEM. Датчик напряжения 3 подключают к обмоткам машины 1 и 20 через добавочное сопротивление 12, а к АЦП 6 - через нагрузочное сопротивление 13, определяемое в зависимости от входного напряжения канала АЦП 6. Датчик тока подключается через нагрузочное сопротивление 14.
В силовой цепи выпрямительной установки 2 расположен сглаживающий реактор 15 с регулируемой индуктивностью для изменения пульсации тока якоря в силовой цепи машины 1. В силовой цепи высоковольтного источника постоянного тока 16 подключен сглаживающий реактор 17 с целью препятствия проникновения переменной составляющей тока от установки 2, и обеспечения, тем самым, надежной работы источника 16 в коммутационном отношении. Для задания шунтировки главных полюсов 18 двигателя 1 и главных полюсов 19 генератора 12 подключены регулируемый резистор 20 и индуктивный шунт 21.
Работа устройства заключается в следующем.
По схеме взаимной нагрузки (фиг.1) от источника питания 2 питают электрические машины - двигатель 1 и генератор 12. После установки режима по токовой нагрузке проводят запуск машин 1,12 подачей напряжения от источника питания 16. Затем устанавливают режим работы двигателя 1 по напряжению на зажимах (контроль по вольтметру 10) и токовой нагрузке (контроль по амперметру 9), используя при этом регулируемый резистор 20 и индуктивный шунт 21 шунтировки главных полюсов 18, 19 двигателя 1 и генератора 12 соответственно.
В заданном режиме мгновенные значения тока и напряжения от преобразователей 3 и 4 регистрируют на ИИС 5, кривые которых представлены на фигуре 2.
В качестве АЦП 6 используют внешний модуль типа Е14-440 производства ЗАО "Л-Кард". В качестве ПК - ноутбук с минимальными требованиями:
- Операционная система Windows (98, ME, 2000, XP, Vista);
- 32 Мб оперативной памяти;
- 50 Мб дискового пространства.
На ПК устанавливают программное обеспечение (ПО), например, "Power Graph" Версия 3.3 (Руководство пользователя, Интероптика - с, 2008 г.), предназначенное для регистрации, визуализации, обработки и хранения аналоговых сигналов и, которое позволяет использовать ПК в качестве стандартных измерительных приборов.
Настраивают два физических канала АЦП 6 (линий ввода на внешних разъемах АЦП, предназначенных для подключения двух источников аналоговых сигналов - датчиков тока 3 и датчика напряжения 4 на два логических канала используемых в "Power Graph" для записи данных).
Частоту регистрации для каналов устанавливают максимально возможной для получения конечного результата с наименьшей погрешностью.
В заданном режиме сигналы от преобразователей тока 3 и напряжения 4 поступают на ИИС 5. С помощью "Power Graph" регистрируют мгновенные значения тока и напряжения.
Определяют количество N регистрируемых значений пульсирующего тока и напряжения в периоде. За период берут промежуток времени не менее десяти периодов функции.
Создают еще два новых логических канала с расчетными данными: действующими значениями тока и напряжения, которые определяются по формуле
где Y - действующее значение тока или напряжения,
Т - период,
x(t) - функция тока или напряжения от времени.
Действующие значения тока и напряжения рассчитывают с использованием функции статистической обработки сигналов:
где N - размер выборки (в нашем случае N - количество регистрируемых значений в выбранном периоде),
xj - мгновенные значения тока или напряжения (данные канала-источника),
RMSPt(X;N) - функция статистической обработки сигналов (функция вычисления среднеквадратического значения по заданному количеству точек N),
Х - вектор мгновенных значений x j (X=[х1,
, xN]).
В настройках каналов, регистрируемых ток и напряжение, для калибровки входных сигналов указывают коэффициент умножения А, который вычисляют по формуле
где Y' - значение тока (или напряжения), замеренное амперметром 9 (или вольтметром 10),
Y - действующее значение тока (или напряжения), записанное в логическом канале.
Расчетные действующие значения тока и напряжения должны совпасть со значениями тока, замеренным амперметром 9, и напряжения, замеренным вольтметром 10.
Согласно ГОСТ 2582-81 п. 5.6.1 пульсационные потери двигателей пульсирующего тока следует определять путем измерения полной мощности, потребляемой двигателем на пульсирующем 
и постоянном токе P1, при неизменных частотах вращения и мощности на выводах нагрузочного генератора.
Добавочные потери от пульсации следует принимать равными
находят как
где i(t) - функция тока от времени,
u(t) - функция напряжения от времени,
ij, u j - мгновенные значения пульсирующих тока и напряжения,
Для нахождения 
создают еще один логический канал с расчетным алгоритмом, вытекающим из вышестоящей формулы:
1. Перемножение каналов-источников мгновенных значений тока и напряжения p j=ij · uj, j=1,,K, где pj - мгновенные значения мощности, К-количество всех регистрируемых значений в канале-источнике.
2. Нахождение функции сглаживания (усреднения) сигнала Smooth
где Р - вектор мгновенных значений Pj (Р=[p l,,pN]).
p1 определяют как
где U0, I0 - постоянные составляющие или арифметические средние за период напряжения и тока соответственно.
Для этого создают еще два новых логических канала с расчетными данными: постоянными составляющими тока и напряжения с использованием функции сглаживания (усреднения) сигнала: для тока - Smooth
где I - вектор мгновенных значений ij (I=[i 1,, iN]); для напряжения - Smooth
где U - вектор мгновенных значений uj (U=[u 1,,uN]). Далее находят добавочные потери от пульсации по формуле (3).
Предлагаемое устройство применяется для определения пульсационных потерь в отделе электрических машин «Всероссийского Научно-Исследовательского и Проектно-Конструкторского Института Электровозостроения» (ОАО «ВЭлНИИ»). В качестве примера на фигуре 3 приведена кривая зависимости пульсационных потерь тягового двигателя типа НБ-520 В от коэффициента пульсации тока якоря Кп.
Положительный эффект предлагаемого устройства заключается в том, что применение преобразователей тока и напряжения с гальванической развязкой в цепи испытуемого объекта позволяют исключить использование компенсирующего конденсатора и воздушного трансформатора тока, не являющегося типовым измерительным устройством, тем самым значительно снизить затраты, связанные с изготовлением ВТТ. Применение современных средств измерений позволяют получить достоверные значения пульсационных потерь.
Устройство для определения пульсационных потерь электрической машины пульсирующего тока, содержащее преобразователь тока с гальванической развязкой, расположенный в силовой цепи испытуемой электрической машины; выпрямительную установку, в силовой цепи которой расположен сглаживающий реактор; измерительный шунт, расположенный в силовой цепи якоря испытуемой электрической машины с магнитоэлектрическим амперметром; добавочное сопротивление с магнитоэлектрическим вольтметром; регулируемый резистор и индуктивный шунт в шунтирующей цепи обмоток возбуждения двигателя и генератора, высоковольтный источник постоянного тока, в силовой цепи которого расположен сглаживающий реактор, отличающееся тем, что оно дополнительно содержит преобразователь напряжения с гальванической развязкой, расположенный в силовой цепи испытуемой электрической машины, а также аналогово-цифровой преобразователь, аналоговые входы которого подключены к измерительным выводам преобразователей тока и напряжения, а цифровые выводы подключены к персональному компьютеру информационно-измерительной системы.
