晶闸管直流调速的系统参数和环节特性的测定
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3秒自动关闭窗口第一章实验一 实验一直流电机调速系统实验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 1 2 3 4 5 6 7 8 9
10 11 型 DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1 三相晶闸管触发电路 DJK04 电机调速控制实验 I DJK08 可调电阻、电容箱 DD03-3 电机导轨p光码盘测速 系统及数显转速表 DJ13-1 直流发电机 DJ15 直流并励电动机 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 万用表 自备 自备 该挂件包含“触发电路” 、“正反桥功放”等几个模块。 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。 号 备 注该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。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”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct，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，经放大后，得到移相控制电压Uct，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。 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，得到移相控制电压Uct，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。1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。2图5-9 电压单闭环系统原理图 五、预习要求 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)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 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DJK04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=120°(注意此处的α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 (注意此处的α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， 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 30° 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°)。 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。 ⑧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。 (2)Uct不变时的直流电机开环外特性的测定 ①按图5-1的接线图接线，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③改变负载电阻R的阻值， 使电动机的电枢电流从空载直至Ied。 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） (3)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，使电动机的电枢电流从空载直至Ied。用电压表监视三相全控整流输出的直流电压Ud，在实验 中始终保持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： n（rpm） Id（A） (4)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超过某一数值时，此时Ud接近为 输出最高电压值Ud＇，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud＇，调节Ug使得“三相全控 整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug＇的电压值记录下来，Uctmax= Ug＇，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： U d＇ Udmax=0.9 Ud＇ Uctmax=Ug＇ 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“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Uctmax。 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。4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， 端If的的电流反馈电压Ufi=6V， “2” 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“转速变换”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)。 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Ud，根据电 压反馈系数γ=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= Udγ。 (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“调节器I”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)。 n（rpm） Id（A） (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“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，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(Id)。 n（rpm） Id（A） (7)电压单闭环直流调速系统 ①按图5-9接线，在本实验中，给定Ug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，Ld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)。 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)。 n（rpm） Id（A） 七、实验报告 (1)根据实验数据，画出Uct不变时直流电动机开环机械特性。 (2)根据实验数据，画出Ud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?5(2)实验中，如何确定转速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。6实验二 实验二一、实验目的双闭环不可逆直流调速系统实验(1)了解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)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。 (3)研究调节器参数对系统动态性能的影响。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 型 号 备 注DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1 三相晶闸管触发电路 DJK04 电机调速控制实验 I DJK08 可调电阻、电容箱 DD03-3 电机导轨、 光码盘测速 系统及数显转速表 DJ13-1 直流发电机 DJ15 直流并励电动机 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 万用表该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。 该挂件包含“触发电路” 、“正反桥功放”等几个模块。 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”等几个模块。 、自备 自备三、实验线路及原理 许多生产机械，由于加工和运行的要求，使电动机经常处于起动、制动、反转的过渡过程中，因此起动和制动 过程的时间在很大程度上决定了生产机械的生产效率。为缩短这一部分时间，仅采用PI调节器的转速负反馈单闭环 调速系统，其性能还不很令人满意。双闭环直流调速系统是由速度调节器和电流调节器进行综合调节，可获得良好 的静、动态性能（两个调节器均采用PI调节器），由于调整系统的主要参量为转速，故将转速环作为主环放在外面， 电流环作为副环放在里面，这样可以抑制电网电压扰动对转速的影响。实验系统的原理框图组成如下： 启动时，加入给定电压Ug，“速度调节器”和“电流调节器”即以饱和限幅值输出，使电动机以限定的最大启 动电流加速启动，直到电机转速达到给定转速(即Ug =Ufn)，并在出现超调后，“速度调节器”和“电流调节器”退 出饱和，最后稳定在略低于给定转速值下运行。 系统工作时，要先给电动机加励磁，改变给定电压Ug的大小即可方便地改变电动机的转速。“速度调节器”、 “电流调节器”均设有限幅环节，“速度调节器”的输出作为“电流调节器”的给定，利用“速度调节器”的输出 限幅可达到限制启动电流的目的。“电流调节器”的输出作为“触发电路”的控制电压Uct，利用“电流调节器”的 输出限幅可达到限制αmax的目的。 在本实验中DJK04上的“调节器I”做为“速度调节器”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)各控制单元调试。 (2)测定电流反馈系数β、转速反馈系数α。 (3)测定开环机械特性及高、低转速时系统闭环静态特性n=f(Id)。 (4)闭环控制特性n=f(Ug)的测定。 (5)观察、记录系统动态波形。7图5-10 双闭环直流调速系统原理框图 五、预习要求 (1)阅读电力拖动自动控制系统教材中有关双闭环直流调速系统的内容，掌握双闭环直流调速系统的工作原理。 (2)理解PI（比例积分）调节器在双闭环直流调速系统中的作用，掌握调节器参数的选择方法。 (3)了解调节器参数、反馈系数、滤波环节参数的变化对系统动、静态特性的影响。 六、思考题 (1)为什么双闭环直流调速系统中使用的调节器均为PI调节器? (2)转速负反馈的极性如果接反会产生什么现象? (3)双闭环直流调速系统中哪些参数的变化会引起电动机转速的改变?哪些参数的变化会引起电动机最大电流的 变化? 七、实验方法 (1)双闭环调速系统调试原则 ①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。 ②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后，才可组成闭环系统。 ③先内环，后外环，即先调试电流内环，然后调试转速外环。 ④先调整稳态精度，后调整动态指标。 (2)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 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DJK04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°(注意此处的α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 (注意此处的α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， 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° 后者滞后30 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°)。 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。8⑧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。 (3)控制单元调试 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超过某一数值时，此时Ud接近为 输出最高电压值Ud＇，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud＇，调节Ug使得“三相全控 整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug＇的电压值记录下来，Uctmax= Ug＇，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： U d＇ Udmax=0.9 Ud＇ Uctmax=Ug＇ 将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。 ②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120K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RP3，使之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， 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。 ③调节器正、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，使调节器成 为PI (比例积分)调节器，将“调节器I”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的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，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，使之输出电压尽可能接近于零。 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”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I的输出正限幅为Uctmax。 ④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， 端If的的电流反馈电压Ufi=6V， “2” 这时的电流反馈系数β= Ufi/Id= 4.615V/A。 ⑤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“转速变换”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)。 (4)开环外特性的测定 ①DJK02-1控制电压Uct由DJK04上的给定输出Ug直接接入， “三相全控整流” 电路接电动机， d用DJK02上的200mH， L 直流发电机接负载电阻R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零。 使电机启动升速， 转速到达1200rpm。 ②按下启动按钮， 先接通励磁电源， 然后从零开始逐渐增加 “给定” 电压Ug， ③增大负载(即减小负载电阻R阻值)，使得电动机电流Id=Ied，可测出该系统的开环外特性n =f（Id），记录于下 表中：9n（rpm） Id（A） 将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实验。 (5)系统静特性测试 ①按图5-10接线， DJK04的给定电压Ug输出为正给定，转速反馈电压为负电压，直流发电机接负载电阻R，Ld用 DJK02上的200mH，负载电阻放在最大值，给定的输出调到零。将“调节器I”、“调节器II”都接成P（比例）调节 器后，接入系统，形成双闭环不可逆系统，按下启动按钮，接通励磁电源，增加给定，观察系统能否正常运行，确 认整个系统的接线正确无误后，将“调节器I”，“调节器II”均恢复成PI（比例积分）调节器，构成实验系统。 ②机械特性n =f(Id)的测定 A、发电机先空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机转速接近n=l200rpm，然后接入发电机负载电阻R， 逐渐改变负载电阻，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)，并记录于下表中： n（rpm） Id（A） B、降低Ug，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中： n（rpm） Id（A） C、闭环控制系统n=f(Ug)的测定 调节Ug及R，使Id=Ied、n= l200rpm，逐渐降低Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n = f(Ug)。 n（rpm） Ug（V） (6)系统动态特性的观察 用慢扫描示波器观察动态波形。在不同的系统参数下(“调节器I”的增益和积分电容、“调节器II”的增益和 积分电容、“转速变换”的滤波电容)，用示波器观察、记录下列动态波形: ①突加给定Ug，电动机启动时的电枢电流Id(“电流反馈与过流保护”的 “2”端)波形和转速n( “转速变换” 的“3” 端)波形。 ②突加额定负载(20%Ied?100%Ied)时电动机电枢电流波形和转速波形。 ③突降负载(100%Ied?20%Ied)时电动机的电枢电流波形和转速波形。 八、实验报告 (1)根据实验数据，画出闭环控制特性曲线n =f(Ug)。 (2)根据实验数据，画出两种转速时的闭环机械特性n =f(Id)。 (3)根据实验数据，画出系统开环机械特性n =f(Id)，计算静差率，并与闭环机械特性进行比较。 (4)分析系统动态波形，讨论系统参数的变化对系统动、静态性能的影响。 九、注意事项 (1)参见本章实验三的注意事项。 (2)在记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再 用数字存储示波器或记忆示波器记录动态波形。10实验三 实验三逻辑无环流可逆直流调速系统实验一、实验目的 (1)了解、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直流调速系统的调试步骤和方法。 (4)了解逻辑无环流可逆直流调速系统的静态特性和动态特性。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 型 DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1 三相晶闸管触发电路 DJK04 电机调速控制实验 I DJK04-1 电机调速控制实验 II DJK08 可调电阻、电容箱 DD03-3 电机导轨、 光码盘测速 系统及数显转速表 DJ13-1 直流发电机 DJ15 直流并励电动机 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 万用表 自备 自备 该挂件包含“触发电路” 、“正反桥功放”等几个模块。 该挂件包含“给定”“调节器 I”“调节器 II”“转速变 、 、 、 换”“反号器”“电流反馈与过流保护”等几个模块。 、 、 该挂件包含“转矩极性检测”“零电平检测”和“逻辑控 、 制”等几个模块。 号 备 注该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。三、实验线路及原理 在此之前的晶闸管直流调速系统实验，由于晶闸管的单向导电性，用一组晶闸管对电动机供电，只适用于不可 逆运行。而在某些场合中，既要求电动机能正转，同时也能反转，并要求在减速时产生制动转矩，加快制动时间。 要改变电动机的转向有以下方法，一是改变电动机电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向。由于电枢回路 的电感量比励磁回路的要小，使得电枢回路有较小的时间常数。可满足某些设备对频繁起动，快速制动的要求 。 本实验的主回路由正桥及反桥反向并联组成，并通过逻辑控制来控制正桥和反桥的工作与关闭，并保证在同一 时刻只有一组桥路工作,另一组桥路不工作，这样就没有环流产生。由于没有环流,主回路不需要再设置平衡电抗器， 但为了限制整流电压幅值的脉动和尽量使整流电流连续，仍然保留了平波电抗器。 该控制系统主要由“速度调节器”、“电流调节器”、“反号器”、“转矩极性鉴别”、“零电平检测”、“逻 辑控制”、“转速变换”等环节组成。其系统原理框图如图5-10所示。 正向启动时，给定电压Ug为正电压，“逻辑控制”的输出端Ulf为“0”态，Ulr为“1”态，即正桥触发脉冲开通， 反桥触发脉冲封锁，主回路“正桥三相全控整流”工作，电机正向运转。 当Ug反向，整流装置进入本桥逆变状态，而Ulf、Ulr不变，当主回路电流减小并过零后，Ulf、Ulr 输出状态转换， Ulf为“1”态， Ulr为“0”态，即进入它桥制动状态，使电机降速至设定的转速后再切换成反向电动运行;当Ug=0时， 则电机停转。 反向运行时，Ulf为“1”态，Ulr为“0”态，主电路“反桥三相全控整流”工作。 “逻辑控制”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，Ulf为“0” 态，Ulr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Ulf为“1” 态，Ulr为“0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。由于“逻辑控制”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动环流。11图5-11逻辑无环流可逆直流调速系统原理图在本实验中DJK04上的“调节器I”做为“速度调节器”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)控制单元调试。 (2)系统调试。 (3)正反转机械特性n =f(Id) 的测定。 (4)正反转闭环控制特性n =f(Ug)的测定。 (5)系统动态特性的观察。 五、预习要求 (1)阅读电力拖动自动控制系统教材中有关逻辑无环流可逆调速系统的内容， 熟悉系统原理图和逻辑无环流可逆 调速系统的工作原理。 (2)掌握逻辑控制器的工作原理及其在系统中的作用。 六、思考题 (1)逻辑无环流可逆调速系统对逻辑控制有何要求? (2)思考逻辑无环流可逆调速系统中“推β”环节的组成原理和作用如何? 七、实验方法 (1)逻辑无环流调速系统调试原则 ①先单元、后系统，即先将单元的参数调好，然后才能组成系统。 ②先开环、后闭环，即先使系统运行在开环状态，然后在确定电流和转速均为负反馈后才可组成闭环系统。 ③先双闭环、后逻辑无环流，即先使正反桥的双闭环正常工作，然后再组成逻辑无环流。 ④先调整稳态精度，后调动态指标。 (2)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 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。12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DJK04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°(注意此处的α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 (注意此处的α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， 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 30° 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°)。 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。 ⑧将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正、反桥触发脉冲输出”端和DJK02“正、 反桥触发脉冲输入” 端相连， 分别将DJK02正桥和反桥触发脉冲的六个开关拨至 “通” 观察正桥VT1～VT6和反桥VT1'～ ， VT6'的晶闸管的门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。 (3)控制单元调试 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超过某一数值时，此时Ud接近为 输出最高电压值Ud＇，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为Udmax=0.9Ud＇，调节Ug使得“三相全控 整流”输出等于Udmax，此时将对应的Ug＇的电压值记录下来，Uctmax= Ug＇，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： U d＇ Udmax=0.9 Ud＇ Uctmax=Ug＇ 将给定退到零，再按“停止”按钮，结束步骤。 ②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120K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II“7”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。 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， 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。 ③调节器正、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的正给定电压时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V；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，使之输出电压为+6V。 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”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，使调节器的输出正限幅为Uctmax。 ④“转矩极性鉴别”的调试 “转矩极性鉴别”的输出有下列要求: 电机正转，输出UM为“1”态。 电机反转，输出UM为“0”态。 将DJK04中的给定输出端接至DJK04-1的“转矩极性鉴别”的输入端，同时在输入端接上万用表以监视输入电压 的大小，示波器探头接至“转矩极性鉴别”的输出端，观察其输出高、低电平的变化。“转矩极性鉴别”的输入输 出特性应满足图1-27a所示要求，其中Usr1=-0.25V，Usr2=+0.25V。 ⑤“零电平检测”的调试13其输出应有下列要求: 主回路电流接近零，输出UI为“1”态。 主回路有电流，输出UI为“0”态。 其调整方法与 “转矩极性鉴别” 的调整方法相同， 输入输出特性应满足图1-27b所示要求， 其中Usr1=0.2V， sr2=0.6V。 U ⑥“反号器”的调试 A、调零（在出厂前反号器已调零，如果零漂比较大的话，用户可自行将挂件打开调零），将反号器输入端“1” 接地，用万用表的毫伏档测量“2”端，观察输出是否为零，如果不为零，则调节线路板上的电位器使之为最小值。 B、测定输入输出的比例，将反号器输入端“1”接“给定”，调节“给定”输出为5V电压，用万用表测量“2” 端，输出是否等于-5V电压，如果两者不等，则通过调节RP1使输出等于负的输入。再调节“给定”电压使输出为-5V 电压，观测反号器输出是否为5V。 ⑦“逻辑控制”的调试 测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表： 输入 输出 UM UI UZ（Uｌｆ） UF（Uｌｒ） 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0调试方法： A、首先将“零电平检测”“转矩极性鉴别”调节到位，符合其特性曲线。给定接“转矩极性鉴别”的输入端， 、 输出端接“逻辑控制”的 Um。 “零电平检测”的输出端接“逻辑控制”的 UI,输入端接地。 B、将给定的 RP1、RP2 电位器顺时针转到底，将 S2 打到运行侧。 C、将 S1 打到正给定侧，用万用表测量“逻辑控制”的“3”“6”和“4”“7”端， 、 、 、 “3”“6”端输出应为高电 平， 、 “4”“7”端输出应为低电平，此时将 DJK04 中给定部分 S1 开关从正给定打到负给定侧，则“3”“6”端输出 、 从高电平跳变为低电平， 、 “4”“7”端输出也从低电平跳变为高电平。在跳变的过程中的“5” ，此时用示波器观测应 出现脉冲信号。 D、将“零电平检测”的输入端接高电平，此时将DJK04中给定部分S1开关来回扳动， “逻辑控制”的输出应无变 化。 ⑧转速反馈系数α和电流反馈系数β的整定 直接将给定电压Ug接入DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，整流桥接电阻负载，测量负载电流和电流反馈电 压，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，“电流反馈与过流保护”的 “2”端电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β= Ufi/Id= 4.615V/A。 直接将“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”电路接直流电动机作负载，测 量直流电动机的转速和转速反馈电压值，调节“转速变换”上的转速反馈电位器RP1，使得n =150Orpm时，转速反馈 电压Ufn=-6V，这时的转速反馈系数α =Ufn/n =0.004V/(rpm)。 (4)系统调试 根据图5-11接线，组成逻辑无环流可逆直流调速实验系统，首先将控制电路接成开环（即DJK02-1的移相控制电 压Uct由DJK04的“给定”直接提供），要注意的是Ulf,Ulr不可同时接地，因为正桥和反桥首尾相连，加上给定电压时， 正桥和反桥的整流电路会同时开始工作，造成两个整流电路直接发生短路，电流迅速增大，要么DJK04上的过流保护 报警跳闸，要么烧毁保护晶闸管的保险丝，甚至还有可能会烧坏晶闸管。所以较好的方法是对正桥和反桥分别进行 测试：先将DJK02-1的Ulf接地，Ulr悬空，慢慢增加DJK04的“给定”值，使电机开始提速，观测“三相全控整流”的 输出电压是否能达到250V左右（注意：这段时间一定要短，以防止电机转速过高导致电刷损坏 注意： 注意 这段时间一定要短，以防止电机转速过高导致电刷损坏）；正桥测试好后将 DJK02-1的Ulr接地，Ulf悬空，同样慢慢增加DJK04的给定电压值，使电机开始提速，观测整流桥的输出电压是否能达 到250V左右。 开环测试好后，开始测试双闭环，Ulf和Ulr同样不可同时接地。DJK02-1的移相控制电压Uct由DJK04“调节器II” 的“11”端提供，先将DJK02-1的Ulf接地，Ulr悬空，慢慢增加DJK04的给定电压值，观测电机是否受控制（速度随给 定的电压变化而变化）。正桥测试好，将DJK02-1的Ulr接地，Ulf悬空，观测电机是否受控制（注意:转速反馈的极性 注意: 注意 必须互换一下，否则造成速度正反馈 电机会失控）。开环和闭环中正反两桥都测试好后，就可以开始逻辑无环流 度正反馈， 必须互换一下，否则造成速度正反馈，电机会失控 的实验。 (5)机械特性n =f(Id)的测定14当系统正常运行后，改变给定电压，测出并记录当n分别为1200rpm、800rpm时的正、反转机械特性n=f(Id)，方 法与双闭环实验相同。实验时，将发电机的负载R逐渐增加（减小电阻R的阻值），使电动机负载从轻载增加到直流 并励电动机的额定负载Id =1.1A。记录实验数据： 正转： 正转： n（rpm） Id（A） n（rpm） Id（A） 反转： 反转： N（rpm） Id（A） n（rpm） Id（A） (6)闭环控制特性n=f(Ug)的测定 从正转开始逐步增加正给定电压，记录实验数据 n（rpm） Ug（V） 从反转开始逐步增加负给定电压，记录实验数据 n（rpm） Ug（V） (7)系统动态波形的观察 用双踪慢扫描示波器观察电动机电枢电流Id和转速n的动态波形，两个探头分别接至“电流反馈与过流保护”的 “2”端和“转速变换”的“3”端。 ①给定值阶跃变化(正向启动→正向停车→反向启动→反向切换到正向→正向切换到反向→反向停车)时的Id、n 的动态波形。 ②改变调节器I和调节器II的参数，观察动态波形的变化。 八、实验报告 (1)根据实验结果，画出正、反转闭环控制特性曲线n =f(Ug)。 (2)根据实验结果，画出两种转速时的正、反转闭环机械特性n =f(Id)，并计算静差率。 (3)分析调节器I、调节器II参数变化对系统动态过程的影响。 (4)分析电机从正转切换到反转过程中，电机经历的工作状态，系统能量转换情况。 九、注意事项 (1)参见本章实验三的注意事项。 (2)在记录动态波形时，可先用双踪慢扫描示波器观察波形，以便找出系统动态特性较为理想的调节器参数，再 用数字储存式示波器记录动态波形。 (3)实验时，应保证“逻辑控制”工作逻辑正确后才能使系统正反向切换运行。 (4)DJK04、DJK04-1与DJK02-1不共地，所以实验时须短接DJK04、DJK04-1与DJK02-1的地。 800 015实验四 双闭环控制可逆直流脉宽调速系统（ 实验四 双闭环控制可逆直流脉宽调速系统（H 桥）一、实验目的 (1)了解转速、电流双闭环可逆直流 PWM 调速系统的组成、工作原理及各单元的工作原理。 (2)掌握双闭环可逆直流 PWM 调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。 (3)测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能指标。 二、实验所需要挂件及附件 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 型号 DJK01 控制屏 DJK08 可调电阻电容箱 DJK09 单相调压与可调负载 DJK17 双闭环 H 桥 DC/DC 变换直流调速系统 DD03-3 电机导轨、光码盘测速系统及数显 转速表 DJ13-1 直流并励发电机 DJ15 直流并励电动机 D42 可调电阻 慢扫描示波器 万用表 三、实验线路及原理 自备 自备 提供直流电源 备注 该挂件包含“三相电源输出”等几个模块。图 5-13 双闭环 H 桥 DC/DC 变换直流调速系统原理框图 速度给定信号G，速度调节器ASR，电流调节器ACR，控制PWM信号产生装置UPM，DLD单元把一组PWM波形分成两组 相差180°的PWM波，并产生一定的死区，用于控制两组臂；GD的作用是形成四组隔离的PWM驱动脉冲；PWM为功率放 大电路，直接给电动机M供电；DZS是零速封锁单元；FA限制主电路瞬时电流，过流时封锁DLD单元输出；电流反馈调 节单元CFR；速度反馈调节SFR。 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)各单元电路的调试。 (3)测定闭环的静特性 n = f ( I d )(n = 1200rpm, n = 800rpm, n = 400rpm) 。 思考题： 五、思考题： (1)正反转有什么不同？16(2)测定开环机械特性 n = f ( I d )(n = 1200rpm, n = 800rpm, n = 400rpm) 。(2)脉宽调速系统和晶闸管移相控制的调速系统相比，调试过程有什么异同？ (3)脉宽调速系统和晶闸管移相控制的调速系统相比有什么优点？ 六、实验方法 (1)系统单元调试 ①速度调节器(ASR)和电流调节器(ACR)的调零 把调节器的输入端 1、2、3 全部接地，4、5 之间接 50K 电阻，调节电位器 RP3，使“7” 端输出绝对值小于 1mv。 ②速度调节器(ASR)和电流调节器(ACR)的输出限幅值的整定 在调节器的 3 个输入中的其中任一个输入接给定，在 4.、5 之间接 50K 电阻、1uF 电容，调节给定电位器，使 调节器的输入为-1V，调节电位器 RP1，使调节器的输出 7 为+4V（输出正限幅值） ；同样把给定调节为+1V，调节 RP2， 把负限幅值调节为-4V。 ③零速度封锁器（DZS）观测 首先把零速封锁器的输入悬空，开关 S1 拨至“封锁”状态，输出接速度或者电流调节器的零速封锁端 6，无论 调节器的输入如何调节，输出 7 始终为零。把面板上的给定输出接至零速封锁单元其中一路，另一路悬空，增大给 定，测量零速封锁单元输出端 3：给定的绝对值大于 0.26V 左右时，封锁端 3 输出-15V；减小给定，给定的绝对值 小于 0.17V 左右时，封锁端 3 输出+15V。把给定加到另一路进行同样的操作。 (2)脉宽发生单元的整定和观测 把电机、直流电源等接入系统，系统接成开环，脉宽发生单元的输入悬空或者接地，调节偏移电压电位器，使 电机处于停止状态（若要达到更好的闭环效果，调节偏移电压电位器，使通过电枢的直流电流低于 0.02mA）用双踪 示波器观测脉宽发生单元的测试点 1、2 和 3、4 的波形，此时的 1、2（3、4）的占空比接近相同（占空比为 50%左 右） 。观测同一组桥臂（1、2 或者 3、4）之间的死区。 (3)转速反馈调节器（SFR） 、电流反馈调节器（CFR）的整定： 把电机、 220V 直流电源接入系统， 系统接成开环。 把正给定接入脉宽发生单元， 调节给定， 使转速稳定在 1600rpm， 调节转速反馈调节器中的 RP1，使 3 端输出的电压为-4V。加大负载，使电机的电枢电流稳定在 1.3A，调节电流反馈 调节器，使电流反馈调节器 3 端输出的电压为+4V。 (4)开环机械特性测试： 把电机、直流电源，接入系统，电动机、发电机加额定励磁。缓慢增加给定电压 Ug,使电机升速,调节给定电压 Ug 和负载 Rg 使电动机(DJ15)的电枢电流 Id=1.1A,转速达到 1200rpm。 在测试过程中逐步增大负载电阻 Rg 的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环外特性 n=f（I2） ，将其记入 下面的表格： n(rpm) I(A) 然后将电机反转，增加给定 Ug（负给定）使电机反向升速，调节给定电压 Ug 和负载 Rg 使电动机(DJ15)的电枢 电流 Id=1.1A,转速分别达到-1200rpm。 在测试过程中逐步增大负载电阻 Rg 的阻值（即减小负载）就可测出该系统的开环外特性 n=f（I2） ，将其记入 下面的表格： n(rpm) I(A) (5)闭环系统调试及闭环静特性测定 ①机械特性 n=f（Id）的测定 直流电压输入为 300V 的情况下，发电机输出首先空载，从零开始逐渐调大给定电压 Ug，使电动机转速接近 1200rpm，然后在发电机的电枢绕组接入负载电阻 Rg，逐渐增大电动机负载（即减小负载的电阻值） ，直至电动机的 电枢电流 Id=1.1A，即可测出系统静态特性，测定 n=f（Id）并记录于下表中：17Id(A) n(rpm) n(rpm) n(rpm) 改变电机的转向，重复上述的步骤： Id(A) n(rpm) n(rpm) n(rpm) 再降低给定电压 Ug，再测试 800rpm 的静态特性曲线，记录于下表中： Id(A) n(rpm) n(rpm) n(rpm) 改变电机的转向，重复上述的步骤： Id(A) n(rpm) n(rpm) n(rpm) ②闭环控制系统 n=f（Ug）的测定 调节 Ug 及 R，使 I=Ied，n=1200rpm，逐渐降低 Ug，直至 Ug=0V，在变换的过程中记录 Ug 和 n，即可测出控制 特性 n=f（Ug） n(rpm) Ug(V) 将电机反转，I=Ied，n=1200rpm n(rpm) Ug(V) 调节 Ug 及 R，使 Id=0.5Ied，n=1200rpm，逐渐降低 Ug，直至 Ug=0V，在变换过程中记录 Ug 和 n，即可测出闭 环控制特性 n=f(Ug) n(rpm) Ug(V) 将电机反转，Id=0.5Ied，n=1200rpm n(rpm) Ug(V) ④动态波形观察： 给定值阶跃变化：正向启动→正向停车，反向启动→反向停车，正转直接切换到反转，反转直接切换到正转。 用示波器观测 n = f (t ) ， I d = f (t ) 的波形。 波形。 七、实验报告18电动机分别稳定运行于正、负 n=1200rpm，突加、突减负载（20% I N 和 100% I N ）时的 n = f (t ) ， I d = f (t ) 的(1)按照实验方法记录的波形描述导通臂与关断臂切断状态时的控制逻辑原则。 (2)画出上述实验中记录的各工作特性曲线 n=f（zd） ，并比较它们的静差率。 (3)画出闭环控制特性曲线 n=f（Ug） 。 注意事项： 八、注意事项： (1)要注意先后顺序，通电时的先打开实验箱的电源，再加高压直流电源；断电的时候先切断高压直流电源，再 关断实验箱电源。 (2)在送高压电源之前，先把给定调至最低。 (3)实验时候需要注意电机的额定电压，额定电流，额定转速，不能超过以免出现电机损坏。19第二章 变频原理实验三相正弦波脉宽度调制（ 实验一 三相正弦波脉宽度调制（SPWM）变频原理实验 ）一、实验目的 (1)掌握 SPWM 的基本原理和实现方法。 (2)熟悉与 SPWM 控制有关的信号波形。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 型 DJK01 电源控制屏 DJK13 三相异步电动机变频调速控制 双踪示波器 万用表 号 备 注 该挂件包含“三相电源输出”等几个模块。三、实验方法 (1)接通挂件电源，关闭电机开关，调制方式设定在 SPWM 方式下（将控制部分 S、V、P 的三个端子都悬空） ，然 后开启电源开关。 (2)点动“增速”按键，将频率设定在 0.5Hz，在 SPWM 部分观测三相正弦波信号（在测试点“2、3、4”，观测 ） 三角载波信号（在测试点“5”，三相 SPWM 调制信号（在测试点“6、7、8”；再点动“转向”按键，改变转动方向， ） ） 观测上述各信号的相位关系变化。 (3)逐步升高频率，直至到达 50Hz 处，重复以上的步骤。 (4)将频率设置为 0.5HZ～60HZ 的范围内改变，在测试点“2、3、4”中观测正弦波信号的频率和幅值的关系。 四、实验报告 (1)画出与 SPWM 调制有关信号波形，说明 SPWM 的基本原理。 (2)分析在 0.5HZ～50Hz 范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。 (3)分析在 50HZ～60Hz 范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。20实验二 三相马鞍波脉宽调制变频原理实验一、实验目的 (1)通过实验，掌握马鞍波脉宽调制的原理及其实现方法。 (2)熟悉与马鞍波脉冲宽度调制有关的信号波形。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 型 DJK01 电源控制屏 DJK13 三相异步电动机变频调速控制 双踪示波器 万用表 号 备 注 该挂件包含“三相电源输出”等几个模块。三、实验原理 马鞍波 PWM 调制技术是 VVVF 变频器中经常采用的技术，这种技术主要是通过对基波正弦信号注入三次谐波，形 成马鞍波。采用马鞍波做为参考波信号进行 PWM 调制，与 SPWM 调制方式相比，马鞍波调制的主要特点是电压较高， 调制比可以大于 1，形成过调制。 四、实验方法 (1)接通挂件电源，关闭电机开关，并将调制方式设定在马鞍波方式下（将控制部分 V、P 两端用导线短接，S 端悬空） ，然后打开电源开关。 (2)点动“增速” 按键， 将频率设定在 0.5Hz。 用示波器观测 SPWM 部分的三相正弦波信号（在测试点“2、3、4”， ） 三角载波信号（在测试点“5”，三相 SPWM 调制信号（在测试点“6、7、8”；再点动“转向”按键，改变转动方向， ） ） 再观测上述各信号的相位关系的变化。 (3)逐步升高频率，直至 50Hz 处，重复以上的步骤。 (4)将频率设置为 0.5Hz～60Hz 的范围内改变，在测试点“2、3、4”观测马鞍波信号的频率和幅值的关系。 五、实验报告 (1)画出与马鞍波调制 PWM 有关的主要信号波形，说明马鞍波 PWM 调制的基本原理。 (2)为什么采用马鞍波调制后的 PWM 输出电压比采用正弦波脉宽调制的 PWM 输出电压有较高的基波电压分量？ 六、注意事项 由于马鞍波 PWM 调制技术是在正弦波脉宽调制（SPWM）的基础上发展而来，其调制的原理与正弦波脉宽调制完 全一致。故与正弦波脉宽调制共用其波形测试点。21实验三 三相空间电压矢量 SVPWM 变频原理实验一、实验目的 (1)通过实验，掌握空间电压矢量控制方式的原理及其实现方法。 (2)熟悉与空间电压矢量控制方式有关的信号波形。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 型 DJK01 电源控制屏 DJK13 三相异步电动机变频调速控制 双踪示波器 万用表 号 备 注 该挂件包含“三相电源输出”等几个模块。三、实验方法 (1)接通挂件电源，关闭电机开关，并将调制方式设定在空间电压矢量方式下（将控制部分 S、V 两端用导线短 接，P 端悬空） ，然后打开电源开关。 (2)点动“增速”按键，将频率设定在 0.5Hz，用示波器观测 SVPWM 部分的三相矢量信号（在测试点“10、11、 12”，三角载波信号（在测试点“14”， PWM 信号（在测试点“13”，三相 SVPWM 调制信号（在测试点“15、16、 ） ） ） 17”；再点动“转向”按键，改变转动方向，再观测上述各信号的相位关系的变化。 ） (3)逐步升高频率，直至 50Hz 处，重复以上的步骤。 (4)将频率设置为 0.5Hz～60Hz 的范围内改变，在测试点“13”中观测占空比与频率的关系（在 V/F 函数不变的 情况下） 。 四、实验报告 (1)简述空间电压矢量控制变频调速的原理。 (2)画出在试验中观测到的所有波形。 (3)简述注入“零矢量”的作用。22实验四 SPWM、马鞍波、空间电压矢量调制方式下 V/f 曲线测定 、马鞍波、一、实验目的 (1)通过实验，了解 SPWM 调制方式下 V/f 曲线变化规律。 (2)通过实验，了解马鞍波调制方式下 V/f 曲线变化规律。 (3)通过实验，了解空间电压矢量 PWM 方式下 V/f 曲线变化规律。 (4)定量分析“零矢量”的作用时间与输出电压的关系。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 型 DJK01 电源控制屏 DJK13 三相异步电动机变频调速控制 双踪示波器 万用表 号 备 注 该挂件包含“三相电源输出”等几个模块。三、实验步骤 (1)接通挂件电源，关闭电机开关，并将调制方式设定在 SPWM 方式下（将控制部分 S、V、P 的三个端都悬空） ， 然后打开电源开关。 (2)将频率设定到 0.5Hz，观测测试点“1”的电压波形，将控制面板上的 K1、K2、K3、K4 四个开关均拨到下侧， 记录 SPWM 方式下“1”点的电压值。 (3)在 0～50Hz 频率范围内，改变频率设定值，记录上述电压值和频率的对应关系。 (4)通过切换 K1、K2、K3、K4 四个开关的位置，设定不同的 V/f 电压函数(共有 16 条)，重复上述测量步骤，记 录在不同的 V/f 电压函数设置下，曲线变化的情况。 (5)将调制方式设定在马鞍波方式下（即控制部分 V、P 两端用导线短接，S 端悬空） 。 (6)将频率设定到 0.5Hz，观测测试点“1”的电压波形，将控制面板上的 K1、K2、K3、K4 四个开关均拨到下侧， 记录马鞍波方式下“1”点的电压值。 (7)在 0～50Hz 频率范围内，改变频率设定值，记录上述电压值和频率的对应关系。 (8)通过切换 K1、K2、K3、K4 四个开关的位置，设定不同的 V/f 电压函数(共有 16 条)，重复上述测量步骤，记 录在不同的 V/f 电压函数设置下，曲线变化的情况。 (9)将调制方式设定在空间电压矢量方式下（即控制部分 S、V 两端用导线短接，P 端悬空） 。 (10)将频率设定到 0.5Hz，观测测试点“9”的电压波形及“13”点 PWM 的宽度，将控制面板上的 K1、K2、K3、 K4 四个开关均拨到下侧，记录空间电压矢量方式下相应的电压值及 PWM 的占空比。 (11)在 0～50Hz 频率范围内，改变频率设定值，记录上述电压值和占空比的对应关系。 (12)通过切换 K1、K2、K3、K4 四个开关的位置，设定不同的 V/f 电压函数(共有 16 条)，重复上述测量步骤， 记录在不同的 V/f 电压函数设置下，曲线变化的情况。 四、实验报告 根据实验结果绘出在不同变频模式下各自的 V/f 曲线，并分析。23实验五不同的变频模式下磁通轨迹观测实验一、实验目的 通过实验观测旋转磁通的轨迹和转速转向等，从而加深对电机恒磁通运行的认识。 二、实验所需挂件及附件 序号 型 号 备 注 1 2 3 4 DJK01 电源控制屏 DJK13 三相异步电动机变频调速控制 双踪示波器 万用表 该挂件包含“三相电源输出”等几个模块。三、实验内容 观测不同变频模式下的磁通轨迹。 四、实验方法 (1)接通挂件电源，关闭电机开关，并将设定在 SPWM 方式下（将 S、V、P 三端子悬空） ，然后打开电源开关，将 示波器的 X、Y 输入端分别接磁通轨迹观测的 X、Y 测试孔，并将示波器置于 X-Y 方式。点动“增速”键将频率设定 在 0.5Hz，观察示波器中显示的磁通形状，再点动“转向”按键，改变转向，观察磁通轨迹的变化，再逐渐升高频 率，观察磁通轨迹的变化。 (2)设定在马鞍波 PWM 方式（用导线短接 V、P 两端子，S 端悬空） ，重复上述的实验。 (3)设定在电压空间矢量控制方式（用导线短接 S、V 两端子，P 端悬空） ，重复上述的实验。 五、实验报告 (1)画出在 SPWM 控制方式下旋转磁通的轨迹。 (2)画出在马鞍波控制方式下旋转磁通的轨迹。 (3)画出在空间矢量控制方式下的旋转磁通的轨迹。 (4)对上述轨迹的变化做出分析。24第三章 交流电机调速系统实验实验一 双闭环三相异步电机调压调速系统实验一、实验目的 (1)了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成。 (2)了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机械特性。 (3)通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 型 DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1 三相晶闸管触发电路 DJK04 电机调速控制实验 I DJK08 可调电阻、电容箱 DD03-3 电机导轨、 光码盘测速 系统及数显转速表 DJ13-1 直流发电机 DJ17 三相线绕式异步电动机 DJ17-2 线绕式异步电机转子 专用箱 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 万用表 自备 自备 该挂件包含 “触发电路” “正反桥功放”等几个模块。 、 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”等几个模块。 、 号 备 注该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。三、实验线路及原理异步电动机采用调压调速时，由于同步转速不变和机械特性较硬，因此对普通异步电动机来说其调速范围 很有限，无实用价值，而对力矩电机或线绕式异步电动机在转子中串入适当电阻后使机械特性变软其调速 范围有所扩大，但在负载或电网电压波动情况下，其转速波动较大，因此常采用双闭环调速系统。 双闭环三相异步电机调压调速系统的主电路由三相晶闸管交流调压器及三相绕线式异步电动机组成。控制部分 由“速度调节器”、“电流调节器”、 “转速变换”、“触发电路”、“正桥功放”等组成。其系统原理框图如图 7-1所示： 整个调速系统采用了速度、电流两个反馈控制环。这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同，而电流环的 作用则有所不同。系统在稳定运行时，电流环对抗电网扰动仍有较大的作用，但在启动过程中电流环仅起限制最大 电流的作用，不会出现最佳启动的恒流特性，也不可能是恒转矩启动。 异步电动机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正、反转，反接和能耗制 动。但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率 Ps=SPM 全部消耗在转子电阻中，使转子过热。 在本实验中DJK04上的“调节器I”做为“速度调节器”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。25图7-1双闭环三相异步电机调压调速系统原理图四、实验内容 (1)测定三相绕线式异步电动机转子串电阻时的机械特性。 (2)测定双闭环交流调压调速系统的静态特性。 (3)测定双闭环交流调压调速系统的动态特性。 五、预习要求 (1)复习电力电子技术、交流调速系统教材中有关三相晶闸管调压电路和异步电机晶闸管调压调速系统的内容， 掌握调压调速系统的工作原理。 (2)学习有关三相晶闸管触发电路的内容，了解三相交流调压电路对触发电路的要求。 六、思考题 (1)在本实验中，三相绕线式异步电机转子回路串接电阻的目的是什么?不串电阻能否正常运行? (2)为什么交流调压调速系统不宜用于长期处于低速运行的生产机械和大功率设备上? 七、实验方法 (1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 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“交流调速”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DJK04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=180°。 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。 ⑧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。 (2)控制单元调试 ①调节器的调零26将DJK04中“调节器I”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K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。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏 档测量调节器“7”端的输出，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。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫 伏档测量调节器II的“11”端，使之输出电压尽可能接近于零。 ②调节器正、负限幅值的调整 直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，三相交流调压输出的任意两路接一电阻负载 （D42三相可调电阻），放在阻值最大位置，用示波器观察输出的电压波形。当给定电压Ug由零调大时，输出电压U 随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug＇时，U 的波形接近正弦波时，一般可确定移相控制电压的最大允许 值Uctmax=Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。记录Ug＇于下表中： U g＇ Uctmax=Ug＇ 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，使调节器成 为PI (比例积分)调节器，将调节器I的输入端接地线去掉，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-6V；当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1， 使之输出电压尽可能接近于零。 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的输入端接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器II的“4”端，当 加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压尽可能接近于零；当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位 器RP1，使之输出正限幅为Uctmax。 ③电流反馈的整定 直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，三相交流调压输出接三相线绕式异步电动机， 测量三相线绕式异步电动机单相的电流值和电流反馈电压，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1， 使电流Ie=1A时的电流反馈电压为Ufi=6V。 ④转速反馈的整定 直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，输出接三相线绕式异步电动机，测量电动机 的转速值和转速反馈电压值，调节“转速变换”电位器RP1，使n=1300rpm时的转速反馈电压为Ufn=-6V。 (3)机械特性n =f(T)测定 ①将DJK04的“给定”电压输出直接接至DJK02-1上的移相控制电压Uct，电机转子回路接DJ17-2转子电阻专用箱， 直流发电机接负载电阻R (D42三相可调电阻，将两个900Ω接成串联形式)，并将给定的输出调到零。 ②直流发电机先轻载，调节转速给定电压Ug使电动机的端电压=Ue。 转矩可按下式计算: T = 9 . 55 I G U G + I G 2 R a + P0 / n (7-1) 式中，T为三相线绕式异步电机电磁转矩，IG为直流发电机电流，UG为直流发电机电压，Ra为直流发电机电枢电阻， Po为机组空载损耗。 ③调节Ug，降低电动机端电压，在2/3Ue时重复上述实验，以取得一组机械特性。 在输出电压为Ue时：()n(rpm) U2=UG (V) I2=IG（A） T(N?m)27在输出电压为2/3Ue时： n(rpm) U2=UG (V) I2=IG（A） T(N?m) (4)系统调试 ①确定“调节器I”和“调节器II”的限幅值和电流、转速反馈的极性。 ②将系统接成双闭环调压调速系统，电机转子回路仍每相串3Ω左右的电阻，逐渐增大给定Ug，观察电机运行是 否正常。 ③调节“调节器I”和“调节器II”的外接电阻和电容值（改变放大倍数和积分时间），用双踪慢扫描示波器观 察突加给定时的系统动态波形，确定较佳的调节器参数。 (5)系统闭环特性的测定 ①调节Ug使转速至n=1200rpm，从轻载按一定间隔调到额定负载，测出闭环静态特性n =f（T） n(rpm) U2=UG（V） I2=IG（A） T(N?m) ②测出n=800rpm时的系统闭环静态特性n=f(T)，T可由(7-1)式计算 n(rpm) U2=UG (V) I2=IG (A) T(N?m) (6)系统动态特性的观察 用慢扫描示波器观察： ①突加给定启动电机时的转速n(“转速变换”的 “3”端)及电流I(“电流反馈与过流保护”的“2”端) 及“调 节器I” “7”端输出的动态波形。 ②电机稳定运行，突加、突减负载(20%Ie&=&100%Ie)时的n、I的动态波形。 八、实验报告 (1)根据实验数据，画出开环时电机的机械特性n=f（T）。 (2)根据实验数据画出闭环系统静态特性n=f（T），并与开环特性进行比较。 (3)根据记录下的动态波形分析系统的动态过程。 九、注意事项 (1)在做低速实验时，实验时间不宜过长，以免电阻器过热引起串接电阻数值的变化。 (2)转子每相串接电阻为3Ω左右，可根据需要进行调节，以便系统有较好的性能。 (3)计算转矩 T 时用到的机组空载损耗 Po 为 5W 左右。 800 120028实验二 双闭环三相异步电机串级调速系统实验一、实验目的 (1)熟悉双闭环三相异步电机串级调速系统的组成及工作原理。 (2)掌握串级调速系统的调试步骤及方法。 (3)了解串级调速系统的静态与动态特性。 二、实验所需挂件及附件 序 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 型 DJK01 电源控制屏 DJK02 晶闸管主电路 DJK02-1 三相晶闸管触发电路 DJK04 电机调速控制实验 I DJK08 可调电阻、电容箱 DJK10 变压器实验 DD03-3 电机导轨、光码盘测速 系统及数显转速表 DJ13-1 直流发电机 DJ17 三相线绕式异步电动机 D42 三相可调电阻 慢扫描示波器 万用表 自备 自备 该挂件包含“三相不控整流”和“心式变压器”等模块。 该挂件包含“触发电路”,“正反桥功放”等几个模块。 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”等几个模块。 、 号 备 注该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。三、实验线路及原理 异步电动机串级调速系统是较为理想的节能调速系统，采用电阻调速时转子损耗为PS=SPM，这说明了随着S的增 大效率η降低，如果能把转差功率PS的一部分回馈电网就可提高电机调速时效率，串级调速系统采用了在转子回路 中附加电势的方法，通常使用的方法是将转子三相电动势经二极管三相桥式不控整流得到一个直流电压，由晶闸管 有源逆变电路来改变转子的反电动势，从而方便地实现无级调速，并将多余的能量回馈至电网，这是一种比较经济 的调速方法。 本系统为晶闸管亚同步双闭环串级调速系统，控制系统由“速度调节器”、“电流调节器”、“触发电路”、 “正桥功放”、“转速变换”等组成。其系统原理图如图7-2所示。 在本实验中DJK04上的“调节器I”做为“速度调节器”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)控制单元及系统调试。 (2)测定开环串级调速系统的静态特性。 (3)测定双闭环串级调速系统的静态特性。 (4)测定双闭环串级调速系统的动态特性。 五、预习要求 (1)复习电力拖动自动控制系统(交流调速系统)教材中有关异步电机晶闸管串级调速系统的内容， 掌握串级调速 系统的工作原理。 (2)掌握串级调速系统中逆变变压器副边绕组额定相电压的计算方法。 六、思考题 (1)如果逆变装置的控制角β＞90°或β＜30°，则主电路会出现什么现象?为什么要对逆变角β的调节范围作 一定的要求? (2)串级调速系统的开环机械特性为什么比电动机本身的固有特性软?29图 7-2 线绕式异步电动机串级调速系统原理图 七、实验方法 (1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 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DJK04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°(注意此处的α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 (注意此处的α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， 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 30° 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°)。 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。 ⑧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。 (2)控制单元调试 ①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120K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。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏 档测量调节器I“7”端的输出，使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。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫 伏档测量调节器的“11”端，使之输出电压尽可能接近于零。 ②调节器I的整定 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，使调节器成I 为PI (比例积分)调节器，将调节器I的输入端接地线去掉，将DJK04的给定输出端接到调节器I的“3”端。当加一定30的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V；当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使 之输出电压尽可能接近于零。 ③调节器II的整定 把“调节器II”的“9”、“10”短接线继续短接，使调节器成为P（比例）调节器，将调节器II的输入端接地 线去掉，将DJK04的给定输出端接到“调节器II”的“4”端。当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压 尽可能接近于零 ；把“调节器II”的输出端与DJK02-1上的移相控制电压Uct端相连，当调节器输入端加负给定时， 调整正限幅电位器RP1，使脉冲停在逆变桥两端的电压为零的位置。去掉“9”、“10”两端的短接线，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。 ④电流反馈的整定 直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，三相交流调压输出接三相线绕式异步电动机， 测量三相线绕式异步电动机单相的电流值和电流反馈电压，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1， 使电流Ie=1A时的电流反馈电压为Ufi=6V。 ⑤转速反馈的整定 直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，输出接三相线绕式异步电动机，测量电动机 的转速值和转速反馈电压值，调节“转速变换”电位器RP1，使n=1200rpm时的转速反馈电压为Ufn=-6V。 (3)开环静态特性的测定 ①将系统接成开环串级调速系统，直流回路电抗器Ld接20OmH，利用DJK10上的三相不控整流桥将三相线绕式异 步电动机转子三相电动势进行整流， 逆变变压器采用DJK10上的三相心式变压器， Y/Y接法， 其中高压端A、 C接DJK01 B、 电源控制屏的主电路电源输出，中压端Am、Bm、Cm接晶闸管的三相逆变输出。R (将D42三相可调电阻的两个电阻接 成串联形式)和Rm (将D42三相可调电阻的两个电阻接成并联形式)调到电阻阻值最大时才能开始试验。 ②测定开环系统的静态特性n =f(T)，T可按交流调压调速系统的同样方法来计算。在调节过程中，要时刻保证 逆变桥两端的电压大于零。 n(rpm) U2=UG(V) I2=IG(A) T(N.m) (4)系统调试 ①确定“调节器 I”和“调节器 II”的转速、电流反馈的极性。 ②将系统接成双闭环串级调速系统，逐渐加给定 Ug，观察电机运行是否正常，β 应在 30°～ 90°之间移相， 当一切正常后，逐步把限流电阻 Rm 减小到零，以提升转速。 ③调节“调节器 I”和“调节器 II”外接的电阻和电容值（改变放大倍数和积分时间），用慢扫描示波器观察 突加给定时的动态波形，确定较佳的调节器参数。 (5)双闭环串级调速系统静态特性的测定 测定 n 为 1200rpm 时的系统静态特性 n=f（T）： n（rpm） U2=UG（V） I2=IG（A） T（N.m） n 为 800rpm 时的系统静态特性 n=f（T）： n(rpm) U2=UG (V) I2=IG (A) T(N.m) (6)系统动态特性的测定 用双踪慢扫描示波器观察并用记忆示波器纪录:311200①突加给定启动电机时，转速 n(“转速变换” 的“3”端)，和电机定子电流 I“电流反馈与过流保护”的“2” 端）的动态波形。 ②电机稳定运行时，突加、突减负载（20%=&100%Ie）时 n 和 I 的动态波形。 八、实验报告 (1)根据实验数据画出开环、闭环系统静态机械特性 n=f（T），并进行比较。 (2)根据动态波形，分析系统的动态过程。 九、注意事项 (1)参见本章实验一的注意事项。 (2)在实验过程中应确保β& 90°内变化，不得超过此范围。 (3)逆变变压器为三相心式变压器，其副边三相电压应对称。 (4)应保证有源逆变桥与不控整流桥间直流电压极性的正确性，严防顺串短路。 (5)DJK04 与 DJK02-1 不共地，所以实验时须短接 DJK04 与 DJK02-1 的地。32实验三 单相正弦波脉宽调制 SPWM 变频调速系统实验一、实验目的 (1)掌握异步电动机变频调速的原理。 (2)了解异步电动机变频调速运行的基本参数，V/f 曲线。 二、实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 5 型 DJK01 电源控制屏 DJK11 单相异步电机 SPWM 变频调速 DJ21-1 单相电阻启动异步电动机 双踪示波器 万用表 自备 自备 号 备 注 该控制屏包含 “三相电源输出” 等几个模块。 或 DJK14 单相交直交变频原理三、实验线路及原理 单相异步电动机的调速除了其起动需要另加附加绕组及相关电路之外，其变频调速原理与三相异步电动机相 同，下面仍然以三相异步电动机的调速原理来说明，由电机学可知，电机的转速表达式为:60f1 n= (1 ? s) = n (1 ? s) 其中 f1 为定子供电频率；po 为电机的磁极对数；s 为转差率，由上式可知改变定子供电频率 f1 可以改变电机的 p 同步转速，从而实现了在转差率 s 保持不变情况下的转速调节，为了保持电机的最大转矩不变，希望维持电机气隙 磁通恒定，因而要求定子供电电压也随频率作相应调整。即E 1 = 4.44f1ω K 1 φ φ= E1 1 ( ) f1 4.44ω K 11 在忽略定子阻抗压降的情况下，E1≈U1 φ ≈ U1 ? C,其中c = 为常数。 f1 4.44ω K1为使气隙磁通恒定，在改变定子频率的同时必须同时改变电压 U1，即保证φ =U1 = 常数 。 f1单相正弦波脉宽调制逆变电路的输出电压与频率就是根据上述要求而设计的，因此由该逆变器供电的单相电动 机可以实现速度调节的要求，其原理框图如图 7-3 所示。 单相异步电机采用电阻分相启动式，启动绕组串接 PTC 保护器，当启动完毕时在离心开关的作用下自动切除启 动支路。 在微处理器的控制下，利用键盘可以改变电路输出的 V/f 比值，用键控方式改变输出频率以达到调频调速的目 的。 关于逆变电路的原理请参考相关书籍、其输出电压波形为脉冲宽度按正弦规律变化的调制波，其中含有基波分 量和各种高次谐波，以基波分量为主，谐波分量较小，当基波频率与幅值按某种恒压/频的规律变化时，电机转速随 之改变。 四、实验内容 (1)V/f 曲线测定。 (2)观察低频补偿对于提高启动力矩的效果。 五、思考题 (1)单相异步电动机有哪几种启动方式？在变频调速时，为什么不采用电容分相起动？ (2)改变 V/f 比值，有何实际意义？33图 7-3 单相正弦波脉宽调制变频调速原理框图 六、实验方法 (1)将 DJ21-1 的主绕组与 DJK11 主电路输出连接，打开挂件电源开关，设定 V/F 曲线从第一条开始，打开电机 开关，按下启动键。提升转速测量输出基波频率、电压和电机转速，输出频率可由观察参考波 UR 而得，用示波器测 得 UR 的频率就是输出电压的频率。 (2)改变 V/f 曲线重复实验步骤 1。 (3)观察低频补偿对于提高启动力矩的效果。设定不同的 V/f 曲线时，电机启动运转的最低输出频率、并测量此 时的输出基波电压。 七、实验报告 (1)画出交-直-交单相 SPWM 变频器输出 V/f 的曲线。 (2)记录不同 V/f 曲线下的电压、频率和电机转速的关系。 (3)记录电机开始起动运转时变频器输出的频率和电压。 八、注意事项 (1)在频率上升，电机转速升高的过程中，当电机转速达到某一速度时，在离心开关的作用下会自动切断启动支 路，此时会造成逆变器输出电流的波动。 (2)在电机升速的时候，由于副绕组的电流过大，出现过流保护，PTC 保护器动作，会使电机停转，此时单相电 机无法立即再起动。如要使电机重新启动，应稍等片刻，待副绕组回路中的 PTC 保护器恢复到低阻态时，才可再次 升频起动。 (3)用 DJK14 挂件也可以完成该实验,在原有的挂件基础上增加 DJK09 挂件，由于 DJK14 挂件没有设置 V/F 联动 功能，所以在调速时必须要同时调节输入电压的大小，以确保 V/F 为常数，否则电机不易启动或出现过流情况。34SPWM、马鞍波、 实验四 三相 SPWM、马鞍波、SVPWM 变频调速系统实验一、实验目的 (1)掌握 SPWM 的调速基本原理和实现方法。 (2)掌握马鞍波变频的调速基本原理和实现方法。 (3)掌握 SVPWM 的调速基本原理和实现方法。 二、实验所需挂件及附件 实验所需挂件及附件 序号 1 2 3 4 编 DJK01 电源控制屏 DJK13 三相异步电动机变频调速控制 DJ24 三相鼠笼式异步电动机 双踪示波器 号 备 注 该控制屏包含 “三相电源输出” 等几个模块。三、实验内容 实验内容 (1)正弦波脉宽调制（SPWM）变频调速实验 (2)马鞍波变频调速实验 (3)空间电压矢量（SVPWM）变频调速实验 四、实验方法 (1)将 DJ24 电机与 DJK13 逆变输出部分连接， 电机接成?形式， 关闭电机开关， 调制方式设定在 SPWM 方式下 （将 S、V、P 的三端子都悬空） 。打开挂件电源开关，点动“增速”“减速”和“转向”键，观测挂件工作是否正常，如 、 果工作正常，将运行频率退到零，关闭挂件电源开关。然后打开电机开关，接通挂件电源，增加频率、降低频率以 及改变转向观测电机的转速变化。 (2)将频率退到零，改变设置到马鞍波 PWM 方式（用导线短接 V、P 两端子，S 端悬空） ，增加频率、降低频率以 及改变转向观测电机的转速变化。 (3)将频率退到零，设置为电压空间矢量控制方式（用导线短接 S、V 两端子，P 端悬空） ，再增加频率、降低频 率以及改变转向观测电机的转速变化。在低转速的情况下，观察电机的运行状况，与正弦波脉宽调制下的进行比较。 五、实验报告 观察在不同的模式下电机运行状况，并分析原因。 六、注意事项 (1)在频率不等于零的时候，不允许打开电机开关，以免发生危险。 (2)切莫在电机运行中堵转，否则会导致无法修复的后果！35
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