УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ Российский патент 1995 года по МПК G09B23/18 

Изобретение относится к устройствам для проведения лабораторных работ по электротехнике.

Наиболее близким по технической сущности и функциональным возможностям к изобретению является устройство для проведения лабораторных работ по электротехнике, содержащее первый и второй источники питания, блок подключения лицевой панели, блок электрических измерений, имитатор электромашинного агрегата, блок дополнительных элементов электрических цепей, измеритель характеристик асинхронного двигателя, переключатель, генератор сигналов, блок сравнения, блок памяти, блок информационного табло, блок логического умножения, источник питания, блок ручного включения и блок управления стиранием памяти, при этом четыре выхода первого источника питания соединены с входами блока информационного табло и входами блока подключения лицевой панели, который через блок электрических измерений связан с входом имитатора электромашинного агрегата и первым входом блока сравнения, соединенного вторым входом с первым выходом блока информационного табло, выходом блока управления стиранием памяти и первым входом блока памяти, соединенного вторым входом с выходом блока сравнения, выход блока памяти связан с вторым выходом блока информационного табло и первым входом блока логического умножения, второй вход которого соединен с пятым входом блока информационного табло и первым выходом блока ручного управления, подключенного вторыми выводами к третьим входам блока логического умножения, связанного выходом с входом первого источника питания, входом блока информационного табло, первым выводом переключателя и входом генератора сигналов, который соединен с вторым выводом переключателя, соединенного третьим выводом с входом измерителя характеристик асинхронного двигателя, кинематически связанного с имитатором электромашинного агрегата, причем выход второго источника питания соединен с входом блока управления стиранием памяти.

Недостатком известного устройства является то, что по ходу выполнения лабораторных работ студенты должны коммутировать с помощью съемных перемычек и разъемных контактов цепи, находящихся под напряжением 220 В. Это противоречит требованиям техники безопасности.

Кроме того, для регулирования режимов в электрических цепях и электрических машинах используются реостаты со скользящими контактами, что снижает надежность устройства и не соответствует реальным электроустановкам, применяемым в народном хозяйстве.

Цель изобретения - повышение надежности устройства с устранением доступных к прикосновению токоведущих частей напряжением 220 В, являющихся источником опасности и возможного электротравматизма.

Поставленная цель достигается тем, что в известное устройство для проведения лабораторных работ по электротехнике, содержащее первый и второй блоки питания, блок ручного управления, первые блок нагрузочных элементов, измеритель и переключатель, информационное табло и преобразователь напряжения, введены третий блок питания, вход которого подключен к первому выходу первого блока питания, второй блок нагрузочных элементов, входы которого соединены с соответствующими выходами третьего блока питания, первый, второй и третий блоки ограничительных элементов, входы которых подключены соответственно ко второму выходу первого блока питания и первому и второму выходам второго блока питания, второй, третий и четвертый переключатели, входы которых соединены с выходами первого, второго и третьего блоков ограничительных элементов соответственно, второй измеритель параметров электрической цепи, выход которого подключен к входу первого блока нагрузочных элементов, пятый переключатель, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом первого измерителя и первыми выходами первого переключателя и преобразователя напряжения, а выход - с входом второго измерителя, третий измеритель параметров электрической цепи, вход которого подключен к первому выходу третьего переключателя, а выход - к первому входу преобразователя напряжения, фотоэлектрический преобразователь, вход которого соединен с первым выходом первого блока питания и с выходом первого измерителя параметров электрической цепи, а выход - с входом информационного табло, четвертый измеритель параметров электрической цепи, выход которого подключен ко второму входу преобразователя напряжения, блок отключения питания на реле, один выход которого соединен с входом четвертого измерителя параметров электрической цепи, вход - с одним выходом четвертого переключателя, а другой выход - с соответствующим выходом четвертого переключателя, первым выходом второго переключателя и первым входом первого блока питания, шестой переключатель, седьмой переключатель, вход которого подключен ко второму выходу первого переключателя, а первый выход - к входу шестого переключателя, и четвертый блок ограничительных элементов, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом шестого переключателя и вторым выходом седьмого переключателя, а выход - с третьим входом преобразователя напряжения, вход первого переключателя подключен ко второму выходу второго переключателя, второй выход третьего переключателя соединен с первым входом второго блока питания, второй вход которого подключен к аналогичному входу первого блока питания и выходу блока ручного управления, третий вход - ко второму выходу преобразователя напряжения.

На фиг. 1 изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 изображена принципиальная схема электрических аппаратов и устройства при работе электромашинного агрегата в режиме генератора постоянного тока независимого возбуждения; на фиг. 3 дана принципиальная электрическая схема при работе электромашинного агрегата в режиме генератора постоянного тока параллельного возбуждения; на фиг. 4 дана принципиальная схема устройства при работе электромашинного агрегата в режиме двигателя постоянного тока независимого возбуждения; на фиг. 5 приведена принципиальная электрическая схема устройства при испытании электромашинного агрегата в режиме асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором; на фиг. 6 - то же, при испытании электромашинного агрегата в режиме асинхронного двигателя с фазным ротором; на фиг. 7 - то же, при испытании электромашинного агрегата в режиме синхронного генератора; на фиг. 8 - то же, при испытании электромашинного агрегата в режиме синхронного двигателя; на фиг. 9 - наборы активных и реактивных сопротивлений, блок подключения цепей пониженного напряжения, блок измерения на пониженном напряжении, источник пониженного напряжения, однофазный трансформатор 36/12 В; на фиг. 10 - принципиальная схема первого и пятого переключателей.

Устройство для проведения лабораторных работ по электротехнике содержит первый блок 1 питания, второй блок 2 питания, блок 3 ручного управления, первый блок 4 ограничительных элементов, третий блок 5 ограничительных элементов, третий блок 6 питания, второй блок 7 ограничительных элементов, четвертый переключатель 8, второй переключатель 9, первый измеритель параметров электрической цепи 10, информационное табло 11, третий переключатель 12, блок 13 отключения питания на реле, первый переключатель 14, пятый переключатель 15, фотоэлектрический преобразователь 16, третий 17 и четвертый 18 измерители параметров электрической цепи, преобразователь 19 напряжения, второй измеритель параметров электрической цепи 20, четвертый блок 21 ограничительных элементов, первый блок 22 нагрузочных элементов, седьмой переключатель 23, шестой переключатель 24, второй блок 25 нагрузочных элементов.

Предлагаемое устройство для выполнения лабораторных работ по электротехнике позволяет изучить следующий набор учебных тем.

1. Генератор постоянного тока независимого возбуждения;
2. Генератор постоянного тока параллельного возбуждения;
3. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения;
4. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором;
5. Асинхронный двигатель с фазовым ротором;
6. Синхронный генератор;
7. Синхронный двигатель;
8. Распределение токов и напряжений в разветвленных и сложных цепях;
9. Однофазные цепи переменного тока с активными и реактивными сопротивлениями;
10. Симметричные и несимметричные трехфазные цепи;
11. Однофазный трансформатор.

Характеристика предлагаемого устройства изложена в соответствии с приведенным перечнем работ. При этом даны функции, назначение и описание каждого блока.

Для лабораторных работ N 1-7, где используется спаренный электромашинный агрегат (машина переменного тока и машина постоянного тока), режим каждой машины приведен в таблице.

1. Генератор постоянного тока независимого возбуждения. Схема учебной лабораторной работы приведена на фиг. 2. Якорь генератора приводится во вращение асинхронным двигателем /преобразователь напряжения 19, см. фиг. 1 и 2). Обмотка возбуждения генератора питается от независимого источника постоянного тока - блока 2 питания. Нагрузкой генератора служит многоступенчатый резистор /второй блок 7 ограничительных элементов (см. фиг. 1 и 2), который подключается в цепь якоря через третий переключатель 12. Величину сопротивления резистора регулируют шестипозиционным переключателем 12. Величина нагрузки контролируется измерителем 17 (см. фиг. 1 и 2). Многоступенчатый резистор блока 5 (см. фиг. 1 и 2) включен в цепь обмотки возбуждения машины постоянного тока. Величина этого сопротивления регулируется одиннадцатипозиционным переключателем 8 (см. фиг. 1 и 2). Величина тока возбуждения контролируется измерителем 18.

Схема обеспечивает получение следующих характеристик генератора: холостого хода, внешней, регулировочной, нагрузочной.

В схеме задействованы серийные амперметры и вольтметры.

2. Генератор постоянного тока параллельного возбуждения.

Схема учебной лабораторной работы приведена на фиг. 3.

Обмотка возбуждения генератора (см. фиг. 1 и 3) включена параллельно щеткам якоря. Регулирование тока возбуждения осуществляется с помощью одной половины (без реверсирования) многоступенчатого резистора и одной половины переключателя 8.

Схема позволяет получить типовой набор характеристик генератора постоянного тока параллельного возбуждения. Аналогично п. 1 в схеме используются третий и четвертый измерители 17, 8.

3. Двигатель постоянного тока независимого возбуждения. Схема учебной лабораторной работы приведена на фиг. 4.

Якорь двигателя (машины постоянного тока), питается от блока 2 через выход блока 7 ограничительных элементов. Величина тока якоря регулируется резистором с помощью шестипозиционного переключателя 12. Обмотка возбуждения двигателя постоянного тока питается от блока 2.

Нагрузочный момент на валу двигателя создается машиной переменного тока, работающей в режиме электромагнитного тормоза. Для создания такого режима в две фазы статорной обмотки машины переменного тока подается постоянный ток от блока через переключатели 9, 14, 15. Величина этого тока регулируется блоком 4 и переключателем 9.

Ротор машины переменного тока включен на блок 21.

Параметры якорной цепи (ток, напряжение) определяются измерителем 20.

Ток возбуждения двигателя постоянного тока определяется измерителем 18.

Схема обеспечивает получение полного набора естественных и искусственных скоростных и механических характеристик, а также регулировочной характеристики при ослаблении поля двигателя. Скорость вращения фиксируется фотоэлектрическим преобразователем 6 тахометра-скоростемера и передается на информационное табло 11.

4. Асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором. Схема учебной лабораторной работы приведена на фиг. 5.

Статор двигателя переменного тока питается от трехфазной цепи (от первого источника 1 питания) через измеритель 10 и переключатель 15. Роторная обмотка с помощью переключателя 23 закорочена.

Нагрузочный момент на валу двигателя создается генератором постоянного тока независимого возбуждения. Величина тормозного момента развиваемого генератором постоянного тока регулируется нагрузочным током генератора. Скорость вращения контролируется.

Потребляемый ток, мощность и напряжение питания контролируется измерителем.

Схема позволяет получить скоростную и механическую характеристику двигателя, определить скольжение, КПД и коэффициент мощности в функции момента на его валу.

5. Асинхронный двигатель с фазным ротором. Схема учебной лабораторной работы приведена на фиг. 6.

Трехфазная обмотка ротора асинхронного двигателя подключена к роторным резисторам блока 21, величина которых регулируется переключателем 24.

Схема позволяет получить естественную и искусственные скоростные и механические характеристики двигателя, определить рабочие характеристики: скольжение, КПД, коэффициент мощности и потери в функции момента на валу. Скорость контролируется.

6. Синхронный генератор. Схема учебной лабораторной работы приведена на фиг. 7.

Две фазы обмотки ротора двигателя питаются постоянным током от блока 1 через переключатель 14 и через переключатель 23. Величина постоянного тока в роторной обмотке, выполняющей роль обмотки возбуждения (ОВ), регулируется шестиступенчатым резистором блока 4 с помощью шестипозиционного переключателя 9.

Статорная обмотка машины переменного тока через переключатель 15 подключена к нагрузке, в качестве которой используется шестиступенчатое активное, шестиступенчатое емкостное, шестиступенчатое индуктивное сопротивление. Величины каждого из этих сопротивлений изменяются с помощью шестиступенчатых переключателей блока 22 (см. фиг. 1 и 7). Ток и напряжение статора генератора контролируются измерителем 20.

Приводом ротора синхронного генератора служит машина постоянного тока, работающая в режиме независимого возбуждения.

Схема позволяет получить внешние и регулировочные характеристики для активной, емкостной, индуктивной и комплексных нагрузок генератора в функции тока статора, а также характеристику холостого хода в функции тока возбуждения (в устройстве - прототипе индуктивная нагрузка отсутствует).

7. Синхронный двигатель. Схема учебной лабораторной работы приведена на фиг. 8. Статор и ротор двигателя включены.

Для создания тормозного момента на валу синхронного двигателя используется генератор независимого возбуждения, который работает в известном режиме.

Схема позволяет с помощью измерителя 10 в зависимости от тока возбуждения получить характеристики для различных величин тормозного момента на валу синхронного двигателя, определить коэффициент мощности в функции тока возбуждения в индуктивном и емкостном режимах работы, использовать синхронный двигатель в качестве компенсатора, вычислить КПД в различных режимах нагружения.

8. Распределение токов и напряжений в разветвленных и сложных цепях. Измерительные приборы и наборы сопротивлений лабораторной работы приведены на фиг. 9. Источником пониженного напряжения служит трансформатор. Коммутируя по заданию преподавателя последовательно или параллельно включенные активные сопротивления, студенты собирают цепь любой конфигурации.

Распределение токов и напряжений контролируется четырьмя вольтметрами и тремя амперметрами (см. фиг. 9).

9. Однофазные цепи переменного тока с активными и реактивными сопротивлениями. Набор элементов лабораторной работы приведен на фиг. 9.

При изучении однофазных электрических цепей переменного тока используются активные, индуктивные и емкостные сопротивления (блок 25, фиг. 1).

Кроме распределения токов и напряжений (законы Кирхгофа) схема позволяет организовать измерение активной мощности (вольтметр, фиг. 9) и исследовать явления резонанса токов и напряжений).

10. Симметричные и несимметричные трехфазные цепи. Элементная база лабораторной работы приведена на фиг. 9.

Комбинируя наборы резисторов индуктивных элементов и емкостных элементов, студенты по заданию преподавателей коммутируют перемычками симметричные и несимметричные схемы типа "звезда" и "треугольник". Измерительные приборы позволяют контролировать все фазные и линейные токи и напряжения при различных комбинациях элементов в схемах напряжения 36 В.

11. Однофазный трансформатор. Схема учебной лабораторной работы приведена на фиг. 9.

Изучаемым является трансформатор 36/12 В. Он загружается активными и реактивными сопротивлениями блока 25. Контроль режимов работы трансформатора осуществляется измерительными приборами (см. фиг. 9).

Управление источниками питания: защита и блокировка, включение блоков 1 , 2 и 6 питания осуществляется вручную с помощью кнопочного поста блока 3 (он же и отключает их от питающей сети).

Кроме ручного управления предусмотрен ряд блокировок и защит, предотвращающих ошибочные действия персонала и аварийные ситуации. На фиг. 9 приведена схема увязки переключателей 14, 15, из которой видно, что одновременная подача в обмотку статора машины переменного тока трехфазного напряжения (3х380) В и постоянного тока 220 В исключается. Аналогичным образом изменяется режим работы машины постоянного тока - двигательный или генераторный. Последовательно с обмоткой возбуждения машины постоянного тока включено реле блока 13, выходной контакт которого отключает источники питания в случае потери возбуждения двигателя постоянного тока. Команда на отключение подается на вход блока 1. Аналогично действует блокировка положения переключателя 12. Выход переключателя 12 отключает блок 2 в случае запуска двигателя постоянного тока без добавочного резистора в цепи якоря. Переключатель 9 своим выходом отключает блоки 1 и 2 в случае подачи постоянного тока в машину переменного тока без токоограничивающего блока 4.

Повторный запуск агрегата после срабатывания любой блокировки не требует каких-либо дополнительных операций, а лишь установки соответствующего переключателя в требуемое по инструкции положение.

Предлагаемое устройство позволяет студентам отработать любую учебную тему курса "Электротехника" курса, "Электрические машины", при этом все операции осуществляются стандартными электроаппаратами закрытого типа, исключающими вероятность прикосновения и токоведущим частям напряжением выше 36 В. Для развития навыков в коммутировании сложных схем студенты могут выполнять часть работ с помощью съемных перемычек при напряжении до 36 В.

Все режимы при испытании электрических машин регулируются наборами активных (резисторов) и реактивных (катушки и конденсаторы) многоступенчатых сопротивлений, величины которых изменяются с помощью командоконтроллеров и командоаппаратов, именуемых в тексте по принятой терминологии переключателями (каталочные названия). Это существенно повышает надежность устройства по сравнению с прототипом. Устройство снабжено специальными блокировками, предотвращающими неправильные действия персонала, и устройствами для защиты оборудования от ненормальных режимов.

Цель изобретения - повышение надежности и электробезопасности устройства. Сущность: устройство содержит три блока питания (ПИТН) 1,2,6, блок ручного управления (РУ) 3, четыре блока ограничительных элементов (ОНЭ) 4,5,7,21, семь переключателей (ПК) 8,9,12,14,15,23,24, четыре измерителя (ИР) 10,17,18,20, информационное табло (ИРТ 11, блок защиты от обрыва поля (ЗТОП) 13, фотоэлектрический преобразователь (ФЕП) 16, преобразователь напряжения (ПБН) 19, два блока нагрузочных элементов (НРЭ) 22,25. РУ 3, ПИТН 1, ОНЭ 4, ПК 9, ПК 14, ПК 23, ОНЭ 21, ПБН 19, ПК 15, ИР 20, НРЭ 22. РУ 3, ПИТН 2, ОНЭ 7, ПК 12, ИР 17, ПБН 19, ПИТН 2, ОНЭ 5, ПК 8, ЗТОП 13, ИР 18, ПБН 19. ЗТОП 13, ПИТН 1. ПК 9, ПИТН 1. ПК 14, ПК 15. ПК 23, ПК 24, ОНЭ 21. ПИТН 1, ПИТН 6, НРЭ 25. ПИТН 1, ФЭП 16, ИРТ 11. ПИТН 1, ИР 10, ПК 15. 10 ил., 1 табл.

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ ПО ЭЛЕКТРОТЕХНИКЕ, содержащее первый и второй блоки питания, блок ручного управления, первый блок нагрузочных элементов, первый измеритель параметров электрической цепи, первый переключатель, информационное табло и преобразователь напряжения, отличающееся тем, что в него введены третий блок питания, вход которого подключен к первому выходу первого блока питания, второй блок нагрузочных элементов, входы которого соединены с соответствующими выходами третьего блока питания, первый, второй и третий блоки ограничительных элементов, входы которых подключены соответственно к второму выходу первого блока питания и первому и второму выходам второго блока питания, второй, третий и четвертый переключатели, входы которых соединены с выходами первого, второго и третьего блоков ограничительных элементов соответственно, второй измеритель параметров электрической цепи, выход которого подключен к входу первого блока нагрузочных элементов, пятый переключатель, первый, второй и третий входы которого соединены соответственно с выходом первого измерителя параметров электрической цепи и первыми выходами первого переключателя и преобразователя напряжения, а выход - с входом второго измерителя параметров электрической цепи, третий измеритель параметров электрической цепи, вход которого подключен к первому выходу третьего переключателя, а выход - к первому входу преобразователя напряжения, фотоэлектрический преобразователь, вход которого соединен с первым выходом первого блока питания и входом первого измерителя параметров электрической цепи, а выход - с входом информационного табло, четвертый измеритель параметров электрической цепи, выход которого подключен к второму входу преобразователя напряжения, блок отключения питания на реле, один выход которого соединен с входом четвертого измерителя, вход - с одним выходом четвертого переключателя, а другой выход - с соответствующим выходом четвертого переключателя, первым выходом второго переключателя и первым входом первого блока питания, шестой переключатель, седьмой переключатель, вход которого подключен к второму выходу первого переключателя, а первый выход - к входу шестого переключателя, и четвертый блок ограничительных элементов, первый и второй входы которого соединены соответственно с выходом шестого переключателя и вторым выходом седьмого переключателя, а выход - с третьим входом преобразователя напряжения, вход первого переключателя подключен к второму выходу второго переключателя, второй выход третьего переключателя соединен с первым входом второго блока питания, второй вход которого подключен к аналогичному входу первого блока питания и выходу блока ручного управления, а третий вход - к второму выходу преобразователя напряжения.