УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ Российский патент 2013 года по МПК G01R31/34 

Изобретение относится к области обучающих устройств, а именно к техническим средствам для изучения основ функционирования электрических машин и электроприводов и определения их характеристик, а также для овладения навыками их испытаний, в том числе, с применением средств автоматизации.

Известна лабораторная установка для исследования характеристик приводных устройств и нагрузочных механизмов [1], содержащая основание с размещенными на нем приводом вращения и нагрузочным устройством, с соединенными через муфту валами, на которых закреплены датчики угла поворота и средство регистрации, например осциллограф.

Недостатками данного устройства являются недостаточные для изучения соответствующих разделов дисциплин функциональные возможности.

Также известен стенд для изучения средств автоматизации испытаний электрических мотор-редукторов [2], содержащий источник питания, измеритель электрических величин, датчик силы тока, мотор-редуктор, электропривод, преобразователь угол-код.

Недостатками данного устройства для изучения соответствующих разделов дисциплин являются ограниченные функциональные возможности, что приводит к необходимости использовать дополнительную стендовую базу.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является модульный стенд «Электрические машины и приводы» ЕМ -3000 [3], содержащий фотоэлектрический датчик угла поворота вала и блок управления электрических измерений и индикации, состоящий из датчиков силы тока с аналоговыми выходами, источников электропитания, пульта управления, наборного поля с клеммами, жидкокристаллического индикатора и комплекта соединительных проводов, а также сменные модули в составе:

вариант 1 - монтажная рама с электрической машиной переменного тока - асинхронным однофазным электродвигателем, вал которого для проведения испытаний соединяется через муфту с валом тормозного устройства и датчиком угла поворота;

вариант 2 - монтажная рама с электрической машиной постоянного тока, вал которой для проведения испытаний соединяется через муфту с валом тормозного устройства и датчиком угла поворота.

Недостатками прототипа являются:

1. Низкая степень электробезопасности (стенд работает от трехфазной сети питания напряжением 220 В), высокое энергопотребление.

2. Большие габариты и масса, что не позволяет комплектовать трансформируемые учебные лаборатории, обеспечивать подготовку по индивидуальным образовательным траекториям.

3. Невозможность использования стенда для испытаний электроприводов в качестве сервомоторов, обеспечивающих управляемый поворот вала на заданное количество угловых градусов.

Задачей изобретения является повышение электробезопасности, уменьшение массо-габаритных характеристик и расширение функциональных возможностей.

Указанная задача решается за счет того, что в учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов, содержащий тормозное устройство, электрические машины переменного и постоянного тока, размещенные на монтажной раме, муфту, фотоэлектрический датчик угла поворота вала и блок управления, электрических измерений и индикации, состоящий из датчиков силы тока с аналоговыми выходами, источников электропитания, пульта управления, наборного поля с клеммами, жидкокристаллического индикатора и комплекта соединительных проводов, дополнительно введено то, что испытываемые электромашины переменного и постоянного тока соединены между собой выходными валами через промежуточные редукторы и муфту, выходы инверторов подключены к обмоткам электрической машины переменного тока, а их входы - к двум выходам микроконтроллера, выход широтно-импульсного модулятора подключен к обмотке электрической машины постоянного тока, а его вход - к третьему выходу микроконтроллера.

Электрические машины переменного и постоянного тока применяются в составе малогабаритных низковольтных мотор-редукторов с взаимно-согласованными передаточными отношениями.

Выходной вал одного из мотор-редукторов снабжен фотоэлектрическим датчиком базового положения вала, выход которого соединен с входом контроллера.

Введение промежуточных редукторов позволяет использовать испытываемые электромашины в составе мотор-редукторов, а именно: электрическая машина переменного тока - асинхронный мотор-редуктор (АОМР), а электрическая машина постоянного тока - мотор-редуктор постоянного тока (МРПТ). Это дает возможность применения типовых низковольтных мотор-редукторов, что позволяет снизить габариты и массу изделия.

Соединение выходных валов мотор-редукторов навстречу друг другу через муфту позволяет исключить тормозное устройство как отдельный конструктивный элемент, так как предлагаемое техническое решение предусматривает применение электромашины МРПТ в режиме тормозного устройства при испытаниях АОМР, а электромашины АОМР - в режиме тормозного устройства при испытаниях МРПТ, что позволяет уменьшить габариты и массу изделия.

Введение управляемых микроконтроллером силовых исполнительных элементов в составе: первого и второго инверторов (ИНВ1) и (ИНВ2) - для питания обмоток АОМР, а также широтно-импульсного модулятора (ШИМ) - для электропитания МРПТ, и соответствующее их подключение обеспечивает следующие режимы работы:

- в режиме «электромашина переменного тока - двигатель, электромашина постоянного тока - тормозное устройство» микроконтроллер формирует на двух входах инверторов сигналы заданной частоты, с заданным сдвигом фаз, а на входе ШИМ - сигналы, формирующие напряжение противовключения на обмотке электромашины постоянного тока, задающее тормозной момент;

- в режиме «электромашина постоянного тока - двигатель, электромашина переменного тока - тормозное устройство» микроконтроллер формирует на двух входах инверторов сигналы противовключения заданной частоты или сигналы постоянного тока, задающие тормозной момент, а на входе ШИМ - сигналы, формирующие на обмотке электромашины постоянного тока напряжение заданной величины.

Использование мотор-редукторов с взаимно-согласованными передаточными отношениями обеспечивает соответствие моментов и угловых скоростей.

Введение датчика базового положения вала (ДБПВ) позволяет проводить испытания АОМР и МРПТ в режиме сервопривода, что расширяет функциональные возможности стенда.

Приведенная совокупность признаков, характеризующих заявленный объект, обуславливает достижение технического результата, обеспечивающего решение задачи изобретения.

Анализ уровня техники показывает, что не известен стенд, которому присущи признаки, идентичные всем признакам данного изобретения.

Это говорит о новизне предложенного технического решения.

Предложенное техническое решение применимо, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, так как может быть изготовлено в условиях серийного и единичного производства с применением выпускаемых серийно комплектующих и, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

На чертеже изображена структурная схема стенда.

Учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов содержит АОМР 1, включающий электрическую машину переменного тока 1.1 с промежуточным редуктором 1.2 и МРПТ 2, включающий электрическую машину постоянного тока 2.1 с промежуточным редуктором 2.2. Оба устройства - АОМР 1 и МРПТ 2 - установлены на монтажную раму (не показана) навстречу друг с другом и соединены выходными валами через муфту 3.

Блок управления, электрических измерений и индикации 4 содержит: датчики силы тока с аналоговыми выходами (ДТ1) 4.1, (ДТ2) 4.2, инверторы (ИНВ1) 4.3 и (ИНВ2) 4.4, широтно-импульсный модулятор (ШИМ) 4.5, микроконтроллер 4.6, ЖКИ 4.7, пульт управления 4.8, наборное поле с клеммами 4.9, блок электропитания для электромашин, исполнительных и индикаторных элементов 4.10 и блок электропитания для элементов обработки информации 4.11.

В применяемом варианте исполнения ДБПВ 5 состоит из оптического диска 6 и оптопары 7, а датчик угла поворота вала (ДУПВ) 8 - из оптического диска 9 и оптопары 10.

Стенд предназначен для изучения основ функционирования электрических машин и электроприводов, а также для овладения навыками их испытаний, в том числе, с применением средств автоматизации.

Структура стенда обеспечивает углубленное изучение особенностей функционирования электромашин в режимах двигателя, нагрузочно-тормозного устройства, сервопривода, проведение испытаний - определение основных характеристик электрических машин переменного и постоянного тока. Управление режимами работы обеспечивается с применением микропроцессорного контролера с набором необходимых для испытаний прикладных программ.

С применением многофункционального модульного учебного стенда решаются частные задачи обучения: изучение конструкций, принципов функционирования электрических машин и электроприводов, изучение и освоение технологий и технических средств проведения испытаний, оценки технических характеристик электрических машин и электроприводов, формируемых на их основе. Практически осваиваются методы испытаний, проводимых с применением стандартных электроизмерительных приборов и современных средств автоматизации эксперимента.

Стенд работает следующим образом.

Блок управления, электрических измерений и индикации 4 обеспечивает работу мотор-редукторов АОМР 1 и МРПТ 2 в режимах: двигатель и нагрузочно-тормозное устройство. Основные функции управления выполняет микроконтроллер 4.6, который принимает информацию из портов ввода, к которым подключены кнопки пульта управления 4.8. Микроконтроллер 4.6 также выводит данные в порты вывода, задающие направление и скорость вращения АОМР и МРПТ, углы поворота вала.

Сигналы датчиков ДБПВ 5 и ДУПВ 8 поступают в микроконтроллер 4.6 и обрабатываются в соответствии с управляющей программой. Оператор с помощью соединительных проводов (не показаны), через клеммы наборного поля 4.9, руководствуясь методическими материалами лабораторной работы и мнемосхемами, может выполнять подключение внешних измерительных приборов, осциллографа.

Источники информации

1 А.с. РФ №1585821 А1, МПК G09B 23/18, «Лабораторная установка для исследования характеристик приводных устройств и нагрузочных механизмов», опубл. 15.08.90. Бюл. №30 (аналог).

2 Патент PU №2334967 С1, МПК G01M 15/00, G09B 23/18, «Стенд для изучения средств автоматизации испытаний электрических мотор-редукторов», опубл. 27.09.2008. бюл. №27 (аналог).

3 «Стенд Электрические машины и приводы» (прототип):

- список модулей ЕМ-3000 http://www.e-import.ru/index.php?pade=96;

- блок торможения ЕМ-3320-1А Блок торможения с магнитным порошком.

http://www.e-import.ru/index.php?pade=98.

Изобретение относится к средствам для изучения основ функционирования электрических машин и электроприводов и позволяет создать электробезопасный, малогабаритный, многофункциональный учебно-лабораторный стенд для определения характеристик электрических машин и электроприводов. Стенд содержит тормозное устройство, электрические машины переменного и постоянного тока, муфту, фотоэлектрический датчик угла поворота вала и блок управления, электрических измерений и индикации, состоящий из датчиков силы тока с аналоговыми выходами, источников электропитания, пульта управления наборного поля с клеммами, жидкокристаллического индикатора и комплекта соединительных проводов. Испытываемые электромашины соединены между собой выходными валами через промежуточные редукторы и муфту, выходы инверторов подключены к обмоткам электромашины переменного тока, а их входы - к двум выходам микроконтроллера; выход широтно-импульсного модулятора подключен к обмотке электромашины постоянного тока, а его вход - к третьему выходу микроконтроллера. Это позволяет применять малогабаритные низковольтные мотор-редукторы постоянного и переменного тока и поочередное использование каждого из них в качестве нагрузочного устройства для другого. В стенд введен установленный на выходном валу одного из мотор-редукторов датчик базового положения вала, выход которого соединен с входом блока управления и электрических измерений, что позволяет проводить испытания электроприводов с отработкой заданных углов поворота выходного вала. Технический результат - повышение электробезопасности. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов, содержащий тормозное устройство, электрические машины переменного и постоянного тока, размещенные на монтажной раме, муфту, фотоэлектрический датчик угла поворота вала и блок управления, электрических измерений и индикации, состоящий из датчиков силы тока с аналоговыми выходами, источников электропитания, пульта управления наборного поля с клеммами, жидкокристаллического индикатора и комплекта соединительных проводов, отличающийся тем, что испытываемые электромашины переменного и постоянного тока соединены между собой выходными валами через промежуточные редукторы и муфту, выходы инверторов подключены к обмоткам электрической машины переменного тока, а их входы - к двум выходам микроконтроллера, выход широтно-импульсного модулятора подключен к обмотке электрической машины постоянного тока, а его вход - к третьему выходу микроконтроллера.

2. Стенд по п.1, отличающийся тем, что электрические машины переменного и постоянного тока применяются в составе малогабаритных низковольтных мотор-редукторов с взаимно-согласованными передаточными отношениями.

3. Стенд по п.1, отличающийся тем, что выходной вал одного из мотор-редукторов снабжен фотоэлектрическим датчиком базового положения вала, выход которого соединен с входом микроконтроллера.