Учебное пособие по электрическим машинам Советский патент 1992 года по МПК G09B23/10 

Изобретение относится к учебным наглядным пособиям по электрическим машинам, а более конкретно к наглядным пособиям для демонстрации скольжения в асинхронных машинах.

При преподавании курса электрических машин наиболее трудным моментом является понимание принципа работы асинхронных машин, а именно понимание вращающегося магнитного поля статора, скольжения, их роли в работе этих машин. Поэтому создание учебного пособия, которое бы позволило демонстрировать враща- ющееся магнитное после статора, скольжение, позволило бы количественно оценивать величину скольжения, а также влияние частоты вращения магнитного поля статора m (синхронной скорости) на частоту вращения обмотки ротора П2, их взаимосвязь существенно бы повысило эффективность процесса обучения.

Вращающееся магнитное поле статора - это перемещение вектора максимума магнитного потока, а скольжение S - есть явление отставания частоты вращения обмотки ротора П2 от частоты вращения магнитного поля статора m и определяется как S

П1 - П2

П1

100 %.

Известно устройство, которое демонстрирует эффекты, связанные с вращающимся магнитным полем.

Однако, оно не позволяет в представленном виде количественно оценить величину скольжения. Кроме того, устройство не позволяет демонстрировать влияние частоты вращения магнитного поля статора m (синхронной скорости) на частоту вращения ротора П2, так как преследует другую цель и оперирует- с двумя независимыми друг от друга генераторами.

Известен учебный прибор по электротехнике, содержащий установленную на основании панель со сквозными знаковыми отверстиями и отверстием, в котором помещен вал, через цент которого на панели нанесены симметрично три свётоконтраст- ные линии, обозначающие вектора магнитных потоков статорных обмоток трехфазной электрической машины, и формирователь знаков, установленный за передней панелью, а также установленный перед панелью светопрозрачный диск, имеющий обозначение магнитных полюсов, магнитных силовых линий, плоскую диафрагму, жестко соединенную соосно с диском,

Однако данный прибор не позволяет в представленном виде демонстрировать и количественно оценивать скольжение в

асинхронных машинах, а также демонстрировать влияние синхронной скорости на частоту вращения ротора.

Известно устройство для демонстрации

вращающегося магнитного поля, содержащее макет статора многофазной машины с лампами накаливания (индикаторами), питаемыми от источника многофазного тока пониженной частоты, расположенными по

0 окружности и соединенными аналогично проводникам, закладываемым в пазы статора многофазной машины.

Однако известное устройство в представленном виде не может быть использова5 но для демонстрации и количественной оценки скольжения, а также для демонстрации влияния синхронной скорости на частоту вращения ротора. Кроме того, в качестве источника многофазного тока использова0 ны машинный генератор. Машинный генератор приводится во вращение электродвигателем, т. е. представляет собой машинный агрегат со всеми его недостатками: наличие вращающихся частей, громоздкость и т. п.

5 Это снижает безопасность и удобство в экс-, плуатации известного устройства.

Целью изобретения является повышение эффективности обучения за счет нагляд- ности демонстрации скольжения в

0 асинхронных машинах, его количественной оценки, а также демонстрации влияния частоты вращения магнитного поля статора (синхронной скорости) на частоту вращения обмотки ротора.

5 В устройство, содержащее группу индикаторов (ламп накаливания), расположенных по окружности статора модели асинхронной машины, дополнительно введена группа индикаторов, расположенных

0 по окружности ротора, модели асинхронной машины, первый и второй генераторы частоты, первый и второй задатчики частоты, первый и второй электромеханические счетчики, первый и второй электронные комму5 таторы, усилители мощности, электронные ключи. Первые входы генераторов частоты соединены с первыми выходами соответственно первого и второго задатчиков частоты. Второй вход второго генератора частоты

0 соединен с вторым выходом первого задат- чика частоты. Входы первого и второго электромеханических счетчиков соединены с первыми выходами первого и второго генераторов частоты соответственно. Входы

5 первого и второго электронных коммутаторов соединены с вторыми выходами первого и второго генераторов частоты соответственно. Вход каждого из усилителей мощности соединен с соответствующим выходом первого электронного коммутатора, а выход - с соответствующей группой индикаторов, расположенных по окружности статора модели асинхронной машины. Индикаторы создают перемещающееся световое изобретение, имитирующее вращение магнитного поля статора (вектора максимума магнитного потока). Вход каждого из электронных ключей соединен с соответствующим выходом второго электронного коммутатора, а выход - с соответствующим индикатором из группы индикаторов, расположенных по окружности ротора модели асинхронной машины. Эта группа индикаторов создает перемещающуюся по окружности световую точку, имитируя таким образом вращение обмотки ротора. Все группы индикаторов выведены на лицевую панель, на которой в разрезе изображена асинхронная машина.

Предлагаемое учебное пособие отличается от известного наличием новых блоков: группы индикаторов, расположенных по окружности ротора модели асинхронной машины, изображенной в разрезе на лицевой панели учебного пособия, электронных коммутаторов, электромеханических счетчиков импульсов, электронных генераторов частоты, усилителей мощности, электронных ключей. При этом указанные блоки, кроме электронных коммутаторов, известны. Однако предлагаемая совокупность известных блоков в указанной связи и электронных коммутаторов проявила новое свойство - возможность демонстрации скольжения, его количественной оценки, демонстрации влияния синхронной скорости на частоту вращения ротора.

На фиг. 1 изображена блок-схема пособия; на фиг. 2 - временные диаграммы трех- фазного тактового распределителя, поясняющие работу первого электронного коммутатора; на фиг. 3 - временные диаграммы шестифазного тактового распределителя, поясняющие работу второго электронного коммутатора; на фиг. 4 - принципиальная электрическая схема первого электронного коммутатора; на фиг, 5 - принципиальная электрическая схема второго электронного коммутатора; на фиг. 6 - лицевая панель учебного пособия, вид спереди; на фиг. 7 - усилитель мощности, обеспечивающий ступенчатое регулирование свечения индикаторов; на фиг. 8 - генератор частоты и задатчик частоты.

Блок-схема (фиг. 1) пособия содержит первый генератор 1 частоты, который формирует частотную последовательность импульсов, соответствующую частоте вращения магнитного поля статора ft (синхронной скорости) и второй генератор 2 частоты, который формирует частотную последовательность импульсов, соответствую-; щую частоте вращения обмотки ротора f2J Частоты генераторов 1 и 2 могут регулиро-i

ваться с помощью первого 3 и второго 4, задатчиков частоты, первые выходы которых соединены с первыми входами первого 1 и второго 2 генераторов частоты соответственно, а второй выход первого 3 задатчи0 ка частоты соединен с вторым входом второго 2 генератора частоты. С помощью первого 3 задатчика частоты может регулироваться частота одновременно двух генераторов 1 и 2 частоты. Таким образом, если

5с помощью первого 3 задатчика частоты изменить частоту первого генератора 1 (синхронную скорость fi), то одновременно изменится и частота второго 2 генератора (частота вращения обмотки ротора Ь), что

0 соответствует физической сущности работы машины. С помощью второго задатчика 4 частоты можно регулировать только частоту второго генератора 2 (частоту вращения обмотки ротора f2), задавая этим определен5 ный режим работы машины и определенную величину скольжения, имитируя тем самым нагрузку машины, поскольку с изменением нагрузки изменяется и скольжение.

Синхронная скорость fi от нагрузки ма0 шины не зависит и поэтому в пособии частота первого генератора 1 не зависит от частоты второго генератора 2 и не регулируется вторым задатчиком 4 частоты.

Частотные последовательности импуль5 сов f 1 и f2 с первого 1 и второго 2 генераторов частоты фиксируются соответственно первым 5 и вторым 6 электромеханическими счетчиками импульсов, входы которых соединены с первыми выходами первого 1 и

0 второго 2 генераторов частоты соответственно.

Вторые выходы первого 1 и второго 2 генераторов частоты соединены с входами первого 7 и второго 8 электронных коммута5 торов соответственно. В результате этого частотная последовательность импульсов fi и f2 с первого 1 и второго 2 генераторов частоты поступает соответственно на первый 7 и второй 8 электронные коммутаторы.

0 Электронные коммутаторы 7 и 8 представляют собой устройства, которые распределяют поступающие на них последовательности импульсов, по выходам электронных коммутаторов так, что выход5 ные импульсы не перекрещиваются во времени (фиг. 2 и 3). Каждый из выходов первого электронного коммутатора 7 через соответствующий усилитель 9 мощности соединен с определенной группой индикаторов 10- 12, расположенных по окружности статора

модели асинхронной машины. Каждый усилитель 9 мощности обеспечивает ступенчатую регулировку свечения групп индикаторов 10-12. В каждый фиксированный момент времени одна группа индикаторов, например 10, горит более ярко, а другие две группы 11 и 12 горят менее ярко. В последующие моменты времени картина меняется.

Таким образом, яркость свечения групп индикаторов изменяется от схемы коммутации поочередно с перекрытием соседних групп индикаторов, имитируя вращение магнитного поля (вектора максимума магнитного потока, фиг. 6).

Каждый из выходов второго электронного коммутатора 8 через электронный ключ 13 соединен с соответствующим индикатором из группы 14 индикаторов, расположен- ных по окружности ротора модели асинхронной машины. Последовательное загорание каждого индикатора из группы 14 имитирует вращение обмотки ротора.

Группы 10-14 индикаторов выведены на лицевую панель учебного пособия (фиг. 6).

Первый электронный коммутатор 7(фиг. 4) представляет собой устройство, переключающее логическую единицу с одного выхода на другой (с одной группы индикаторов на другую) в определенной последовательности. Это трехфазный тактовый распределитель импульсов, непересекающихся на выходе во времени, и состоит он из трех блоков: четырехразрядного универсального сдвигового регистра 15, логического элемента 16 и конъюнкторов 17. Сдвиговый регистр 15 выполнен на микросхеме К155ИР1, в которой используется лишь два входа С1 (вход сдвига) и V1 (последовательный вход). На вход С1 поступают импульсы с первого генератора 1 частоты. Вход V1 соединен с 8-м выходом логического элемента 16. Остальные входы сдвигового регистра подключены на общую шину.

Выходы сдвигового регистра 15 подключены к первому, второму, третьему и четвертому входам логического элемента 16 (микросхема К155ЛР4), у которого 10-й, 11-й и 12-й входы подключены к его второму входу, а 13-й вход - к первому входу. В таком виде логический элемент 16 осуществляет обратную связь с выхода сдвигового регистра на последовательный вход V1 этого регистра с целью получения на выходе первого электронного коммутатора 7 трехфазного тактового распределения импульсов. Логический элемент 16 - есть логическая схема 4-4И-2ИЛИ-НЕ. До тех пор, пока на одном из выходов регистра 15 имеется напряжение логической 1, в регистр 15 записываются сигналы логического О. После трех тактовых импульсов логический элемент 16 переключается, в результате чего во время 5 тактового перепада на последовательном входе V1 регистра 15 появляется напряжение логической 1 и поэтому логическая 1 присутствует только на первом выходе регистра 15. Для того, чтобы предотвратить на0 ложение друг на друга образовавшихся таким образом тактовых импульсных сигналов (фиг. 2), все выходы регистра 15 подклю- чены также к вторым входам трех логических конъюнкторов 17, на первые вхо5 ды которых подается исходный тактовый сигнал с первого генератора 1 частоты. Конъюнкторы (логический элемент 4-2И) выполнены на микросхеме К155ЛИ1.

Второй электронный коммутатор 8 (фиг.

0 5) представляет собой шестифазный тактовый распределитель импульсов, непересекающихся на выходе во времени. Для осуществления работы схемы на шеститакт- ную (фазную) индикацию (индикаторы груп5 пы 14) он включает в себя: две одинаковых схемы коммутации 7-1 и 7-2 блока первого 7 электронного коммутатора, каждая из которых имеет три выхода, триггер 18 (микросхема К155 ТМ2, используется одна

0 половина) со счетным входом, для чего выход 6(0) его соединен с входом 2(0), две схемы 19 совпадения (конъюнкторы) (2И, К155ЛИ1).

После того, как на выходе 3 первой схе5 мы 7-1 коммутации появится третий импульс, схема 7-1 устройства приходит в исходное состояние по логике работы логического элемента 16 (фиг. 4). Одновременно импульс с выхода Упр логического элемен0 та 16 первой схемы коммутации 7-1 поступает на счетный вход 3 триггера 18, который открывает второй элемент 19-2 совпадения и закрывает первый элемент 19-1 совпадения. Тактовая частота (входные импульсы)

5 теперь поступает на вход синхронизации С1 второй схемы 7-2 коммутации и производит последовательную выдачу импульсов с выходов 1, 2 и 3 второй схемы 7-2 коммутации и переключение электронных ключей 13

0 и индикаторов 14 (фиг. 1). Затем работа схемы повторяется.

Учебное пособие может иметь определенный внешний вид лицевой панели (фиг. 6, в разрезе изображена асинхронная ма5 шина 20). По окружности статора 21 смонтированы группы индикаторов: 10 - фаза А-Х; 11-C-Z; 12-B-Y. В качестве индикаторов могут быть использованы лампы накаливания,, светодиоды и т. д. (в данном случае показаны лампы накаливания). Яркость свечения

групп индикаторов изменяется от схемы коммутации поочередно с перекрытием соседних групп индикаторов, имитируя вращение магнитного поля. Принцип образования вращающегося магнитного по- ля поясняется на лицевой панели чертежами (фиг. 6), на которых показано вращение стрелки-вектора 22 максимума магнитного потока. Если, например, стрелка-вектор 22 занимает вертикальное положение и на- правлена от А к X (максимум магнитного потока под фазой А-Х), то ярко горит группа 10 ламп, принадлежащая фазе А-Х и менее ярко группы 11 и 12, принадлежащие.фазам C-Z, B-Y. В следующий момент времени мак- симум магнитного потока перемещается под фазу C-Z и ярко горит группа 11 ламп, принадлежащая фазе C-Z, и менее ярко - группы 10 и 12 ламп и т. д.

По окружности ротора 23 смонтирована группа 14 индикаторов. В каждый момент времени горит только один из шести индикаторов. Индикаторы группы 14 загораются от схемы коммутации поочередно, имитируя вращение обмотки ротора.

На лицевой панели учебного пособия размещены первый 5 и второй 6 электромеханические счетчики (ЭМСИ), служащие для измерения синхронной скорости m(fi) и частоты вращения ri2(f2) обмотки ротора 23.

На лицевой панели размещены также переменные резисторы первого 3 и второго 4 задатчиков частоты, с помощью которых можно регулировать частоту вращения магнитного поля статора (синхронную скоро- сть) и частоту вращения обмотки ротора, выключатель 24 питания и сигнальная лампа 25.

Учебное пособие работает следующим образом.

При включении выключателя 24 питания загорается сигнальная лампа 25 и подается на блоки 1, 2, 7 и 8, группы 10-12 и 14 индикаторов.

В результате этого с первого 1 и второго 2 генераторов частоты поступают частотные последовательности fi и fa в электромеханические счетчики 5 и 6. Частотные последовательности fi и f2 регулируются с помощью задатчиков 3 и 4 частоты желаемым образом в зависимости оттого, какой режим машины необходимо имитировать. После фиксации fi и f2 электромеханическими счетчиками можно вычислить величину скольжения

.

Одновременно частотная последовательность импульсов поступает на входы синхронизации С1 (вход сдвига) сдвиговых

регистров 15 первого 7 и второго 8 электронных коммутаторов. Регистр 15 сдвига настроен на сдвиг, так как на вход режима второго логического элемента 16 и на вход С2 регистра 15 подан сигнал О. Импульсы поступают также на вторые входы синхронизации трех логических конъюнкторов 17 первого электронного коммутатора 7, в результате чего последовательно появляются импульсы на выходах 1-3 конъюнкторов 17 (фиг. 4), показанные на временной диаграмме работы трехфазного тактового распределителя (фиг. 2); 7 на вторые входы синхронизации первой 7-1 и второй 7-2 схем коммутации второго электронного коммутатора 8, в результате чего последовательно появляются импульсы на выходах 1-6 первой 7-1 и второй 7-2 схем коммутации (фиг.5), показанные на временной диаграмме работы шестифазного тактового распределителя (фиг. 3).

С выходов 1-Зконъюнкторов 17 первого 7 электронного коммутатора импульсы последовательно поступают в усилители 9 мощности, обеспечивающие поочередное изменение яркости свечения групп 10-12 индикаторов с перекрытием соседних, имитируя вращение магнитного поля статора асинхронной машины. После трех импульсов схема приходит в исходное состояние за счет логического элемента 16 (фиг. 4) и ггри- нимает новую последовательность импульсов.

С выходов 1-6 первой 7-1 и второй 7-2 схем коммутации второго электронного коммутатора 8 импульсы последовательно поступают на электронные ключи 13 и открывают их, в результате чего последовательно загораются индикаторы группы 14, имитируя вращение обмотки ротора. После шести импульсов схема приходит в исходное состояние за счет логического элемента второй схемы 7-2 коммутации (Упр, фиг. 5) и принимает новую последовательность импульсов.

Усилитель 9 мощности, обеспечивающий ступенчатую регулировку свечения групп 10-12 индикаторов, может быть выполнен по приведенной схеме (фиг. 7). Когда транзистор VT1 заперт, то группа индикаторов, например 10, подключена через резистор R1 к земле и светится не ярко. При поступлении на базу транзистора VT1 отпирающего импульса транзистор открывается, шунтируя резистор R1, в результате чего группа 10 индикаторов светится более ярко.

Первый 1 и второй 2 генераторы могут быть выполнены по приведенной схеме (фиг. 8). Переключатель 26 и кнопка 27 предназначены для отладки (настройки) устройства. Переменный резистор R2 первого 1 и второго 2 генераторов выполнен сдвоенным. Он используется в качестве первого за датчика 3 частоты, с помощью которого можно задавать желаемую частоту одновре- менно обоим генераторам (R2 вынесен на лицевую панель учебного пособия). Это за- датчик синхронной частоты вращения (частоты вращения поля статора). При идеальном холостом ходе машины частота вращения обмотки ротора h равна синхронной частоте fi и при изменении синхронной частоты вращения изменяется и частота вращения обмотки ротора. В качестве второго задатчика 4 частоты, служащего для задания частоты только второму генератору 2 (частоты вращения обмотки ротора, скольжения, режима нагрузки машины), используется переменный резистор R1 второго 2 генератора. Он также вынесен на лицевую панель учебного пособия. В схеме первого генератора 1 резистор R1 отсутствует.

Учебное пособие безопасно, просто и надежно по конструкции, занимает мало места. Электронный блок крепится к обратной стороне лицевой панели, закрывается крышкой, из которой выводится шнур питания на 220 В. Пособие легко переносится и может использоваться при чтении лекций в лекционной аудитории.

Предлагаемое пособие позволяет по сравнению с известным расширить демонстрационный эффект, повысить наглядность обучения по курсу электрических машин и может быть использовано как в средних, так и в высших учебных заведениях.

Формула изобретения

Учебное пособие по электрическим машинам, содержащее лицевую панель с информационным табло, имитатор электрической машины, блок измерений и генератор, выходом соединенный с коммутатором, отличающееся тем, что, с целью расширения демонстрационных возможностей, дополнительно введены два задатчика частоты следования импульсов, три усилителя мощности, шесть ключей, второй генератор и второй коммутатор, генераторы выполнены импульсными, блок измерений выполнен на двух счетчиках, причем первый выход первого задатчика соединен с входом первого импульсного генератора, второй выход которого соединен с входом первого счетчика, первый, второй и третий выходы первого коммутатора через первый, второй и третий усилители мощности соответственно соединены с первым, вторым и третьим входами статора имитатора электрической машины, первый выход второго задатчика соединен с первым входом второго импульсного генератора, второй вход которого соединен с вторым выходом первого задатчика частоты, вход второго счетчика соединен с первым выходом второго импульсного генератора, второй выход которого соединен с входом второго коммутатора, каждый выход которого через соответствующий ключ соединен с соответствующим входом ротора имитатора электрической машины, а выходы обоих счетчиков соединены с информационным табло.

Фиг .5

20. 21,

Г

вход

Ш

Изобретение относится к учебным наглядным пособиям по электрическим машинам, а более конкретно к наглядным пособиям для демонстрации скольжения в асинхронных машинах. Целью изобретения является повышение эффективности обучения за счет наглядной демонстрации скольжения в асинхронных машинах, а также его количественной оценки и демонстрации влияния синхронной скорости на частоту вращения ротора. Пособие содержит первый 1 и второй 2 импульсные генераторы, соединенные с первым 3 и вторым 4 задат- чиками частоты, первый 5 и второй 6 счетчики импульсов, первый 7 и второй 8 коммутаторы, усилители мощности 9, ключи 13, индикаторы 14 ротора электрической машины. Пособие позволяет расширить демонстрационный эффект, повысить наглядность обучения по курсу электрических машин и может быть использовано как в средних, так и высших учебных заведениях. 8 ил. Ё , s u и Фиг.1

выход