Учебно-лабораторный стенд для изучения электрических машин и электроприводов

Авторы патента:

Ройтбург Юрий Семенович (RU)

Долгов Юрий Петрович (RU)

Сесин Артем Александрович (RU)

Прентсель Альфред Августович (RU)

G01R31/34 - испытание электрических машин (испытание электрических обмоток G01R 31/06; способы и устройства для изготовления, эксплуатации и ремонта электрических машин H02K 15/00)

Владельцы патента RU 2473921:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" (RU)
Общество с ограниченной ответственностью "Научный консультационно-технологический центр "Пролог" (RU)

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.

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.

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.

Изобретение относится к области электротехники и физики магнетизма и предназначено для исследования доменной структуры ферромагнитных материалов. .

Способ оценки остаточного ресурса изоляции электродвигателей электроподвижного состава // 2463619

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для оценки остаточного ресурса изоляции электродвигателей электроподвижного состава. .

Устройство испытаний частотно-управляемого гребного электропривода системы электродвижения в условиях стенда // 2462728

Способ диагностики технического состояния электроприводной арматуры // 2456629

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для контроля электрических и вибрационных параметров электроприводной арматуры, преимущественно атомных электростанций (АЭС).

Устройство диагностирования в реальном времени системы электродвижения судна // 2451299

Изобретение относится к диагностике технического состояния двигателей и может быть использовано для диагностирования асинхронного двигателя, используемого в судовой системе электродвижения.

Способ и устройство для текущего контроля вращающихся машин // 2449454

Изобретение относится к области электротехники, в частности к электрическим машинам, и касается способов и устройств для осуществления постоянного (текущего) контроля параметров вращающихся машин, в частности турбогенераторов.

Способ повышения коэффициента полезного действия при эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей электроприводов с изменяющейся нагрузкой // 2449301

Изобретение относится к эксплуатации трехфазных асинхронных электродвигателей электроприводов с изменяющейся нагрузкой. .

Способ диагностирования в реальном времени судовой электроэнергетической системы // 2448345

Изобретение относится к диагностике функциональности судовой электроэнергетической системы. .

Стенд с электромагнитным нагрузочным модулем для исследования и испытания электроприводов // 2442995

Изобретение относится к испытательной технике. .

Способ определения скольжения ротора асинхронного электродвигателя // 2441249

Изобретение относится к области эксплуатации асинхронных электродвигателей и может быть использовано для определения величины скольжения электродвигателя. .

Устройство для обнаружения и сигнализации при приближении к линии электропередач // 2473922

Изобретение относится к системам сигнализации и предназначено для использования на наземной мобильной технике для предотвращения столкновения с линиями электропередач (ЛЭП)

Способ диагностирования электрических и механических повреждений асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором // 2479096

Изобретение относится к области электротехники, в частности к способам, предназначенным для диагностирования электрических и механических повреждений асинхронного двигателя

Способ испытания электрических машин постоянного тока // 2480778

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для испытания электрических машин постоянного тока

Устройство диагностики асинхронных электрических двигателей // 2484490

Изобретение относится к области диагностики электромеханического оборудования, применяемого на железнодорожном транспорте, а также других отраслях промышленности, в частности к диагностике асинхронных электрических двигателей

Способ определения технического состояния асинхронного двигателя в процессе пуска // 2485534

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для экспресс-контроля работоспособности электрических машин

Способ контроля рабочего состояния стрелочного электропривода // 2486533

Изобретение относится к области управления стрелочными электроприводами и получения информации о предполагаемом остаточном ресурсе работоспособности стрелочного привода в целом или его отдельных узлов и деталей

Устройство для стабилизации частоты вращения однофазного коллекторного электродвигателя // 2487459

Изобретение относится к электротехнике и, в частности, к электрифицированному инструменту, бытовым и промышленным электроприборам, приборам специального назначения

Способ анализа функционирования электромеханического привода для механизированного управления экраном и привод для его осуществления // 2487460

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для закрывания, затемнения защиты от солнца или для экранирования в здании

Способ диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность // 2496115

Изобретение относится к технической диагностике и может быть использовано для диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность, в частности обмоток электрических машин и аппаратов. Техническим результатом является повышение надежности диагностирования электрических цепей и достоверности диагностируемых параметров. В способе диагностирования электрических цепей, содержащих активное сопротивление и индуктивность, в частности обмоток электрических машин и аппаратов, в диагностируемую электрическую цепь дополнительно последовательно подключают конденсатор, на вход цепи подают переменное напряжение промышленной частоты и в режиме установившихся гармонических колебаний измеряют амплитуду и фазовый сдвиг напряжения на конденсаторе относительно поданного напряжения, вычисляют относительную амплитуду в виде отношения амплитуды напряжения на конденсаторе к амплитуде подаваемого напряжения и в качестве диагностируемых параметров принимают значение фазового сдвига и вычисленное значение относительной амплитуды. 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

Способ согласования магнитопроводов ротора и якоря в двухмерных электрических машинах-генераторах // 2496211

Изобретение относится к области электротехники и электромашиностроения, в частности к способам согласования магнитопроводов ротора и статора в двухмерных электрических машинах, и может быть использовано для технико-экономической и конструктивной совместимости концентрически расположенных магнитопроводов (внешнего ротора и внутреннего якоря с коллектором) двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г). Технический результат, достигаемый при использовании настоящего изобретения, состоит в повышении энергетического показателя η cosφ двухмерных электрических машин-генераторов (ДЭМ-Г). Предлагаемый способ согласования магнитопроводов ротора и якоря в ДЭМ-Г, изготовленных с использованием магнитопроводов якоря с щеточно-коллекторным узлом машин постоянного тока и статора машин переменного тока, используемого в качестве внешнего ротора, характеризуется тем, что определяют начальный существующий воздушный зазор δн между ротором и якорем по формуле δн=(Dp-Da)/2, где Dp - внутренний диаметр ротора, Da - внешний диаметр якоря, затем рассчитывают необходимый конечный воздушный зазор δкр по формуле δ к р ≈ ( 0,27 ÷ 0,33 ) ⋅ 10 − 6 A B δ o ⋅ τ x d * , где A - линейная нагрузка, Bδo≈0,95 Bδ ном - максимальная индукция в воздушном зазоре при холостом ходе и номинальном напряжении, τ - полюсное деление, xd* - синхронное индуктивное сопротивление по продольной оси, находят разность Δ=δн-δкр={[(Dp-Da)/2]-δкр} между начальным воздушным зазором δн и расчетным конечным воздушным зазором δкр, затем наращивают по наружной окружности цилиндрическую поверхность якоря, покрывая ее одним или несколькими слоями листовой электротехнической стали и доводя суммарную толщину слоев листовой электротехнической стали до величины, равной рассчитанной разности Δ, обеспечивая тем самым целесообразный по энергетическим соображениям конечный воздушный зазор δк≈δкр между ротором и якорем. При этом электротехническую сталь на поверхности якоря закрепляют точечной электросваркой. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.