2.4. Электрические тормоза на базе асинхронных машин (ам) переменного тока.

Электрические тормоза представляют собой электрические машины в балансирном исполнении (как правило), вал которых соединён с валом испытуемого ДВС. Механическая энергия двигателя в таких тормозах преобразуется в электрическую. Для АМ характерны конструктивная простота, невысокая стоимость, высокая эксплуатационная надёжность при минимальном обслуживании. Однако они уступают МПТ по возможности регулирования скоростного режима и пуска.

Принцип работы АМ.

Принцип основан на том, что при подключении 3-х фазной обмотки статора к 3-х фазной сети, протекающие по обмотке токи, создают вращающееся магнитное поле.

Основные элементы АМ и их назначение.

Машины переменного тока, используемые для испытаний ДВС, являются, как правило, асинхронными машинами (АМ). АМ состоят из неподвижной части – статора и подвижной – ротора. Сердечник статора – полный цилиндр из отдельных листов э/т стали толщиной 0,5 мм. Листы изолированы друг от друга. На внутренней поверхности статора в пары укладывают обмотку. Сердечник закрепляют в корпусе.

Варианты исполнения ротора АМ.

Роторы АМ выполняют 2х видов: с короткозамкнутой обмоткой и с фазной обмоткой. Первый тип называется короткозамкнутый (КЗ) АМ, второй тип – АМ с фазным ротором (ФР). Конструкция ротора КЗ АМ имеет обмотку, подобную «беличьему колесу», т.е. набор стержней, объединённых на концах кольцами (это многофазная обмотка с числом фаз, равным числу стержней).

В АМ с фазным ротором в паре ротора укладывают 3х фазную обмотку, аналогично обмотке статора. Обмотку соединяют в звезду, а 3 вывода от неё подключают к контактным кольцам, расположенным на валу АД. Кольца изолированы друг от друга и от вала АД. К этим кольцам через неподвижные щётки подключают пусковой или регулировочный реостат.

Принцип работы АМ. Синхронная частота вращения и факторы, влияющие на неё.

Принцип действия АМ основан на том, что при подключении 3х фазной обмотки статора к 3х фазной сети протекающие по обмотке токи создают вращающееся магнитное поле. Частота вращения этого поля n₁ называется синхронной.

Магнитный поток при своём вращении пересекает проводники обмотки ротора и индуцирует в них ЭДС. Т.к. обмотка замкнута, то в ней возникает ток, активное сопротивление которого будет совпадать по направлению с ЭДС.

Ток, взаимодействия с магнитным полем, создаёт вращающий момент, который приводит ротор во вращение (режим АД).

Скольжение АМ. Схема взаимодействия магнитного поля статора с током якоря при работе АМ в режиме асинхронного двигателя (АД) и асинхронного генератора (АГ). Частота ЭДС, которая индуцируется в обмотке ротора.

Для АД характерно несинхронное вращение его ротора с магнитным полем.

Легко показать, что частота ЭДС, индуцируемой в обмотке ротора:

На номинальной частоте вращения АМ скольжение составляет S = 1,5…5,0%. Номинальная частота вращения зависит от n₁ (частота вращения магнитного поля) и не может быть выбрана произвольно. АМ может работать в режиме электротормоза (генераторном режиме). Это возможно в том случае, если ротор будет принудительно вращаться от постоянного источника со скоростью, большей скорости магнитного поля (отрицательное скольжение ω > ω₁). Итак, ω < ω₁ – режим АД S > 0; ω > ω₁ – режим АГ S < 0. Т.о. номинальное значение частоты вращения в режиме АД и в режиме АГ различны.

Механическая характеристика АМ: объясните закономерности её протекания и оцените её с точки зрения сопряжения с характеристикой испытуемого ДВС?

С ростом S вращающий (или тормозной) момент АМ должен возрастать. Т.к. этот момент создаётся за счёт разности частот магнитного поля статора и ЭДС якоря. Т.о. скорость АМ изменяется с изменением нагрузки. Эта зависимость носит довольно жесткий характер, что в целом удобно для использования АМ в качестве тормозной установки для испытаний ДВС.

Однако с ростом S (увеличением частоты вращения) увеличивается индуктивное сопротивление ротора, что приводит к уменьшению активной составляющей тока, несмотря на увеличение полного тока.

АМ в режиме генератора АГ может работать как параллельно с сетью, так и на автономную нагрузку. В любом случае, для этого необходимо, чтобы частота вращения вала ротора, приводимого от постороннего источника (ДВС) и вращающемого в ту же сторону, в которую вращается магнитное поле статора, превысила бы синхронную частоту вращения n₁.

Т.к. n > n₁, то направление вращения магнитного потока статора относительно ротора меняется на обратное.

Направление перемещения магнитного поля относительно проводников статора и ротора в этом случае противоположны. Индуцируемые в них ЭДС будут иметь разные знаки.

Регулирование АМ. Требования к процессу регулирования АМ.

Возможные способы регулирования АМ вытекают из двух основных зависимостей

Требования к качеству регулирования рассмотрены со следующих позиций: 1. диапазон регулирования. 2. Плавность регулирования. 3. Изменение кпд в процессе регулирования.

Способы регулирования АМ (3), их преимущества и недостатки. Регулирование изменением скольжения. В АМ с короткозамкнутым ротором (КЗР) и фазным ротором (ФР) с точки зрения требований к качеству регулирования.

Итак, возможное изменение частоты вращения n может быть реализовано: 1. Изменением скольжения S. В случае изменения питающего напряжения уменьшается М_к и кпд АМ.

В случае изменения сопротивления в цепи якоря в АМ с ФР в цепь ротора включаются добавочные резисторы. Это позволяет плавно регулировать частоту вращения

Практически этот метод используется в узком диапазоне скоростей, т.к. уменьшается кпд, сожжет быть использовано кратковременно. Но в отличие от первого случая М_max не изменяется.

2. Изменением частоты питающего напряжения f₁. Этот способ позволяет плавно менять угловую скорость в широком диапазоне. В этом случае ЭМХ АМ будет перемещаться вдоль оси абсцисс.

Кроме того, при частотном методе регулирования АМ регулирование скорости не сопровождается увеличенным скольжением S, поэтому потеря мощности минимальна. Для осуществления процесса регулирования с постоянным моментом, что позволяет сохранить высокий кпд и высокий коэффициент перегрузки, одновременно с частотой следует изменять и подводимое напряжение. Недостатком схемы является высокая стоимость источника питания.

3. Изменением числа пар полюсов р. Практически реализуется переключением схемы соединения обмотки статора. Это даёт возможность использовать 2, 3 или 4 скоростных режима. Но дискретность и узкий диапазон регулирования делает этот метод неудобным при испытаниях ДВС.

Система с преобразователями частоты: принципиальная схема, основные элементы, преимущества и недостатки этой схемы регулирования. Какого типа устройства в этом случае используются и какое влияние на питающую сеть они оказывают? Управляемый выпрямитель и управляемый инвертор: их назначение.

1. Управляющий выпрямитель (УВ) превращает переменное напряжение в постоянное Е_о. 2. Это напряжение можно в широких пределах регулировать с помощью блока управления (БУ-1). 3. Выпрямленное и регулируемое напряжение Е_о поступает на вход управляемого инвертора (УИ), который преобразует напряжение Е_о в 3-х фазное напряжение регулируемой частоты с помощью БУ-2. Это напряжение подводится к АМ. Управляемые тиристоры в УИ служат ключами посредством которых сопротивление нагрузки с разной полярностью подключаются к источнику постоянного напряжения Е_о. Тиристоры включаются попарно с требуемой частотой. При этом

Ток, отдаваемый в сеть, также будет иметь такую искажённую форму, что снижает эффективность рекуперации (снижает качество энергии). Дальнейшее повышение точности регулирования частоты вращения АМ возможно с применением замкнутой САР с использованием сигнала обратной связи по частоте вращения.

Преимущества и недостатки АМ в качестве нагружающего устройства ДВС.

Преимущества: 1. Конструктивная простота; 2. Невысокая стоимость; 3. Высокая эксплуатационная надёжность; 4. Простота обслуживания; 5. Меньшие (по сравнению с МПТ) габариты и масса; 6. Обратимость, т.е. возможность работы в режиме электродвигателя; 7. Возможность рекуперации энергии в сеть. Недостатки: 1. Сложность широкого и плавного регулирования скоростного режима; 2. Системы статического ПЧ резко увеличивают стоимость АМ в качестве НУ ДВС; 3. В связи с этим довольно сложно использовать АМ для исследовательских испытаний.

Область применения.

Приёмно-сдаточные испытания ДВС моторно-строительных заводов и ремонтных мастерских, когда по условиям испытаний достаточно ограниченного числа скоростных режимов, и необходимость прокрутки (холодная обкатка).

2.5. Индукторные тормоза (ИТ).

Электрические тормоза представляют собой электрические машины в балансирном исполнении (как правило), вал которых соединён с валом испытуемого ДВС. Механическая энергия двигателя в таких тормозах преобразуется в электромагнитную энергию. Индукторные тормоза относятся к тормозам с рассеиванием энергии. Они не обеспечивают рекуперацию энергии, поглощаемой при торможении ДВС, и не обладают обратимостью.

Основные элементы ИТ, их назначение и материалы.

ИТ состоит из двух основных элементов: 1. неподвижной части – статора или якоря, в котором размещается обмотка возбуждения (ОВ); по последней пропускается постоянный ток. 2. вращающейся части – ротора или индуктора. Индуктор представляет собой цилиндр с крупными прямоугольными зубьями, он изготовлен из стали с высокой магнитной проницаемостью. Статор, как правило, состоит из двух симметричных частей, между которыми заключена ОВ. Статор стараются изготовлять из стали с высокой электропроводимостью.

Принцип действия ИТ.

Принцип действия ИТ основан на использовании вихревых токов, возникающих в металле при использовании в нём магнитного поля.

Преобразование энергии в ИТ.

В ИТ происходит двойное преобразование энергии: 1. подводимая к ротору механическая энергия сначала превращается в энергию электромагнитного поля (фактически в электрическую энергию). 2. затем последняя превращается в тепловую. Поэтому в большинстве случаев ИТ имеют жидкостное охлаждение. Только ИТ небольшой мощности и ИТ, работающие в течении короткого отрезка времени, (импульсном режиме) могут иметь воздушное охлаждение.

Типы ИТ по способу охлаждения. Расчёт расхода воды, необходимого для охлаждения ИТ.

По способу охлаждения ИТ разделяют на две группы: 1. с «мокрым ротором», когда вода (обычно под напором водопроводной магистрали) поступает непосредственно в пространство между ротором и статором, охлаждая их. 2. с «сухим ротором», в которых вода циркулирует только в статоре. Это существенно уменьшает «холостые потери» в ИТ (момент при отсутствии тока возбуждения), расширяя тем самым область управления ИТ.

Количество воды, необходимое для охлаждения ИТ, определяется также, как и в ГДТ, с той лишь разницей, что в ИТ допускается большая температура воды на выходе, чем в ГДТ, т.к. возникновение кавитации маловероятно. Для расчёта используется уравнение теплового баланса N_e = Q_т, определить расход (объёмный) рабочей жидкости на единицу мощности, т.е. V/N_e, если известны теплоёмкость рабочей жидкости (вода и тосол), плотность, и Δt – перепад температур на входе и выходе.

Тормозной момент ИТ: факторы, влияющие на него.

Момент М_т, развиваемый (поглощаемый) ИТ, зависит от целого ряда конструктивных параметров и от управляющих факторов: 1. от активного диаметра D и активной длины ротора l; 2. от переменной составляющей магнитной индукции В; 3. от частоты вращения n; 4. от числа зубьев ротора р; 5. от магнитной проницаемости μ и удельной электропроводимости ρ. .

Механическая характеристика ИТ (объясните характер её протекания) и её соответствие характеристике испытуемого ДВС?

ЭМХ ИТ – зависимость М_т от частоты вращения при J_в = const. ВСХ ИТ – определяет диапазон возможных режимов работы ИТ.

М_т ~ J_в, но с увеличением J_в темп увеличения М_т снижается. С увеличением n увеличивается частота изменения магнитного потока, что увеличивает М_т. Но при высоких n: увеличивается реакция якоря; уменьшается амплитуда переменной составляющей потока. Поэтому зависимость М_т(n) принимает вид горизонтальной прямой.

С точки зрения сопряжения с ДВС естественная ЭМХ ИТ неблагоприятна. Во всех случаях требуется автоматическое управление ИТ, что не сложно осуществить, учитывая небольшую мощность управления. С другой стороны, способность поглощать высокий крутящий момент при низких частотах вращения позволяет в принципе значительно расширить диапазон регулирования ИТ. Регулирование ИТ осуществляется только одним путём – изменением тока возбуждения. Мощность возбуждения составляет 0,1…0,3% от поглощаемой мощности.

Внешняя характеристика ИТ с учётом ограничений.

ВСХ ИТ показывает поле возможных режимов работы ИТ.

Линия ВС – ограничивает максимальною частоту вращения по величине сил инерции. Линия ОС – «холостые» потери в ИТ (без возбуждения).

Конструктивное оформление ИТ: Радиальная и аксиальная компоновка ИТ.

Стремление увеличить М_т при уменьшении габаритов ИТ привело в последнее время к замене традиционной аксиальной конструкции ИТ радиальной. К недостаткам аксиального ротора относятся: трудность обеспечения радиального зазора; возможная вибрация ротора.

В радиальных ИТ магнитный поток замыкается через торцевые внутренние поверхности якоря (статора) и торцевые поверхности зубьев. Фактором, определяющим пульсацию магнитного потока, является осевой зазор, который может быть выполнен значительно меньшим, чем радиальный. Кроме того, осевой зазор не меняется при вибрациях ротора (в отличие от радиального). В итоге такая конструкция обладает значительно большей энергоёмкостью, чем ИТ с аксиальным ротором.

Преимущества и недостатки ИТ в качестве нагружающего устройства ДВС. Способы преодоления основных недостатков ИТ.

Преимущества: 1. Способность поглощать высокий М_т при низких и высоких частотах вращения предопределяют широкий диапазон регулирования ИТ. 2. Обладает высокой энергоёмкостью. 3. Более низкая стоимость изготовления и эксплуатации. 4. Более высокая надёжность, т.к. отсутствуют обмотки в роторе. Более высокая частота вращения, чем в ЭМ. 5. Простота управления ИТ и простота его автоматизации. 6. Малая механическая инерционность. 7. Малое рабочее напряжение ИТ. Недостатки: 1. Отсутствие режима прокрутки ДВС. Эта задача решается сочетанием ИТ с малой МПТ.

2. Неблагоприятная форма ЭМХ, что требует в общем случае САУ стабилизационного режима.

3. Отсутствие рекуперации энергии. Этот недостаток пока не устранён. 4. Высокие требования к качеству воды и её очистке. 5. Необходимость обязательной установки системы аварийной автоматизации от перегрева, а также защита ИТ от высокой частоты вращения.

Область применения.

ИТ имеют в настоящее время очень широкий диапазон применения от исследовательских испытаний до доводочных и отладочных. Использование их при приёмо-сдаточных испытаниях нежелательно из-за отсутствия режима «холодной» обкатки и рекуперации энергии. ИТ очень удобны для автоматизации испытаний и для создания специальных САУ, предназначенных для испытаний ДВС на НУР.