Краткие сведения о работе нагрузочного стенда

 

Краткие сведения о работе нагрузочного стенда

     Стендовые испытания двигателей внутреннего сгорания проводятся на этапах разработки (исследовательские испытания макетных образцов), на стадии производства (квалификационные сертификатные испытания серийных образцов), после ремонта(приемосдаточные испытания). В нашей стране приемо-сдаточным испытаниям подвергается каждый выпущенный или капитально отремонтированный дизельный двигатель. 

     Приемо-сдаточные испытания проводятся после технологической обкатки двигателя, проводимой по определенной программе. При этом предусматривается холодная обкатка (прокрутка двигателя внутреннего сгорания без подачи топлива с помощью, например, электродвигателя), и горячая обкатка (работа двигателя с подачей топлива на нагружающее устройство).

     Стендовое оборудование должно обеспечивать: имитацию с достаточной точностью процессов и режимов работы агрегата, высокую степень повторного воспроизведения исследуемых режимов работы, минимальные затраты времени и средств на проведение исследований.

     Наиболее полно данным требованиям соответствуют электрические испытательные стенды. Они состоят из электродвигателя -3, вал которого соединен с испытываемым двигателем внутреннего сгорания -1 через коробку передач -2. В качестве нагружающего устройства используются как электродвигатели переменного или постоянного тока, так и системы управляемый преобразователь - электродвигатель. Такие стенды обеспечивают проведение испытаний в режимах холодной и горячей обкаток, автоматизацию процесса, полезное использование энергии испытуемого двигателя внутреннего сгорания.

       

Вариант электропривода нагрузочного устройства:

     Система «Тиристорный преобразователь частоты – асинхронный двигатель» (ТПЧ - АД). 

Содержание  задания: 

2. Расчетная часть

2.1 Рассчитать мощность электродвигателя и выбрать его по каталогу.

2.2 Рассчитать  естественные электромеханическую  и механическую характеристики

электродвигателя.

2.3 Произвести расчет и выбор элементов силовой схемы нагружающего устройства.

2.4 Рассчитать  и построить  механические  характеристики нагружающего устройства,

      обеспечивающие выполнение нагрузочной диаграммы обкатки.

2.5 Рассчитать кривые изменения угловой скорости, тока и момента  электродвигателя   нагружающего устройства за время обкатки.

2.6 Определить средний КПД нагрузочного стенда.

2.7 Разработать принципиальную электрическую схему нагрузочного стенда и дать описание её работы.

2.8 Выбрать аппаратуру управления, защиты и сигнализации. Составить перечень элементов. 

3. Графическая часть

3.1  Принципиальная электрическая схема  электропривода.

3.2 Естественные  и искусственные характеристики  электродвигателя и электропривода   нагружающего устройства.    

3.3 Графики  переходных процессов. 
 
 
 
 
 
 
 

1 Расчет мощности электродвигателя и выбор его по каталогу 

     Мощность электродвигателя выбираю по максимальному моменту ДВС для автомобиля «ГАЗ-3309» с учётом КПД коробки передач и максимально требуемой скорости.

 ,                                                                                                    (1.1)

где     - максимальная скорость развиваемая ДВС;            

           - максимальный момент развиваемый ДВС;

           - КПД коробки передач.

     Номинальная угловая частота вращения:

                                                                         (1.2)

     Номинальный момент двигателя:

                                                                           (1.3)

     Приведем моменты сопротивления к валу ДВС, исходя из нагрузочной диаграммы обкатки ДВС:

                                                             (1.4)

                 (1.5)

                                                                                       (1.6)

                                                                  (1.7)

                                                                    (1.8)

                                                                   (1.9)

                                                                  (1.10)

     Приведем угловые частоты вращения к валу ДВС, исходя из нагрузочной диаграммы обкатки ДВС:

                                        (1.11)

                                         (1.12)

                                         (1.13)

                                         (1.14)                                                

                                              (1.15)

                                               (1.16)

                                        (1.17)

     Найдем из (1.1) мощность электродвигателя двигателя:

                                             (1.18)

          

     По полученным данным строим рабочие точки – получаем рисунок 1 (графическая часть).

     По каталогу [Л.6] выбираем двигатель типа 4А250М2У3 с техническими данными: 

       
 

 – номинальная мощность;

 – номинальное напряжение  на статоре;

 – коэффициент мощности;

 – коэффициент полезного  действия;

 – синхронная частота вращения  ротора;

 – номинальная частота  тока статора;

 – число пар полюсов;

 – номинальное скольжение;

     Сопротивление в относительных  единицах для Г-образной схемы  замещения:

                          

               

 – номинальный ток статора

w, рад/с

 

М, Н×м

  

  Рисунок 1.1 – Диаграмма рабочих точек ДВС

     Приведём моменты ДВС к валу  электродвигателя, используя следующие  передаточные числа: i1 = 1, i2 = 1.351, i3 = 1, i4 = 1.351, i5 = 1, i6 = 1, i7 = 2.133.

                                                           (1.19)

                                                           (1.20)

                                                                                           (1.21)

                                                                (1.22)

                                                                (1.23)

                                                              (1.24) 
 

                                                              (1.25)

     Приведём угловые скорости ДВС к валу электродвигателя:

                                                                        (1.26)

                                                                                     (1.27)

                                                                                    (1.28)

                                                           (1.29)

                                                                           (1.30)

                                                                            (1.31)

                                                                    (1.32)

w, рад/с

М, Н×м

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рисунок 1.2 –  Диаграмма рабочих точек электродвигателя

     Переведем параметры схемы замещения из относительных единиц в единицы соротивления.

 – коэффициент приведения сопротивлений

 – сопротивление рассеяния  обмотки статора

 – активное сопротивление  обмотки статора

– коэффициент для перехода к  Т-образной схеме 
 
 

 
 

      
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2 Расчет и построение естественных электромеханической и механической 

   характеристик электродвигателя 

     Номинальный и критический моменты  АД:

                                                                                 (2.1)

Номинальная угловая скорость:

                ;                                (2.1)      

где – полное сопротивление якорной цепи.

По  каталогу [Л.6] Ом взято при температуре 15⁰С.

Класс нагревостойкости изоляции для данного  двигателя – F.

Предельно допустимые превышения температур по [Л.6] равно 100⁰С.

Определим полное сопротивление якорной цепи по формуле

                 (2.2)

где - К^-1 – температурный коэффициент сопротивления меди

К – разница температур, взятая в Кельвинах.

Тогда по (2.2) получаем

Ом                 (2.3)

   Для нахождения скорости холостого хода определяем [Л.1]:

       ,                              (2.4)      Тогда скорость холостого хода

         , ;                 (2.5)

Определяем  номинальные параметры двигателя:

,                                                                    (2.6)     

По координатам  точек холостого хода ( , ) и номинального режима , , ) строим естественные электромеханическую и и механическую характеристики.

Уравнение естественной электромеханической характеристики двигателя постоянного тока независимого возбуждения имеет вид [Л.1] :

            ,                     (2.7)

Уравнение естественной механической характеристики двигателя  постоянного тока независимого возбуждения имеет вид [Л.1]:

               ,             (2.8)

    Из (1.3.1) и (2.4) следует, что данный двигатель сможет обеспечить работу

стенда с  максимальным моментом.

По полученным уравнениям (2.5) и (2.6) строим механическую и электроме- ханическую характеристики, представленные на рисунках 2 и 3 соответственно (графическая часть). 
 
 

 
 

 
 
 
 

 

  3. Расчет и выбор элементов силовой схемы нагружающего устройства

                          3.1 РАСЧЕТ СЕТЕВОГО РЕАКТОРА

      Расчет индуктивности реактора  производиться из условия ограничения

        действующего значения установившегося  тока короткого замыкания [Л.1]:

                                                                                                    (3.1)

где Uн – номинальное напряжение сети;

Хр% - значение индуктивности короткого замыкания в %;

Iнр – номинальный ток;

f – номинальная частота питающей сети; 

             Тогда по формуле (3.1):

 мГн

По  каталогу [Л.7] выбираем реактор РТСТ10-400-0,56 У3 с параметрами:

L=0,56мГн,   Iн=400 А.

Выбираем  уравнительный реактор типа ФРОС-65/05 У3

Iн=400 А;

Lр=1.5 мГн;

R=0.0068 Ом. 

3.2 ВЫБОР  ВЕНТИЛЬНОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ 

Ток, потребляемый данным преобразователем, найдем по формуле

      А                                                                                  (3.2)

По каталогу [Л.7] выбираем реверсный вентильный преобразователь ЭПУ1-14847ДУХЛ4, с техническими данными Iн=400А, Uн=440В. 
 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

4 Расчет  механических характеристик нагружающего устройства, обеспечивающие выполнение нагрузочной диаграммы обкатки  

Механическая  характеристика ДПТ НВ – прямая линия, для построения которой достаточно двух точек. Координатам  первой точки на характеристиках будут соответствующие значения моментов и скоростей на участках. Вторая точка – режим холостого хода, которую и необходимо определить для построения характеристик.

   Максимальная величина выпрямленной ЭДС преобразователя

           (4.1)

  В – действующее значение ЭДС сети;

   m –  пульсность преобразователя (для  мостовых схем m=6);

  В

ЭДС тиристорного преобразователя 

                (4.2)

Изменяется при изменении угла управления , которое осуществляется системой импульсно- фазового регулирования.

Уравнение  механической характеристики

а) Двигательный режим

             (4.3)

б) Генераторный режим

                                                                       (4.4)

Значение эквивалентного сопротивления определяем по формуле

   (4.2)

где - коммутационное сопротивление;

  - активное сопротивление  сетевого реактора.

Ом  (4.3)

 Ом  (4.4)

где  т=6 – пульсность.

Тогда по (4.2) получаем

А  (4.5)            

Уравнение естественной механической характеристики

  

Естественная  механическая характеристика лежит  выше естественной механической характеристики электродвигателя без преобразователя. Для того, чтобы они проходили через одну и ту же и на якорь двигателя было подано  В, нужно системой управления задать угол

  
 

                                                    (4.6)       

Относительно  этой характеристики (ИХ0) будет осущесвляться регулирование скорости как вниз, так и вверх от номинальной скорости.

       (ИХ 0)

   Для построения необходимых механических характеристик нагружающего устройства разобьем нагрузочную диаграмму скорости и момента на участки; их шесть, это видно из нагрузочной диаграммы обкатки ДВС:

Первый участок:

  

   .

Второй участок:

  

   .

Третий участок:

  

   .

Четвёртый участок:

 

   .

Пятый участок:

  

   .

Шестой участок:

  

   .

В итоге, из нагрузочной диаграммы  обкатки  ДВС были найдены значения моментов и скоростей, приведенных к валу электродвигателя.

Механическая  характеристика ДПТ НВ – прямая линия, для построения достаточно двух точек. Координаты точек на характеристиках будут соответствовать значения моментов и скоростей на участках.

Первый  участок:

  гр. эл.

 Второй участок:

   гр. эл. 

     

   Третий участок:

гр. эл.

  Четвёртый участок:

 гр. эл. 

   Пятый участок:

  гр. эл.

  Шестой участок:

 гр. эл.

  Преобразуем вид уравнения (4.3) и получим:

                                                     (4.7)

где и соответствуют пятой передаче.

Решим квадратное равенство (4.7) через неизвестное  кФ, обозначив его кФ5:

   (4.8)

Тогда уравнение механической характеристики на пятом и шестом участках

будет выглядеть следующим образом:

По уравнениям (4.3), (4.9) и по определенным углам управления строим механические характеристики (рисунок 4 – графическая часть).

На данном графике изобразим область прерывистых  токов.

Граница этой области будет лежать внутри эллипса, имеющего следующее уравнение [Л.3]: 

                                                                                             (4.9) 

где - граничное значение тока; 
 

       - граничное значение напряжения.

Зная, что  , подставим это значение в выражение (4.7) (без учета изменения потока), получим:

              (4.10)

где А – коэффициент, определяемый по формуле [Л.3]:

 А      (4.11)

- частота вращения идеального холостого хода;

Ld – индуктивность нагрузки, это значение примем равным Lp.

 рад/с.

Уравнение (4.8) преобразуем в вид

  (4.12)

Подставляя  известные значения в уравнение (4.12) получаем уравнение эллипса, который  изображен в графической части на рисунке – 4.

 

                                                

5.Расчет  кривых изменения  угловой скорости, тока и момента  электродвигателя  нагружающего устройства  за время обкатки

        При использовании тиристорного преобразователя переходные процессы  задаются датчиком         интенсивности. Динамический момент и ток в переходный процессах - постоянны, скорость изменяется по линейному закону. Максимальный динамический ток равен номинальному току электродвигателя.

           Максимальный момент двигателя  и соответствующий ему максимальный ток       переходного процесса:                     

   Первый участок: