实验四双闭环不可逆直流调速系统实验

1、实验四 双闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的(1) 了解闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。(2) 掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。(3) 研究调节器参数对系统动态性能的影响。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1djk01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等儿个模块。2djk02晶闸管主电路3djk02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”、“正反桥功放”等儿个模块。4djk04电机调速控制实验i该挂件包含“给定”、“调节器i”、“调节器11”、“转速 变换”、“电流反馈与过流保护”等几个模块。5djk08可调电阻、电容箱6dd03

2、-3电机导轨、光码盘测速 系统及数显转速表7dj13-1直流发电机8dj15直流并励电动机9d42三相可调电阻10慢扫描示波器自备11万用表自备三、实验线路及原理许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程屮，因此起动和 制动过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用pi调节器的转速负反馈 单闭环调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流调节器进行综合调节，可 获得良好的静、动态性能(两个调节器均采用pi调节器)，山于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主 坏放在外而，电流环作为副环放在里面，这样

3、对以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图纽成如 k：启动时，加入给定电压4，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大 启动电流加速启动，肓到电机转速达到给定转速(即u严uj,并在出现超调后，“速度调廿器”和“电流调节器” 退出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压山的人小即可方便地改变电动机的转速。“速度调节器”、 “电流调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输 出限幅可达到限制卅动电流的ii的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压uct,利用“

4、电流调节器” 的输出限幅可达到限制u邯的fi的。在木实验中djk04上的“调节器t”做为“速度调节器”使用，“调节器做为“电流调节器”使用；若使 jijdd03-4不锈钢电机导轨、涡流测功机及光码盘测速系统和d55-4御能电机特性测试及控制系统两者來完成电机 加载请详见附录相关内容。四、实验内容(1) 各控制单元调试。(2) 测定电流反馈系数b、转速反馈系数u。(3) 测定开坏机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f(l(l) o(4) 闭环控制特性n二f (ug)的测定。(5) 观察、记录系统动态波形。三相电源输出12图5-10双闭环肓流调速系统原理框图五、预习要求(1) 阅读电力拖动自

5、动控制系统教材中冇关双闭环直流调速系统的内容，学握双闭环直流调速系统的工作原 理。(2) 理解pi (比例积分)调节器在双闭环直流调速系统中的作用，掌握调节器参数的选择方法。(3) 7解调节器参数、反馈系数、滤波环节参数的变化对系统动、静态特性的影响。六、思考题(1) 为什么双闭环直流调速系统中使用的调节器均为pi调节器？(2) 转速负反馈的极性如果接反会产生什么现彖？(3) 双闭环直流调速系统中哪些参数的变化会引起电动机转速的改变?哪些参数的变化会引起电动机最大电 流的变化？七、实验方法(1) 双闭环调速系统调试原则 先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。 先开环、后闭环，

6、即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。 先内环，后外环，即先调试电流内坏，然后调试转速外环。 先调整稳态精度，后调整动态指标。(2) djk02和djk02-1上的“触发电路”调试 打开djk01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网电压指示”开关，观察输入的三相电网电压 是否平衡。 将djk01 “电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。 用10芯的扁平电缆，将djk02的“三相同步信号输出”端和djk02-1 “三相同步信号输入”端相连,打开 djk02-1电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。 观察a、b、

7、c三相的锯齿波，并调节a、b、c三相锯齿波斜率调节电位器(在各观测孔左侧)，使三相锯齿 波斜率尽可能一致。 将djk04上的“给定”输出几直接与djk02-1上的移相控制电压山相接，将给定开关s?拨到接地位證(即ufo), 调节djk02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察a相同步电压信号和“双脉冲观察孔” vt1的输出波形，使 a二150。(注意此处的a表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0。是从自然换流点开始计算，而单相晶闸管电 路的0。移相角表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差，前者比后者滞后30° )。 适当增加给定ug的正业压输出，观测djk02-1j11 “脉冲

8、观察孔”的波形，此吋应观测到单窄脉冲和双窄脉 冲。 用8芯的扁平电缆，将djk02-1面板上“触发脉冲输出”和“触发脉冲输入”相连，使得触发脉冲加到正 反桥功放的输入端。 将djk02-1面板上的h端接地，用20芯的扁平电缆，将djk02-1的“止桥触发脉冲输出”端和djk02 “正桥 触发脉冲输入”端相连，并将djk02 “正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”,观察正桥vt1vt6晶闸管门极和 阴极之间的触发脉冲是否正常。（3）控制单元调试 移相控制电压uct调节范|节|的确定直接将djk04 “给定”电压山接入djk02-1移相控制电压il的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载r, 用示波

9、器观察山的波形。当给定电压几由零调大时，山将随给定电压的增大而增大，当4超过某一数值吋，此时山 接近为输出最高电压值iv , 般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为山呗二0.9u/，调节山使得“三 相全控整流”输出等于uz 此时将对应的iv的电压值记录下来,u2 iv，即4的允许调节范围为oug。 如呆我们把输岀限幅定为的话则“三相全控報流”输出范围就被限定，不会工作到极限值状态，保证六个 晶闸管可靠工作。记录iv于下表中：ivus=0.9 ivuctmax""ug将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。 调节器的调零将djk04中“调节器i”所有输入端接地，再将

10、djk08中的可调电阻120k接到“调节器i”的“4”、“5”两端, 用导线将“5”、“6”短接，使“调节器t”成为p （比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节器t的“7”端的 输出，调节而板上的调零电位器rp3,使z电压尽可能接近于零。将djk04中“调节器ii”所有输入端接地,再将djk08中的可调电阻13k接到“调节器ii”的“8”、“9”两 端，用导线将“9”、“10”短接，使“调节器11”成为p （比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节器ii的“11” 端，调节面板上的调零电位器rp3,使之输出电压尽可能接近于零。 调节器止、负限幅值的调整把“调节器i”的“5”、“6”短接线去掉,将

11、djk08中的可调电容047uf接入“5”、“6”两端，使调节器 成为pi （比例积分）调节器，将“调节器i”所有输入端的接地线去掉，将djk04的给定输出端接到调节器1的“3” 端，当加+5v的正给定电压时，调整负限幅电位器rp2,使z输出电压为-6v,当调节器输入端加-5v的负给定电压 时，调整正限幅电位器rp1,使之输出电压尽可能接近于零。把“调节器【i”的“9”、“10”短接线去掉，将djk08中的可调电容0. 47uf接入“9”、“10”两端，使调 节器成为pi （比例积分）调节器，将“调节器ii”的所有输入端的接地线去掉，将djk04的给定输出端接到调节 器ii的“4”端。当加+5

12、v的正给定电压时，调整负限幅电位器rp2,使之输岀电压尽可能接近于零；当调节器输 入端加-5v的负给定电压时，调整正限幅电位器rp1,使调节器1的输出正限幅为h吨。 电流反馈系数的整定直接将“给定”电压几接入djk02-1移相控制电压山：的输入端，整流桥输出接电阻负载r,负载电阻放在授大 值，输出给定调到零。按下启动按钮，从零增加给定，使输岀电压升高，当u尸220v时，减小负载的阻值，调节“电流反馈与过流 保护”上的电流反馈电位器rp1,使得负载电流ld=l. 3a时，“2”端l的的电流反馈电压un=6v,这时的电流反馈 系数 b 二 ufi/id= 4.615v/a。 转速反馈系数的整定直接

13、将“给定”电压几接叮k02-l±的移相控制电压u"的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载, ld用djk02上的200mh,输出给定调到零。按下启动按钮，接通励磁电源，从零逐渐增加给定，使电机提速到n =1500rpm时，调节“转速变换”上转速 反馈电位器rp1,使得该转速时反馈电压ufn=-6v,这时的转速反馈系数cl =um/n二0. 004v/（rpm）。(4) 开环外特性的测定©djk02-1控制电压5由djk04上的给定输出u卫接接入，“三相全控整流”电路接电动机，【,用djk02上的 200mh,直流发电机接负载电阻r,负载电阻放在最大值，输出

14、给定调到零。 按下启动按钮，先接通励磁电源，然示从零开始逐渐增加“给定”电压4,使电机启动升速，转速到达 1200rpmo 增大负载(即减小负载电阻r阻值)，使得电动机电流id二可测出该系统的开环外特性n二f (iq ,记录 于下表中：n (rpm)id (a)将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。(5) 系统静特性测试 按图5-10接线，djk04的给定电压山输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻r, 5用叮k02上的200mh,负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。将“调节器i”、“调节器ii”都接成p (比例) 调节器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按

15、下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运 行，确认整个系统的接线正确无谋后，将“调节器1”，“调节器ii”均恢复成pi (比例积分)调节器，构成实 验系统。 机械特性n二f(h)的测定a、发电机先空载，从零开始逐渐调人给定电压山，使电动机转速接近n=1200rpm,然后接入发电机负载电阻 r,逐渐改变负载电阻，直至i尸即可测出系统静态特性曲线n =f(id),并记录于下表中：n (rpm)l (a)b、降低4,再测试n=800rpm时的静态特性曲线,并记录于下表中:n (rpm)id (a)c、闭环控制系统n二f(uj的测定调节4及r,使id=ied> n= 1200rpm

16、,逐渐降低u”记录4和m即可测出闭环控制特性n = f(uj。n (rpm)uk (v)(6) 系统动态特性的观察用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下(“调节器t”的增益和积分电容、“调节器it”的增益 和积分电容、“转速变换”的滤波电容)，用示波器观察、记录下列动态波形： 突加给定电动机启动时的电枢电流i, “电流反馈与过流保护”的“2”端)波形和转速n( “转速变换” 的“3”端)波形。 突加额定负载(20%iefi=>100%ied)吋电动机电枢电流波形和转速波形。 突降负载(100%te,=>20%ied)时电动机的电枢电流波形和转速波形。八、实验报告(1) 根据

17、实验数据，画出闭环控制特性曲线n =f(uj。(2) 根据实验数据，画出两种转速时的闭环机械特性n =f(l)o(3) 根据实验数据，画出系统开环机械特性n二f(id),计算静差率，并为闭环机械特性进行比较。(4) 分析系统动态波形，讨论系统参数的变化对系统动、静态性能的影响。九、注意事项(1) 参见本章实验三的注意事项。(2) 在记录动态波形时，叮先川双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数, 再用数字存储示波器或记忆示波器记录动态波形。实验一晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验一、实验目的(1) 熟悉品闸管直流调速系统的组成及其基木结构。(2) 掌握晶闸管直

18、流调速系统参数及反馈环节测定方法。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1djk01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2djk02晶闸管主电路3djk02-1三相品闸管触发电路该挂件包含“触发电路”，“正反桥功放”等儿个模块。4djk04电机调速控制实验t该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电 流反馈与过流保护”等几个模块。ldjk10变压器实验该挂件包含“三和不控整流”和“心式变压器”等模块。6dd03-3电机导轨、光码盘测速 系统及数显转速表7dj13-1肓流发电机8dj15直流并励电动机9d42二相可调电阻10数字存储示波器自备11丿j川表自备三、实验线路及原

19、理晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压4作为触发器的移相控制电压 %,改变g的大小即可改变控制角(，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。实验系统的组成原理图如图 5-1所示。四、实验内容(1) 测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值r。(2) 测定晶闸管直流调速系统主电路电感值l。(3) 测定直流电动机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量gd? o(4) 测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数心。测定宜流电动机电势常数g和转矩常数(6) 测従晶闸管直流调速系统机电时间常数

20、皿(7) 测定品闸管触发及整流装置特性u尸f (uq o(8) 测定测速发电机特性utc=f(n)o五、预习要求学习教材屮有关晶闸管玄流调速系统各参数的测定方法。vtivtlfvt6：三相电源输出tuc112233445566gkgkgkgkgkgk图5-1实验系统原理图六、实验方法为研究晶闸管一电动机系统，须首先了解电枢i叫路的总电阻r、总电感l以及系统的电磁时间常数几与机电 时间常数th,这些参数均需通过实验手段來测定，具体方法如下：(1) 电枢回路总电阻r的测定电枢回路的总电阻r包括电机的电枢电阻匕、平波电抗器的总流电阻r.及整流装置的内阻匕，即r =乩十 r十(5-1)由于阻值较小，不

21、宜用欧姆表或电桥测最，因是小电流检测，接触电阻影响很人，故常用肓流伏安法。为测 出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压u®而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应川 伏安比较法，实验线路如图5-2所示。将变阻器r：、&接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。合上s“ s2,调节给定使 输出直流电压5在30%70%范围内，然后调整r/吏电枢电流在80%led90%5范围内，读取电流表a和电压表 e的数值为l、u.,则此时整流装置的理想空载电压为udo=iir+ui(5-2)调节rl使z与r2的电阻值相近，拉开开关s2,在山的条件下读取电流表、电压表

22、的数值【2、山，则udo=i2r 十 u2求解(5-2)、(5-3)两式,可得电枢回路总电阻:r= (u2-uj / (ti-i2)如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得 乩十rfov -u/ )/(1/ -121 )则电机的电枢电阻为rfr- (r1.+r,.)。同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器肓流电阻乩。(5-4)(5-5)(5-6)(5-3)图5-2伏安比较法实验线路图(2) 电枢回路电感l的测定电枢回路总电感包括电机的电枢电感j、平波电抗器电感5和整流变压器漏感5,由于5数值很小，可以忽 略，故电枢回路的等效总电感为l=la+ld(5-7)al心式变压器n三相电源输出电感的数值可

23、用交流伏安法测定。实验时应给电动机加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图5-3所示。i励磁l电源r图5-3测量电枢回路电感的实验线路图实验时交流电压由djk01电源输出，接djk10的高压端，从低压端输出接电机的电枢，卅交流电压表和电流表 分别测出电枢两端和电抗器上的电压值ua和ik及电流i,从而可得到交流阻抗za和z|,计算出电感值liild,计算公 式如下：乙=u/(5-8)(5 9)zl=uj1la = /za 2 - ra 2 /( 2 / )(5-10)ld=、/zr l2 /( 2 / )(5-11)直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量gd?的测定电力拖动系统的运动方程式为t

24、-tz= (gd7375) dn/dt(5-12)式中，t为电动机的电磁转矩，单位为nm；亿为负载转矩，空载时即为空载转矩入，单位为nm, n为电机 转速，单位为rpm。电机空载自由停车吋，t=0, tkl'k,则运动方程式为：tk =-(gd2 / 375)dn/dt(5-13)从而有gd 2 = 375 tk ldn i dt(5t4)式中gd?的单位为n m2；tk可由空载功率pk (单位为w)求出:pk = ual a0 - i a() 2 r(515)t k = 9 .55 p k 丨 n(5-16)dn/dt可以从自rh停车时所得的illi线n = f(t)求得，其实验线路

25、如图5-4图5-4测定gd?时的实验线路图41动机加额定励磁，将电机空载启动至稳定转速后，测量电枢电压th和电流然后断开给定，用数字存储 示波器记录n=f(t)曲线，即町求取某一转速时的仏和dn/dt0 iii于空载转矩不是常数，可以以转速n为基准选择若 干个点，测出相应的l和dn/dt,以求得gd?的平均值。由于本实验装登的电机容量比较小，应用此法测gd?时会有 一定的误差。(4) 主电路电磁时间常数几的测定采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数几，电枢回路突加给定电压吋，电流h按指数规律上升： id =id(l-e-)其电流变化曲线如图5-5所示。当t二几时，有(/=/(l-e-'

26、)=0.631/实验线路如图5-6所示。电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在50%la90%j范围内。然后保持&不变, 将给定的&拨到接地位置，然后拨动给定&从接地到正电压跃阶信号，用数字存储示波器记录i尸f (t)的波形， 在波形图上测量出当电流上升至稳定值的63.2%时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数心。(5) 电动机电势常数g和转矩常数g的测定将电动机加额定励磁，使其空载运行，改变电枢电压山，测得札的n即可由下式算岀c。：ce =忑= (u“2 - dl)/("2 -心)式中,ce的单位为v/ (rpm) o转矩常数(额定磁通)g的单位为nm/a。c

27、“可山g.求出：cm = 9. 55 ce图5-5电流上升曲线图5-6测定几的实验线路图(6) 系统机电时间常数儿的测定系统的机电时间常数对由卜-式计算tm =(gd2r)/(375c (卜®?)由于l»t(i，也nj以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即n = kud/(l +tms)当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，当n到达稳态值的63. 2%时,所经过的时间即为拖动系统 的机电时间常数。测试时电枢回路中附加电阻应全部切除，突然给电枢加电压，用数字存储示波器记录过渡过程曲线n-f(t), 即可由此确定机电时间常数。(7) 品闸管触发及整流装置特性ud=f(uj

28、和测速发电机特性utg=f(n)的测定实验线路如图5-4所示，可不接示波器。电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压u”分别读取对 应的u, %、山、n的数值若干组,即可描绘出特性曲线ud=f(ug)和二f(n)。由u尸f (uj曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数曲线ks=f (uj :ks =aua/aug七、实验报告(1) 作出实验所得的各种illi线，计算有关参数。(2) 山"f (uj特性，分析晶闸管装置的非线性现象。八、注意事项由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。(2)由于djk04 i二的过流保护整定值的限制，在完成机电时间常数测定的实验中

29、，其电枢电压不能加得太高。(3) 当电机堵转时,会出现大电流,因此测量的时间要短,以防电机过热。在测试ud=f(ug)时，djk02上的偏移电压要先调到 =120° ,貝体方法见单闭环直流调速。实验二晶闸管直流调速系统主要单元的调试将djk04挂件上的卜芯电源线、djk04-1和djk06挂件上的蓝色三芯电源线与控制屏相应电源插朋连接，打 开挂件上的电源开关，就可以开始实验。（1）调节器i （一般作为速度调节器使用）的调试 调节器调零将djk04中“调节器1”所有输入端接地，再将djk08中的可调电阻120k接到“调节器1”的“4”、“5” 两端，用导线将“5”、“6”端短接，使“调

30、节器i”成为p （比例）调节器。用万用表的毫伏档测量“调节器i” 的“7”端的输出，调节面板上的调零电位器rp3,使z输出电压尽可能接近于零。 调整输出正、负限幅值将“5”、“6”短接线去掉，将djk08中的可调电容0.47uf接入“5”、“6”两端，使调节器成为pt （比 例积分）调节器，将“调节器i”的所有输入端上的接地线去掉，将djk04的给定输出端接到“调节器1”的“3” 端，当加+5v的正给定电压时，调整负限幅电位器rp2,观察调节器负电压输出的变化规律；当调节器输入端加 -5v的负给定电压时，调整正限幅电位器rp1,观察调节器e电压输出的变化规律。 测定输入输出特性再将反馈网络中的

31、电容短接（将“5”、“6”端短接），使“调节器i”为p （比例）调节器，同时将正负限幅 电位器rp1和rp2均顺时针旋到底，在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压变化，直至 输出限幅值，并画岀对应的曲线。 观察p1特性拆除“5”、“6”应接线，给调节器输入端突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律。改变调 节器的外接电阻和电容值（改变放大倍数和积分时间），观察输出电压的变化。（2）调节器ii （一般作为电流调节器使用）的调试 调节器的调零将djk04中“调节器ii”所有输入端接地,再将djk08中的可调电阻13k接“调节器ii”的“8”、“9” 两端，用导线将“9”

32、、“10”短接，使“调节器ii”成为p （比例）调节器。用万用表的毫伏档测量调节器ii 的“11”端的输出，调节面板上的调零电位器rp3,使z输出电压尽可能接近于零。 调整输出正、负限幅值把“9”、“10”短接线去掉,将djk08中的可调电容0. 47uf接入“9”、“10”两端，使调节器成为pi （比 例积分）调节器，将“调节器h”的所冇输入端上的接地线去掉，将djk04的给定输出端接到调节器ii的“4” 端，当加+5v的正给定电压时，调整负限幅电位器rp2,观察调节器负电压输出的变化规律；当调节器输入端加 -5v的负给定电压时，调整正限幅电位器rp1,观察调节器正电压输出的变化规律。 测定输入输出特性再将反馈网络屮的电容短接（将“9”、“10”端短接），使“调节器ii”为p调节器，同时将正负限幅电位 器rp1和rp2均顺时针旋到底，在调节器的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压变化，直至输出 限幅值，并画出对应的曲线。 观察pi特性拆除“9”、“10”短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律。改变调节器的外接电 阻和电容值（改变放人倍数和积分时间），观察输岀电压的变化。（3）反号器的调试测定输入输出的比例,将反号器输入端“1”接“给定”的输出,调节“给定”输出为5v电压,用万