CC BY
1
НАУЧНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НА УЧЕБНОМ ОБОРУДОВАНИИ В.Я. Ткаченко, канд. техн. наук, доцент
Филиал Университета "Дубна" - Дмитровский институт непрерывного образования (Россия, г. Дмитров)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-10-4-209-217
Аннотация. Рассматривается возможность использования компьютеризированного лабораторного стенда, применяемого в учебных заведениях в процессе изучения электротехнических дисциплин, для исследования компонентов электрооборудования в научных и практических целях. Особенностью современных учебных стендов является высокий уровень автоматизации и возможность управления ими с помощью компьютера, что позволяет обучаемым выполнять исследования с большей самостоятельностью при минимальном участии преподавателей и лаборантов. Наличие компьютера позволяет хранить и обрабатывать экспериментальные данные, строить временные диаграммы, набирать статистику и строить графики зависимостей. В статье на практическом примере показана возможность проведения исследований различных компонентов электрооборудования на таком стенде.
Ключевые слова: лабораторный стенд, исследование электрических компонентов, измерение параметров, схемы замещения, организация научных исследований.
В данной статье рассматривается возможность выполнения научных исследований с помощью компьютеризированного лабораторного стенда «Электротехника и основы электроники» (ЭТиОЭ-СК), выпускаемого научно-производственным предприятием «Учтех-Профи» (г. Челябинск) и предназначенного для проведения лабораторных и практических занятий в высших, средних и начальных профессиональных учебных заведениях, учебных центрах повышения квалификации и переподготовки и т.п. при освоении учебных программ по базовым электротехническим дисциплинам [1]. Особенностью таких стендов является высокий уровень автоматизации и возможность управления ими с помощью компьютера, что позволяет студентам и другим обучающимся выполнять лабораторные исследования с большей самостоятельностью при минимальном участии преподавателей. Кроме того, использование компьютера в стенде позволяет хранить и обрабатывать экспериментальные данные, строить временные диаграммы, набирать статистику и строить графики зависимостей.
Рассматриваемый стенд ЭТиОЭ-СК в максимальной комплектации содержит 23 модуля, обеспечивающих проведение занятий по большинству тем, изучаемых в учебных заведениях по разделам электротехники и электроники, и оснащен компьютером со специальным программным обеспечением. Главной частью этого программного обеспечения является программный комплекс «Дельта-Профи», предназначенный для измерений, отображения и обработки входных и выходных сигналов, формирования аналоговых и дискретных сигналов управления, а также для обеспечения защиты, автоматического и дистанционного управления, автоматизации проведения экспериментов. Ввод и вывод аналоговых и дискретных сигналов в описываемом стенде осуществляется с помощью специального блока с интерфейсом USB 2.0, являющегося частью программно-
аппаратного комплекса «DeltaProfi». Внешний вид стенда ЭТиОЭ-СК представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Внешний вид стенда ЭТиОЭ-СК
Интерфейс программного комплекса «Дельта-Профи» содержит главное меню, кнопки быстрого доступа и рабочую область, состоящую из ряда закладок, предназначенных для выполнения определенных задач. Программа обеспечивает следующие режимы работы: отображение осциллограмм сигналов и измерение их параметров (режим «Осциллограммы»), автоматическое определение функциональных зависимостей между входными аналоговыми сигналами или сигналами управления (режим «Зависимости»), запись изменений входных аналоговых сигналов во времени с возможностью просмотра в режиме «регистрирующего осциллографа» (режим «Регистратор»), отображение схемы исследуемой электрической цепи и показаний виртуальных измерительных приборов (режим «Мнемосхемы») [1].
Целью данной работы является анализ возможности использования указанного стенда для исследования различных элементов электрооборудования (таких как электродвигатели мощностью до 500 Вт, генераторы, дроссели, трансформаторы, катушки зажигания, различные реле, конденсаторы, реостаты и т.д.) а также других объектов в научных и практических целях для определения основных параметров и характеристик, исследования зависимостей от релевантных факторов, а также для диагностики и обнаружения возможных неисправностей.
Возможности исследования электротехнических компонентов на учебном стенде
Лабораторные исследования электрических элементов и устройств на учебных стендах обычно проводятся путем измерения пара-
метров в различных режимах работы. При этом используются определенные модули стенда, одни из которых задают входные воздействия, другие измеряют входные и выходные электрические параметры, третьи обеспечивают индикацию, регистрацию, обработку информации и вычисление необходимых характеристик.
В частности, при исследовании основных характеристик распространенного электротехнического устройства - трансформатора -используется определенный набор штатных модулей рассматриваемого стенда, в который входят модули: питания, однофазного трансформатора, ввода-вывода, автотрансформатора и компьютер с рабочей программой «ЛекаРгой», входящий в комплект стенда. Модуль ввода-вывода стенда, оснащенный датчиками тока и напряжения, связан информационным каналом связи с компьютером, что позволяет в автоматическом режиме обрабатывать данные, измеренные в ходе экспериментов, строить временные диаграммы, получать рабочие характеристики и другие зависимости как в графическом, так и в табличном виде.
Например, проведя опыт холостого хода с трансформатором можно определить коэффициент трансформации, состояние стали (маг-нитопровода), коэффициент мощности, а также параметры схемы замещения, используемой для расчетов электрических цепей с трансформатором [2]. Коэффициент трансформации можно определить с достаточной точностью, измерив при холостом ходе (вторичная обмотка разомкнута) напряжения на зажимах первичной и вторичной обмоток.
Учитывая, что потребляемая энергия трансформатора в этом режиме почти вся расходуется на потери в магнитопроводе, можно по результатам опыта холостого хода определить мощность потерь в магнитопроводе, коэффициент мощности соБфо, а также параметры Ко
и Хо упрощенной (Г-образной) схемы замещения, изображенной на рисунке 2. Эту схему (или более сложный Т-образный ее вариант) можно использовать для расчетов или моделирования электрических цепей с трансформатором.
Рис. 2. Упрощенная схема замещения трансформатора
В упрощенной схеме магнитная связь между первичной и вторичной обмотками заменена электрической связью. Цепь намагничивания магнитопровода трансформатора представлена элементами Ко, Хо, а элементы Кк и Хк схемы моделируют потери мощности в обмотках трансформатора и являются параметрами, определяемыми в опыте короткого замыкания. Используя паспортные данные трансформатора (коэффициент трансформа-
ции) можно по результатам опыта холостого хода также рассчитать номинальный вторичный ток ¡2н и номинальный первичный ток 1ы трансформатора.
Для проведения учебного лабораторного исследования трансформатора в комплекте стенда предусмотрен серийный понижающий трансформатор БУЕ1 481 1119 230 В/12 В. Схема для проведения опыта холостого хода представлена на рисунке 3 [3].
Рис. 3. Электрическая схема опыта холостого хода трансформатора
Выполнить по схеме рисунке 3 измерение параметров холостого хода учебного трансформатора можно, если реализовать на рас-
сматриваемом стенде соединения, изображенные на рисунке 4 [1].
Рис. 4. Соединения на стенде для учебного опыта холостого хода
При этом функцию источника напряжения, подаваемого на первичную обмотку исследуемого трансформатора, будет выполнять автотрансформатор, получающий от модуля питания напряжение 220 В, в качестве испытуемого выступает штатный трансформатор, имеющийся в комплекте модуля стенда «Однофазный трансформатор», а функции измерительных устройств, указанных на схеме рисунке 3, будут возлагаться на модуль ввода-вывода и компьютер с программой «DeltaProfi», что позволяет наблюдать на мониторе результаты измерений и одновременно результаты вычислений, выполняемых компьютерной программой.
Методика исследования однофазного трансформатора на стенде
В начале проведения опыта холостого хода учебного трансформатора нужно установить ручку автотрансформатора в крайнее левое положение. После этого включить компьютер, запустить программу Delta Profi, выбрать «Электромеханика - Работа № 1. Однофазный
трансформатор», выбрать вкладку «Рабочий режим». Затем запустить программу в работу, нажатием кнопки «Пуск» на экране или командой главного меню «Управление - Пуск» или горячей клавишей F5 на клавиатуре компьютера. Затем включить питание стенда, автотрансформатора и модуля ввода-вывода штатными выключателями стенда. Плавно увеличивая выходное напряжение автотрансформатора, установить на первичной обмотке испытуемого трансформатора номинальное рабочее напряжение иы = 220 В, контролируя значение напряжения по мнемосхеме на мониторе. Одновременно можно наблюдать на мониторе вторичное напряжение трансформатора и2н, ток холостого хода в первичной обмотке 1о и вычисленную активную мощность Ро, потребляемую трансформатором в режиме холостого хода. Вид экрана монитора в этом опыте представлен на рисунке 5, пример результатов измерений и вычислений представлен в таблице 1.
Рис. 5. Вид экрана монитора при проведении опыта холостого хода
Измерено в режиме холостого хода Вычислено
UlH, Io, Po, U2H, В Zo, Ro, Хо, еоБфо К12 I2H IlH
В А Вт Ом Ом Ом А А
221 0,03 2,4 15,0 7367 2667 6867 0,362 14,73 0,33 0,023
Для завершения опыта холостого хода нужно выключить электропитание, остановить программу нажатием кнопки «Стоп» или командой главного меню «Управление -Стоп» или клавишей F6 на клавиатуре компьютера.
По результатам измерений, наблюдаемым на мониторе и представленным в графе Измерено (табл. 1), можно по известным формулам рассчитать коэффициент трансформации трансформатора К12, коэффициент мощности соБфо, а также два параметра Г-образной схемы замещения трансформатора Ко и Хо. Для измеренных данных в табл. 1 результаты расчетов этих параметров представлены в графе Вычислено.
Номинальный вторичный ток /2 н и номинальный первичный ток /1н, представленные в графе Вычислено, легко вычисляются по паспортным данным трансформатора с учетом полученного коэффициента трансформации. При этом вычисленное программой значение номинального тока вторичной обмотки /2н может отличаться от его паспортного значе-
ния. Это обычно связано с определенными допущениями, принятыми для расчетов характеристик трансформаторов. К тому же определенную погрешность вносят измерительные приборы и датчики тока и напряжения модуля ввода-вывода, но их показания можно корректировать с помощью средств настройки программы «БекаРгой».
Для проведения на стенде опыта холостого хода не с учебным, а с произвольным трансформатором, удовлетворяющем ограничению по мощности (не более 500 Вт), необходимо собрать схему, изображенную на рис. 6, в которую вместо штатного учебного трансформатора В'УШ 481 1119 230 В/12 В, включить произвольный испытуемый трансформатор. На этой схеме часть соединений оставлены прежними, как на схеме опыта со штатным трансформатором (рис. 4), а соединения, подвергнутые изменению, отмечены пунктиром, и добавлены сплошными линиями новые соединения для выполнения исследования произвольного трансформатора.
Рис. 6. Соединения на стенде для исследования произвольного трансформатора в режиме холостого хода и короткого замыкания (с перемычкой)
В приведенной на рисунке 6 схеме роль источника входного напряжения и1н для произвольного испытуемого трансформатора по-прежнему будет выполнять автотрансформатор, модуль «Однофазный трансформатор» будет выполнять роль связующего звена между источником напряжения первичной обмотки и испытуемым трансформатором, функции измерения электрических величин будет выполнять модуль ввода-вывода, а обработку измеренных данных - программа «Delta Profi». Учебный трансформатор при этом оказывается обесточенным, а напряжение и1н с выхода автотрансформатора будет подано не на учебный трансформатор, как полагается в учебном опыте, а на первичную обмотку произвольного трансформатора.
При этом выходное напряжение со вторичной обмотки испытуемого трансформатора будет подаваться на датчики модуля ввода-вывода стенда и далее уже информационный сигнал поступит в компьютер для обработки. Такая схема обеспечивает возможность использования всех достоинств компьютеризированного учебного стенда (автоматическая обработка результатов измерения, развитая система защиты и предупредительная звуко-
вая сигнализация) для проведения опыта холостого хода с любым трансформатором, удовлетворяющего указанным выше ограничениям по мощности, А это, в свою очередь, позволяет без особого труда получить соответствующие параметры схемы замещения и связанные с ними характеристики произвольного трансформатора.
Использование в качестве источника напряжения и1н автотрансформатора, имеющегося в составе стенда, позволяет за счет плавного регулирования его выходного напряжения расширить область применения описанного способа измерения параметров холостого хода на широкий класс трансформаторов с диапазоном входных напряжений 0...220 В, используемых в самых разных устройствах. А использование модуля ввода-вывода стенда и компьютера с программой «БекаРгой» делает определение основных характеристик трансформатора, а также поиск некоторых его неисправностей, простым, безопасным и наглядным.
На стенде ЭТиОЭ-СК можно исследовать трансформатор не только в режиме холостого хода, но и в рабочем режиме при активной и емкостной нагрузках, а также в режиме ко-
роткого замыкания. Различные виды нагрузок трансформатора легко реализуются модулями резисторов (три резистора с дискретной установкой от 5 до 50 Ом) и реактивных элементов (батарея конденсаторов с дискретной установкой емкости от 40 до 300 мкФ, катушка индуктивности Кк = 20 Ом с плавным регулирование индуктивности Ьк = 0...1 Гн). При необходимости можно также получить данные для внешних характеристик трансформатора с различными нагрузками в табличной форме и сравнивать их на мониторе (режим «Зависимости»).
Стенд позволяет вполне безопасно проводить опыт короткого замыкания. В частности, по данным, полученным в этом режиме, можно получить оценку потерь в меди (на нагревание обмоток трансформатора), параметры
двух других элементов Г-образной схемы замещения - Кк и Хк (активное и реактивное сопротивления) трансформатора, а с ними и полное сопротивление Zк, а также определить напряжение короткого замыкания, являющееся важным параметром для практического использования трансформатора.
Электрическая схема цепи для проведения опыта короткого замыкания трансформатора, хорошо известна и представлена на рисунке 7 [4]. Для выполнения такого эксперимента на учебном стенде необходимо собрать схему соединений, изображенную на рис. 6, используя тот же набор модулей, что и для опыта холостого хода, но включив в нее произвольный испытуемый трансформатор с перемычкой, отмеченной красным цветом.
Рис. 7. Электрическая схема опыта короткого замыкания трансформатора
Опыт короткого замыкания трансформатора проводится, как известно, при таком первичном напряжении, чтобы токи 1ы и Ьк обмоток трансформатора не превышали номинальных. Перед проведением опыта короткого замыкания на стенде нужно так же, как в опыте холостого хода, установить ручку регулятора выходного напряжения автотрансформатора в крайнее левое положение, включить питание стенда, автотрансформатора и питание модуля ввода-вывода. После этого запустить программу Delta Profi, выбрать «Электромеханика - Работа № 1. Однофазный трансформатор», выбрать вкладку «Опыт короткого замыкания». Затем запустить программу в работу нажатием кнопки «Пуск», или командой главного меню «Управление-Пуск», или горячей клавишей F5 на клавиатуре компьютера.
Далее плавно увеличивая выходное напряжение автотрансформатора, установить значение тока в первичной цепи испытуемого трансформатора, соответствующее номиналь-
ному первичному току /1н, рассчитанному после проведения опыта холостого хода. На мониторе компьютера можно при этом наблюдать установленное первичное напряжение СЛк, первичный ток /1к, а также вычисленную программой потребляемую в этом режиме активную мощность Р1к. Для завершения опыта нужно проделать те же действия, что и при завершении опыта холостого хода.
По результатам измерений в опыте короткого замыкания можно вычислить: используемые на практике величину напряжения короткого замыкания в процентах (ик%) и величину тока аварийного короткого замыкания /к авар в процентах от /1н, а также, как уже упоминалось, параметры Кк и Хк схемы замещения трансформатора.
Если на стенде провести опыты холостого хода и короткого замыкания серийно выпускаемого трансформатора с известными характеристиками, то, сравнивая полученные в опытах параметры с паспортными данными, можно сделать заключение о возможности
дальнейшей эксплуатации серииного трансформатора или о его неисправности.
Помимо рассмотренных выше способов вычисления параметров произвольного трансформатора на основании измерений в опытах холостого хода и короткого замыкания, стенд позволяет напрямую измерять ряд параметров любых 4-полюсников (в том числе и трансформаторов)) с помощью модуля «Измеритель мощности» с жидкокристаллическим индикатором. Этот модуль позволяет измерять действующие значения напряжения в диапазоне 0...300 В и тока в диапазоне 0.. .2 А, активную, реактивную и полную мощности в диапазонах соответственно 0.600 Вт, 0.600 ВАр, 0.600 ВА, частоту в диапазоне 5.70 Гц, cos9 и угол сдвига фаз ф между напряжением и током. Развернутое рассмотрение широких возможностей применения модуля «Измеритель мощности» для исследования различных электротехнических устройств в научных и практических целях выходит за рамки настоящей статьи.
Выводы
Используя учебное оборудование - стенд ЭТиОЭ-СК производства челябинского научно-производственного предприятия Учтех-Профи - можно производить измерение характеристик трансформаторов, широко применяемых в электрооборудовании различных объектов, в устройствах радиоэлектроники, а также проводить более глубокий поиск таких неисправностей трансформаторов, которые не обнаруживаются простыми измерениями с
Библиографический список
1. Бородянко В.Н. Электромеханика: Методические указания к проведению лабораторных работ. - Челябинск: Учтех-Профи, 2017.
2. Ткаченко В.Я., Мищенков Н.А., Шабанов А.В. Применение учебного электрооборудования для практических исследовательских целей // Автомобиль. Дорога. Инфраструктура. - 2023. -№ 3.
3. Опыт холостого хода. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://present5.com/presentation/4319975_135147355/image-16.jpg.
4. Опыт короткого замыкания. - [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://amperof.ru/wp-content/uploads/2019/08/4-opyt-korotkogo-zamykaniya.jpg.
помощью мультиметров, например, неисправности магнитной системы трансформаторов (магнитопровода) или межвитковый пробой в обмотках.
Возможности рассматриваемого учебного стенда позволяют, помимо описанного в данной статье метода исследования любого трансформатора, измерять коэффициент трансформации и индуктивность обмоток катушек зажигания автомобилей, индуктивность многих других обмоток, а также параметры других компонентов различного элек-трообрудования (электродвигателей, дросселей, конденсаторов и т.д.).
Эксплуатация рассматриваемого стенда в Дмитровском институте непрерывного образования, являющимся филиалом образовательного учреждения высшего образования «Университет «Дубна», показала, с одной стороны, возможность повышения качества учебного процесса за счет использования компьютеризированных методов обучения с использованием таких стендов, с другой стороны, наличие возможности проведения исследований, в том числе научных, широкой номенклатуры электротехнических устройств и их компонентов. Использование учебного компьютеризированного стенда ЭТиОЭ-СК, выпускаемого научно-производственным предприятием «Учтех-Профи» (г. Челябинск), может быть также полезно для организации исследовательской и научной деятельности студентов среднего и высшего образования.
SCIENTIFIC RESEARCH ON EDUCATIONAL EQUIPMENT
V.Y. Tkachenko, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Branch of Dubna University - Dmitrov Institute of Continuing Education (Russia, Dmitrov)
Abstract. The possibility of using a computerized laboratory stand, used in higher and secondary educational institutions in the process of studying electrical engineering disciplines, for the study of electrical equipment components for scientific and practical purposes is being considered. A feature of modern educational stands is a high level of automation and the ability to control them using a computer, which allows you to perform research with greater independence with minimal participation of teachers and laboratory assistants. The presence of a computer allows you to store and process experimental data, build time charts, collect statistics and plot dependencies. A practical example shows the possibility of conducting research on various components of electrical equipment at such a stand.
Keywords: laboratory stand, study of electrical components, parameter measurement, substitution schemes, organization of scientific research.
