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哈工大—FLUKE電工聯合實驗室可行性報告
時間:2018-03-28 22:24;作者:縱能產品部

哈工大FLUKE電工聯合實驗室可行性報告

 

一、立項依據現有優勢及存在的問題)

200711月,哈工大電工電子實驗教學中心被評為“國家級實驗教學示范中心”,同時中心所承擔的“電工電子實驗系列課程”于201010月被評為“國家級精品課”。經過近幾年的建設,電工電子實驗教學中心的軟硬件條件已經得到了很大的提高,取得了不小的成績,也得到了國內兄弟院校同行們的認同。經考察,中心的網絡實驗教學管理平臺的管理思想和軟件水平已經處于國內兄弟院校的前列。然而由于建設投入的不平衡,有些實驗室的硬件水平距離國家級實驗教學示范中心驗收的需求還存在著一定的差距。中心目前共有8個實驗室,其中有3個國際聯合實驗室,分別是“哈工大-安捷倫電子學聯合實驗室”,“哈工大-巖崎電子學聯合實驗室”和“哈工大-松下電工PLC控制技術聯合實驗室”,各個聯合實驗室的設備技術都很先進,性能優良。

近年來,電工技術測量方式和手段發生了很大的變化,在研究所和工業領域開始大量使用電能質量分析儀來替換傳統的電流表、電壓表、功率表等設備,出了能夠測量這些常用的物理量之外,電能質量分析儀還可以進行分析、計算和存儲,大大豐富了測量的內容和深度。我校學生以“工程實踐能力強”著稱,因此,我校研究生在校期間有必要接觸到這些先進的測量手段和方法,在此方面得到必要的訓練,進一步提高學生的動手能力,盡早接觸到先進的測試設備和手段,以便將來在進入研究應用領域的時候,能夠很快的進入角色。

為了彌補我們自身的不足,進一步改善實驗教學環境,提高電工電子實驗教學中心實驗教學平臺的整體水平,中心積極與國際知名電能測量儀器生產企業Fluke公司,就哈工大-Fluke電工技術聯合實驗室的建立進行了磋商和討論,雙方達成了建立聯合實驗室的意向,并盡可能把儀器價格做到最低,為我校爭取到盡可能多的空間和利益,使在校學生能用到更好的福祿克儀器,提升我校整個電路理論和電工技術實驗教學的水平。

通過哈工大-Fluke電工技術聯合實驗室的建設,打造一個高級電工技術實踐基地。基地建設完成后將服務于本科生“電工電子實驗系列課程”,每年接待本科生3000人進行全開放式的實驗教學。

本項目擬建設哈工大-Fluke本科生高級電工技術實踐基地,開展本科生高級電工技術實驗課方面的工作。本基地的目標是建設一個基于Fluke 434三相電能質量分析儀的高級電工技術應用型實踐平臺。

本實踐基地建設時間為20127月份至20137月份。2012年主要進行基地建設方案編寫、論證、設備的詢價及儀器設備采購;2013年主要進行實踐教學內容的建設,儀器設備使用教學課件的制作,并進行設備調試、運行。

本實踐基地建成后將工業場合常用的工業級三相電能質量分析設備引入本科生實踐教學,為本行業提供前瞻性可操作實踐平臺。

二、建設的意義及必要性

哈工大-Fluke高級電工技術實踐基地的建立,將使我校的電路理論、電工技術基礎實驗教學,以及電力電子、電氣傳動、電力系統、電機與電器等專業實驗教學和研究生實驗教學,無論在電路的測量方式、方法還是在更新實驗內容等各方面將產生革命性的變化與提升,使我校在該學科領域的實驗教學水平居全國高校領先地位。對我校學生學習和掌握先進科學儀器和測量方法、學習更加豐富的實驗內容,以及創新學習等有著重要意義。

這些儀器的獲得,將完全改變了傳統的電路實驗的測量方式,不受指針式儀表量程的限制,可增加大量的實驗項目,供學生選作或多做。由于該儀器電壓、電流測量范圍寬,測量項目全面,并可以觀測示波器無法觀察的波形,使其開發創新實驗成為可能。該儀器必將在創新型實驗過程中發揮重要作用。對于在高電壓、大電流實驗條件下學生的人身安全也有了根本性的保證。這些儀器將有非常高的使用率。每年有約3000名電氣工程專業的本科生和本碩連讀學生,使用該工程實踐平臺。

Fluke公司與我校共建工程實踐教學平臺一方面是由于我校在國內高校中的重要地位,尤其是在工科院校中的地位。另一方面是由于我校電工電子實驗教學中心為國家級實驗教學示范中心,中心的電工電子實驗課程為國家級精品課程,在我校建立聯合實驗室,將對全國高校產生重要影響,中心新開出的電路實驗將對全國其他高校產生引領和示范的作用。這也是一直偏重于工業應用領域的Fluke公司在我國高校中建立的第一個聯合實踐基地,意義重大。

三、主要建設內容及方案

為了加強應用型工程技術人才實踐能力的培養,建設哈工大-Fluke本科生高級電工技術實踐基地,主要是對電工技術實驗室原有的電工測量儀表進行升級改造,通過和Fluke公司的共同建設,建設以Fluke三相電能質量分析儀為主要設備的高級電工技術應用型實踐平臺。具體建設內容如下:

  1. 通過購置Fluke三相電能質量分析儀設備,搭建高級電工技術實踐平臺。

購置數量:42臺。

功能說明:電能量損失分析器:量化了傳統的有功功率和無功功率測量、不平衡和諧波功率,便于用戶準確確定按貨幣計算的真實系統電能量損失。功率逆變器效率:同時測量電力電子系統的交流輸出功率和直流輸入功率(選擇直流電流鉗),可以測試直流供電系統。自動趨勢分析:每次測量會自動記錄。記錄儀功能:可配置任何測試條件,可按用戶定義的間隔記錄最多600個參數。

可記錄參數為電壓、電流、頻率、驟升與驟降、諧波、功率和能量、電能量損失分析、不平衡、監測、浪涌電流、功率逆變器。

1電壓輸入:4(三相+中性)直流耦合、1000Vrms,電壓范圍1-1000V可選,最大峰值測量電壓6KV(瞬變模式),輸入阻抗:4MΩ/5pF,帶寬大于10kHz,瞬變模式最大100kHz,縮放比例:1:1、10:1、100:1、1000:1、10000:1

2電流輸入:4(三相+中性)直流或交流耦合,根據測試電流標配交流電流鉗(i5S),測試電流量程10mA-6A,輸入阻抗:1MΩ,帶寬大于10kHz,縮放比例:1:1、10:1、100:1、1000:1、10000:1

3采樣系統分辨率:8通道均為16位模/數轉換器,最高采樣速度為每個通道同時200kS/s,RMS采樣根據IEC61000-4-30.10/12周期內采樣500次,PLL同步根據IEC61000-4-7,10/12周期內采樣4096次,額定頻率為50或60Hz

4顯示模式:波形顯示、矢量圖、儀表讀數、趨勢圖、柱狀圖、時間列表。

(5測量模式:示波:4個電壓波形、4個電流波形,Vrms、Vfund、Arms、Afund、光標處電壓、光標處電流、相角電壓、電流和頻率暫升和暫降:Vrms1/2,Arms1/2。

  1. 進行基于三相電能質量分析儀的新實驗內容開發。

原有實驗內容擴展:

1)實驗名稱:交流電路的測試

現有實驗內容:通過電壓表、電流表、功率表測量值計算電路參數RLC和功率因數。

增加實驗內容:測量被測量的有效值和相位,直接寫出電壓、電流的相量表達式。測量有功功率、無功功率、視在功率、功率因數,并根據實際電路進行分析。觀測電壓電流波形、波形失真因數。觀測電壓、電流的相量圖。測量結果更直接,更易于理解,與電路理論聯系更緊密。

2)實驗名稱:三相電路的測量

現有實驗內容:通過電壓表、電流表、功率表測量三相電壓、三相電流、有功功率。

增加實驗內容:測量相序。測量三相有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、用電量。觀測三相電壓電流波形、波形失真因數。觀測電壓、電流的相量圖,不平衡相量圖。諧波變化波形,諧波有功、無功功率。

實驗中不會出現因為指針式儀表的連線錯誤、量程選錯等原因,出現儀表爆炸、學生觸電等事故。

3)實驗名稱:日光燈參數測量與控制特性的研究

現有實驗內容:通過電壓表、電流表、功率表測量電路電壓、電流、有功功率,計算功率因數。

增加實驗內容:

測量有功功率、無功功率、視在功率、功率因數、用電量。

觀測電壓電流波形、波形失真因數。

觀測電壓、電流的相量圖。

測量并記錄諧波波形、振幅頻譜圖。

測量直流分量、各次諧波占百分比、總諧波失真。

測量諧波有功功率、無功功率、視在功率。      

測量有功能量、無功能量、視在能量。

實驗中可進行屏幕截圖,實驗波形可以隨時保存、并拷貝,便于學生課后對實驗結果進行分析。

新開發實驗項目:

1)實驗名稱:裂相電路——利用單相工頻交流電實現對稱三相電壓

     本實驗旨在將單相交流電源(220V/50Hz)分裂成相位差為120°對稱的三相電源三相輸出空載時電壓有效值相等,為110×1±2%);相位差為120°×1±2%)。

在保持電流之間相位差一定時,可使三路電壓成對稱三相電壓。基于三相電能質量分析儀,可直觀地顯示出三條支路的電流相量,直接顯示電流之間、三路電壓之間的相位差,從而確定對稱三相電源獲得的條件。

2)實驗名稱:磁化電流畸變

 當磁通為正弦波時,由于磁飽和的影響,使得電流成為尖頂波。由于其正、負半波對稱,因此不含偶次諧波。在所有的奇次諧波中,以三次諧波為最大,其它次諧波較小,可忽略不計。鐵心愈飽和,電流波形的畸變就愈嚴重,三次諧波就愈顯著,基于三相電能質量分析儀,可觀測到各次諧波的變化規律。

3)實驗名稱:利用負電阻實現LC電路等幅振蕩現象

采用運算放大器實現負電阻的變換原理,利用負電阻觀看LC電路的等幅振蕩現象。由于電感線圈自身的電阻影響,用LC電路并不能真正觀看到等幅振蕩,因此采用負電阻的方法將電感L的自身電阻平衡濾掉,便能觀看自由振蕩的過程。通過調節電阻R1,觀看,通過調節負電阻值,利用三相電能質量分析儀觀看端口電壓、電流及電容和負電阻變換器與線圈串聯電壓的相位關系,便能調節到等幅振蕩的狀態。

4)實驗名稱:電路諧波參數的測量與分析

非正弦周期電流電路是電路課的重要內容,但這部分內容比較抽象,學生很難理解。現有實驗中由于受實驗室儀器設備等條件的限制,諧波波形、振幅頻譜和傅里葉展開結果只能利用仿真實驗進行觀測。

電氣系統中,存在非正弦周期電流電路是不可避免的,主要是由于電子照明裝置等負載的廣泛使用而產生。本實驗負載采用觸摸式調光臺燈,對其進行分析測量,使其理論與實際電路相結合,加深學生對諧波概念的理解。實驗內容包括:測量并記錄諧波波形;測量并記錄振幅頻譜圖、進行分析;測量電壓電流諧波幅值及相位角、直流分量、各次諧波占百分比、總諧波失真;測量諧波有功功率、無功功率、視在功率;測量有功能量、無功能量、視在能量、用電量。
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