Электрические машины и трансформаторы под нагрузкой испытывают на нагревание, надежность, а также для определения их энергетических характеристик, при настройке коммутации и ее проверке в машинах постоянного тока и коллекторных машинах переменного тока. В соответствии с ГОСТ 25000—81 при испытаниях используются методы непосредственной или косвенной нагрузки. При методе непосредственной нагрузки испытания проводятся в номинальном режиме работы, который не отличается от работы в реальных условиях. Метод непосредственной нагрузки может быть реализован тремя способами: без отдачи и с отдачей энергии в сеть, а также путем взаимной нагрузки.
В качестве нагрузки трансформаторов и электрических машин, работающих в режиме генератора, используются проволочные, жидкостные или ламповые нагрузочные реостаты. В этом случае вся отдаваемая ими электрическая энергия поглощается в нагрузочных реостатах. Регулирование нагрузки осуществляется путем изменения сопротивления нагрузочных реостатов или путем регулирования напряжения генераторов. Испытания в этом режиме проводятся либо для генераторов и трансформаторов небольшой мощности (до 10 кВ А), либо для генераторов специальных типов, которые не могут работать совместно с электрическими двигателями. Нагрузка трансформаторов с масляным охлаждением может осуществляться и в режиме короткого замыкания так, чтобы потери в его обмотках были равны сумме номинальных потерь короткого замыкания и холостого хода.
Нагрузочные реостаты могут быть регулируемыми или нерегулируемыми. Отметим, что нецелесообразно использовать жидкостные реостаты на постоянном токе из-за электролиза жидкости, оседания на контактах продуктов электролиза и разъедания контактных поверхностей. Что касается индуктивной нагрузки, то ее можно обеспечить с помощью регулируемых реакторов или машин переменного тока, работающих в режиме холостого хода. В зависимости от мощности нагрузки может применяться естественное воздушное, форсированное воздушное или жидкостное охлаждение нагрузочных устройств.
Нагрузка электрических машин, работающих в режиме двигателя, осуществляется в этом случае с помощью тормозов различного типа.
Реализация этого метода требует, как правило, многократного преобразования энергии и сложного комплекта испытательного оборудования. Поэтому его применение экономически оправдано при испытаниях электрических машин средней и большой мощности.
Рассмотрим использование метода непосредственной нагрузки с возвратом энергии в сеть применительно к электрическим машинам различного типа.
Машины постоянного тока. При испытаниях двигателя постоянного тока его питание осуществляется либо от сети постоянного тока, либо от управляемого выпрямителя. Нагрузкой испытуемого двигателя ИД (рис. 1, я) является электромашинный тормоз, в качестве которого используется генератор постоянного тока с независимым возбуждением ГПТ. К генератору ГП1 подключен якорь двигателя постоянного тока с независимым возбуждением ДПТ по так называемой схеме «генератор—двигатель», при использовании которой частота вращения п2 двигателя ДПТ может поддерживаться постоянной при изменении частоты вращения я, двигателя ИД в широких пределах. Двигатель ДПТ приводит во вращение синхронный генератор СГ, который отдает часть потребляемой при испытаниях энергии в сеть. Регулирование нагрузки двигателя ИД. осуществляется увеличением тока возбуждения генератора ГПТ. что приводит к увеличению момента двигателя ДП Г и мощности синхронного генератора С Г. отдаваемой в сеть.
Рис. 1. Принципиальная схема испытания под нагрузкой электрических машин постоянного тока:
а — двигателя: б — генератора
При испытаниях под нагрузкой испытуемый генератор постоянного тока ИГ (рис. 1, б) приводится во вращение с частотой /f, двигателем Д (асинхронным при я, = const или постоянного тока при необходимости изменения п в соответствии с паспортными данными генератора ИГ). В качестве нагрузки генератора ИГ используется двигатель постоянного тока ДПТ1, энергия которого после тройного преобразования в машинах постоянного тока (генераторе ГПТ и двигателе ДПТ2) и синхронном генераторе СГ отдается в сеть переменного тока. Использование генератора ГПI и двигателя ДПТ2, соединенных по схеме «генератор—двигатель», вызвано необходимостью стабилизации частоты вращения пъ синхронного генератора СГ. На рис. 1 стрелками показано направление активной мощности, преобразуемой электрическими машинами.
В ряде случаев для упрощения схем испытания машин постоянного тока с возвратом энергии в сеть вместо механически связанных двигателя постоянного тока и синхронного генератора используют статический преобразователь постоянного тока в переменный требуемой частоты (инвертор), вход которого подключен к генератору ГПТ, а выход — к сети. Регулирование мощности в этом случае осуществляется за счет изменения длительности проводящего состояния преобразователя.
I Синхронные машины. Испытуемый синхронный двигатель ИД (рис. 2, а) питается от сети переменного тока (в случае необходимости регулирования напряжения двигатель соединяется с сетью через автотрансформатор или индукционный регулятор) и приводит во вращение нагрузочный генератор постоянного тока |ГПТ, якорь которого соединен с якорем двигателя постоянного тока ДПТ (схема «генератор—двигатель»), скорость которого поддерживается постоянной.
Принципиальная схема испытания под нагрузкой синхронных машин:
а — двигателя; б — генератора
Двигатель ДПТ механически соединен с синхронным генератором, отдающим энергию в сеть. Отметим, что нагрузочный генератор ГПТ на время запуска синхронного двигателя ИД, может использоваться в качестве разгонного двигателя, получая питание от сети постоянного тока. В этом случае может быть обеспечена точная синхронизация испытуемого синхронного двигателя с сетью без бросков тока.
При испытаниях под нагрузкой испытуемый синхронный генератор ИГ (рис. 2, б) приводится во вращение с неизменной частотой п2 = const двигателем постоянного тока ДПТ и работает параллельно с сетью. Двигатель ДПТ, как правило, подключается к генератору постоянного тока ГПТ, вращаемого асинхронным двигателем. Нагрузка генератора ИГ регулируется путем изменения момента на валу двигателя ДПТ.
Для согласования напряжения синхронного генератора и сети в схему стенда может быть при необходимости введен автотрансформатор или трансформатор соответствующей мощности. При наличии на испытательной станции отдельной регулируемой сети постоянного тока питание двигателя ДПТ может осуществляться непосредственно от этой сети, что позволяет существенно сократить комплект электрооборудования для испытаний.
При использовании схемы, приведенной на рис. 2, возбуждение машин постоянного тока ГПТ и ДПТ, образующих систему «генератор—двигатель», осуществляется от независимого источника постоянного тока, т.е. машины ГПТ и ДПТ имеют независимое возбуждение.
Асинхронные машины. Испытания асинхронного двигателя ИД под нагрузкой (испытания асинхронного генератора не рассматриваются, так как их применение ограничено) проводятся аналогично испытаниям синхронного двигателя по схеме, приведенной на рис. 2, а. Для согласования напряжения сети с напряжением испытуемого двигателя и синхронного генератора могут применяться трансформаторы или автотрансформаторы. В случае нестандартного напряжения двигателя могут использоваться также индукционные регуляторы.
В практике испытаний довольно широкое распространение получили нагрузочные стенды, использующие балансирную машину постоянного тока. Такие стенды получили название динамометрических тормозов постоянного тока и предназначены для измерения статических моментов как в двигательном, так и генераторном режимах работы испытуемой машины.
Рис. 3, Принципиальная схема нагрузочного стенда с использованием балансирной машины (БМ) постоянного тока
При работе балансирной машины постоянного тока БМ (рис. 3) в режиме генератора (испытуемая машина ИМ—двигатель) в качестве ее нагрузки используется машина постоянного тока МПТ, которая приводит во вращение асинхронную машину AM, работающую в режиме генератора, и возбудитель постоянного тока В. Регулирование мощности или момента на валу испытуемого двигателя осуществляется изменением частоты вращения асинхронного генератора с помощью машины постоянного тока. При работе в режиме двигателя (испытуемая машина—генератор) балансирная машина БМ получает питание от машины постоянного тока МПТ, приводимой во вращение вместе с возбудителем В асинхронной машиной AM, работающей в режиме двигателя.
