1. Введение
Гидравлические муфты являются основными компонентами трансмиссий в энергетике, металлургии и крупногабаритном тяжелом оборудовании. Их передача крутящего момента, скоростные характеристики и предельная несущая способность напрямую определяют эксплуатационную надежность комплектных поездов.
Традиционные стенды для испытания муфт обычно используют вихретоковые динамометры или схемы резистивной энергоемкой нагрузки, которые имеют три основных недостатка . Во-первых, вся электрическая энергия преобразуется в тепло на протяжении всего процесса испытания. Одиночный тест большой мощности при полной нагрузке потребляет огромное количество электроэнергии, что приводит к высоким долгосрочным эксплуатационным затратам на испытания. Во-вторых, линейность регулирования крутящего момента при сопротивлении плохая, а точность регулирования крутящего момента в диапазоне низких скоростей недостаточна, что делает невозможным точное получение характеристических кривых крутящего момента и скорости при различных отверстиях черпачной трубки. В-третьих, динамометрическое оборудование громоздко, имеет сложные системы охлаждения, требует обширной эксплуатации и технического обслуживания, и его трудно удовлетворить требованиям непрерывной нагрузки в широком диапазоне скоростей.
Чтобы решить эти проблемы, недавно построенный испытательный стенд муфты в этом проекте использует архитектуру рекуперации энергии с двумя двигателями, работающими параллельно друг другу, с замкнутым контуром . Стенд оснащен двумя асинхронными двигателями среднего напряжения мощностью 8200 кВт. Одна сторона питается от двухквадрантного привода среднего напряжения в качестве источника входного питания; другая сторона оборудована четырехквадрантным приводом среднего напряжения в качестве управляемой нагрузки.
Компания Nancal Electric поставила для этого проекта четырехквадрантный привод среднего напряжения. На стороне сети используется полностью управляемый выпрямитель IGBT для достижения двунаправленного потока энергии. Сторона нагрузки может работать либо в режиме двигателя, либо в режиме генерации, возвращая энергию в сеть. Привод отвечает требованиям различных условий испытаний и решает отраслевые проблемы традиционных испытательных стендов, включая высокое энергопотребление, недостаточную точность управления и неполный охват рабочих условий.
Рисунок 1. Стенд для испытаний гидравлических муфт.
2. Системное решение
Как показано на рисунке 2, QF11 — это входной переключатель привода среднего напряжения на стороне привода, а QF21 — входной переключатель привода среднего напряжения на стороне нагрузки. Нагрузочная сторона оборудована асинхронным двигателем среднего напряжения мощностью 8200 кВт, жестко соединенным с выходным концом испытуемой муфты через редуктор. Двигатель той же спецификации со стороны привода подключается через муфту. Два двигателя образуют встречно-спиновую систему с замкнутым контуром.
Привод среднего напряжения Nancal Electric состоит из пяти частей: шкафа предварительной зарядки, шкафа фазосдвигающего трансформатора, шкафа силовых элементов, шкафа управления и выходного шкафа, расположенных рядом в соответствии с планировкой внутри помещения. В системе используется многоуровневая четырехквадрантная топология серии ячеек с 8 силовыми ячейками, соединенными последовательно на фазу, что обеспечивает 17-уровневое выходное фазовое напряжение и 33-уровневое линейное напряжение. Топология двунаправленного выпрямителя IGBT обеспечивает двунаправленный поток энергии.
В режиме движения двигателя сеть подает электроэнергию на двигатель. В режиме генерации электрическая энергия от двигателя нагрузки подается обратно в шину среднего напряжения через силовые элементы и фазосдвигающий трансформатор, обеспечивая замкнутый энергетический цикл.
Рисунок 2: Однолинейная схема
Испытательный стенд работает в двух режимах: в режиме несвязанного холостого хода и в режиме попутной нагрузки, что соответствует требованиям заводского контроля и типовых испытаний:
① Отсоединенное состояние холостого хода (превышение скорости и т. д.)
Двигатель нагрузки полностью отсоединен от муфты. Работает только двухквадрантный привод со стороны привода, выполняя базовую проверку, такую как превышение скорости вращения муфты.
② Условия последовательной нагрузки (тесты с нагрузкой и полной нагрузкой)
Приводной двигатель приводит в движение муфту. Муфта приводит в движение двигатель нагрузки через редуктор. Двигатель нагрузки переходит в режим генерации, а четырехквадрантный привод поглощает вырабатываемую энергию и передает ее обратно в сеть. В то же время он выдает обратный крутящий момент сопротивления в режиме крутящего момента с обратной связью для моделирования фактической рабочей нагрузки муфты, выполняя проверку предельной несущей способности, эффективности, тепловыделения и других параметров.
3. Преимущества производительности четырехквадрантных приводов среднего напряжения Nancal Electric
3.1 Ключевые показатели
① Оптимизированная конструкция для обеспечения качества электроэнергии
На стороне сети используется 48-импульсное фазосдвигающее выпрямление. Суммарное гармоническое искажение (THD) входного тока составляет < 2 %, что полностью соответствует стандартам по гармоникам сети IEEE 519 и GB/T 14549. Входной коэффициент мощности составляет > 0,95 в диапазоне нагрузки 30–100 %. Выходное значение du/dt составляет < 1000 В/мкс, что устраняет необходимость в дополнительном выходном фильтре среднего напряжения.
② Платформа управления
В приводе используется трехъядерная интегрированная основная система управления DSP+FPGA+ARM с векторным управлением датчиком скорости оптического энкодера. Реакция крутящего момента в замкнутом контуре быстрая, что соответствует требованиям к динамической нагрузке и точному регулированию крутящего момента во время испытаний типа муфты во всем диапазоне регулирования скорости.
③ Надежность и перегрузочная способность
Привод выдерживает 120% номинальную перегрузку по току в течение 1 минуты, что подходит для испытаний на кратковременную ударную нагрузку.
④ Комплексная система защиты
Привод обеспечивает защиту на уровне силовой ячейки (перенапряжение, пониженное напряжение, неисправность IGBT, перегрев ячейки, прерывание связи), защиту на уровне трансформатора (перегрев, вторичное короткое замыкание) и защиту на стороне двигателя (перегрузка, превышение скорости). Он также оснащен защитными блокировками, такими как блокировка дверцы шкафа среднего напряжения, аварийная остановка и отказ предварительной зарядки.
3.2 Преимущества по сравнению с традиционными решениями для тестирования
① Выдающиеся преимущества энергосбережения
Архитектура обратной связи по энергии с обратной связью позволяет большей части электрической энергии циркулировать внутри системы в условиях полной нагрузки. Сеть только дополняет потери в системе (трансформатор, вентиляторы, элементы и т. д.). По сравнению с вихретоковым динамометром, который потребляет всю энергию при полной нагрузке, экономия электроэнергии за одно испытание при полной нагрузке значительна, а долгосрочные испытания могут значительно снизить затраты на электроэнергию.
② Точная загрузка во всем диапазоне скоростей.
Независимое управление крутящим моментом с обратной связью не зависит от скорости двигателя. Он линейно регулируется во всем диапазоне скоростей и может стабильно выдавать крутящий момент сопротивления в широком диапазоне. Он точно получает кривые производительности муфты и соответствует требованиям точности сторонних испытаний.
③ Простота эксплуатации и обслуживания, оптимизированная занимаемая площадь.
Модульные силовые элементы выдвижного типа оснащены специальными тележками для замены элементов, что позволяет быстро заменять неисправные элементы. Шкафы включают в себя систему предварительной зарядки среднего напряжения, фазосдвигающий трансформатор, силовые элементы и систему управления. Воздушное охлаждение устраняет необходимость в дополнительном бассейне охлаждающей воды или системе циркуляции воды, что приводит к более эффективному использованию производственных площадей.
Рис. 3. Четырехквадрантное помещение для высоковольтных приводов.
4. Заявка на проект и ценность его продвижения
После ввода в эксплуатацию испытательный стенд завершил типовые испытания гидравлических муфт большой мощности для атомной энергетики, сформировав зрелое стандартизированное решение для последовательных испытаний мегаваттного класса. По сравнению с вихретоковым и резистивным энергоемким динамометрическим оборудованием он сочетает в себе два основных преимущества: энергосбережение и высокую точность в сценариях испытаний с высокой мощностью . Он подходит для заводского контроля и типовых испытаний различных компонентов трансмиссии, работающих в тяжелых условиях, в теплоэнергетической, горнодобывающей, морской и атомной энергетике .
Многоуровневая четырехквадрантная топология привода среднего напряжения серии ячеек, принятая в этом проекте, отличается высокой универсальностью . Помимо испытательных стендов для сопряжения, его также можно расширить для тестирования производительности двигателей, платформ для рекуперативных испытаний мощных силовых агрегатов и других приложений..
5. Заключение
Четырехквадрантный привод среднего напряжения Nancal Electric был успешно введен в эксплуатацию в рамках проекта испытательного стенда гидравлических муфт. Основанный на базовых технологиях, таких как многоуровневая топология серии ячеек, высокопроизводительное векторное управление и энергетическая обратная связь, он полностью соответствует строгим требованиям сложных условий испытаний для широкого диапазона скоростей, высокого крутящего момента и высокоточной нагрузки . Он также обеспечивает множество преимуществ, включая стабильную работу, энергосбережение, а также удобство эксплуатации и обслуживания..
Проект представляет собой полный замкнутый цикл: от разработки решения, производства оборудования и ввода в эксплуатацию на месте до полного обслуживания в течение всего жизненного цикла. Он подтверждает надежность и передовой характер локализованных четырехквадрантных приводов среднего напряжения в области мощного промышленного испытательного оборудования , предоставляя отличный инженерный пример для локализации и экологичной модернизации отечественных испытательных стендов для испытаний производительности крупных компонентов передачи.