Целью данной работы является разработка испытательного стенда для определения энергетических характеристик электродвигателей и относительной энергоемкости выполненной ими работы.
В основу определения энергетических характеристик электродвигателя и относительной энергоемкости выполненной им работы положен метод конеч-ных отношений [2, с.10]. Сущность метода заключается в том, что эффек-тивность энергетического процесса оценивают объективным показателем –относительной энергоемкостью. Относительная энергоемкость – это отношение энергии (мощности) на входе к параметрам на выходе, включающее сверх единицы в свое численное значение относительные потери энергии в элементе. Относительная энергоемкость является безразмерной величиной, превышаю-щей единицу на величину относительных потерь [3, с.74; 4, с.145].
Структура потерь в сфере производства, распределения и потребления электроэнергии показывает, что до 90% потерь приходятся на сферу энергопот-ребления, а потери при передаче электроэнергии составляют лишь 9…10% [1, с.228; 5, с.27]. При этом две трети электроэнергии, выработанной на электро-станциях, преобразуется различными электроприводами в механическую энергию.
В настоящее время широкое внедрение получают частотно-регулируемые электроприводы, которые обеспечивают экономию электроэнергии более чем на 30%. Существуют различные частотно — управляемые автоматизированные электроприводы. Каждый из них обладает определенными достоинствами и не-достатками в конкретных энерготехнологических процессах.
Энергоемкость преобразователей частоты зависит от многих факторов (частота коммутации, коэффициент загрузки электродвигателя, колебание нап-ряжения сети др.). Производители преобразователей приводят энергетические параметры для конкретных условий эксплуатации [9, с.40; 11, с.276].
На практике выбор оборудования в АПК производится со значительными превышениями по мощности и производительности (коэффициент запаса достигает 1,30).
В справочной литературе и каталогах заводов-изготовителей приводятся
значения энергетических характеристик АД (η и соsφ) в зависимости от коэф-фициента загрузки электродвигателя. Однако в реальных условиях возможно отличие в энергетических параметрах даже нового электродвигателя от пас-портных, что в первую очередь объясняется качеством изготовления [8, с.39].
В паспортных данных на преобразователи практически всегда приводят-ся энергетические характеристики без указания условий и режимов, при кото-рых они измерялись.
В связи с тем, что в процессе работы снижаются КПД электроприводов, насосов, вентиляторов и других машин и установок, задействованных в энер-готехнологическом процессе (ЭТП), необходим периодический контроль отно-сительной энергоемкости работы всего комплекса в целом (электродвигателя, частотного преобразователя и ЭТП). Архивирование параметров даст возмож-ность сравнения при последующих измерениях [10, с.45].
Для проведения экспериментальных исследований по определению отно-сительной энергоемкости электродвигателей и частотных преобразователей, работающих совместно с электродвигателями, разработано устройство, которое признано изобретением и представляет собой стенд, оснащенный информаци-онно-измерительной системой [7, с.4].
На рисунке 1 схематично изображен разработанный стенд и его вид сбоку.
Рисунок 1. Стенд для контроля энергетических параметров электродвига-теля и относительной энергоемкости выполненной им работ: а — вид спе-реди; б — вид с боку.
Стенд состоит из станины 1, на которой установлен с возможностью ре-гулирования по высоте стол 2, на котором жестко закреплен электродвигатель 3. Вал 4 электродвигателя 3 соединен с ведущим валом 5, который через соединительный элемент 6 (например, крестовина) соединен с первым ведомым валом 7. Первый ведомый вал 7 и второй ведомый вал 8 соединены между собой полужесткой муфтой 9 и установлены на двух подшипниковых опорах 10 каждый. На первом ведомом валу 7 и втором ведомом валу 8 между подшипниками 11, расположенными между подшипниковыми опорами 10, жестко закреплены по металлическому диску 12.
На подшипниках 11 жестко крепятся крестообразные магнитопроводы 13, на которых установлены электромагнитные катушки 14.
Угол между соседними элементами крестообразного магнитопровода 13 составляет 900. Концы крестообразных магнитопроводов 13, расположенных с двух сторон металлического диска 12, находящиеся напротив и параллельно друг другу, жестко соединены между собой перемычкой 15. На перемычках 15, горизонтально расположенных крестообразных магнитопроводов 13, жестко крепятся с одной стороны противовесы 16, с другой U-образный кронштейн 17. U-образный кронштейн 17 одним концом закреплен на перемычке 15 первого ведомого вала 7, а другим концом на перемычке 15 второго ведомого вала 8.
На U-образный кронштейн 17 (по середине, на расстоянии L=1м от оси вращения ведомых валов 7, 8) подвешиваются весовые гири 18 или установле-ны под ним напольные весы 19, которые предназначены для создания момента нагрузки на валу 4 электродвигателя 3. Электромагнитные катушки 14, которые установлены на крестообразных магнитопроводах 13 (по четыре штуки с каж-дой стороны металлического диска 12), соединены между собой последователь-но и/или параллельно. На подшипниковых опорах 10 каждой части ведомых ва-лов 7, 8 с двух сторон крестообразного магнитопровода 13 жестко закреплены ограничители 20 его максимального поворота для ограничения угла отклонения и предотвращения опрокидывания U-образного кронштейна 17 вокруг оси вра-щения. Таким образом крестообразные магнитопроводы 13 имеют ограничен- ный угол поворота относительно горизонтали ( ).
При настройке (балансе) крестообразных магнитопроводов 13 и U-образ-ного кронштейна 17 угол его отклонения от горизонтали должен составлять 00 (баланс достигается при помощи регулирования противовесов 16). Сигнали-затор 21 (например, маячок, подвешенный на нити, сигнальная лампочка или светодиод) выполнен с возможностью взаимодействия с U-образным кронштей-ном 17 в момент равенства крутящего момента электродвигателя 3 и момента, создаваемого крестообразными магнитопроводами 13 и металлическим диском 12. На первом ведомом валу 7 между полужесткой муфтой 9 и подшипниковой опорой 10 установлен шкив 22, соединенный через ременную передачу 23 со шкивом тахогенератора 24, жестко закрепленного на станине 1.
Весовые гири 18 и напольные весы 19 могут быть использованы в зависи-мости от направления вращения электродвигателя 3. Напольные весы 19 имеют аналоговый выход, что позволяет регистрировать момент на валу 4 электродви-гателя 3. Датчик температуры 25 предназначен для измерения температуры электродвигателя 3 и установлен внутри него. При помощи регулятора напря-жения 26 регулируется напряжение, подаваемое на электромагнитные катушки 14 с целью получения различных значений тормозного момента на валу 4 электродвигателя 3. Измерительное устройство 27 (например, К506) позволяет измерять электрические параметры (например, напряжение питания, ток потребления, активная и реактивная мощности и другие) электродвигателя 3. Выход измерительного устройства 27 соединен с электронным регистратором 28, который регистрирует все электрические и механические (скорость враще-ния, момент) параметры электродвигателя 3, а также температуру, ток, потреб-ляемый электромагнитными катушками 14, величина которого пропорцио-нальна при равновесии моменту, создаваемому на валу 4 электродвигателя 3 при помощи весовых гирь 18 или напольных весов 19. Выход электронного регистратора 28 соединен с управляющим информационно-вычислительным комплексом (УИВК) 29, выход которого соединен с регулятором напряжения 26.
УИВК 29 имеет возможность связи и передачи (и/или обмена информа-цией) накопленной информации и программ по стандартным каналам связи (например, RS-232, RS-485 и USB). Для обеспечения электробезопасности предлагаемого устройства на станине 1 приварена клемма заземления 30, кото-рая соединяется с контуром заземления.
Стенд для контроля энергетических характеристик электродвигателей работает следующим образом. Электродвигатель 3 устанавливается на столе 2, путем регулирования его высоты достигается соосность вала 4 электродвигате-ля 3 с ведущим валом 5 и закрепляется жестко. Соединительный элемент 6 поз-воляет компенсировать незначительную несоосность в горизонтальной плос-кости. Датчик температуры 25, регулятор напряжения 26, измерительное ус-тройство 27, электронный регистратор 28, УИВК 29, силовая сеть и другое обо-рудование проверяется на предмет их работоспособности. Вращающиеся части электродвигателя 3, ведущего вала 5, ведомых валов 7, 8 и тахогенератор 24 прокручиваются вручную на предмет отсутствия посторонних предметов.
Направление вращения вала 4 электродвигателя 3 зависит от программы и назначения измерений, от которого зависит использование весовых гирь 18 или напольных весов 19. При подключении устройства в сеть электродвигатель 3 начинает вращаться. Вращение от вала 4 электродвигателя 3 через ведущий вал 5 и соединительный элемент 6 будет передаваться на первый ведомый вал 7 и через полужесткую муфту 9 на второй ведомый вал 8, а также через шкив 22 и ременную передачу 23 на тахогенератор 24 [6, с.3].
После включения электродвигателя 3 и работы его в режиме холостого хода (60 минут, согласно ГОСТ — 7217-87) производится измерение параметров электродвигателя 3. На рис.3 приведена упрощенная структурная схема стенда. Измерительное устройство 27 производит измерение электрических параметров (напряжение питания, токи фаз, активной и реактивной мощности, потребля-емую электродвигателем 3. В режиме холостого хода напряжение на электро-магнитных катушках 14 отсутствует. U-образный кронштейн 17 и противовесы 16, настроенные заранее, находятся в состоянии равновесия, то есть U-образ-ный кронштейн 17 находится в горизонтальном положении. На U-образный кронштейн 17 подвешиваются весовые гири 18, масса которых соответствует значению задаваемого момента сопротивления (от 0 до 1,3Мн). U-образный кронштейн 17 под действием создаваемого момента весовыми гирями 18 про-вернется на угол — , это приведет к тому, что перемычки 15 (нижние) упрутся на ограничители 20, которые предотвращают опрокидывания U-образного кронштейна 17 вокруг оси вращения.
При помощи регулятора напряжения 26 повышается напряжение (ток) на электромагнитных катушках 14. Ток, протекающий по электромагнитным ка-тушкам 14, создает в крестообразных магнитопроводах 13 магнитный поток и во вращающемся металлическом диске 12 будет наводиться магнито-движущая сила, взаимодействие кото-рых вызовет тормозной момент.
Рисунок 2. Упрощенная структурная схема стенда
Путем увеличения напряжения (тока) на электромагнитных катушках 14 достигается равновесие моментов, создаваемое ими и весовыми гирями 18. При наступлении равновесия моментов U-образный кронштейн 17 будет стремится занять горизонтальное положение и коснется сигнализатора 21. При этом ре-зультаты измерений измерительного устройства 27, датчика температуры 25, тахогенератора 24, величина весовых гирь 18 (может фиксироваться в журнале вручную) или показания напольных весов 19, ток и напряжение на электромаг-нитных катушках 14 регистрируется на электронном регистраторе 28. Далее за-дается другое значение момента (вес весовых гирь 18 или показание напольных весов 19) и при помощи регулятора напряжения 26 путем изменения величины напряжения (тока) на электромагнитных катушках 14 опять достигается равно-весие моментов. Таким образом, увеличивая величину весовых гирь 18 с опре-деленным интервалом или показания напольных весов 19, или другими слова-ми, увеличивая момент от 0 до 1,3Мн измеряются и регистрируются параметры электродвигателя 3. Далее нагрузка уменьшается от значения 1,3Мн до 0 (пу-тем уменьшения напряжения (тока) на электромагнитных катушках 14), при этом также производится измерения и регистрация параметров электродвигате-ля 3. Такой режим измерения предусмотрен в соответствии с ГОСТ 7217-87.
При проведении измерений большого количества электродвигателей од-
ной серии УИВК на основании результатов измерений, проведенных на первом электродвигателе, выдает команду на регулятор напряжения, который согласно программе будет подавать напряжение (ток) на электромагнитные катушки.
Стенд позволяет проводить имитацию различных режимов испытаний (механическая нагрузка, имеющая случайный характер, линейно-возрастающая (убывающая), асимметрия параметров сети). По завершении измерений резуль-таты регистрации с электронного регистратора переносятся на УИВК для хра-нения (архивирования) и математической обработки с целью получения энерге-тических показателей электродвигателя и относительной энергоемкости его ра-боты. На основании результатов измерений, которые архивированы в УИВК, возможно вычисление и других характеристик электродвигателя (например, ме-ханическая и электромеханическая характеристики, определение динамических характеристик, пусковые токи и др.).
Математическая обработка результатов измерений производится при по-мощи стандартных программ. УИВК 29 имеет возможность связи и передачи (и/или обмена информацией) накопленной информации и программ по стандартным каналам связи (например, RS-232, RS-485 и USB).
Ухудшение технического состояния частотного преобразователя и элек-тродвигателя приводит к повышению относительной энергоемкости работы электродвигателя, что подтверждается экспериментальными исследованиями, проведенными при помощи разработанного устройства.
Знание величины энергоемкости работы частотных преобразователей и электродвигателя позволяет целенаправленно и последовательно управлять эф-фективностью энергопотребления, снижая с помощью известных приемов и средств (регулирование, управление режимами и др.) энергоемкости их работы или заменяя их на новые, с лучшими энергетическими параметрами.
Данный стенд также позволяет проводить исследования двигателей внут-реннего сгорания малой мощности по определению их энергетических параметров.
На основании вышесказанного, с целью энергосбережения становится ак-туальной задача создания энергетического паспорта электропривода (в том чис-ле и для электродвигателя) и его контроля в период их эксплуатации, по кото-рому можно оценивать его техническое состояние и разрабатывать меры по повышению энергоэффективности.
Список литературы
- Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Определение относительной энергоемкости работы электродвигателей, используемых в сельскохозяйственном произ-водстве / Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. СПб, СПбГАУ. -2010. -№18. -С.228-231.
- Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Показатели энергетической эффективности действующих агроинженерных (технических) систем: монография -СПб.: СПбГАУ, 2014. -160 с.
- Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш. Энергосбережение. Метод конечных отношений / Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. -М.: 2013. -№2. -С.74-75.
- Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З. Задачи и метод энергосбере-жения в потребительских установках АПК / Вестник КрасГАУ. -№4. -Крас-ноярск, 2010. -С. 144-149.
- Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З. Методика определения относительной энергоемкости работы электродвигателей сельскохозяй-ственного назначения / Кишоварз. -Душанбе. -2009. -№4. -С. 26-28.
- Малый патент №TJ362 Республика Таджикистан. МПК(2006) G 01 L 3/24. Стенд для определения энергетических параметров электродвигателя / Па-тентообладатель: З.Ш. Юлдашев. Авторы: В.Н. Карпов, З.Ш. Юлдашев, Р.З. Юлдашев.- №1000455, заявл. 23.04.10.: опуб. 09.08.10. Бюл. №59(3). -5с.
- Пат. №2449251 РФ. МПК6 G 01 L 3/24. Устройство для определения энергетических параметров электродвигателя и относительной энергоем-кости выполненной им работы / Заявитель и патентообладатель: СПбГАУ и Карпов В. Н. Авторы: Карпов В.Н., Юлдашев З.Ш., Юлдашев Р.З.; -№2010110913; заявл. 22.03.10; опубл. 27.04.12. Бюл. №12. -13 с.: ил.
- Юлдашев З.Ш. Диагностика состояния энергетических элементов потре-бительских энергетических систем / Вестник Таджикского технического университета. -Душанбе, 2011. -№1(13). -С. 37-44.
- Юлдашев З.Ш. Испытательный стенд для контроля энергетических парамет-ров электродвигателей / Электрика, 2012. -№ 11. -С. 39-41.
- Юлдашев З.Ш. Повышение энергоэффективности асинхронных электро-двигателей в АПК / Вестник Таджикского технического университета. –Ду-шанбе, 2012. -№2(18). -С. 44-47.
- Юлдашев З.Ш. Стенд для контроля энергетических параметров электро-двигателей и относительной энергоемкости выполненной ими работы / Известия СПбГАУ. -2010. -№21. -C. 276-280.[schema type=»book» name=»СТЕНД ДЛЯ КОНТРОЛЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЯ И ОТНОСИТЕЛЬНОЙ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ВЫПОЛНЕННОЙ ИМ РАБОТЫ» author=»Юлдашев Зарифджан Шарифович» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-04-22″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_ 28.03.2015_03(12)» ebook=»yes» ]