电机与控制实验四

实验报告课程名称电机与控制实验题目名称实验四学生学院信息工程专业班级12级应用电子技术1班学号3112002489学生姓名黄鹏指导教师李优新2015年5月31日实验四双闭环不可逆直流调速系统实验一、实验目的(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型号备注1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02晶闸管主电路3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放”等几个模块。4DJK04电机调速控制实验I该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。5DJK08可调电阻、电容箱6DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表7DJ13-1直流发电机8DJ15直流并励电动机9D42三相可调电阻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电流和转速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。实验系统的原理框图组成如下：图4-1双闭环直流调速系统原理框图启动时，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。“电流调节器”、“速度调节器”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。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。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?答：当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差,为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分(PI)控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。(2)转速负反馈的极性如果接反会产生什么现象?答：转速负反馈的极性如果接反就会形成正反馈，使系统失去调节转速作用，甚至造成失控。(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?答：当改变给定或磁通及改变反馈通路的系数可以改变转速，负载扰动与电网电压波动则可通过自动调节使转速回来原来的值。转速调节器输出限幅值决定电动机允许的最大电流，改变其幅值可以改变电机最大电流。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=120°。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)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。(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，“正桥三相全控整流”输出接电阻负载R，负载电阻放在最大值，输出给定调到零（对DZSZ-1，将输出电压调至最小位置，当启动后，再将输出线电压调到200V）。按下启动按钮，给定电压Ug由零调大，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的增大而减少。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：Ug＇Uctmax=0.9Ug＇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DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”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电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”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电流调节器的“11”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“速度调节器”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，然后将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，使之输出电压为最小值即可。把“电流调节器”的“8”、“9”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“8”、“9”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为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，“2”端If的的电流反馈电压Ufi=6V，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“速度变换”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，Ld用DJK02上的200mH，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。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，使电机启动升速，调节Ug和R使电动机电流Id=Ied，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（Id），记录于下表中：n（rpm）1200119511901185117511601000Id（A）-0.18-0.25-0.28-0.3-0.35-0.45-1.48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4-1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。将速度调节器，电流调节器都接成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“速度调节器”，“电流调节器”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）1200120012001200119211921187Id（A）0.180.330.560.861.241.301.65B、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）800800800800795789786Id（A）0.120.210.430.680.700.781.06C、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）120011481125110710811041956Ug（V）4.224.043.963.893.803.663.35(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(“速度调节器”的增益和积分电容、“电流调节器”的增益和积分电容、“速度变换”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(“速度变换”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(10