哈工大—FLUKE电工联合实验室可行性报告

一、立项依据（现有优势及存在的问题）

2007年11月，哈工大电工电子实验教学中心被评为“国家级实验教学示范中心”，同时中心所承担的“电工电子实验系列课程”于2010年10月被评为“国家级精品课”。经过近几年的建设，电工电子实验教学中心的软硬件条件已经得到了很大的提高，取得了不小的成绩，也得到了国内兄弟院校同行们的认同。经考察，中心的网络实验教学管理平台的管理思想和软件水平已经处于国内兄弟院校的前列。然而由于建设投入的不平衡，有些实验室的硬件水平距离国家级实验教学示范中心验收的需求还存在着一定的差距。中心目前共有8个实验室，其中有3个国际联合实验室，分别是“哈工大-安捷伦电子学联合实验室”，“哈工大-岩崎电子学联合实验室”和“哈工大-松下电工PLC控制技术联合实验室”，各个联合实验室的设备技术都很先进，性能优良。

近年来，电工技术测量方式和手段发生了很大的变化，在研究所和工业领域开始大量使用电能质量分析仪来替换传统的电流表、电压表、功率表等设备，出了能够测量这些常用的物理量之外，电能质量分析仪还可以进行分析、计算和存储，大大丰富了测量的内容和深度。我校学生以“工程实践能力强”著称，因此，我校研究生在校期间有必要接触到这些先进的测量手段和方法，在此方面得到必要的训练，进一步提高学生的动手能力，尽早接触到先进的测试设备和手段，以便将来在进入研究应用领域的时候，能够很快的进入角色。

为了弥补我们自身的不足，进一步改善实验教学环境，提高电工电子实验教学中心实验教学平台的整体水平，中心积极与国际知名电能测量仪器生产企业Fluke公司，就哈工大-Fluke电工技术联合实验室的建立进行了磋商和讨论，双方达成了建立联合实验室的意向，并尽可能把仪器价格做到最低，为我校争取到尽可能多的空间和利益，使在校学生能用到更好的福禄克仪器，提升我校整个电路理论和电工技术实验教学的水平。

通过哈工大-Fluke电工技术联合实验室的建设，打造一个高级电工技术实践基地。基地建设完成后将服务于本科生“电工电子实验系列课程”，每年接待本科生3000人进行全开放式的实验教学。

本项目拟建设哈工大-Fluke本科生高级电工技术实践基地，开展本科生高级电工技术实验课方面的工作。本基地的目标是建设一个基于Fluke 434Ⅱ三相电能质量分析仪的高级电工技术应用型实践平台。

本实践基地建设时间为2012年7月份至2013年7月份。2012年主要进行基地建设方案编写、论证、设备的询价及仪器设备采购；2013年主要进行实践教学内容的建设，仪器设备使用教学课件的制作，并进行设备调试、运行。

本实践基地建成后将工业场合常用的工业级三相电能质量分析设备引入本科生实践教学，为本行业提供前瞻性可操作实践平台。

二、建设的意义及必要性

哈工大-Fluke高级电工技术实践基地的建立，将使我校的电路理论、电工技术基础实验教学，以及电力电子、电气传动、电力系统、电机与电器等专业实验教学和研究生实验教学，无论在电路的测量方式、方法还是在更新实验内容等各方面将产生革命性的变化与提升，使我校在该学科领域的实验教学水平居全国高校领先地位。对我校学生学习和掌握先进科学仪器和测量方法、学习更加丰富的实验内容，以及创新学习等有着重要意义。

这些仪器的获得，将完全改变了传统的电路实验的测量方式，不受指针式仪表量程的限制，可增加大量的实验项目，供学生选作或多做。由于该仪器电压、电流测量范围宽，测量项目全面，并可以观测示波器无法观察的波形，使其开发创新实验成为可能。该仪器必将在创新型实验过程中发挥重要作用。对于在高电压、大电流实验条件下学生的人身安全也有了根本性的保证。这些仪器将有非常高的使用率。每年有约3000名电气工程专业的本科生和本硕连读学生，使用该工程实践平台。

Fluke公司与我校共建工程实践教学平台一方面是由于我校在国内高校中的重要地位，尤其是在工科院校中的地位。另一方面是由于我校电工电子实验教学中心为国家级实验教学示范中心，中心的电工电子实验课程为国家级精品课程，在我校建立联合实验室，将对全国高校产生重要影响，中心新开出的电路实验将对全国其他高校产生引领和示范的作用。这也是一直偏重于工业应用领域的Fluke公司在我国高校中建立的第一个联合实践基地，意义重大。

三、主要建设内容及方案

为了加强应用型工程技术人才实践能力的培养，建设哈工大-Fluke本科生高级电工技术实践基地，主要是对电工技术实验室原有的电工测量仪表进行升级改造，通过和Fluke公司的共同建设，建设以Fluke三相电能质量分析仪为主要设备的高级电工技术应用型实践平台。具体建设内容如下：

1. 通过购置Fluke三相电能质量分析仪设备，搭建高级电工技术实践平台。

购置数量：42台。

功能说明：电能量损失分析器：量化了传统的有功功率和无功功率测量、不平衡和谐波功率，便于用户准确确定按货币计算的真实系统电能量损失。功率逆变器效率：同时测量电力电子系统的交流输出功率和直流输入功率（选择直流电流钳），可以测试直流供电系统。自动趋势分析：每次测量会自动记录。记录仪功能：可配置任何测试条件，可按用户定义的间隔记录最多600个参数。

可记录参数为电压、电流、频率、骤升与骤降、谐波、功率和能量、电能量损失分析、不平衡、监测、浪涌电流、功率逆变器。

（1）电压输入：4（三相+中性）直流耦合、1000Vrms，电压范围1-1000V可选，最大峰值测量电压6KV（瞬变模式），输入阻抗：4MΩ/5pF，带宽大于10kHz,瞬变模式最大100kHz，缩放比例：1:1、10：1、100:1、1000:1、10000:1

（2）电流输入：4（三相+中性）直流或交流耦合，根据测试电流标配交流电流钳（i5S）,测试电流量程10mA-6A，输入阻抗：1MΩ，带宽大于10kHz,缩放比例：1:1、10：1、100:1、1000:1、10000:1

（3）采样系统分辨率：8通道均为16位模/数转换器，最高采样速度为每个通道同时200kS/s，RMS采样根据IEC61000-4-30.10/12周期内采样500次，PLL同步根据IEC61000-4-7，10/12周期内采样4096次，额定频率为50或60Hz

（4）显示模式：波形显示、矢量图、仪表读数、趋势图、柱状图、时间列表。

（5）测量模式：示波：4个电压波形、4个电流波形，Vrms、Vfund、Arms、Afund、光标处电压、光标处电流、相角电压、电流和频率暂升和暂降：Vrms1/2,Arms1/2。

2. 进行基于三相电能质量分析仪的新实验内容开发。

原有实验内容扩展：

（1）实验名称：交流电路的测试

现有实验内容：通过电压表、电流表、功率表测量值计算电路参数R、L、C和功率因数。

增加实验内容：测量被测量的有效值和相位，直接写出电压、电流的相量表达式。测量有功功率、无功功率、视在功率、功率因数，并根据实际电路进行分析。观测电压电流波形、波形失真因数。观测电压、电流的相量图。测量结果更直接，更易于理解，与电路理论联系更紧密。

（2）实验名称：三相电路的测量

现有实验内容：通过电压表、电流表、功率表测量三相电压、三相电流、有功功率。

增加实验内容：测量相序。测量三相有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、用电量。观测三相电压电流波形、波形失真因数。观测电压、电流的相量图，不平衡相量图。谐波变化波形，谐波有功、无功功率。

实验中不会出现因为指针式仪表的连线错误、量程选错等原因，出现仪表爆炸、学生触电等事故。

（3）实验名称：日光灯参数测量与控制特性的研究

现有实验内容：通过电压表、电流表、功率表测量电路电压、电流、有功功率，计算功率因数。

增加实验内容：

测量有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、用电量。

观测电压电流波形、波形失真因数。

观测电压、电流的相量图。

测量并记录谐波波形、振幅频谱图。

测量直流分量、各次谐波占百分比、总谐波失真。

测量谐波有功功率、无功功率、视在功率。      

测量有功能量、无功能量、视在能量。

实验中可进行屏幕截图，实验波形可以随时保存、并拷贝，便于学生课后对实验结果进行分析。

新开发实验项目：

（1）实验名称：裂相电路——利用单相工频交流电实现对称三相电压

     本实验旨在将单相交流电源（220V/50Hz）分裂成相位差为120°对称的三相电源，三相输出空载时电压有效值相等，为110×（1±2%）；相位差为120°×（1±2%）。

在保持电流之间相位差一定时，可使三路电压成对称三相电压。基于三相电能质量分析仪，可直观地显示出三条支路的电流相量，直接显示电流之间、三路电压之间的相位差，从而确定对称三相电源获得的条件。

（2）实验名称：磁化电流畸变

 当磁通为正弦波时，由于磁饱和的影响，使得电流成为尖顶波。由于其正、负半波对称，因此不含偶次谐波。在所有的奇次谐波中，以三次谐波为最大，其它次谐波较小，可忽略不计。铁心愈饱和，电流波形的畸变就愈严重，三次谐波就愈显著，基于三相电能质量分析仪，可观测到各次谐波的变化规律。

（3）实验名称：利用负电阻实现LC电路等幅振荡现象

采用运算放大器实现负电阻的变换原理，利用负电阻观看LC电路的等幅振荡现象。由于电感线圈自身的电阻影响，用LC电路并不能真正观看到等幅振荡，因此采用负电阻的方法将电感L的自身电阻平衡滤掉，便能观看自由振荡的过程。通过调节电阻R1，观看，通过调节负电阻值，利用三相电能质量分析仪观看端口电压、电流及电容和负电阻变换器与线圈串联电压的相位关系，便能调节到等幅振荡的状态。

（4）实验名称：电路谐波参数的测量与分析

非正弦周期电流电路是电路课的重要内容，但这部分内容比较抽象，学生很难理解。现有实验中由于受实验室仪器设备等条件的限制，谐波波形、振幅频谱和傅里叶展开结果只能利用仿真实验进行观测。