УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СИСТЕМЫ-НА-ЧИПЕ (SoC) "Beta"

Полезная модель относится к средствам для изучения основ функционирования электрических машин и электроприводов, в частности, к оборудованию для испытаний частотно регулируемых электроприводов с цифровым управлением и для овладения методами таких испытаний, и может быть использована в учебном процессе для выработки необходимых профессиональных навыков, а также для диагностики неисправностей электрооборудования, в том числе, судового.
Известен «Учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов» по патенту РФ №2473921, МПК G01R 31/34, опубл. 27.01.2013 г. Данный стенд предназначен 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. Стенд содержит тормозное устройство, электрические машины переменного и постоянного тока, блок управления электрических измерений и индикации, при этом 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. Конструкция стенда малогабаритна, электробезопасна, но не может быть использована для нахождения неисправностей электрооборудования.
Известен «Мобильный учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов» по патенту РФ №2490720 МПК G09B 23/18, опубл. 20.08.2013. Этот стенд относится к обучающим устройствам, а именно к техническим средствам для изучения основ функционирования электрических машин и электроприводов. Испытываемые электромашины переменного и постоянного тока установлены на основании и соединены между собой выходными валами через промежуточные редукторы и муфту. Конструкция стенда малогабаритная, электробезопасна, но функциональные возможности ограничены - не может быть использована для нахождения неисправностей.
Наиболее близким к заявляемому патенту является «Стенд для исследования систем управления электроприводом» по патенту РФ на полезную модель №125717, МПК G01R 31/34, опубл. 10.03.2013.
Этот стенд относится к средствам управления и/или регулирования электрических двигателей и решает задачу расширения возможностей исследования существующих и разработки новых систем управления электроприводом за счет включения исследуемых реальных электроприводов в набор виртуальных блоков в прикладных программных системах математического моделирования. Данное техническое решение обладает возможностью использования реальных электродвигателей в качестве блоков виртуальных математических моделей разрабатываемых в различных программных комплексах, что позволяет исследовать существующие и создавать новые системы управления электроприводом и отсутствие необходимости наличия лицевой панели с органами управления, контрольными точками, коммутационными гнездами, индикаторами цифровых приборов и т.д. Все управление в данной конструкции может быть реализовано в виде математической модели в среде различных программных комплексов.
Недостатком данного устройства является отсутствие возможности измерения параметров электродвигателей, служащих для создания нагрузки на валах исследуемых двигателей.
Целью заявляемой полезной модели является улучшение обучаемых навыков работы с микропроцессорными системами управления, и диверсификация функциональных возможностей в части расширения спектра параметров диагностики судового электрооборудования.
Для достижения указанной цели предложен учебно-лабораторный стенд для испытаний электроприводов с использованием системы-на-чипе (SoC) «Beta», содержащий последовательно соединенные входами и выходами цифровой преобразователь интерфейсов, блок питания, электродвигатели постоянного и переменного тока, отличающийся тем, что снабжен тремя одноплатными компьютерами, главным блоком контроля и управления исполнительными механизмами, блоком реле, широтно-импульсным преобразователем, блоком снятия характеристик, символьными экранами LCD, сенсорным жидкокристаллическим монитором, световой и звуковой сигнализацией, управляющим интерфейсом, органами управления, четырьмя попарно механически соединенных между собой посредством полумуфт двигателями, имеющих средства для снятия параметров, из которых три постоянного тока со смешанным возбуждением, один асинхронный двигатель переменного тока с фазным ротором, служащими для создания нагрузки на валах исследуемых двигателей.
Достижение указанной цели осуществляется также за счет того, что стенд выполнен на шести микроконтроллерах, на трех из которых имеются двадцать два входных аналоговых канала и двадцать четыре выходных цифровых канала, а на других трех микроконтроллерах имеются двадцать два цифровых входных канала и пятьдесят девять цифровых выходных каналов.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является получение возможности выбора оптимального режима работы, который обеспечивается возможностью снижения вибрации (изменения частоты вращения вала) при изменяющихся нагрузках, в том числе резко переменных (ударных), возникающих в процессе эксплуатации судов, возможностью измерения температуры и магнитных полей.
Одновременно этот технический результат обеспечивает повышение надежности работы электропривода.
Системы-на-чипе (SoC) «Beta» представляет собой систему управляемую микроконтроллерами нового поколения. Данное решение связанно с тем, что судовое оборудование усложняется, и специалисты вынуждены проходить обучение в условиях практической деятельности. Преимущества данного решения позволяет более детально охватить знания в области работы с микроконтроллерами управления электроприводом, отработать навыки поиска неисправностей в микроконтроллерах и в системе управления электроприводом, а так же получить практические знания в области управления частотными преобразователями.
Конструкция стенда обеспечивает возможность сенсорного управления, а также возможность проводить испытания на высоковольтном оборудовании за счет блока на силовых ключах, расположенного в блоке управляемых усилителях.
Одноплатные компьютеры управляют всем стендом, анализируют полученные данные со всех блоков, выдают разрешение на включение всех исполнительных механизмов, обеспечивают изображение их на сенсорном дисплее.
Использование одноплатных компьютеров позволяет осуществлять автоматический режим работы стенда, с демонстрацией учебного процесса на большом экране. Одноплатный компьютер позволяет получать и передавать команды на микроконтроллер блока контроля и управления исполнительными механизмами и получать данные от микроконтроллера, сохраняя данные на USB носитель (в виде графиков или таблиц Excel).
Конструкция стенда предусматривает соединение с компьютером через SPI.
Четыре двигателя, попарно механически соединенных между собой посредством полумуфт, имеющих средства для снятия параметров, из которых три постоянного тока со смешанным возбуждением, один асинхронный двигатель переменного тока с фазным ротором, служащие для создания нагрузки на валах исследуемых двигателей, расширяют функциональные возможности стенда в части расширения спектра контролируемых параметров.
Блоки снятия характеристик позволяет измерять различные характеристики электропривода такие как:
1. ВАХ (вольт-амперные характеристики)
2. Вибрация и шумы
3. Температура
4. Магнитные поля
Конструкция обеспечивает возможность сенсорного управления, а также возможность проводить испытания на высоковольтном оборудовании за счет блока на силовых ключах с напряжением на выходе 310 В, расположенного в блоке управляемых выпрямителей.
Одноплатные компьютеры управляют всем стендом, анализируют полученные данные со всех блоков, выдают разрешение на включение всех исполнительных механизмов, обеспечивают изображение их на сенсорном дисплее.
Использование одноплатных компьютеров позволяет использовать автоматический режим работы стенда, с демонстрацией учебного процесса на сенсорном экране.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, где
на фиг. 1 дана блок - схема стенда;
на фиг. 2 дана фотография стенда во включенном состоянии;
на фиг. 3 дана фотография стенда в выключенном состоянии;
на фиг. 4 дана модель стенда.
Учебно-лабораторный стенд для испытаний электроприводов с использованием системы-на-чипе (SoC) «Beta» содержит (фиг. 1):
- источник питания 1 стенда постоянным напряжением 12,5 и 3,3 вольта;
- блок одноплатных компьютеров 2, в данном случае - марки Arduino с процессором ARM;
- сенсорный монитор 3, с преобразователем интерфейсов и драйвером для LCD-матрицы;
- главный блок контроля и управления исполнительными механизмами 4, на основе микроконтроллера STM32F103ZEMCU;
- блок управления сигнализацией 5;
- блок релейной защиты 6;
- блок снятия характеристик 7, включающий в себя те датчики, которые не расположены непосредственно на приводе;
- широтно-импульсный преобразователь 8 для питания и управления асинхронным двигателем по частоте и напряжению;
- асинхронный двигатель 9, соединенный полумуфтами с энкодером 10;
- оптический энкодер 10, соединенный полумуфтами с двигателем постоянного тока 11;
- двигатель постоянного тока 11;
- блок управляемых выпрямителей 12;
- двигатель постоянного тока 13;
- оптический энкодер 14;
- двигатель постоянного тока 15.
Стенд работает следующим образом.
На стенд подается стандартное фазное напряжение ~220 В, которое, после нажатия пусковой кнопки, поступает на источник питания стенда 1, и блок релейной защиты 6. Включается источник питания 1 и на аппаратуру стенда поступают выпрямленные напряжения 12,5 и 3,3 Вольта, запускающие цифровое оборудование стенда. Блок одноплатных компьютеров 2 вырабатывает управляющие сигналы для блока контроля и управления исполнительными механизмами 4, который разрешает запуск управляемых выпрямителей для двигателей постоянного тока 11 и трехфазного широтно-импульсного преобразователя 8 для асинхронного двигателя. Регулирование скорости вращения асинхронного двигателя производится по частоте (используется соотношение М.П. Костенко).
Электроприводы соединены между собой полумуфтами, между которыми находятся оптические энкодеры 10 и 14, пластины энкодеров проходят между оптопарами, сигналы с которых поступают на микроконтроллер блока снятия характеристик 7. На двигателях расположены блоки тепловых датчиков и датчиков Холла, вибрационных и магнитных измерителей характеристик.
Микроконтроллер обрабатывает полученные данные с энкодеров 10 и 14 и отправляет их на главный блок контроля и управления исполнительными механизмами 4. На стенде представлены две пары двигателей, в каждой паре - один ведущий двигатель, другой создает момент нагрузки, который также может регулироваться. Ведомый двигатель может использоваться в качестве генератора. Роли двигателей взаимозаменяемые. Одновременно могут использоваться одна или две пары.
С блока контроля и управления исполнительными механизмами данные передаются на блок одноплатных компьютеров 2, и поступают на сенсорный монитор 3, где оператор может ввести необходимые параметры режима электропривода; данные считываются блоком одноплатных компьютеров 2 и передаются на исполнение в главный блок контроля и управления исполнительными механизмами 4. Предусмотрено кнопочное управление режимами работы всех электродвигателей на основе информации, поступающей на символьные дисплеи. Сигнализация о режимах работы также осуществляется с помощью светодиодных индикаторов.
В процессе работы стенда снимаются зависимость угловой скорости вращения вала от электромагнитного момента М и от момента сопротивления Мс, зависимость угловой скорости вращения вала ω от тока I, зависимость между мгновенными значениями двух координат электропривода для одного и того же момента времени переходного режима работы. А также вольтамперные характеристики всех четырех двигателей, зависимости температуры и вибрации от скорости вращения и момента на валу и другие, необходимые для диагностики неисправностей.
Использование одноплатных компьютеров 2 позволяет также использовать автоматический режим работы стенда, с демонстрацией учебного процесса на большом экране. Блок релейной защиты 6 построен по стандартной схеме и обеспечивает отключение опасных режимов работы электропривода.
На фиг. 2, где дана фотография стенда во включенном состоянии, видна работа LCD-экранов и пиксильная индикация.
На фиг. 4 дано модельное представление элементов системы.
Учебно-лабораторный стенд для испытаний электроприводов с использованием системы-на-чипе (SoC) «Beta» может использоваться для обучения студентов в соответствии с тематиками лабораторных работ включающих: исследование скоростных и механических характеристик электродвигателя постоянного тока независимого возбуждения, нагрузочных диаграмм электродвигателя, реверсивной схемы управления трехфазным асинхронным электродвигателем с торможением противо-включением, характеристик трехфазного привода, схемы управления трехфазным двигателем, широтно-импульсного преобразователя (3-х фазный, 1-фазный), программируемого микроконтроллера, управление электроприводом одноплатным компьютером, системы подчиненного регулирования.
Кроме этого, учебно-лабораторный стенд дополнительно оснащен блоками:
центральным блоком управления (STM32F103ZE), универсальным блоком измерения (ATmega8A), блоком снятия вольтамперных характеристик (STM32F103C8), универсальным декодер-мультиплексором (ATmega328Р), что позволяет использовать его для определения неисправностей, предложений по их устранению и осуществлению действий после устранения.