Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего профессионального образования
«Ивановский государственный энергетический университет
имени В.И. Ленина»
Кафедра электроники и микропроцессорных систем
ОТЧЁТ
по инновационному образовательному проекту (работе)
Разработка комплекса учебно-методических материалов и программно – технического обеспечения для постановки лабораторных работ по дисциплинам: «Силовая электроника» и «Силовые электронные устройства автоматики» на базе комплектных лабораторных стендов «СЭ-ВСАП-ПО» и «ШИП и ПН».
Выполнили: Гришина Е.В.
Егоров В.Н.
Капустин С. А.
Тихомирова И.А.
Заведующий кафедрой Э и МС: Тарарыкин С.В.
Иваново 2015
Аннотированный отчёт
по инновационному образовательному проекту (работе)
Разработка комплекса учебно-методических материалов и программно – технического обеспечения для постановки лабораторных работ по дисциплинам: «Силовая электроника» и «Силовые электронные устройства автоматики» на базе комплектных лабораторных стендов «СЭ-ВСАП-ПО» и «ШИП и ПН».
1. Цель и задачи работы. Совершенствование учебного процесса. Освоение нового современного лабораторного оборудования, постановка новых лабораторных работ и разработка комплекса учебно-методических материалов для них. Комплектные лабораторные стенды «СЭ-ВСАП-ПО» и «ШИП и ПН» являются самостоятельными, функционально независимыми лабораторными стендами. Выполняемая работа направлена на постановку всего комплекса лабораторных работ по «Силовой электронике», которая изучается либо как самостоятельная дисциплина, либо входит разделом в общий курс «Электроника», изучаемый на всех специальностях электроэнергетического и электротехнического направлений.
2. Методы реализации работы (используемые программные продукты, приборы оборудование и т. п.).
В состав оборудования, используемого для выполнения заявленной работы из всего оборудования стендов «СЭ-ВСАП-ПО» и «ШИП и ПН», входят:
модуль «Источник питание» 0…30 В;
модуль «Тиристорный преобразователь»;
модули «Дроссели 1» и «Дроссели 2»;
d) модули «Конденсаторы» 2шт. ;
e) модуль «Резистор нагрузочный»;
f) модули «Амперметры» и «Вольтметры»;
g) модуль «Мультиметры»;
h) модуль «Блок трансформаторов и выпрямителей»;
i) модули «Активная нагрузка» и «Реактивная нагрузка»;
g) модуль «Трёхфазный транзисторный преобразователь»;
k) модуль «Автотрансформатор»;
l) модуль «Трансформатор разделительный»;
m) модуль «Тиристорный мостовой преобразователь/регулятор»;
n) модуль «Тиристорный преобразователь/регулятор»;
o) модуль «Блок диодов»;
p) двухлучевой цифровой осциллограф.
Применительно к штатным модулям разработано методическое обеспечение для постановки лабораторных работ:
Исследование 3-х фазных выпрямителей при работе их на активно-индуктивную нагрузку;
Исследование управляемых выпрямителей на тиристорах;
Исследование автономных инверторов тока (на базе тиристоров);
Исследование автономных инверторов напряжения (на базе транзисторов);
Исследование резонансных автономных инверторов (на базе тиристоров);
Исследование широтно-импульсной модуляции ШИМ в автономных инверторах напряжения (на базе транзисторов);
Исследование широтно-импульсных преобразователей ШИП постоянного напряжения.
3. Результаты работы.
Разработанное методическое и программное обеспечение выполнения лабораторных работ по дисциплине «Силовая электроника» позволит получить студентам исследовательские навыки, так необходимые при эксплуатации сложного силового электронного оборудования. На основании результатов выполнения работ понять существенную разницу в свойствах и в принципе работы основных силовых преобразовательных элементов – тиристоров и транзисторов.
4. Отличительные признаки новых результатов (инноватика).
Модульный принцип построения стендов позволяет, не меняя общей структуры построения исследуемого функционального устройства, оперативно менять параметры отдельных элементов этого устройства, вводить или исключать некоторые узлы.
5. Внедрение результатов работы в учебный процесс (по одной или нескольким дисциплинам, на кафедре, межкафедральная, межфакультетская, где установлена).
В полном объёме разработанный комплекс будет использоваться при проведении лабораторных работ по дисциплинам: «Силовая электроника» и «Силовые электронные устройства автоматики» на кафедре Э и МС по направлениям подготовки студентов 210100, 220400 и 140400.
Отдельные лабораторные работы из разработанного комплекса могут выполняться в составе лабораторных работ по предмету «Электроника», изучаемого на других кафедрах энергоуниверситета.
6. Форма представления результатов работы.
Внедрение комплекса в учебный процесс на кафедре Э и МС в 2016г. Статья в сборник отчетов по инновационным образовательным проектам 2016 г. Оформление через издательский отдел ИГЭУ сборника: “Методические указания по выполнению лабораторных работ по предмету «Силовая электроника»”.
7. Возможность тиражирования результатов работы для других дисциплин (каких).
На основе лабораторных стендов «СЭ-ВСАП-ПО» и «ШИП и ПН» можно проводить отдельные лабораторные работы по предмету “Электроника” для всех направлений подготовки студентов.
8. Возможность тиражирования результатов работы вне ИГЭУ (каким образом, ожидаемый экономический эффект).
Техническая документация на выполненную работу может быть передана любой заинтересованной стороне на условиях взаимного договора на передачу информации.
9. Общие выводы по работе и основные направления её развития.
Использование разработанного методического обеспечения позволит расширить перечень учебных, качественно выполняемых, лабораторных работ. Испытание однотипных (в функциональном отношении) модулей силовой электроники, построенных на различных компонентах, позволит на основе сравнительного анализа значительно лучше понять принципы работы изучаемых устройств.
Руководитель работы……………………………………………../С.А. Капустин/
Введение
Качественное преподавание любой технической дисциплины немыслимо без взаимосвязи с практическим применением, что осуществляется на практических занятиях, в частности, на лабораторных работах. Учебными программами дисциплин «Силовая электроника» и «Силовые электронные устройства автоматики» предполагается проведение лабораторных работ в объёме 28 часов в семестр. От того, как выглядит лабораторное оборудование, насколько удобно им пользоваться, насколько разносторонне можно исследовать определённый процесс, объект, устройство, зависит конечная цель преподавания: качество знания изученного предмета. Практически любая современная энергоустановка, относящаяся к силовой электронике, является сложным, функционально насыщенным устройством с точки зрения схемотехники, и соответственно дорогим устройством. Функциональная насыщенность таких устройств объясняется сложными алгоритмами работы систем управления, которые управляют этими устройствами. Достижения цифровой электроники, в частности микропроцессорной электроники, позволили заменить сложнейшие электронные схемы аналоговой электроники программно управляемыми модулями, в которые «зашивается» не только управляющая программа, но и всевозможные защиты и блокировки от аварийных ситуаций. Благодаря таким комплектным модулям стало возможным проводить исследования сложнейших преобразовательных устройств без больших материальных затрат на их изготовление или приобретение в готовом виде. Приобретённое лабораторией «Электроники» ИГЭУ в 2013 году комплектное лабораторное оборудование по силовой электронике «СЭ-ВСАП-ПО» и «ШИП и ПН» позволит проводить лабораторные испытания и исследования работы оконечных (выходных) устройств силовой электроники:
Выпрямителей, при их работе на различные виды нагрузки;
Управляемых выпрямителей;
Инверторов тока и напряжения на тиристорах и на транзисторах;
Автономных инверторов;
Преобразователей напряжения по схемам ШИП и ШИМ.
Разработка и постановка любой лабораторной работы с использованием универсального стенда, включает в себя несколько этапов:
Разработка общего алгоритма выполнения лабораторной работы;
Предварительное макетирование выполнения отдельных пунктов работы;
Уточнение номинальных значений элементов, входящих в электрическую принципиальную схему проведения опыта;
Уточнение корректных границ изменения аргументов при снятии (фиксации) каких-либо функциональных зависимостей;
Разработка общего макета выполнения отчёта лабораторной работы;
Разработка вопросов контроля предварительных знаний по теме лабораторной работы и приобретённых в процессе выполнения;
Окончательное оформление методических рекомендаций по выполнению конкретной лабораторной работы.
Далее по тексту будет представлено описание технического состава лабораторного стенда и фрагменты методических разработок общей пояснительной части по особенностям работы на стендовом оборудовании и по выполнению отдельных лабораторных работ.
1. Описание и состав лабораторного оборудования
Внешний вид комплектного лабораторного стенда, имеющего классификационный номер – «СЭ-ВСАП-ПО» представлен на рис. 1.1
Рис. 1.1. Внешний вид комплекта «СЭ-ВСАП-ПО»
Общие характеристики комплекта:
Электропитание:
от трехфазной сети переменного тока, напряжением 380 В, с рабочим нулевым и защитным проводниками.
от однофазной сети переменного тока, напряжением 220 В, с рабочим нулевым и защитным проводниками.
частота питающего напряжения: 50 Гц.
Потребляемая мощность: 500 ВА.
Исполнение: напольное.
Назначение стенда
Комплект типового учебно-лабораторного оборудования «СЭ-ВСАП-ПО» предназначен для проведения лабораторно-практических занятий по изучению устройств, преобразующих энергию источника постоянного тока в переменный с отдачей её в сеть переменного тока. Исследуются устройства, преобразующие постоянный ток в переменный с неизменной или регулируемой частотой и работающие на автономную нагрузку.
Основными модулями стенда с внутренним микроконтроллерным управлением, обеспечивающим различные испытательные режимы с быстродействующей электронной защитой от аварийных и некорректных ситуаций, являются следующие:
ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ |
||||||||||||||
Модуль предназначен для преобразования энергии постоянного тока в энергию однофазного переменного тока.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
|
ТИРИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ / РЕГУЛЯТОР |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Модуль предназначен для обратимого преобразования энергии трехфазного (однофазного) синусоидального тока в энергию постоянного тока, а также для регулирования величины трехфазного (однофазного) напряжения.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Модуль предназначен для преобразования постоянного или переменного напряжения в переменное напряжение заданной частоты.
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
ШИРОТНО-ИМПУЛЬСНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ ПОСТОЯННОГО НАПРЯЖЕНИЯ |
||||||||||||||||||||
Модуль «Широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения» (далее – преобразователь), представляет собой мостовой широтно-импульсный преобразователь постоянного напряжения, состоит из формирователя импульсов, устройства индикации и управления режимами работы на микроконтроллере. Силовая часть построена на трехфазном драйвере IR2132 с четверкой силовых ключей типа IGBT без интегрированных диодов в выходном звене. На лицевую панель нанесена мнемосхема выходной части преобразователя.
Органы коммутации
Для подключения преобразователя к
источнику питания и измерения различных
параметров в разных точках схемы, на
его переднюю панель выведены
соответствующие гнезда. Гнезда Х4 и
Х5 совместно с шиной Х6 предназначены
для подключения положительного
потенциала источника питания к
полумостам преобразователя. Отрицательный
потенциал источника питания подключается
к гнезду Х3. Для удобства измерений и
наблюдения процессов, протекающих в
различных точках преобразователя, в
его схему введены датчики тока ДТ1,
ДТ2, ДТ3, ДТ4, имеющие коэффициент
преобразования 0,25А/В (p-p).
Все датчики тока имеют гальваническую
развязку от измеряемых цепей. На
передней панели преобразователя
установлены пары гнезд U1,
U2, U3, U4,
служащие для осциллографирования
управляющих сигналов, снимаемых с
затворов силовых ключей VT1-VT4
преобразователя. Данные сигналы имеют
уровень ТТЛ и гальванически развязаны
от схемы преобразователя. Выводы «
Органы управления и индикации Кнопка «ЧАСТОТА 100 ГЦ/ 1кГц» служит для дискретного выбора рабочей частоты преобразователя (100 Гц/1 кГц). Потенциометр «СКВАЖНОСТЬ» изменяет скважность управляющих импульсов преобразователя от 1 до 95%. Переключатель «УПРАВЛЕНИЕ (ручн – комп)» позволяет переводить управление преобразователем с ручного режима на дистанционное (управление от компьютера). При управлении от компьютера возможно управление скважностью импульсов преобразователя. При этом аналоговый управляющий сигнал 0…10 В постоянного тока подается на разъем типа DB-9, расположенный на задней стенке преобразователя. Положительный потенциал управляющего сигнала подается на вывод 5 разъема, отрицательный – на вывод 9. При ручном управлении имеется возможность снятия аналогового сигнала управления 0…10 В. Положительный потенциал управляющего сигнала снимается с вывода 1 разъема, отрицательный – с вывода 6. Кнопка «РЕЖИМ» позволяет выбрать режим работы преобразователя. Устройство индикации выполнено на жидкокристаллическом двухстрочном дисплее с буквенно-цифровой индикацией. На дисплее отображаются: - номер режима работы (1-5); - текущее значения рабочей частоты (100/1000 Гц); - текущее значение скважности (1-95%). Светодиод красного цвета свечения «ЗАЩИТА» индицирует состояние системы защиты преобразователя. Отсутствие его свечения свидетельствует о нормальном режиме работы преобразователя. В случае срабатывания системы защиты, необходимо снять внешнее питающее напряжение (0-30 В), затем выключить питание преобразователя. Повторное включение возможно после устранения причины возникновения перегрузки преобразователя. Светодиоды зеленого цвета свечения HL1, HL2 индицируют наличие питающих напряжений на соответствующих полумостах преобразователя.
Включение и работа преобразователя. Режимы работы. Для включения преобразователя в работу необходим внешний источник питания 0…30В/2А постоянного тока, которым служит модуль «Источник питания». Перед началом работы при помощи переключателя «УПРАВЛЕНИЕ (ручн – комп)» необходимо выбрать желаемый режим управления. Далее требуется включить питание преобразователя при помощи выключателя «СЕТЬ». Нажатием на кнопку «РЕЖИМ» выбирается желаемый режим работы преобразователя. В соответствии с выбранным режимом работы необходимо подключить желаемую нагрузку, выбрать желаемые частоту и скважность импульсов, после чего на силовую часть преобразователя (гнезда Х4 и (или) Х5) допускается подача напряжения 0…30В постоянного тока. Преобразователь имеет пять режимов работы: 1. ШИМ преобразователь на VT4; 2. ШИМ преобразователь (полумост VT1, VT4); 3. преобразователь (несимметричный мост VT1 и ШИМ VT2); 4. преобразователь (несимметричный мост VT3 и ШИМ VT4); 5. ШИМ преобразователь (симметричный мост VT1- VT4). Выключение преобразователя производится в обратной последовательности: снимается напряжение с силовой части преобразователя, затем производится выключение самого преобразователя при помощи выключателя «СЕТЬ».
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
|
»
гнезд U1-U4
являются их общим проводом. Гнезда Х1
и Х2 служат для подключения нагрузки.
На задней стенке преобразователя
смонтированы разъемы для подключения
модуля к питающей сети 220В/50 Гц и разъем
типа DB-9 для дистанционного
управления модулем при помощи
компьютера.
ТРЕХФАЗНЫЙ ТРАНЗИСТОРНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ |
||||||||||||||||||||
Модуль «Трехфазный транзисторный преобразователь» (далее – преобразователь), представляет собой мостовой трехфазный двухзвенный преобразователь частоты (ДПЧ) с неуправляемым выпрямителем и состоит из формирователя импульсов, устройства индикации, управления режимами работы на микроконтроллере и силовой части, построенной на трехфазном драйвере IR2132 с шестью силовыми ключами типа IGBT в выходном звене и выпрямитель с фильтром. На лицевую панель нанесена мнемосхема выходной части преобразователя, выпрямителя и фильтра.
Органы коммутации Для подключения преобразователя к источнику питания и измерения различных параметров в разных точках схемы, на переднюю панель выведены соответствующие гнезда. Гнезда Х4 и Х5 предназначены для подключения источника питания переменного тока к силовой части преобразователя. Гнезда Х1 и Х2 предназначены для контроля потребляемого преобразователем тока. Гнезда Х1 и Х3 предназначены для контроля напряжения питания силовой части преобразователя. Для удобства измерений и наблюдения процессов, протекающих в цепях питания и нагрузки преобразователя, на модуле размещены датчики тока ДТ1, ДТ2, имеющие коэффициент преобразования 0,25А/В (p-p). Датчики тока имеют гальваническую развязку от измеряемых цепей. На переднюю панель установлены пары гнезд U1, U2, U3, U4, U5, U6, служащие для осциллографирования управляющих сигналов, снимаемых с затворов силовых ключей VT1-VT6 преобразователя. Данные сигналы имеют уровень ТТЛ и гальванически развязаны от схемы преобразователя. Выводы « » гнезд U1-U6 являются их общим проводом. Гнезда U, W и W служат для подключения нагрузки. На задней стенке преобразователя смонтированы разъем для подключения модуля к питающей сети 220В/50Гц и разъем типа DB-9 для дистанционного управления модулем при помощи компьютера.
Органы управления и индикации Потенциометр «УПРАВЛЕНИЕ» служит для изменения частоты выходного напряжения в диапазоне от 5 Гц до 100 Гц в режиме преобразователя частоты (режимы 1, 2). Потенциометр «СКВАЖНОСТЬ» позволяет регулировать скважность импульсов преобразователя от 5 до 95% (режимы 3, 4). При помощи потенциометра «ЧАСТОТА МОДУЛЯТОРА» изменяется частота модулятора однофазного инвертора напряжения (режимы 5-8) в пределах 10 Гц…100 Гц. Потенциометр «ЧАСТОТА» предназначен для изменения в пределах от 1000 Гц до 9900 Гц тактовой частоты в режимах преобразователя частоты и преобразователя напряжения (режимы 1-8). Переключатель «УПРАВЛЕНИЕ (ручн – комп)» позволяет переводить управление преобразователем с ручного режима на дистанционное (управление от компьютера). При управлении от компьютера возможно управление тактовой частотой и частотой модулятора преобразователя. При этом аналоговый управляющий сигнал диапазона 0…10 В постоянного тока подается на разъем типа DB-9, расположенный на задней стенке преобразователя. Положительный потенциал управляющего сигнала регулировки тактовой частоты подается на вывод 5 разъема, отрицательный – на вывод 9. Положительный потенциал управляющего сигнала регулировки частоты модулятора подается на вывод 4 разъема, отрицательный – на вывод 8. При ручном управлении имеется возможность снятия аналоговых сигналов управления диапазона 0…10 В. Положительный потенциал управляющего сигнала регулировки тактовой частоты снимается с вывода 1 разъема, отрицательный – с вывода 6. Положительный потенциал управляющего сигнала регулировки частоты модулятора снимается с вывода 2 разъема, отрицательный – с вывода 7. Кнопка «РЕЖИМ» позволяет выбрать режим работы (режимы 1-8) преобразователя. Для обеспечения гальванической развязки силовых питающих цепей от сети 220В/50Гц в составе модуля преобразователя имеется силовой развязывающий трансформатор 220/220В/50Гц/120Вт , ТР1. Устройство индикации выполнено на жидкокристаллическом четырехстрочном дисплее с буквенно-цифровой индикацией. На дисплее отображаются: -бегущей строкой номер режима работы и краткое название режима(1-8); -текущее значения тактовой частоты (100…9900 Гц); -текущее значения частоты выходного напряжении (5…100 Гц); - текущее значение скважности (5…95%). Светодиод красного цвета свечения «ЗАЩИТА» индицирует состояние системы защиты преобразователя. Отсутствие его свечения свидетельствует о нормальном режиме работы преобразователя. В случае срабатывания системы защиты, необходимо снять внешнее питающее напряжение (0-220 В), затем выключить питание преобразователя. Повторное включение возможно после устранения причины возникновения перегрузки преобразователя.
Включение и работа преобразователя. Режимы работы. Для включения преобразователя в работу необходим внешний источник питания 0…220В/1А переменного тока, которым служит модуль «Источник питания однофазный» и модуль «Автотрансформатор регулируемый». При выполнении коммутации необходимо, чтобы напряжение, поступающее на гнезда Х4 и Х5 преобразователя регулировалось от 0 В и подавалось от автотрансформатора через силовой развязывающий трансформатор ТР1 модуля. Перед началом работы при помощи переключателя «УПРАВЛЕНИЕ (ручн – комп)» необходимо выбрать желаемый режим управления. Затем включается питание преобразователя при помощи выключателя «СЕТЬ». При помощи кнопки «РЕЖИМ» выбирается желаемый режим работы преобразователя. В соответствии с выбранным режимом работы необходимо подключить желаемую нагрузку, выбрать желаемые параметры частот и скважности импульсов, после чего на силовую часть преобразователя (гнезда Х4 и Х5) при помощи автотрансформатора допускается подача напряжения. Напряжение увеличивают плавно от значения 0 В до необходимого.
Преобразователь имеет восемь режимов работы: 1. Трехфазный ДПЧ (линейный закон управления); 2. Трехфазный ДПЧ (квадратичный закон управления); 3. Мостовой ППН VT2, VT5, VT3, VT4, (симметричный закон управления); 4. Мостовой ППН VT4, VT5, (несимметричный закон управления); 5. Однофазный инвертор напряжения VT2, VT5, (линейная модуляция); 6. Однофазный инвертор напряжения VT2, VT5, (прямоугольная модуляция); 7. Однофазный инвертор напряжения VT2, VT5, (синусоидальная модуляция); 8. Однофазный инвертор напряжения VT2,VT5, (ЧИМ). Выбор режимов происходит при помощи однократных коротких нажатий на кнопку «РЕЖИМ». Смена режимов происходит по кольцу. Для удобства использования, активные режимы чередуются с состоянием, когда преобразователь не активен. При этом на дисплее высвечивается надпись «Выкл.»
Выключение преобразователя производится в обратной последовательности: снимается напряжение с силовой части преобразователя, затем производится выключение самого преобразователя при помощи выключателя «СЕТЬ».
ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
|
