МОБИЛЬНЫЙ УЧЕБНО-ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАШИН И ЭЛЕКТРОПРИВОДОВ
MOBILE TRAINING AND LABORATORY BENCH TO STUDY ELECTRICAL MACHINES AND DRIVES

Изобретение относится к области обучающих устройств, а именно к техническим средствам для изучения основ функционирования электрических машин и электроприводов, 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 низкая электро- и травмобезопасность, т.к. имеются открытые вращающиеся элементы и узкий спектр функциональных возможностей.
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 являются низкая электро- и травмобезопасность, т.к. имеются открытые вращающиеся элементы и ограниченные функциональные возможности, что приводит к необходимости использовать дополнительную стендовую базу.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является «Стенд Электрические машины и приводы ЕМ-3000» [3], содержащий тормозное устройство, электрические машины переменного и постоянного тока, размещенные на основании, муфту, фотоэлектрический датчик угла поворота вала, 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 - основание 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 - основание 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 массогабаритных характеристик и расширение функциональных возможностей.
Указанная задача решается за счет того, что в мобильный учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов, содержащий тормозное устройство, электрические машины переменного и постоянного тока, размещенные на основании, муфту, фотоэлектрический датчик угла поворота вала, 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 выполнены в виде жестко закрепленных на уголках над основанием малогабаритных низковольтных мотор-редукторов с взаимно-согласованными передаточными отношениями, соединенных между собой выходными валами через муфту; блок управления мотор-редукторами, содержащий датчики силы тока с аналоговыми выходами, инверторы, широтно-импульсный модулятор и источники электропитания, выполнен в виде двухсторонней печатной платы, закрепленной на дистанционных втулках под основанием, в котором выполнены два прямоугольных отверстия, в проемах отверстий размещены источник электропитания ±15 В - под мотор-редуктором постоянного тока и источник электропитания +5 В - под асинхронным однофазным мотор-редуктором, основание выполнено из алюминиевого листа толщиной 6-8 мм и со стороны коротких торцов привинчено к выполненным со скругленным верхом боковым стенкам -образного корпуса, по длинным сторонам дна корпуса выполнены отбортовки вверх, корпус закрыт прозрачной ∩-образной крышкой, загнутой по радиусу округления его боковых стенок, зафиксированной нижними кромками между отбортовками дна корпуса и привинченной к длинным торцам основания, блок электрических измерений и индикации выполнен в виде закрытого параллелепипеда, на верхней, лицевой поверхности которого размещены клеммы наборного поля, жидкокристаллический индикатор и пульт управления, а внутри установлен микроконтроллер, 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.
Фотоэлектрические датчики базового положения вала и угла поворота выполнены в виде установленных над основанием оптопар, взаимосвязанных с жестко закрепленными на валах мотор-редуктора постоянного тока дисками с отверстиями и подключенных к входам микроконтроллера.
В дне корпуса выполнено окно, закрытое прозрачной плоской крышкой.
Выполнение испытываемых электрических машин в виде мотор-редукторов позволяет использовать низковольтные малогабаритные типовые мотор-редукторы, а именно: электрическая машина переменного тока - асинхронный однофазный мотор-редуктор (АОМР), электрическая машина постоянного тока - мотор-редуктор постоянного тока (МРПТ). Это уменьшает габаритные размеры стенда, массу и повышает электробезопасность.
Установка АОМР и МРПТ на уголках над основанием освобождает поверхность основания для выборки прямоугольных отверстий, введение которых позволяет создать общую компоновку, обеспечивающую миниатюризацию 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.
Использование мотор-редукторов с взаимно-согласованными передаточными отношениями обеспечивает соответствие их моментов и угловых скоростей.
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.
Выполнение блока управления мотор-редукторами (БУМР) в виде двухсторонней печатной платы (ПП) с установкой ее на дистанционных втулках под основанием позволяет минимизировать габариты за счет приближения элементов управления к исполнительным механизмам (уменьшается количество соединений, исключаются длинномерные связи и подключения к клеммам мотор-редукторов), что повышает электробезопасность при проведении испытаний и измерений.
Введение источника электропитания ±15 В (ИП15В) обеспечивает электропитание для электромашин, исполнительных и индикаторных элементов.
Введение источника электропитания +5 В (ИП5В) обеспечивает электропитание для элементов обработки информации.
Размещение ИП15В под МРПТ, а ИП5В под АОМР в проемах, выполненных в основании прямоугольных отверстий, обусловлено сочетанием габаритных размеров вышеуказанных элементов конструкции. Такое их компоновочное распределение позволяет оптимально минимизировать габариты сборочного узла за счет приближения ПП к основанию.
Выполнение основания из алюминиевого листа толщиной 6-8 мм обеспечивает:
1. Жесткость конструкции, особенно после выборки прямоугольных отверстий.
2. Возможность нарезки резьбовых отверстий в его торцах для крепления основания к боковым стенкам корпуса и ∩-крышки к нему.
3. Оптимальный режим теплопередачи от блока управления.
Все в комплексе способствует миниатюризации и повышению электро- и травмобезопасности.
Введение -образного корпуса со скругленными сверху боковыми стенками обеспечивает защиту устройства снизу и компактный объем, что повышает электро- и травмобезопасность и уменьшает габариты.
Крепление основания к боковым стенкам -образного корпуса со стороны коротких торцов производится на высоте, необходимой для размещения со стороны дна корпуса малогабаритных электронных компонентов печатной платы и позволяет минимизировать общую компоновку узла как по габаритам, так и конструктивно, а также обеспечивает жесткую фиксацию нижних кромок ∩-образной прозрачной крышки между выполненными вверх отбортовками дна корпуса и длинными торцами основания.
Введение отбортовок вверх придает жесткость дну корпуса, что позволяет делать его из тонкого металла, и ∩-образную прозрачную крышку - также из тонкого материала, так как отбортовки дна защищают нижние кромки крышки от изгибов, скалываний. Все в совокупности позволяет уменьшить массу изделия.
Введение крышки и выполнение ее ∩-образной формы уменьшает габариты изделия, обеспечивает электро- и травмобезопасность, а выполнение ее из прозрачного материала дает возможность изучения конструктивного исполнения элементов во время проведения лабораторных работ.
Выполнение ∩-образной крышки изогнутой с радиусом, равным радиусу округления боковых стенок -образного корпуса, обеспечивает защиту всех рабочих элементов схемы, а ее крепление винтами к длинным торцам основания предохраняет от доступа внутрь к вращающимся элементам, что обеспечивает полную электро- и травмобезопасность.
Выполнение блока электрических измерений и индикации (БИИ) в виде закрытого параллелепипеда, на верхней лицевой поверхности которого размещены клеммы, жидкокристаллический индикатор (ЖКИ) и пульт управления (ПУ), обеспечивает модульность конструкции, уменьшает соединительные связи, повышает электробезопасность за счет объединения клемм наборного поля на одной панели.
Введение микроконтроллера, установленного внутри наборного поля, обеспечивает миниатюризацию изделия в целом и расширяет его функциональные возможности за счет перепрограммирования в случае изменения или расширения режимов испытаний и измерений.
Введение фотоэлектрического датчика базового положения вала (ДБП) и выполнение ДБП и фотоэлектрического датчика угла поворота вала (ДУП) в виде установленных на уголках оптопар, подключенных к микроконтроллеру и взаимосвязанных с жестко установленными на валах МРПТ, по обеим его сторонам, дисками с отверстиями, позволяет проводить испытания для определения стандартного набора характеристик электрических машин и анализа работы объектов испытаний в качестве исполнительных элементов средств автоматизации, что расширяет функциональные возможности устройства. Кроме того, обеспечивается наглядность работы механических устройств.
Введение прозрачной крышки, закрывающей окно в дне корпуса, обеспечивает наглядность при излучении конструктивных элементов устройства и повышает ремонтопригодность.
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 фиг.1 изображена структурная схема стенда;
на фиг.2 - продольный разрез -образного корпуса (оптопары не показаны), М 1:2;
на фиг.3 - общий вид сборки мотор-редукторов с оптопарами, М 1:2;
на фиг.4 - поперечный разрез -образного корпуса, М 1:1;
на фиг.5 - блок электрических измерений и индикации (вид сверху), М 1:2;
на фиг.6 - вид сбоку на блок электрических измерений и индикации, М 1:2;
на фото - общий вид опытного образца мобильного учебно-лабораторного стенда для изучения электрических машин и электроприводов со снятой прозрачной крышкой.
Мобильный учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов (фиг.1) содержит АОМР 1, включающий электрическую машину переменного тока 1.1 с редуктором 1.2 и МРПТ 2, включающий электрическую машину постоянного тока 2.1 с редуктором 2.2. Оба устройства - АОМР 1 и МРПТ 2 - установлены навстречу друг другу и соединены выходными валами через муфту 3. БУМР 4 содержит: ДТ 1 4.1 и ДТ 2 4.2, ИНВ 1 4.3 и ИНВ 2 4.4, ШИМ 4.5, ИП15 В 4.6 и ИП5 В 4.7. БИИ 5 содержит микроконтроллер 5.1, ЖКИ 5.2, ПУ 5.3 и наборное поле с клеммами 5.4.
В применяемом варианте исполнения ДБП 6 состоит из оптического диска 7 и оптопары 8, а датчик угла поворота вала (ДУП) 9 - из оптического диска 10 и оптопары 11.
АОМР 1 и МРПТ 2 установлены над прямоугольным основанием 12 на уголках 13 (фиг.2, 3). БУМР 4 выполнен в виде ПП, которая установлена под основанием 12 на дистанционных втулках 14. ИП15 В 4.6 размещен под МРПТ 2 в проеме отверстия 15, а ИП5 В 4.7 - в проеме отверстия 16. Основание 12 закреплено винтами 17 к боковым стенкам 18 -образного корпуса 19 с отбортовками 20 вверх. Прозрачная ∩-образная крышка 21, выполненная, например, из поликарбоната, изогнута по радиусу R округления боковых стенок 18 (фиг.2, 4).
Радиус округления R определяется исходя из габаритных размеров мотор-редукторов, а минимальная высота отбортовки 20 - из конструктивно-технологических требований. Высота крепления основания 12 над дном 22 корпуса 19 определяется габаритными размерами элементов ПП, в данном случае высотой разъема 23. Нижние кромки 24 ∩-образной крышки 21 зафиксированы между отбортовками 20, а сама крышка закреплена винтами 25 к длинным торцам основания 12 (фиг.4). БИИ 5 (фиг.1, 5, 6) выполнен в виде закрытого корпуса 26, на верхней лицевой панели 27 которого размещены клеммы 28 наборного поля 5.4, ЖКИ 5.2. и пульт управления 5.3. Клеммы 28 и кнопки с переключателями ПУ распределены на лицевой панели в соответствии с мнемосхемой (фиг.5). Проводная связь между БУМР 4 и БИИ 5 осуществляется через разъемы 23 и 29 с помощью жгута (не показан). ДБП 6 и ДУП 9 (фиг.1, 2, 3) конструктивно выполнены из установленных на уголках 30 оптопар 8, 11.
Оптопара 8 взаимосвязана (оптически) с диском с прорезями 7, образуя ДБП, а оптопара 11 также взаимосвязана с диском с прорезями 10, образуя ДУП. Окно 31, выполненное в дне 22 -образного корпуса, закрыто прозрачной крышкой 32, закрепленной ножками 33.
В разработанном опытном варианте стенда в качестве асинхронного однофазного мотор-редуктора - АОМР - используется электродвигатель типа РД-9 с короткозамкнутым ротором. Напряжение питания - ~127 В, 50 Гц с частотой вращения вала на холостом ходу не менее 8,7 об/мин, массой 0,25 кг. В качестве МРПТ используется электродвигатель RH158, 12, напряжение питания 12 В, частота вращения вала на холостом ходу 81 об/мин, массой 0,19 кг. Инверторы ИНВ1, ИНВ2 - рабочее напряжение 160 В, ток 0,5 А, реверсивное управление микроконтроллером AT mega 32. Широтно-импульсный модулятор - ШИМ, рабочее напряжение от ±10 до ±42 В, управление от микроконтроллера AT mega 32, реверсивное. Микроконтроллер AT mega 32 - память программ (FLASH) -32 кбайт, память ОЗУ-2 кбайт, количество команд - 130. БП15 В - преобразователь КАМ 3015Д, - входное напряжение от ~85 до ~265 В, частота 47-63 Гц, выходное напряжение ±15 В, ток 1000 мА. БП5 В - преобразователь РМ-05-5, входное напряжение от ~120 до ~240 В, частота 50-60 Гц, выходное напряжение +5 В, ток 1 А.
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.
БУМР 4 обеспечивает работу мотор-редукторов АОМР 1 и МРПТ 2 в режимах: двигатель и нагрузочно-тормозное устройство. Основные функции управления выполняет микроконтроллер 5.1, который принимает информацию из портов ввода, к которым подключены кнопки пульта управления 5.3. Микроконтроллер 5.1 также выводит данные в порты вывода, задающие направление и скорость вращения АОМР и МРПТ, углы поворота вала.
Сигналы датчиков ДБП 6 и ДУП 9 поступают в микроконтроллер 5.1 и обрабатываются в соответствии с управляющей программой. Оператор, с помощью соединительных проводов (не показаны), через клеммы 28 наборного поля 5.4, 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.