Комплексный испытательный стенд для испытаний электромеханических преобразователей и накопителей энергии

Комплексный испытательный стенд предназначен для проведения испытаний и исследований трёх видов электрических машин (электромеханических преобразователей):

  1. двигателя мощностью 200 кВт;
  2. генератора мощностью 1000 кВт;
  3. кинетического накопителя энергии (КНЭ) с объёмом запасаемой энергии 5 МДж.

Соответственно этому, комплексный испытательный стенд состоит из трёх территориально и электрически связанных стендов:

  1. двигательного стенда;
  2. генераторного стенда;
  3. стенда накопителя энергии.

Питание стенда осуществляется от 3-фазной 4-проводной сети переменного тока 380/220 В, источником энергии для которой служит комплектная трансформаторная подстанция (КТП) 6 кВ/400 В, мощностью 1 МВА.

Однолинейная схема силовых цепей комплексного испытательного стенда показана на рис.1.

Рис. 1 — Однолинейная схема силовых цепей КИС

Стенд обеспечивает:

  • использование существующих электромашинных преобразователей;
  • плавный запуск и регулирование частоты вращения испытуемых изделий от нуля до
    номинальных и максимальных значений;
  • плавную остановку уменьшением частоты вращения или самовыбегом;
  • управление нагрузочных модулем с помощью персонального компьютера (ПК) и дистанционного пульта управления (ПУ);
  • управление ПИТ, ИПТ, ИТ — как с ПУ так и с помощью ПК;
  • управление коммутационной аппаратурой — только с ПУ;
  • световую сигнализацию на ПУ положения исполнительных органов коммутационной аппаратуры;
  • частичное управление с ПУ силовым оборудованием комплексного стенда;
  • защиту генератора G1 от превышения оборотов на 10 % от Nном;
  • защиту от отсутствия тока в обмотке возбуждения двигателя постоянного тока М1;
  • защиту от выхода из строя обмоток возбуждения;
  • защиту генератора G1, и двигателя М3 от потери давления охлаждающий жидкости в камерах охлаждения;
  • взаимную блокировка выключателей SF и SF11 при использовании ручного управления током в обмотке возбуждения генератора G3;
  • контроль работы силового оборудования встроенными в ПУ аналоговыми приборами с классом точности не хуже 1,5- 2,5;
  • контроль электромагнитных параметров генератора G1 и двигателя М3 аналоговым лабораторными приборами с классом точности не хуже 0,5 и компьютером, являющимся приоритетным средством измерения;
  • контроль электромагнитных параметров КНЭ с помощью ПК;
  • измерение температур испытуемых изделий в 10 (десяти) точках с помощью компьютера.

Силовая коммутационная аппаратура выбрана исходя из значения действующего тока не ниже 1,2 Iн и напряжения не ниже Uн.

Типы испытываемого оборудования

Генератор переменного тока

Параметры генератора переменного тока:

Номинальная мощность, кВт 1000
Номинальное линейное напряжение, В 1200
Номинальный ток, А 480
Номинальная частота, Гц 50
Номинальная частота вращения, об/мин 600
Коэффициент мощности 1,0
Номинальный ток обмотки возбуждения, А 60

Напряжение переменного тока снимается с трансформатора 1000 кВА трансформаторной подстанции с силовых шин РУ-0,4 кВ после вводного выключателя и подаётся на привод постоянного тока DCS800 c выходным током 2500 А.

Далее напряжение постоянного тока подаётся на существующий электромашинный агрегат постоянного тока -M1 типа 2МП-2000-315У4. К валу машины подключен испытуемый синхронный генератор 1000 кВт -G1.

Напряжение 1200 В подаётся с выводов испытуемого генератора на понижающий трансформатор -T1 мощностью 1250 кВА и напряжением на вторичной обмотке 400 В.

Далее электрическая энергия подаётся на нагрузочное устройство Crestchic Loadbanks мощностью 1250 кВА. Данное нагрузочное устройство позволяет регулировать коэффициент мощности в пределах 0,8…1,0.

Электродвигатель

Параметры электродвигателя

Номинальная мощность Pном.ИД , кВт 200
Номинальное линейное напряжение, В 778,5
Номинальный ток, А 183
Номинальная частота fном.ИД , Гц 75
Максимальная частота, Гц 200
Коэффициент мощности 0,8
Номинальная частота вращения, об/мин 1500
Максимальная частота вращения, об/мин 4000
Номинальный ток обмотки возбуждения, А 50

Напряжение переменного тока снимается с РУ-0,4кВ трансформаторной подстанции и с помощью
кабелей подаётся на преобразователь частоты ACS550 с мощностью 250 кВт.

Далее напряжение частотой 75 Гц после сглаживающего фильтра типа dU/dT поступает на повышающий трансформатор –T2 мощностью 315 кВА с номинальной частотой 75 Гц.

После трансформатора электроэнергия напряжением 780 В подаётся на испытуемый электродвигатель –М3.

К валу испытуемой эл.машины подключён нагрузочный синхронный генератор 250 кВт –G3.

С выводов генератора напряжение подается на нагрузочное устройство Crestchic Loadbanks мощностью 1250 кВА.

Кинетический накопитель энергии

Параметры кинетического накопителя энергии

Запасаемая энергия WН, МДж 5
Выходная мощность PН, кВт 100
Выходное линейное напряжение UН, В 150….350
Номинальный ток IН, А 160
Максимальная частота fН, Гц 200
Максимальная частота вращения  nН.макс , об/мин 12000
Мощность заряда PН.зар, кВт 20…30
Время заряда tН.зар, с 300
Выходная мощность PН.раз, кВт 100
Время разряда tН.раз, с 25
Выходная частота с использованием статического преобразователя частоты fвых, Гц 50

Напряжение переменного тока снимается с РУ-0,4 кВ трансформаторной подстанции и с помощью
кабелей подаётся на преобразователь частоты ACS550 с мощностью 250 кВт.

Далее напряжение частотой 400 Гц 400 В после сглаживающего фильтра типа dU/dT подаётся на испытуемый КНЭ.

После заряда КНЭ преобразователь частоты ACS550 отключается и энергия с КНЭ подаётся на преобразователь частоты с функцией рекуперации ACS800 мощностью 100 кВт.

Электроэнергия подаётся в питающую сеть (рекуперируется). Уровень мощности снимаемой с КНЭ контролируется по приборам измерительного комплекса.

Расчёт параметров и выбор основных элементов силовых цепей

Питание стенда

Основные параметры питающего трансформатора 6 кВ/380 В

Номинальная  мощность Sном , кВА 100
Напряжение короткого замыкания uk, % 6,5
Ток холостого хода iхх, % 0,5
Потери холостого хода Pхх, кВт 1,6
Потери короткого замыкания Pкз, кВт 12,8

Соответственно этому, другие параметры трансформатора равны:

 номинальный вторичный ток 1,52 кА
активная составляющая сопротивления короткого замыкания 0,0128 о.е.
реактивная составляющая сопротивления короткого замыкания 0,064 о.е.

Основной нагрузкой сети 380/220 В, является нереверсивный бестрансформаторный 3-фазный мостовой тиристорный преобразователь с номинальным выходным током 2500 А. Преобразователь используется в схеме генераторного стенда для питания приводного (гонного) двигателя испытуемого генератора и в схеме двигательного стенда – для питания приводного (гонного) двигателя электромашинного преобразователя частоты.

Оценив приближённо реактивное сопротивление питающей сети 6 кВ величиной около 10 % сопротивления трансформатора, примем относительное значение полного индуктивного сопротивления цепи переменного тока тиристорного преобразователя равным 0,07 о.е.

При номинальной мощности испытуемого генератора PG ном = 1000 кВА, полная мощность тиристорного преобразователя, питающего его гонный двигатель, составит SV = 1325 кВА.

С учётом других нагрузок сети 380/220 В (возбудители генератора и гонных двигателей, питание систем управления и пр.), которые можно приблизительно оценить величиной 60-100 кВА, общая нагрузка трансформаторной подстанции составит Sтр = 1400 кВА.

При номинальной мощности КТП Sном= 1000 кВА, работа с номинальной нагрузкой генератора возможна только в кратковременном или в повторно-кратковременном режиме при относительной продолжительности включения ПВ = 50 %.

Вследствие бестрансформаторного варианта схемы тиристорного преобразователя форма кривой напряжения сети 380/220 В будет значительно искажена из-за воздействия высших гармоник тока преобразователя. Значение коэффициента искажения синусоидальности определяется соотношениями, из которых находим искомое значение ΔUV = 0,19,

Таким образом, следует ожидать, что при номинальной нагрузке испытуемого генератора «коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения» сети 380/220 В (по ГОСТ 13109-97) или «суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения» (по ГОСТ 32144-2013) составит около 19 %. Это почти в 2,5 раза превышает его нормально допустимое значение (8 %) и более, чем в 1,5 раза превышает его предельно допустимое значение (12 %). Характер искажения синусоид фазного и линейного (междуфазного) напряжения сети для рассмотренного случая иллюстрируют кривые uф1(ωt) и uл1(ωt) на рис.2, а.

Такие искажения могут весьма негативно влиять на работу других маломощных потребителей, подключённых к сети 380/220 В.

Причина высокого уровня искажений напряжения состоит в том, что всё, достаточно большое по величине, индуктивное сопротивление цепи переменного тока тиристорного преобразователя сосредоточено в источнике питания сети 380/220 В. Поэтому уменьшить искажения напряжения можно путём подключения на вход тиристорного преобразователя дополнительных индуктивностей (реакторов).

Однако, в связи с достаточно большой величиной уже имеющегося индуктивного сопротивления xc = 0,07, относительное значение индуктивного сопротивления реакторов, из-за увеличения коммутационного падения выпрямленного напряжения, не может быть выбрано более (0,6…0,8)xc.

В частности, в качестве дополнительных индуктивностей могут быть использованы два включённых параллельно сухих 3-фазных токоограничивающих реактора серии РТСТ с следующими параметрами:

Тип: РТСТ-820-0,0505У3
Номинальное линейное напряжение питающей сети 410 В
Номинальный ток 820 А
Индуктивность фазы, Lр 0,0505 мГн
Масса 178 кг

При параллельном включении двух реакторов относительное значение их индуктивного сопротивления будет равно xc = 0,055 Ом.

Суммарное значение индуктивного сопротивления в цепи переменного тока тиристорного преобразователя составит xc+xр = 0,125 Ом.

Значение коэффициента искажения синусоидальности в таком случае составит ΔUV = 0,128.

Таким образом, «суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения» уменьшается почти в полтора раза, но остаётся несколько больше, чем предельно-допустимое значение — 12%.

Формы искажённых кривых фазного и линейного напряжений для этого случая показаны на рис.2, б.

Для дальнейшего уменьшения искажений в сети 380/220 В необходимо кроме реакторов на входе тиристорного преобразователя использовать емкостные или резонансные индуктивно-емкостные фильтры.

а) б)

Рис.2 — Характер искажения синусоид

Генераторный стенд

Номинальные данные испытуемого генератора приведены выше.

В качестве гонного двигателя генератора используется имеющийся на стенде двухъякорный двигатель постоянного тока типа 2МП-2000-315У4 со следующими значениями основных параметров рабочего режима:

Номинальная мощность, кВт 2 х 1000
Номинальное напряжение, В 440
Номинальная частота вращения, об/мин 400
Максимальная частота вращения, об/мин 800

Как следует из сопоставления номинальных значений мощности и частоты вращения этих двух электрических машин, работа испытуемого генератора в номинальном режиме может быть обеспечена при использовании одного из двух якорей гонного двигателя, но для получения номинальной скорости генератора двигатель должен работать с ослабленным полем. Небольшая перегрузка двигателя по току и по моменту (около 3%) не будет представлять для него опасности, если напряжение якоря не будет существенно ниже номинального, и, если непрерывная работа в этом режиме будет не слишком продолжительной (более одного часа).

Питание якорных цепей гонного двигателя осуществляется от имеющегося на стенде бестрансформаторного нереверсивного 3-фазного мостового тиристорного преобразователя, подключённого непосредственно к сети 380/220 В. Вследствие приблизительного равенства суммарной мощностинагрузок, подключённых к сети 380/220 В стенда, и мощности трансформатора, питающего эту сеть, возможно значительное ухудшение показателей качества напряжения этой сети.

В качестве резервного варианта предусмотрена возможность использовать для питания гонного двигателя имеющуюся на стенде двигатель-генераторную установку (двухмашинный агрегат) — высоковольтный синхронный двигатель мощностью 1000 кВт, питаемый от сети 6 кВ, и генератор постоянного тока номинальной мощностью 960 кВт, номинальным напряжением 460 В.

Питание обмотки возбуждения генератора осуществляется от статического управляемого выпрямителя.

Так же, как и гонный двигатель испытуемого генератора, этот резервный агрегат способен обеспечить работу генератора с номинальной нагрузкой только в течение ограниченного промежутка времени.

Питание обмотки возбуждения испытуемого генератора осуществляется от нереверсивного тиристорного преобразователя.

Нагрузкой генератора является активно-индуктивный модуль максимальной мощностью 1250 кВА, позволяющий при номинальном напряжении 400 В регулировать ступенчато и независимо друг от друга активную и реактивную составляющие полной мощности. Активная мощность может изменяться пятнадцатью ступенями от нуля до 1000 кВт, а реактивная — одиннадцатью ступенями от нуля до 750 кВАР. Для согласования по номинальному напряжению нагрузочного модуля с генератором используется трансформатор 1200В/380В мощностью 1250 кВА.

Продолжительность остановки генератора при отключении гонного двигателя без применения каких-либо тормозных средств (т.е. свободным выбегом) вследствие значительной величины момента инерции электромашинного агрегата будет исчисляться минутами. Значительно ускорить этот процесс можно, если не отключать нагрузку и возбуждение генератора до полной его остановки. Тогда при максимальной мощности нагрузочного модуля время остановки будет менее двадцати секунд. Чтобы при аварийной остановке её время составляло менее пяти секунд, необходимо использовать тормозной режим гонного двигателя. При нереверсивном тиристорном преобразователе, питающем якорную цепь гонного двигателя, для его перевода в режим торможения необходимо обеспечить реверс его магнитного поля. Поэтому питание обмоток возбуждения гонного двигателя осуществляется от реверсивного тиристорного преобразователя.

Поскольку при испытаниях генератора необходимо обеспечивать постоянство частоты его вращения, гонный двигатель должен работать в замкнутой автоматической системе регулирования с обратной связью по скорости. Обычно, с целью повышения КПД и динамических свойств электропривода постоянного тока, разгон и работа двигателя до основной (номинальной) скорости осуществляется при регулируемом напряжении якоря и неизменном полном (номинальном) магнитном поле, а для работы в диапазоне скорости выше основной производится регулирование (ослабление) поля при номинальном напряжении якоря. Такое двухзонное регулирование скорости требует при торможении привода с нереверсивным тиристорным преобразователем усложнённого алгоритма управления напряжением якоря и полем двигателя. Нарушение или неточное выполнение этого алгоритма может вызвать опасное повышение напряжения на якоре двигателя или аварийное опрокидывание инверторного режима тиристорного преобразователя.

Учитывая, что длительная работа испытуемого генератора при частоте вращения ниже номинальной не представляет практического интереса, целесообразно, с целью упрощения и повышения надёжности, все рабочие режимы осуществлять при ослабленном поле гонного двигателя. В этом случае регулирование скорости во всём диапазоне будет осуществляться только изменением напряжения якоря, а поле двигателя должно изменяться (реверсироваться) только перед началом тормозного режима. Кроме того, такое однозонное регулирование скорости двигателя позволяет использовать в контуре регулирования вместо сигнала датчика скорости сигнал обратной связи по ЭДС двигателя.

Функциональная схема электропривода, реализующая алгоритм однозонного регулирования скорости и обеспечивающая тормозной режим двигателя с рекуперацией энергии в питающую сеть, приведена на рис.3. На основе тиристорного преобразователя ТП выполняется замкнутая автоматическая система регулирования скорости с внутренним подчинённым контуром регулирования тока якоря. Регулирование тока возбуждения также осуществляется в замкнутой автоматической системе управления.

Рис.3 — Функциональная схема электропривода
ТП, ТВ — тиристорный преобразователь и тиристорный возбудитель соответственно;
РС и ДТ, РТ и ДТ, РТВ и ДТВ — регуляторы и датчики скорости, тока якоря и тока возбуждения соответственно;
МУ1, МУ2 — множительные устройства;
ЗИ — задатчик интенсивности;
WЯ, WF, WМ — передаточные функции соответственно якорной цепи, цепи обмотки возбуждения двигателя и механической части привода.

Задатчик интенсивности ЗИ формирует сигнал задания регулятору скорости, обеспечивая постоянство заданного значения ускорения в процессе разгона привода. При торможении привода запаздывание выходного сигнала задатчика интенсивности относительно входного должно быть достаточно малым, т. е. темп уменьшения должен быть значительно выше темпа увеличения.

Множительные устройства МУ1, МУ2 предназначены для изменения полярности сигнала обратной связи по скорости ωос и сигнала задания тока  возбуждения IF зад..

Показанное на рис.3 положение переключателей S1 и S2 соответствует выключенному состоянию (стоянке) двигателя. В основном рабочем режиме переключатели должны находиться в положениях: S1 — в верхнем, S2 — в левом, S3 — в нижнем.

Снимаемый с потенциометра R1 сигнал заданного значения скорости (частоты вращения) ωзад должен соответствовать номинальной частоте вращения испытуемого генератора (600 об/мин  или  20π рад/сек), а снимаемый с потенциометра R4 сигнал заданного тока возбуждения IF зад должен соответствовать такому его значению, при котором номинальное значение частоты вращения генератора обеспечивается при номинальном значении ЭДС гонного двигателя ЕЯ. Потенциометром R2 устанавливается время разгона двигателя, а потенциометром R3 уровень ограничения тока якоря (токовой отсечки).

Для быстрой (аварийной) остановки генераторного агрегата необходимо вначале установить переключатель S2 в правое положение (что соответствует нулевому уровню заданного значения скорости), а затем установить переключатель S3 в верхнее положение.

Процесс изменения во времени некоторых величин в системе управления и в силовой цепи электропривода при быстром аварийном торможении приближённо показан на рис.4. График иллюстрирует только последовательность и характер (направление и диапазон) изменения сигналов управления ωзад, ωос, и физических  величин ωМ, Ed, EЯ, IЯ, IF.

Рис.4 — График последовательности и характера изменения сигналов управления

Переключение в момент времени t1 переключателя S2 из левого положения в правое вызывает скачкообразное уменьшение до нуля сигнала ωос и быстрое уменьшение выходного сигнала задатчика интенсивности. Вследствие этого происходит быстрое уменьшение ЭДС тиристорного преобразователя Еd до максимального отрицательного значения (т. е. до его предельного значения в инверторном режиме) и быстрое уменьшение до нуля якорного тока IЯ.

При переключении в момент времени t2 переключателя S3 из нижнего положения в верхнее происходит мгновенное изменение полярности сигнала задания регулятору тока возбуждения и замедленное цепочкой R5-C изменение полярности сигнала обратной связи ωос. Это вызывает достаточно быстрое реверсирование тока возбуждения IF и ЭДС двигателя ЕЯ, которое завершается в момент времени t3.

В результате изменения в момент времени t4 > t3 полярности сигнала ωос начинает увеличиваться (т. е. уменьшаться по абсолютной величине, сохраняя отрицательную полярность) ЭДС тиристорного преобразователя Еd. Как только ЭДС преобразователя превысит ЭДС двигателя появляется и начинает увеличиваться, создавая тормозной момент, ток якоря двигателя IЯ. Максимальное значение якорного тока ограничивается установленным значением токовой отсечки. При ограничении тока на уровне не более полуторакратного номинального значения полное время остановки (от момента t1 до момента t5) может составить менее пяти секунд.

Если вместо датчика скорости двигателя использовать датчик ЭДС, полярность которой автоматически изменяется при изменении направления потока возбуждения, из схемы управления следует исключить множительное устройство МУ1 и цепочку временнóй задержки R5-C.

При использовании резервного варианта питания двигателя от электромашинного преобразователя также целесообразно во всех режимах работать с ослабленным полем гонного двигателя. Регулирование частоты вращения испытуемого генератора во всех режимах его работы, включая разгон, работу с разными нагрузками и торможение (остановка), обеспечивается изменением тока возбуждения генератора электромашинного преобразователя.

Контроль параметров механической мощности, подводимой к валу испытуемого генератора, может производиться только приближённо — по величине разности электрической мощности, потребляемой якорем гонного двигателя, и мощности его потерь без учёта потерь на возбуждение (т. е. потерь механических, в меди якорной обмотки и в стали).

Контроль параметров выходной электрической мощности испытуемого генератора (напряжения, тока, частоты, коэффициента мощности, активной, реактивной и полной мощности) обеспечивается по электроизмерительным приборам с достаточно высокой точностью.

Двигательный стенд

Номинальные данные испытуемого синхронного двигателя приведены выше.

Для согласования значений номинального напряжения питание двигателя осуществляется через повышающий трансформатор 380B/780 B мощностью 315 кВА, первичная обмотка которого может подключаться к одному из двух преобразователей частоты — статическому или электромашинному. Двухзвенный статический преобразователь с промежуточным звеном постоянного тока мощностью 280 кВт является основным источником питания. Он подключается к сети 380/220 В и состоит из неуправляемого (диодного) выпрямителя, питающего звено постоянного тока преобразователя, и автономного диодно-транзисторного инвертора напряжения. Автономный инвертор осуществляет формирование выходного напряжения методом широтно-импульсной модуляции и обладает свойством преобразовывать электрическую энергию в прямом и в обратном направлении. Однако диодный выпрямитель не позволяет передать энергию из звена постоянного тока в питающую сеть. Поэтому в звене постоянного тока используется тормозной модуль, предотвращающий при торможении двигателя опасное повышение уровня постоянного напряжения. Для улучшения формы кривой выходного напряжения преобразователя на его выходе включен 3-фазный индуктивный фильтр. Статический преобразователь частоты обеспечивает весь требуемый для испытаний двигателя диапазон значений напряжения, частоты, мощности.

Электромашинный преобразователь выполнен из имеющегося на стенде силового оборудования. Он состоит из двух электромашинных агрегатов, на валу каждого из которых установлены синхронная машина и машина постоянного тока. Первый агрегат содержит синхронный двигатель мощностью 1000 кВт, подключаемый непосредственно к сети 6 кВ, и генератор постоянного тока с номинальными значениями: мощности — 960 кВт, частоты вращения — 1000 об/мин и напряжения 460 В.

Генератор предназначен для питания двигателя постоянного тока второго электромашинного агрегата с номинальными значениями:

  • мощность —  750 кВт;
  • частота вращения — 1000 об/мин;
  • напряжение — 440 В.

Синхронный генератор второго электромашинного агрегата является источником выходного напряжения электромашинного преобразователя частоты. Номинальные значения основных величин:

  • мощность — 2х1460 кВт;
  • напряжение — 580 В;
  • частота — 100 Гц.

Для регулирования частоты выходного напряжения осуществляется изменение частоты вращения второго электромашинного агрегата путём регулирования тока возбуждения (и соответственно — напряжения якоря) генератора постоянного тока первого электромашинного агрегата. При этом частота и величина выходного напряжения изменяются одновременно и пропорционально. Регулирование только величины напряжения при неизменном значении его частоты обеспечивается изменением тока возбуждения синхронного генератора второго электромашинного агрегата.

Номинальному значению частоты напряжения испытуемого двигателя соответствуют определённые частота вращения и напряжение синхронного генератора. Соответственно этому, ток обмотки возбуждения синхронного генератора должен быть уменьшён примерно на 12 % для получения напряжения UСГ = 380 В, а ток обмотки возбуждения генератора постоянного тока необходимо уменьшить ниже номинального значения примерно на 25 %, чтобы его напряжение в этом режиме равнялось UГПТ = 330 В. Описанным способом может быть обеспечено регулирование параметров напряжения, питающего испытуемый двигатель, до номинальной частоты напряжения синхронного генератора 100 Гц. Для дальнейшего повышения частоты необходимо уменьшать ток возбуждения двигателя второго электромашинного агрегата при неизменном номинальном напряжении его якоря 440 В. Максимальное значение частоты напряжения зависит от допустимых значений частоты вращения обеих электрических машин второго электромашинного агрегата и нагрузочного бесконтактного синхронного генератора, расположенного на валу испытуемого двигателя.

Для создания и регулирования нагрузки испытуемого двигателя используется активно-реактивный нагрузочный модуль мощностью 1250 кВА, который используется также в схеме генераторного стенда. При значениях частоты вращения испытуемого двигателя, близких к номинальному значению или несколько превосходящих его, штатная система возбуждения нагрузочного бесконтактного синхронного генератора обеспечивает постоянство его выходного напряжения. В таких режимах регулирование нагрузки испытуемого двигателя может легко осуществляться изменением параметров нагрузочного модуля путём переключения его ступеней.

При частотах вращения, существенно меньших или больших номинального значения, автоматическая система регулирования возбуждения, выполненная на основе принципа самовозбуждения генератора, может не обеспечить необходимое значение напряжения — генератор может «развозбудиться» или его напряжение может возрасти до опасных значений. Поэтому целесообразно использовать «независимое» возбуждение нагрузочного генератора от постороннего источника. В этом случае регулирование нагрузки испытуемого двигателя может осуществляться в широких пределах частоты вращения и нагрузки, как ступенями нагрузочного модуля, так и плавно, путём изменения напряжения генератора. Поскольку максимально возможное значение мощности нагрузочного модуля пропорционально квадрату напряжения, а максимальные значения напряжения нагрузочного генератора и максимальной длительной мощности испытуемого двигателя пропорциональны частоте вращения, минимальная частота вращения, при которой возможно регулирование момента от нуля до номинального, может быть найдена из соотношения. Подставляя в данное соотношение известные значения мощности нагрузочного модуля Pном.МОД = 1000 кВт   и испытуемого двигателя Pном.ИД = 200 кВт, находим минимальную частоту вращения: nмин. = 0,2 nном. С учётом возможности кратковременного перевозбуждения нагрузочного генератора минимальное значение скорости может быть ещё меньше.

Для измерения параметров выходной механической мощности (вращающего момента и частоты вращения) используется расположенное на валу между испытуемым двигателем и нагрузочным генератором специальное измерительное устройство, обеспечивающее высокую точность измерения.

СТЕНД КИНЕТИЧЕСКОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Испытуемый кинетический накопитель энергии представляет собой синхронную электрическую машину вертикального исполнения с возбуждением от постоянных магнитов, работающую в двигательном режиме при накоплении кинетической энергии (заряде) и в генераторном режиме при отдаче накопленной энергии (разряде). Основные параметры накопителя приведены выше.

Кинетический накопитель энергии подключается к 3-фазной сети 380/220 В через преобразователь частоты с промежуточным звеном постоянного тока. Преобразователь выполнен таким образом, чтобы обеспечивать возможность преобразования энергии в обоих направлениях:

  • при заряде он обеспечивает плавный разгон накопителя до максимальной скорости;
  • при разряде обеспечивает передачу накопленной энергии в питающую сеть.

Конструктивно преобразователь построен из двух модулей.

  1. первым модулем является серийный преобразователь частоты мощностью 45 кВт, состоящий из неуправляемого (диодного) выпрямителя и автономного диодно-транзисторного инвертора напряжения;
  2. второй модуль это дополнительный автономный диодно-транзисторный инвертор напряжения мощностью 38 кВт

Первый модуль обеспечивает разгон (т.е. заряд) накопителя, передавая ему энергию из питающей сети. Второй модуль, включённый параллельно диодному выпрямителю первого модуля, используется при разряде накопителя для передачи энергии из звена постоянного тока преобразователя в питающую сеть 380/220 В. Оба автономных инвертора обеспечивают на своих выходах формирование кривых мгновенного значения напряжения методом широтно-импульсной модуляции. Для уменьшения высших гармонических составляющих, обусловленных этим методом, на выходе каждого инвертора должен быть включен 3-фазный индуктивный фильтр.

Для получения требуемого значения накапливаемой энергии на валу накопителя установлен маховик, обеспечивающий значение суммарного момента инерции агрегата J = 6,33 кгм2.

Значение выходного тока преобразователя частоты при разгоне накопителя со значениями мощности заряда PН.зар.макс=30 кВт и напряжения UН.макс=350 В равно: Iзар = 55 А.

Значения выходного и максимального входного токов преобразователя частоты, осуществляющего обратное преобразование энергии при разрядной мощности накопителя PН.раз = 100 кВт, составляют:

  • IПЧ с раз. = 173 А;
  • IПЧ раз. макс = 405 А.

Расчетное значение максимальной кратковременной полной мощности первого модуля преобразователя частоты составляет SПЧ раз. макс = 267 кВА.

Соответствующее расчётное значение номинальной мощности модуля при коэффинциенте мощности 0,9 и коэффициенте перегрузки по току kI = 1,6 должно быть: PПЧ. ном. = 158,5 кВт.

Регулирование мощности при заряде накопителя может осуществляться только автономным инвертором первого модуля путём пропорционального увеличения с заданным темпом частоты и величины его выходного напряжения.

Регулирование мощности разряда должно производиться только одновременным действием обоих автономных инверторов. Автономный инвертор первого модуля должен работать в режиме «активного» выпрямителя и осуществлять регулирование мощности путём изменения темпа пропорционального снижения частоты и величины основной гармоники его ЭДС, отслеживая при этом изменения частоты и величины напряжения накопителя энергии. Второй автономный инвертор должен при этом работать в режиме инвертора, ведомого сетью, т. е. при постоянстве значений величины и частоты напряжения на его выходе. Изменением фазы основной гармоники его ЭДС по отношению к фазе напряжения сети должно обеспечиваться поддержание заданного уровня напряжения в звене постоянного тока первого модуля, а небольшим изменением величины основной гармоники ЭДС должно обеспечиваться заданное значение реактивного тока.

Регулирование мощности разряда должно производиться только одновременным действием обоих автономных инверторов.

Автономный инвертор первого модуля должен работать в режиме «активного» выпрямителя и осуществлять регулирование мощности путём изменения темпа пропорционального снижения частоты и величины основной гармоники его ЭДС, отслеживая при этом изменения частоты и величины напряжения накопителя энергии.

Второй автономный инвертор должен при этом работать в режиме инвертора, ведомого сетью, т. е. при постоянстве значений величины и частоты напряжения на его выходе.

Изменением фазы основной гармоники его ЭДС по отношению к фазе напряжения сети должно обеспечиваться поддержание заданного уровня напряжения в звене постоянного тока первого модуля, а небольшим изменением величины основной гармоники ЭДС должно обеспечиваться заданное значение реактивного тока.

Фотогалерея