雙閉環不可逆直流調速系統實驗

一、實驗目的(1)了解閉環不可逆直流調速系統的原理、組成及各主要單元部件的原理。

(2)掌握雙閉環不可逆直流調速系統的調試步驟、方法及參數的整定。

(3)研究調節器參數對系統動態性能的影響。

二、實驗所需掛件及附件

序號

型

號

備

注

DJK01

電源控制屏

該控制屏包含“三相電源輸出”等幾個模塊。

DJK02

晶閘管主電路

DJK02-1三相晶閘管觸發電路

該掛件包含“觸發電路”、“正反橋功放”等幾個模塊。

DJK04

電機調速控制實驗

I

該掛件包含“給定”、“調節器I”、“調節器II”、“轉速變換”、“電流反饋與過流保護”等幾個模塊。

DJK08可調電阻、電容箱

DD03-3電機導軌、光碼盤測速系統及數顯轉速表

DJ13-1

直流發電機

DJ15

直流并勵電動機

D42　三相可調電阻

慢掃描示波器

自備

萬用表

自備

三、實驗線路及原理

許多生產機械，由于加工和運行的要求，使電動機經常處于起動、制動、反轉的過渡過程中，因此起動和制動過程的時間在很大程度上決定了生產機械的生產效率。為縮短這一部分時間，僅采用PI調節器的轉速負反饋單閉環調速系統，其性能還不很令人滿意。雙閉環直流調速系統是由速度調節器和電流調節器進行綜合調節，可獲得良好的靜、動態性能（兩個調節器均采用PI調節器），由于調整系統的主要參量為轉速，故將轉速環作為主環放在外面，電流環作為副環放在里面，這樣可以抑制電網電壓擾動對轉速的影響。實驗系統的原理框圖組成如下：

啟動時，加入給定電壓Ug，“速度調節器”和“電流調節器”即以飽和限幅值輸出，使電動機以限定的最大啟動電流加速啟動，直到電機轉速達到給定轉速(即Ug

=Ufn)，并在出現超調后，“速度調節器”和“電流調節器”退出飽和，最后穩定在略低于給定轉速值下運行。

系統工作時，要先給電動機加勵磁，改變給定電壓Ug的大小即可方便地改變電動機的轉速?！八俣日{節器”、“電流調節器”均設有限幅環節，“速度調節器”的輸出作為“電流調節器”的給定，利用“速度調節器”的輸出限幅可達到限制啟動電流的目的?！半娏髡{節器”的輸出作為“觸發電路”的控制電壓Uct，利用“電流調節器”的輸出限幅可達到限制αmax的目的。

在本實驗中DJK04上的“調節器I”作為“速度調節器”使用，“調節器II”作為“電流調節器”使用；若使用DD03-4不銹鋼電機導軌、渦流測功機及光碼盤測速系統和D55-4智能電機特性測試及控制系統兩者來完成電機加載請詳見附錄相關內容。

四、實驗內容

(1)各控制單元調試。

(2)測定電流反饋系數β、轉速反饋系數α。

(3)測定開環機械特性及高、低轉速時系統閉環靜態特性n=f(Id)。

(4)閉環控制特性n=f(Ug)的測定。

(5)觀察、記錄系統動態波形。

圖5-10

雙閉環直流調速系統原理框圖

五、實驗方法

(1)雙閉環調速系統調試原則

①先單元、后系統，即先將單元的參數調好，然后才能組成系統。

②先開環、后閉環，即先使系統運行在開環狀態，然后在確定電流和轉速均為負反饋后，才可組成閉環系統。

③先內環，后外環，即先調試電流內環，然后調試轉速外環。

④先調整穩態精度，后調整動態指標。

(2)DJK02和DJK02-1上的“觸發電路”調試

①打開DJK01總電源開關，操作“電源控制屏”上的“三相電網電壓指示”開關，觀察輸入的三相電網電壓是否平衡。

②將DJK01“電源控制屏”上“調速電源選擇開關”撥至“直流調速”側。

③用10芯的扁平電纜，將DJK02的“三相同步信號輸出”端和DJK02-1“三相同步信號輸入”端相連,打開DJK02-1電源開關，撥動

“觸發脈沖指示”鈕子開關，使“窄”的發光管亮。

④觀察A、B、C三相的鋸齒波，并調節A、B、C三相鋸齒波斜率調節電位器（在各觀測孔左側），使三相鋸齒波斜率盡可能一致。

⑤將DJK04上的“給定”輸出Ug直接與DJK02-1上的移相控制電壓Uct相接，將給定開關S2撥到接地位置（即Uct=0），調節DJK02-1上的偏移電壓電位器，用雙蹤示波器觀察A相同步電壓信號和“雙脈沖觀察孔”

VT1的輸出波形，使α=150°(注意此處的α表示三相晶閘管電路中的移相角，它的0°是從自然換流點開始計算，而單相晶閘管電路的0°移相角表示從同步信號過零點開始計算，兩者存在相位差，前者比后者滯后30°)。

⑥適當增加給定Ug的正電壓輸出，觀測DJK02-1上“脈沖觀察孔”的波形，此時應觀測到單窄脈沖和雙窄脈沖。

⑦用8芯的扁平電纜，將DJK02-1面板上“觸發脈沖輸出”和“觸發脈沖輸入”相連，使得觸發脈沖加到正反橋功放的輸入端。

⑧將DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平電纜，將DJK02-1的“正橋觸發脈沖輸出”端和DJK02“正橋觸發脈沖輸入”端相連，并將DJK02“正橋觸發脈沖”的六個開關撥至“通”，觀察正橋VT1～VT6晶閘管門極和陰極之間的觸發脈沖是否正常。

(3)控制單元調試

①移相控制電壓Uct調節范圍的確定

直接將DJK04“給定”電壓Ug接入DJK02-1移相控制電壓Uct的輸入端，“三相全控整流”輸出接電阻負載R，用示波器觀察Ud的波形。當給定電壓Ug由零調大時，Ud將隨給定電壓的增大而增大，當Ug超過某一數值時，此時Ud接近為輸出最高電壓值Ud＇，一般可確定“三相全控整流”輸出允許范圍的最大值為Udmax=0.9Ud＇，調節Ug使得“三相全控整流”輸出等于Udmax，此時將對應的Ug＇的電壓值記錄下來，Uctmax=

Ug＇，即Ug的允許調節范圍為0～Uctmax。如果我們把輸出限幅定為Uctmax的話，則“三相全控整流”輸出范圍就被限定，不會工作到極限值狀態，保證六個晶閘管可靠工作。記錄Ug＇于下表中：

Ud＇

280

Udmax=0.9

Ud＇

251.8

Uctmax=Ug＇

5.01

將給定退到零，再按“停止”按鈕，結束步驟。

②調節器的調零

將DJK04中“調節器I”所有輸入端接地，再將DJK08中的可調電阻120K接到“調節器I”的“4”、“5”兩端，用導線將“5”、“6”短接，使“調節器I”成為P

(比例)調節器。用萬用表的毫伏檔測量調節器I的“7”端的輸出，調節面板上的調零電位器RP3，使之電壓盡可能接近于零。

將DJK04中“調節器II”所有輸入端接地，再將DJK08中的可調電阻13K接到“調節器II”的“8”、“9”兩端，用導線將“9”、“10”短接，使“調節器II”成為P（比例）調節器。用萬用表的毫伏檔測量調節器II的“11”端，調節面板上的調零電位器RP3，使之輸出電壓盡可能接近于零。

③調節器正、負限幅值的調整

把“調節器I”的“5”、“6”短接線去掉，將DJK08中的可調電容0.47uF接入“5”、“6”兩端，使調節器成為PI

(比例積分)調節器，將“調節器I”所有輸入端的接地線去掉，將DJK04的給定輸出端接到調節器I的“3”端，當加+5V的正給定電壓時，調整負限幅電位器RP2，使之輸出電壓為-6V，當調節器輸入端加-5V的負給定電壓時，調整正限幅電位器RP1，使之輸出電壓盡可能接近于零。

把“調節器II”的“9”、“10”短接線去掉，將DJK08中的可調電容0.47uF接入“9”、“10”兩端，使調節器成為PI（比例積分）調節器，將“調節器II”的所有輸入端的接地線去掉，將DJK04的給定輸出端接到調節器II的“4”端。當加+5V的正給定電壓時，調整負限幅電位器RP2，使之輸出電壓盡可能接近于零；當調節器輸入端加-5V的負給定電壓時，調整正限幅電位器RP1，使調節器I的輸出正限幅為Uctmax。

④電流反饋系數的整定

直接將“給定”電壓Ug接入DJK02-1移相控制電壓Uct的輸入端，整流橋輸出接電阻負載R，負載電阻放在最大值，輸出給定調到零。

按下啟動按鈕，從零增加給定，使輸出電壓升高，當Ud=220V時，減小負載的阻值，調節“電流反饋與過流保護”上的電流反饋電位器RP1，使得負載電流Id=l.3A時，“2”端If的的電流反饋電壓Ufi=6V，這時的電流反饋系數β=

Ufi/Id=

4.615V/A。

⑤轉速反饋系數的整定

直接將“給定”電壓Ug接DJK02-1上的移相控制電壓Uct的輸入端，“三相全控整流”電路接直流電動機負載，Ld用DJK02上的200mH，輸出給定調到零。

按下啟動按鈕，接通勵磁電源，從零逐漸增加給定，使電機提速到n

=150Orpm時，調節“轉速變換”上轉速反饋電位器RP1，使得該轉速時反饋電壓Ufn=-6V，這時的轉速反饋系數α=Ufn/n

=0.004V/(rpm)。

(4)開環外特性的測定

①DJK02-1控制電壓Uct由DJK04上的給定輸出Ug直接接入，“三相全控整流”電路接電動機，Ld用DJK02上的200mH，直流發電機接負載電阻R，負載電阻放在最大值，輸出給定調到零。

②按下啟動按鈕，先接通勵磁電源，然后從零開始逐漸增加“給定”電壓Ug，使電機啟動升速，轉速到達1200rpm。

③增大負載(即減小負載電阻R阻值)，使得電動機電流Id=Ied，可測出該系統的開環外特性n

=f（Id），記錄于下表中：

n（rpm）

1200

1198

1189

1187

1169

1158

1148

Id（A）

0.345

0.402

0.414

0.481

0.490

0.722

0.766

將給定退到零，斷開勵磁電源，按下停止按鈕，結束實驗。

(5)系統靜特性測試

①按圖5-10接線，DJK04的給定電壓Ug輸出為正給定，轉速反饋電壓為負電壓，直流發電機接負載電阻R，Ld用DJK02上的200mH，負載電阻放在最大值，給定的輸出調到零。將“調節器I”、“調節器II”都接成P（比例）調節器后，接入系統，形成雙閉環不可逆系統，按下啟動按鈕，接通勵磁電源，增加給定，觀察系統能否正常運行，確認整個系統的接線正確無誤后，將“調節器I”，“調節器II”均恢復成PI（比例積分）調節器，構成實驗系統。

②機械特性n

=f(Id)的測定

A、發電機先空載，從零開始逐漸調大給定電壓Ug，使電動機轉速接近n=l200rpm，然后接入發電機負載電阻R，逐漸改變負載電阻，直至Id=Ied，即可測出系統靜態特性曲線n

=f(Id)，并記錄于下表中：

n（rpm）

1199

1197

1195

1193

1192

1190

1188

Id（A）

0.302

0.510

0.639

0.810

0.900

1.020

1.200

B、降低Ug，再測試n=800rpm時的靜態特性曲線，并記錄于下表中：

n（rpm）

800.0

797.8

795.3

793.8

792.5

791.1

776.2

Id（A）

0.261

0.429

0.647

0.777

0.879

1.018

1.189

C、閉環控制系統n=f(Ug)的測定

調節Ug及R，使Id=Ied、n=

l200rpm，逐漸降低Ug，記錄Ug和n，即可測出閉環控制特性n

=

f(Ug)。

n（rpm）

1200

961.9

807.1

658.9

557.5

428.0

310.7

Ug（V）

4.46

3.56

2.99

2.42

2.04

1.57

1.16

(6)系統動態特性的觀察

用慢掃描示波器觀察動態波形。在不同的系統參數下(“調節器I”的增益和積分電容、“調節器II”的增益和積分電容、“轉速變換”的濾波電容)，用示波器觀察、記錄下列動態波形:

①突加給定Ug，電動機啟動時的電樞電流Id(“電流反饋與過流保護”的“2”端)波形和轉速n(“轉速變換”的“3”端)波形。

1）

電動機啟動時的電樞電流Id(“電流反饋與過流保護”的“2”端)波形

2）

轉速n(“轉速變換”的“3”端)波形。

②突加額定負載(20%IedT100%Ied)時電動機電樞電流波形和轉速波形。

1）

突加額定負載(20%IedT100%Ied)時電動機電樞電流波形

2）

突加額定負載(20%IedT100%Ied)時電動機轉速波形

③突降負載(100%IedT20%Ied)時電動機的電樞電流波形和轉速波形。

1）

突降負載(100%IedT20%Ied)時電動機的電樞電流波形

2）

突降負載(100%IedT20%Ied)時電動機的轉速波形

六、實驗數據處理

(1)

根據實驗數據，系統的開環外特性n

=f（Id）。

(2)

根據實驗數據，畫出兩種轉速時的閉環機械特性n

=f(Id)。

1）

轉速n=1200rpm

2）

轉速n=800rpm

(3)

根據實驗數據，畫出閉環控制特性曲線n

=f(Ug)。

七、注意事項

(1)在記錄動態波形時，可先用雙蹤慢掃描示波器觀察波形，以便找出系統動態特性較為理想的調節器參數，再用數字存儲示波器或記憶示波器記錄動態波形。

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