Способ измерения момента инерции твердого тела

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения момента инерции ротора электродвигателя. Для этого последний связывают с эталонным телом, включают статор указанного двигателя в схему автогенератора и измеряют период автоколебаний, по которому оценивают момент инерции ротора. Дополнительно статор возбуждают регулируемым постоянным током. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для определения моментов инерции твердых тел, в том числе роторов синхронных электрических машин.

Цель изобретения - повышение точности и упрощение технической реализации способа измерения моментов инерции твердых тел.

На чертеже приведена функциональная схема установки для измерений моментов инерции твердых тел, поясняющая сущность способа. Установка содержит регулируемый источник постоянного тока 1, амперметр 2, испытуемый синхронный двигатель 3 с системой фаз на статоре 4 и постоянными магнитами на роторе 5 и валом 6, на котором закрепляется эталонное тело 7, фазосдвигающий фильтр 8, усилитель мощности 9 и частотомер 10. Способ может быть реализован применительно к синхронным двигателям с постоянными магнитами, электромагнитным возбуждением и любым другим активным ротором.

В установке одна из обмоток статора 4 синхронного двигателя 3 подключена через амперметр 2 к регулируемому источнику постоянного тока 1, две другие обмотки соединены между собой через последовательно соединенные фазосдвигающий фильтр 8 и усилитель 9, на валу 6 двигателя 3 закрепляется эталонное тело 7, к выходу усилителя 9 подключен частотомер 10.

При подключении одной из обмоток статора синхронного двигателя 3 к источнику постоянного тока 1 в результате взаимодействия магнитного потока, создаваемого этой обмоткой, и потока, создаваемого постоянными магнитами ротора 5, происходит ориентация ротора 5 в положение, соответствующее минимуму энергии электромеханической системы (нулевое). Обмотка с постоянным током в данном случае выполняет роль регулируемой электрической пружины с жесткостью С, пропорциональной току I в обмотке постоянного тока, т. е. С= К_пI, где К_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 8 и усилитель 9. При соответствующем выборе частотной характеристики фазосдвигающего фильтра 8 качания ротора 5 переходят в автоколебательный режим с периодом T = 2, (1) где J - момент инерции колеблющейся части; К - коэффициент передачи цепи вал-двигатель.

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

К= γС= γ К_пI, (2) где γ - коэффициент пропоpциональности.

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 7 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 8 и усилитель 9. Последовательно с обмоткой постоянного тока включают амперметр 2, а к выходу усилителя 9 подключают частотомер 10. В результате такого включения обмоток ротор 5 совершает незатухающие колебания. По показаниям амперметра 2 определяют ток I_о в обмотке постоянного тока статора двигателя, а по показаниям частотомера 10 определяют период Т (частоту f= 1/T) колебаний. Период Т колебаний связан с моментом инерции J_о ротора синхронного двигателя соотношением T = 2 или, с учетом формулы (2): T = 2 . (3) Во втором эксперименте ротор синхронного двигателя 3 жестко соединяют с эталонным телом 7 с известным моментом инерции J_э и возбуждают незатухающие колебания ротора. Так как момент инерции колеблющейся части (J_о+J_э) во втором эксперименте больше, чем в первом, то период колебаний увеличивается. Регулированием тока в обмотке постоянного тока статора синхронного 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 T = 2 (4)
Приравняв правые части уравнений (3) и (4) и выполнив математические преобразования, получим формулу
J_o= J, (5)
по которой по измеренным значениям токов I_o и I в обмотке постоянного тока статора синхронного двигателя 3 и значению момента инерции J_э эталонного тела 7 вычисляют момент инерции J_о ротора 5.

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, повышается точность измерения момента инерции ротора синхронного двигателя. Измерение постоянного тока с помощью современных электроизмерительных приборов выполняется просто и с высокой точностью.

Определение момента инерции ротора синхронного 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.

Использование предлагаемого способа в приемочных и научно-исследовательских испытаниях синхронных двигателей и других изделий позволит повысить эффективность испытаний.

(56) Авторское свидетельство СССР N 1755080, кл. G 01 M 1/10, 1989.

Формула изобретения

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ МОМЕНТА ИНЕРЦИИ ТВЕРДОГО ТЕЛА, заключающийся в том, что два твердых тела, одно из которых - ротор электродвигателя, а другое жестко связано с его валом, вводят в автоколебательный режим включением обмотки статора электродвигателя в схему автогенератора, измеряют период колебаний указанных тел и по его значению определяют момент инерции одного из них, отличающийся тем, что в качестве твердого тела используют эталонный элемент, в качестве электродвигателя - синхронный двигатель, обмотку статора которого дополнительно возбуждают постоянным током, при значении которого период колебаний остается неизменным как для ротора с указанным элементом, так и без него и по соотношению
J_o= J,
где J₀ - момент инерции ротора;
J_э - момент инерции эталонного элемента;
I₀ - постоянный ток без эталонного элемента;
I - постоянный ток с эталонным элементом,
определяют момент инерции ротора синхронного двигателя.

РИСУНКИ

Рисунок 1