电力拖动自动控制系统-运动控制系统--第四版--实验

电力拖动自动控制系统实验（运动控制系统）2第五章直流电机调速系统实验本章介绍直流调速系统的实验内容，其中包括晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定、单闭环晶闸管直流调速系统、双闭环晶闸管不可逆直流调速系统、逻辑无环流可逆直流调速系统、三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统、双闭环直流脉宽调速系统。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)熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。(2)掌握晶闸管直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”，“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。5DJK10变压器实验该挂件包含“三相不控整流”和“三相心式变压器”等模块。6DD03-2电机导轨﹑测速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310数字存储示波器自备11万用表自备三、实验线路及原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Ug作为触发器的移相控制电压Uct，改变Ug的大小即可改变控制角α，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。图5-1实验系统原理图四、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GD2。(4)测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td。(5)测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM。(6)测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM。(7)测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Uct)。(8)测定测速发电机特性UTG=f(n)。五、预习要求4学习教材中有关晶闸管直流调速系统各参数的测定方法。六、实验方法为研究晶闸管－电动机系统，须首先了解电枢回路的总电阻R、总电感L以及系统的电磁时间常数Td与机电时间常数TM，这些参数均需通过实验手段来测定，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Ra、平波电抗器的直流电阻RL及整流装置的内阻Rn，即R=Ra十RL十Rn(5-1)由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。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Uｄ0，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图5-2所示。图5-2伏安比较法实验线路图将变阻器R1、R2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S1、S2，调节给定使输出直流电压Ud在30%Ued～70%Ued范围内，然后调整R2使电枢电流在80%Ied～90%Ied范围内，读取电流表A和电压表V2的数值为I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为Udo=I1R+U1（5-2）5IUZLL/调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud的条件下读取电流表、电压表的数值I2、U2，则Udo＝I2R十U2(5-3)求解(5-2)、(5-3)两式，可得电枢回路总电阻:R＝（U2-U1）/（I1-I2）(5-4)如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得RL十Rn=(U2＇-U1＇)/(I1＇-I2＇)(5-5)则电机的电枢电阻为Ra=R-(RL十Rn)。(5-6)同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。(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La、平波电抗器电感Ld和整流变压器漏感LB，由于LB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)电感的数值可用交流伏安法测定。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。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，用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UL及电流I,从而可得到交流阻抗Za和ZL，计算出电感值La和Ld，计算公式如下:(5-8)(5-9)/IUZaa6)2/(22fRaZaLa)2/(22fRZLdLL(5-10)(5-11)(3)直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定电力拖动系统的运动方程式为T-Tz=(GD2/375)dn/dt(5-12)式中，T为电动机的电磁转矩，单位为N·m；Tz为负载转矩，空载时即为空载转矩Tk，单位为N·m，n为电机转速，单位为rpm。电机空载自由停车时，T=0，Tz=Tk，则运动方程式为:(5-13)从而有(5-14)式中GD2的单位为N·m2；Tk可由空载功率PK(单位为W)求出:(5-15)(5-16)dn/dt可以从自由停车时所得的曲线n＝f(t)求得，其实验线路如图5-4图5-4测定GD2时的实验线路图电动机加额定励磁，将电机空载启动至稳定转速后，测量电枢电压Ua和电流Ia0,然后断开给定，用数字存储示波器记录n=f(t)曲线，即可求取某一转速时的Tk和dn/dt。由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dtdnGDTK/)375/(2dtdnTGDK//3752nPTKKa/55.9RIUaIP2a0a0K7应的Tk和dn/dt，以求得GD2的平均值。由于本实验装置的电机容量比较小，应用此法测GD2时会有一定的误差。(4)主电路电磁时间常数Td的测定采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升:其电流变化曲线如图5-5所示。当t=Td时，有dddIeIi632.0)1(1图5-5电流上升曲线图5-6测定Td的实验线路图实验线路如图5-6所示。电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在50%Ied～90%Ied范围内。然后保持Ug不变，将给定的S2拨到接地位置，然后拨动给定S2从接地到正电压跃阶信号，用数字存储示波器记录id=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Td。(5)电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定将电动机加额定励磁，使其空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n即可由下式算出Ce:式中，Ce的单位为V/(rpm)。转矩常数(额定磁通)CM的单位为N·m/A。CM可由Ce求出:CM=9.55Ce(6)系统机电时间常数TM的测定系统的机电时间常数可由下式计算)e(1Iidt/Tdd)/()(1212nnUUKCddee8)CR)/(375C(GDT2Me2M由于TMTd，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即S)T/(1KUnMd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)晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Ug)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Ug，分别读取对应的Ug、UTG、Ud、n的数值若干组，即可描绘出特性曲线Ud=f(Ug)和UTG=f(n)。由Ud=f(Ug)曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数曲线Ks=f(Ug):Ks=ΔUd/ΔUg七、实验报告(1)作出实验所得的各种曲线，计算有关参数。(2)由Ks=f(Ug)特性，分析晶闸管装置的非线性现象。八、注意事项(1)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上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，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。(4)在测试Ud=f(Ug)时，DJK02上的偏移电压要先调到α=120°，具体方法见单闭环直流调速。9实验二晶闸管直流调速系统主要单元的调试一、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”，“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5万用表自备三、实验内容(1)速度调节器的调试(2)电流调节器的调试(3)“零电平检测”及“转矩极性鉴别”的调试(4)反号器的调试(5)逻辑控制器的调试四、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①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“电10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。②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，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。③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。④观察PI特性拆除“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①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“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。②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，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。③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11输出限幅，并画出曲线。④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。(3)“零电平检测”及“转矩极性鉴别”的调试①测定““转矩极性鉴别”的环宽，要求环宽为0.4～0.6伏，记录高电平值，调节单元中的RP1使特性满足其要求。“转矩极性鉴别”要求的环从-0.25V到0.25V。转矩极性鉴别具体调试方法：A、调节给定Uｇ，使“转矩极性鉴别”的“1”脚得到约