《电力拖动控制系统》实验指导书.docx

1、电力拖动控制系统实验指导书第一章MCL-型电机及控制教学实验台介绍一 、概 述1、特点（1）采用组件式结构，可根据不同内容进行组合，故结构紧凑，使用方便灵活，并且可随着功能的扩展只需增加组件即可，能在一套装置上完成电力电子学，电力拖动自动控制系统等课程的主要实验。（2）装置布局合理，外形美观，面板示意图明确，直观，学生可通过面板的示意查寻故障，分析工作原理。电机采用导轨式安装，更换机组简捷，方便，所采用的电机经过特殊设计，其参数特性能模拟3KW左右的通用实验机组，能给学生正确的感性认识。除实验控制屏外，还设置有实验用台，内可放置机组，实验组件等，并有可活动的抽屉，内可放置导线，工具等，使实验更

2、方便。（3）实验线路典型，配合教学内容，满足教学大纲要求。控制电路全部采用模拟和数字集成芯片，可靠性高，维修，检测方便。触发电路采用数字集成电路双窄脉冲。（4）装置具有较完善的过流、过压、RC吸收、熔断器等保护功能，提高了设备的运行可靠性和抗干扰能力。（5）面板上有多只发光极管指示每一个脉冲的有无和熔断器的通断。触发脉冲可外加，也可采用内部的脉冲触发可控硅，并可模拟整流缺相和逆变颠覆等故障现象。2、技术参数（1）输入电源： 380V 10% 50HZ1HZ（2）工作条件：环境温度：-5 400C 相对湿度：75% 海 拔：1000m（3）装置容量：1KVA（4）电机容量：200W（5）外形尺寸

3、：长1600mm X宽700mm（长1300mm X宽700mm）3、能开设的实验（1）晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 （2）晶闸管直流调速主要单元调试（3）不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究（4）双闭环晶闸管不可逆直流调速系统 （5）逻辑无环流可逆直流调速系统 （6）双闭环控制的直流脉宽调速系统(PWM) 4、组件配置4、1 实验机组：（1）直流电动机：PN = 185W，UN =220V，IN =1.1A，n =1500r/min（2）直流复励发电机M01：PN =100W，UN200V，IN0.5A，n1500/min4、2 实验挂箱（1）MCL01挂箱：G（给定），（GT+M

4、F）触发电路及功放，单双脉冲观察，(FBC+FA)电流反馈及过流过压保护。（2）MCL02挂箱：脉冲通断控制及显示，一组二组可控硅，平波电抗器。（3）MCL03挂箱：速度变换器(FBS)及速度调节器(ASR)，电流调节器(ACR)（4）MCL04挂箱：反号器(AR),转矩极性鉴别器(DPT),零电流检测器(DPZ),逻辑控制器(DLC)(5) MCL05挂箱：单结晶体管，正弦波，锯齿波同步触发电路（6）MCL06挂箱：单相并联逆变电路，直流斩波电路 (7) MEL02挂箱：三相芯式变压器 (8) MEL11挂箱：六组可调电容4、3 选配挂箱（1）MEL03挂箱：可调电阻器（2）电机导轨及测速发

5、电机： 直流发电机M01：PN=100W，UN=200V（3）电机导轨及测功机、测速发电机二 、MCL系统挂箱介绍和使用说明（一）MCL01挂箱MCL01由G（给定），零速封锁器（DZS），脉冲控制及移相，单、双脉冲观察孔，过流过压保护等部份组成。. G（给定）：原理图如图1-1。它的作用是得到下列几个阶跃的给定信号：（1）0V突跳到正电压，正电压突跳到0V；（2）0V突跳到负电压，负电压突跳到0V；（3）正电压突跳到负电压，负电压突跳到正电压。正负电压可分别由RP1、RP2两多圈电位器调节大小（调节范围为013V左右）。数值由面板右边的数显窗读出。只要依次扳动S1、S2的不同位置即能达到上述

6、要求。（1）若S1放在“正给定”位，扳动S2由“零”位到“给定”位即能获得0V突跳到正电压的信号，再由“给定”位扳到“零”位能获得正电压到0V的突跳；（2）若S1放在“负给定”位，扳动S2，能得到0V到负电压及负电压到0V的突跳；（3）S2放在“给定”位，扳动S1，能得到正电压到负电压及负电压到正电压的突跳。使用注意事项：给定输出有电压时，不能长时间短路，特别是输出电压较高时，否则容易烧坏限流电阻。2FBC+FA+FT（电流变送器与过流过压保护）：此单元有三种功能：一是检测电流反馈信号，二是发出过流信号，三是发出过压信号。电路图为1-2。（1）电流变送器电流变送器适用于可控硅直流调速装置中，与

7、电流互感器配合，检测可控硅变流器交流进线电流，以获得与变流器电流成正比的直流电压信号，零电流信号和过电流逻辑信号等。电流互感器的输出接至输入TA1，TA2，TA3，反映电流大小的信号经三相桥式整流电路整流后加至9R1、9R2、VD7及RP1、9R3、9R20组成的各支路上，其中：a9R2与VD7并联后再与9R1串联，在其中点取零电流检测信号。b将RP1的可动触点输出作为电流反馈信号，反馈强度由RP1进行调节。c将可动触点RP2与过流保护电路相联，输出过流信号，可调节过流动作电流的大小。（2）过流保护（FA）当主电路电流超过某一数值后(2A左右)，由9R3，9R20上取得的过流信号电压超过运算放

8、大器的反向输入端，使D触发器的输出为高电平，使晶体三极管V由截止变为导通，结果使继电器K的线圈得电，继电器K由释放变为吸引，它的常闭触点接在主回路接触器的线圈回路中，使接触器释放，断开主电路。并使发光二极管亮，作为过流信号指示，告诉操作者已经过流跳闸。SA为解除记忆的复位按钮，当过流动作后，如过流故障已经排除，则须按下以解除记忆，恢复正常工作。图1-2 电流变送器与过流保护原理图3零速封锁器（DZS）零速封锁器的作用是当调速系统处于静车状态，即速度给定电压为零，同时转速也确为零时，封锁调节系统中的所有调节器，以避免静车时各放大器零漂引起可控硅整流电路有输出使电机爬行的不正常现象。原理电路如图1

9、3所示。图13 零速封锁器它的总输入输出关系是：（1）当1端和2端的输入电压的绝对值都小于0.07 V左右时，则3端的输出电压应为0V；（2）当1端和2端的输入电压绝对值或者其中之一或者二者都大于0.2V时，其3端的输出电压应为15V；（3）当3端的输出电压已为15V，后因1端和2端的电压绝对值都小于0.07V，使3端电压由15V变为0V时，需要有100毫秒的延时。3端为OV时输入到各调节器反馈网络中的场效应管，使其导通，调节器反馈网络短路而被封锁，3端为15V时输入到上述场效应管使其夹断，而解除封锁。具体原理如下：它是由两个山形电平检测器和开关延时电路组成。（1）DZS前半部分别由线性集成电

10、路A1：A和A1：B组成二个山形电平检测器，山形电平极测器的输入输出特性如图14所示，输入电压是指1或2端送入的电压（S3放在封锁位），输出电压是指在4或5上得到的电压。调整参数到输出电压突跳的几个输入电压为：Ua=0.2V Ub=0.07V Uc=+0.07V Ud=+0.2V输出正向电压无限幅，约为+12V，输出负向电压用二极管VD9和VD10箝位到0.7V。（2）DZS的后关部为开关延时电路（a）当1和2端电压绝对值均小于0.07V，则4和5得到的电压都为+15V，高电平为“1”态，输入单与门4011，其输出10脚也为“1”态，二极管VD11截止，这样单与非门的输入为“1”态，输出3脚为

11、“0”态，VD12导通，使稳压管VST不能击穿，所以三极管VT1截止，从而3端输出为0V。（b）当1和2端电压绝对值或其中之一或二者都大于0.2V时，则在4和5上或者4为0.7V，或者5为0.7V，或者4、5均为0.7V，低电平为“0”态，三种情况输入D：C，其输出都为“0”态，VD11导通，接0V，D:A输入为“0”态，其输出为“1”态，使VD12截止，稳压管VST在30V的电压作用下而击穿，VT1饱和导通，可使3端输出为15V。（c）当已在（b）的情况，3端子输出为15V，此时D:C的输出为0V，D:A上输入电压接近0V。若要回到（a）的情部，则D：C的输出先由“0”态变成“1”态，VD1

12、1截止，D:A上输入上电压应为+15V，但电容C5二端电压不能突变，+15V电源通过R27对C5充电，C5电压逐步上升，上升到一定数值后D：A的输出由“1”态变为“0”态，从而使3端输出为0V，所以3端由15V变为0V有一延时时间，其延时长短取决于R27C5的充电回路时间常数。（d）钮子开关S3有二个位置，放在“封锁位”，用在调速系统正常工作的情况，即为上述分析情况，放在“解除位”，A1：A组成的山形电平检测器输入总是+15V，3端子电位总是15V，使各调节器解除封锁，以便单独调试调节器用。4电源输入输出端：面板下部的L1、L2、L3三接线柱表示三相电源的输入，U、V、W表示电源输出端。在进行

13、实验时，调压器的输出端接到L1、L2、L3，U、V、W接到可控硅或电机，在L1、U，L2、V，L3、W间接有电流互感器，L1、L2间接有电压互感器，当电流过大或电压过高时，过流保护和过压保护动作。使用注意事项：接到可控硅的电压必须从U、V、W引出，否则过流保护和过压保护不起作用。5FBS（速度变换器）速度变换器（FBS）用于转速反馈的调速系统中，将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压，作为速度反馈。其原理图如图15所示。使用时，将测速发电机的输出端接至速度变换器的输入端1和2。分两路输出。（1）一路经电位器RP2至转速表，转速表(02000n/s)已装在电机导轨

14、上。（2）另一路经电阻及电位器RP，由电位器RP中心抽头输出，作为转速反馈信号，反馈强度由电位器RP的中心抽头进行调节，由电位器RP输出的信号，同时作为零速封锁反映转速的电平信号。元件RP装在面板上。 6ASR（速度调节器）速度调节器ASR的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法，减法，比例，积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。其原理图如图1-6所示。 转速调节器ASR也可当作电压调节器AVR来使用。速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。电路运算放大器具有开环放大倍数

15、大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。图1-7中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。RP1为放大系数调节电位器。元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。7ACR（电流调节器）电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入

16、信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。以使其输出量按某种予定规律变化。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推信号，来自电流变换器的过流信号U，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为

17、正时，V4管（PNP型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。MCL-33挂箱：MCL33由脉冲控制及移相，双脉冲观察孔，一组可控硅，二组可控硅及二极管，RC吸收回路，平波电抗器L组成。本实验台提供相位差为60O，经过调制的“双窄”脉冲（调制频率大约为310KHz），触发脉冲分别由两路功放进行放大，分别由Ublr和Ublf进行控制

18、。当Ublf接地时，第一组脉冲放大电路进行放大。当Ublr接地时，第二组脉冲放大电路进行工作。脉冲移相由Uct端的输入电压进行控制，当Uct端输入正信号时，脉冲前移，Uct端输入负信号时，脉冲后移，移相范围为1001600。偏移电压调节电位器RP调节脉冲的初始相位，不同的实验初始相位要求不一样。使用注意事项：单双脉冲及同步电压观察孔在面板上俱为小孔，仅能接示波器，不能输入任何信号。1. 脉冲控制。面板上部的档直键开关控制接到可控硅的脉冲，1、2、3、4、5、6分别控制可控硅VT1、VT2、VT3、VT4、VT5、VT6的触发脉冲，当直键开关按下时，脉冲断开，弹出时脉冲接通。 2. 一桥可控硅由

19、六只5A800V组成。3. 二桥可控硅由六只5A800V构成，另有六只5A800V二极管。4. RC吸收回路可消除整流引起的振荡。当做调速实验时需接在整流桥输出端。平波电抗器可作为电感性负载电感使用，电感分别为50mH、100mH、200mH、700mH, 在1A范围内基本保持线性。使用注意事项：外加触发脉冲时，必须切断内部触发脉冲。三MCL34挂箱MCL34为逻辑无环流可逆直流调速专用挂箱。由AR(反号器)、DPT（转矩器性鉴别器）、DPZ（零电流检测器）、DLC(逻辑控制器）构成。1AR（反号器）反号器AR由运算放大器及有关电阻组成，如图1-8所示。用于调速系统中信号需要倒相的场合。反号器

20、的输入信号由运算放大器的反相端接入，故输出电压为 USC = -（RP+R3）/R1调节RP的可动触点，可改变RP的数值，使RP+R3 = R1，则USC = -USR，输入与输出成倒相关系。元件RP装在面板上。 2DPT（转矩极性鉴别器）转矩极性鉴别器为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化；它是一个模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平转换成逻辑运算所需的“0”、“1”状态信号。其原理图如图19（a）所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图19（b）所示，具有继电特性。调节同相输入端电位器可以改变继电特性相对于零点的位置。特性的回环宽度为Uk=Usr2-Usr1=K1(Uscm2-

21、Uscm1)式中K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越大，Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压；Uscm2和Uscm1分别为正向和负向饱和输出电压。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.20.6V，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统运作迟钝。3DPZ（零电流检测器）零电流检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电流检测，其原理图和输入输出特性分别如图1-10（a）和1-10（b）所示。4DLC（逻辑控制器）逻辑控制器适用于直流电动机可控硅无环流反并联供电的调压调速系统中，它对转矩极性指令和主回

22、路零电流信号进行逻辑运算，切换加于正组桥或反组桥可控硅整流装置上的触发脉冲。逻辑电路除了功率输出级外，全部采用CMOS集成化与非门电路组成。对于与非门电路来说，只有当输入端全部为“1”信号（高电平）时，其输出才为零（低电平）；只要输入端中任一个“0”信号，其输出便为“1”信号。其原理图如图1-11所示。DLC主要由逻辑判断电路，延时电路，逻辑保护电路，推环节等组成。 A. 逻辑判断环节 逻辑判断环节的任务是根据转矩极性电平检测器和零电流电平检测器的输出UM和UI状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换（由UM是否变换状态决定）及切换条件是否具备（由UI是否由“0”态变“1”态决定）。即

23、当UM变换后，零电流检测器检测到主电路电流过零（UI =“1”）时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态必须相反。B延时环节 要使正，反两组整流装置安全，可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF后。经关断等待时间t1(3ms)和触发等待时间t2(10ms)之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，电路中VD1、C1, VD2、C2起t1的延时作用，VD3、C3,、VD4、C4起t2的延时作用。C逻辑保护环节 逻辑保护环节也称多一保护环节。当逻辑电路发生故障时，UZ、UF的输出同时为”1”状态，逻辑控制器两个输出端Ublr和

24、Ublf全为”0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路环流事故。加入逻辑保护环节后，当UZ、UF全为”1”状态时，使逻辑保护环节输出”A”点电位变为”0”，使Ublf和Ublr都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路环流事故。D推环节 在正，反桥切换时，逻辑控制器中D2:10输出”1” 状态信号，将此信号送入ACR的输入端作为脉冲后移推指令，从而可避免切换时电流的冲击。E功率放大输出环节由于与非门输出功率有限，为了能可靠推动脉冲门或, 故加了由V1和V2_组成的功率放大级,由逻辑信号ULK1或ULK2进行控制,或为“通”，或“断”来控制触发脉冲门或触发脉冲门。四MCL05挂箱MCL-

25、05挂箱为触发电路专用挂箱，其中有单结晶体管，正弦波，锯齿波同步移相触发电路。面板左上方装有同步变压器原边组的接线柱，下有“触发选择开关”，可根据需要选择“单结管”，“正弦波”，“锯齿波”等触发电路。当外加同步电压220V为时，通过触发电路选择直键开关可选择输出至单结管触发电路, 正弦波触发电路，锯齿波触发电路的同步电压分别为60V, 15, 7V1单结晶体管触发电路 由单结晶体管V3，整流稳压环节，及由V1,V2等组成的等效可变电阻等组成，其原理图如图1-12所示。图1-12 单结晶体管触发电路由同步变压器副边输出60V的交流同步电压，经全波整流，再由稳压管VST1,VST2进行削波，而得到

26、梯形波电压，其过零点与晶闸管阳极电压的过零点一致，梯形波通过R7,V2向电容C2充电，当充电电压达到单结晶体管的峰点电压时，单结晶体管V3导通，从而通过脉冲变压器输出脉冲。同时C3经V3放电，由于时间常数很小，Uc2很快下降至单结晶体管的谷点电压,V3重新关断，C2再次充电。每个梯形波周期，V3可能导通，关断多次，但只有第一个输出脉冲起作用。电容C2的充电时间常数由等效电阻等决定，调节RP3的滑动触点可改变V1的基极电压，使V1,V2都工作在放大区，即等效电阻可由RP1来调节，也就是说一个梯形波周期内的第一个脉冲出现时候（控制角）可由RP1来调节。元件RP1装有面板上，同步信号已在内部接好。2

27、正弦波同步触发电路 正弦波同步触发电路由同步移相和脉冲形成放大等环节组成，其原理图如图1-13所示。3锯齿波同步移相触发电路锯齿波同步移相触发电路由同步检测，锯齿波形成，移相控制，脉冲形成，脉冲放大等环节组成，其原理图如图1-14所示。元件RP装在面板上 ，同步变压器副边已在内部接好。五MCL06使用说明MCL06为单相并联逆变和直流斩波器专用挂箱。1单相并联逆变触发电路以555集成时基电路为基础振荡电路，通过双D触发器二分频得到相位差180O的触发脉冲, 经三极管V1,V2功率放大后交替触发主电路的两个晶闸管。振荡频率由电位器RP进行调节，555的输出”3”接至4013的CLK端，输出为相位

28、相差180O的脉冲。单相并联逆变触发电路原理图见图1-15.2斩波器主电路 图116所示的是一脉宽可调的逆阻型斩波器，晶闸管VT1为主晶闸管，VT2为辅助晶闸管，用来控制输出电压的脉宽，C和L1组成换流振荡环节。3UPW（脉宽调制器）脉宽调制器UPW的第一级为由幅值比较电路和积分电路组成的一个频率和幅值均可调的锯齿波发生器。电位器RP2用来调节锯齿波的幅值，电位器RP1用来调节锯齿波的频率。电路如图1-17所示。由第二比较器产生的方波接至电路的输入端，则在方波的前沿和后沿分别产生两个脉冲，如图所示，其后沿脉冲随方波的宽度变化而移动，前沿脉冲相位则保持不变。将此两脉冲通过功放级送至面板上的主晶闸

29、管和辅助晶闸管，其中前沿脉冲送主晶闸管VT1，后沿脉冲送辅助晶闸管VT2。实验三 单闭环有静差调速实验(验证性实验)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。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。二预习要求1了解速度调节器在比例工作与比例积分工作时的输入输出特性。2弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。三实验线路及原理见图2-7。四实验设备及仪表1MCL系列教学实验台主控制屏。2MCL18组件（适合MCL)或MCL31组件（适合MCL）。3MCL33(A)组件或MCL53组件。4MEL-11挂箱5MEL03三相可调电

30、阻（或自配滑线变阻器）。6电机导轨及测速发电机、直流发电机M01（或电机导轨及测功机、MEL13组件）。7直流电动机M03。8双踪示波器。五注意事项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7F）。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电源开关闭合时，过流保护发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1即可正常工作。6系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。7起动电

31、机时，需把MEL-13的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。8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。9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。六实验内容1移相触发电路的调试（主电路未通电）（a）用示波器观察MCL33（或MCL53，以下同）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1V2V的双脉冲。（b）触发电路输出脉冲应在3090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=90；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使=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。a断开ASR的“3”至Uct的连接线，G（给定）直接加至Uct，且Ug调