电力拖动自动控制系统课程设计指导书Word文档格式.docx

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（5）能够运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理，解决实验中遇到的问题。

（6）能够综合实验数据，解释实验现象，编写设计报告。

本设计介绍了，直流调速系统实验可选择双闭环晶闸管不可逆直流调速系统设计方法和设计过程以及参数整定。

1-2设计前的准备

设计准备即为设计的预习阶段，是保证设计能否顺利进行的必要步骤。

每次设计前都应先进行预习，从而提高设计质量和效率，否则就有可能在设计时不知如何下手，浪费时间，完不成设计要求，甚至有可能损坏设计装置。

因此，设计前应做到：

（1）复习教材中与设计有关的内容，熟悉与本次设计相关的理论知识。

（2）阅读本教材中的设计指导，了解本次设计的目的和内容；

掌握本次实

验系统的工作原理和方法；

明确设计过程中应注意的问题。

（3）写出预习报告，其中应包括设计系统的详细接线图、设计步骤、数据记录表格等。

（4）进行设计分组，一般情况下，直流调速系统设计的设计小组为每组2～3人。

1-3设计实施

　在完成理论学习、设计预习等环节后，就可进入设计实施阶段。

设计时要做到以下几点：

（1）设计开始前，指导教师要对学生的预习报告作检查，要求学生了解本次设计的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许设计。

（2）指导教师对设计装置作介绍，要求学生熟悉本次设计使用的设计设备、仪器，明确这些设备的功能与使用方法。

（3）按设计小组进行设计，设计小组成员应进行明确的分工，以保证设计操作协调，记录数据准确可靠，各人的任务应在设计进行中实行轮换，以便设计参加者能全面掌握设计技术，提高动手能力。

（4）按预习报告上的设计系统详细线路图进行接线，一般情况下，接线次序为先主电路，后控制电路；

先串联，后并联。

在进行调速系统设计时，也可由2人同时进行主电路和控制电路的接线。

（5）完成设计系统接线后，必须进行自查。

串联回路从电源的某一端出发，按回路逐项检查各仪表、设备、负载的位置、极性等是否正确;

并联支路则检查其两端的连接点是否在指定的位置。

距离较远的两连接端必须选用长导线直接跨接，不得用2根导线在设计装置上的某接线端进行过渡连接。

（6）设计时，应按设计教材所提出的要求及步骤，逐项进行设计和操作。

除作阶跃启动试验外,系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位；

测试记录点的分布应均匀；

改接线路时，必须断开主电源方可进行。

设计中应观察设计现象是否正常，所得数据是否合理，设计结果是否与理论相一致。

（7）完成本次设计全部内容后，应请指导教师检查设计数据、记录的波形。

经指导教师认可后方可拆除接线，整理好连接线、仪器、工具，使之物归原位。

1-4设计总结

设计的最后阶段是设计总结，即对设计数据进行整理、绘制波形和图表、分析设计现象、撰写设计报告。

每位设计参与者都要独立完成一份设计报告，设计报告的编写应持严肃认真、实事求是的科学态度。

如设计结果与理论有较大出入时，不得随意修改设计数据和结果，不得用凑数据的方法来向理论靠拢，而是用理论知识来分析设计数据和结果，解释设计现象，找出引起较大误差的原因。

设计报告的一般格式如下:

（1）设计名称、专业、班级、设计学生姓名、同组者姓名和设计时间。

（2）设计目的、设计线路、设计内容。

（3）设计设备、仪器、仪表的型号、规格、铭牌数据及设计装置编号。

（4）设计数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。

（5）画出与设计数据相对应的特性曲线及记录的波形。

（6）用理论知识对设计结果进行分析总结，得出明确的结论。

（7）对设计中出现的某些现象、遇到的问题进行分析、讨论，写出心得

体会，并对设计提出自己的建议和改进措施。

（8）设计报告应写在一定规格的报告纸上，保持整洁。

（9）每次设计每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。

设计安全操作规程

为了顺利完成电力电子技术及电机控制设计，确保设计时人身安全与设备可靠运行要严格遵守如下安全操作规程：

1、在设计过程时，绝对不允许设计人员双手同时接到隔离变压器的两个输出端，将人体作为负载使用。

2、为了提高学生的安全用电常识，任何接线和拆线都必须在切断主电源后方可进行。

3、为了提高设计过程中的效率，学生独立完成接线或改接线路后，应仔细再次核对线路，并使组内其他同学引起注意后方可接通电源。

4、如果在设计过程中发生过流告警，应仔细检查线路以及电位器的调节参数，确定无误后方能重新进行设计。

5、在设计中应注意所接仪表的最大量程，选择合适的负载完成设计，以免损坏仪表、电源或负载。

6、电源控制屏以及各挂件所用保险丝规格和型号是经我们反复设计选定的，不得私自改变其规格和型号，否则可能会引起不可预料的后果。

7、在完成电流、转速闭环设计前一定要确保反馈极性是否正确，应构成负反馈，避免出现正反馈，造成过流。

8、除作阶跃起动试验外，系统起动前负载电阻必须放在最大阻值，给定电位器必须退回至零位后，才允许合闸起动并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。

9、在直流电机启动时，要先开励磁电源，后加电枢电压。

在完成设计时，要先关电枢电压，再关励磁电源。

第二章概述

课程的性质和任务：

本课程是工业电气自动化本科专业学生学习完《直流调速系统》或《电力拖动控制系统》课程后进行的一个重要的独立性实践教学环节。

其任务是通过设计双闭环直流调速系统的全过程，培养学生综合应用所学的直流调速知识去分析和解决工程实际问题的能力，帮助学生巩固、深化和拓展知识面，使之得到一次较全面的设计训练。

为毕业设计和实际工程设计奠定基础。

转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是自动控制系统的一种典型系统。

这种调速系统只有调节器，即速度调节器（ST）电流调节器（LT），两个调节器作串级连接，其中把速度调节器（ST）的输出信号信号作为电流调节器（LT）的输入信号，从而形成一环套一环的转速、电流双闭环结构。

这种转速、电流双闭环调速系统，在突加转速给定信号的过渡过程中表现为一个恒电流加速系统，而在稳态和接近稳态的运行中又表现为一个无静差调速系统，因此各项性能指标较系统开环时提高许多。

本此课程设计的目的就是同学们在调试，设计一个典型的调速系统后，能够掌握自控系统调试，设计的方法，步骤及其调试原则，加强同学们的动手能力和对理论知识的理解。

自控系统调试所遵循的原则：

（1）先部分，后系统。

即首先对系统的各个单元进行调试，然后再对整个系统进行调试。

（2）先开环，后闭环即首先进行开环调试，然后再对系统闭环进行调试。

（3）先内环，后外环。

即首先对内环进行调试（如在本此调试中就应先对电流调节器（LT）调试）,然后再对外环进行调试。

（如本此调试中对速度调节器（ST）的调试）

本此系统调试是在DJDK-1型可控硅直流调速设计装置上进行。

整个调试完成后要求系统达到以下指标：

a.转速超调量小于10％

b.带额定负载时的起动时间小于2秒

c.电流超调量小5％

d.系统静差率小于5％

e.系统调速范围大于5

f.系统动态速降小于5％

g.系统恢复时间小于0.5秒

注：

a、b、c、d、e为空载实验；

f和g为满载到空载或空载到满载实验。

第三章单元调试

一、调试前的准备

目的：

通过系统的原理图和安装图，熟悉系统结构及元器件的分布情况，同时对系统进行初步检查。

步骤：

1．熟悉图纸资料。

2．记录设备参数。

3．结合图纸检查设备：

（1）外观检查：

熟悉设备的安装位置，检查设备的外观是否完好，即检查设备各紧固件有无松动，设备外壳有无名显变形，设备有无受潮及其它异常现象。

（2）连线检查：

检查设备各抽屉内的连线有无脱落，抽屉与抽屉之间，抽屉与面板之间的连线及各个接地点是否可靠接通。

（3）检查设备的绝缘情况：

用摇表（500伏）检查主回路上各个设备的绝缘电阻，要求各设备的绝缘电阻至少大于0.5兆欧。

需检查的设备及部位：

a.直流电动机各出线端对其机壳的绝缘电阻；

b.直流电动机饶组间的绝缘电阻；

c.直流发电机各出线端对其机壳的绝缘电阻；

d.直流发电机饶组间的绝缘电阻；

e.设备主回路各相之间，以及各相接线端对设备外壳的绝缘电阻。

注意：

a.不能用摇表来测量控制回路；

b.只能在不通电的情况下检查设备的绝缘电阻；

c.检查设备的绝缘电阻应在设备没连线进行的；

d.摇表指针回零后，应立即停止测量，以免损坏摇表。

二、操作回路的检查

1．目的：

检查主回路及控制回路是否正常

2．步骤：

（1）按照原理图给设备接好三相电源。

（2）打开三相变流桥路面板图（DJK02）、三相触发电路面板图（DJK02-1）、DJK04面板看是否正常。

（3）合上电源，看主回路和操作回路指示灯是否正常。

三、DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试

1、目的：

保证每个可控硅在整个移相范围的导通角度都相同。

2、为保证每只可控硅在整移相范围内都能可靠地被触发导通，触发单元（DJK02和DJK02-1）发出的触发脉冲应满足以下技术指标：

（1）触发脉冲的幅度应在4－10伏之间

（2）触发脉冲的宽度应在20度左右（双触发脉冲情况下）

（3）触发脉冲上升沿的时间应小于10微妙

（4）触发脉冲的移相范围应在240度左右

（5）无触发脉冲时，触发电路的输出电压小于0.2伏

3、调试步骤

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DJK06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=150°

。

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。

具体整定方法可参照《电力电子技术实验指导书》。

（9）触发电路最小控制角αmin和最小逆变角βmin的整定

αminβmin过小都会产生较大的冲击，容易造成事故，故一般αmin=βmin=30度。

对三相可控硅不可逆调速系统，αmin=30度，βmin=90度。

在三相可控硅不可逆调速系统中，电流调节器（LT）的输出信号被用来作为三相可控硅桥式整流电路移相电压（UK），故对最小控制角αmin的限制实际上就是对电流调节器（LT）的最大正输出信号的限制，而对最小逆变角βmin的限制就是对电流调节器（LT）的最小负输出信号的限制。

具体整定方法可参照触发电路初始相位整定。

在这只需把αmin=30度，βmin=90度时的移相电压（UK）值都记录下来作为以后整定电流调节器（LT）输出限幅值的依据。

四、电流调节器（LT）的调试直流电机开环外特性的测定

（1）Uct不变时的直流电机开环外特性的测定

①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。

②先闭合励磁电源开关，按下DJK01“电源控制屏”启动按钮，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。

③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）

（2）Ud不变时直流电机开环外特性的测定

①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。

②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。

③改变负载电阻R，使电机的电枢电流从Ied直至空载。

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：

五、基本单元部件调试

①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=0.9Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。

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：

Ug＇

Uctmax=0.9Ug＇

将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。

②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=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β=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α=Ufn/n=0.004V/（rpm）。

（5）转速单闭环直流调速系统

①按图5-7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。

②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。

③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）。

（6）电流单闭环直流调速系统

①按图5-8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。

②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。

③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）。

第四章参数测量与计算

本次课程设计中的参数计算主要指两个调节器的PID参数计算,进行参数计算所需数据的一部分是通过单元调试和实际测量获得,其余部分数据可以从图纸和资料中获取.

一、系统参数测量

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。

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）

图5-2伏安比较法实验线路图

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）

　　　　　　（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

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