1、实验三 单闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的(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。二、实验所需挂件及附件序号 型 号 备 注1 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” 、 “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。
2、5 DJK08 可调电阻、电容箱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 慢扫描示波器 自备11 万用表 自备三、实验线路及原理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
3、”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压U ct，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，
4、经放大后，得到移相控制电压U ct，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5-7 转速单闭环系统原理图图5-8 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
5、电压U ct，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5-9 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
6、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。四、实验内容(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。五、预习要求(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?六、实验方法(1)DJK0
7、2和DJK02-1上的“触发电路”调试 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。将DJK01“电源控制屏”上“调速电源选择开关”拨至“直流调速”侧。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。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。将DJK04上的“给定”输出U g直接与DJK02-1上的移相控制电压U ct相接，将给定
8、开关S2拨到接地位置（即U ct=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=120(注意此处的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)。适当增加给定U g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。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。将DJK02-1面板上的U lf端接地，用20
9、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VT1VT6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按图5-1的接线图接线，DJK02-1上的移相控制电压U ct由DJK04上的“给定”输出U g直接接入，直流发电机接负载电阻R，L d用DJK02上200mH，将给定的输出调到零。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U g，使电动机慢慢启动并使转速 n 达到1200r
10、pm。改变负载电阻R的阻值，使电动机的电枢电流从空载直至I ed。即可测出在U ct不变时的直流电动机开环外特性n = f(I d)，测量并记录数据于下表：n（rpm）Id（A）(3)Ud不变时直流电机开环外特性的测定控制电压U ct由DJK04的“给定”U g直接接入，直流发电机接负载电阻R，L d用DJK02上200mH,将给定的输出调到零。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U g，使电动机启动并达到1200rpm。改变负载电阻R，使电动机的电枢电流从空载直至I ed。用电压表监视三相全控整流输出的直流电压U d，在实验中始终保持U d不变(通过不断的调节D
11、JK04上“给定”电压U g来实现)，测出在U d不变时直流电动机的开环外特性n =f(I d)，并记录于下表中：n（rpm）Id（A）(4)基本单元部件调试移相控制电压U ct调节范围的确定 直接将DJK04“给定”电压U g接入DJK02-1移相控制电压U ct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察U d的波形。当给定电压U g由零调大时，U d将随给定电压的增大而增大，当U g超过某一数值时，此时U d接近为输出最高电压值U d，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为U dmax=0.9Ud，调节U g使得“三相全控整流”输出等于Udmax，此时将对应的U g
12、的电压值记录下来，U ctmax= Ug，即U g的允许调节范围为0U ctmax。如果我们把输出限幅定为U ctmax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U g于下表中：UdUdmax=0.9 UdUctmax=Ug将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。调节器的调整A、调节器的调零 将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻40K接到“调节器I”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”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
13、RP3，使之输出电压尽可能接近于零。将DJK04中“调节器II”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“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。B、 正负限幅值的调整 把“调节器I”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I成为PI (比例积分)调节器，将“ 调节器I”的所有输入端的接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端。当加+5V的正给
14、定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零；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，使调节器I的输出正限幅为U ctmax。把“调节器II”的“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”所有输入端的接地线去掉，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，使之输出电压尽可能接近于零。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，使调节器II的输出正限幅为U ctmax。C、电流反馈系数的整
15、定 直接将“给定”电压U g接入DJK02-1移相控制电压U ct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U d=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I d=l.3A时，“2”端I f的的电流反馈电压U fi=6V，这时的电流反馈系数= U fi/Id= 4.615V/A。D、转速反馈系数的整定 直接将“给定”电压U g接DJK02-1上的移相控制电压U ct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，L d用DJK02上的200mH，输出给定调到零。按下启动
16、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“转速变换”上转速反馈电位器RP1，使得该转速时反馈电压U fn=-6V，这时的转速反馈系数=U fn/n =0.004V/(rpm)。E、电压反馈系数的整定直接将控制屏上的励磁电压接到电压隔离器的“1、2”端，用直流电压表测量电压隔离器的输入电压U d，根据电压反馈系数=6V/220V=0.0273，调节电位器RP1使电压隔离器的输出电压恰好为Ufn= U d。(5)转速单闭环直流调速系统按图5-7接线，在本实验中，DJK04的“给定”电压U g为负给定，转速反馈为正电压，将“调节器I”接成P（比例）调节器或PI（
17、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。直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压U g，使电动机的转速接近n=l200rpm。由小到大调节直流发电机负载R，测出电动机的电枢电流I d，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(I d)。n（rpm）Id（A）(6)电流单闭环直流调速系统按图5-8接线，在本实验中，给定U g为负给定，电流反馈为正电压，将“调节器II”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，L d用DJK02上200mH，将给定输出调到零。直流发电机先轻载，从零开始逐渐调
18、大“给定”电压U g，使电动机转速接近n=l200rpm。由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的I d和n，直至最大允许电流(该电流值由给定电压决定)，即可测出系统静态特性曲线n =f(I d)。n（rpm）Id（A）(7)电压单闭环直流调速系统按图5-9接线，在本实验中，给定U g为负给定，电压反馈为正电压，将“调节器I”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，L d用DJK02上200mH，将给定输出调到零，在“电压隔离器”输出端“3”与地之间并联6uF电容(从DJK08获得)。直流发电机先轻载，从零开始逐渐调大“给定”电压U g，使电动机转速接近n=l20
19、0rpm。由小到大调节直流发电机负载R，测定相应的I d和n，直至电动机I d=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(I d)。n（rpm）Id（A）七、实验报告(1)根据实验数据，画出U ct不变时直流电动机开环机械特性。(2)根据实验数据，画出U d不变时直流电动机开环机械特性。(3)根据实验数据，画出转速单闭环直流调速系统的机械特性。(4)根据实验数据，画出电流单闭环直流调速系统的机械特性。(5)根据实验数据，画出电压单闭环直流调速系统的机械特性。 (6)比较以上各种机械特性，并做出解释。八、思考题(l)P调节器和PI调节器在直流调速系统中的作用有什么不同?(2)实验中，如何确定转速
20、反馈的极性并把转速反馈正确地接入系统中?调节什么元件能改变转速反馈的强度?(3)改变“调节器I”和“调节器II”上可变电阻、电容的参数，对系统有什么影响？九、注意事项(1)双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上
21、同时观察到两个信号，而不发生意外。(2)电机启动前，应先加上电动机的励磁，才能使电机启动。在启动前必须将移相控制电压调到零，使整流输出电压为零，这时才可以逐渐加大给定电压，不能在开环或速度闭环时突加给定，否则会引起过大的启动电流，使过流保护动作，告警，跳闸。(3)通电实验时，可先用电阻作为整流桥的负载，待确定电路能正常工作后，再换成电动机作为负载。(4)在连接反馈信号时，给定信号的极性必须与反馈信号的极性相反，确保为负反馈，否则会造成失控。(5)在完成电压单闭环直流调速系统实验时，由于晶闸管整流输出的波形不仅有直流成分，同时还包含有大量的交流信号，所以在电压隔离器输出端必须要接电容进行滤波，否则系统必定会发生震荡。(6)直流电动机的电枢电流不要超过额定值使用，转速也不要超过 1.2 倍的额定值。以免影响电机的使用寿命，或发生意外。(7)DJK04 与 DJK02-1 不共地，所以实验时须短接 DJK04 与 DJK02-1 的地。
