Учебное пособие по электрическим машинам

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 19) 6 09 В 23 1 ГОСУДАРСТВЕННЫЙПО ИЗОБРЕТЕНИЯМПРИ ГКНТ СССР МИТЕТ ТКРЫТ ПИСАНИЕ ИЗС)БРЕТЕНИ К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ(71) Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта им, М, Т. Елизарова(56) Авторское свидетельство СССРМ 1211799, кл. 6 09 В 23/18, 1984.(54) УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ ПО ЭЛЕКТРИЧЕСКИМ МАШИНАМ(57) Изобретение относится к учебным наглядным пособиям по электрическим машинам, а более конкретно к нагляднымпособиям для демонстрации скольжения васинхронных 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 задатчиками 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 заведени- . ф ях. 8 ил.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 вращающееся магнитное после статора, скольжение, позволило бы количественно оценивать величину скольжения, а также влияние частоты вращения магнитного поля статора п 1(синхронной скорости) на частоту вращения обмотки ротора пг, их взаимосвязь существенно бы повысило эффективность процесса обучения.Вращающееся магнитное поле статора - это перемещение вектора максимума магнитного потока, а скольжение Я - есть явление отставания частоты вращения обмотки ротора п 2 от частоты вращения магнитного поля статора п 1 и определяется как Я =п - п 100 оДпИзвестно 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 п 1 (синхронной скорости) на частоту вращения ротора п 2, 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 светоконтрастные 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 демонстрации5 вращающегося магнитного поля, содержащее макет статора многофазной машины слампами накаливания (индикаторами), питаемыми от источника многофазного токапониженной частоты, расположенными по10 окружности и соединенными аналогичнопроводникам, закладываемым в пазы статора многофазной машины,Однако известное устройство в представленном виде не может быть использова 15 но для демонстрации и количественнойоценки скольжения, а также для демонстрации влияния синхронной скорости на частоту вращения ротора, Кроме того, в качествеисточника многофазного тока использова 20 ны машинный генератор. Машинный генератор приводится во вращение электродвигателем, т, е. представляет собой машинныйагрегат со всеми его недостатками: наличиевращающихся частей, громоздкость и т. и.25 Это снижает безопасность и удобство в эксплуатации известного устройства.Целью изобретения является повышение эффективности обучения за счет наглядности демонстрации скольжения в30 асинхронных машинах, его количественнойоценки, а также демонстрации влияния частоты вращения магнитного поля статора(синхронной скорости) на частоту вращенияобмотки ротора.35 В устройство, содержащее группу индикаторов (ламп накаливания), расположенных по окружности статора моделиасинхронной машины, дополнительно введена группа индикаторов, расположенных40 по окружности ротора, модели асинхронноймашины, первый и второй генераторы частоты, первый и второй задатчики частоты,первый и второй электромеханические счетчики, первый и второй электронные комму 45 таторы, усилители мощности, электронныеключи. Первые входы генераторов частотысоединены с первыми выходами соответственно первого и второго задатчиков частоты, Второй вход второго генератора частоты50 соединен с вторым выходом первого задатчика частоты. Входы первого и второго электромеханических счетчиков соединень спервыми выходами первого и второго генераторов частоты соответственно. Входы55 первого и второго электронных коммутаторов соединены с вторыми выходами первогои второго генераторов частоты соответственно. Вход каждого из усилителей мощности соединен с соответствующим выходомпервого электронного коммутатора, а вы5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 ход - 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 трехфазного 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 11 (синхронной скорости) и второй генератор 2 частоты, который формирует частотную последовательность импульсов, соответствующую частоте вращения обмотки ротора 12 Частоты генераторов 1 и 2 могут регулиро-, 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 задатчика 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 с помощью первого 3 задатчика частоты изменить частоту первого генератора 1 (синхронную скорость 11), то одновременно изменится и частота второго 2 генератора (частота вращения обмотки ротора Т 2), что соответствует физической сущности работы машины. С помощью второго задатчика 4 частоты можно регулировать только частоту второго генератора 2 (частоту вращения обмотки ротора 1 г), задавая этим определенный режим работы машины и определенную величину скольжения, имитируя тем самым нагрузку машины, поскольку с изменением нагрузки изменяется и скольжение. Синхронная скорость 1 от нагрузки машины 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 импульсов б и 1 г 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 второго 2 генераторов частоты соответственно.Вторые выходы первого 1 и второго 2 генераторов частоты соединены с входами первого 7 и второго 8 электронных коммутаторов соответственно. В результате этого частотная последовательность импульсов 1 и Т 2 с первого 1 и второго 2 генераторов частоты поступает соответственно на первый 7 и второй 8 электронные коммутаторы.Электронные коммутаторы 7 и 8 представляют собой устройства, которые распределяют поступающие на них последовательности импульсов, по выходам электронных коммутаторов так, что выходные 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 статорамодели 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 руппы 14 индикаторов, расположенных по окружности ротора модели аси нхронной машин ы. 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 блокор:четырехразрядного универсального сдвигового регистра 15, логического элемента 16 и конъюнкторов 17. Сдвиговый регистр 15 выполнен на микросхеме К 155 ИР 1, в которой используется лишь два входа С 1 (вход сдвига) и Ч 1 (последовательный вход), На вход С 1 поступают импульсы с первого генератора 1 частоты, Вход И 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 К 155 Л Р 4), 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 Ч 1 этого регистра с целью получения на выходе первого электронного коммутатора 7 трехфазного тактового распределения импульсов. Логический элемент 16 - есть логическая схема 4-4 ИИЛИ-НЕ. До тех пор, пока на одном из выходов регистра 15 имеется напряжение логической "1", в регистр 15 записываются сигналы логического "0", После трехтактовых импульсов логический элемент 16переключается, в результате чего во время5 тактового перепада на последовательномвходе Ч 1 регистра 15 появляется напряжение логической "1" и поэтому логическая "1"присутствуеттолько на первом выходе регистра 15. Для того, чтобы предотвратить на 10 ложение друг на друга образовавшихсятаким образом тактовых импульсных сигналов (фиг. 2), все выходы регистра 15 подклю-.чены также к вторым входам трехлогических конъюнкторов 17, на первые вхо 15 ды которых подается исходный тактовыйсигнал с первого генератора 1 частоты,Конъюнкторы (логический элемент 4-2 И) выполнены на микросхеме К 155 ЛИ 1.Второй электронный коммутатор 8 (фиг.20 5) представляет собой шестифазный тактовый распределитель импульсов, непересекающихся на выходе во времени. Дляосуществления работы схемы на шеститактную (фазную) индикацию (индикаторы груп 25 пы 14) он включает в себя: две одинаковыхсхемы коммутации 7 - 1 и 7 - 2 блока первого7 электронного коммутатора, каждая из которых имеет три выхода, триггер 18 (микросхема К 155 ТМ 2, используется одна30 половина) со счетным входом, для чего выход 6(0) его соединен с входом 2(О), двесхемы 19 совпадения (конъюнкторы) (2 И,К 155 ЛИ 1).После того, как на выходе 3 первой схе 35 мы 7-1 коммутации появится третий импульс, схема 7-1 устройства приходит висходное состояние по логике работы логического элемента 16 (фиг, 4). Одновременноимпульс с выхода "Уп р" логического элемен 40 та 16 первой схемы коммутации 7-1 поступает на счетный вход 3 триггера 18, которыйоткрывает второй элемент 19-2 совпаденияи закрывает первый элемент 19-1 совпадения. Тактовая частота (входные импульсы)45 теперь поступает на вход синхронизацииС 1 второй схемы 7-2 коммутации и производит последовательную выдачу импульсов свыходов 1, 2 и 3 второй схемы 7-2 коммутации и переключение электронных ключей 1350 и индикаторов 14 (фиг. 1). Затем работа схемы повторяется,Учебное пособие может иметь определенный внешний вид лицевой панели (фиг.6, в разрезе изображена асинхронная ма 55 шина 20). По окружности статора 21 смонтированы группы индикаторов: 10 - фаза А-Х;11 - С-Е; 12-В-У. В качестве индикаторов могут быть использованы лампы накаливаниясветодиоды и т. д. (в данном случае показаны лампы накаливания). Яркость свечениягрупп индикаторов изменяется от схемыкоммутации поочередно с перекрытием соседних групп индикаторов, имитируя вращение магнитного поля, Принципобразования вращающегося магнитного поля поясняется на лицевой панели чертежами (фиг, 6), на которых показано вращениестрелки-вектора 22 максимума магнитногопотока. Если, например, стрелка-вектор 22занимает вертикальное положение и направлена от А к Х (максимум магнитногопотока под фазой А-Х), то ярко горит группа10 ламп, принадлежащая фазе А-Х и менееярко груп и ы 11 и 12, принадлежащие. фазамС, В-У. В следующий момент времени максимум магнитного потока перемещаетсяпод фазу С-Е и ярко горит группа 11 ламп,принадлежащая фазе С, и менее ярко -группы 10 и 12 ламп и т. д.По окружности ротора 23 смонтирована 20группа 14 индикаторов. В каждый моментвремени горит только один из шести индикаторов. Индикаторы группы 14 загораютсяот схемы коммутации поочередно, имитируявращение обмотки ротора. 25На лицевой панели учебного пособияразмещены первый 5 и второй 6 электромеханические счетчики (ЭМСИ), служащие дляизмерения синхронной скорости п 1(11) и частоты вращения п 2(1 г) обмотки ротора 23. 30На лицевой панели размещены такжепеременные резисторы первого 3 и второго4 задатчиков частоты, с помощью которыхможно регулировать частоту вращения магнитного поля статора (синхронную скорость) и частоту вращения обмотки ротора,выключатель 24 питания и сигнальная лампа 25.Учебное пособие работает следующимобразом. 40При включении выключателя 24 питания загорается сигнальная лампа 25 и подается на блоки 1, 2, 7 и 8, группы 10 - 12 и14 индикаторов,В результате этого с первого 1 и второго 452 генераторов частоты поступают частотныепоследовательности б и 12 в электромеханические счетчики 5 и 6. Частотные последовательности 1 и 12 регулируются с помощьюзадатчиков 3 и 4 частоты желаемым образом 50в зависимости оттого, какой режим машинынеобходимо имитировать. После фиксации11 и 12 электромеханическими счетчикамиможно вычислить величину скольженияЯ - 100 Д,5511Одновременно частотная последовательность импульсов поступает на входысинхронизации С 1 (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 С 2 регистра 15 подан, сигнал "0", 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 - 3 конъюнкторов 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 принимает 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 ЧТ 1 заперт, то группа индикаторов, например 10, подключена через резистор Я 1 к земле и светится не ярко. При поступлении на базу транзистора Л 1 отпирающего импульса транзистор открывается, шунтируя резистор 81, 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) устрой 1721 б 24ства. Переменный резистор В 2 первого 1 и второго 2 генераторов выполнен сдвоенным. Он используется в качестве первого задатчика 3 частоты, с помощью которого можно задавать желаемую частоту одновременно обоим генераторам (В 2 вынесен на лицевую панель учебного пособия). Это задатчик синхронной частоты вращения (частоты вращения поля статора). При идеальном холостом ходе машины частота вращения обмотки ротора 1 г равна синхронной частоте т 1 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 В 1 второго 2 генератора. Он также вынесен на лицевую панель учебного пособия. 8 схеме первого генератора 1 резистор В 1 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 8. 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 ин формационным табло, имитаторэлектрической машины, блок измерений и генератор, выходом соединенный с коммутатором, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью расширения демонстрационных воз можностей, дополнительно введены два задатчика частоты следования импульсов, три усилителя мощности, шесть ключей, второй генератор и второй коммутатор, генераторы выполнены импульсными, блок измере ний выполнен на двух счетчиках, причемпервый выход первого задатчика соединен с входом первого импульсного генератора, второй выход которого соединен с входом первого счетчика, первый, второй и третий 20 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 25 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 им пульсного генератора, второй выход которого соединен с входом второго коммутатора, каждый выход которого через соответствующий ключ соединен с соответствующим входом ротора имитатора электрической 35 машины, а выходы обоих счетчиков соединены с информационным табло.иг.8 5 оставитель Л.Брято ехред М,Моргентал Реда кто бак ектор Э.Лончакова Заказ 955 Тираж Подписное ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва, Ж, Раушская наб., 4/5 оизводственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101