регулируемый привод испытательного стенда топливных насосов высокого давления

Формула изобретения

Регулируемый привод испытательного стенда топливных насосов высокого давления, содержащий электродвигатель переменного тока, регулятор, включенный в цепь питания статора, контур регулирования и задатчик частоты вращения, отличающийся тем, что привод оснащен контуром регулирования частоты вращения, выполненным в виде последовательно соединенных датчика электрических параметров и управляемого преобразователя частоты и напряжения цепи питания статора, соединенного с управляющим контроллером, подключенным к выходу датчика электрических параметров, причем контроллер имеет внешний управляющий вход и выполняет функции задатчика.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к испытательной технике, а именно к стендам для испытания топливовпрыскивающей аппаратуры дизелей.

Известен привод стенда для испытания и регулирования топливовпрыскивающей аппаратуры дизелей, содержащий электродвигатель с бесступенчатым редуктором и регулирующим узлом [1]. Недостатком такого привода является сложность и ненадежность редуктора, а также невозможность регулирования в широком диапазоне частоты вращения выходного вала при сохранении постоянной мощности на валу.

Известен привод стенда для испытания и регулирования топливовпрыскивающей аппаратуры дизелей, содержащий электродвигатель с электрорегулируемой тормозной муфтой, управляемой регулятором тока [1]. Недостатком такого привода является дополнительное электропотребление из-за необходимости отбора мощности на валу тормозной муфтой, а также большие габаритные и весовые характеристики.

Известен привод стенда для испытания и регулирования топливовпрыскивающей аппаратуры дизелей, содержащий электродвигатель постоянного тока и задатчик числа оборотов [2]. Недостатком такого привода является сложность и ненадежность щеточно-коллекторного узла электродвигателя, большие масса, габариты и более высокая стоимость двигателя по сравнению с двигателями переменного тока.

Наиболее близким к заявляемому техническому решению является привод стенда для испытания и регулирования топливовпрыскивающей аппаратуры дизелей, содержащий электродвигатель переменного тока с регулятором напряжения, включенным в цепь питания статора, и два контура регулирования оборотов вала испытуемого топливного насоса, причем один контур состоит из датчика оборотов выходного вала привода, задатчика оборотов ротора электродвигателя, сравнивающего устройства и усилителя, а второй - дополнительный контур регулирования оборотов - состоит из включенного в кинематическую цепь ротора управляемой бесступенчатой механической передачи и дополнительного задатчика, связанного с управляющим органом механической передачи и задатчиком [3].

Из-за недостаточного диапазона регулирования частоты вращения электродвигателя с регулятором, включенным в цепь питания статора и контура регулирования оборотов, выполненного в виде датчика оборотов выходного вала привода, введен дополнительный контур управления с управляемой механической передачей. Недостатком такого привода является наличие двойной системы управления, сложность в применении, недостаточная надежность привода из-за наличия механических систем управления и невозможность сохранения постоянной мощности на валу в широком диапазоне частоты вращения вала привода. Кроме того, вращающий момент двигателя пропорционален квадрату приложенного напряжения, так как пропорциональны напряжению как магнитный поток, так и ток в роторе, поэтому изменение напряжения сети вызывает значительное изменение вращающего момента, которое в данной схеме регулирования необходимо компенсировать механическим контуром управления. Это невозможно выполнить оперативно во время проведения испытаний, что снижает функциональные возможности привода.

Цель изобретения - расширение функциональных возможностей привода.

Поставленная цель достигается тем, что в регулируемом приводе испытательного стенда топливных насосов высокого давления, содержащем электродвигатель переменного тока, регулятор, включенный в цепь питания статора, контур регулирования и задатчик частоты вращения, привод оснащен контуром регулирования частоты вращения, выполненным в виде последовательно соединенных датчика электрических параметров и управляемого преобразователя частоты и напряжения цепи питания статора, соединенного с управляющим контроллером, подключенным к выходу измерителя электрических параметров, причем контроллер имеет внешний управляющий вход и выполняет функции задатчика.

На чертеже представлена функциональная схема регулируемого привода.

Регулируемый привод испытательного стенда топливных насосов высокого давления содержит электродвигатель переменного тока 1, кинематически связанный с испытуемым топливным насосом 2 и последовательно включенными в цепь питания статора измерителя электрических параметров 3 и управляемого преобразователя частоты и напряжения 4, соединенного с управляющим контроллером 5 и подключенного к выходу измерителя электрических параметров.

Известно, что в рабочем режиме ротор двигателя вращается с частотой n₂, меньшей частоты n₁ магнитного поля статора, вращающегося в том же направлении, что и ротор. Поэтому магнитное поле, имеющее большую частоту, скользит относительно ротора с частотой, равной разности частот поля и ротора, т.е. n_s = n₁ - n₂. Относительное отставание ротора от вращающегося поля статора характеризуется скольжением S. Если ротор неподвижен, то скольжение равно единице. Если ротор вращается синхронно с магнитным полем, то скольжение равно нулю. Таким образом, чем больше частота вращения ротора, тем меньше скольжение. В рабочем режиме, например, асинхронного двигателя скольжение мало и составляет при полной нагрузке не более 2-3%.

Частоту вращения ротора можно определить из следующих соотношений для асинхронного двигателя: n₂ = n₁ - n_s = n₁ (1-S) = (60f/p)(1-S); для синхронного двигателя: n₂ = 60 f/p, где p - число пар полюсов двигателя.

Для электрического асинхронного двигателя при увеличении нагрузки на валу скольжение возрастает, а частота вращения уменьшается. Однако без контура управления изменение частоты вращения при увеличении нагрузки от нуля до номинальной очень незначительно и не превышает 5%.

Применение управляемого преобразователя напряжения и частоты тока f позволяет управлять частотой вращения выходного вала привода испытательного стенда, а применение управляющего контроллера в контуре управления частотой вращения позволяет, путем модельного учета априорно известных статических и динамических характеристик электродвигателя, достигнуть необходимой для практических целей точности установки заданной частоты вращения вала привода, контролируя косвенные электрические параметры на выходе преобразователя.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается от известного тем, что в испытательном стенде топливный насос высокого давления кинематически жестко связан с приводом при полном отсутствии механических контуров управления частотой вращения вала привода, а введенный контур управления частотой вращения вала испытательного стенда выполнен путем электрического управления двигателем переменного тока.

Таким образом, заявляемое устройство соответствует критерию изобретения "новизна".

Известно, что управление частотой тока сети позволяет изменять частоту вращения электрического двигателя переменного тока, но использование такого принципа, посредством введения управляющего контура регулирования частотой вращения вала привода стенда, в технике испытательного оборудования топливных насосов высокого давления не известно. Это позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого решения критерию "изобретательский уровень".

При изучении известных устройств испытательных стендов было выявлено, что использование в данном устройстве контура управления частотой вращения вала испытательного стенда путем электрического управления двигателем переменного тока обладает по сравнению с аналогичными решениями рядом существенных преимуществ:

за счет применения только одного электрического контура управления упростить конструкцию стенда, а за счет устранения механических контуров управления повысить надежность продолжительной работы испытательного стенда, достигающей 45000 ч безаварийной работы, автоматически поддерживать заданные параметры при изменяющихся нагрузках, разгоне и торможении, управлять по заданной оператором программе режимом испытаний, осуществлять контроль и защиту по току схем преобразователя и обмоток двигателя,

за счет использования замкнутой схемы управления предлагаемый привод может использоваться для испытаний широкого класса топливных насосов высокого давления с высокодинамическими нагрузочными и скоростными характеристиками и оптимально использовать потребляемые ресурсы при проведении испытаний.

Устройство работает следующим образом. Данные об эксплуатационных статических и динамических характеристиках электродвигателя и программа испытаний топливного насоса 2 заносятся в управляющий контроллер 5. После запуска программы испытаний управляющий контроллер в соответствии с заданным алгоритмом управления устанавливает и поддерживает на выходе преобразователя частоты и напряжения 4 такие электрические параметры питающих напряжений и токов, которые соответствуют заложенному алгоритму, причем частота вращения вала электродвигателя, жестко связанного с испытательным насосом, косвенно контролируется датчиком электрических параметров 3, включенного на выходе преобразователя частоты питающих напряжений электрического двигателя 1.

Регулирование частоты вращения путем изменения частоты питающей сети является наиболее экономичным способом регулирования и позволяет получить высокие характеристики привода (4).

В известных электрически разомкнутых системах управления приводом испытательных насосов используются прецизионные тахометры, позволяющие замерять число оборотов с точностью 5 оборотов в минуту и выше (1). Гидравлический привод позволяет с точностью до 0,3% поддерживать установленный режим при переменной нагрузке, а также плавно изменять число оборотов (1).

Следует отметить, что и в том, и в другом случае даны собственные характеристике измерительных тахометрических приборов, а не истинные рабочие характеристики приводов испытательных стендов, так как при этом не учитываются переходные процессы, а даются характеристики работы при установившихся режимах, также не учитываются внешние факторы и их изменения. Так, например, изменение сетевого питающего напряжения двигателя на 2% приведет к такому же изменению частоты вращения вала привода.

Поэтому применение электрически замкнутого контура управления двигателем позволяет точнее контролировать частоту вращения вала привода испытательного стенда, критерием в котором является отсутствие нагрузки на валу при соответствующем совпадении частоты вращения вала двигателя с синхронной частотой. Так как полная механическая мощность прямо пропорциональна произведению квадрата питающего напряжения и частоте, то при установившемся режиме работы при использовании такого контура задаваемые характеристики испытательных режимов поддерживаются точнее.

При регулировании частоты вращения двигателей изменением частоты питающей сети можно обеспечить различные режимы работы: с постоянным вращающим моментом M=const, с постоянной мощностью на валу, с моментом, пропорциональным квадрату частоты.

Примененное в данном устройстве математическое моделирование динамических характеристик двигателя позволило, при применении преобразователя частоты, для регулируемого электропривода мощностью в 16 кВт, с пределами регулирования выходной частоты от 0,2 до 400 Гц и напряжения от 0 до 380 В с точностью поддержания частоты 0,5% и напряжения 1%, получить точность определения частоты вращения вала привода (в установившемся режиме) 2 об/мин до 1000 об/мин и 5 об/мин до 3500 об/мин.

Источники информации.

1. Горбаневский В.Е., Горбач Р.Н. Оборудование для испытания топливной аппаратуры дизелей. М.: Машиностроение, 1969 г., 198 с.

2. Стенд для испытания топливных насос-регуляторов. Н.Н. Захаров, А.Н. Крапивенцев а.с. - N 241814 от 29.01.1968. - Опубликовано 18.04.1969. - Бл. N 14 1969.

3. А.С. Хлопов. Регулируемый привод испытательного стенда топливных насосов высокого давления, а.с. N 1758273. от 26.12.88. F 02 М 65/00. Опубл. 30.08.92. Бюл. N 32. (прототип).

4. Ю. Ф.Архипцев, Н.Ф.Котеленец. Асинхронные электродвигатели. М.: Библиотека электромонтера. Вып. 591, Энергоатомиздат., 1986, 105 с.