北理珠电机学实验指导书Word文档格式.docx
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9．微机及打印机（存储、演示、打印实验波形，可无，但相应内容省略）。
四、实验电路的组成
“转速闭环的电压源型异步电动机变频调速系统”与实验六相比，只是增加了一个转速调节器（ASR），以组成转速电流负反馈闭环（外环），其组成框
图7－1转速闭环的电压源型异步电动机变频调速系统的组成框图
图如图7－1所示，具体接线见附图2－7。
五、实验步骤与方法
（一）实验电路的连接与检查。
1．前已指出，本实验系统所使用的单元环节，与实验六基本相同，只是增加了一个转速调节器ASR，以组成转速闭环。
ASR的调试要点和方法见《调节器挂箱II（DSA01）使用说明》。
2．按附图2－7连接系统，“状态切换”置“交流调速”档；
给定单元（DG01）的极性开关、阶跃开关拨向上方，并置正、负给定为0；
负载给定置0；
经实验指导教师检查认可后，闭合总电源，检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。
3．按实验六方法，检查各控制环节及其输入、出极性，并正确整定ASR、ACR的限幅值U*im、Uctm；
完成三相正弦脉宽控制器（SPWM）的参数整定；
依次调整并锁定电流、电压和转速调节器的反馈系数β、γ、α；
依次完成以下实验内容和步骤。
（二）系统静态特性测试
1．分别完成有、无“低频补偿”的变频调速系统在高、低给定时的系统静态特性，数据录于表7－1。
表7－1 转速开环的电压源型异步电动机变频调速系统
的静态特性实验数据
U*n
U*n＝U*nnom＝（V）
U*n＝（1／2）U*nnom＝（V）
无低频补偿
TG
（N.m）
TG1
TGnom
TG3
TGm
TGb
T*G
n
（r／min）
n0
（S0）
n1
（S1）
nnom
（Snom）
n3
（S3）
nm
（Sm）
n0’
（S0’）
n1’（S1’）
n2’
（S2’）
n3’（S3’）
nm’
（Sm’）
S
带低频补偿
TGm＝（N.m）
图7－2转速闭环的电压源型异步电动机变频调速系统的静特性
①固有特性②人工特性（高速）③人工特性（低速）
2．按表7－1数据在图7－2中分别绘制有、无“低频补偿”在高、低给定时“转速闭环的电压源型异步电动机变频调速系统”的四条静态特性S=f（T*G）曲线。
（三）系统起、制动及直接正、反转控制
1．置正、反向给定分别至U*n＝U*nm=±
8V；
极性开关拨向上方，阶跃开关拨向下方；
各PI调节器取计算参数；
AGR（DA06）取Rf＝20～30KΩ，并调节输入电位器RP2使比例系数kp＝1，取电容Cf＝0.1μF；
按表7－1将负载调至TG＝TGnom，检查无误后闭合交流电路。
2．通过阶跃开关空载、正向起动电机至空载转速no，用双踪示波器分别测转速变换（DD02）和电流检测及变换单元（DD06）的输出端，观察转速n和定子电流Is的波形；
协调两个调节器的参数和频率给定动态校正（DA06）单元的反馈电容Cf，并反复起、制动直至系统稳定、过渡过程曲线满意；
完成“转速闭环的电压源型异步电动机变频调速系统”在积分给定时的正、反向空载起、制动至no以及直接正反转的过渡过程实验。
认真临摹最满意的一组正向空载起、制动过渡过程的转速n和定子电流Is的波形，绘于图7－3a；
最后将阶跃开关拨向下方，直至电机停止。
a）积分给定时的空载正向起、制动过渡过程曲线
b）突加给定时的正向起、制动过渡过程曲线b
①空载突加给定②带载突加给定
图7－3转速闭环的电压源型交流变频调速系统正向起、制动过渡过程曲线
3．“给定及给定积分器（GIR）单元”由积分输出“U*n2”改为阶跃输出“U*n1”；
阶跃起动电机到额定转速直至稳定，调节负载给定，使负载转矩TG＝TGnom；
重复步骤2，完成“转速闭环的电压源型异步电动机变频调速系统，空载和带载时的突加给定起、制过渡过程实验，同时用双踪示波器分别观察空载和带载时，突加给定起、制动以及直接正反转时的电机转速n和定子电流Is的波形，认真临摹两组（空载、带载）正向阶跃起、制动的过渡过程曲线，绘于图7－3b）。
4．经实验指导教师检查认可后，打开总电源（左下面板），检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。
（二）静态参数的整定
1．主要单元环节的检查、调整及其参数整定
1）闭合控制电路（电源控制与故障指示（CTD）控制电路按钮ON），主电路保持分断，将给定单元的阶跃开关S2拨向上方；
依次使正、负给定U*n＝±
0.5、±
2V，测量ASR、ACR的输入、输出，检查比例特性；
取U*n＝±
2V，Cn＝Ci＝2μF，用万用表分别测量ASR、ACR的输出并整定其限幅。
2）．检查并调整“触发器单元GT1”和“直流调速系统主电路”，整定触发零位：
用双踪示波器检查“双路晶闸管移相触发器”斜率、相位、双窄脉冲输出；
检查主电路接线，确认触发电路和主电路正常后，整定系统零位，即微调“DT04”单元的偏置电位器，使U*n＝0时，触发角α＝90°
。
2．电流内环静态参数整定
1）给定及给定积分器（DG01）单元的阶跃输出端U*n1由引向转速调节器的U*n端改为直接直接引向电流调节器的U*I输入端，（即暂且去掉ASR，注意！
U*n1端不得与ASR的U*n端和ACR的U*i端同时相接）；
电流调节器ACR接成PI调节器（取Ri=R0＝40kΩ、Ci＝2μF）。
检查无误后闭合主电路。
2）负载给定为0，给定单元的极性开关S1拨向下方，缓慢增大给定直至U*n＝－U*im；
（－U*im为转速调节器ASR的下限幅）待系统稳定运行后，同时调节电流反馈和负载转矩直至Id＝Idm＝1.5Idnom（设电流过载倍数λ＝1.5，若λ不同，系数应随之变更），整定电流反馈系数β＝U*im／Idm，并锁定之。
系统重新稳定运行后，减小给定U*n至0，电机停止后切除主电路。
3．转速外环静态参数整定
1）闭合控制电路，将励磁电流整定至额定值，恢复“转速、电流双闭环直流调速系统”（即恢复ASR的给定输入引自给定单元的阶跃输出端U*n1，ACR的输入U*i引自ASR的输出），将ASR接成PI调节器（取Rn=R0＝40kΩ、Cn＝2μF）。
经检查无误后闭合主电路。
2）给定单元的极性开关S1拨向上方，逐步增加给定使U*n=U*nm=+8V，电机升速至某值稳定后。
调节（减小）转速反馈直至n＝nnom，以完成转速反馈系数α＝U*nm／nnom的整定，并锁定之。
3）减小给定U*n至0，电机停止后切除主电路。
负载给定为零。
（三）转速、电流双闭环直流调速系统的静特性研究
“转速、电流双闭环直流调速系统”的二个调节器（ASR、ACR）都是PI调节器，无论是内环（电流环）还是外环（转速环）都是无静差系统。
理论上，无静差系统的静特性是一条平行于横坐标的直线，即偏差ΔUn＝U*n－Un＝0。
实际并非尽然，内、外闭环都存在误差，即ΔUn≠0，故静特性也不是一条平行于横坐标的直线。
因此，有必要测试其静特性，并分析产生偏差的原因。
1．按实验前设计、计算之阻、容（Rn、Cn、Ri、Ci），设定DA01、DA03两个单元的参数，检查无误后闭合主电路。
2．增大给定并恒定至U*n=U*nm=+8V、n＝nnom；
稳定后，调节负载给定，电枢电流在0～Idm之间分别读取电流Id和转速n五组数据录于表2－1；
负载给定为零，减小给定并恒定于1／2U*n，调节负载给定，在0～Idm之间分别读取电流Id和转速n五组数据录于表2－1。
表2－1转速、电流双闭环系统静特性实验数据
U*n（V）
U*n＝
1/2U*n＝
Id（A）
Idm＝
n（r／min）
3．减小给定电压U*n至0，电机停止后，切除主电路。
4．根据表2－1数据分别绘制高、低速两条静特性n=f（Id）于图2－2。
图2－2转速、电流双闭环直流调速系统的静特性
①高速②低速
5．分析双闭环系统静特性的特点，并与实验一“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”及其实验结果进行比较，得出相应结论。
（四）转速、电流双闭环直流调速系统突加给定时的起动过渡过程
1．先置给定U*n=U*nm=+8V，再置阶跃开关S2于下方（⊥端）。
保持ASR、ACR为PI调节器，参数同前。
负载给定为零，使机组接近空载。
图2－3突加给定起动的过渡过程曲线
①空载②带载
2．由阶跃开关S2进行高速、空载、突加给定时的过渡过程实验，通过双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程曲线，反复变更RC阻容值，直至满意，并认真临模最满意的一组曲线于图2－3。
3．阶跃开关S2拨向下方，待电机停转后，将转速给定设定为1／2U*n。
重新阶跃起动进行低速、空载、突加给定时的过渡过程实验，通过双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程曲线。
4．阶跃开关S2拨向下方，电机停止后负载给定为零；
阶跃起动电机到额定转速直至稳定运行后，调节负载给定，使电枢电流Id＝Idnom；
尔后重复步骤2、3，完成带载突加给定起动时的过渡过程实验，并通过双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程，并认真临模高速时的一组曲线于图2－3。
5．分析比较图2－3讨论空载和带载起动过渡过程的异同。
6．通过左下面板的微机接口电路（DD01），接好微机系统，演示、存储、打印相应过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。
（未配置微机时可采用“存储示波器”，或将此项内容省略。
）
7．阶跃开关S2拨向下方。
待电机停转后，切除主电路，分断负载开关SG。
（五）转速、电流双闭环直流调速系统突加负载时的抗扰性研究
1．接好双踪示波器准备观察电流Id和转速n的过渡过程曲线；
闭合主电路，阶跃起动到给定转速直至稳定运行。
2．设定负载在恒转矩模式下为额定转矩，模式选择在2档与恒转矩档之间切换可实现负载的突加和突卸，反复切换（适当保持时间间隔），由双踪示波器观察突加和突卸负载时的电流和转速的过渡过程曲线并临模于图2－4。
图2－4突加和突卸负载时的过渡过程曲线
3．分析、讨论图2－4的过渡过程曲线，得出正确结论。
4*．通过左下面板的微机接口电路（DD01），接好微机系统，演示、存储、打印相应过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。
5．本实验台还可利用DA01单元的微分开关SM（拨向下方），实现转速微分负反馈。
若改变微分反馈，可调节电位器RPd。
6．实验完毕，将阶跃开关S2拨向下方，待电机停转后，依次切除主电路、控制电路和总电源。
六、思考题
1．电流环对于系统的静态和动态各有什么作用？
2．转速和电流闭环各自对负载扰动和电网电压波动有否调节能力？
3．转速、电流双闭环系统，在其它参数不变的条件下，若将电流反馈系数β减小一倍，系统的转速n和电枢电流Id各有何变化？
为什么？
4．转速、电流双闭环系统，在稳定运行的状态下，其电流反馈或转速反馈线突然断开，系统各发生什么变化？
实验三单相变压器的实验研究
1．熟悉单相变压器的组成及其铭牌数据。
2．通过空载试验和短路试验确定单相变压器的参数。
3．通过负载试验测定单相变压器的运行特性。
1．单相变压器电压比的实验测定。
2．单相变压器的空载试验。
3．单相变压器的短路试验。
4．单相变压器的负载试验。
1．实验台主体主电路。
2．自耦变压器（TT）。
3．数字万用表、单相功率表各1个，电压、电流表各2块等。
图4－1单相自耦变压器图4－2“电压比”的实验测定
“单相变压器”实验研究包括：
单相变压器“电压比”测定；
单相变压器的空载试验；
单相变压器的短路试验；
单相变压器的负载试验等。
所有“单相变压器”实验，其“试验电源”都需由“单相交流调压器”供电，这个“单相交流调压器”采用的是“单相自耦变压器TT”，如图4－1所示。
变压器的铁耗与“试验电源”的频率及波形有关，“试验电源”的频率应接近受试变压器的额定频率（允许偏差不超过1%），电源波形应为实际正弦波。
实验前应首先观察单相变压器的外形及其铭牌数据，这对于较大容量的变压器以及油浸变压器等尤为重要。
（一）单相变压器“电压比K”的实验测定
单相变压器“电压比K”的实验测定电路如图4－2所示，图中A、B分别与“单相自耦变压器TT”（图4－1）的输出端A、B相连。
实验开始前，应首先使“测试电源”的输出电压为零即调节“单相自耦变压器”，使其输出0。
1．由图4－2所示，“测试电源”由“单相自耦变压器”的A、B端接至受试变压器T（DP01）的低压线圈（u1－u2端），高压线圈（U1－U2端）开路。
2．经实验老师检查无误后，闭合交流主接触器KM，接通“测试电源”。
3．调节“测试电源”的输出，使其电压分别为受试变压器T的二次侧额定电压的30%、40%、50%左右。
4．用“万用表”分三次读取受试变压器T的低压线圈电压Uu1u2和高压线圈电压UU1U2，录于表4－1。
5．测试完毕，调节“测试电源”使其输出为零，并切断交流主接触器KM。
6．按表4－1数据，取三次K值平均值，得电压比K＝（K1＋K2＋K3）／3，
录于表4－1。
表4－1单相变压器“变比”的测定K＝
序号
Uu1u2（V）
UU1U2（V）
变比K＝UU1U2／Uu1u2
1
2
3
图4－3“空载”测试电路
（二）单相变压器的空载试验
“单相变压器”的空载测试电路如图4－3所示。
图中，受试变压器T（DP01）的低压线圈施加“测试电压”，即“测试电源”的A、B端接受试变压器T（DP01）的低压线圈（u1－u2端），高压线圈（U1－U2端）开路。
变压器空载电流I0≈（2.5%～10%）INOM，依此选择交流电流表和功率表的电流量程。
变压器空载运行时功率因数甚低，一般在0.2以下，应选低功率因数功率表测量功率，以减小测量误差。
1．按图4－3接线，经检查无误后，闭合交流主接触器KM，接通“测试电源”。
（KM闭合前务必将“测试电源”调至输出电压最小或为零，以免电流表、功率表的电流线圈在KM闭合时，因电流冲击而损坏。
图4－4空载特性曲线
2．调节“测试电源”的输出，使受试变压器T的二次侧电压（Uu1u2）为额定输出电压的1.2倍（1.2UNOM）。
3．逐次降低电压，依次测量空载电压U0（Uu1u2）、空载电流I0、空载损耗P0。
在空载电压U0＝（1.2～0.5）UNOM范围内，读取6～7组数据（包括U0＝UNOM点，在该点附近测量间隔应密一些），测量结果录于表4－2。
表4－2单相变压器的空载试验
序号
项目
4
5
6
7
U0（V）
I0（A）
P0（W）
4．测试完毕，调节“测试电源”使其输出为零，并切断交流主接触器KM。
5．变压器的空载特性曲线，包括空载电流特性和空载损耗特性，即：
I0=f（U0）；
P0=f（U0）
按此关系，根据表4－2数据，分别绘制变压器的空载电流特性和空载损耗特性曲线于图4－4。
根据空载特性曲线（图4－4），即可查出额定电压（U0＝U1NOM）时的空载电流I0和空载损耗P0，并由此按本文附录之三的方法计算变压器的励磁参数，即励磁电阻rm、励磁感抗Xm及其复数阻抗Zm。
（三）单相变压器的短路试验
“测试电源”的输出端A、B，接受试变压器T（DP01）的一次侧（U1－U2端），受试变压器T的二次侧（u1－u2端）经电流表短接，如图4－5所示。
变压器的短路电压约为（5%～10%）UNOM，为避免大的短路电流冲击，在
图4－5“短路”测试电路
接通电源前，务必将“测试电源”调至输出电压最小或为零。
1．按图4－5接线，经检查无误后，闭合交流主接触器KM，接通“测试电源”。
2．调节“测试电源”的输出，缓慢增加电压，使短路电流IK上升到1.1INOM。
3．在短路电流IK＝（1.1～0.5）INOM的范围内，依次测量短路功率PK、
短路电压UK及短路电流IK共4～5组数据（包括IK＝INOM），测量结果记录于表4－3。
本实验应尽快进行，以免因绕组发热引起温升，使其电阻增加而带来读数偏差。
4．国家规定油浸变压器的短路电阻值应换算到75°
时的数值。
因此，读数后应立即测量受试变压器周围的环境温度t°
并录于表4－3。
对于普通干式变压器则可以免此换算。
表4－3单相变压器变的短路试验t°
＝℃
IK（A）
UK（V）
PK（W）
图4－6短路特性曲线
6．变压器的短路特性曲线，包括短路电流特性和短路损耗特性，即：
Ik=f（Uk）；
Pk=f（Uk）
按此关系，根据表4－3数据，分别绘制短路电流特性和短路损耗特性曲线在图4－6中。
由此按本文附录之三的方法计算变压器的短路参数，即短路电阻rk、短路感抗Xk及其复数阻抗Zk。
（四）单相变压器的负载试验
变压器的“负载试验”电路如图4－7所示。
如图，受试变压器T（DP01）的一次绕组（U1－U2端）接测试电源A、B，二次绕组（u1－u2端）经刀开关Q1（DP10），与负载电阻RL或负载电感XL相连。
负载电阻RL也可改用灯泡负载。
负载性质的选择各校按照实验要求自行确定。
图4－7“负载”试验电路
1．按图4－7接线，“测试电源”调至输出电压最小或为零；
负载电阻RL务必调至阻值最大，断开刀开关Q1。
2．经检查无误后，闭合交流主接触器KM，接通“测试电源”电源。
3．调节“测试电源”的输出，缓慢增加电压至U1＝U1NOM。
4．保持U1＝U1NOM恒定，闭合刀开关Q1，减小负载电阻RL，即增大负载电流I2，使负载电流从零（I2＝0、U2＝U20）至额定值（I2NOM）的范围内，测量负载电流I2和二次侧电压U2，共读取5～6组数据（包括I2＝INOM点），录于表4－4。
表4－4单相变压器变的负载试验U1＝U1NOM＝V
U2（V）
I2（A）
6．若需进行非纯电阻而功率因数一定的负载实验，实验方法和线路与纯电
阻负载时相同，此时二次侧应该增加一个电抗器与负载电阻并联（或串联）组成感性负载。
7．受试变压器在纯电阻负载下的外特性（即负载特性）为：
U1＝U1NOM；
cosφ=1；
U2=f（I2）
按此关系，根据表4－4数据，在图4－8中绘制受试变压器在纯电阻负载下的外特性。
图4－8纯电阻负载的外特性曲线
根据“负载试验”数据，还可以计算单相变压器的运行特性，即额定负载功率因数为1时，受试变压器的电压变化率ΔU和效率η以及功率因数为1时的效率特性η=f（P2）。
此处从略，如有需要可参考附录之三的相关内容。
4－1．为什么要始终强调，在单相变压器实验测试前，应首先使“测试电源”的输出电压为零，测试开始时再缓慢升压？
4－2．在单相变压器空载和短路试验中，各种仪表应怎样联接，才能使测量误差最小？
4－3．用试验方法如何测定变压器的铁损和铜耗？
（参考附录有关内容。
4－4．变压器空载和短路时应注意哪些问题？
一般测试电源应接在低压侧还是高压侧比较合适？
为什么？
实验四交流电机调速系统研究
1．熟悉“转速闭环、转差频率控制的异步电动机变频调速系统”的组成及其工作原理。
2．进一步了解实
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