第七章 电气传动实验 1.docx

第七章 电气传动实验 1.docx

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第七章电气传动实验1

第七章电气传动控制系统实验

第一节晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定

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、实验设备

1、教学实验台主控制屏1个

2、负载组件1套

3、电机导轨及测速发电机1台

4、直流电动机1台

5、双踪示波器1台

6、万用表1台

三、背景知识

直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

由于直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。

因此，为了保持由浅入深的教学顺序，应该首先很好地掌握直流拖动控制系统。

晶闸管直流调速系统由三相调压器，晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机——发电机组等组成。

本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Uc作为触发器的移相控制电压，改变Uc的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。

工作原理图如图7-1所示。

图7-1晶闸管直流调速系统工作原理图

四、实验注意事项、实验内容与实验步骤

注：

（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）为防止电枢过大电流冲击，每次增加Ug须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回零位，以防过流。

（3）电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防电机过热。

1、电枢回路电阻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和整流装置的内阻Rn，即R=Ra+RL+Rn。

为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图7-2所示。

图7-2晶闸管直流调速系统电阻R测试线路图

（1）将变阻器Rd接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至最大。

测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。

（2）低压单元的G给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

调节触发电路及晶闸管主回路脉冲偏移电压电位器RP2，使=150°。

（3）电源控制屏的“三相交流电源”开关拨向“直流调速”。

合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出。

（4）调节G给定Ug使整流装置输出电压Ud=（30~70）Ued（可为110V），然后调整Rd使电枢电流为（80~90）Ied，读取电流表A和电压表V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）调节Rd，使电流表A的读数为40%Ied。

在Ud不变的条件下读取A，V表数值，则

Udo=I2R+U2

（6）求解两式，可得电枢回路总电阻

R=（U2-U1）/（I1-I2）。

（7）把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得

则电机的电枢电阻为

Ra=R-（RL+Rn）

（8）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

电枢电路总电感包括电机的电枢电感La，平波电抗器电感LL和整流变压器漏感LB，由于LB数值很小，可忽略，故电枢回路的等效总电感为

L=La+LL

电感的数值可用交流伏安法测定。

电动机应加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图7-2所示。

合上主电路电源开关，用电压表和电流表分别测出通入交流电压后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LL。

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

式中M—电动机的电磁转矩，单位为N.m;

ML负载转矩，空载时即为空载转矩MK，单位为N.m;

n电机转速，单位为r/min;

电机空载自由停车时，运动方程式为

故

（N.m2）

MK可由空载功率（单位为W）求出

dn/dt可由自由停车时所得曲线n=f（t）求得，其实验线路如图7-2所示。

（1）电动机M加额定励磁，低压单元的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

（2）合上主电路电源开关，调节Uct，将电机空载起动至稳定转速后，测取电枢电压Ud和电流IK。

（3）断开Uct，用记忆示波器拍摄曲线，即可求取某一转速时的MK和dn/dt。

由于空载转矩不是常数，可以转速n为基准选择若干个点（如1500r/min，1000r/min），测出相应的MK和dn/dt，以求取GD2的平均值。

表7-1电机为1500r/min

Ud（v）

IK（A）

dn/dt

PK

MK

GD2

表7-2电机为1000r/min

Ud（v）

IK（A）

dn/dt

PK

MK

GD2

4．主电路电磁时间常数T1的测定

根据已经测出的回路电阻和电感可计算出电磁时间常数。

T1＝L/R

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，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n，即可由下式算出Ce

Ce=Ke=（Ud2-Ud1）/（n2-n1）

Ce的单位为V/（r/min）

转矩常数（额定磁通时）CM的单位为N.m/A，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

由于Tm>>Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即

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63.2稳态值时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。

（1）测试时电枢回路中附加电阻应全部切除。

（2）低压单元的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

（3）合上主电路电源开关，电动机M加额定励磁。

（4）调节Uct，将电机空载起动至稳定转速1000r/min。

（5）保持Uct不变，断开主电路开关。

（6）待电机完全停止后，突然合上主电路开关，给电枢加电压，用数字示波器拍摄过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数。

7．测速发电机特性UTG=f（n）的测定

电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Uct，分别读取对应的UTG,n的数值若干组，即可描绘出特性曲线UTG=f（n）。

表7-3测速发电机特性曲线测定

n（r/min）

UTG（V）

五、思考题

1．晶闸管直流调速系统的动静态特性？

2．由Ks=f（Uct）特性,分析晶闸管装置的非线性现象。

第二节不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究

一、实验目的

1、研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作特性。

2、研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。

3、学习反馈控制系统的调试技术。

二、实验设备

1、教学实验台主控制屏1个

2、直流调速控制单元（1#实验板）1套

3、负载组件1套

4、电机导轨及测速发电机1台

5、直流电动机1台

6、双踪示波器1台

7、万用表1台

三、背景知识

单闭环直流调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

闭环系统能够减少稳态速降的实质在于它的自动调节作用，在于它能随着负载的变化而相应地改变电枢电压，以补偿电枢回路电阻压降。

速度单闭环直流调速系统又分为有静差和无静差调速系统。

从静特性分析中可以看出，由于电压放大器采用了比例放大器，闭环系统的开环放大系数K值越大，系统的稳态性能越好。

然而，Kp=常数，稳态速差就只能减小，却不可能消除。

因此，这样的调速系统叫做有静差调速系统。

实际上，这种系统正是依靠被调量的偏差进行控制的。

电压放大器采用比例积分放大器，则综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。

比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态偏差。

四、实验注意事项、实验任务与实验步骤

注：

（1）直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。

（2）接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7μF）。

（3）测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。

（4）三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

（5）系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

（6）改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

（7）双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

实验系统原理图和线路图如图7-3所示。

1、移相触发电路的调试（主电路未通电）

（1）用示波器观察触发电路及晶闸管主回路的双脉冲观察孔，应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V的双脉冲。

（2）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。

可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。

例如：

使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使α=30°。

2、求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性

（1）断开ASR的“9”至Uct的连接线，低压单元G（给定）直接加至Uct，且Ug调至零，直

图7-3不可逆单闭环晶闸管直流调速系统原理和线路图

流电机励磁电源开关闭合。

（2）电源控制屏的“三相交流电源”开关拨向“直流调速”。

合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出。

（3）调节给定电压Ug，使直流电机空载转速n0=1500转/分，调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压Ud，输出电流id以及被测电动机转速n。

表7-4开环调速系统机械特性测试

id（A）

Ud（V）

n（r/min）

3、带转速负反馈有静差系统工作静特性测试

（1）断开G（给定）和Uct的连接线，ASR的“9”输出接至Uct，把ASR的“5”、“6”点短接。

（2）合上主控制屏的绿色按钮开关。

（3）调节给定电压Ug至2V，调整转速变换器RP电位器，使被测电动机空载转速n0=1500转/分，调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3，使电机稳定运行。

（4）调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载范围内测取7～8点，读取Ud、id、n。

表7-5单闭环有静差调速系统静特性测试

id（A）

Ud（V）

n（r/min）

4．带转速负反馈无静差静调速系统工作特性测试

（1）断开ASR的“5”、“6”短接线，“5”、“6”端接可调电容，可预置7μF，使ASR成为PI（比例—积分）调节器。

（2）调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1500转/分。

在额定至空载范围内测取7～8个点。

表7-6单闭环无静差调速系统静特性测试

id（A）

Ud（V）

n（r/min）

五、思考题

1．系统在开环、有静差闭环与无静差闭环工作时，速度调节器ASR各工作在什么状态？

实验时应如何接线？

2．要得到相同的空载转速n0，亦即要得到整流装置相同的输出电压U，对于有反馈与无反馈调速系统哪个情况下给定电压要大些？

为什么？

3．在有转速负反馈的调速系统中，为得到相同的空载转速n0，转速反馈的强度对Ug有什么影响？

为什么？

4．如何确定转速反馈的极性与把转速反馈正确地接入系统中？

又如何调节转速反馈的强度，在线路中调节什么元件能实现？

第三节双闭环晶闸管不可逆直流调速系统

一、实验目的

1．了解双闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及各主要单元部件的原理。

2．熟悉电力电子及教学实验台主控制屏的结构及调试方法。

3．熟悉调速系统控制单元，触发电路及晶闸管主回路的结构及调试方法

4．掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。

二、实验设备

1、教学实验台主控制屏1个

2、直流调速控制单元（1#实验板）1套

3、负载组件1套

4、电机导轨及测速发电机1台

5、直流电动机1台

6、双踪示波器1台

7、万用表1台

三、实验系统组成及工作原理

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节器综合调节，由于调速系统调节的主要量为转速，故转速环作为主环放在外面，电流环作为副环放在里面，这样可抑制电网电压波动对转速的影响，实验系统的控制回路如图7-4所示。

系统工作时，先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电机的转速。

ASR,ACR均有限幅环节，ASR的输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅可达到限制起动电流的目的,ACR的输出作为移相触发电路的控制电压，利用ACR的输出限幅可达到限制min和min的目的。

当加入给定Ug后，ASR即饱和输出，使电动机以限定的最大起动电流加速起动，直到电机转速达到给定转速（即Ug=Ufn），并出现超调后，ASR退出饱和，最后稳定运行在略低于给定转速的数值上。

图7-4不可逆双闭环晶闸管直流调速系统原理和线路图

四、实验注意事项、实验任务与实验步骤

注：

（1）三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

（2）系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机

（3）改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

（4）进行闭环调试时，若电机转速达最高速且不可调，注意转速反馈的极性是否接错。

（5）双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

1、按图接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。

（1）用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲。

（2）检查相序，用示波器观察“1”，“2”脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。

（3）将控制一组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V-2V的脉冲。

2、双闭环调速系统调试原则

（1）先部件，后系统。

即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。

（2）先开环，后闭环，即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。

（3）先内环，后外环。

即先调试电流内环，然后调转速外环。

（4）先静态，后动态，即先进行静态性能指标测试，再进行动态性能调试。

3、速度调节器（ASR）的调试

（1）调整输出正、负限幅值速定。

“5”、“6”端接可调电容，使ASR调节器为PI调节器，加入一定的输入电压（由低压单元的G给定提供，以下同），将给定G输出Ug接到ASR调节器的输入端1端。

调整正、负限幅电位器RP1、RP2，使输出正负值等于5V。

（2）测定输入输出特性

将反馈网络中的电容短接（“5”、“6”端短接），使ASR调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。

（3）观察PI特性

拆除“5”、“6”端短接线，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。

反馈电容由外接电容箱改变数值。

4、电流调节器（ACR）的调试

（1）调整输出正,负限幅值

整定ACR限幅值需要考虑负载的情况，留有一定整流电压的余量。

ACR的“9”、“10”端接可调电容，使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，将给定G输出Ug接到调节器ACR的输入端3端，负给定调节ACR的RP1使a（min）=20度，此时的电压即为限幅值Uctm.

5、开环外特性的测定

（1）控制电压Uct由给定器Ug直接接入。

（2）使Ug=0，调节触发电路及晶闸管主回路挂箱中的“脉冲移相控制”中的“偏移电压”电位器，使α稍大于120度。

（3）电源控制屏的“三相交流电源”开关拨向“直流调速”。

合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有220V电压输出。

（4）逐渐增加给定电压Ug，使电机起动、升速，调节Ug和励磁If=100mA，使电机在额定负载和额定转速下运行。

再调节直流发电机的负载电阻RG，改变负载，在直流电机额定负载至空载范围，测取7～8点，读取电机转速n，电机电枢电流Id，即可测出系统的开环外特性n=f（Id）。

表7-7双闭环调速系统开环特性测试

n（r/min）

I（A）

注意，若给定电压Ug为0时，电机缓慢转动，则表明α太小，需后移

6、系统调试

将Ublf接地，Ublr悬空，即使用一组桥六个晶闸管。

（1）电流环调试

电动机不加励磁

①系统开环，即触发电路及晶闸管主回路中的控制电压Uct由低压单元中的G给定器Ug直接接入，将电阻负载中的电阻串入主回路并调至最大。

逐渐增加给定电压，用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。

在一个周期内，电压波形应有6个对称波头平滑变化。

②增加给定电压，减小主回路串接电阻Rd，直至Id=1.1Ied，再调节触发电路及晶闸管主回路挂箱上的电流反馈If电位器RP，使电流反馈电压Ufi近似等于速度调节器ASR的输出限幅值（ASR的输出限幅可调为±5V）。

③低压单元的G（负给定）输出电压Ug接至ACR的“3”端，电流反馈If接ACR的1脚，ACR的输出“7”端接至Uct，即系统接入已接成PI调节的ACR组成电流单闭环系统。

ACR的“9”、“10”端接可调电容，可预置1.5μF，同时。

逐渐增加给定电压Ug，使之等于ASR输出限幅值（+5V），观察主电路电流是否小于或等于1.1Ied，如Id过大，则应调整电流反馈If电位器，使Ufi增加，直至Id<1.1Ied；如Id

（2）速度变换器的调试

电动机加额定励磁。

①系统开环，即给定电压Ug直接接至Uct，Ug作为输入给定，逐渐加正给定，当转速n=1500r/min时，调节FBS（速度变换器）中速度反馈电位器RP，使速度反馈电压为+5V左右。

②速度反馈极性判断：

系统中接入ASR构成转速单闭环系统，即给定电压Ug接至ASR的第2端，ASR的第3端接至Uct。

调节Ug（Ug为负电压），若稍加给定，电机转速即达最高速且调节Ug不可控，则表明单闭环系统速度反馈极性有误。

但若接成转速—电流双闭环系统，由于给定极性改变，故速度反馈极性可不变。

7、系统特性测试

将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。

（1）ASR的调试　

①“5”、“6”端接入可调电容，预置1.5μF；

②调节RP1、RP2使输出限幅为±5V。

（2）机械特性n=f（Id）的测定

调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500r/min，再调节发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内分别记录7～8点，可测出系统静特性曲线n=f（Id）

表7-8双闭环调速系统静特性曲线测试

n（r/min）

I（A）

8．系统动态波形的观察

用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用数字示波器记录动态波形。

在不同的调节器参数下，观察，记录下列动态波形：

（1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。

（2）突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。

（3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。

注：

电动机电枢电流波形的观察可通过ACR的第“1”端

转速波形的观察可通过ASR的第“1”端

五、实验报告

1．根据实验数据，画出闭环控制特性曲线。

2．根据实验数据，画出闭环机械特性，并计算静差率。

3．根据实验数据，画出系统开环机械特性，计算静差率，并与闭环机械特性进行比较。

4．分析由数字示波器记录下来的动态波形。

第四节逻辑无环流可逆直流调速系统

一、实验目的：

1．了解并熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。

2．掌握各控制单元的原理，作用及调试方法。

3．掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试步骤和方法。

4．了解逻辑无环流可逆调速系统的静特性和动态特性。

二、实验设备：

1、教学实验台主控制屏1个

2、直流调速控制单元（1#实验板）1套

3、负载组件1套

4、电机导轨及测速发电机1台

5、直流电动机1台

6、双踪示波器1台

7、万用表1台

三、实验系统组成及工作原理

逻辑无环流系统的主回路由二组反并联的三相全控整流桥组成，由于没有环流，两组可控整流桥之间可省去限制环流的均衡电抗器，电枢回路仅串接一个平波电抗器。

控制系统主要由速度调节器ASR，电流调节器ACR，反号器AR，转矩极性鉴别器DPT，零电流检测器DPZ，无环流逻辑控制器DLC，触发器，电流变换器FBC，速度变换器FBS等组成。

其系统原理图如图7-5所示。

正向起动时，给定电压Ug为正电压，无环流逻辑控制器的输出端Ublf为”0”态，Ublr为”1”态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路正组可控整流桥工作，电机正向运转。

减小给定时，Ug

图7-5逻辑无环流可逆晶闸管直流调速系统原理和线路图

反向运行时，Ublf为”1”态，Ublr为”0”态，主电路反组可控整流桥工作。

无环流逻辑控制器的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变状态，Ublf为”0”态，Ublr为”1”态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆变，正转制动它桥逆变阶段，则Ublf为”1”态，Ublr为”0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。

由于逻辑控制器的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉冲环流。

四、实验注意事项、实验任务与实验步骤

注：

（1）实验时，应保证逻辑控制器工作；逻辑正确后才能使系统正反向切换运行。

（2）为了防止意外，可在电枢回路串联一定的电阻，如工作正常，则可随Ug的增大逐渐切除电阻。

1、按图7-4接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲