3. Выбор функциональной схемы стенда
Испытательный стенд предназначен для исследования электронных блоков (выпрямителя и регулятора напряжения), используемых в составе автомобильного генератора 94.3701. По технологическому описанию (заданию) стенд должен содержать:
- регулирование частоты вращения в диапазоне от 1000 до 6500 об/мин;
- регулируемую нагрузку для обеспечения всех испытательных режимов. Диапазон тока от 0 до 100 А;
- аппаратуру контроля, защиты и индикации.
В состав регулируемого электропривода входят:
- преобразователь частоты;
- электромашинный узел.
Электромашинный узел в свою очередь состоит из:
- асинхронного двигателя;
- автомобильного генератора;
- механизма натяжения ремня автомобильного генератора;
- защитного кожуха;
- шкива асинхронного двигателя;
- приводного ремня;
- аккумулятора.
Натяг приводного ремня осуществляется с помощью механизма перемещения автомобильного генератора. Конструктивно автомобильный генератор находится рядом с электродвигателем. Опорная площадка, на которой крепится генератор, перемещается вращением ходового винта. После этого необходимо включить преобразователь нажатие кнопки «Пуск» и с помощью переменного сопротивления Rс установить требуемую скорость. Скорость вращения автомобильного генератора отображается на цифровом индикаторе. Требуемый режим испытаний устанавливается узлом регулируемой нагрузки.
Функциональная схема стенда для проверки автомобильных генераторов:
ПЧ – преобразователь частоты, АД – асинхронный двигатель с КЗ ротором, Г- генератор, ВБ – выпрямительный блок, РН – регулятор напряжения, БН – блок нагрузки, ИС- измеритель скорости
Рис.3.1
Регулируемый электропривод создан на базе преобразователя частоты ЭПВ-ТТПТ-16 и асинхронного двигателя. Работа регулируемого электропривода происходит следующим образом. Преобразователь частоты работает на асинхронный двигатель, который ременной передачей связан с автомобильным генератором. Основным элементом регулируемого электропривода является преобразователь частоты. Он осуществляет двойное преобразование напряжения: в начале трехфазное переменное сетевое напряжение с частотой равной 50 Гц преобразуется в постоянное заданной величин; затем постоянное напряжение преобразуется в переменное с заданной частотой. Первое преобразование осуществляется управляемым выпрямителем, последующее – инвертором напряжения. Во всем диапазоне регулирования обеспечивается регулирование выходного напряжения по закону U/f = const.
3.1 Технико-экономическое обоснование выбора элементов стенда
По техническому заданию для испытания генератора 94.3701, стенд должен обеспечивать:
- регулирование частоты вращения в диапазоне от 1000 до 6500 об/мин
- регулирование тока нагрузки от 0 до 100 А.
Как видно требования к диапазону регулирования скорости высокая, то есть не любой регулируемый электропривод сможет обеспечить регулирование скорости в таком диапазоне. А так же поддержание скорости вращения электропривода изменении тока нагрузки на генераторе. Помимо этого при снятии токоскоростных характеристик регулируемый электропривод должен обеспечивать плавность регулирования частоты вращения генератора. Нельзя не забывать и об экономических показателях регулирования, которые оцениваются по капитальным (для установки соответствующего оборудования) и эксплуатационным затратам. Капитальные затраты могут быть оценены косвенными методами, например, по установленной мощности электрооборудования. Иногда помимо стоимости электрооборудования бывает необходимость оценивать также массу и габариты. Эксплуатационные затраты, как правило оцениваются косвенным методом по энергетическим показателям: КПД и коэффициенту мощности при регулировании скорости.
На первом этапе выбора элементов оборудования был принят вариант с одной электрической машиной, которая должна приводить во вращение генератор. Будь это машина постоянного или переменного тока она должна была бы удовлетворить всем требованиям, предъявляемым к регулируемому электроприводу. И первое требование – это диапазон регулирования скорости вращения ротора генератора. Разогнать ротора генератора до 6500 об/мин можно при помощи ременной передачи. Заведомо исключим из рассмотрения двигатели постоянного тока, ввиду того, что для него надо будет ставить отдельный источник питания постоянного тока, не говоря о минусах, о которых будет говориться дальше. Рассмотрим несколько вариантов регулирования частоты вращения приводного двигателя.
Первый – это регулирование частоты вращения осуществляется путем изменения сопротивления резисторов, включенных в главной цепи статора или ротора асинхронного двигателя. Регулирование частоты вращения в двигательном режиме производится только вниз от основной скорости. Модуль жесткости механических характеристик уменьшается при снижении угловой скорости, а потери мощности в главной цепи при этом растут; диапазон регулирования ограничен.
Второй способ – это регулирование скорости асинхронного двигателя изменением числа пар полюсов. Этот способ используется для асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором. Изменение числа пар полюсов производится путем переключения обмотки статора. Так как число пар полюсов может быть только целым числом, то данный способ обеспечивает ступенчатое регулирование скорости. Следовательно, этот способ не удовлетворяет требованию о плавности регулирования частоты вращения. Значит, этот способ тоже не подходит к нашему случаю.
Третий способ – это изменение напряжения на статоре асинхронного двигателя. Это приводит к изменению критического момента, тогда как критическое скольжение остается постоянным. Со снижением напряжения уменьшается модуль жесткости механических характеристик. Кроме того, со снижением скорости уменьшается допустимый момент. Энергетические показатели при регулировании скорости асинхронного двигателя изменением напряжения приблизительно такие же, как и при изменении сопротивления в цепи статора. Со снижением скорости уменьшается КПД и коэффициент мощности установки.
Четвертый способ - это регулирование скорости в системе преобразователь частоты – двигатель переменного тока. Этот способ перспективен, так как регулирование скорости асинхронного двигателя изменением частоты питающего напряжения является наиболее экономичным и эффективным. При частотном регулировании скольжение машины независимо от диапазона регулирования поддерживается сравнительно небольшим и потери в двигателе невелики. В этом случае асинхронный электропривод (переменного тока) не уступает электроприводу постоянного тока ни по статическим, ни по динамическим свойствам. Если учесть, что асинхронный двигатель с коротко замкнутым ротором в 1,5 – 2 раза легче и в 3 раза дешевле, чем аналогичный двигатель постоянного тока.
Возможность регулирования скорости при изменении частоты вращения следует из выражения:
(3.1)
Этот способ удовлетворяет всем требованиям, которые были предъявлены к регулируемому электроприводу испытаний автомобильного генератора.
Асинхронный двигатель будет обеспечивать работу генератора в диапазоне от 1000 до 6500 об/мин. На двигателе установлен шкив меньшего диаметра, чем на генераторе и они соединены поликлиновым ремнем. Управление двигателем в функции частоты питающего напряжения ведется преобразователем частоты.
Недостатками такой схемы испытаний автомобильного генератора является большая стоимость преобразователя частоты, не синусоидальность выходного напряжения, что влияет на технологические характеристики двигателей.
В данном методе управления скоростью генератора имеется много достоинств. Это простота и сравнительная дешевизна данного проекта по сравнению с предыдущими разработками. Данный стенд сможет обеспечить испытания других типов генераторов. Стенд по своим габаритам небольшой из-за хорошей компоновки составляющих его элементов. Небольшое потребление электроэнергии в отличие от того, если бы мы использовали асинхронный двигатель большой мощности. Спроектированный электропривод удовлетворяет всем требованиям, заданным в техническом задании, а это: к диапазону регулирования, плавности регулирования и регулирование тока нагрузки.
Механические характеристики асинхронного двигателя при частотном регулировании скорости а) Мс = const; б) Рс = const
а)
б)
Рис.3.2