Способ определения характеристик линейных асинхронных двигателей и устройство для его осуществления

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 181704 5 6 01 й 31/3 ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНВЕДОМСТВО СССР(21) 4843345/22(54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ХАРАКТЕРИ- (22) 01.06.90СТИК ЛИНЕЙНЫХ АСИНХРОННЫХ ДВИ- (46)23.05.93, Бюл.М 19 ГАТЕЛЕЙ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО (71) Институт электродинамики АН УССР и ОСУЩЕСТВЛЕНИЯспециальное конструкторско-технологиче- (57) Изобретение относится к электротехниское бюро Института электродинамики АН ке и может быть использовано при автоматизи- УССР: рованных испытаниях линейных асинхронных (72) Л,Г,Безусый и В.М,Ивановдвигателей(ЛАД), в том числе ЛАД со вторич-. (56) Авторское свидетельство СССР . ным элементом ограниченной длины. Цель . М 1514095, кл. С 01 В 31/34, 1987, изобретения - повышение точности опреЭлектротехническая промышленность, деления статической характеристики и .Серия: Электрические машины, 1983, вып.3, расширение возможности определения с.1-2, динамических характеристик ИспытуемыйАвторскоесвидетельство СССР двигатель устанавливают вертикально и М 954905, кл, 6 01 В 31/34, 1981. проводят серию опытов, изменяя подведен: ное к двигателю напряжение и присоединенную к подвижной части добавочную массу.После получения в каждом опыте зависимостей от времени усилия, тока, коэффициента мощ-, ности, скольжения и ускорения устанавливают их взаимные зависимости и затем путем совместной обработки их из всей серии опытов определяют статическую и динамические характеристики, 2 з,п.ф-лы, 4 ил. зависимостей от времени, скорости и силы сопротивления движению подвижной части двигателя, полученных путем посйедовательного проведения опытов двух видов, в одном из которых измерения производят в процес- Ю се свободного разгона ПЧ двигателя после его подключения к питающей сети, а во втором - в процессе торможения ПЧ упругим элементом, для чего перед включением двигателя ее разгоняют другим, предварительно деформированным упругим элементом двигателя, для чего ПЧ устанавливают межИзобретение относится к электротехнике и может бытьиспользовано при автоматизированных испытаниях линейных асинхронных двигателей (ЛАД), в том числе ЛАД со вторичным элементом ограниченной длины.Цель изобретения - повышение точности определения статической характеристики и расширение возможности определения динамических характеристик линейных асинхронных двигателей,Поставленная цель достигается тем, что способ, включающий совместную обработку1817048 ФиР,4 оставитель О.Кудрявцеваехред М,Моргентал К ктор М,Петров еда ктор Подписноепо изобретениям и открытиям-35, Раушская наб 4/5 иГК бинат "Патент здательскии ко зводств каз 1721 Тираж ВНИИПИ Государственного комите 113035, Москваду упругими элементами и, периодически включая и отключая двигатель, возбуждают колебания, кроме того, проводят серию опытов, повторяя первый при различных массах ПЧ, второй - при различных частотах включений и длительностях включенных состояний двигателя и оба - при различных отклонениях напряжения питающей сети от номинального, и в каждом опыте дополнительно измеряют тепловое отклонение сопротивления обмотки статора и зависимости от времени координаты ПЧ, напряжения, тока и угла р фазового сдвига между ними, а обработку результатов измерений предварительно ведут по каждому опыту, где величины напряжения 0 и коэффициента мощности соз р в -й момент времени, измеренные при тепловом отклонении сопротивления обмотки Ь Я приводят к единой для всех опытов заданной температуре, после чего из полученных в каждом опыте зависимостей от времени величин усилия Е, тока, напряжения, соз р, скольжения и ускорения устанавливают их взаимные зависимости и затем путем совместной их обработки из всей серии опытов определяют статическую и динамические характеристики двигателя в виде приведенных к заданному номинальному напряжению зависимостей усилия, тока и соз р от скольжения и от ускорения, Кроме того, исключают влияние обусловленной односторонним магнитным притяжением ПЧ силы электромагнитного трения, которую предварительно измеряют как силу сопротивления перемещению ПЧ с постоянной скоростью, не превышающей 5 фразности синхронной и критической скоростей двигателя, при различных значениях постоянного тока р, пропускаемого через две фаэные обмотки, соединенные между собой своими концами, а затем при определении характеристик ее добавляют к вычислительным значениям тягового усилия, причем для определения этой силы в каждой точкехарактеристики используют ее зависимость от тока и, а его величину в данной точкеоценивают с помощью определенного соотношения.Для достижения той же цели устройство, содержащее упругие элементы, измерительную систему с каналами измерения скорости и ускорения и регистратором, упругие элементы выполнены съемными с возможностью наложения упругой связи ПЧ со статором нэ всем протяжении ее хода в одних опытах и полного исключения упругой связи в других опытах; кроме того, устройство дополнительно снабжено регулируемым источником постоянного тока, приводом равномерного перемещения, выполненным с возможностью присоединения к ПЧ двигателя, измерителем активного сопротивления,силовым блоком периодических включенийдвигателя с регулируемыми частотой и дли 5 тельностью включенных состояний, а в измерительную систему дополнительно введеныканалы измерения напряжения, тока и фазового сдвига между ними, причем в качестверегистратора использован цифровой эапо 10 минающий блок,Фиг.1 и 2 иллюстрируют воэможностипредлагаемого способа. На фиг,1 представлены графики зависимостей от времени координаты перемещениях Х(т), скорости Ч(т)15 и ускорения а(1) подвижной части, а такжескольжения Я(1) двигателя, относящиеся кодному из опытов, полученные в процессеобработки данных этого опыта и выведенные для контроля на графопостроитель20 ЭВМ; нэ фиг.2 - рабочие характеристикидвигателя, полученные в результате. совместной обработки на ЭВМ данных серии опытов и выведенные на графопостроитель.На фиг,З представлена схема устройст 25 ва, реализующего данный способ определения характеристик линейных асинхронныхдвигателей; на фиг.4 - функциональная схема силового блока для периодических включений двигателя, Устройство содержит статорЗО 1 и подвижную часть 2 испытуемого линейногодвигателя, узел упругой связи, состоящий изупругих элементов 3 и 4, измерительную систему 5, состоящую из датчика скорости 6,датчиков фазного тока 7, датчиков фаэного35 напряжения 8 и соответствующими масштабирующими преобразователями 9,1, 9.2, 9.3- по числу фаз и масштабирующими преобразователями 10.1, 10.2, 10.3, нуль-компаратор 11 и 12, соответственно, тока и напряжения,40 первого и второго выпрямителей 13 и 14, блокаизмерения временных интервалов (БИВИ)15, блока измерения фазового сдвига (БИФС)16, первого, второго и третьего аналого-цифровых преобразователей (АЦП) 17, 18 и 19,45 запоминающего блока 20. Кроме того, устройство содержит датчик перемещения (ДП) 21,микроомметр 22. автоматический выключатель 23, регулируемый трехфазный источник напряжения 24, переключатель 25,50 силовой выпрямитель 26, двухполюсный переключатель 27, электролебедку со стабилизированной скоростью 28 и силовой блок 29,Силовой блок (СБ) (см,фиг,4) содержиттумблер пуска 30, триггер пуска31; форми 55 рователи 32, 33, 34 и 35 узких импульсов,элемент ИЛИ 36 с инверсными входами ивыходами, триггер управления 37, элементыИ 38 и 39, узлы задержки 40 и 41, тумблер42, генератор импульсов 43, формирователь44 импульсов управления тиристорами, ти- и критической скорости. В каждом опыте ристорный блок 45. измеряют силу сопротивления перемещеПримером осуществления данного спо- нию ПЧ и формируют массив данных Еэсоба является следующая методика определе- ( 1 р) ) 0=1,2 2). Затем данные всех опытов ния характеристик короткоходовых линейных 5 совместно обрабатывают на ЭВМ.асинхронных двигателей (с длиной хода от Возможны другие варианты реализацииданного способа. В одном из них, например,Испытываемый двигатель устанавлива- мгновенные значения усилия сопротивлеют вертикально и проводят серию опытов ниюперемещения ПЧ(Г) в опытах первого первого вида, изменяя отопыта копытуподве и второго видов измеряют непосредственно и денное к двигателю напряжение и присоеди- обходятся без регистрации дискрет пути Ьь ненную к подвижной части (ПЧ) добавочную Устройство (фиг,З), реализующее пред- массу, В каждом опыте и двигатель включа- ложенный способ, работает следующим обют на время, достаточное для совершения разом.одного хода ПЧ, и пРи ее Разгоне измеРЯют, 15 Перед проведением опытов первого вида с помощью запоминающего блока регистри- упругие элементы 3 и 4 отсутствуют, подвижная руют в фиксированные моменты времени часть 2 находится в нижнем положении, блоки (совпадающие с моментами прохождения 15:20 измерительной системы подготовлены ПЧ заданных дискрет пути) действующие к работе, автоматический выключатель 23 эн ачвния напряжения Ь, тока в и угла 20 включен, контакты переключателя 25 нахо 1р л фазового сдвига между ними, а также дятся в нижнем положении, а переключателямгновенные значения скорости Чь и интер - в левом положении, как показано на фиг.З, валы времени т прохождения ПЧ дискрет тумблеры 30 и 42 СБ выключены(см фиг 4), тригпути Ьь, В массивы результатов опыта вно- геры 31 и 37 сброшены, то есть их прямые сят также величину массы ПЧ (с учетом при выходы находятся под потенциалом "лог.О".соединенной) иэамеренную непосредственно Поэтому импульсы, частота следования копослеопытавеличинуомическогосопротив- торых порядка 50 кГц, не проходят с генераления обмотки двигателя В. Затем между тора 43 через элемент И 39 на формирователь статером и ПЧ двигателя устанавливают уп- импульсов 44. и тиристорный блок 45 находитругие элементы и проводят опыты второго 30 ся вотключенномсостоянии, После включения вида, в которых двигатель периодически тумблера ЗОтриггерпуска 31 устанавливается, подключают на заданное время к питающей формирователь 32 выдает узкий импульс насети и.этим возбуждают колебания ПЧ. Про пряжения "лог.О", который, проходя через водят серию таких опытов при различных элементИЛИЗбнавходтриггерауправления частотах включений, длительностях вклю 37, устанавливает его. Потенциал "лог,1", поченных состояний и величинах напряжения ступающий с прямого выхода триггера 37 на на входе двигателя. При этом благодаря вход элемента И 39, разрешает прохождеколебательному движению ПЧ реализуют ние через него импульсов генератора, и с различные режимы двигателя - режимы ус- формирователя 44 начинают поступать имкоренного двигателя, начиная со скорости 40 пульсыуправленйянатиристорныйблок 45, не равной нулю; режимы движения с замед- который вклю:ается и подает питающее налением,тоестьсотрицательнымускорением, пряжение на обмотку статора 1. Происходит и режим движения с постоянной скоростью ускоренное движение подвижной части 2, в во всем рабочем диапазоне ее значений, в процессекоторогодатчикскоростиб выдает том числе и с синхронной скоростью (при 45 импульсы, периодследования которыхизмеприближении к резонансной частоте коле- ряется с помощью блока измерения временбаний), которое имеют место в промежутках ных интервалов 15, мгновенные значения . между первыми и вторыми режимами, Во фазных величин тока и напряжения, получае- .время включенных состояний двигателя из- мые с помощью соответствующих датчиков меряют и регистрируюттеже величины, что 50 7,8 и масштабирующих преобразователейи в опытах первого вида. 9.1, 9.2, 9.3 и 10.1, 10,2, 10,3, преобразуютсяДополнительно проводят 3 опытов по с помощью выпрямителей 13 и 14 в сигналы, определению сил электромагнитного тре- пропорциональные по уровню напряжения ния. Через две фазные обмотки двигателя, действующим значениям тока и напряжения, соединенные между собой своими концами, 55 которые измеряются с помощью первого АцП пропускают различный для каждого опыта) 17 и второго АЦП 18, Нуль-компараторы 11 и постоянный ток 1 р), а ПЧ двигателя при 12 в моменты перехода через нуль мгновенэтом перемещают с постоянной скоростью ных значений тока и напряжения формируют не превышающей 5 , разности синхронной импульсы, интервалы времени между кото10 30 45 50 55 рыми измеряются с помощью блока измерения фазового сдвига 16. Результаты всех измерений за время перемещения ПЧ из нижнего положения в верхнее заносятся в запоминающий блок 20. а по окончании опыта пересылаются в ЭВМ для хранения и дальнейшей совместной обработки, После завершения хода ПЧ силовой блок отключает двигатель. Это происходит автоматически, с помощью узла задержки 40, который после поступления пускового импульса на его вход(и одновременно - на Я-вход триггера 37) через установленное время инициирует у формирователя 33 импульс "лог.О", который, проходя через элемент И 38, сбрасывает триггер 37. Сразу после выключения двигателя переключатель 27 переводится в правое положение, благодаря чему микроомметр 22 подключается к началам двух фазных обмоток статора 1 и производится измерение их сопротивления, При повторении опытов работа устройства происходит аналогично. Для подачи вновь напряжения на двигатель тумблер 30 необходимо вернуть в исходное положение, т.е, произвести сброс триггера пуска 31, а затем включить,Перед проведением опытов второго вида устанавливаются упругие элементы 3, 4, а СБ переводится на режим периодического включения с помощью тумблера 42, контакты которого во включенном положении замыкают цепь автоустановки триггера управления 37,Пуск СБ 29 производится также, как и в опытах первого вида, После отработки первого цикла включения-отключения двигателя на инверсном выходе триггера управления 37 появляется потенциал "лог.1", а на выходе формирователя 34 - узкий импульс, Через установленное время после поступления этого импульса в узел задержки 41, который определяет время отключения состояния двигателя, на выходе формирователя 35 появляется импульс напряжения "лог.О", который, проходя через замкнутые контакты тумблера 42 и элемент ИЛИ 36, устанавливает триггер 37 и запускает узел задержки 40, определяющий длительность включенного состояния двигателя. Таким образом происходит повторное включение, после чего описанный цикл включения-отключения многократно повторяется, то есть, СБ периодически подключает двигатель к питающему напряжению и отключает его с заранее установленными длительностями включенных и отключенных состояний, сумма которых равна периоду вынужденных колебаний ПЧ, В зависимости от соотношения частоты этих колебаний и собственной частоты упруго подвешенной ПЧ, а также от длительно 20 25 35 40 сти включенных состояний устанавливаются колебания с той или иной амплитудой в пределах максимально возможного хода ПЧ. Сразу после установления колебаний запускается измерительная система 5, с помощью которой, так же как и в опытах первого вида, производятся измерения интервалов времени между импульсами датчика скорости 6, тока, напряжения и фазового сдвига между ними и запоминание результатов на протяжении нескольких циклов включения двигателя. Дополнительно с помощью датчика 21 и третьего АЦП 19 измеряются мгновенные значения координаты ПЧ. Затем тумблером 30 СБ выключается, Каждый опыт заканчивается измерением сопротивления обмотки статора 1 таким же образом, как и в опытах первого вида,Для проведения дополнительных опытов по определению влияния силы электромагнитного трения в зависимости от тока намагничивания выключается автоматический выключатель 23, выходы регулируемого источника напряжения 24 с помощью переключателя 25 отключаются от входов СБ и подключаются к входам силового выпрямителя 26, выходы которого с помощью переключателя 27 подключаются к началам двух фазных обмоток статора 1 (см,фиг,3). упругие элементы 3, 4 снимаются, конец троса электролебедки 28, снабженной регулируемым приводом постоянной скорости (на чертеже не показан), соединяется с верхним концом ПЧ,Работа устройства при проведении этихопытов происходит следующим образом. После включения автоматического выключателя 23 пониженное, по сравнению с предыдущими опытами, напряжение подается на силовой выпрямитель 26, По двум фазным обмоткам статора 1 протекает постоянный ток, создающий в рабочем зазоре двигателя неподвижный магнитный поток, близкий по величине к потоку двигателя в режиме холостого хода, наблюдаемом в опытах колебательного движения, когда скорость движения ПЧ приближается к синхронной(скорости движения магнитного поля двигателя), При этом с помощью электропебедки 28 ПЧ передвигается с постоянной скоростью, не превышающей 5; разности синхронной и критической скоростей, а ток и сила сопротивления движению, равная при вертикальном расположении двигателя сумме сил тяжести и электромагнитного трения,измеряются с помощью измерительной системы 5 и датчика усилия (на чертеже не показан), Результаты измерений также пересылаются из запоминающего блока 20 в ЭВМ для дальнейшей совместной обработки их с данными всех опытов первого и второго вида, результатом которой является семейство рабочих характеристик при различных заданных значениях ускорения ПЧ, в том числе при нулевом значении, то есть совокупность динамических, и статических характеристик, в виде таблиц и графиков,Использование предлагаемого способа обеспечивает получение кратковременных статических режимов двигателя в окрестности центра колебаний упруго подвешенной подвижной части, когда она движется с постоянной скоростью, которую благодаря регулированию частоты включений двигателя и длительности включенных состояний можно изменять в пределах 0,1;1) Ч, и измерение . помощью автоматической системы измерений величин тягового усилия, скорости, напряжения, тока и фазового сдвига между ними в этих режимах, что повышает точность и расширяет возможности определения статических характеристик линейных асинхронных двигателей.Кроме того, исключается влияние изменения во время опыта напряжения источника и теплового отклонения активного сопротивления обмотки двигателя на точность определения характеристик благодаря приведению данных всех опытов к номинальному напряжению и единой заданной температуре обмотки.Использование предлагаемого устройства обеспечивает создание колебательного движения испытуемого двигателя с регулируемыми частотой включений и длительностью включенных состояний. необходимых для получения кратковременных, но достаточных для наблюдения статических режимов, а также позволяет измерять дополнительно быстро изменяющиеся в каждом опыте напряжение, ток и угол фазового сдвига между ними, необходимые для построения всех рабочих характеристик двигателя. Кроме того. обеспечивает быстрое запоминан;е и хранение данных опытов для совместной их обработки и определения семейства динамических характеристик и измерится дополнительно усилие электромагнитного трения в зависимости от тока намагничивания,Все это позволяет определять рабочие характеристики с достаточно высокой точностью, необходимой для оперативного изучения влияния изменений конструкции при разработке и исследовании новых типов линейных машин, а также измерений их режимов и схем запуска, Имеющиеся преимущества особенно важны при испытаниях линейных асинхронных двигателей с ограниченной длиной хода, так как обеспечивают получение информации за характерные для них, короткие промежутки времениразгона, равномерного движения и торможения. Применение недорогостоящей серийной отечественной аппаратуры даст5 возможность полной автоматизации испытаний таких двигателей в любой исследовательской лаборатории или же на заводскомиспытательном стенде,Формула изобретения10 1. Способ определения характеристиклинейных асинхронных двигателей, включающий измерение зависимостей от временискорости и силы сопротивления движениюподвижной части двигателя в режиме сво 15 бодного разгона и режиме торможения и ихсовместную обработку, о т л и ч а ю щ и й с ятем, что, с целью повышения точности определения статической характеристики ирасширения возможности определения20 динамических характеристик, в режиме торможения дополнительно осуществляют измерения при разгоне и равномерном движении,а также при различных частотах включений идлительностях включенного состояния дви 25 гателя, режим свободного разгона осуществляют при различных массах подвижной частии оба режима - при различных отклоненияхнапряжения питающей сети от номинальногозначения, в каждом режиме дополнительно из 30 меряют тепловое отклонение сопротивленияобмотки статора и зависимости от времениположения подвижной части двигателя, напряжения, тока и угла фазового сдвига междуними, определяют в каждом режиме приве 35 денные значения напряжения и косинуса углафазового сдвига между током и напряжениемстатора двигателя в соответствии с выражениями соответственно 40"% 2 ЖО; =О 1+ , ) - 2 , - созе,Ц Цсоз р = - (соз у - , - ),ОЬй;ц451где О - измеренная величина напряжения статора в -й момент времени, В;сов р - измеренная величина косинусаугла фазового сдвига между током и напряжением статора в -й момент времени;Л й - тепловое отклонение сопротивления обмотки статора двигателя, Ом;1 - измеренная величина тока в 1-й момент времени, приводят к единой для всех режимов заданной температуре, после чего из полученных зависимостей от времени тягового усилия, тока и напряжения статора двигателя, косинуса угла фазового сдвига между ними. скольжения и ускорения устарО= о/ Вр - расчетноефазы обмотки, Омю - действтока при скольженОн - номин альсоз ую-, коэ тивное сопротивлен скольжении Яр ио - действую ка в точке харак щей движению по с синхронной ско нэвливают их взаимные зависимости и затем определяют статическую и динамическую характеристики двигателя в виде приведенных к заданному номинальному напряжению зависимостей тягового усилия тока и косинуса 5 фазового сдвига от скольжения и ускорения, причем при определении тягового усилия из величины тягового усилия вычитают составляющую силы тяжести подвижной части, совпадающую с направлением ее движения. 102. Способ по п.1, о тл и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения точности за счет исключения влияния силы электромагнитноготрения. измеряют силу сопротивления перемещению подвижной части с постоянной 15 скоростью, не превышающей 5 о разности синхронной и критической скоростей двигателя, при различных значениях постоянного тока, воздействующего на две фазные обмотки, соединенные концами, а при опреде лении характеристик величину измеренной силы сопротивленйя прибавляют к вычислительным значениям тягового усилия, причем для определения этой силы в каждой точке характеристики используют ее эави симость от намагничивающего тока, величину которого р р г в данной точке определяют иэ выражения Вр э и;йрующее значение фазного ии Яриускорении Ак, А: ное напряжение статора, 8: ффициент мощности при ускорении Аг;щее значение фазного тотеристики. соответствуюдвижной части двигателя ростью. А: 50 соз гро - коэффициент мощности при движении подвижной части двигателя с синхронной скоростью.4. Устройство для определения характеристик линейных асинхронных двигателей, содержащее упругие элементы, измерительный блок с каналами измерения скорости и усилия и регистратор, о т л и ч а ю щ е е с я тем. что, с целью повышения точности определения статической характеристики и расширения возможности определения динамических характеристик, в него дополнительно введены регулируемый источник постоянного тока, стабилизированный привод равномерного перемещения подвижной части линейного двигателя, измеритель активного сопротивления, силовой блок периодических включений, трех- и двухполюсный двухпозиционные переключатели, в измерительный блок введены каналы измерения напряжения, тока и угла фазового сдвига между ними, регистратор выполнен в виде цифрового запоминающего блока, соединенного с вычислительным блоком, а упругие элементы выполнены съемными с возможностью наложения упругой связи подвижной части испытуемого линейного двигателя с его статором на всем протяжении ее хода и полного исключения указанной упругой связи, причем подвижные контакты трехполюсного переключателя соединены с соответствующими фазами трехфаэной сети, размыкающие контакты трехполюсного переключателя соединены с входами силового блока периодических включений, а замыкающие - с входами регулируемого источника постоянного тока, выходы кЬторого соединены с размыкающими контактами двухполюсного переключателя, раэмыкающие контакты которого соединены с входами измерителя активного сопротивления, а подвижные контакты - с первым и вторым выходами силового блока периодических. включений и с первой и второй клеммами для подключения обмотки статора линейного двигателя. а третья клемма для подключения обмотки статорэ соединена с третьим выходом силового блока периодических включений,