Электронная плата
Заявляемое техническое решение относится к области электротехники и направлено на сокращение затрат времени на электрический монтаж исследуемой схемы и расширение экспериментальных возможностей и информативности при проведении исследовательских и экспериментальных работ по трехфазным цепям. Указанный технический результат достигается тем, что в электронной плате одна из фаз трехфазной нагрузки содержит переменный резистор и два двухштырьковых разъема, а устройство электронной защиты источника симметричных трехфазных напряжений имеет индикацию срабатывания и кнопку возврата. 1 ил.
Заявляемое техническое решение относится к области электротехники и может использоваться как для проведения исследовательских работ по трехфазным цепям, так и в лабораторных работах в рамках учебных дисциплин «Электротехника и электроника» и «Теоретические основы электротехники».
Известен комплект типового оборудования (Комплект типового лабораторного оборудования. Стендовое исполнение, компьютеризированная версия ТОЭ1-С-К. htt://ntwstyle-y.ru/high-school/electronic), в котором предусмотрена возможность исследования трехфазных цепей с помощью «виртуальных приборов», разработанных в программной среде Lab View. Технология проведения лабораторных работ на этом оборудовании предполагает монтаж электрической схемы на наборном поле и соединении ее проводниками с источником. После проверки и устранения ошибок (если они есть), приступают к выполнению основной задачи - измерению электрических параметров схемы с помощью измерительных приборов, подключаемых к отдельным ее участкам. При этом тоже возможны ошибки, которые вынуждают исследователя выполнять повторные измерения. Большие временные затраты, связанные с монтажом электрической цепи, значительно сокращают время на проведение самого эксперимента, что можно отнести к существенным недостаткам известного комплекта.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению является макетная плата для изучения силовой электроники (Лабораторная станция NI Elvis II. Образовательная программа National Instruments, каталог, ni-com/Russia) (далее электронная плата), которая содержит комплект электронных схем, в том числе трехфазный трансформатор и выпрямитель. Для исследования этих устройств на плате имеется программируемый источник симметричных трехфазных напряжений.
Недостатком известного технического решения является относительно большая насыщенность платы электронными схемами, не участвующими в конкретном эксперименте, что затрудняет восприятие исследуемой схемы и снижает информативность исследований. Кроме того, прежде чем проводить эксперимент, нужно собрать схему, произведя электрические соединения выбранных элементов, как между собой, так и с источником симметричных трехфазных напряжений, что существенно сокращает время на проведение эксперимента и обработку полученных результатов. Существенно также то, что отсутствуют элементы, позволяющие менять параметры исследуемой схемы, что ограничивает возможности эксперимента. И, наконец, не предусмотрена возможность исследования трехфазной цепи в различных режимах, например, при изменении симметрии нагрузки или обрыве нейтрального провода (аварийный режим).
В основу нового технического решения положена задача создания электронной платы для исследования трехфазной цепи, для которой характерно расширение экспериментальных возможностей и информативности, а также сокращение временных затрат, связанных с электрическим монтажом схемы.
Поставленная задача решается тем, что электронная плата, в которой смонтированы разъем и источник симметричных трехфазных напряжений с устройством электронной защиты, согласно новому техническому решению, дополнительно содержит соединенную электрически с источником симметричных трехфазных напряжений трехфазную нагрузку, в одной из фаз которой включены переменный резистор и два двухштырьковых разъема, один из которых включен последовательно, а другой - параллельно нагрузке этой фазы, в нейтральном проводе включен третий двухштырьковый разъем, а устройство электронной защиты, установленное в той же фазе, что и переменный резистор, выполнено с индикацией срабатывания и кнопкой возврата.
На чертеже представлена функциональная схема заявляемой электронной платы, которая содержит источник 1 трехфазных симметричных напряжений, электрически соединенный с трехфазной нагрузкой 2, и разъем 3.
Источник симметричных трехфазных напряжений 1 содержит три канала, на выходах которых (выводы А, В, С) сформированы трехфазные напряжения. Кроме указанных выше выводов, на выходе источника симметричных трехфазных напряжений имеется также «нейтраль генератора» (вывод N).
Трехфазная нагрузка 2, электрически соединенная с соответствующими фазами источника симметричных трехфазных напряжений, содержит в фазе А переменный резистор 4 и два двухштырьковых разъема 5, один из которых (51 ) включен последовательно с фазной нагрузкой, а другой (5 2) - параллельно ей. Нагрузка в фазах В и С не меняется и выполнена на постоянных резисторах. В нейтральном проводе, между выводами N источника 1 и n нагрузки 2, установлен третий двухштырьковый разъем 53. Для индикации срабатывания устройства электронной защиты установлен световой индикатор 6, а для управления - кнопка возврата 7.
Запускается источник симметричных трехфазных напряжений от внешнего функционального генератора, который имеется практически во всех лабораторных установках, в том числе и в лабораторной станции NI Elvis II. Электрическое соединение электронной платы с лабораторной установкой, которая позволяет использовать технологию «виртуальных приборов», может осуществляться с помощью гибкого шлейфа, имеющего ответную часть, сопрягаемую с разъемом 3 электронной платы.
Выполнение лабораторных исследований по трехфазным цепям начинается с подключения электронной платы к функциональному генератору (например, лабораторной станции NIElvisII). После ее включения, запуска программы Lab View и установки заданных параметров функционального генератора (например, амплитуда синусоидального напряжения 5 B, частота 50 Гц), напряжение с его выхода поступает на вход источника 1 симметричных трехфазных напряжений одновременно на три канала (канал фазы А, канал фазы В и канал фазы С). В канале фазы А входное напряжение усиливается по мощности и через элементы устройства электронной защиты поступает на выход (вывод А). Устройство электронной защиты триггерного типа является типовым (аналогично тем, что устанавливают, например, в лабораторных источниках питания), содержит световой индикатор 6 и кнопку 7 возврата. В канале фазы В установлен фазовращатель, с помощью которого напряжение на выходе (вывод В) сдвинуто относительно напряжения фазы А на -120°. Для увеличения нагрузочной способности, после фазовращателя установлен усилитель мощности, аналогичный усилителю фазы А. Канал фазы С построен аналогично каналу фазы В с той лишь разницей, что фазовращатель поворачивает фазу напряжения на +120° относительно напряжения фазы А. Таким образом формируются симметричные трехфазные напряжения как относительно общего вывода - фазные напряжения, так и относительно друг друга - линейные напряжения.
Выводы фаз (A, B, C, N) источника симметричных трехфазных напряжений соединены с соответствующими выводами (a, b, c, n) трехфазной нагрузки, которая представляет собой три однофазных нагрузки, соединенных между собой определенным образом (например, по схеме «звезда»). Причем, сопротивления Rb (фаза В) и Rc (фаза C) одинаковы и не меняются, а нагрузка фазы A (Ra) содержит постоянный и переменный 4 резисторы и два двухштырьковых разъема (51 и 52). Кроме того, в соединении между нейтралью нагрузки (вывод n) и нейтралью источника симметричных трехфазных напряжений (вывод N) установлен третий двухштырьковый разъем 53. Благодаря наличию этих элементов в трехфазной нагрузке исследование трехфазной цепи можно проводить в следующих режимах:
1. Четырехпроводная трехфазная цепь (двухштырьковые разъемы 51 и 5 3 замкнуты):
- симметричная нагрузка (R a=Rb=Rc);
- несимметричная нагрузка Ra>Rb=Rc или R a<Rb=Rc;
- холостой ход (XX) Ra=
, Rb=Rc (двухштырьковый разъем 5 1 - разомкнут):
- короткое замыкание (КЗ) Ra=0; Rb=Rc (двухштырьковые разъемы 5 1 и 52 замкнуты).
В режиме короткого замыкания фазы (Ra=0) возникает перегрузка по току в этой фазе, и срабатывает устройство электронной защиты (индикация, например, красный светодиод), которое отключает напряжение фазы А. Режимы работы фазы В и фазы C остаются неизменными, и этот режим можно исследовать. Возврат фазы A в рабочее состояние можно произвести только после устранения короткого замыкания. Для этого нужно разомкнуть двухштырьковый разъем 52 и нажать кнопку возврата.
На известных лабораторных установках этот режим обычно не исследуется, т.к. в случае его возникновения (порой не умышленного) срабатывает общая защита источника симметричных трехфазных напряжений и отключает его полностью.
2. Трехпроводная трехфазная цепь (двухштырьковый разъем 5 3 разомкнут):
- симметричная нагрузка R a=Rb=Rc;
- несимметричная нагрузка Ra>Rb=Rc или R a<Rb=Rc;
- холостой ход Ra=, Rb=Rc (разъем 51 - разомкнут);
- короткое замыкание Ra=0; Rb =Rc (двухштырьковые разъемы 51 и 5 2 замкнуты). В этом режиме устройство электронной защиты не срабатывает, так как за счет смещения нейтрали нагрузки (n) перегрузки по току не возникает.
Измерение параметров исследуемой трехфазной цепи производится с помощью виртуального осциллографа, что позволяет получить наглядную информацию, как о форме измеряемых параметров, так и об их величинах.
Для экспериментальной проверки предложенного технического решения и разработки методики измерений с помощью «виртуальных приборов» был изготовлен макет электронной платы. Испытания показали, что действительно исключаются затраты времени на электрический монтаж исследуемой схемы, что позволяет полностью сосредоточиться на самом эксперименте (исследовании, испытании). Введение же дополнительных элементов в нагрузке позволяет значительно расширить экспериментальные возможности, из чего можно заключить о решении поставленной технической задачи.
Предложенное техническое решение может быть реализовано в условиях единичного и серийного производства с применением различных, выпускаемых серийно, комплектующих, а, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость.
Электронная плата, в которой смонтированы разъем и источник симметричных трехфазных напряжений с устройством электронной защиты, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит электрически соединенную с источником симметричных трехфазных напряжений трехфазную нагрузку, в одной из фаз которой включены переменный резистор и два двухштырьковых разъема, один из которых включен последовательно, а другой - параллельно нагрузке этой фазы, в нейтральном проводе включен третий двухштырьковый разъем, а устройство электронной защиты, установленное в той же фазе, что и переменный резистор, выполнено с индикацией срабатывания и кнопкой возврата.
