Введение к работе
Актуальность темы. Испытания являются важным этапом разработки и производства новой техники. В процессе испытаний определяются качественные и количественные характеристики изделий, проверяются принятые технические решения, находятся слабые звенья, что делает процесс испытаний неотъемлемым технологическим ятапом создания любого вида технических изделий.
Одним из основных средств энергетики, используемых в самых различных отраслях народного хозяйства, являются двигатели внутреннего сгорания (ДВС). Ежегодный выпуск их в нашей стране й настоящее время составляет около 3 млн. Большая часть из них -двигатели мощностью до 400 кВт. Повышение экономичности, надежности, снижение токсичности - основные задачи, стоящие перед моторостроителями.. Своевременное и качественное решение указанных задач невозможно без квалифицированных испытаний. Испытательными станциями ДВС оснащены все.моторостроительные, автомобильные, тракторные, комбайновые, ремонтные и другие заводы страды. Общее количество эксплуатируемых стендов составляет около 25 тысяч штук. Практически все работающие стенды не удовлетворяют современным требованиям.
Испытательный стенд - сложная взаимосвязанная система, основным узлом которой является нагружающее устройство (НУ), определяющее его функциональные возможности и.характеристики. НУ не только имитирует реальные нагрузки ДВС, но и воспроизводит экстремальные условия их работы, создает режимы, сопровождающиеся ускоренным износом отдельных узлов двигателя. Все это позволяет на стадии разработки и создания ДВС провести проверку всех узлов и агрегатов и, что особенно важно, сократить сроки разработки изделий и передачи их в промышленное производство. На стадии серийного производства при испытаниях определяются основные выходные характеристики ДВС, производится наладка отдельных узлов, выявляется некачественная продукция.
Существуют различные направления в развитии современных НУ, наиболее ряциональнь'м из которых, на наш взгляд, следует считать создание электрических НУ нч основе электрических машин переменного тока и силовых полупроводниковых регуляторов, позволяющих реализовать ресурсосберегающую технологию испытаний, шсокую точ-
ность воспроизведения требуемых режимов нагружения, автоматизацию процесса испытаний. Создание и широкое внедрение таких устройств поз золит повысить качество выпускаемых и ремонтируемых ДВС, ускорить проведение контрольных испытаний, исследовать и доводить ДВС на неустановившихся режимах, значительно сократить или полностью исключить испытания. ДВС в полевых условиях, оптимизировать режим стендовых испытаний, снизить потери топлива и электроэнергии при испытаниях.
Нагружающие устройства с силовыми полупроводниковыми регуляторами момента и скорости являются особым классом электромеханических систем, где основной регулируемый параметр - нагрузочный момент, а основной режим - режим нагружения с рекуперацией энергии испытуемого ДВС. Создание таких систем требует: синтез? рациональных силовых структур НУ, обеспечивающих не только функциональные характеристики испытательного стенда и ресурсосберегающую технологию испытаний, но и оптимальные эксплуатационные показатели НУ; анализа характера изменения главного регулируемого параметра - нагрузочного момента и, в частности, его переменной составляющей, обусловленной нелинейностью силового полупроводникового регулятора; рассмотрения функционирования НУ во взаимосвязи с испытуемым ДВС с учетом упругости отдельных элементов этой системы и особенностей построения датчика нагрузочного момента и др.
Известен целый ряд работ по различным НУ. Вместе с тем, хотя проведенные исследования и решают вопросы, необходимые для разработки современных НУ, общая концепция комплексного синтеза НУ для испытаний ДВС на сегодняшний день отсутствует. Проведение необходимых исследований с общих методологических позиций япится теоретической основой для разработки и создания современных эффективных НУ.
Цель работы и задачи исследования. Целью работы является создание нового класса электрических нагружающих устройств, обеспечивающих повыиение качества, энергетической эффективности и уровня автоматизации испытаний ДВС при их исследовании, доводке .опытных образцов, в серийном и массовом производстве.
Указанная цель определила следующие основные задачи диссертационной работы:
систематизировать и проанализировать технические требования, предъявляемые к НУ при различных видах испытаний на стадиях создания и производства ДВС с учетом современного состояния и перспектив развития двиготелестроения;
выработать единый методологический подход к выбору крите-
риев построения НУ, базирующихся на электрических нагрузочных машинах (НМ) и силовых полупроводниковых регуляторах момента и скорости;
определить рациональные силовые структуры НУ и полупроводниковых регуляторов момента и скорости, обеспечивающие различные испытания ДВС в статических и динамических режимах, автоматизацию И ресурсосберегающую технологию;
провести исследование стационарных электромагнитных процессов нагружающих устройств в широком скоростном диапазоне режимов нагружения при различных типах и схемных решениях силовых полупроводниковых регуляторах момента и скорости, законах управления и параметрах основных силовых элементов, когда основным регулируемым параметром является нагрузочный момент,, с целью создания инженерной методики синтеза НУ;
разработать способ формирования мгновенного значения нагрузочного момента нагружающих устройств и, в частности, стабилизации его значения с целью снижения влияния его переменной составляющей на ДВС и испытательный стенд;
разработать метод синтеза силовой структуры испытательного стенда с учетом особенностей нагружающих устройств и различных датчиков нагрузочного момента;
разработать методы повышения энергетических показателей НУ, использования НМ, построения замкнутой системы регулирования при различных датчиках нагрузочного момента, оценки предельных нагрузочных свойств с целью разработки методики расчета рациональных параметров основных элементов НУ и разработка на этой основе
типоряда нагружающих устройств;
- осуществить практическую реализацию разработанных систем
асинхронно-вентильных НУ и их промышленное внедрение.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- с общих методологических позиций создания экономичных и
эффективных НУ для испытаний ДВС, у которых основным режимом
является режим нагружения, а основным регулируемым параметром -
нагрузочный момент, разработаны основы теории комплексного синте
за асинхронно-вентильных нагружающих устройств, базирующейся на
глубоком анализе стационарных электромагнитных процессов в НЫ и
силовом полупроводниковом регуляторе, взаимосвязи в составе испы
тательного стенда ДВС и НУ, особенностей датчиков нагрузочного мо
мента, функционирования замкнутой системы регулирования, методов
повышения энергетических показателей, аварийных режимов и др;
определены рациональные силовые структуры нового класса систем электрических НУ на основе асинхронной машины с фазным ротором и силового полупроводникового регулятора момента и скорости, обеспечивающие основной режим нагружения в полном диапазоне рабочих скоростей испытуемых ДВС и имеющие, при прочих равных условиях с другими системами, меньшую установленную мощность силового оборудования;
развит общий метод расчета стационарных электромагнитных процессов в НМ при питании от источника тока или напряжения несинусоидальной формы и произвольном характере управления, обеспечивающий при минимальных затратах машинного времени получение основных эксплуатационных показателей работы НУ, в том числе и мгновенного значения нагрузочного момента;
разработан способ формирования мгновенного значения нагрузочного момента асинхронно-вентильных НУ на основе амплитудной модуляции тока ротора, обеспечивающий устранение или ограничение гармоник переменной составляющей нагрузочного момента;
разработана методика синтеза силовой структуры испытательного стенда на основе представления взаимосвязанной системы НУ-ДБС. как крутильной механической схемы с постоянно действующими и периодически изменяющимися возмущающими воздействиями в виде переменных составляющих нагрузочного и вращающего моментов;
теоретически обоснована возможность создания точных электрических датчиков косвенного измерения нагрузочного момента по доступным параметрам НМ;
разработан метод анализа специфических аварийных режимов нагруиающих устройств;
в рамках концепции разработки к внедрения ресурсосберегающих технологий технически и экономически обоснована необходимость Производства в стране для испытаний ДВС асинхронно-вентильных НУ с полной рекуперацией энергии испытуемого двигателя в питающую сеть с целью оснащения ими как вновь строящихся, так и реконструируемых испытательных станций моторостроительных заводов, цехов и ремонтных мастерских.
Практическая ценность тзаботы состоит в том, что осуществлено комплексное решение крупной научно-технической проблемы создания эффективных НУ с силовыми полупроводниковыми регуляторами момента, обеспечивающих требуемые функциональные характеристики для всех видов испытаний ДВС и ресурсосберегащув технологию испытаний. Совокупность полученных теоретических и практических результатов
создает объективные предпосылки для широкого применения разработанных устройств, что имеет важное народнохозяйственное значение.
Основные положения работы имеют обобщенный характер и могут быть использованы при разработке и создании перспективных вариантов автоматизированного електропривода на основе асинхронной машины с фазным ротором, а также при создании испытательных стендов с другими системами нагружения.
Отдельные результаты работы вошли в различные разделы учебных курсов для студентов электротехнических специальностей.
Реализация результатов работы. Основные теоретические положения и практические рекомендации диссертационной работы внедрены в промышленность, использованы в научно-исследовательских, проектных и учебных институтах:
при создании в НПО "Силовая электроника" (г.Саранск) серии нагружающих устройств мощностью 11-400 кВт для приемо-сдаточных испытаний ДВС;
при оснащении испытательной станции Кустанайского завода ремонта двигателей ПО КАМАЗа асинхронно-вентильными НУ мощностью 160 кВт;
при создании стендов испытания коробок передач в НПО "Сборочные механизмы" (г.Павлодар);
при создании испытательной станции дизель и дизель-генераторных агрегатов дизельного завода им.С.М.Кирова (г.Токмак) (агрегаты типа ИВГ-ЗІ5-ЗВ0, ИВГ-630-ЭВО);
при внедрении единичных образцов НУ на Ярославском моторном, Минском тракторном заводе, на Измаильском ремонтном эаводо, в ГОСНИТИ, на Челябинском тракторном заводе;
~ при внедрении электрических датчиков нагрузочного момента на Кустанайском заводе ремонта двигателей ПО КАМАЗ;
в виде инженерных методик, пакета прикладных программ в НПО "Силовая электроника" (г.Саранск), в ГОСНИТИ (г.Москва);
в виде учебных пособий "Проектирование и расчет асинхронного вентильного каскада", "Асинхронный вентильный каскад с повышенными энергетическими показателями" и монографии "Асинхронно-вентильные нагружающие устройства", которые используются в курсовом
и дипломном проектировании при подготовке инженеров специальностей 2105, 1809 в Нижегородском политехническом, Алма-Атинском энергетическом институтах,Нижегородском институте инженеров водного транспорта и др.
Работа выполнена в соответствии с постановлением ЦК КПСС и'
СМ СССР от 24.12.1960 г. № 1190 "О повышении технических показателей двигателей внутреннего сгорания", с приказом по Минэлектро-техпрому СССР от 17.07.80 "О разработке и освоении производства электрооборудования нагружающих устройств", в рамках целевой комплексной программы Минвуза СССР "Оптимум" (поз.03; 03.К2. Разработать силовые схемы и структуру систем регулирования электрических нагружающих устройств и вентильных электроприводов с микропроцессорным управлением), а также по координационному плану АН УССР по комплексной проблеме "Научные основы электроэнергетики'' по теме "Разработка, внедрение и промышленное освоение полупроводниковых преобразователей для регулируемых асинхронных электроприводов по схемам машины двойного питания и асинхронного вентильного каскада".
Основные научные результаты выносимые на защиту.
Принципы построения асинхронно-вентильных НУ, позволяющих обеспечить нагружение в полном диапазоне рабочих скоростях испытуемого ДВС как в статических, так и динамических режимах испытаний, высокую точность воспроизведения заданных режимов нагруже-ния и рекуперацію энергии испытуемого ДВС в электрическую сеть.
Вопросы теории асинхронно-вентильных НУ, как основу комплексного синтеза, проектирования и создания таких устройств, включающие углубленное исследование основного регулируемого параметра НУ- нагрузочного момента и, в частности, его переменной составляющей, методов формирования электромагнитного момента ИМ, решение задач синтеза электромеханической системы испытательного стенда, построение замкнутых систем регулирования с различными типами датчиков нагрузочного момента, особенностей аварийных режимов и методов повывения энергетических показателей.
Построение точных электрических датчиков нагрузочного момента, обеспечивающих вычисление момента по доступным параметрам нагрузочной машины.
Результаты экспериментальных и теоретических исследовании режимов работы асинхронно-вентильных НУ, проведенных на опытных и промышленных образцах, а также математических моделях.
Комплекс вопросов, связанных с практической реализацией разработанных НУ и оценкой их энергетической и экономической эффективности.
' Апробация роботы. Основные положения и рекомендации диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесоюзной конференции с международным участием "Современные проблемы электро-
ехники" (Москва, 1969); на УП, УШ, IX, X Всесоюзных научно-тех-шческих конференциях по автоматизированному электроприводу Таллинн, 1975; Ташкент, 1979; Алма-Ата, 1963; Воронеж, 1987); m Всесоюзной научно-технической конференции по методам расчета іелинейньтх электрических цепей (Ташкент, 1976); на УІ, У Всесоюзных научно-технических конференциях по перспективам развития іроизводства асинхронных двигателей (Суздаль, 1932, 1986), на їсесовзной конференции "Динамические режимы работы электрических шшин и электроприводов" (Каунас, 1938); на Республиканских науч-io-технических конференциях по повышению эффективности устройств [реобраэовательной техники (Киев, 1972, 1975); На Республиканс-сих научно-технических семинарах по автоматизированным тиристор-шм нагружающим устройствам для испытания ДВС (Саранск, 1981, !968); на научно-технических конференциях "Тиристорные электропри-эоды с асинхронными двигателями" (Свердловск, 1974, I960, 1933, ;S66, 1939 г.г.) и др.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 87 печатных ра-іот, в том числе 3 монографии, 2 учебных пособия, б авторских :видетельств. Содержание диссертации отражено в 15 отчетах по іаучно-исследовательским работам, выполненным в Нижегородском по-іитехническом институте при непосредственном участии автора.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, ' глав, заключения, списка литературы из 237 наименований и при-южения. Работа содержит 273 страницы машинописного текста, 5 таб-!иц и 130 рисунков на 73 страницах.
