Исследование схем управления бытовой техники на лабораторном стенде

Обычно исследования схем управления на лабораторных стендах проводятся со студентами с целью приобретения ими навыков, закрепляющих уже имеющиеся теоретические знания [1]. В статье показывается, что при дополнении каждой работы на лабораторном стенде детальным разбором сделанных студентами ошибок не только достигается указанная выше цель, но и решается задача получения новых теоретических знаний. При этом значительно повышается эффективность усилий и времени, затраченных студентами на изучение теоретических курсов по системам управления сложной техники. Отсюда вытекают возможности решения основной методической задачи эффективного распределения времени между теоретическими занятиями и практическими работами при изучения разделов дисциплин с продвижением как от теории к практике, так и от практики к теории [2].

Рассмотрим, как указанные задачи могут быть решены при проведении двух взаимосвязанных лабораторных работ по изучению электромеханического таймера бытовой микроволновой печи.

Для конкретизации последующего анализа поставленных вопросов считаем целесообразным привести здесь краткое изложение разработанных нами методик выполнения этих работ.

Тема № 1: Исследование работы электромеханического таймера в составе комбинированного устройства управления временем работы нагрузки и её мощностью.

Цель: Изучить схему функционирования электромеханического таймера (схему управления временем работы нагрузки) в составе комбинированного устройства на лабораторном стенде. Научиться составлять, а затем собирать принципиальную электрическую схему с управляемой (по времени работы) нагрузкой; научиться определять точность таймера.

Перечень оборудования:

• 1.    Комбинированное устройство VF 60 MLE 03E управления временем работы бытовой микроволновой печи, а также нагрузкой и мощностью (рис.1).

• 2.    Нагрузка (допускается использовать любой бытовой электроприбор с по-

• требляемой мощностью не более 1,5 кВт или лампочку).

• 3.    Соединительные провода.

• 4.    Автомат защитного отключения сетевого напряжения 10 А (номинальный ток главной цепи выключателя по ГОСТ 6827 – ток отключения).

• 5.    Часы для регистрации временных интервалов с точностью до 1 секунды (например, секундомер).

• 6.    Тестер типа Digital-Multimeter M-3860M (допускается использование других сертифицированных измерительных приборов с возможностью измерения переменного напряжения до 380 В и омического сопротивления до 50 Ком).

Характеристики устройства VF 60 MLE 03E (Рис. 1) :

• 1.    Рабочая температура – -10 - +90 град С

• 2.    Номинальные и предельные рабочие напряжения:

при влажности 45 ÷ 90 % и атмосферном давлении 86 ÷ 106 КПа.

• -    номинальное – 220/240 В,

• -    предельное от 187 В до 268 В.

• 3.    Допустимый ток в цепи управляемого выключателя 1 (клеммы 1 –  2) -

• до 8 А (и до 16А – для устройств модельного ряда)..

• 4.    Допустимый ток в цепи управляемого выключателя 2 (клеммы 4 ÷ 5) до 8 А (и до 16А – для устройств модельного ряда).

• 5.    Ток, потребляемый синхронным двигателем таймера, – 10 мА. Потребляемая мощность – не более 3 Вт.

• 6.    Напряжение пробоя –  1500

• 7.    Сопротивление изоляции:

В/мин.

• -    сухое – не менее 100 МОм,

• -    влажное – не менее 10 МОм.

• 8.    Срок службы – не менее 3000 часов.

• 9.    Количество циклов «вкл. – выкл.» 1000000 (10 раз в мин).

• 10.    Класс по изоляции – F.

• 11.    Точность хода часового механизма 60 плюс-минус 1,5 мин.

Для обеспечения безопасности работ стенд снабжен автоматом защитного отключения на случай короткого замыкания и имеет защитное заземление. После подключения к сети разрешается прикасаться только к органам управления комбинированным устройством и к заземлённому основанию стенда.

Рисунок 1. Принципиальная электрическая схема комбинированного устройства управления временем включения и мощностью нагрузки : Управляемый выключатель 1 находится в положении «выкл» при положении ручки регулировки времени на лицевой панели стенда в положении «0». Его включение осуществляется поворотом ручки установки времени по часовой стрелке.

Перед выполнением работы студенты изучают устройство таймера и электрическую схему включения нагрузки под управлением таймера. По результатам выполнения работы они оформляют отчет, содержащий результаты определения абсолютных и относительных ошибок в работе устройства (табл. 1).

Последовательность выполнения работы следующая:

• 1. Изучение схемы и принцип работы устройства управления временем работы нагрузки.

• 2.    Изучение и построение принципиальной электрической схемы с подключённой к таймеру нагрузкой.

• 3.    Проверка с помощью тестера целостности цепи обмотки синхронного электродвигателя таймера (сопротивление обмотки исправного двигателя – порядка 20 КОм) и работоспособность выключателя таймера 1.

• 4.    Проверка с помощью тестера целостности защитного заземления (омическое сопротивление связи «заземляющий контакт сетевого шнура стенда – корпус стенда» должно быть не более 10 Ом) и работоспособности автомата защитного отключения (только положения «ВКЛ-ВЫКЛ»).

• 5.    Сборка электрической схемы устройства включения нагрузки под управлением таймера (далее – устройство) в соответствии с п.2.

• 6.    Проверки и включение электрической схемы (преподавателем).

• 7.    Подготовка ручного таймера (секундомера) для замера времени работы нагрузки.

• 8.    Установка ручки выбора времени таймера стенда в положение «1 мин».

• 9.    Измерение времени работы нагрузки. В момент отключения таймера нагрузка правильно собранной схемы отключается и раздается звуковой сигнал. Этот момент времени зафиксирован и в таблицу 1 вносится фактическое время работы нагрузки с момента включения и до момента отключения.

• 10.    Отключение стенда от сети .

• 11.    Далее производится повторение проведения измерений в соответствии с выполнением пунктов 7, 8, 9 и 10, но с установкой ручки выбора времени

• 12.    Результаты измерения длительности включения таймера с помощью часов и определения абсолютной и относительной ошибки вносятся в таблицу 1.

• 13.    Определение средней относительной ошибки. Найденная средняя относительная ошибка по табл. 1 равна 0,056. Она вдвое превышает точность таймера, приведенную в п.11 его характеристик: 1,5/60 = 0,025.

• 14.    Составление выводов по результатам сравнения вычисленной ошибки устройства и точности, указанной в его характеристиках.

Примечание: Если электрическая схема по п. 5 собрана правильно, одновременно с установкой времени таймера включается нагрузка.

таймера в положения, соответственно: «2 мин», «3 мин», «4 мин» и «6 мин».

Так во всех испытаниях (табл. 1) фактическое время работы нагрузки оказалось больше заданного. Это свидетельствует о наличии ряда источников систематических абсолютных ошибок сходной природы.

Таблица 1. Результаты измерения времени работы стенда под нагрузкой

Установка таймера	Фактическое время работы нагрузки, с	Абс. Ошибка, с	Относит. ошибка
1 мин	67	7	0,104
2 мин	128	8	0,063
3 мин	194	14	0,072
4 мин	246	6	0,024
6 мин	366	6	0,017

В четырех опытах из пяти ошибка не превосходит пределов 6 – 8 с, причем, при измерении малых отрезков времени (1 мин и 2 мин) абсолютная ошибка больше, чем при измерении больших отрезков времени (4 мин и 6 мин). Отсюда следует, что погрешностью таймера данного устройства можно пренебречь, так как ее вклад в абсолютную ошибку должен был бы возрастать с увеличением измеряемого отрезка времени, чего не происходило в проделанных опытах. По этим же причинам можно пренебречь вкладом в абсолютную ошибку разброса частоты переменного тока, питающего синхронный двигатель таймера.

Запаздывание в засечке времени секундомером было одной из составляющих систематической ошибки, но ее величина, связанная со временем реакции студента на выключение вентилятора, не могла превышать значения 2 – 3 с. Остается не выясненным источник доли абсолютной ошибки, составляющей, по крайней мере, 4 – 5 с.

По-видимому, наиболее вероятный основной источник систематической абсолютной ошибки – это погрешность установки заданного времени работы таймера рукояткой.

Тема № 2: Исследование работы электромеханического таймера в составе комбинированного устройства управления временем работы нагрузки и её мощностью (ниже приводится Рисунок 1, общий для обеих работ и опускаются повторяющиеся пункты общих разделов)..

Цель: Изучить схему функционирования комбинированного устройства управления временем работы нагрузки и её мощностью в части управления мощностью на лабораторном стенде. Научиться самостоятельно собирать базовую схему с управляемой по мощности и времени работы нагрузкой и составлять функциональную и принципиальную электрическую схему; изучить принцип управления средней мощностью нагрузки, используемый в не инверторных¹ СВЧ печах.

Перечень оборудования – тот же, кроме замены вентилятора лампочкой² в качестве нагрузки. Характеристики VF 60 MLE 03E (Рис. 1) – те же.

Последовательность выполнения работы:

• 1.    Изучение схемы и принципа работы устройства управления мощностью и временем включения нагрузки.

• 2.    Изучение и построение функциональной и принципиальной электрической схемы устройства управления мощностью и включения нагрузки с подключённой к таймеру нагрузкой. Возможные схемы конструкций механических устройств УК1 и УК2 управления контактами К1 и К2, соответственно.

• 3.    Проверка с помощью тестера целостности цепи обмотки электродвигателя таймера (сопротивление обмотки исправного электродвигателя – порядка 20 КОм) и работоспособность выключателя таймера 1 (Рис. 1).

• 4.    Проверка с помощью тестера целостности защитного заземления (омическое сопротивление связи «заземляющий контакт сетевого шнура стенда – корпус стенда» должно быть не более 10 Ом) и работоспособность автомата защитного отключения (только положения «ВКЛ-ВЫКЛ».)

• 5.    Сборка электрической схемы устройства управления работой нагрузки по мощности и времени согласно п.2.

• 6.    Проверка и включение устройства в сеть.

• 7.    Установка ручки выбора мощности на лицевой панели установлена в положение «уровень минимальной мощности» (первое деление).

• 9.    Установка ручки выбора времени таймера в положение «5 мин».

• 10.    Фиксация и запись циклограммы включения/отключения нагрузки

• 11.    Выключение устройства из сети.

• 12.    Запись длительности включения нагрузки (в секундах), по циклограмме в соответствии с п. 10, занесение ее в табл. 2.

• 13.    Вычисление коэффициента снижения средней мощности нагрузки (путем ее деления на общую длительность включения таймера в секундах). Запись значения этого коэффициента в табл. 2.

• 14.    Повторение последовательности действий по пунктам 7, 8, 9, 10, 11, 12 и 13 четыре раза с установкой ручки выбора средней мощности нагрузки последовательно в 4 положения, которым соответствует постепенное увеличение средней мощности нагрузки.

Примечание: Если электрическая схема по п.4 собрана правильно, нагрузка включится одновременно с установкой времени таймера.

таймера (лампочки) с точностью до одной секунды (с помощью ручного таймера). В момент окончательного отключения нагрузки правильно собранной схемы устройства (через 5 мин после включения) раздается звуковой сигнал. Время включения таймера определено с помощью часов и внесено в Таблицу 2

Таблица 2. Результаты измерений и вычислений коэффициента снижения средней мощности нагрузки

Установка уровня мощности	Длительность включения  тай мера, с	Длительность включения нагрузки, с	Коэффициент снижения средней мощности нагрузки, %
1	300	185	62
2	300	215	72
3	300	250	83
4	300	295	98
5	300	300	100

По результатам измерения циклограммы и вычисления коэффициента снижения средней мощности нагрузки можно сделать вывод о его пропорциональности длительности включения нагрузки (см. табл. 2).

С использованием результатов исследований по теме № 1 произведены оценки ошибок определения коэффициентов снижения мощности для второго и пятого измерений. Их величины составили, соответственно: 0,037 и 0, 027. Очевидно, что эти ошибки уменьшаются с ростом общего времени включения нагрузки по циклограмме.

Очевидно, что выполненные исследования эффективно используют одно и то же испытуемое электромеханическое устройство управления мощностью и временем работы нагрузки, извлеченное из СВЧ печи, а также практически одно и то же оборудование. Во второй работе добавляется лишь один дополнительный электропровод и в качестве нагрузки используется вместо вентилятора лампочка. При формулировке цели работ особое внимание обращено на самостоятельное составление и сборку электрических схем экспериментов. Это заставляет студентов творчески подойти к работам, поскольку один и тот же верный результат достигается при нескольких вариантах внешних соединений. Именно эта часть работ может быть связана с наибольшими трудностями и потребует затрат практически половины всего отведенного на работы времени, потому что многие студенты никогда прежде самостоятельно не составляли и (тем более) не собирали электрические схемы даже простейших устройств. По отзывам самих студентов, им гораздо легче было бы осваивать теоретические разделы дисциплины, если бы в начале ее изложения были проведены эти работы. Предвидя именно эти проблемы, исходя из требований техники безопасности, в схему устройства были включены заземление и автомат защитного отключения сетевого напряжения.

Некоторые «смелые» студенты могут пытаться «методом проб и ошибок» решить проблему сборки схемы без ее построения на бумаге и предъявления преподавателю. При отсутствии заземления и автомата отключения напряжения в процессе такой работы студентов было бы не один раз отключено электроснабжение всего здания, а студенты могли бы получить травму от удара электротоком. Студенты могут, наконец, на практике увидеть различие между последовательным и параллельным соединением источника питания, нагрузки и ее выключателя. При составлении схем на бумаге студентам необходимо осваивать правила их оформления в соответствии ГОСТ 2.70881 «Правила оформления электрических схем».

Существенной особенностью предложенных работ является использование в электромеханическом устройстве синхронного электродвигателя, связанного через редукторы и дополнительные рычаги с устройствами управления контактами 1 и 2 (Рис.1).

Если контакт 1 однократно включает и выключает нагрузку под управлением таймера, то контакт 2 периодическими включениями и отключениями нагрузки обеспечивает циклограмму ее работы, соответствующую необходимой средней мощности. При выполнении работ целесообразно определять передаточное отношение редукторов механизмов управления контактами 1 и 2 при известном числе пар полюсов обмоток синхронного электродвигателя. (Эти передаточные отношения – порядка 200000!) Между первой и второй работами необходимо выдавать студентам самостоятельную работу по разработке возможной схемы и конструкции механизма управления указанными контактами.

Кроме того, в ходе выполнения работ необходимо провести оценку вклада в точность (погрешность) таймера, отключающего нагрузку и разброса частоты переменного электрического тока, пи- тающего синхронный электродвигатель. Для того чтобы студенты имели представления не только о разбросе, но и о номинальном значении частоты тока, поступающего в сеть от источника электроснабжения здания университета целесообразно требовать, чтобы в отчетах о работах делались ссылки на значения нормируемых характеристик электроснабжения в соответствии с ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения».

На второй работе до сборки электрической схемы студентам предлагается составлять не только принципиальную электрическую, но и функциональную схему комбинированного устройства, подключенного внешними соединениями к источнику тока и нагрузке (рис.2). Здесь важно то, что функциональная схема (рис.2) наглядно показывает не только электрические, но и механические связи между элементами устройства.

На схеме (рис.2) видны различия механических взаимодействий между рукоятками УМ (управления мощностью) и УВ (управления временем) на лицевой панели и, соответственно, между устройствами управления контактами УК1 и УК2. Здесь отображена связь выходного вала электродвигателя с тремя редукторами: РО (общий), Р1, связанный с УК1, и Р2, связанный с УК2. Это позволяет студентам понять принцип действия комбинированного устройства без его разборки.

Таким образом, выполнение студентами методических указаний по этим работам, требует проявить элементы творчества. Благодаря этому решение поставленных задач вызывает у студентов большой интерес и существенно продвигает процесс изучения ими дисциплин, связанных с изучением систем управления бытовой техникой.

Типичными, как правило, бывают ошибки, связанные с нарушением правил использования в вычислениях числовых значений, приведенных к единым размерностям (например, при переводе числа оборотов ротора электродвигателя из мин-1 частоту вращения в с-1).

Таким образом, выполнив исследования по двум взаимосвязанным темам с использованием одного и того же лабораторного стенда, студенты получают представление о схемах включения маломощных синхронных электродвигателей в электромеханических таймерах, учатся составлять принципиальные электрические и функциональные схемы устройств, получают навыки снятия показаний и обработки результатов измерений

Рисунок 2. Функциональная схема комбинированного устройства управления мощностью и временем работы электродвигателя