《电力拖动自动控制系统》

实验一电压单闭环不可逆直流调速系统实验

一、实训目的

(1) 了解电压单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) 掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程、调试步骤、方法及参数的整定。

(3) 提高对系统分析及故障分析处理的能力。

二、实训所需挂件及附件

三、实训线路及原理

图6-1 电压单闭环系统原理图（Ld=200mH，R=1980Ω）

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”（用调节器Ⅱ作为电压调节器）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。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。

在本实训中，PAC31上的“调节器Ⅱ”作为“电压调节器”使用。

四、实训内容

(1) PAC31上各基本单元的调试。

(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) 电压单闭环直流调速系统的机械特性。

五、实训方法

(1) 系统的故障设置与分析请参考第二章相关内容。

(2) PAC10和PAC13上的“触发电路”调试见第四章第七节。

(3) Uct不变时的直流电机开环外特性的测定

①按图6-1接线(电压调节器先不接，Ug直接接Uct），PAC13上的移相控制电压Uct由PAC09A上的“给定”输出Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，将正给定的输出调到零。

②先闭合励磁电源开关，按下MEC01上面的启动按钮，使主电路输出三相交流电源(线电压为220V)，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1200r/min。

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额定电流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(r/min)

Id(A)

(4) Ud不变时直流电机开环外特性的测定

①控制电压U ct由PAC09A的“给定”Ug直接接入，直流发电机接负载电阻R，将正给定的输出调到零。

②按下MEC01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1200r/min.

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，在实训中始终保持Ud不变（通过不断的调节PAC09A上的“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：

n(r/min)

Id(A)

(5) 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PAC09A“给定”电压Ug接入PAC13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。当正给定电压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的波形会出现缺相的现象，这时Ud反而随Ug的增大而减小。一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=0.9Ug＇，即Ug的允许调节范围为0～Uctmax。如果我们把给定输出限幅定为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：

将给定退到零，再按停止按钮切断电源。

②调节器的调零

将PAC31中“调节器Ⅱ”所有输入端接地，再将RP1电位器顺时针旋到底，用导线将“11”、“12”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RP2，用万用表的毫伏档测量“调节器Ⅱ”的“14”端，使调节器的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Ⅱ”的“11”、“12”端短接线去掉，此时调节器Ⅱ成为PI (比例积分)调节器，然后将PAC09A 挂件上的给定输出端接到调节器Ⅱ的“4”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP4，使“调节器Ⅱ”的输出电压为最小值，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP3，使之输出正限幅值为Uctmax。

④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，用直流电压表测量励磁电压，并调节电位器RP，当输入电压为220V时，电压隔离器输出+6V，这时的电压反馈系数γ=U fn/U d=0.027 V/V。

⑤“（AR）反号器”的整定

测定输入输出比例，输入端加入＋5V电压，调节RP1，使输出端为－5V。

(6) 电压单闭环直流调速系统

①按图6-1接线，在本实训中，PAC09A上的“给定”电压Ug为负给定，电压反馈为正电压，将“调节器Ⅱ”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，给定输出调到零。

②直流发电机先轻载，从零开始逐渐增大“给定”电压Ug，使电动机转速接近n=1200r/min。

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)。记录于下表中：

六、实训报告

(1) 根据实训数据，画出Uct不变时直流电动机开环机械特性。

(2) 根据实训数据，画出Ud不变时直流电动机开环机械特性。

(3) 根据实训数据，画出电压单闭环直流调速系统的机械特性

七、注意事项

（1）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。

（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）通电实训时，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）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。

（6）PAC09A、PAC13、PAC31需共地。

实验二转速、电流双闭环直流调速系统实验

一、实训目的

(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) 掌握转速、电流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) 提高对系统分析及故障分析处理的能力。

二、实训所需挂箱及附件

三、实训线路及原理

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。转速、电流双闭环直流调速系统是由转速和电流两个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。实训系统的原理框图组成如图6-2所示。

启动时，加入给定电压U g，“调节器Ⅰ”和“调节器Ⅱ”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U g=U fn)，并在出现超调后，“调节器Ⅰ”和“调节器Ⅱ”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U g的大小即可方便地改变电动机的转速。“调节器Ⅰ”、“调节器Ⅱ”均设有限幅环节，“调节器Ⅰ”的输出作为“调节器Ⅱ”的给定，利用“调节器Ⅰ”的输出限幅可达到限制启动电流的目的。“调节器Ⅱ”的输出作为“触发电路”的控制电压U ct，利用“调节器Ⅱ”的输出限幅可达到限制αmax的目的。

四、实训内容

(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(I d)。

(4) 闭环控制特性n=f(U g)的测定。(5) 观察、记录系统动态波形。(6) 系统的排故训练

图6-3 双闭环直流调速系统原理框图

五、实训方法

(1) 系统的故障设置与分析请参考第二章相关内容。

(2) PAC10和PAC13上的“触发电路”调试见第四章第七节。

(3)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。

(4) 控制单元调试

①移相控制电压U g调节范围的确定

直接将PAC12的“给定”电压U g接入PAC13移相控制电压U g的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R（R 接1980Ω：将两个90Ω与两个900Ω串联），负载电阻放在最大值，输出给定调到零。

按下启动按钮，给定电压U g由零调大，U d将随给定电压的增大而增大，当U g超过某一数值U g＇时，U d的波形会出现缺相的现象，这时U d反而随U g的增大而减少。一般可确定移相控制电压的最大允许值U gmax=0.9U g＇，即U g的允许调节范围为0～U gmax。如果我们把输出限幅定为U gmax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：

将给定退到零，再按停止按钮切断电源，结束步骤。

②调节器的调零

将PAC31中“调节器Ⅰ”所有输入端接地，再将RP1电位器顺时针旋到底（逆时针旋到底为0，顺时针旋到底为10K），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RP2，用万用表的毫伏档测量“调节器Ⅰ“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

将PAC31中“调节器Ⅱ”所有输入端接地，再将RP1电位器逆时针旋到底（逆时针旋到底为0，顺时针旋到底为10K），用导线将“11”、“12”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RP2，用万用表的毫伏档测量调节器Ⅱ“14”端的输出，使调节器的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”端短接线去掉，此时调节器Ⅰ成为PI (比例积分)调节器，然后将PAC09A的给定输出端接到调节器Ⅰ的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP4，使“调节器Ⅰ”的输出负限幅值为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP3，使之输出电压为最小值。

把“调节器Ⅱ”的“11”、“12”端短接线去掉，此时调节器Ⅱ成为PI (比例积分)调节器，然后将PAC09A的给定输出端接到调节器Ⅱ的“4”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP4，使之输出电压的绝对值为

最小值，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP3，使“调节器Ⅱ”的输出正限幅值为U gmax。

④电流反馈系数的整定

直接将“给定”电压U g接入PAC13移相控制电压U g的输入端，整流桥输出接电阻负载R（将两个90Ω串联），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β= U fi/I d= 4.615V/A。

⑤转速反馈系数的整定

直接将“给定”电压U g接PAC13上的移相控制电压U g的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机负载，L d用PAC10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 =1500rpm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U fn=-6V，这时的转速反馈系数α =U fn/n =0.004V/(rpm)。

(5) 开环外特性的测定

①PAC13上的移相控制电压U g由PAC09A上的“给定”输出U g直接接入，直流发电机接负载电阻R（R接1980Ω：将两个90Ω与两个900Ω串联），L d用PAC10上的200mH，将给定的输出调到零。

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U g，使电机启动升速，调节U g 和R使电动机电流I d=I ed，转速到达1200rpm。

③增大负载电阻R阻值（即减小负载），可测出该系统的开环外特性n =f（I d），记录于下表中：

将给定退到零，断开励磁电源，按下停止按钮，结束实训。

(6) 系统静特性测试

①按图6-3接线，PAC09A上的“给定”电压U g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，L d用PAC10上的200mH，负载电阻放在最大值处，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，构成实训系统。

②机械特性n =f(I d)的测定

A、发电机先空载，从零开始逐渐S调大给定电压U g，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I d=I ed，即可测出系统静态特性曲线n =f(I d)，并记录于下表中：

B、降低U g，再测试n=800rpm时的静态特性曲线，并记录于下表中：

C、闭环控制系统n=f(U g)的测定

调节U g及R，使I d=I ed、n= l200rpm，逐渐降低U g，记录U g和n，即可测出闭环控制特性n = f(U g)。

(7) 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RP1)，用示波器观察、记录下列动态波形:

①突加给定U g，电动机启动时的电枢电流I d(“电流反馈与过流保护”的“3”端)波形和转速n(“速度变换”的“4”端)波形。

②突加额定负载(20%I ed?100%I ed)时电动机电枢电流波形和转速波形。

③突降负载(100%I ed?20%I ed)时电动机的电枢电流波形和转速波形。

六、实训报告

(1) 根据实训数据，画出闭环控制特性曲线n =f(U g)。

(2) 根据实训数据，画出两种转速时的闭环机械特性n =f(I d)。

(3) 根据实训数据，画出系统开环机械特性n =f(I d)，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。

(5) 对系统出现的故障现象进行书面分析。

七、注意事项

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。