Cтенд для приемо-сдаточных испытаний крупных электрических машин

В апреле 2014 года в ООО «ПетроЭнергоцентр» поступил запрос на изготовление испытательного стенда для производственных нужд предприятия «Электросила-завод Реостат».

В соответствии с заданием испытательный стенд предназначен для проведения приёмо-сдаточных испытаний электрических машин, входящих  в состав комплексов асинхронного тягового электропривода самосвала «БелАЗ» грузоподъёмностью 136, 160 и 240 т.

Целью испытаний является оценка технических характеристик тяговых асинхронных  двигателей  типов  ТАД-5 УХЛ2  и  ТАД-7 УХЛ2   и   генераторов  синхронных  тяговых  типов  ГСТ 800/1-8 УХЛ2  и  ГСТ 1600-8 УХЛ2, их соответствие требованиям ТУ3456-213-05757908-2008, ТУ3456-221-05757908-2010 и  ТУ3456-215-05757908-2008.

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

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

Оборудование стенда выполнено с применением современного оборудования и
на высоком технологическом уровне изготовления.

Работа выполнена оперативно, качественно и в сжатые сроки — «под ключ» за пять месяцев (с апреля по август 2014 года).

Основные технические решения

Выбор основного силового оборудования испытательного стенда определяется заданным перечнем испытаний и номинальными значениями определяемых параметров. Для этой цели определяющими являются следующие пять из числа заданных пятнадцати видов испытаний см. таблицу 1 .

Таблица 1 — Основные технические требования на разработку и изготовление испытательного стенда для проведения приёмо-сдаточных испытаний

Перечень

испытаний

Номинальные значения определяемого параметра

Примечание

ТАД-5 УХЛ2

ТАД-7 УХЛ2

ГСТ800/1-8 УХЛ2

ГСТ1600-8 УХЛ2

1

2

3

4

5

6

1.Испытание междувитковой   изоляции обмотки  статора  на электрическую прочность.

1014 В,

50 Гц,

5 мин.

910 В,

50 Гц,

5 мин.

910 В,

126,7 Гц,

5 мин.

874 В

126,7Гц,

5 мин.

2.Определение  тока и потерь холстого хода, несимметрии напряжения и напряжения на дополнительной обмотке статора генератора.

29 Гц

870 об/мин

(ном.)

660/780 В

(ном.)

Uххmax=1014 В

25,5 Гц

500 об/мин

(ном.)

700 В

(ном.)

Uххmax=910 В

126,7 Гц

1900 об/мин

(ном.)

Uосн  (700-

-490В)

Uххmax=910 В

Uдоп.о.с=70 В

126,7 Гц

1900 об/мин

(ном.)

Uосн  (780-

-650В)

Uххmax=870 В

Uдоп.о.с=120 В

Х. х. х.

двигателей

допускается

определять

при  50 Гц.

3.Определение тока и потерь короткого замыкания.

29 Гц

870 об/мин (ном.)

(Uк.з.=200 В,

Uк.з.max=1200А)

25,5 Гц

500 об/мин (ном.)

(Uк.з.=200 В,

Uк.з.max=1200А)

 

 

Параметры

двигателей

при  к. з.

допускается

определять

при  50 Гц.

4.Испытание при максимальной рабочей частоте вращения.

3480 об/мин

(116 Гц)

60 мин

2870 об/мин

(147,4 Гц)

60 мин

1900 об/мин

126,7 Гц

2 часа

1900 об/мин

1 26,7 Гц

2 часа

5.Испытание при повышенной  частоте вращения.

4250 об/мин

(142 Гц)

2 мин

3590 об/мин

(183 Гц)

2 мин

2280 об/мин

(152 Гц)

2 мин

2280 об/мин

(152 Гц)

2 мин

Основные технические характеристики и параметры холостого хода испытуемых машин приведены в таблице 2.

Таблица 2 — Основные технические характеристики и параметры холостого хода испытуемых машин

Наименования параметра

ТАД-5 УХЛ2

ТАД-7 УХЛ2

ГСТ800/1-8

УХЛ2

ГСТ1600-8

УХЛ2

Номинальная мощность, Pном

кВт

610

700

800

1200

Напряжение, U

В

660

700

490/700

650/780

Частота, f

Гц

29/116

25,5/147,4

100/126,67

100/126,67

Частота вращения, n

об/мин

870/3480

500/2870

1500/1900

1500/1900

КПД, hном

%

94

92,9

cos φ

0,93

0,93

Ток холостого хода при  f = 50 Гц, Iх.х.50

А

115

136

Потери холостого хода при  f = 50 Гц,

кВт

5,0

6,5

Потери в стали при  f = 50 Гц,

кВт

4,0

5,0

(12/6)*

(20/13)*

Потери механические при  f = 50 Гц

кВт

1,0

1,5

(15)*

(14)*

Примечание : (…)* —  при  n=1900 об/мин

Выбор силового оборудования испытательного стенда должен производиться с учётом номинальных токов всех испытуемых электрических машин и ожидаемых значений тока во всех заданных испытательных режимах.

Электрическая схема стенда

Испытательные режимы двигателей ТАД-5, ТАД-7

Наибольшие значения напряжений и токов, определяющие требуемую мощность силового оборудования испытательного стенда, задаются параметрами режимов испытаний по п.п. 1, 2, 3 таблицы 1. При испытаниях двигателей в режиме холостого хода значение тока может достигать   номинальной  величины  при  повышении  его  напряжения  выше номинального (ГОСТ 7217-87, п.4.2), а в режиме короткого замыкания при пониженном напряжении ток должен примерно вдвое превышать номинальное значение.

Следовательно, для обеспечения таких режимов испытаний при частотах напряжения 29 и  25,5 Гц  (т. е.  значительно  меньших  частоты  питающей  сети) требуется преобразователь частоты номинальной мощностью, превышающей более, чем вдвое, номинальную мощность испытуемых двигателей, способный работать при номинальном токе на нагрузку с   и способный обеспечивать независимое регулирование в широких пределах частоты и величины выходного напряжения. Выпускаемые в настоящее время ведущими фирмами серийные преобразователи частоты такой мощности не соответствуют этим требованиям. Поэтому в данном случае должен использоваться преобразователь частоты специального исполнения.

Учитывая  допустимость  проведения  рассматриваемых  видов  испытаний двигателей (на холостом ходу и в режиме к. з.) при частоте 50 Гц, целесообразно  осуществлять их при  питании  от  сети  380/220 В  через индукционный регулятор напряжения и дополнительный согласующий (обеспечивающий как повышение, так и понижение напряжения) трансформатор. Корме того, для уменьшения номинальной мощности этих силовых элементов и для снижения величины потребляемого из сети реактивного тока целесообразно использовать батарею статических косинусных конденсаторов.

Индукционный регулятор номинальной мощностью 500 кВА обеспечивает предварительное повышение напряжения (примерно в 1,5 раза выше уровня напряжения 3-фазной питающей  сети  380/220 В) и плавную его регулировку от нуля  до максимального уровня  650/376 В.

Согласующий трансформатор, включённый на выход индукционного регулятора,  при  проведении  испытаний на холостом ходу двигателей  (по  п.п. 1, 2 таблицы 1) осуществляет  повышение  напряжения  примерно  на  60%, обеспечивая  возможность  его  регулирования до  требуемой  максимальной  величины  1014/585 В. В этом случае согласующий трансформатор работает в автотрансформаторном режиме: его вторичные обмотки выполняют роль вольтодобавочных и включены последовательно в каждую из фаз выходного напряжения индукционного регулятора. Использование автотрансформаторного режима обеспечивает в данном случае уменьшение расчётного значения мощности согласующего трансформатора примерно в 2,7 раза.

При проведении испытаний по определению параметров короткого замыкания   двигателей   (по п.3 таблицы 1)   согласующий   трансформатор осуществляет  понижение  напряжения  в 3 раза. Во столько же раз уменьшается расчётное значение токовой нагрузки индукционного регулятора напряжения. В этом режиме питающие испытуемый двигатель вторичные обмотки трансформатора соединены в «треугольник», что обеспечивает снижение выходного напряжения и тока первичных обмоток в √3 раз.

Выбранные схемы соединения и параметры обмоток согласующего трансформатора облегчают в обоих описанных режимах осуществление компенсации реактивной составляющей тока нагрузки. Для компенсации целесообразно использовать две конденсаторные батареи, подключенные к первичным и ко вторичным обмоткам  согласующего трансформатора.

Конденсаторы батареи, подключённой к первичной обмотке трансформатора, соединены в «треугольник» и выбираются на номинальное напряжение 690 В. Эта батарея обеспечивает уменьшение реактивной нагрузки только индукционного регулятора, не оказывая влияния на токовую нагрузку согласующего трансформатора.

Конденсаторы второй батареи во всех испытательных режимах подключены к  каждой вторичной фазной обмотке трансформатора и могут выбираться на номинальное напряжение 230 В. Эти конденсаторы обеспечивают снижение реактивного тока в обмотках и согласующего трансформатора, и индукционного регулятора.

В обоих видах испытаний двигателей (холостого хода и короткого замыкания) максимальное напряжение на конденсаторах близко к номинальному значению, что означает хорошее использование их мощности.

Испытания двигателей по п.п. 4 и 5 таблицы 1 (при максимальной рабочей и при повышенной частоте вращения) производятся на холостом ходу при питании от статического преобразователя частоты. Формируемое методом широтно-импульсной модуляции выходное 3 — фазное напряжение преобразователя обеспечивает получение в цепи активно-индуктивной нагрузки близкую к синусоиде форму тока в широком диапазоне регулирования его частоты и величины. Соотношение значений величины и частоты выходного напряжения преобразователя может изменяться в достаточно широких пределах. Максимальное значение выходного напряжения преобразователя, питаемого от 3-фазной сети 380/220 В, также  составляет 380/220 В. Поэтому для получения большего уровня напряжения регулируемой частоты должен использоваться повышающий трансформатор.

Токи  двигателей  на  холостом ходу  при максимальной рабочей частоте вращения, определяющие  токовую нагрузку преобразователя в этих видах испытаний можно рассчитать по приведенным в таблице 2  параметрам режима холостого хода.

При работе двигателей на максимальной рабочей частоте вращения вхолостую уменьшение напряжения от номинальной величины (660 — 700) В  до значения 380 В вызывает уменьшение тока на  (35 — 45) %. Это позволяет сделать вывод о возможности проведения испытаний двигателей на максимальных рабочих и на повышенных частотах вращения (п.п. 4 и 5 табл.1) при их питании  непосредственно от преобразователя частоты, т. е. без использования повышающего трансформатора и индукционного регулятора напряжения.

Очевидно, что такой же вывод и примерно такие же значения токов нагрузки преобразователя частоты могут быть получены для испытаний двигателей на повышенной частоте вращения.

Следует  также  отметить,  что  уменьшение  напряжения  до  значений  ниже 380 В,  может  вызвать  дополнительное  снижение  тока  холостого  хода двигателей в рассматриваемых статических режимах, но динамические токи при разгоне двигателей вследствие ослабления магнитного потока могут значительно  возрасти. Поэтому снижение напряжения преобразователя ниже 380/220 В следует считать нецелесообразным.

На рисунке 1 отдельными точками обозначены соотношения значений величины  и  частоты  напряжения  всех  указанных  в  таблице 1 испытательных режимов двигателей. Точки  (5-1)…(5-5)  относятся к двигателю ТАД-5 УХЛ2, а  точки   (7-1)…(7-5)  —  к двигателю   ТАД-7 УХЛ2.

Рисунок 1 — Испытательные режимы двигателей

Точки (5-1) и (7-1) соответствуют нижнему уровню частоты вращения в рабочем режиме (по таблице 2) и заданному в п.2 таблицы 1 режиму испытаний на холостом ходу двигателей. Точки (5-2) и (7-2) соответствуют допускаемым (по п.2 таблицы 1) режимам испытаний на холостом ходу при частоте 50 Гц, а точки (5-3) и (7-3) соответствуют испытательному режиму по п.1 таблицы 1.

Пунктирные прямые линии, проведенные из начала координат через точки (5-1) и (7-1) соответствуют примерному постоянству степени насыщения магнитной системы двигателей. Расположение всех остальных точек ниже этих линий свидетельствует о том, что при нормальных параметрах испытуемых двигателей во всех рассматриваемых видах испытаний насыщение магнитной системы будет не выше, чем на нижней скорости рабочего режима.

Точки (5-4’), (7-4’)  и  (5-5’), (7-5’) соответствуют режимам испытаний при номинальных значениях напряжения (660 В – для ТАД-5 УХЛ2 и 700 В – для  ТАД-7 УХЛ2), при максимальной рабочей (по п.4 таблицы 1) и при повышенной (по п.5 таблицы 1) частоте вращения.

Точки (5-4), (7-4)  и  (5-5), (7-5) соответствуют тем же скоростным режимам испытаний, но при пониженном до 380 В напряжении. Как было отмечено выше, это обеспечивает уменьшение тока двигателей и позволяет отказаться в этих режимах от использования повышающего трансформатора и индукционного регулятора напряжения и осуществлять питание двигателей непосредственно от преобразователя частоты. Учитывая, что при этом магнитное поле двигателей будет значительно ослаблено, их разгон до максимальной и до повышенной частоты вращения следует производить в достаточно замедленном темпе, причём на начальной стадии разгона величину и частоту напряжения (до напряжения 380 В и частоты 50 Гц ) следует изменять одновременно, а последующее повышение частоты (к точкам   (5-4), (5-5), (7-4), (7-5)) осуществлять при постоянстве напряжения.

Необходимый для проведения испытаний по п. п. 1 и 2 таблицы 1 разгон двигателей до частоты напряжения 50 Гц (что соответствует частоте вращения 1500 об/мин — для двигателя  ТАД-5 УХЛ2  и  1000 об/мин — для  двигателя  ТАД-7 УХЛ2) также следует производить от преобразователя частоты. После окончания такого разгона двигателя его следует отключить от преобразователя и подключить на выход согласующего (повышающего) трансформатора, напряжение которого должно быть предварительно согласовано по чередованию фаз и с помощью индукционного регулятора установлено на уровне значения около 380/220 В. Последующее плавное повышение напряжения  с помощью индукционного регулятора должно сопровождаться контролем тока и ступенчатым повышением ёмкости конденсаторов компенсирующих батарей.

Соответствующее значение номинальной мощности конденсаторных батарей (при «номинальном» напряжении 1088 В) будет 1030 кВАр

Эту мощность следует распределить между двумя конденсаторными батареями, подключаемыми к первичным и к вторичным обмоткам  повышающего трансформатора. Принимая соотношение между мощностями конденсаторных батарей равным коэффициенту трансформации повышающего трансформатора (т.е. равным √3).

Опыт короткого замыкания ТАД-5, ТАД-7

Согласно п.5 «Программы и методике испытаний» обоих типов двигателей (ОБС.470.700 ПМ  и  ОБС.470.707 ПМ) при проведении приёмо-сдаточных испытаний допускается замена опыта короткого замыкания по п.3 таблицы 1 на проверку работы двигателя при реверсе, который выполняется с установившегося режима при частоте 50 Гц и токе статора равном  1,5Iном.

Целесообразно выполнять такой вид испытаний, используя для разгона двигателей преобразователь частоты. После плавного повышения частоты и величины напряжения до значений 380/220 В, 50 Гц двигатель следует отключить от преобразователя частоты и подключить к выходу согласующего трансформатора, на котором с помощью индукционного регулятора предварительно установлено напряжение около 50 — 100 В при обратном (по сравнению с преобразователем частоты) чередовании фаз. Затем путём  плавного повышения напряжения с помощью индукционного регулятора следует установить требуемое значение тока двигателя.

В тоже время следует учитывать то, что оборудование стенда позволяет выполнить опыт короткого замыкания с блокированием вала двигателя. Мероприятия по блокированию вала занимают длительное время. Поэтому рекомендуется заменить опыт короткого замыкания двигателей с блокированием вала на работу двигателей при реверсе.

Испытательные режимы ГСТ-800, ГСТ-1600

Все виды испытаний генераторов по таблице 1 проводятся при их работе в двигательных режимах, на холостом ходу и при питании от преобразователя частоты. Необходимые (заданные в таблице 1) сочетания значений величины и частоты напряжения для разных видов испытаний обозначены точками (1)…(4) на рисунке 2, а — для генератора ГСТ 800 УХЛ2, б —  для генератора ГСТ 1600 УХЛ2. Точки (1) и (2) соответствуют испытаниям по п. п. 1 и 4 таблицы 1, точки (3) соответствуют п.1, а точки (5) —  п.5.

Главная отличительная особенность в проведении испытаний генераторов заключается  в необходимости контролировать и изменять величину тока возбуждения с целью ограничения реактивной составляющей тока.

Рисунок 2 – Испытательные режимы генераторов:
а — для ГСТ-800; б — для ГСТ-1600

Прямые линии, проведенные на рисунке 2 (а,б) через начала координат и точки (1) и (2) соответствуют постоянству величины магнитного потока. Поскольку магнитное поле в режимах, определяемых точками (1), соответствует номинальным режимам генераторов, в режимах всех точек, расположенных выше линий, проходящих через точку (1), магнитный поток должен быть выше номинального. Поэтому осуществление режимов, соответствующих точкам (3), может встретить затруднение вследствие насыщения магнитной цепи генераторов. В этих случаях необходимые значения скорости могут быть достигнуты при некотором повышении частоты — в режимах, соответствующих точкам  (3′).

Поскольку реактивная составляющая тока генераторов помимо значений основных параметров режима работы зависит от тока возбуждения, для заданных в таблице 1 испытательных режимов можно рассчитать только активные составляющие тока.

Наибольшее ожидаемое значение активного тока вторичной обмотки высокочастотного трансформатора составляет менее 35 А. Если принять  его  равным  реактивной  составляющей  (т.е. задаться  значением  cosφ 0,7),  то  расчётное  значение  вторичного  тока  будет  не  более  50 А.

Соответственно расчётное значение полной мощности при  частоте  126,7 Гц составит 78,8 кВА.

При пересчёте на частоту 50 Гц это соответствует массо-габаритной мощности трансформатора около 30 кВА.

Система измерения и управления стендом

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 -TV и токов -TA1 статорных обмоток, а измерение механических параметров (частоты вращения, вибрация) производится посредством датчиков -В1 (датчик положения вала/частоты вращения), -B2 (датчик вибрации).

Выходные сигналы всех этих датчиков поступают в промышленный компьютер на плату аналого-цифрового преобразования (АЦП), где в результате соответствующей необходимой обработки преобразуются в цифровые значения контролируемых параметров режима.

Для возможности снятия измеряемых данных лабораторными аналоговыми приборами предусмотрены измерительные трансформаторы тока и напряжения с выводом измерительных цепей на пульт управления стендом. Эти измерительные трансформаторы являются дополнительными для обеспечения возможности дублирования измерений.

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

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.

Для обеспечения автоматических переключений между различными схемами испытаний (пуск, стоп, реверс) используются выключатели нагрузки – разъединители с моторными приводами. Они обеспечивают время переключения 2-3 с. Их  применение значительно ускоряет процесс проведения испытаний в в производственных целях (при большом количестве испытуемой продукции)

Главный инженер

Волочай И.В.

Видео

Фотогалерея
Фотографии в альбоме «Стенд ТАД7 ГСТ1600», автор petroenergocenter на Яндекс.Фотках

СтендТАД7