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摘要:电力电子技术综合性实验对培养和提高学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力具有重要的作用。根据综合性实验的内涵和要求,利用现有的实验条件设计开发出三相半波可控整流电路故障分析、两重12脉波整流电路等多个综合性实验。阐述了这些实验的综合知识点、主要实验内容。
关键词:电力电子;综合性实验;三相整流;故障分析;多重化
作者简介:王鲁杨(1963-),女,天津人,上海电力学院电力与自动化工程学院,副教授,工学硕士,主要研究方向:电力电子技术在电力系统中的应用;王禾兴(1963-),男,上海人,上海电力学院电力与自动化工程学院,讲师,主要研究方向:电力电子技术。(上海 200090)
基金项目:本文系上海市教委重点学科资助项目(项目编号:J51301)的研究成果。
由于课时限制,教师在电力电子技术的实验环节中通常安排一些验证性实验。验证性实验的作用,一是为了加强学生对理论知识的理解,巩固课程基本知识;二是训练学生对仪器设备的基本操作技能,掌握学科分析解决问题的方法,对学生基本理论、基本方法的学习和基本技能的掌握起着重要的作用。验证性实验中存在的问题是,我们往往重视实验的目的或结论的得出,忽视学科解决问题的方法和仪器设备操作的基本技能的训练和掌握,没有使这些基础性的实验发挥好基础作用。[1]为了解决这一问题,我们设计开发了一些综合性实验。
一、综合性实验概述
综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验。综合性实验通常由多项任务组成,多项任务间要遵循一定的先后顺序,也就是说,一些任务是另一些任务的奠基石,各项任务的先后顺序具有逻辑性。组成综合实验的各项任务不能完全是一种平行或能够同时进行的,如果这些任务可以完全并行,那只是单项实验的简单叠加,不能称为综合性实验。完成各项任务的方法也是相对唯一,较为成熟的。开设综合性实验的目的,是培养学生解决问题的系统思维能力和综合动手能力,使学生有更多的组织、判断与选择的机会,提高学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力,使学生毕业后能够尽快地适应工作。[2]
二、综合性实验的设计与开发
因篇幅限制,这里只阐述两个综合性实验的设计开发情况。
1.三相半波可控整流电路故障分析实验
(1)三相半波可控整流电路的地位。三相桥式可控整流电路在大功率变流装置中具有重要的地位和作用,而三相桥式可控整流电路的组成基础是三相半波可控整流电路。三相桥式可控整流电路的工作过程、触发脉冲时序、晶闸管阳极电压等等许多问题和概念都是通过三相半波可控整流电路并在其基础上阐述清楚的。
三相半波可控整流电路故障分析这一实验,通过三相半波可控整流电路这一载体,使学生掌握电力电子变流装置各组成部分的作用、三相变流电路正常工作的条件,进而掌握三相桥式可控整流电路的工作过程,并进一步培养和锻炼学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
(2)三相半波可控整流电路的组成。电力电子系统由主电路和和控制电路两大部分组成,图1所示是三相半波可控整流电路的实验原理图。其中晶闸管VT1、VT3、VT5构成共阴极的三相半波整流主电路;挂件DJK02-3是控制电路提供六相双窄脉冲,六相脉冲通过电缆接至晶闸管VT1、VT3、VT5所在的挂件DJK02上,并通过开关依相序关系加至该挂件正桥6个晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的门极G和阴极K间。整流电路将DJK01挂件提供的三相正弦交流电转换成直流电供给负载R。
(3)三相半波可控整流电路正常工作的条件。
若要三相半波可控整流电路正常工作,必须保证主电路、控制电路、交流电源、电缆或联接导线等等都正常,任何一个环节出现故障都会导致整流电路输出异常。
(4)三相半波可控整流电路故障分析实验的综合知识点及主要实验任务。该综合实验的知识点主要包括:
1)三相半波可控整流电路的几个组成部分,以及各部分的作用。
2)三相半波可控整流电路正常工作的条件。
3)三相半波可控整流电路正常工作时输出电压、晶闸管两端电压的波形。
4)同步信号的作用、触发脉冲与相应交流电压间的相位关系。
依据综合性实验中各实验任务间的逻辑关系及性质,依据三相半波可控整流电路正常工作的条件,设置实验任务如下。
1)用示波器观测图1所示三相半波可控整流电路的输出电压,判断实验电路存在故障,并根据该电路正常工作的条件初步判断故障可能发生的部位。
2)用示波器观测DJK01挂件输出的三相交流电压,判断交流电压是否正常。再用示波器观测加到主电路的三相交流电压,与前一观测结果比较,判断连接导线是否正常。
3)用示波器观测DJK02-3挂件输出的触发脉冲,包括各相触发脉冲与同步信号间的相位关系,判断触发电路是否正常。再用示波器观测加到晶闸管上的触发脉冲,与前一观测结果比较,判断连接电缆是否正常。
4)对于交流电压和触发脉冲都正常的晶闸管,用示波器观测其阳极电压,判断晶闸管是否正常。
2.两重12脉波整流电路实验
(1)两重12脉波整流电路的地位。整流电路在交流侧会产生mk±1(其中m:整流输出的脉动数;k=1,2,3…)次的特征谐波,工程上大量使用的三相桥式整流电路,其m为6,它所产生的特征谐波为5,7,11,13…次,其中5次谐波的含有率HRI5高达20%,对电网造成了严重的谐波污染。
高压直流输电、直流电弧炉等大功率变流器,通常利用多个桥的组合来减少谐波。多重化整流电路,按一定的规律将两个或更多个相同结构的整流电路(如三相桥)进行组合,通过对整流电路进行移相多重联结减少交流侧电流谐波。两个三相全控桥式整流电路多重联结的12脉波整流电路,[3]m为12,最低次11次谐波的含有率HRI11降至9.1%,总谐波畸变率THDi大量下降。
(2)两重12脉波整流电路的设计开发。现有的实验装置只可供做三相全控桥式整流电路实验。设计开发两重12脉波整流电路,需要对该电路的主电路、交流电压的特性以及其对触发信号的要求等进行研究,对实验室现有触发电路进行测试比较研究。
1)两重12脉波整流电路的基本情况。两个三相全控桥式整流电路串联多重联结的12脉波整流电路的主电路如图2所示。[3]主电路包括两个三相全控整流桥。交流电压由两个匝数比为1:的两组二次绕组分别接成星形和三角形,提供相位彼此相差30°的12相交流电压。要求触发电路提供相位彼此相差30°的触发脉冲。[4]
2)整流变。为获得匝数比为1:的两组二次绕组,将用于有源逆变实验的三绕组变压器的匝数比由1:2:4改为1::3。这种改变无碍于有源逆变实验,同时满足了两重12脉波整流电路的要求。
3)主电路的构建。每个DJK02挂件上都有正、反两个三相全控桥。究竟用同一挂件上的正、反两个三相全控桥构成串联两重12脉波整流主电路,还是用两个不同DJK02挂件上的正桥构成串联两重12脉波整流主电路,有赖于对触发脉冲的深入研究。
4)现有实验装置触发脉冲特点。通过对DJK02-3挂件输出触发脉冲的反复测试、比较,得出下述结论。
同一DJK02-3挂件正桥触发脉冲和反桥触发脉冲是两组同相位的触发脉冲,不能满足两重12脉波整流电路对触发脉冲的要求。
由不同同步信号、不同DJK02-3挂件得到的触发脉冲间的相位关系是随机的,也不能满足两重12脉波整流电路对触发脉冲的要求。
以同一DJK02挂件的交流电压作同步信号,同时提供给两个DJK02-3挂件,两个DJK02-3挂件正桥触发脉冲的相位关系是可控的,可以满足两重12脉波整流电路对触发脉冲的要求。
总之,两重12脉波整流电路的主电路应采用两个不同DJK02挂件上的正桥构成,触发电路用同一DJK02挂件的交流电压作同步信号,同时提供给两个DJK02-3挂件来提供相位彼此相差30°的触发脉冲。
(3)两重12脉波整流电路的知识点。
1)三相桥式全控整流电路的系统构成,其交流侧三相电压的特点、控制驱动信号的特点,三相桥式全控整流电路的调试方法、实验过程。
2)两重12脉波整流电路的串联两重12脉波整流主电路的结构,两个三相整流桥的两组三相电压的相互关系。
3)变压器的接法,不同接法时二次电压与一次电压的相位关系。
4)两个三相全控桥式整流电路串联多重联结的12脉波整流电路对控制驱动信号的要求。
5)三相数字晶闸管触发电路正桥脉冲输出端输出的6个触发脉冲,与反桥脉冲输出端输出的6个触发脉冲的相位关系;不同实验台上三相数字晶闸管触发电路输出的触发脉冲的相位关系。
6)两重12脉波整流电路实验技术。
7)两重12脉波整流电路能够降低交流侧及直流侧谐波含量的原理。
(4)两重12脉波整流电路的实验任务。依据综合性实验中各实验任务间的逻辑关系及性质,依据两重12脉波整流电路的具体情况,设置实验任务如下。
1)单个三相桥式全控整流电路调试。搭建两个三相桥式全控整流电路,按基本实验“三相桥式全控整流电路”的要求进行。用示波器先后观察并记录两个三相桥式全控整流电路的输出电压波形。确认其主电路、控制驱动电路工作是否正常。若不正常,需要分析原因并解决,直至两个主电路、触发电路工作都正常。
2)整流变压器的联结与测试。将三绕组整流变压器按图2所示电路进行联结。用示波器同时观察并记录两组二次线电压ua1b1、ua2b2的大小以及相位关系。
3)测试、研究现有触发电路各输出脉冲间的相位关系,研究如何得到相位彼此相差30°的触发脉冲。
(5)搭建两重12脉波整流电路,观测12脉波整流输出。
三、结论
在所设计开发的综合性实验中,实验原理、实验操作程序和方法具有协调性和探研性,把科学思想和科学方法渗透到综合性实验中,使学生在实验过程中形成科学的思维方式,学会并运用科学的方法去解决实际问题。通过该类的实验引导学生运用综合的观点和创造性思维去思考现实中的复杂问题。设计开发的综合性实验项目所运用的手段、方法及使用的材料在实施时切实可行,选用的实验仪器、设备和方法在现有的条件下或通过其他手段能得到满足。
参考文献:
[1]赵宗淑.对本科教学水平评估方案中综合性、设计性实验的解读与建议[J].河南职业技术师范学院学报(职业教育版),2006,(3):54-56.
[2]叶国建,等.高校综合性、设计性实验开设项目的探讨[J].中国科技信息,2008,(10):286.
[3]陈建业.电力电子技术在电力系统中的应用[M].北京:机械工业出版社,2008:223,230.
[4]王兆安,刘进军.电力电子技术(第5版)[M].北京:机械工业出版社,2009:79-80,89.
(责任编辑:刘辉)
关键词:电力电子;综合性实验;三相整流;故障分析;多重化
作者简介:王鲁杨(1963-),女,天津人,上海电力学院电力与自动化工程学院,副教授,工学硕士,主要研究方向:电力电子技术在电力系统中的应用;王禾兴(1963-),男,上海人,上海电力学院电力与自动化工程学院,讲师,主要研究方向:电力电子技术。(上海 200090)
基金项目:本文系上海市教委重点学科资助项目(项目编号:J51301)的研究成果。
由于课时限制,教师在电力电子技术的实验环节中通常安排一些验证性实验。验证性实验的作用,一是为了加强学生对理论知识的理解,巩固课程基本知识;二是训练学生对仪器设备的基本操作技能,掌握学科分析解决问题的方法,对学生基本理论、基本方法的学习和基本技能的掌握起着重要的作用。验证性实验中存在的问题是,我们往往重视实验的目的或结论的得出,忽视学科解决问题的方法和仪器设备操作的基本技能的训练和掌握,没有使这些基础性的实验发挥好基础作用。[1]为了解决这一问题,我们设计开发了一些综合性实验。
一、综合性实验概述
综合性实验是指实验内容涉及本课程的综合知识或与本课程相关课程知识的实验。综合性实验通常由多项任务组成,多项任务间要遵循一定的先后顺序,也就是说,一些任务是另一些任务的奠基石,各项任务的先后顺序具有逻辑性。组成综合实验的各项任务不能完全是一种平行或能够同时进行的,如果这些任务可以完全并行,那只是单项实验的简单叠加,不能称为综合性实验。完成各项任务的方法也是相对唯一,较为成熟的。开设综合性实验的目的,是培养学生解决问题的系统思维能力和综合动手能力,使学生有更多的组织、判断与选择的机会,提高学生发现问题、分析问题和解决问题的综合能力,使学生毕业后能够尽快地适应工作。[2]
二、综合性实验的设计与开发
因篇幅限制,这里只阐述两个综合性实验的设计开发情况。
1.三相半波可控整流电路故障分析实验
(1)三相半波可控整流电路的地位。三相桥式可控整流电路在大功率变流装置中具有重要的地位和作用,而三相桥式可控整流电路的组成基础是三相半波可控整流电路。三相桥式可控整流电路的工作过程、触发脉冲时序、晶闸管阳极电压等等许多问题和概念都是通过三相半波可控整流电路并在其基础上阐述清楚的。
三相半波可控整流电路故障分析这一实验,通过三相半波可控整流电路这一载体,使学生掌握电力电子变流装置各组成部分的作用、三相变流电路正常工作的条件,进而掌握三相桥式可控整流电路的工作过程,并进一步培养和锻炼学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
(2)三相半波可控整流电路的组成。电力电子系统由主电路和和控制电路两大部分组成,图1所示是三相半波可控整流电路的实验原理图。其中晶闸管VT1、VT3、VT5构成共阴极的三相半波整流主电路;挂件DJK02-3是控制电路提供六相双窄脉冲,六相脉冲通过电缆接至晶闸管VT1、VT3、VT5所在的挂件DJK02上,并通过开关依相序关系加至该挂件正桥6个晶闸管VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的门极G和阴极K间。整流电路将DJK01挂件提供的三相正弦交流电转换成直流电供给负载R。
(3)三相半波可控整流电路正常工作的条件。
若要三相半波可控整流电路正常工作,必须保证主电路、控制电路、交流电源、电缆或联接导线等等都正常,任何一个环节出现故障都会导致整流电路输出异常。
(4)三相半波可控整流电路故障分析实验的综合知识点及主要实验任务。该综合实验的知识点主要包括:
1)三相半波可控整流电路的几个组成部分,以及各部分的作用。
2)三相半波可控整流电路正常工作的条件。
3)三相半波可控整流电路正常工作时输出电压、晶闸管两端电压的波形。
4)同步信号的作用、触发脉冲与相应交流电压间的相位关系。
依据综合性实验中各实验任务间的逻辑关系及性质,依据三相半波可控整流电路正常工作的条件,设置实验任务如下。
1)用示波器观测图1所示三相半波可控整流电路的输出电压,判断实验电路存在故障,并根据该电路正常工作的条件初步判断故障可能发生的部位。
2)用示波器观测DJK01挂件输出的三相交流电压,判断交流电压是否正常。再用示波器观测加到主电路的三相交流电压,与前一观测结果比较,判断连接导线是否正常。
3)用示波器观测DJK02-3挂件输出的触发脉冲,包括各相触发脉冲与同步信号间的相位关系,判断触发电路是否正常。再用示波器观测加到晶闸管上的触发脉冲,与前一观测结果比较,判断连接电缆是否正常。
4)对于交流电压和触发脉冲都正常的晶闸管,用示波器观测其阳极电压,判断晶闸管是否正常。
2.两重12脉波整流电路实验
(1)两重12脉波整流电路的地位。整流电路在交流侧会产生mk±1(其中m:整流输出的脉动数;k=1,2,3…)次的特征谐波,工程上大量使用的三相桥式整流电路,其m为6,它所产生的特征谐波为5,7,11,13…次,其中5次谐波的含有率HRI5高达20%,对电网造成了严重的谐波污染。
高压直流输电、直流电弧炉等大功率变流器,通常利用多个桥的组合来减少谐波。多重化整流电路,按一定的规律将两个或更多个相同结构的整流电路(如三相桥)进行组合,通过对整流电路进行移相多重联结减少交流侧电流谐波。两个三相全控桥式整流电路多重联结的12脉波整流电路,[3]m为12,最低次11次谐波的含有率HRI11降至9.1%,总谐波畸变率THDi大量下降。
(2)两重12脉波整流电路的设计开发。现有的实验装置只可供做三相全控桥式整流电路实验。设计开发两重12脉波整流电路,需要对该电路的主电路、交流电压的特性以及其对触发信号的要求等进行研究,对实验室现有触发电路进行测试比较研究。
1)两重12脉波整流电路的基本情况。两个三相全控桥式整流电路串联多重联结的12脉波整流电路的主电路如图2所示。[3]主电路包括两个三相全控整流桥。交流电压由两个匝数比为1:的两组二次绕组分别接成星形和三角形,提供相位彼此相差30°的12相交流电压。要求触发电路提供相位彼此相差30°的触发脉冲。[4]
2)整流变。为获得匝数比为1:的两组二次绕组,将用于有源逆变实验的三绕组变压器的匝数比由1:2:4改为1::3。这种改变无碍于有源逆变实验,同时满足了两重12脉波整流电路的要求。
3)主电路的构建。每个DJK02挂件上都有正、反两个三相全控桥。究竟用同一挂件上的正、反两个三相全控桥构成串联两重12脉波整流主电路,还是用两个不同DJK02挂件上的正桥构成串联两重12脉波整流主电路,有赖于对触发脉冲的深入研究。
4)现有实验装置触发脉冲特点。通过对DJK02-3挂件输出触发脉冲的反复测试、比较,得出下述结论。
同一DJK02-3挂件正桥触发脉冲和反桥触发脉冲是两组同相位的触发脉冲,不能满足两重12脉波整流电路对触发脉冲的要求。
由不同同步信号、不同DJK02-3挂件得到的触发脉冲间的相位关系是随机的,也不能满足两重12脉波整流电路对触发脉冲的要求。
以同一DJK02挂件的交流电压作同步信号,同时提供给两个DJK02-3挂件,两个DJK02-3挂件正桥触发脉冲的相位关系是可控的,可以满足两重12脉波整流电路对触发脉冲的要求。
总之,两重12脉波整流电路的主电路应采用两个不同DJK02挂件上的正桥构成,触发电路用同一DJK02挂件的交流电压作同步信号,同时提供给两个DJK02-3挂件来提供相位彼此相差30°的触发脉冲。
(3)两重12脉波整流电路的知识点。
1)三相桥式全控整流电路的系统构成,其交流侧三相电压的特点、控制驱动信号的特点,三相桥式全控整流电路的调试方法、实验过程。
2)两重12脉波整流电路的串联两重12脉波整流主电路的结构,两个三相整流桥的两组三相电压的相互关系。
3)变压器的接法,不同接法时二次电压与一次电压的相位关系。
4)两个三相全控桥式整流电路串联多重联结的12脉波整流电路对控制驱动信号的要求。
5)三相数字晶闸管触发电路正桥脉冲输出端输出的6个触发脉冲,与反桥脉冲输出端输出的6个触发脉冲的相位关系;不同实验台上三相数字晶闸管触发电路输出的触发脉冲的相位关系。
6)两重12脉波整流电路实验技术。
7)两重12脉波整流电路能够降低交流侧及直流侧谐波含量的原理。
(4)两重12脉波整流电路的实验任务。依据综合性实验中各实验任务间的逻辑关系及性质,依据两重12脉波整流电路的具体情况,设置实验任务如下。
1)单个三相桥式全控整流电路调试。搭建两个三相桥式全控整流电路,按基本实验“三相桥式全控整流电路”的要求进行。用示波器先后观察并记录两个三相桥式全控整流电路的输出电压波形。确认其主电路、控制驱动电路工作是否正常。若不正常,需要分析原因并解决,直至两个主电路、触发电路工作都正常。
2)整流变压器的联结与测试。将三绕组整流变压器按图2所示电路进行联结。用示波器同时观察并记录两组二次线电压ua1b1、ua2b2的大小以及相位关系。
3)测试、研究现有触发电路各输出脉冲间的相位关系,研究如何得到相位彼此相差30°的触发脉冲。
(5)搭建两重12脉波整流电路,观测12脉波整流输出。
三、结论
在所设计开发的综合性实验中,实验原理、实验操作程序和方法具有协调性和探研性,把科学思想和科学方法渗透到综合性实验中,使学生在实验过程中形成科学的思维方式,学会并运用科学的方法去解决实际问题。通过该类的实验引导学生运用综合的观点和创造性思维去思考现实中的复杂问题。设计开发的综合性实验项目所运用的手段、方法及使用的材料在实施时切实可行,选用的实验仪器、设备和方法在现有的条件下或通过其他手段能得到满足。
参考文献:
[1]赵宗淑.对本科教学水平评估方案中综合性、设计性实验的解读与建议[J].河南职业技术师范学院学报(职业教育版),2006,(3):54-56.
[2]叶国建,等.高校综合性、设计性实验开设项目的探讨[J].中国科技信息,2008,(10):286.
[3]陈建业.电力电子技术在电力系统中的应用[M].北京:机械工业出版社,2008:223,230.
[4]王兆安,刘进军.电力电子技术(第5版)[M].北京:机械工业出版社,2009:79-80,89.
(责任编辑:刘辉)