Исследовательский стенд для испытаний синхронных электрических машин 75 кВт

В августе 2012 года в ООО «ПетроЭнергоцентр» поступил запрос на изготовление испытательного стенда для «МАИ» (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»).

Программа «Технопарк» от 20 сентября 2014 г. на федеральном телевизионном канале «Россия 24». Изготовленное нами оборудование показано на 11 миунте 20 сек.

В соответствии с заданием испытательный стенд предназначен для проведения исследований и различных типов испытаний 3-фазных синхронных электрических машин (номинальной мощностью от 10 кВт до 75 кВт, номинальным напряжением ~3×220/380 В и 380/660 В, частотой до 400 Гц и частотой вращения до 6000 об/мин) при их работе в генераторном и в двигательном режимах в широких диапазонах изменения частоты вращения, нагрузки, величины и частоты напряжения. Питание стенда должно осуществляться от 3-фазной электрической сети напряжением ~3×220/380 В, 50 Гц.

В порядке выполнения государственного контракта по изготовлению и поставке стенда ООО «ПетроЭнергоцентр» выполнил следующие работы:

  1. разработка проектной и рабочей документации;
  2. изготовление электротехнических комплектных устройств с преобразователями частоты с регулирующим измерительно-вычислительным комплексом;
  3. комплектация оборудования стенда;
  4. монтаж и наладка оборудования на площадке МАИ.

Установленное оборудование стенда выполнено с применением наиболее совершенного оборудования и
на высоком технологическом уровне изготовления.

Работа выполнена оперативно, качественно и в сжатые сроки — «под ключ» за семь месяцев.

Рассмотрим электрическую схему стенда.

1 Для обеспечения заданных требований испытуемая машина M2 должна быть механически связана с нагрузочной машиной M1, которая также должна работать в двигательном и в генераторном режимах при таких же широких пределах регулирования параметров нагрузки. Поэтому обе электрические машины должны быть подключены к регулируемым преобразователям параметров электрической энергии, способным обеспечить требуемые диапазоны изменения нагрузок и обратимым по направлению преобразуемой мощности.

2 В качестве нагрузочной машины был выбран асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, который является наиболее простым, дешёвым и надёжным. Необходимые значения основных параметров нагрузочной машины определяются максимальными значениями параметров испытуемых машин и режимов их работы:  Uном = 380 / 220 В, Pном = 75 кВт, nном= 3000 об/мин, nмакс = 6000 об/мин, fном = 50 Гц, fмакс = 100 Гц.

3 Для управления режимами работы испытуемых синхронных машин нагрузочная машина должна быть укомплектована датчиком положения вала.

4 Питание и управление каждой из электрических машин осуществляется посредством двух одинаковых двухзвенных статических преобразователей частоты типа CIMRAC4A0165AAA, выполненных по системе «неуправляемый выпрямитель — емкостной фильтр постоянного тока — диодно-транзисторный автономный инвертор напряжения с широтно-импульсной модуляцией».

5 С целью устранения влияния на испытуемые машины гармоник напряжения, обусловленных широтно-импульсной модуляцией выходного напряжения преобразователя частоты, на его выходе устанавливается индуктивный фильтр в виде трёхфазного реактора, параметры которого определены следующим образом. Чтобы при номинальном выходном токе преобразователя частоты Iн = 165 А, при частоте f = 400 Гц и при cosφ = 0,8 уменьшение напряжения нагрузки (ΔU) вследствие падения напряжения на реакторе было около 5% номинального напряжения Uфн = 220 В.

6 Для проведения на стенде испытаний электрических машин с номинальным напряжением 660 / 380 В частотой 200 Гц и 400 Гц и номинальной мощностью до 75 кВт необходимо предусмотреть возможность повышения в √3 раз выходного трёхфазного напряжения (380 / 220 В) преобразователячастоты. В связи с отсутствием сведений о точных значениях номинальных параметров этих электрических машин определим значение их номинальноготока приближённо, приняв номинальные значения их КПД и коэффициента мощности равными соответственно h = 0,95 и cosφ = 0,8  необходимое значение номинальной мощности повышающего трансформатора приближённо равно 100 кВА.

 Для уменьшения мощности трансформаторного оборудования целесообразно вместо обычного трансформатора, у которого фазное напряжениевторичных обмоток должно быть равно U2ф.ТР = 380 В, применить вольтодобавочный трансформатор (автотрансформатор), вторичная обмотка которого включена последовательно с первичной обмоткой и её напряжение суммируется с первичным фазным напряжением U = 220 В, дополняя его до необходимого значения U= 380 В. Следовательно, напряжения вторичных обмотоктакого автотрансформатора должны быть равны 160 В. Номинальный ток соединённых в «звезду» первичных обмоток и номинальная мощность автотрансформаторабудут равны: 64 А, 43 кВА. 

 Индуктивность, обусловленная потокамирассеивания обмоток автотрансформатора, может выполнять функции фильтра выходного напряжения преобразователя частоты, но при наличии трёхфазного фильтрового реактора падение напряжения на суммарном индуктивном сопротивлениипри максимальных токах нагрузки может оказаться чрезмерно большим. Поэтому предусматривается возможность исключения из схемы трёхфазного фильтрового реактора путём шунтирования его обмоток.

9  Включение и отключение трёхфазного фильтрового реактора и автотрансформатора осуществляется электрическими аппаратами 22-QS1 и 22- QS2, расположенными в шкафу GH22.

10  Управления параметрами режимов работы испытуемых машин осуществляется следующим образом:

10.1 И в двигательном и в генераторном режимах необходимые значения частоты вращения и cosφ испытуемой машины регулируются и поддерживаются на заданном уровне питающим её преобразователем частоты ПЧ2 (величиной U2 и частотой f2 его напряжения), а значение активной мощности (в генераторном режиме) или момента нагрузки (в двигательном режиме) регулируются и поддерживаются на заданном уровне посредством преобразователя частоты ПЧ1, питающего нагрузочную машину. Частота напряжения статорных обмоток синхронной машины (f2), однозначно определяет частоту её вращения и вследствие постоянства магнитного поля постоянных магнитов возбуждения тоже однозначно определяет её ЭДС (Е2). Поэтому изменение величины напряжения U2 преобразователя ПЧ2 позволяет изменять величину и знак создающей ток разности ЭДС (U2 Е2), т. е. обеспечивает изменение величины и знака реактивного тока (реактивной мощности). То что ток, создаваемый регулировкой напряжения U2,будет именно реактивным, вытекает из отсутствия его влияния на электромагнитный момент (механическую мощность) нагрузочной асинхронной машины M1. Изменение этого момента может происходить только под влиянием изменения скольжения, которое регулируется посредством изменения частоты напряжения преобразователя ПЧ1. В свою очередь, регулирование частоты f1 преобразователя ПЧ1 не может оказать влияние на частоту вращения и ЭДС испытуемой синхронной машины и поэтому регулировки её активной и реактивной мощности почти не оказывают влияния друг на друга.

10.2 В двигательных режимах испытуемых машин нагрузочная машина переводится в режим асинхронного генератора путём уменьшения частоты напряжения f1 преобразователя ПЧ1. При этом автономный инвертор преобразователя работает в режиме обратного преобразования энергии, т. е. в режиме так называемого «активного выпрямителя».

10.3 В генераторных режимах испытуемых машин нагрузочная машина работает двигателем, а в режим обратного преобразования энергии (в режим «активного выпрямителя») переводится автономный инвертор преобразователя частоты ПЧ2, питающего испытуемую машину.

10.4 При испытаниях синхронных электрических машин, у которых магнитный поток создаётся не постоянными магнитами, а посредством обмотки возбуждения, должен дополнительно использоваться статический управляемый возбудитель 12-А4. Посредством этого возбудителя может осуществляться регулирование магнитного поля испытуемой машины или поддерживаться его постоянство при изменениях частоты вращения и нагрузки. Поэтому возбудитель 12-А4, обеспечивающий возможность изменения разности ЭДС (U2 Е2) за счёт изменения значения Е2, является дополнительным средством регулирования реактивной мощности (или cosφ) испытуемых машин.

11  Поскольку неуправляемые выпрямители используемых преобразователей частоты исключают возможность передачи в питающую сеть энергии, поступающей в звено постоянного тока через «активные выпрямители», эту энергию можно либо выделить на тормозных резисторах, либо направить по кругу из одного преобразователя частоты в другой.

12  Для реализации первого варианта необходимо выбрать тормозные резисторы по значению наибольшей мощности генераторного режима испытуемых машин, а для осуществления второго варианта нужно объединить звенья постоянного тока обоих преобразователей частоты, т. е. включить параллельно конденсаторы фильтра постоянного напряжения этих преобразователей. Несмотря на то, что второй вариант является самым экономичным и по расходу электроэнергии, и по затратам на его осуществление, для обеспечения надёжности целесообразно предусмотреть оба варианта локализации нагрузочной мощности. При этом номинальную мощность тормозных резисторов можно выбрать существенно меньшей наибольшего значения номинальной мощности испытуемых машин (75 кВт), полагая, что испытания при максимальной нагрузке могут производиться в повторно-кратковременном режиме. В зависимости от режима работы испытуемой машины (генераторный или двигательный) тормозные резисторы 23-R1 и 23-R2 вместе с транзисторными тормозными модулями 23-А1, 23-А2, обеспечивающими импульсное регулирование тока тормозных резисторов, подключаются к звену постоянного тока того из преобразователей частоты, автономный инвертор которого должен работать в режиме «активного выпрямителя».

13  Для осуществления варианта передачи энергии от электрической машины, работающей в генераторном режиме на «активный выпрямитель» своего преобразователя частоты, к преобразователю частоты, питающему машину, работающую в двигательном режиме, необходимо объединить цепи промежуточного звена постоянного тока обоих преобразователей. Чтобы ограничить возможные броски тока между конденсаторами фильтра преобразователей при их включении на параллельную работу и при начальном заряде конденсаторов, в объединяющую цепь включен резистор 23-R3.

14  Измерение всех электрических параметров режимов работы испытуемых машин (действующих значений напряжения и тока,cosφ, активной, реактивной и полной мощности статора) осуществляется при помощи датчиков мгновенного значения напряжений 22-U-TV1…TV4 и токов 22-U-TA1…TA4 статорных обмоток, а измерение механических параметров (частоты вращения, механического момента и мощности) производится посредством датчиков -В1 (датчик положения вала/частоты вращения) и -В2 (момента).

15 Выходные сигналы всех этих датчиков поступают в компьютер 11-А1, где в результате соответствующей необходимой обработки преобразуются в цифровые значения контролируемых параметров режима.

16 В качестве программной среды обработки измеренных данных используется среда графического программирования LabView — последовательное соединение функциональных блоков на блок-диаграмме.

17 Для контролирования состояния оборудования, управления и предотвращения не допустимых режимов (схем включения оборудования) используются программные контроллеры V570 Unitronics с сенсорными экранами (PAC-контроллеры). Данные контроллеры используются в качестве программно настраиваемого человеко-машинного интерфейса (HMI-интрефейс) и используются в качестве щитовых приборов для отображения измеренных или вычисленных параметров.

18 Возбуждение синхронных машин осуществляется или от высокотемпературных сверхпроводниковых (ВТСП) постоянных магнитов, или от обмотки возбуждения выполненной из ВТСП материала. Для питания ВТСП обмотки возбуждения был применён прецизионный источник питания 80 А, 120 А с повышенными параметрами по стабильности и точности выдаваемого напряжения, чем аналогичные.

Главный инженер

Волочай И.В.

Фотографии процесса монтажа и наладки