Вращающиеся электрические машины. Номинальные режимы и испытания характеристик
Вращающиеся электрические машины. Номинальные режимы и испытания характеристик
Введение
Вращающиеся электрические машины (электродвигатели и генераторы переменного и постоянного тока) являются основным элементом бесчисленного множества промышленных, энергетических и бытовых систем. Их надежная и эффективная работа критически важна. Для обеспечения соответствия заявленным параметрам, безопасности эксплуатации и долговечности проводятся комплексные испытания, фокусирующиеся на проверке номинальных режимов и основных характеристик. Эта статья рассматривает ключевые аспекты таких испытаний.
1. Объекты испытаний
Испытаниям подвергаются все типы вращающихся электрических машин на этапах разработки, приемо-сдаточных испытаний серийной продукции, периодического контроля и сертификации. К объектам испытаний относятся:
- Асинхронные двигатели: Короткозамкнутые и фазные роторные (включая двигатели с повышенным скольжением), однофазные и трехфазные, различных мощностей и конструктивных исполнений (взрывозащищенные, общепромышленные, крановые и т.д.).
- Синхронные машины: Генераторы (включая турбо- и гидрогенераторы), двигатели, синхронные компенсаторы, машины с постоянными магнитами (PMSM).
- Машины постоянного тока: Двигатели и генераторы постоянного тока независимого, параллельного, последовательного и смешанного возбуждения.
- Специализированные машины: Шаговые двигатели, вентильно-реактивные двигатели (SRM), линейные двигатели (как разновидность вращающихся по принципу действия).
- Комплектные системы: Машины в сборе с системами охлаждения, встроенными датчиками (тахогенераторы, энкодеры, термопары) и элементами управления (если это предусмотрено конструкцией и программой испытаний).
2. Область испытаний
Основная цель испытаний – подтверждение способности машины работать в заданных номинальных режимах и соответствие ее характеристик требованиям технической документации, стандартов (ГОСТ, МЭК и др.) и безопасности. Ключевые проверяемые аспекты:
- Соответствие номинальным параметрам:
- Номинальная мощность (P<sub>N</sub>).
- Номинальное напряжение (U<sub>N</sub>).
- Номинальный ток (I<sub>N</sub>).
- Номинальная частота вращения (n<sub>N</sub>).
- Номинальный коэффициент мощности (cos φ<sub>N</sub> - для машин переменного тока).
- Номинальный КПД (η<sub>N</sub>).
- Номинальный момент (M<sub>N</sub>).
- Рабочие характеристики:
- Зависимости момента (M), тока статора (I<sub>1</sub>), коэффициента мощности (cos φ), КПД (η), скольжения (s - для асинхронных машин) от полезной мощности на валу (P<sub>2</sub>) или тока нагрузки.
- Механическая характеристика M = f(n) для двигателей.
- Нагрузочная характеристика U = f(I) для генераторов.
- Регулировочные характеристики (например, n = f(U) или n = f(I<sub>в</sub>) для машин постоянного тока).
- Пусковые характеристики: пусковой ток (I<sub>пуск</sub>), пусковой момент (M<sub>пуск</sub>), время разгона.
- Тепловые режимы:
- Установившиеся температуры обмоток (по сопротивлению), подшипников, сердечника, охлаждающей среды при номинальной нагрузке и в других заданных режимах (S1 - продолжительный, S2 - кратковременный, S3 - периодический и т.д.).
- Тепловая постоянная времени.
- Параметры изоляции:
- Сопротивление изоляции обмоток относительно корпуса и между обмотками (R<sub>из</sub>).
- Коэффициент абсорбции (PI) и индекс поляризации (DAR).
- Испытательное напряжение электрической прочности изоляции (высоковольтные испытания).
- Вибрация и шум: Уровни виброскорости/виброускорения и звуковой мощности/звукового давления при номинальной нагрузке и холостом ходе.
- Испытания на надежность: Определение потерь холостого хода и короткого замыкания, проверка коммутации у машин постоянного тока.
3. Методы испытаний
Для исследования характеристик и номинальных режимов применяются различные методы, выбор которых зависит от типа машины, ее мощности, требуемой точности и доступности оборудования:
- Метод непосредственной нагрузки (Прямой метод): Наиболее точный метод. Машина нагружается механически (тормозным устройством - электромагнитным, порошковым, гидравлическим) или электрически (обращенной машиной такой же мощности, образующей нагрузочный агрегат). Позволяет напрямую измерять момент, мощность на валу, КПД, снимать полные рабочие характеристики. Требует мощного, сложного и дорогостоящего оборудования, особенно для крупных машин.
- Косвенные методы (для асинхронных двигателей):
- Метод холостого хода и короткого замыкания: Определение параметров схемы замещения двигателя по опытам ХХ (без нагрузки) и КЗ (с заторможенным ротором). Позволяет рассчитать рабочие характеристики, пусковые токи и моменты, КПД с определенной погрешностью. Широко используется для предварительных и приемочных испытаний серийных двигателей средней мощности.
- Метод потерь (калориметрический метод): Измерение потерь мощности в машине (в стали, меди, механических, добавочных) при различных режимах работы. Суммарные потери вычитаются из подведенной мощности для определения КПД. Требует точного измерения мощности и температуры.
- Метод теплового испытания: Машина доводится до установившегося теплового состояния под номинальной нагрузкой, после чего измеряются температуры ее частей. Нагрузка может прикладываться методами прямой нагрузки или косвенными способами (например, методом эквивалентной нагрузки при неполной нагрузочной способности стенда).
- Методы измерения параметров изоляции:
- Измерение сопротивления изоляции мегаомметром (обычно на 500 В или 1000 В для напряжений до 1000 В, на 2500 В и выше для высоковольтных машин).
- Испытание повышенным напряжением промышленной частоты с помощью высоковольтного испытательного трансформатора.
- Методы измерения вибрации и шума: Используются калиброванные вибродатчики (акселерометры), устанавливаемые на корпус в стандартных точках, и шумомеры в соответствии с методиками стандартов.
4. Испытательное оборудование
Для проведения испытаний требуется комплекс специализированного оборудования:
- Источники питания:
- Регулируемые преобразователи частоты (для машин переменного тока).
- Стабилизированные источники постоянного напряжения и тока (для машин постоянного тока и возбуждения синхронных машин).
- Сетевые шины с возможностью регулировки напряжения (через ЛАТРы или мощные регуляторы напряжения).
- Нагрузочные устройства:
- Электромагнитные, порошковые, гидравлические тормоза с измерителями момента.
- Нагрузочные агрегаты: Две идентичные машины, работающие в режиме двигатель-генератор ("обращенный агрегат"), с общей осевой линией валов и системой управления нагрузкой.
- Активные электронные нагрузочные устройства (регенеративные преобразователи), возвращающие энергию в сеть.
- Измерительные системы:
- Высокоточные ваттметры, вольтметры, амперметры (часто в составе анализаторов мощности).
- Преобразователи частоты вращения (тахогенераторы, инкрементальные/абсолютные энкодеры).
- Тензометрические или магнитоупругие датчики момента.
- Многофункциональные системы сбора данных (DAQ) с высокоскоростными АЦП.
- Термометрическое оборудование:
- Встроенные термопреобразователи сопротивления (Pt100, Pt1000) в обмотках и подшипниках.
- Бесконтактные инфракрасные пирометры.
- Метод измерения сопротивления обмоток постоянному току для расчета средней температуры (R<sub>t2</sub>/R<sub>t1</sub> = (235 + t<sub>2</sub>) / (235 + t<sub>1</sub>) для меди).
- Оборудование для испытаний изоляции:
- Мегаомметры (мегомметры) различных классов напряжения.
- Высоковольтные испытательные трансформаторы с системами управления и защиты.
- Оборудование для измерения вибрации и шума: Калиброванные акселерометры, предусилители, анализаторы вибросигналов, шумомеры класса 1, акустические камеры или реверберационные помещения.
- Системы управления и автоматизации: Программно-аппаратные комплексы для управления режимами испытаний, сбора данных с различных датчиков, обработки результатов и построения характеристик.
Заключение
Испытания вращающихся электрических машин на подтверждение номинальных режимов и характеристик – это сложный и многогранный процесс, требующий глубоких знаний, строгого соблюдения стандартизированных методик и применения специализированного, часто уникального оборудования. Результаты этих испытаний являются гарантией того, что машина будет работать эффективно, безопасно и в соответствии с ожиданиями на протяжении всего своего жизненного цикла. Постоянное развитие измерительной техники и методов обработки данных позволяет повышать точность и эффективность испытаний, обеспечивая дальнейший прогресс в области электромеханики.
