Учебный прибор по электротехнике (его варианты) Советский патент 1986 года по МПК G09B23/06 

I1

Изобретение относится к техн1 чес- ким средствам обучения и может быть использовано в средних и высишх специальных учебных заведениях в электротехники при изучении теории трехфазных цепей

Цель изобретения - расширение дидактических возможностей за счет демонстрации трех векторов фазных напряжений трехфазной нагрузки и некто- ра напряжения между нулевыми точками трехфазной ЭДС и трехфазной нагрузки

На фиг.1 представлена схема первого варианта устройства; на фиг.2 - схема блока индикации; на. фиг.З - конструкция ползуна; на фиг.4 - внешняя сторона демонстрационной панели, на фиг.З - схема первого варианта вычислителя и блока управления; на фиг.6 - схема привода; на фиг.7 - векторная диаграмма фазных напряжений источника трехфазной ЭДС и трехфазной нагрузки; на фиг.8 - схема второго варианта устройства; на фиг.9 - схема второго варианта вычис лителя; на фиг.10 - вектор напряжения между нулевыми точками трехфазной ЭДС и трехфазного потребителя.

Учебный прибор по электротехнике по пepвo y варианту (фиг. 1) содер- жит трехфазный потребитель в виде трех переменных резисторов 1-3, сое- диненн1 1х по схеме звезда без нулевого привода, датчики 4 и 5 напряжения, блок 6 индикации, источник 7 трехфазной ЭДС, вычислитель 8 и блок 9 управления.

Блок 6 индикации (фиг.2) содержит управляемые источники 10 и 11 питания, включающие переменные резисторы 12 и 13 и источники 14 и 15 постоянного напряжения, панель 16 со сквозными отверстиями 17-20, через которые пропущены керастяжимые нити 21- 24, к одним концам которых прикреп- лены пружины 25-28, каретки 29 и 30, ползун 31 и приводы 32 и 33. Каретки 29 и 30 расположены перпендикулярно друг другу, при этом длина каретки 29 не менее 3/2 , а величина ее перемещения не менее -р где Шр - масштабньй коэффициент rag - М/вЗ, длина каретки 30 не менее З V(pmgj а величина ее перемещения не менее 3;/2.V(pmg. Каретки 29 и 30 пропущены через взаимно перпендикулярные непересекающиеся отверстия ползуна 31, к основанию которого

5 0 5

о

0

- 0

5

722

прикреплен магнит 34. Ползун 31 выполнен, например, в виде куба (фиг.З) .

На передней стороне панели 16 (фиг.4) изображена векторная диаграмма фазных напряжений источника 7 - д S VB с концах звезды векто- jpOB Vft, VQ, V и в точке О векторной диаграммы фазных напряжений источника 7 проделаны сквозные отверстия 17-20.

Вычислитель 8 (фиг.З) содержит сумматоры 33-39, элементы 40 и 41 согласования, источник 42 постоянного напряжения, умножители 43 и 44 и не- линейньш элемент 43, реализующий зависимость у - Т, где X и у - входной и выходной сигналы элемента 43.

Блок 9 управления (фиг.З) содержит сумматоры 46 и 47, разделительные элементы 48-31, выполненные в виде диодов, выпрямители 32 и 33 и нуль- органы 34 и 33.

Приводы 32 и 33 (фиг.6) содержат источник 36 постоянного напряжения, элемент 37 запрета, ключ 38-61, электродвигатель 62 постоянного тока с якорной обмоткой 63 и обмоткой 64 возбуждения.

Нерастяжимые нити 21-24, прикрепленные одним кондом к пружинам 23- 28, другим концом соединены с постоянным магнитом 63 (фиг.4).

Учебный, ррибор по электротехнике по второму варианту (фиг,8) содержит трехфазный потребитель в виде трех переменных резисторов 1-3, соединенных по схеме звезда с нулевым проводом, датчики 66-68 тока, блок 6 индикации, блок 9 управления, вычислитель 69 и источник 7 трехфазной ЭДС.

Вычислитель 69 (фиг.9) содержит элементы 70-73 согласования, вьшол- ненные в виде масщтабирующих резисторов, сумматоры 76-81, делители 82 и 83 тока и источник 84 питания.

Учебньй прибор (фиг.1) демонстрирует связь между сопротивлениями нагрузки, соединенной звездой без нулевого провода, векторной диаграммой фазных напряжений нагрузки. При изменении значений сопротивлений нагрузки (в случае несимметричной наг- рузки будут изменяться длины векторов фазных напряжений нагрузки V, V, V и соответственно координаты нулевой точки нагрузки О . В декартовой системе координат (фиг.7)

v; - -jvT ;

(1) (2)

v; (v,v - v,) + v; .

где VL и V| - фазные напряжения нагрузки фаз В и С; V, и V|, - соответственно коордиJ/

наты точки О- в декартовой системе координат. Из формулы (1) следует, что ,

(V;) + VyS(2а)

а из формулы (2), что

(v )2 (43 v - V, f + Vy

3 V - 2.13 V. (26)

Вычтя из формулы (2б) выражение (2а) получают, что

. f- V ).

(3)

Величину Vy определяют по известному V (формула 3) с использованием формулы (2а), т.е.

(v;)2- v (v;- v,)(v;+ v,).

(4)

Учебный прибор работает следуюпщм образом.

При изменении значений переменных резисторов 1-3 трехфазной нагрузки, соединенной звездой без нулевого провода, изменяется значение напряжения Vg между нулевыми точками источника 7 и нагрузки:

V -YAYAl Ve

YA- Y,

где Уд ,Vg и V( - комплексы фазных

напряжений источника 7;

Y. ,Yg и Y, - комплексные значения проводимостей- фазных сопротивлений.

Соответственно будут изменяться и фазные напряжения нагрузок

Va VA - V

Vi, Vg - V,

v; Vc - v

(6)

Сигналы датчиков 5 и 4 напряжения, пропорциональные действующим значениям напряжений соответственно v и V, подаются на первый и второй входы вычислителя 8, который предназначен для вычисления значений V и

Уц при известных значениях V и V по формулам (3) и (4).

Сигнал Vf, с выхода датчика 5 в вычислителе 8 (фиг.5) подается на сум- мирующий вход сумматора 35 и вычитающий вход сумматора 36. На суммирующие входы сумматоров 35-38 подается сигнал V., с выхода датчика 4. На вы{

ходе сумматора получают сигнал (V, + + Vp), а на выходе сумматора 36 - сигнал (V b сигналы сумматоров 35 и 36 перемножаются в умножителе 43. Выходной сигнал умножителя 43 через элемент 41 согласо- вания, выполненный в виде масштабного резистора с весом (1/2-д|з V), подается на (Эдин из входов сумматора 39, на второй которого подается через элемент 40 согласования, выпол- венный в виде масштабного резистора с весом (- з Уф/2), единичный сигнал с выхода источника 42. На выходе сумматора 39 получают сигнал

25

. ,)()

30

который подается на суммирующий вход сумматора 37 и на вычитающий вход . сумматора 38.

На выходе сумматора 37 получают сигнал (Vj. + V), а на выходе сумматора 38 - сигнал ( V), которые подаются на вход умножителя А4. Выходной сигнал умножителя 44 подается на вход элемента 45 нелинейностей, вы- ходной сигилл которого равен величине У -j(Vc+ Vx )( V) . Выходной сигнал сумматора 39 блока 8, пропор- циональньп Vj , подается на суммирующий вход сумматора 46 блока 9 управ40-/с

ления, выходной сигнал элемента 45

подается на суммирующий вход сумматора 47 блока 9 (фиг.5), на вычитающие входы су 1маторов 46 и 47 подаются сигналы и V ь с подвижных движ- ков переменных резисторов 12 и 13 соответственно блока 6 индикации.

Выходной сигнал сумматора 46 равен разнице сигналов (V,- Vy) йх. Если

50 величина лх 0, то выходной сигнал сумматора 46 через диод 48 подается на первый вход привода 33, если дх : О, то сигнал сумматора 46 через диод 49 и выпрямитель 52 подается на

55 второй вход привода 33. Если дх О, то появляется сигнал на выходе нуль- - органа 54, который подается на третий вход привода 33.

Аналогично, если выходной сигнал сумматора 47 ау - (V(. Vu) О, то он через диод 50 подается на первый вход привода 32, то сиг- нал йУ через диод 51 и выпрямитель 53 подается на второй вход привода 33. ЕСЛИ А У О, то появляется сигнал на выходе нуль-органа 55,, который подается на третий вход привода 32 блока 6.

В приводе 33 или 32 (фиг.6) выходной сигнал нуль-органов 54 и 55 подается на запрещающий вход элемента 57 запрета. Если данный сигнал не ра- вен нулю, то источник 56 питания отключен от электродвигателя 62 и вращающий момент электродвигателя 62 равен нулю. Предположим, что сигнал (), тогда выходной сигнал диода 48 (50) подается на входы открытия ключей 58 и 61 и на входы закрытия ключей 59 и 60. Напряжение с источника 56 питания подается на обмотку 64 возбуждения и :ia обмотку 63 якоря. Положительное направление тока якоря 63 изображено на фиг.6. Двигатель 62 создает вращающий момент и вращается в каком либо направлении, перемещая каретку 29 влево (или вправо)

Привод 32 перемещает каретку 30 вверх (или вниз) (фиг.2), При перемещении кареток 29 и 30 перемещается ползун 31 с прикрепленным к его основанию магнитом 34 и движки перемен- ных резисторов 12 и 13. Соответственно изменяться и значение сигналов V и Уц , снимаемых с переменных резисторов 12 и 13, которые подаются на соответствующие входп вычислителя 8

При изменении положения магнита 34 будет соответственно изменяться положение магнита 65, к концам которого прикреплены нити 21-24 (фиг.4). При перемещении магнита 65 будут из- меняться длины видимых частей нитей 21-24. Благодаря пружинам 25-28 эти нити все время находятся в натянутом ;остоянии.

Приводы 32 и 33 перемещают каретки 29 и 30 до тех пор, пока выходной сигнал с выхода сумматоров 46 и 47 не будет равен нулю. При равенстве нулю выходного сигнала сумматоров 46 и 47 срабатывают нуль-органы 54 и 55 и отключат электродвигатель 62 от источника 56.

ЕСЛИ выходной сигнал сумматоров 46 и 47 меньше нуля, т.е. дх ;0 ( о), то появляется сигнал на выходе выпрямителя 52 или 53, который в приводах 32 и 33 закрывает ключи 58 и 61 и открывает ключи 59 и 60. Ток через якорь 63 имеет направление, противоположное указанному на фиг,6. Происходит реверс.

Электродвигатель 62 перемещает каретку 29 вправо (или влево), а каретку 30 - вниз (или вверх).

Таким образом, при изменении значений резисторов 1-3 являющихся нагрузкой трехфазного источника 7 ЭДС непрерывно изменяется положение магнита 65 и длины видимых частей нитей 21-24. Длины видимых частей нитей 2,1-24 имитируют значения напряжений Уд, V,, УС и УО , т.е. демонстрируется векторная диаграмма фазных напряжений нагрузки и напряжения между нулевыми точками нагрузки и источника 7.

Учебный прибор (фиг.8) демонстрирует связь между сопротивлениями нагрузки, соединенной звездой с нулевым проводом, и векторной диаграммой фазных напряжений.

Формулу (5) в символической форме можно записать в следующем виде (при условии, что нагрузка является ак- тшшой) :

V yfl 4 Q J 0 ; lVa(-0.54Q.B7We

с

VA-O SVcptVe -c) . ,/cp(Vc-Ye) - + jo.e

a.jV,p,

, (7)

здесь У,, y blOx5il,ik) ,,,,,„,, 8 с составляющаянапряжения

1Т f

,У 0,87Уа ;г-- 2- -- 5- - реактивная

I 1

составляющая напряжения Уц ,

- где Зд ; а ; Зе - действующие значения фазных токов трехфазной нагрузки, соединенной звездой с нулевым приводом.

Для получения информации о значениях Vpg и Vj,p необходимо знать действующие значения, токов Зд, Ig, 3. Для этого в каждую из фаз (А, В и С) трехфазной нагрузки, соединенной звездой с нулевым проводом (фиг.8), включают датчики 66-68 тока, сигналы которых подаются на вход вычислителя 69, который должен вычислять сигналы

4з

ор

Vx- -VOP+ -3-

(8) (9)

Vj ,

где V и Vq - координаты точки О в прямоугольной системе координат х, у (фиг.10), которые затем сравниваются с сигналами в блоке 9 управления Уд и Уц, снимаемые с движков переменных резисторов 12 и 13.

Вычислитель 69 (фиг.9) работает следующим образом.

Сигналы датчиков 66-68, пропорциональные действующим значениям фазных (линейных) токов 3, 3 g и Ij; трехфазной нагрузки, подаются на соответствующие входы вычислителя 69. При этом сигнал 3 с выхода датчика 66 подается на первый с т гмирующий вход сумматора 78, а через масштабный резистор 74 с весом V(p подается на суммирующий вход сумматора 79, выходной сигнал датчика 67, пропорциональный 3g, подается на первый суммирующий вход сумматора 81 и через масштабный резистор 75 с весом 0,87 Vf - на вычитающий вход сумматора 80. Выходной сигнал датчика 68 пропорциональный току 3., подается на второй суммирую

щий вход сумматора 81 и через мае- штабный резистор 73 с весом 0,87 уф на суммирующий вход сумматора 80. Выходной сигнал сумматора 81, равный (3g+Dg), подается на второй суммирующий вход сумматора 78, а через мае- штабный резистор 72 с весом 0,5 Уф на вычитающий вход сумматора 79. Выходной сигнал сумматора 78, равный (Зд-1- 3g+ 3)5 подается на один из входов делителей 82 и 83. Выходной сигнал сумматора 79, равный - 0,5( 3(,)J, подается на второй вход делителя 82 (вход ;елимого), выходкой сигнал сумматора 80, равный 0,87 Уф (Of,- Jg)J, подается на вто- рой вход (вход делимого) делителя 83. На выходе делителя 82 получают си1- нал, равный

у ,)

оа

f 3,+ 3„+ 3,

который подается на первый суммирующий вход сумматора 76. На выходе делителя 82 получают сигнал, равный

1/„ 0,87

kl 1 Л,+ 1,

25

30

5 20

.

который подается на вычитающий вход сумматора 77, к второму су ммирующему входу сумматора 76 и к суммирующему входу суьтматора 77 через масштабные резисторы 71 с весом 0,87 V и 72 с весом 0,5 l/ m соответственно. На вы- ходе сумматора 76 получают сигнал 1 Voo+ Vq,/2, а.на выходе сумматора 7/ - сигнал Уу -Vop+ 0,87Уф (формулы 8 и 9), которые подаются на соответствующие, входы блока 9 управления.

Затем процесс работы учебного прибора повторяется аналогично описан- ному.

Формула изобретения

1. Учебный прибор по электротехнике, содержащий источник трехфазной ЭДС, три переменных резистора трехфазной нагрузки, блок индикации и вычислитель, отличающийся тем, что, с целью расширения дидактических возможностей за счет демонстрации трех векторов фазных напряжений трехфазной нагрузки и вектора напряжения между нулевыми точками трехфазной ЭДС и трехфазной нагрузки, он содержит два датчика напряжения и блок управления, выполненный в виде двух сумматоров, четырех разделительных элементов, двух выпрямителей и двух нуль-органов, при этом выход первого сумматора соединен с входами первого и второго разделительных элементов и первого нуль-органа, выход второго сумматора - с входами третьего и четвертого разделительных элементов и второго нуль- органа, вход первого выпрямителя подключен к выходу второго разделительного элемента вход второго выпрямителя - к выходу четвертого разделительного элемента, суммирующие входы первого и второго сумматоров подключены соответственно к первому и второму входам вычислителя, вычитающие входы первого н второ1 о сум- маторов - соответственно к первому и второму выходам блока индикации, ВХОДЫ которого подключены к выходам первого и третьего разделительных элементов, к выходам выпрямителей и .нуль-органов, а первый и второй входы вычислителя подключены соответ-- ственно к выходам первого и второго (Датчиков напряжения, подключенных параллельно двум резисторам трехфазной нагрузки, при этом .первые выводы трех переменных резисторов трехфазной нагрузки подключены к источнику трехфазной ЭДС, а вторые выводы объединены.

2. Учебный прибор по п.1, о т л и- чающийся тем, что вычислитель содержит пять сумматоров, два умножителя, два элемента согласования, источник постоянного напряжения и нелинейный элемент, вход которого подключен к выходу первого умножителя, первый и второй входы которого подключены соответственно к выходам первого и второго сумматоров, выходы третьего и четвертого сумматоров подключены соответственно к первому и второму входам второго умножителя, выход которог о соединен с входом первого элемента согласования, выход которого подк:тчен к первому суммирующему входу пятого сумматора, второй суммирующмй вход которого подключен к второму элементу согласования, соединенному с источником постоянного напряжения, выход пятого сумматора подключен к первому суммирующему входу первого сумматора и к вычитающему входу второго сумматора, при этом второй суммирующий вход первого сумматора, суммирующие входы второго и третьего сумматоров и первый суммирующий вход четвертого суг матора объединены и являются первым входом вычислителя, второй суммирующий вход четвертого сумматора и вычитающий вход третьего являются вторым входом вычислителя, выход пятого сумматора - первым выходом вычислителяj а выход нелинейного элемента является вторым выходом вычислителя.

3. Учебный прибор, по электротехнике, содержащий источник трехфазной ЭДС, три переменных резистора трехфазной нагрузки, блок индикации и вычислитель , отличающийся

тем, что, с целью расширения дидактических возможностей за счет демонстрации трех векторов фазных напря- 5 жений трехфазной нагрузки и вектора напряжения между нулевыми точками трехфазных ЭДС и нагрузки, он содержит три датчика тока и блок управления, выполненный в виде двух сумма- 0 торов, четырех разделительных элементов, двух выпрямителей и двух нуль- органов, при этом выход первого сумматора соединен с входами первого и второго разделительных элементов и

5 первого нуль-органа, выход второго сумматора - с входами третьего и четвертого разделительных элементов и BTOpoi O нуль-органа, вход первого выпрямителя подключен к выходу вто0 рого разделительного элемента, вход второго выпрямителя - к выходу четвертого разделительного элемента, суммирующие входы первого и второго сумматоров подключены соответственно

5 к первому и второму входам вычислителя, вычитающие входы первого и второго сумматоров - соответственно к первому и второму выходам блока индикации, входы которого подключены

0 к выходам первого и третьего разделительных элементов, к выходам выпрямителей и нуль-органов, а первый, второй и третий входы вычислителя подключены соответственно к первым

5 выходам первого, второго и третьего датчиков тока, вторые выходы которых подключены к первым выводам переменных резисторов, а входы - к первому, второму и третьему выходам источника

0 трехфазной ЭДС, четвертый выход которого подключен к объединенным вторым выводам переменных резисторов трехфазной нагрузки.

4. Учебный прибор по п.З, о т л и-

5 чающийся тем, что вычислитель содержит шесть сумматоров, шесть элементов согласования, два делителя тока и источник питания, соединенный с входами первого и второго

0 элементов согласования, выходы которых подключены соответственно к первым входам первого и второго сумматоров, вторые входы которых подключены к выходам первого и второго делите5 лей тока соответственно, первые входы которых объединены и подключены к выходу третьего сумматора, а вторые входы - к выходам четвертого и пятого суммэт.оров соответственно, первые входы которых подключены соответственно к выходам третьего и четвертого элементов согласования, а вторы входы - соответственно к выходам пятого и шестох о элементов согласования, при этом выход шестого сумматора соединен с входом третьего элемента согласования и с первым входом третьего сумматора, вход пятого элемента согласования и второй вход третьего сумматора являются первым входом вычислителя, первый вход шестого сумматора и вход шестого элемента согласования являются вторым входом вычислителя, второй вход шестого сумматора и вход четвертого элемента согласования - третьим входом вычислителя, а выходы первого и второго

сумматоров - выходам вычисли- теля.

5. Учебный прибор по пп.1 и 3, отличающийся тем, что блок индикации содержит демонстрационную панель со сквозными отверстиями, через которые пропущены нерастяжимые нити, к одним концам которых прикреплены пружины, а другие концы соединены на внешней стороне панели с первым постоянным магнитом, две взаимно перпендикулярные каретки с приводами, пропущенные через ползун, управляемые источники питания, управляющие входы которых соединены с кй- ретками, при этом ползун соединен с вторым постоянным магнитом, выходы источников питания являются выходами блока, входы приводов - входами блок

Изобретение относится к техническим средствам обучения и может быть использовано в средних и высших учебных заведениях в курсе электротехники при изучении теории трехфазных цепей. Учебный прибор по электротехнике позволяет расширить дидактические возможности за счет демонстрации трех векторов фазных напряжений посредством введения в устройство, содержащее источник трехфазной ЭДС, три переменных резистора трехфазной нагрузки, .блок индикации и вычислитель, двух датчиков напряжения и блока управления, выполненного в виде двух сумматоров, четырех разделительных элементов, двух выпрямителей и двух нуль-органов, и выполнения вычислителя в виде пяти сумматоров, двух умножителей, двух элементов согласования, источника постоянного напряжения и нелинейного элемента или введения в устройство, содержащее источник трехфазной ЭДС, три переменных резистора, блок индикации и вычислитель, трех датчиков тока и блока управления в виде двух сумматоров, четырех разделительных элементов, двух выпрямителей и двух нуль- органов, и выполнения вычислителя в виде шести о мматоров, шести элементов согласования, двух делителей и источника питания, а также выполнения блока индикации в виде демонстрационной панели со сквозными отверстиями, через которые пропущены нерастяжимые нити, к одним концам которых прикреплены пружины, а другие концы соединены на внешней стороне панели с первым постоянным магнитом, двух .взаимно перпендикулярных кареток с приводами, пропущенных через ползун, соединенный с вторым постоянным магнитом. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 10 ил. с сл ю о Сл ю

Ля}

/

W

31

V

Т

Т J4

17

фиг.З

От 6S

O/n&t

У

I у; и

7,

i

0

А

фиг. Ю

Редактор Н.Яцола

Составитель Т.Панина

Техред Г.Гербер Корректор М.Самборская

Заказ 4639 Тираз 455Подписное

БНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,