Научные исследования на учебном оборудовании

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 «ДельтаПрофи», 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 программноаппаратного 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 «DeltaProfi», 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 (магнитопровода), 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 cos ϕ 0 , а также параметры R 0

и Х 0 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 R0, X0, а элементы Rк и Xк 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 I2н и номинальный первичный ток I1н трансформатора.

Для проведения учебного лабораторного исследования трансформатора в комплекте стенда предусмотрен серийный понижающий трансформатор BVEI 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, изобра женные 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 U1н = 220 В, контролируя значение напряжения по мнемосхеме на мониторе. Одновременно можно наблюдать на мониторе вторичное напряжение трансформатора U2н, ток холостого хода в первичной обмотке I0 и вычисленную активную мощность Р0, 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

Таблица 1. Результаты измерений параметров трансформатора

Измерено в режиме холостого хода				Вычислено
U 1н , В	I 0 , А	Р 0 , Вт	U 2н , В	Z 0 , Ом	R 0 , Ом	Х 0 , Ом	cos ϕ 0	К 12	I2h А	I1h 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 К 12 , коэффициент мощности cos ϕ 0 , а также два параметра Г-образной схемы замещения трансформатора R 0 и Х 0 . Для измеренных данных в табл. 1 результаты расчетов этих параметров представлены в графе Вычислено.

Номинальный вторичный ток I2н и номинальный первичный ток I1н, представленные в графе Вычислено, легко вычисляются по паспортным данным трансформатора с учетом полученного коэффициента трансформации. При этом вычисленное программой значение номинального тока вторичной обмотки I2н 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 «DeltaProfi».

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 BVEI 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 U 1н 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 U 1н 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 U 1н 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 «DeltaProfi» 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 RК = 20 Ом с плавным регулирование индуктивности LК = 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 - Rк 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 I 1к и I 2к 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 I1н, рассчитанному после проведения опыта холостого хода. На мониторе компьютера можно при этом наблюдать установленное первичное напряжение U1к, первичный ток I1к, 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 ( u к %) и величину тока аварийного короткого замыкания I к авар в процентах от I 1н , а также, как уже упоминалось, параметры R к и Х к 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 серийного 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, cosϕ и угол сдвига фаз ϕ 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 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.