实验安全操作规程文档格式.docx
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DJK01电源控制屏
该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。
2
DJK02晶闸管主电路
3
DJK02-1三相晶闸管触发电路
该挂件包含“触发电路”,“正反桥功放”等几个模块。
4
DJK04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。
5
DJK10变压器实验
该挂件包含“三相不控整流”和“心式变压器”等模块。
6
DD03-3电机导轨﹑光码盘测速系统及数显转速表
7
DJ13-1直流发电机
8
DJ15直流并励电动机
9
D42 三相可调电阻
10
数字存储示波器
自备
11
万用表
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1-1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
学习教材中有关晶闸管直流调速系统各参数的测定方法。
图1-1实验系统原理图
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（1-1）
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1-2所示。
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（1-2）
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（1-3）
求解（5-2）、（5-3）两式，可得电枢回路总电阻:
R＝（U2-U1）/（I1-I2）（1-4）
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＇）（1-5）
则电机的电枢电阻为
Ra=R-（RL十Rn）。
（1-6）
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。
图1-2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 （1-7）
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1-3所示。
图1-3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:
（1-8）
（1-9）
（1-10）
（1-11）
（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（1-12）
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:
（1-13）
从而有
（1-14）
式中GD2的单位为N·
m2；
Tk可由空载功率PK（单位为W）求出:
（1-15）
（1-16）
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1-4
图1-4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1-5所示。
当t=Td时，有
实验线路如图1-6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
图1-5电流上升曲线图1-6测定Td的实验线路图
（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
（1-18）
由于TM>
>
Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即
（1-19）
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1-4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。
实验二晶闸管直流调速系统主要单元的调试
（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。
该挂件包含“给定”、“调节器I”、“调节器II”、“电流反馈与过流保护”等几个模块。
DJK04-1电机调速控制实验II
该挂件包含“转矩极性鉴别”、“零电平鉴别”、“逻辑变换控制”等几个模块，完成选做实验项目时需要。
DJK06给定及实验器件
该挂件包含“给定”等几个模块。
DJK08可调电阻、电容箱
慢扫描示波器
三、实验内容
（1）调节器I（速度调节器）的调试。
（2）调节器II（电流调节器）的调试。
（3）反号器的调试。
（4）“零电平检测”及“转矩极性鉴别”的调试（选做）。
（5）逻辑控制器的调试（选做）。
四、实验方法
将DJK04挂件上的十芯电源线、DJK04-1和DJK06挂件上的蓝色三芯电源线与控制屏相应电源插座连接，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
①调节器调零
将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将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”端短接，使“调节器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，使之输出电压尽可能接近于零。
②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PI（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I”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，观察调节器正电压输出的变化规律。
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“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，并画出对应的曲线。
④观察PI特性
拆除“5”、“6”短接线，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
①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”、“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，使之输出电压尽可能接近于零。
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II”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；
再将反馈网络中的电容短接（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。
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。
（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，用万用表测量“2”端输出是否等于-5V电压，如果两者不等，则通过调节RP1使输出等于负的输入。
再调节“给定”电压使输出为-5V电压，观测反号器输出是否为5V。
（4）“转矩极性鉴别”及“零电平检测”的调试（选做）
①测定“转矩极性鉴别”的环宽，一般环宽为0.4～0.6伏，记录高电平的电压值，调节单元中的RP1电位器使特性满足其要求，使得“转矩极性鉴别”的特性范围从-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0.25V电压，调节电位器RP1，恰好使其“2”端输出从“高电平”跃变为“低电平”。
B、调节负给定从0V起调，当转矩极性鉴别器的“2”端从“低电平”跃变为“高电平”时，检测转矩极性鉴别器的“1”端应为－0.25V左右，否则应适当调整电位器RP1，使“2”端输出由“高电平”变“低电平”。
C、重复上述步骤，观测正负给定时跳变点是否基本对称，如有偏差则适当调节，使得正负的跳变电压的绝对值基本相等。
②测定“零电平检测”的环宽，一般环宽也为0.4～0.6伏，调节RP1电位器，使回环沿纵坐标右侧偏离0.2V，即特性范围从0.2V到0.6V。
“零电平检测”具体调试方法：
A、调节给定Uｇ，使“零电平检测”的“1”端输入约0.6V电压，调节电位器RP1，恰好使“2”端输出从“高电平”跃变为“低电平”。
B、慢慢减小给定，当“零电平检测”的“2”端输出从“低电平”跃变为“高电平”时，检测“零电平检测”的“1”端输入应为0.2V左右，否则应调整电位器。
③根据测得数据，画出两个电平检测器的回环特性。
（5）逻辑控制的调试（选做）
①将DJK04的“给定”输出接到DJK04-1“逻辑控制”的“Um”输入端，将DJK06的“给定”输出接到DJK04-1“逻辑控制”的“UI”输入端，并将DJK04、DJK04-1、DJK06挂件共地。
②将DJK04和DJK06“给定”的RP1电位器，均顺时针旋到底，将给定部分的S2打到运行侧表示输出是“1”，打到停止侧表示输出是“0”。
③两个给定都输出“1”时，用万用表测量逻辑控制的“3（UZ）”、“6（Uｌｆ）”端输出应该是“0”，“4（UF）”、“7（Uｌｒ）”端的输出应该是“1”，依次按下表从左到右的顺序，控制DJK04和DJK06“给定”的输出状态，同时用万用表测量逻辑控制的“UZ”、“Uｌｆ”和“UF”、“Uｌｒ”端的输出是否符合下表。
输入
Um
UI
输出
UZ（Uｌｆ）
UF（Uｌｒ）
五、实验报告
（1）画各控制单元的调试连线图。
（2）简述各控制单元的调试要点。
实验三单闭环不可逆直流调速系统实验
（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。
该挂件包含“触发电路”、“正反桥功放”等几个模块。
该挂件包含“给定”、“调节器I”、“调节器II”、“转速变换”、“电流反馈与过流保护”、“电压隔离器”等几个模块。
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“转速变换”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3-1转速单闭环系统原理图
图3-2电流单闭环系统原理图
在电压单闭环中，将反映电压变化的电压隔离器输出电压信号作为反馈信号加到“电压调节器”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，从而构成了电压负反馈闭环系统。
电机的最高转速也由电压调节器的输出限幅所决定。
同样，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，闭环系统对电枢电压变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的电枢电压能稳定在一定的范围内变化。
图3-3电压单闭环系统原理图
在本实验中DJK04上的“调节器I”做为“速度调节器”和“电压调节器”使用，“调节器II”做为“电流调节器”使用；
若使用DD03-4不锈钢电机导轨、涡流测功机及光码盘测速系统和D55-4智能电机特性测试及控制系统两者来完成电机加载请详见附录相关内容。
（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。
（6）电压单闭环直流调速系统。
（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）掌握调节器的基本工作原理。
（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?
（1）DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试
①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。
②将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。
③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。
④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。
⑤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α=120°
（注意此处的α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°
）。
⑥适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。
⑦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。
⑧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VT1～VT6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
①按图1-1的接线图接线，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。
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