Разработка электротехнических систем для приемо-сдаточных испытаний вспомогательных асинхронных машин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Бублик Антон Владимирович

• Бублик Антон Владимирович
• кандидат наук
• 2026

Оглавление диссертации кандидат наук Бублик Антон Владимирович

Список принятых сокращений

Введение

1. Анализ проблемы технологического обеспечения приемо-сдаточных испытаний асинхронных машин

1.1. Проблема технологической оснащенности предприятий, занимающихся выпуском и ремонтом асинхронных машин

1.2. Категории испытаний асинхронных машин

1.3. Преимущества метода взаимной нагрузки при испытаниях электрических машин

1.4. Классификация вспомогательных электрических машин

1.5. Принцип унификации стендов для проведения приемо-сдаточных испытаний вспомогательных электрических машин на основе предложенной классификации

1.6. Выводы

2. Разработка схемы для испытания асинхронных машин при номинальных параметрах по методу взаимной нагрузки с компенсацией колебаний питающего напряжения

2.1. Схемы испытаний асинхронных машин, реализующие опыт холостого хода и короткого замыкания

2.2. Схемы испытаний асинхронных машин, реализующие режимы испытания при номинальных параметрах

2.3. Схемы испытаний асинхронных машин, реализующие режимы испытания при номинальных параметрах с возможностью возврата электроэнергии в сеть

2.4. Схема испытания АМ с применением электромашинных регуляторов тока и напряжения

2.5. Схемы испытания АМ с применением метода взаимного нагружения

2.6. Схема испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки при

номинальных параметрах токов и напряжений без фильтрации помех и без

компенсации колебаний напряжения питающей сети

2.7. Выводы

3. Разработка технических решений необходимых для создания унифицированной системы испытаний АМ

3.1. Разработка схемы испытаний асинхронных машин методом взаимной нагрузки при номинальных параметрах токов и напряжений с фильтрацией помех и компенсацией колебаний напряжения питающей сети

3.2. Разработка соединительного устройства для сочленения валов при испытании асинхронных машин методом взаимной нагрузки

3.3. Выводы

4. Математическое и имитационное моделирование разработанной системы испытаний асинхронных машин и ее элементов

4.1. Описание процесса преобразования электрической энергии в системе генератор-двигатель и учет потерь при имитационном моделировании

4.2. Моделирование преобразователя частоты с автономным инвертором и обратной связью по току и напряжению

4.3. Моделирование синус-фильтра, применяемого для улучшения формы кривой выходного напряжения преобразователя частоты

4.4. Моделирование согласующего трехфазного силового трансформатора, с расщепленной вторичной обмоткой для формирования заданного уровня напряжения

4.5. Моделирование системы, состоящей из двух асинхронных машин, имеющих механическую связь между валами

4.6. Выводы

5. Разработка алгоритма выбора унифицированной системы для приемосдаточных испытаний и проведение её функциональных испытаний

5.1. Физическое моделирование разработанной универсальной испытательной системы на реальном испытательном стенде

5.2. Разработка алгоритма выбора унифицированной системы для приемо-

сдаточных испытаний

5.3. Выводы

Заключение

Список литературы

Приложения

СПИСОК ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ

АД - асинхронный двигатель;

АГ - асинхронный генератор;

АМ - асинхронная машина;

ВЭМ - вспомогательная электрическая машина;

ЗПТ - звено постоянного тока

ИМВЗ - испытание электрической прочности междувитковой изоляции;

К.З. - короткое замыкание;

КПД - коэффициент полезного действия;

МВ - мотор-вентилятор;

МУВП - муфта упругая втулочно-пальцевая

НО - нуль-орган;

ПМ - программа-методика;

ПСИ - приемо-сдаточные испытания;

ПЧ - преобразователь частоты;

СУ - система управления;

ТЭД - тяговый электрический двигатель;

ТЭМ - тяговая электрическая машина;

Х.Х. - холостой ход;

ШИМ - широтно-импульсная модуляция; ЭДС - электродвижущая сила.

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка электротехнических систем для приемо-сдаточных испытаний вспомогательных асинхронных машин»

Актуальность темы исследования.

Согласно указу Президента Российской Федерации от 28.02.2024 г. № 145 «О Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации» в рамках реализации настоящей Стратегии планируются: разработка импортонезависимых технологий, замещение устаревших технологий, разработка принципиально новых научно-технологических решений, обеспечивающих основу устойчивого развития и технологического суверенитета Российской Федерации.

Согласно целевой программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской федерации, одним из восьми основных направлений научно - технического развития ОАО «Российские железные дороги» является повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса локомотивного парка.

Решение этой проблемы может быть обеспечено комплексными мероприятиями, включающими в себя широкий круг вопросов, связанных с обеспечением устойчивой работы локомотивов и их систем. Эксплуатация электроподвижного состава во многом зависит от надежности работы вспомогательных электрических машин (ВЭМ), которая определяется качеством выполненного ремонта.

В настоящее время на современном подвижном составе в качестве ВЭМ активно применяются асинхронные электрические машины с короткозамкнутым ротором, которые являются наиболее массовой продукцией электромашиностроения.

В настоящее время возникает проблема обеспечения надежности работы ВЭМ после проведения плановых ремонтов на электровозоремнотных предприятиях и в сервисных локомотивных депо. Это связано с тем, что в настоящее время технологическое оборудование, применяемое для проведения приемо-сдаточных испытаний асинхронных машин (АМ), после планово-

предупредительного ремонта, на ремонтных предприятиях устарело и не удовлетворяет современным требованиям, предъявляемым к технологическому процессу проведения испытаний.

Существующее испытательное оборудование в своем большинстве может проводить испытания асинхронных электрических машин только по опыту холостого хода и опыту короткого замыкания, исключая возможность проведения испытаний на нагревание при номинальной нагрузке, ограничиваясь проведением испытания только косвенными методами, что в неполной мере отражает качество изготовления или ремонта АМ.

Оценка технического состояния АМ во время проведения приемосдаточных испытаний представляет собой важную задачу, решение которой способствует повышению надежности, снижению аварийных ситуаций, сокращению потерь рабочего времени, связанных с внеплановыми ремонтами подвижного состава.

Так же согласно стратегии развития ОАО «РЖД» особое внимание уделяется процессам информационных технологий применяемых при проведении ремонта подвижного состава и формирования электронного паспорта подвижного состава, развития цифровых систем контроля технологической и технической дисциплины для исключения влияния негативного человеческого фактора.

В связи с этим исследования направленные на повышение эффективности проведения приемо-сдаточных испытаний вспомогательных асинхронных электрических машин, являются актуальной задачей, требующей детальной проработки вопроса.

Объектом исследования является электротехническая система для проведения приемо-сдаточных испытаний асинхронных вспомогательных машин.

Предметом исследования - принципы построения, моделирования и управления электротехнической системой для проведения приемо-сдаточных испытаний асинхронных вспомогательных машин.

Степень разработанности темы.

Теоретическими исследованиями и разработкой технических решений в области проведения испытаний электрических машин в России и ближнем зарубежье в настоящее время занимается ряд коллективов нескольких научных, производственных и образовательных организаций и предприятий (ТПУ, РУТ, ПГУПС, ОмГУПС, РГУПС, НГТУ, ВЭлНИИ, ВНИИЖТ, МГТУ им. Г. И. Носова, ИГЭУ, ГГТУ им. П. О. Сухого, ООО «Инжиниринговый центр двигателестроения ТМХ», ООО «ТМХ Инжиниринг», ООО «ТМХ-Энергетические решения», ООО «ТМХ Интеллектуальные системы», ОАО НИИТКД и др.).

Существенный вклад в совершенствование процессов проведения испытаний и математического моделирования асинхронных электрических машин внесли следующие ученые: Авилов В. Д., Вольдек А. И., Барков А. В., Бахвалов Ю. А., Бейерлейн О. Л., Букреев В. Г., Булазо Г. А., Винокуров В. А., Гольдберг О. Д., Зарифьян А. А., Жерве Г. К., Склоним Н. М., Рапопорт О. Л., Ротанов Н. А., Каминский М. Л., Ковалев В. З., Костенко М. П., Копылов И. П., Попов Д. И., Харламов В. В., Харитонова С. А., Шрейнера Р. Т., Шубенко В. А., F. Blaschke, M. Depenbrock, J. Holtz, W. Leonard, T. A. Lipo, D. W. Novotny, R. Schönfeld, I. Takahahi и др.

Различными учеными разработаны способы, методы и правила проведения ремонта и испытаний асинхронных электрических машин, составлены государственные стандарты по проведению испытаний, созданы и внедрены схемы для проведения их приемо-сдаточных испытаний. При этом известные способы и методы не позволяют проводить приемо-сдаточные испытания асинхронных электрических машин в полном объеме в соответствии с современными требованиями государственных стандартов на проведение испытаний, а также с условиями их использования на подвижном составе.

Цель и задачи. Целью диссертационной работы является повышение эффективности проведения приемо-сдаточных испытаний вспомогательных АМ за счет разработки современных технических средств, позволяющих уменьшить

количество технологических операций при переходе от одного вида испытания к другому согласно программе их проведения.

Для достижения указанной цели поставлены и решены следующие задачи:

1. Выполнить анализ номинальных параметров, габаритно-установочных размеров и типов исполнения АМ, применяемых на современном подвижном составе железных дорог России, и их группировку по этим данным с целью обеспечения возможности применения для каждой из полученных групп соответствующей универсальной электротехнической системы приемосдаточных испытаний АМ.

2. Предложить техническое решение для универсальной электротехнической системы, предназначенной для проведения приемо-сдаточных испытаний АМ с применением метода взаимной нагрузки при сочленении валов с помощью соединительного устройства с электромеханическим тормозом, которая помимо испытаний под нагрузкой позволит осуществлять перечень испытаний, включающий опыт холостого хода, опыт короткого замыкания, проверку на наличие междувитковых замыканий одновременно для двух испытуемых АМ, обеспечит компенсацию колебаний напряжения питающей сети и сглаживание пульсации токов на выходе преобразователей частоты за счет применения согласующего силового трансформатора с расщепленными вторичными обмотками и синус-фильтров.

3. Сформировать имитационную модель предложенной электротехнической системы для проведения приемо-сдаточных испытаний АМ методом взаимной нагрузки с применением программных средств компьютерного моделирования электротехнических систем.

4. Сформировать математическую модель разработанной системы испытаний двух взаимно нагруженных АМ с учетом реакции упругого элемента, соединяющего их валы. Получить расчетные характеристики разработанной системы испытаний с применением математической модели.

5. Осуществить экспериментальную проверку адекватности математической и имитационной моделей на полноразмерной физической модели.

6. Разработать алгоритм выбора универсальной электротехнической системы для проведения приемо-сдаточных испытаний АМ с применением метода взаимной нагрузки, использующий их группировку, полученную в результате выполненного анализа номинальных параметров, габаритно-установочных размеров и типов исполнения АМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Сформированы математическая и имитационная модели разработанной электротехнической системы, предназначенной для испытания двух взаимно нагружаемых АМ, учитывающие упругую механическую связь между их валами и наличие согласующего силового трансформатора с расщепленной вторичной обмоткой.

2. Получено новое техническое решение для системы испытаний двух взаимно нагружаемых АМ, дополненное соединительным устройством с электромеханическим тормозом и согласующим силовым трансформатором с расщепленной вторичной обмоткой, обеспечивающими возможность проведения опытов короткого замыкания, холостого хода, нагревания при номинальных параметрах методом взаимной нагрузки и испытания на отсутствие междувитковых замыканий в обмотках (ИМВЗ).

3. Разработан алгоритм выбора универсальной электротехнической системы для проведения приемо-сдаточных испытаний АМ с применением метода взаимной нагрузки, использующий их группировку по номинальным параметрам, габаритно-установочным размерам и типам исполнения АМ.

Теоретическая и практическая значимость работы:

1. Предложенное техническое решение системы, предназначенной для проведения приемо-сдаточных испытаний АМ с применением метода взаимной нагрузки, позволяет проводить необходимый перечень проверок согласно нормативно-технической документации при обеспечении высокой энергетической эффективности всего процесса.

2. Предложенное техническое решение позволяет компенсировать колебания напряжения питающей сети за счет применения согласующих

трансформаторов, поддерживающих напряжение на зажимах испытуемых АМ на заданном уровне при изменениях напряжения в питающей сети.

3. Разработанный алгоритм выбора испытательной системы с учетом выполненной группировки АМ позволяет унифицировать испытательные стенды для приемо-сдаточных испытаний машин с различными параметрами

4. Математическая и имитационная модели позволяют выполнять исследования характеристик предложенной электротехнической системы для испытаний АМ методом взаимной нагрузки.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

1. Алгоритм выбора универсальной электротехнической системы для проведения приемо-сдаточных испытаний АМ с применением метода взаимной нагрузки, использующий их группировку по номинальным параметрам, габаритно-установочным размерам и типам исполнения АМ.

2. Математическая и имитационная модели разработанной электротехнической системы, предназначенной для испытания двух взаимно нагружаемых АМ.

3. Новое техническое решение для системы испытаний двух взаимно нагружаемых АМ дополненное соединительным устройством с электромеханическим тормозом и согласующим силовым трансформатором с расщепленной вторичной обмоткой.

Реализация результатов работы. Основные научные результаты диссертационной работы реализованы и внедрены в Сервисное локомотивное депо «Московка» филиал ООО «СТМ-Сервис». Внедрение в производственный процесс подтверждается соответствующим актом.

Апробация результатов. Основные результаты диссертационной работы докладывались, обсуждались и были одобрены на конференциях различного уровня, тематика которых соответствовала направлению диссертационного исследования, в том числе на Всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012); Международная

научно-практическая конференция, посвященная 25-летию образования ОАО "НИИТКД" "Эксплуатационная надежность подвижного состава" (Омск, 2013); II Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2014); VII Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2022); Научная конференция «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте», посвященная Дню Российской науки (Омск, 2023), Научная конференция «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте», посвященная Дню Российской науки (Омск, 2024), II Международная научная конференция аспирантов и молодых ученых «Железная дорога: путь в будущее» (Москва,

2024), VIII Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2024), Научная конференция «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте», посвященная Дню Российской науки (Омск, 2025), II Всероссийская научно-практическая конференция с международным участием «Техническое обслуживание и ремонт подвижного состава (ТОиР)» (Красноярск,

2025), VI Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте» (Омск, 2025).

Результаты диссертационной работы в полном объеме заслушаны и одобрены на расширенном заседании кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС (Омск).

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 15 печатных работах, из них 3 статьи в рецензируемых изданиях, рекомендуемых ВАК при Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 123 наименований. Общий объем работы составляет 161 страницу, 26 таблиц и 68 рисунков.

1 АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПРИЕМО-СДАТОЧНЫХ ИСПЫТАНИЙ АСИНХРОННЫХ МАШИН

В настоящее время высокую актуальность приобретает вопрос оснащенности предприятий, занимающихся выпуском и ремонтом асинхронных электрических машин, современным испытательным и технологическим оборудованием в условиях замещения импортной продукции.

На многих предприятиях электромашинной отрасли, предприятиях железнодорожного комплекса эксплуатируемое технологическое оборудование в большинстве случаев является сильно изношенным и не соответствует современным технологиям.

Следовательно, возрастает спрос на современное технологическое оснащение предприятий занимающихся выпуском и ремонтом асинхронных электрических машин современным испытательным и технологическим оборудованием.

В данном разделе предложена группировка асинхронных электрических машин (далее по тексту АМ), применяемых как в качестве вспомогательных машин на электроподвижном составе, так и общепромышленных. Выполнена постановка проблемы обеспечения технологичным современным испытательным оборудованием промышленных предприятий. Предложены критерии группировки АМ для разработки и проектирования унифицированного испытательного оборудования для проведения приемо-сдаточных испытаний.

1.1 Проблема технологической оснащенности предприятий, занимающихся выпуском и ремонтом асинхронных машин

В настоящее время высокую актуальность приобретает вопрос оснащенности предприятий, занимающихся выпуском и ремонтом асинхронных электрических машин, современным испытательным и технологическим оборудованием в условиях замещения импортной продукции.

На многих предприятиях электромашинной отрасли, предприятиях железнодорожного комплекса эксплуатируемое технологическое оборудование в большинстве случаев является сильно изношенным и не соответствует современным технологиям.

Применение современного автоматизированного и автоматического технологического и испытательного оборудования существенно позволит улучшить производительность труда, культуру производства и качество выпускаемой продукции за счет снижения человеческого фактора.

Согласно государственной программе (комплексной программе) Российской Федерации «Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности» по направлениям: «Развитие транспортного и специального машиностроения», «Развитие материальной и производственной базы промышленности», «Системные меры поддержки промышленности», «Развитие системы технического регулирования, стандартизации и обеспечение единства измерений» необходимо для обеспечения российскими

производителями спроса транспортного комплекса России, выражающееся в поддержании до 2030 года доли российской продукции на внутреннем рынке на уровне 90 процентов в части железнодорожного машиностроения. Так же согласно данной программе необходимо развитие высоколокализованных производств техники и компонентов к ней путем освоения перспективных технологий и выражающееся в увеличении к 2030 году загрузки производственных мощностей предприятий специализированного машиностроения до 80 - 90 процентов (с учетом ввода новых производственных мощностей).

Следовательно, возрастает спрос на современное технологическое оснащение предприятий занимающихся выпуском и ремонтом асинхронных электрических машин современным испытательным и технологическим оборудованием.

1.2 Категории испытаний асинхронных электрических машин

Категории испытаний, которым должна подвергаться асинхронная электрическая машина, для того чтобы выявить её соответствие всем технологическим требованиям, приведены в пункте 6 ГОСТ 31606-2012 [1] и в приложении Б ГОСТ 2582-2013 [2] (для тяговых электрических машин):

- приемочные (квалификационные) испытания;

- приемо-сдаточные испытания;

- периодические испытания;

- типовые испытания.

Приемочные испытания проводятся на опытном образце асинхронной электрической машины, количество машин подвергаемых испытаниям определяется стандартами и техническими условиями.

Приемо-сдаточным испытаниям подвергается каждая асинхронная электрическая машина, вновь изготовленная или выходящая из ремонта.

Приемо-сдаточные испытания согласно таблице Б.2 «Программа испытаний асинхронных тяговых двигателей и вспомогательных электрических машин» приложения Б ГОСТ 2582-2013 [2] проводят по программе:

- внешний осмотр;

- измерение сопротивления обмоток постоянному току в холодном состоянии;

- измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса электрической машины и между обмотками в холодном состоянии;

- испытания на холостом ходу с определением направления вращения, значения тока статора и потерь при номинальных напряжении и частоте тока статора;

- определение в режиме короткого замыкания значения тока статора и потерь при номинальной частоте напряжения, обеспечивающем ток статора, равный номинальному или до 10% выше номинального;

- испытание на нагревание в номинальном режиме (в течение 1 ч или

меньшего диапазона времени, если машина рассчитана на кратковременный режим);

- измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса и между обмотками на нагретой до рабочей температуры электрической машине;

- испытание при повышенной частоте вращения;

- измерение уровня вибрации;

- испытание электрической прочности междувитковой изоляции обмоток;

- испытание электрической прочности изоляции обмоток статора относительно корпуса электрической машины и между обмотками.

ГОСТ 11828-86 «Машины электрические вращающиеся. Общие методы испытаний» [3] устанавливает общие правила проведения испытаний, требования к измерительным приборам и измерениям и методы следующих испытаний:

- измерение сопротивлений обмоток при постоянном токе в практически холодном и нагретом состоянии и сопротивлений термометров сопротивления при температуре окружающей среды;

- испытание машины при повышенной частоте вращения;

- испытание при кратковременной перегрузке по току или по вращающему моменту;

- измерение сопротивления изоляции обмоток относительно корпуса машины и между обмотками;

- сопротивления изоляции термометров сопротивления и сопротивления изоляции подшипников;

- испытание изоляции обмоток на электрическую прочность относительно корпуса машины и между обмотками;

- испытание междувитковой изоляции обмоток на электрическую прочность;

- измерение температуры частей электрических машин;

- испытание электрических машин на нагревание;

- определение вращающих моментов и пусковых токов двигателей

переменного тока и синхронных компенсаторов;

- измерение электрического напряжения между концами вала и проверка состояния изоляции опор.

В ГОСТах указывается только необходимый объем испытаний и методы их проведения, однако существуют отраслевые стандарты, в которых требования к проведению испытаний более жесткие, чем в ГОСТах. В отраслевых стандартах так же в отличие от ГОСТов приведены значения величин, которые необходимо контролировать или задавать в процессе проведения испытаний.

ЦАРВ.059.06.00.000 ПМ «Электродвигатели асинхронные трехфазные. Программа и методика приемочных испытаний после проведения ремонта» [4] устанавливает следующий перечень испытаний, методы их проведения и параметры испытательных режимов:

1) Внешний осмотр

2) Измерение сопротивления обмоток постоянному току в холодном состоянии. Измерение проводить одним из следующих методов: вольтметра и амперметра или двойного моста. Измерение производиться непосредственно на выводах обмоток. При измерении сопротивления обмоток в холодном состоянии необходимо контролировать температуру обмоток, которая не должна отличаться от температуры окружающей среды более чем на ±3°С. Если во время замеров сопротивления температура отличается от 20°С необходимо выполнить расчет измеренного сопротивления по формуле:

= V|235 + 20)

20 235 +1

где R20 - сопротивление обмотки постоянному току, приведенное к 20°С, Ом;

RT - величина сопротивления обмотки постоянному току, измеренная при температуре окружающей среды t°C, Ом; t - температура окружающей среды, °С; 235 - температурный коэффициент меди.

Испытания считают удовлетворительными, если сопротивления обмоток постоянному току соответствуют нормативно-технической документации

3) Измерение сопротивления изоляции относительно корпуса в холодном и горячем состоянии. Измерения проводят согласно разделу 6 ГОСТ 11828 мегаомметром напряжением 500В. Сопротивление изоляции относительно корпуса и между обмотками измеряют поочередно для каждой независимой электрической цепи, имеющей отдельные выводы, при электрическом соединении всех остальных цепей с заземленным корпусом машины. Измерения сопротивления изоляции проводят в холодном состоянии электрической машины до начала испытаний, в нагретом состоянии непосредственно после проведения испытания на нагревание. По окончании измерения сопротивления изоляции каждой электрической цепи остаточный заряд с токоведущей цепи снимается путем соединения ее с замеленным корпусом в течении 15 секунд. Испытание считаются удовлетворительными при соответствии сопротивления изоляции обмоток нормативно-технической документации.

4) Определение тока и потерь холостого хода. Испытание следует проводить согласно разделу 4 ГОСТ 7217 в режиме ненагруженного двигателя при питании синусоидальным трехфазным напряжением при установившемся тепловом состоянии частей испытуемой электрической машины (в частности подшипниковых узлов). Если невозможно непосредственное определение температуры подшипниковых узлов, то электрическую машину следует до начала испытаний вращать без нагрузки в течение 60 минут. Испытание считаются удовлетворительными при соответствии показателей нормативно-технической документации.

5) Определение тока и потерь короткого замыкания. Ток и потери короткого замыкания определяют из опыта короткого замыкания в соответствии с ГОСТ 7217. Опыт короткого замыкания производят при питании симметричным трехфазным напряжением 100В. Во избежание чрезмерного нагрева обмотки током короткого замыкания, отсчеты по приборам производить в течении времени не более 10 секунд. Испытание считаются удовлетворительными при соответствии показателей нормативно-технической документации.

6) Испытание на нагревание. Испытание проводят в соответствии с

требованиями раздела 10 ГОСТ 118128-86 с соблюдением требование подраздела 8.2 ГОСТ 2582-2013. Испытание следует проводить при симметричном номинальном трехфазном напряжении. При испытании на нагревание проводится длительный (до установившейся температуры, но не менее 4 часов) номинальный тепловой режим и определяется превышение температуры обмотки статора, стали статора, подшипников, корпуса при существующих климатических условиях. Превышение температуры обмоток измеряют методом сопротивления. Допускается измерение температуры частей электрической машины: термометром, заложенными или встроенными термопреобразователями. Предельные допускаемые превышения температуры частей электрической машины над температурой окружающей среды в конце испытания на нагревание не должны превышать значений указанных в нормативно-технической документации.

7) Испытания при повышенной частоте вращения. Испытания на повышенную частоту вращения производить в соответствии с ГОСТ 11828-86 при холостом ходе нагретой электрической машины путем соответствующего повышения частоты питающего напряжения. Электрические машины должны без повреждений и остаточных деформации выдерживать в течении двух минут указанные частоты вращения. Частоту вращения необходимо измерять дистанционными или контактными тахометрами. После проведения испытаний необходимо провести тщательный осмотр вращающихся частей. Проверить вращение ротора вручную: ротор должен проворачиваться свободно, без заеданий.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Бублик Антон Владимирович, 2026 год

Источник данных

12та (питание) " П Сканировать с конца диапазона

Линейная

Фильтр паразитных гармоник Без фильтра V

0.5 ,0

Синус-окно

ЙВ по току (201д(А/Атах)) V

□ Показать только г -1

-6.5Е+01 -7Е+01--7.5Е+01

Частотная шкала

Линейная »

Линейная »

-8.5Е+01 Рассчитанные параме

ЯМЭ по отсчётам 2136,96354694636

ЛМ5 по спектру Среднее 849.154249855811

67.6805265566277 142.616053820755 689.443258594634 50 142.616053820755

-1Е+02- КГ(иакс.гарм-ка),% Макс, амплитуда КГ(1-я гарм-ка),%

ОЕ-01 2Е+03 4Е+03 6Е+03 1 12та (питание) 1 Е+03 1Е+04 1.2Е+04

Рисунок 4.23 - Спектральный анализ сетевого тока имитационной модели неуправляемого трехфазного выпрямителя с емкостным фильтром в программе

SimInTech

Согласно, структурной схемы преобразователя частоты, приведенной на рисунке 4.3, в его состав входит автономный инвертор. Наиболее распространенной схемой такого инвертора является мостовая схема, состоящая из трех ЮВТ модулей, каждый из которых состоит из двух последовательно соединенных транзисторов со средней точкой. На структурной схеме они обозначены УТ1, УТ2, УТ3. Эти модули обладают двухсторонней проводимостью. В прямом направлении ток протекает через транзисторы от плюса выходного напряжения выпрямителя к минусу. В обратном направлении протекание тока обеспечивают включенные параллельно транзисторам диоды. Изменение частоты выходного напряжения инвертора осуществляется за счет системы управления инвертором. В системе управления сигнал задания частоты преобразуется в длительность импульсов управления, подаваемых на входы драйверов модулей УТ1, УТ2, УТ3. Амплитуда выходного напряжения инвертора определяется значением уровня напряжения на выходе синус-фильтра.

Диаграмма состояния транзисторов модулей УТ1, УТ2, УТ3 при длительности открытого состояния транзисторов, работающих в ключевом режиме, равной п, приведена на рисунке 4.24.

В каждый момент времени одновременно замкнуто по одному транзистору в модулях УТ1, УТ2, УТЭ. Состояние транзисторов в модулях изменяется через каждую шестую часть периода. Длительность одной шестой части периода (М) определяется значением частоты выходного напряжения инвертора:

т

М = . (4.34)

3 • /

л Овых

Рисунок 4.24 - Диаграмма состояния транзисторов в модулях УТ1, УТ2,

УТ3 автономного инвертора

Таким образом, изменение величины задающего сигнала частоты на входе системы управления инвертором приводит к изменению длительности М, и соответственно изменению частоты выходного напряжения инвертора [50].

Расчетная схема инвертора с широтно-импульсным регулированием (ШИМ) приведена на рисунке 4.25.

Рисунок 4.25 - Расчетная схема автономного трехфазного мостового инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией

Для упрощения составления математической модели инвертора считаем, что транзисторы, в модулях УТ1, УТ2, УТ3, являются идеальными.

В этом случае их сопротивление в открытом состоянии равно нулю; сопротивление в закрытом состоянии равно бесконечности; время включения и время выключения ключей равно нулю.

Аналитические уравнения математической модели автономного трехфазного мостового инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией имеют следующий вид:

2УТ 2

1УТ 2

= 1- (

J\VT 1 1 J 2.

= 1-

J 2.Т 1 ./1.

= 1-

./1^ 2 А ./2

= 1- (

^ 2.Т 2 и 1.

= 1-

./1^ 3 А ^ 2.Т 3

= 1-

и = и -с -с -с

^с ¿Ш 1 л 2.Т 2 л 1.

и = и - с - с - с

2 с 1.Т1 2.Т 2 2

и =и -с -с -с

^ 3 ^ с л 1ГТ1 л 2.Т 3 л

(4.35)

(4.36)

2

1

1

иа =-и--и--и.

3 1 3

3

и =- - и + - и2 - - и,

в 3 1 3 3

ис =-1 и -1 и + - и

с 3 1 3 2 3 3

(4.37)

где ^/м 2,Л.Т 3,с2.Т 2,с2.Т 3 - функции управления, характеризующие состояние транзисторов модулей УТ1, УТ2, УТ3, сформированные системой управления инвертором;

ис - напряжение на выходе емкостного фильтра; и ,и ,и - напряжение ветви инвертора;

и ,и ,и - фазные напряжения на выходе автономного инвертора. Подставив выражения системы уравнений 4.36 в систему уравнений 4.37

получаем:

ил = 1 1 2с1.Т3 с2.Т 2с2.Т 3 ^.Т3/\VT 2 )

ив = 1 ( Т 2/\VT 3 ^с 2.Т 2с2.Т 3 с2.Т 3/\VT 2 )

ис = 1 'Ц^сУ'т 1( Т21'т3 2с2.Т3 2.Т31'т 2 )

(4.38)

Выразим из системы уравнений 4.33 напряжение и с и подставим в систему равнений 4.38.

<

<

<

я —с

енутр 1,

и я — а

а п

аи

иА 1 ' п п ' /\уг \ '(2^2ут г/\утз /гутг/гутз /гутз/\ут2)

3 я — я

п внутр

1 а п ПЛ

р

„ аи

я —^

внутр

и я а

а п

ив 1 ' ^ ,4 ' 1\гт 1 '( /гут2^утз ^ ^гут2/2^з У2утъflvт 2)

з я — я

п внутр

„ аи

я —с

внутр

и я — а

ап

и = ---4п кп__Г (— Г Г — Г Г + 2 Г Г )

^С ^ ^ ^ ./1уП\ ^ 2Ут 2^1уГ з ^ гут 2^ гут з ^ 2Ут Ъ^ 1Ут 2/

п внутр

<

V

Подставим выражение (4.22) в систему уравнений (4.39):

(4.39)

1 ж

( -с - о

21аШ--—-, 1__^

-ж 6

| Е , соъ^аш -

* м 2 л

-Ж 6

4342 .

-бШ ШаШ

2

ил =

__V

Я -

Я и

тутр а

4Ж к

^ с п

Я - Я

-х

* 1 '^^РТ 2/\VT 3 с 2.Т 21~2.Т 3 ^.Т 2 )'

1 Ж

и

2

-Ж 6

| Е , соъшам -

м 2 л

-Ж 6

^6Ем 2 л V )

\

-Б1П ШаШ

2

Я

Я -

внутр

аи

_с

а

4Ж к

сп

Я - Я

х

х 1'\РТ \ -( 1'2РТ 2/1.Т 3 — ^с2РТ 21'2РТ 3 ^.Т 2 )'

Ж

и

-Ж 6

| Е , соъшаш -

м 2 л

-Ж 6

2

К

^6Ем 2 л

4342 .

-Б1П ШаШ

2

Я

Я -

внутр

аи

_с

а

4Жк (4.40)

сп

Я - Я

х

п внутр

х \ ( /2VT 2/\VT 3 с2РТ 2/2VT 3 — 2 /2VT 2 )

Приведенная система уравнений характеризует процесс регулировки уровня напряжения на выходе инвертора.

Система управления транзисторами модулей УТ1, УТ2, УТ3 состоит из нуль-органов (НО фаза А, НО фаза В, НО фаза С) и формирователей импульсов

(Ф1УТ1, Ф2УТ1, Ф1УТ2, Ф2УТ2, Ф1УТ3, Ф2УТ3).

Задающие сигналы, ща, и1Ь, щс приходящие на входы нуль-органов

представляют собой трехфазную систему синусоидальных напряжений сдвинутых относительно друг друга на 120° и частотой ю.

о

К

о

о

ща = иА1 ятМ

и1Ь = ит вт

Щс = иа

' 2 Л

Ш —я V 3 )

г 4 л

(4.41)

Ш —я V 3 )

Нуль-орган выполняет функцию сравнения задающих сигналов ща,и1Ъ,и1с и

опорного напряжения пилообразной формы и .

Алгоритм модуляции управляющих сигналов на выходе формирователей можно построить на основе следующих уравнений:

и\а > иопр ^ /\УТ 1 = 1 /гут 1 = 0 и\а < иопр ^ /\УТ 1 = 0, /гУТ 1 = 1 и1Ь > иопр ^ /\УТ 2 = 1, /гут 2 = 0 и1Ь < иопр ^ /\УТ 2 = 0, /гут 2 = 1 и1с > иопр ^ /\УТ 3 = 1, 1\ут 3 = 0

и < и ^ 1 .„_ = 0, = 1

1 с опр ^ 1УТ 3 ? ^ 2УТ 3

1 = 1 - 1

1УТ1 ¿2

2УТ1

1 = 1 - 1

2УТ1 ./1УТ1

1 = 1 - 1

1УТ 2 2УТ 2

1 = 1 - 1

2УТ 2 1УТ 2

1 = 1 - 1

1УТ 3 2УТ 3

1 = 1 - 1

2УТ 3 1УТ 3

(4.42)

Необходимо отметить, что алгоритм работы системы формирования импульсов управления исключает возможность одновременного включения двух транзисторов в одном модуле, не допуская возникновения короткого межфазного замыкания в инверторе.

Процесс формирования напряжения на выходе инвертора приведен на рисунке 4.26.

Если максимальная амплитуда задающего сигнала ща, щь, щс равна максимальному значению опорного напряжения и амплитуда первой

<

гармоники напряжения на выходе инвертора будет равна 1 Ud.

Рисунок 4.26 - Процесс формирования напряжения на выходе автономного трехфазного мостового инвертора напряжения с широтно-импульсной

модуляцией

Произведем имитационное моделирование автономного трехфазного мостового инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией в программе SmInTech. Схема имитационной модели приведена на рисунке 4.27.

Рисунок 4.27 - Схема имитационного моделирования автономного трехфазного мостового инвертора напряжения с широтно-импульсной модуляцией в

программе SimInTech Произведем моделирование сигналов напряжения на выходе фазы А автономного трехфазного мостового инвертора напряжения с ШИМ и тока на активно-индуктивной нагрузке с заданной частотой модуляции: 10Гц, 25Гц, 50Гц, 75Гц и при несущей частоте опорного напряжения 4000Гц.

Результаты моделирования приведены на рисунках 4.28, 4.29, 4.30, 4.31.

а

б

Рисунок 4.28 - С моделированный сигнал напряжения на выходе инвертора (а) и сигналы тока нагрузки и сети питания (б) при частоте модуляции 10Гц

а

б

Рисунок 4.29 - С моделированный сигнал напряжения на выходе инвертора (а) и сигналы тока нагрузки и сети питания (б) при частоте модуляции 25Гц

а

б

Рисунок 4.30 - С моделированный сигнал напряжения на выходе инвертора (а) и сигналы тока нагрузки и сети питания (б) при частоте модуляции 50Гц

а

б

Рисунок 4.31 - С моделированный сигнал напряжения на выходе инвертора (а) и сигналы тока нагрузки и сети питания (б) при частоте модуляции 75Гц

Согласно рисунку 4.3 в состав преобразователя частоты входят датчики тока и напряжения, а также система измерений, представляющая собой трехфазный ваттварметр.

Для измерения тока и напряжения используются гальванически развязанные датчики, построенные на эффекте Холла, суть которого заключается в появлении напряжения на концах проводника с током, который помещен в магнитное поле.

Конструкция такого датчика тока приведена на рисунке 4.32.

Рисунок 4.32 - Конструкция датчика на эффекте Холла

Выходным сигналом датчика является напряжение и , пропорциональное

величине магнитного поля, следовательно, - измеряемому току ¡¡.

Датчики тока и напряжения на элементах Холла устанавливаются в фазы инвертора так, как показано на рисунке 3.3.

Математическое описание датчика построенного на эффекте Холла характеризуется выражением:

^ - толщина пластины полупроводника, мкм;

1С - ток, А;

В - напряженность магнитного поля, А/м.

Сигналы напряжения с выходов датчиков поступают на входы трехфазного ваттварметра. Далее эти сигналы обрабатываются с помощью специального алгоритма цифровой обработки сигналов, ориентированного на измерения периодических сигналов, не критичного к их форме и обеспечивающего требуемую точность измерения в широком диапазоне частот и позволяющего учитывать влияние до 30-ой гармоники сигнала для частоты 50 Гц и более. Ниже приведены упрощенные алгоритмы вычисления активной и реактивной мощности. Как правило в приборах реализованы более сложные алгоритмы, позволяющие исключить влияние частоты, фазы, исключающие постоянную составляющую сигнала и влияние несинхронности выборок мгновенных значений тока и напряжения.

Вычисление активной мощности для каждого из фаз производится по формуле [51]:

(4.43)

где ин - напряжение на выходе датчика, мВ; к - постоянная Холла, см /(В -с);

(4.44)

где V - мгновенное значение напряжения; I - мгновенное значение тока;

г '

N - объем выборки.

Выражение 4.44 дает правильные результаты вычисления при любой частоте, форме сигнала и угле сдвига фаз между током и напряжением.

Вычисление реактивной мощности для каждой из фаз производится по формуле:

Q =±

1 N-1 . N-1 .

• Е/ -

N г=0 г=0

' 1 N-1 V

— тиг

ът г г

\ N г =0

= +

1

1 N-1 N-1 0 N-1

— ■(Еи?-^? -(ъир)2) (4.45)

N2 г=0 г=0 г=0

Знак реактивной мощности определяется отдельным алгоритмом.

Суммарные значения активной и реактивной мощности рассчитываются по формулам:

Р = РА + Рв + Р; (4.46)

Q = QA + Qв + Qc. (4.47)

Можно сказать, что математической моделью преобразователя частоты, в полной мере отражающей принцип формирования его выходного напряжения (заданной частоты), является совокупность выражений (4.23), (4.33), (4.34), (4.40) - (4.47).

4.3 Моделирование синус-фильтра, применяемого для улучшения формы кривой выходного напряжения преобразователя частоты

В настоящее время для улучшения кривой выходного напряжения применяются разнообразные фильтры, позволяющие сформировать на выходе преобразователя частоты трехфазное синусоидальное напряжение. Наиболее распространенным является однозвенный трехфазный синус-фильтр (ЬС-фильтр). Основной задачей такого фильтра, устанавливаемого между преобразователем частоты и нагрузкой, является снижение (затухание) гармоник появляющихся на нагрузке. Смысл синус-фильтра заключается в обеспечении параллельного пути отвода тока, при наличии последовательного элемента фильтра, на котором происходит выделение гармоник выходного напряжения преобразователя частоты. Принцип работы однозвенного синус-фильтра

представлен на рисунке 4.33.

21 - последовательный элемент фильтра, 22 - параллельный элемент фильтра Рисунок 4.33 - Схема поясняющая работу синус-фильтра

Затухание (снижение) любой гармоники зависит от соотношения полного сопротивления параллельной комбинации нагрузки и параллельно включенного элемента фильтра и общего полного сопротивления на этой частоте [52],

и

и

7

+ 7

(4.48)

где

7 7

2 _ 7 2 7Н

72 + 7Н

(4.49)

Следовательно:

и

727Н

(4.50)

И 7 7 + 7 7 + 7 7

и И 2 + Н + 7 27 Н

Как правило, параллельный элемент фильтра увеличивает токовую нагрузку преобразователя частоты, а последовательный элемент дает падение напряжения от величины тока нагрузки.

В синус-фильтре последовательным элементом является индуктивность, а параллельным элементом ёмкость. Следовательно, передаточная функция синус-фильтра будет иметь вид:

и

Н

и

(р)_

1

И

рр 28 1 ^ +— р +1

(4.51)

где со0 - резонансная частота фильтра, Гц; 8 - декремент затухания. Приведем передаточную функцию к нормализованному виду обозначив р _ ус, а отношение с/с0 через V [52]:

иН

и

1

V2 + } 28и +1

(4.52)

Рассмотрим полную обобщенную схему однозвенного фильтра, приведенную на рисунке 4.34. Потери в дросселе и конденсаторе представим в качестве активных сопротивлений R1 и R2, следовательно, передаточная функция синус-фильтра будет иметь следующий вид:

и

Н

и

(р)_

Я&Р +1

И

кСр2 +

+ ЯС + 1

я

р+1

Н У

Ь1

Преобразователь частоты

Я1

I

/к

Я2 С1

\1/

1

Rн

\|/

Рисунок 4.34 - Обобщенная схема однозвенного синус-фильтра

(4.53)

Анализ выражений (4.52) и (4.53) показывает, что:

1

с02 _

ад

— _ ЯС + ЯС +—~;

с

я

Н

8 = (ад + яс + —). 2^/ад я

(4.54);

(4.55);

(4.56).

Н

В зависимости от частоты напряжения на выходе преобразователя частоты

ипч

ин

передаточная функция синус-фильтра будет иметь вид:

. ю

и.

7~ +1

Н

и,

0'ю) =

ю

+ 7

с \

ю ю ю

—I---1—

(4.57)

Vю!

ю

2

ю

+ 1

з У

где ю1

1

ю2 =

1

юз =

я

Я1С1 ^С2 3 Из-за того что фильтрующие конденсаторы имеют очень малые потери (сопротивление R2 весьма мало), то величина ю2 относительно велика по сравнению с величинами ю.

Значение числителя выражения (4.53) определяет форму частотной характеристики и величину фазового сдвига, следовательно, затухание любой синусоидальной составляющей определенной частоты может быть легко определено для большинства фильтров с учетом выражений (4.48) - (4.50).

Частотные характеристики синус-фильтра для различных декрементов затухания 5 приведены на рисунке 4.35. Как видно из приведенных графиков при увеличении частоты в два раза степень затухания гармонических составляющих увеличивается в четыре раза.

Рисунок 4.35 - Частотные характеристики синус-фильтра для различных

декрементов затухания 5

Из всего выше перечисленного следует, что работу трехфазного синус -фильтра можно в целом описать математической моделью в виде системы уравнений:

ин

иИ 7

о

и