способ измерения момента инерции тела

Формула изобретения

Способ измерения момента инерции тела, заключающийся в том, что два твердых тела, одно из которых ротор электродвигателя, а другое - эталонный элемент, жестко связанный с его валом, вводят в автоколебательный режим включением одной обмотки статора в схему автогенератора и подключением другой обмотки к источнику постоянного тока, измеряют период колебаний указанных тел и два значения постоянного тока, при которых период колебаний остается неизменным как для ротора с эталонным элементом, так и без него, и вычисляют момент инерции ротора по соотношению



где J_о - момент инерции ротора;

J_э - момент инерции эталонного элемента;

I_о - постоянный ток без эталонного элемента;

I - постоянный ток с эталонным элементом,

отличающийся тем, что в качестве электродвигателя используют асинхронную машину с короткозамкнутым ротором, который перед проведением измерений намагничивают в заторможенном состоянии с помощью импульса постоянного тока, подаваемого в одну из обмоток статора.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемое изобретение относится к электротехнике и измерительной технике и предназначено для определения моментов инерции роторов асинхронных двигателей, в том числе при полностью собранных электрических машинах.

Асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором относятся к числу наиболее перспективных электрических машин для различных сложных и ответственных условий применения. При использовании совместно с преобразователями частоты они обладают хорошими регулировочными, динамическими и энергетическими характеристиками и имеют высокую надежность в тяжелых условиях эксплуатации.

Момент инерции ротора является одним из важных параметров, определяющих динамические и энергетические показатели двигателя. Его значение зависит от конструкции и геометрии ротора и отличается в машинах разных серий одинаковой мощности. Поэтому актуальной задачей при разработке электроприводов с асинхронными двигателями является экспериментальное определение момента инерции ротора, т.к. аналитический расчет этого параметра сопряжен с известными трудностями из-за указанных выше основных факторов. При этом важным показателем эффективности измерений считается возможность их выполнения без разбора электрической машины.

Известен способ измерения момента инерции роторов двигателей, в том числе асинхронных, при котором с помощью специального приспособления соединяют испытуемое изделие с упругим элементом в виде цилиндрической пружины с устройством взвода, закручивают упругий элемент, фиксируют, освобождают с помощью спускового устройства подвижную часть и измеряют период затухающих крутильных колебаний, заменяют испытуемое изделие эталонным телом, повторяют измерения периода затухающих крутильных колебаний и вычисляют момент инерции по формуле



где Т₀ - период затухающих крутильных колебаний механической системы с испытуемым изделием;

T_э - период затухающих крутильных колебаний механической системы с эталонным телом;

J_э - момент инерции эталонного тела;

J_о - момент инерции упругого элемента и связанных с ним крепежных элементов (а.с. СССР N 1155568, МКИ G 01 M 1/10, 1985 г.).

Недостатками этого способа являются ограниченные функциональные возможности, не позволяющие измерять моменты инерции роторов асинхронных двигателей без их разборки, низкая точность, обусловленная нестабильностью механических характеристик упругого элемента из-за гистерезиса, при изменениях температуры окружающей среды, усилия при закручивании, трения в опорах и др. факторов, а также относительно сложная реализация из-за необходимости соосного выполнения механической части и измерения периода затухающих колебаний.

Известен также способ измерения момента инерции тел, при котором возбуждают незатухающие колебания с помощью генератора механических колебаний в виде реверсивного электродвигателя, выходной вал которого кинематически связан с испытуемым изделием и датчиком обратной связи, выход которого через корректирующий фильтр соединен с входом усилителя мощности, питающего двигатель, измеряют периоды колебаний ротора (платформы) генератора без испытуемого изделия и при закрепленном испытуемом изделии и вычисляют момент инерции изделия по формуле



где T₁ - период колебаний при закрепленном испытуемом изделии;

T - период колебаний в системе без испытуемого изделия;

k - коэффициент передачи цепи вал-двигатель (А.с. СССР N 139858, МКИ G 01 М 1/10, 1961 г.).

Недостатками такого способа измерения момента инерции в случае роторов двигателей являются ограниченные функциональные возможности, низкая точность и сложность технической реализации. Низкая точность измерения объясняется, во-первых, изменениями значения коэффициента k цепи вал-двигатель при изменении частоты колебаний и, во-вторых, влиянием элементов и качества сопряжения ротора приводного двигателя и испытуемого ротора. Сложность технической реализации способа заключается в необходимости использования генератора механических колебаний и его сопряжения с испытуемым ротором.

Таким образом, недостатки известных способов измерения моментов инерции тел - низкая точность и сложность технической реализации.

Из известных технических решений наиболее близким по достигаемому результату к предлагаемому является способ измерения момента инерции тела, заключающийся в том, что два твердых тела, одно из которых - ротор электродвигателя, а другое - эталонный элемент, жестко связанный с его валом, вводят в автоколебательный режим включением одной обмотки статора в схему автогенератора и подключением другой обмотки к источнику постоянного тока, измеряют период колебаний указанных тел и два значения постоянного тока, при которых период колебаний остается неизменным как для ротора с эталонным элементом, так и без него, и вычисляют момент инерции ротора по соотношению



где J₀ - момент инерции ротора; J_Э - момент инерции эталонного элемента; I_o - постоянный ток без эталонного элемента; I - постоянный ток с эталонным элементом (Патент РФ N 2009455, 1994 г., МКИ G 01 М 1/10).

При реализации известного способа обеспечивается эффективное измерение моментов инерции роторов синхронных двигателей с постоянными магнитами. Однако этот способ не позволяет измерять моменты инерции роторов асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором. Следовательно, известный способ имеет ограниченные функциональные возможности.

Цель предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей способа измерения момента инерции тела путем обеспечения возможности измерения моментов инерции роторов асинхронных двигателей.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе измерения момента инерции тела, заключающемся в том, что два твердых тела, одно из которых - ротор электродвигателя, а другое - эталонный элемент, жестко связанный с его валом, вводят в автоколебательный режим включением одной обмотки статора в схему автогенератора и подключением другой обмотки к источнику постоянного тока, измеряют период колебаний указанных тел и два значения постоянного тока, при которых период колебаний остается неизменным как для ротора с эталонным элементом, так и без него, и вычисляют момент инерции ротора по соотношению



где J_o - момент инерции ротора; J_Э - момент инерции эталонного элемента; I₀ - постоянный ток без эталонного элемента; I - постоянный ток с эталонным элементом, в качестве электродвигателя используют асинхронную машину с короткозамкнутым ротором, который перед проведением измерений намагничивают в заторможенном состоянии с помощью импульса постоянного тока, задаваемого в одну из обмоток статора.

По сравнению с наиболее близким аналогичным решением заявляемое техническое решение имеет дополнительно следующие операции:

- в качестве электродвигателя используют асинхронную машину с короткозамкнутым ротором;

- ротор асинхронной машины перед началом измерений намагничивают в заторможенном состоянии с помощью импульса постоянного тока, подаваемого в одну из обмоток статора.

Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует требованию "новизна".

При реализации предлагаемого способа расширяются функциональные возможности метода измерений моментов инерции роторов электрических машин за счет возможности выполнения указанных измерений для асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором.

Следовательно, предлагаемое изобретение соответствует требованию "положительный эффект".

По каждому отличительному признаку проведен поиск известных технических решений в области механики, электротехники и измерительной техники.

Операции использования электродвигателя асинхронной машины с короткозамкнутым ротором и намагничивания ротора в заторможенном состоянии перед началом измерений с помощью импульса постоянного тока, подаваемого в одну из обмоток статора, в известных способах аналогичного назначения не обнаружены.

Следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует требованию "существенные отличия".

Сущность предлагаемого способа поясняется чертежами. На фиг. 1 показана зависимость магнитной индукции В от напряженности H для ферромагнитного материала ротора асинхронной машины, на фиг. 2 показана функциональная схема установки для проведения измерений момента инерции ротора асинхронного двигателя.

Установка для измерения момента инерции тела, схема которой показана на фиг. 2, содержит регулируемый источник 1 постоянного тока, амперметр 2, испытуемый асинхронный двигатель 3 с тремя обмотками 4, 5 и 6 и ротором 7, на котором закрепляется эталонное тело 8, фазосдвигающий фильтр 9, усилитель мощности 10 и частотомер 11.

Первой операцией предлагаемого способа является предварительное намагничивание ротора. Для этого ротор механически затормаживают и в одну из обмоток статора, например 4, подают импульс постоянного тока. В результате этого происходит намагничивание ротора, выполненного из электротехнической стали. Намагниченность характеризуется остаточной индукцией B_r (фиг. 1), которая для электротехнических сталей, например Э330, достигает 1,2-1,3 Т (Преображенский А.А. Магнитные материалы и элементы. М., Высшая школа, 1976, с. 104-116).

В установке одна из обмоток статора 4 асинхронного двигателя подключена через амперметр 2 к регулируемому источнику постоянного тока 1, а две другие обмотки 5 и 6 соединены между собой через последовательно соединенные фазосдвигающий фильтр 9 и усилитель мощности 10. На валу двигателя закрепляется эталонное тело 8.

При подключении одной обмотки статора асинхронного двигателя 3 к источнику постоянного тока 1 в результате взаимодействия магнитного потока, создаваемого этой обмоткой, и потока, создаваемого намагниченным ротором 7, происходит ориентация ротора 7 в положение, соответствующее минимуму энергии электромеханической системы (нулевое). Смещение ротора относительно этого нулевого положения с помощью внешней силы приводит к появлению синхронизирующего момента, стремящегося вернуть ротор в исходное положение. Величина этого момента пропорциональна току, протекающему по обмотке постоянного тока. Следовательно, обмотка с постоянным током статора асинхронного двигателя в данном случае выполняет роль регулируемой электрической пружины с жесткостью C, пропорциональной току I в обмотке постоянного тока, т.е. C = k_пI, где k_п - коэффициент пропорциональности.

Для создания незатухающих колебаний ротора относительно нулевого положения используется режим качающегося магнитного поля, который обеспечивается при соединении двух обмоток статора по схеме автогенератора, т.е. между собой через последовательно соединенные фазосдвигающий фильтр 9 и усилитель 10. При соответствующем выборе частотной характеристики фазосдвигающего фильтра 9 качания ротора 7 переходят в автоколебательный режим с периодом

(1)

где J - момент инерции колеблющейся части;

k - коэффициент передачи цепи вал-двигатель.

Уравнение (1) свидетельствует о том, что, если определены период колебаний Т и коэффициент k передачи цепи вал-двигатель, то легко может быть вычислен момент инерции J колеблющейся части. Основное затруднение вызывает определение коэффициента k передачи цепи вал-двигатель, который зависит от периода колебаний. Однако известно, что этот коэффициент применительно к асинхронным двигателям прямо пропорционален электромагнитной жесткости и, следовательно, величине постоянного тока I в обмотке статора 4 двигателя 3, т.е.

k = c = k_пI, (2)

где - коэффициент пропорциональности.

Это дает основание выполнить измерение момента инерции ротора синхронного двигателя по двум экспериментам, состоящим в воспроизведении незатухающих колебаний ротора двигателя с закрепленным на нем эталонным телом 8 и без него, но при одной и той же частоте.

В первом эксперименте ротор 5 двигателя остается свободным. Одну из обмоток статора 4 подключают к источнику постоянного тока 1, две другие обмотки соединяют между собой через последовательно соединенные фазосдвигающий фильтр 9 и усилитель 10. Последовательно с обмоткой постоянного тока включают амперметр 2, а к выходу усилителя 10 подключают частотомер 11. В результате такого включения обмоток ротор 7 совершает незатухающие колебания. По показаниям амперметра 2 определяют ток I_o в обмотке постоянного тока статора двигателя, а по показаниям частотомера 11 определяют период Т (частоту f = I/Т). Период колебаний Т связан с моментом инерции J₀ ротора синхронного двигателя соотношением



или с учетом формулы (2)

(3)

Во втором эксперименте ротор асинхронного двигателя 3 жестко соединяют с эталонным телом 8 с известным моментом инерции J₀ и возбуждают незатухающие колебания ротора. Так как момент инерции колеблющейся части (J₀ + J_Э) во втором эксперименте больше, чем в первом, то период колебаний увеличивается. Регулированием тока в обмотке постоянного тока статора асинхронного двигателя 3 устанавливают период колебаний ротора с закрепленным эталонным телом, равным Т, и измеряют величину тока I, соответствующую этому режиму. Соотношение между периодом колебаний Т и током I в обмотке постоянного тока статора при этом имеет вид

(4)

Приравняв правые части уравнений (3) и (4) и выполнив математические преобразования, получим формулу:

(5)

по которой по измеренным значениям токов I и I_o в обмотке постоянного тока статора синхронного двигателя 3 и значению момента инерции J_Э эталонного тела 8 вычисляют момент инерции J_о ротора 7.

Таким образом, поскольку измерения производятся на одной частоте, то есть в одной точке частотной характеристики коэффициента передачи цепи вал-двигатель, а его значение не определяется и в явном виде не входит в вычислительную формулу (5), то, следовательно, обеспечивается точность измерения момента инерции ротора асинхронного двигателя.

Определение момента инерции ротора асинхронного двигателя производится без его разборки, непосредственно в собранной машине, относительно реальной оси вращения, сформировавшейся в результате установки ротора и с учетом влияния подшипников, что также обеспечивает повышение точности измерений.

Намагничивание ротора двигателя перед началом измерений не изменяет его характеристики. При подключении двигателя к трехфазной электрической сети ротор размагничивается под действием вращающегося магнитного поля.

Важным достоинством предлагаемого способа является отсутствие необходимости разборки асинхронного двигателя, что снижает трудоемкость процесса измерения.

Опытная проверка предлагаемого способа для определения момента инерции роторов асинхронных двигателей серии 4АИ показала, что погрешность измерений не превышает 3%. Способы, рекомендованные ГОСТ 16264.0-85 и стандартом СЭВ 295-76 для определения моментов инерции роторов электрических машин, основанные на методах крутильных колебаний, вспомогательного маятника и свободного выбега, обеспечивают погрешность 10% (Гольдберг О.Д. Испытания электрических машин. - М.: Высшая школа, 1990. - 255 с.; Потапов Л.А., Зотин В.Ф. Испытание микроэлектродвигателей в переходных режимах. - М.: Энергоатомиздат, 1986. - 104 с.).

Таким образом, использование в известном способе измерения момента инерции тела в качестве электродвигателя асинхронной машины с короткозамкнутым ротором, который перед началом измерений намагничивают в заторможенном состоянии с помощью импульса постоянного тока, подаваемого в одну из обмоток статора, позволяет расширить функциональные возможности способа измерения путем обеспечения возможности измерения моментов инерции роторов асинхронных двигателей.

Использование предлагаемого способа в приемочных и научно-исследовательских испытаниях асинхронных двигателей позволит повысить эффективность измерений.