Описание лабораторной установки

Лабораторная работа выполняется с использованием двух модулей:

- модуля «Преобразователь частоты»;

-модуль «Нагрузка».

Модуль «Преобразователь частоты» обеспечивает преобразование переменного напряжения 220 В с частотой 50 Гц в трехфазное напряжение с регулируемыми значениями напряжения и частоты.

Лицевые панели модулей «Преобразователь частоты» и «Нагрузка» представлены на рис. 8.4 и 8.5, соответственно.

Модуль «Преобразователь частоты» (см. рис.8.1) содержит:

- преобразователь частоты Е2-МINI-SP5L;

- силовые гнезда для подачи однофазного входного напряжения А и N и снятия выходного напряжения A1, В1 и С1;

- силовые гнезда выпрямленного напряжения U_d «+» гнездо Х5 и «-» -Х6;

- потенциометр задания сигнала управления RР1 для одновременного регулирования частоты и величины выходного напряжения;

- кнопку SВ1 «Сброс» для сброса ошибки после срабатывания защиты;

- переключатель SА1, изменяющий чередование фаз (направление вращения);

- частотомер для измерения частоты на выходе АИН;

- светодиоды, сигнализирующие подачу питания, нормальную работу и срабатывание защиты;

- датчик напряжения (ДН) и тока (ДТ) для осциллографирования и измерений напряжений и токов в схеме.

Питание модуля осуществляется от сети переменного тока через разделительный трансформатор ТV, обеспечивающий потенциальную развязку от сети.

Модуль «Преобразователь частоты» состоит из двух звеньев (см. рис.8.4). Первое звено преобразователя частоты (ПЧ) - неуправляемый выпрямитель на диодах (UZ1), выполненный по однофазной мостовой схеме. Второе звено - трехфазный АИН (UZ2), выполненный на IGBT -транзисторах. На входе АИН включен емкостной фильтр.

В модуле «Преобразователь частоты» установлены датчики тока (ДТ) и напряжения (ДН), служащие для осциллографирования и измерения напряжений и токов в схеме.

На гнезда X10 и Х11 подаются сигналы напряжения, а на гнезда Х13 и Х14 - сигналы тока. Гнезда Х9, Х12 и общий провод « » служат для подключения выходных цепей ДН и ДТ к осциллографу или модулю напряжения (ДН), служащие для осциллографирования и измерения «Ввод-вывод».

Коэффициент преобразования датчика напряжения k_ДН = 40 В/В, коэффициент преобразования датчика тока k_ДТ = 0,25 А/В. Фактические значения напряжения и тока определяются умножением значений, измеренных при помощи осциллографа, на соответствующий коэффициент датчика.

С помощью тумблеров SА2 и SАЗ модуля «Преобразователь частоты» изменяется полоса пропускания датчиков, что позволяет наблюдать на экране осциллографа или компьютера либо ШИМ-сигнал (положение «2»), либо его первую гармонику (положение «1»).

Питание модуля «Преобразователь частоты» осуществляется через гнезда А и N источника трехфазного переменного напряжения через автомат QF2, расположенный в модуле питания.

В качестве нагрузки АИН используется модуль «Нагрузка» (см. рис. 8.2), содержащий реакторы (L1 - L3), резисторы (RР1 – RР3) и конденсаторы (С1 - СЗ).

В модуле «Нагрузка» регулируются только активные сопротивления фаз (RР1 - RРЗ), а реактивные элементы остаются неизменными. Регулирование производится переключателем SА1. Значения резисторов, соответствующие положениям переключателя, приведены в табл. 8.1.

Рис.8.4.Модуль «Преобразователь частоты»

Рис.8.2.Модуль«Нагрузка»

Таблица 8.1. Значение сопротивления нагрузки в зависимости от положения

переключателя SA1

Положение переключателя SA1	1*	2*	3	4	5	6
Сопротивление нагрузки (Ом)	100	200	400	600	1000	1600

Примечание: знаком «*» отмечены запрещенные положения переключателя. Индуктивности (LI - L3) равны 300 мГн, а емкости (С1 - СЗ) - 10 мкФ.

Для получения трехфазной активно-индуктивной нагрузки необходимо установить перемычки между гнездами X7 - X8 и Х8-Х9 (нулевая точка нагрузки).

Порядок включения и выключения установки

1. Собрать схему эксперимента для выполнения лабораторной работы.

2. В модуле «Преобразователь частоты» установить тумблер SА1 («Направление вращения») - в среднее положение, потенциометр задания частоты RР1 - в нулевое положение.

3. Установить переключатель SA1 на модуле «Нагрузка» в положение максимального сопротивления (крайнее правое положение).

4. Включить автомат QF1 «Модуля питания стенда» (трехфазный), включить автомат QF2 «Модуля питания» (трехфазный), а также кнопку «Сеть» модуля «Ввод-вывод».

5. Включить тумблер «Питание» модуля «Измеритель мощности».

6. В модуле «Преобразователь частоты» переключить тумблер SА1 в верхнее положение. При этом засветится светодиод «Работа».

7. Потенциометром RР1 установить требуемую частоту f и соответствующее ей напряжение на нагрузке. При этом выполняется закон U/f= const.

8. Установить переключателем SА1 необходимое сопротивление в модуле «Нагрузка».

Порядок выключения: выключить тумблер SF1 модуля «Преобразователь частоты», а затем кнопку «Сеть» модуля «Ввод-вывод», выключить автомат QF2 «Модуля питания» (трехфазный).

Экспериментальное исследование трехфазного АИН

Собрать схему для исследования трехфазного АИН при работе на активно­-индуктивную нагрузку в соответствии с рис. 8.6. Дополнительные перемычки и измерительные приборы, подключаемые в схему, показаны штриховой линией.

В табл. 8.2 приведены измерительные приборы в соответствии с принятыми обозначениями на принципиальной схеме (см. рис. 8.6).

Подключить осциллограф к датчику тока ДТ (канал СН2 - гнездо Х12, корпус осциллографа соединить с гнездом « » ДТ) и датчику напряжения ДН (канал СH1 - гнездо Х9).

Тумблеры SА2 и SАЗ датчиков напряжения ДН и тока ДТ установить в положение «2» (фильтр выключен). Установить требуемые пределы измерений на измерительных приборах согласно табл. 8.2.

Таблица 8.2. Параметры измерительных приборов схемы

Измеряемые величины	Обозначение прибора	Предел измерения	Месторасположение прибора (название модуля)
Постоянное напряжение на входе АИН Ud	PV1	= 1000 В	Мультиметры
Постоянный ток на входе АИН Id	PA1	= 2 А	Модуль измерительный
Действующее значение первой гармоники фазного напряжения Uнф(1) и фазного тока Iнф(1) на выходе АИН	PW1	Uнф(1) ~ 300 В Iнф(1) ~ 2,0 А	Измеритель мощности

Рис.8.6. Принципиальная схема для исследования автономного инвертора напряжения при осциллографировании тока и напряжения на выходе

Рис.8.7. Принципиальная схема для исследования автономного инвертора напряжения при осциллографировании тока и напряжения на входе

Прогорамма выполнения лабораторной работы

Снять регулировочную и энергетические характеристики

Регулировочные характеристики – это зависимости U_нф(1)=f(f) и μ= f(f).

Энергетические характеристики – это зависимости P_d= f(f), P_н = f(f),

S_н = f(f), cosφ_н= f(f), η_и= f(f).

Регулировочные характеристики выполняются при реализации частотного закона U/f= const и двух значениях сопротивления нагрузки R_н1 и R_н2. Значение сопротивления нагрузки задается преподавателем. Частоту изменять в диапазоне 10 - 50 Гц. Для повышения точности измерения за счет устранения помех соединить нулевую точку модуля «Нагрузка» (гнездо Х7) с землей (гнездо N «Модуля питания»).

Поддерживать постоянным:

– активное сопротивление нагрузки (переключатель SA1

в модуле «Нагрузка») R_н;

– напряжение на входе инвертора U_d.

Изменять:

–частоту выходного напряжения (потенциометром RP1) f.

Измерять:

- фазное напряжение на выходе инвертора U_нф(1);

- фазный ток на выходе инвертора I_нф(1);

- активную мощность фазы нагрузки Р_н.ф;

- полную мощность фазы нагрузки S_н;

- коэффициент мощности нагрузки сosφ_н.

Вычислить:

– мощность на входе инвертора P_d;

–активную мощность нагрузки Р_н;

–полную мощность нагрузки S_н;

– КПД инвертора η_и;

– коэффициент модуляции μ.

Результаты измерений и вычислений занести в табл.8.3

Таблица 8.3. Регулировочная характеристика инвертора.

Измерено	f, Гц					Причечание
	Ud, В					Rн=
	Id, А
	Uн.ф(1), В
	Iн.ф(1), А
	Рн.ф, Вт
	сosφн
Вычислено	Pd, Вт
	Pн, Вт
	Sн, ВА
	ηи
	μ

Расчетные соотношения:

P_d= U_d I_d; P_н=3Р_н.ф; S_н=3U_н.фI_н.ф.

Коэффициент полезного действия инвертора: η_и= P_н/P_d;

Коэффициент модуляции:

Повторить опыт при другом значении R_н2 (заполнить новую табл.8.3).

По данным табл.8.3 на графике №1 построить зависимости U_нф(1)=f(f) и μ= f(f). P_d= f(f), P_н = f(f), S_н = f(f), cosφ_н= f(f), η_и= f(f) для случая R_н= R_н1, а на графике №2 построить те же зависимости для случая R_н= R_н2.

Снятие внешней характеристики и энергетических характеристик

Внешняя характеристика инвертора – это зависимость U_н.ф(1)= f(I_н.ф(1)), а энергетические характеристики – это зависимости P_d= f(I_н.ф(1)), P_н = f(I_н.ф(1)),

S_н = f(I_н.ф(1)), cosφ_н= f(I_н.ф(1)), η_и= f(I_н.ф(1)) при заданном значении частоты f.

Для этого потенциометром RP1 в модуле «Преобразователь частоты» установить заданное значение частоты f (по прибору частота) и изменять ток нагрузки I_нф переключателем SА1 в модуле «Нагрузка».

Поддерживать постоянным:

– частоту выходного напряжения f;

–напряжение на входе инвертора U_d.

Изменять:

–сопротивление нагрузки R_н;

Измерять:

- фазное напряжение на выходе инвертора U_нф(1);

- фазный ток на выходе инвертора I_нф(1);

- активную мощность фазы нагрузки Р_н.ф;

- полную мощность фазы нагрузки S_н;

- коэффициент мощности нагрузки сosφ_н.

Вычислить:

– мощность на входе инвертора P_d;

– активную мощность нагрузки Р_н;

– полную мощность нагрузки S_н ;

– КПД инвертора; η_и;

– коэффициент модуляции. ….. μ;

Результаты измерений и вычислений занести в табл.8.4.

Расчетные соотношения:

P_d= U_d I_d; P_н=3Р_н.ф; S_н=3U_н.фI_н.ф.

Коэффициент полезного действия инвертора: η_и= P_н/P_d;

Коэффициент модуляции:

Повторить опыт при другом значении частоты f (заполнить вновь табл.8.4).

Таблица 8.4. Внешняя характеристика

Измерено	Rн, Ом					Причечание
	Ud, В					=
	Id, А
	Uнф(1), В
	Iнф(1), А
	Рнф, Вт
	cosφ
Вычислено	Pd, Вт
	Pн, Вт
	Sн, ВА
	ηи

По данным табл.8.4 на графике №3 построить зависимости U_нф(1)=f(f) и μ= f(f). P_d= f(f), P_н = f(f), S_н = f(f), cosφ_н= f(f), η_и= f(f) для случая f= f₁, а на графике №4 построить те же зависимости для случая f= f_2.

Выключить тумблер SА1 модуля «Преобразователь частоты», тумблер «Сеть» модуля «Измеритель мощности», а также автоматы QF2 «Модуля питания» и QF1 «Модуля питания стенда».

Исследование электромагнитных процессов инвертора

1. Снять с выходов ДН и ДТ осциллограммы первой гармоники фазного напряжения u_нф(1) и тока i_нф(1) на выходе АИН при помощи осциллографа для заданного сопротивления нагрузки R_н и частоты управления f. Выполнить необходимые операции, указанные в порядке включения установки. Потенциометром RP1 в модуле «Преобразователь частоты» установить заданное значение частоты управления f, а переключателем SA в модуле «Нагрузка» - заданное значение сопротивление нагрузки R_н.

Вначале посмотреть на осциллограммы при широкой полосе пропускания датчиков (положение «2» тумблеров SА2 и SАЗ, а затем, переключив тумблеры SА2 и SАЗ датчиков в положение «1», зафотографитровать осциллограммы первых гармоник фазного напряжения u_нф(1) и тока i_нф(1). Обратить внимание на фазовый сдвиг между ними (угол φ), а также на изменение фазового сдвига при изменении частоты управления f. Не забудьте определить масштабы по напряжению, току и времени с учетом коэффициентов датчиков.

2. Снять осциллограммы напряжения и_d и тока i_d на входе АИН при тех же значениях сопротивления нагрузки R_н и частоты управления. Для этого переключить датчики тока и напряжения в соответствии с рис. 8.5. Подключить осциллограф к датчику тока ДТ (канал СН2 - гнездо Х12, корпус осциллографа соединить с гнездом « » ДТ) и датчику напряжения ДН (канал СН1 - гнездо Х9). Выполнить необходимые операции, указанные в порядке включения установки. Потенциометром RP1 в модуле «Преобразователь частоты» установить заданное значение частоты управления f, а переключателем SA1 в модуле «Нагрузка» - заданное значение сопротивление нагрузки R_н. Объяснить импульсный характер тока, потребляемого АИН от источника постоянного тока.

Выключить тумблер SА1 модуля «Преобразователь частоты», а также автомат QF2 «Модуля питания».