交直流调速系统实验课 程 教 案

1、课 程 教 案 课程名称： 交直流调速系统实验 任课教师： 张振飞 所属院部： 电气与信息工程学院 教学班级：自动化1401-1404班、自动化卓越1401 教学时间： 20162017学年第二学期 湖 南 工 学 院课程基本信息课程名称交直流调速系统实验课程代码 G0103244总计： 学时讲课： 学时实验： 8 学时上机： 学时课程设计： 周学 分类别必修课（ ） 选修课（ ） 理论课（ ） 实验课（ ）任课教师张振飞职称高级实验师授课对象专业班级： 自动化14011404班、自动化卓越1401 共 5 个班课程简介（不超过1000字）1、 课程性质、地位：本课程为实验课，是自动

2、化专业的专业课程实验。2、 课程目标、本课程目标是提高学生在本课程领域的实践动手能力，侧重培养学生对交直流调速系统的认知、分析、电气调试能力，并在此基础上加深对理论课程的理解。3、主要内容实验一、晶闸管直流调速系统主要单元的调试实验（验证性）实验二、单闭环不可逆直流调速系统实验（验证性）实验三、三相正弦波脉宽调制（SPWM）变频实验（综合性）实验四、三相空间电压矢量（SVPWM）变频原理实验（综合性）基本教材和主要参考资料1教材交直流调速系统实验指导书湖南工学院电气与信息工学院实验中心编2参考资料DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验指导书天煌教仪编写实验一、 晶闸管直流调速系统主要单元的调

3、试一、本次课主要内容1、速度调节器的调试。 2、电流调节器的调试。二、教学目的与要求1、熟悉直流调整系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。2、掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法三、教学重点难点 1、重点是调试步骤和方法的掌握。 2、难点是对PI动态特性的理解。四、教学方法和手段 课堂讲授、提问、讨论、演示、实际操作等。五、作业与习题布置 撰写实验报告一、实验目的(1)熟悉直流调整系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。(2)掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。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”

4、，“励磁电源”等几个模块。2DJK04 电机调速控制实验 I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。3DJK08可调电阻、电容箱4慢扫描示波器5万用表三、实验内容(1)速度调节器的调试(2)电流调节器的调试四、实验方法将DJK04挂件的十芯电源线与控制屏连接，打开电源开关，即可以开始实验。(1)速度调节器的调试调节器调零将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“速度调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测

5、量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。调整输出正、负限幅值把“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PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到速度调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，观察输出负电压的变化，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，观察调节器输出正电压的变化。测定输入输出特性再将反馈网络中的电容短接（将“5”、“6”端短接），使速度调节器为P（比例）调节器，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，直至输出限幅，并画出曲线。观察PI特

6、性拆除“5”、“6”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。改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。(2)电流调节器的调试调节器的调零 将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接“电流调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。调整输出正、负限幅值把“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器

7、，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，观察输出负电压的变化，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，观察输出正电压的变化。测定输入输出特性再将反馈网络中的电容短接（将“9”、“10” 端短接），使电流调节器为P调节器，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，直至输出限幅，并画出曲线。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。改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。五、实验报告(1)画速度调节器和电流调节器的输入输出特性图，并分析其特点。(2)贴出不同

8、电阻电容下的PI特性波形，并分析其特征。实验后记：实验二、 单闭环不可逆直流调速系统实验一、本次课主要内容1、DJK04上的基本单元的调试。 2、Uct不变时直流电动机开环特性的测定。 3、Ud不变时直流电动机开环特性的测定。 4、转速单闭环直流调速系统。 5、电流单闭环直流调速系统。（选做）二、教学目的与要求1、了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。2、掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。3、认识闭环反馈控制系统的基本特性。三、教学重点难点 1、重点是开、闭环特性的测试和比较。 2、难点是对PI系数的调整。四、教学方法和手段 课堂讲授、提问、讨论、演示、实际操作等。五、

9、作业与习题布置 撰写实验报告一、实验目的(1)了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。(2)掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。(3)认识闭环反馈控制系统的基本特性。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”，“励磁电源”等几个模块。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”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。4DJK04 电机调速控制实验 I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。5DJK08可调电阻、电容箱6DD03-2电机导轨测速

10、发电机及转速表或者“DD03-3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11万用表三、实验线路及原理为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统(包括单闭环系统和多闭环系统)。对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标较高的则采用多闭环系统。按反馈的方式不同可分为转速反馈，电流反馈，电压反馈等。在单闭环系统中，转速单闭环使用较多。在本装置中，转速单闭环实验是将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“速度调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压

11、UCt，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由速度调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成PI(比例积分)调节。这时当“给定”恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。在电流单闭环中，将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压UCt，控制整流

12、桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。电机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。同样，电流调节器若采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差将调节器换成PI(比例积分)调节。当“给定”恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。图2-1 转速单闭环系统原理图图2-2 电流单闭环系统原理图四、实验内容(1)学习DJK01“电源控制屏”的使用方法。 (2)DJK04上的基本单元的调试。 (3)Uct不变时直流电动机开环特性的测定。 (4)Ud不变时直流电动机开环特性的测定

13、。 (5)转速单闭环直流调速系统。 (6)电流单闭环直流调速系统。（选做）五、预习要求(1)复习自动控制系统(直流调速系统)教材中有关晶闸管直流调速系统、闭环反馈控制系统的内容。(2)掌握调节器的工作原理。 (3)根据实验原理图，能画出实验系统的详细接线图，并理解各控制单元在调速系统中的作用。 (4)实验时，如何能使电动机的负载从空载(接近空载)连续地调至额定负载?六、实验方法(1)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

14、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、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Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），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=120°。适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK

15、02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”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。(2)Uct不变时的直流电机开环外特性的测定按接线图分别将主回路和控制回路接好线。DJK02-1上的移相控制电压Uct由DJK04上的“给定”输出Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动

16、按钮，使主电路输出三相交流电源，然后从零开始逐渐增加“给定”电压Ug，使电动机慢慢启动并使转速 n 达到1200rpm。改变负载电阻R的阻值，使电机的电枢电流从Ied直至空载。即可测出在Uct不变时的直流电动机开环外特性n = f(Id)，测量并记录数据于下表：n（rpm）Id（A）(3)Ud不变时直流电机开环外特性的测定控制电压Uct由DJK04的“给定”Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH,将给定的输出调到零。按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，然后从零开始逐渐增加给定电压Ug，使电动机启动并达到1200rpm。改变负载电阻R，使电机的电枢电流从Ied直至空

17、载。用电压表监视三相全控整流输出的直流电压Ud,保持Ud不变(通过不断的调节DJK04上“给定”电压Ug来实现)，测出在Ud不变时直流电动机的开环外特性n =f(Id)，并记录于下表中：n（rpm）Id（A）(4)基本单元部件调试移相控制电压Uct调节范围的确定 直接将DJK04“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。当给定电压Ug由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug时，Ud 的波形会出现缺相现象，这时Ud反而随Ug的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值为Uctmax=0.9U

18、g，即Ug的允许调节范围为0Uctmax。如果我们把输出限幅定为Uctmax的话，则“三相全控整流”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Ug于下表中：UgUctmax=0.9Ug将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。调节器的调整A、调节器的调零 将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻40K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。将DJK04中“电流调节

19、器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。B、 正负限幅值的调整 把“速度调节器”的“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PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器

20、RP1，使速度调节器的输出正限幅为Uctmax。把“电流调节器”的“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。C、电流反馈系数的整定 直接将“给定”电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=

21、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Id=l.3A时，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数= Ufi/Id= 4.615V/A。D、转速反馈系数的整定 直接将“给定”电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct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 =150Orpm时，调节“速度变换”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 =Ufn/n =0.004V/(

22、rpm)。(5)转速单闭环直流调速系统按图2-1接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压Ug为负给定，转速反馈为正电压，将“速度调节器”接成P（比例）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，给定输出调到零。直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机的转速接近n=l200rpm。由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流Id，和电机的转速n，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。n（rpm）Id（A）(6)电流单闭环直流调速系统按图2-2接线，在本实验中，给定Ug为负给定，电流反馈为正电压，将“电流调

23、节器”接成比例（P）调节器或PI（比例积分）调节器。直流发电机接负载电阻R，Ld用DJK02上200mH，将给定输出调到零。直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm。由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的Id和n，直至电动机Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。n（rpm）Id（A）七、实验报告(1)根据实验数据，画出Uct不变时直流电动机开环机械特性。 (2)根据实验数据，画出Ud不变时直流电动机开环机械特性。 (3)根据实验数据，画出转速单闭环直流调速系统的机械特性。 (4)根据实验数据，画出电流单闭环直流调速系统的机械特性

24、。 (5)比较以上各种机械特性，并做出解释。八、思考题(l)P调节器和PI调节器在直流调速系统中的作用有什么不同?(2)实验中，如何确定转速反馈的极性并把转速反馈正确地接入系统中?调节什么元件能改变转速反馈的强度?(3)改变“电流调节器”及“速度调节器”的电阻、电容参数，对系统有什么影响？九、注意事项(1) 双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这

25、个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。(2)电机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电机启动。在启动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压，不能在开环或速度闭环时突加给定，否则会引起过大的启动电流，使过流保护动作，告警，跳闸。(3)通电实验时，可先用电阻作为整流桥的负载，待确定电路能正常工作后，再换成电动机作为负载。(4)在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。(5)直流电动机的

26、电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过1.2倍的额定值。以免影响电机的使用寿命，或发生意外。(6)DJK04与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04与DJK02-1的地。实验后记：实验三、 三相正弦波脉宽度调制（SPWM）变频原理实验一、 本次课主要内容 测试SPWM形成的有关波形。二、教学目的与要求(1)掌握SPWM的基本原理和实现方法。(2)熟悉与SPWM控制有关的信号波形。三、教学重点难点 重点、难点是根据测试的波形对SPWM变频原理的分析。四、教学方法和手段 课堂讲授、提问、讨论、演示、实际操作等。五、作业与习题布置 撰写实验报告一、实验目的(1)掌握SPWM的基本原理和实现方法。(2)熟悉与SPWM控制有关的信号波形。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”，“励磁电源”等几个模块。2DJK13三相异步电动机变频调速控制3双踪示波器三、实验方法(1)接通挂件电源，关闭电机开关，调制方式设定在SPWM方式下（将控制部分S、V、P的三个端子都悬空），然后开启电源开关。(2)点动“增速”按键，将频率设定在0.5Hz，在SPWM部分观测三相正弦波信号（在测试点“2、3、4”），观测三角载波信号（在测试点“5”），三相SPWM调制信号（在测试点“6、7、8”）；再点动“转向”按键，改变转动方向，观测上述各信号