雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1)了解閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的原理、組成及各主要單元部件的原理。

(2)掌握雙閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試步驟、方法及參數(shù)的整定。

(3)研究調(diào)節(jié)器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。

二、實(shí)驗(yàn)所需掛件及附件

序號(hào)

型

號(hào)

備

注

DJK01

電源控制屏

該控制屏包含“三相電源輸出”等幾個(gè)模塊。

DJK02

晶閘管主電路

DJK02-1三相晶閘管觸發(fā)電路

該掛件包含“觸發(fā)電路”、“正反橋功放”等幾個(gè)模塊。

DJK04

電機(jī)調(diào)速控制實(shí)驗(yàn)

I

該掛件包含“給定”、“調(diào)節(jié)器I”、“調(diào)節(jié)器II”、“轉(zhuǎn)速變換”、“電流反饋與過(guò)流保護(hù)”等幾個(gè)模塊。

DJK08可調(diào)電阻、電容箱

DD03-3電機(jī)導(dǎo)軌、光碼盤測(cè)速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表

DJ13-1

直流發(fā)電機(jī)

DJ15

直流并勵(lì)電動(dòng)機(jī)

D42　三相可調(diào)電阻

慢掃描示波器

自備

萬(wàn)用表

自備

三、實(shí)驗(yàn)線路及原理

許多生產(chǎn)機(jī)械，由于加工和運(yùn)行的要求，使電動(dòng)機(jī)經(jīng)常處于起動(dòng)、制動(dòng)、反轉(zhuǎn)的過(guò)渡過(guò)程中，因此起動(dòng)和制動(dòng)過(guò)程的時(shí)間在很大程度上決定了生產(chǎn)機(jī)械的生產(chǎn)效率。為縮短這一部分時(shí)間，僅采用PI調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)速負(fù)反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，其性能還不很令人滿意。雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)是由速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器進(jìn)行綜合調(diào)節(jié)，可獲得良好的靜、動(dòng)態(tài)性能（兩個(gè)調(diào)節(jié)器均采用PI調(diào)節(jié)器），由于調(diào)整系統(tǒng)的主要參量為轉(zhuǎn)速，故將轉(zhuǎn)速環(huán)作為主環(huán)放在外面，電流環(huán)作為副環(huán)放在里面，這樣可以抑制電網(wǎng)電壓擾動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理框圖組成如下：

啟動(dòng)時(shí)，加入給定電壓Ug，“速度調(diào)節(jié)器”和“電流調(diào)節(jié)器”即以飽和限幅值輸出，使電動(dòng)機(jī)以限定的最大啟動(dòng)電流加速啟動(dòng)，直到電機(jī)轉(zhuǎn)速達(dá)到給定轉(zhuǎn)速(即Ug

=Ufn)，并在出現(xiàn)超調(diào)后，“速度調(diào)節(jié)器”和“電流調(diào)節(jié)器”退出飽和，最后穩(wěn)定在略低于給定轉(zhuǎn)速值下運(yùn)行。

系統(tǒng)工作時(shí)，要先給電動(dòng)機(jī)加勵(lì)磁，改變給定電壓Ug的大小即可方便地改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。“速度調(diào)節(jié)器”、“電流調(diào)節(jié)器”均設(shè)有限幅環(huán)節(jié)，“速度調(diào)節(jié)器”的輸出作為“電流調(diào)節(jié)器”的給定，利用“速度調(diào)節(jié)器”的輸出限幅可達(dá)到限制啟動(dòng)電流的目的?！半娏髡{(diào)節(jié)器”的輸出作為“觸發(fā)電路”的控制電壓Uct，利用“電流調(diào)節(jié)器”的輸出限幅可達(dá)到限制αmax的目的。

在本實(shí)驗(yàn)中DJK04上的“調(diào)節(jié)器I”作為“速度調(diào)節(jié)器”使用，“調(diào)節(jié)器II”作為“電流調(diào)節(jié)器”使用；若使用DD03-4不銹鋼電機(jī)導(dǎo)軌、渦流測(cè)功機(jī)及光碼盤測(cè)速系統(tǒng)和D55-4智能電機(jī)特性測(cè)試及控制系統(tǒng)兩者來(lái)完成電機(jī)加載請(qǐng)?jiān)斠姼戒浵嚓P(guān)內(nèi)容。

四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)各控制單元調(diào)試。

(2)測(cè)定電流反饋系數(shù)β、轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α。

(3)測(cè)定開環(huán)機(jī)械特性及高、低轉(zhuǎn)速時(shí)系統(tǒng)閉環(huán)靜態(tài)特性n=f(Id)。

(4)閉環(huán)控制特性n=f(Ug)的測(cè)定。

(5)觀察、記錄系統(tǒng)動(dòng)態(tài)波形。

圖5-10

雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)原理框圖

五、實(shí)驗(yàn)方法

(1)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)調(diào)試原則

①先單元、后系統(tǒng)，即先將單元的參數(shù)調(diào)好，然后才能組成系統(tǒng)。

②先開環(huán)、后閉環(huán)，即先使系統(tǒng)運(yùn)行在開環(huán)狀態(tài)，然后在確定電流和轉(zhuǎn)速均為負(fù)反饋后，才可組成閉環(huán)系統(tǒng)。

③先內(nèi)環(huán)，后外環(huán)，即先調(diào)試電流內(nèi)環(huán)，然后調(diào)試轉(zhuǎn)速外環(huán)。

④先調(diào)整穩(wěn)態(tài)精度，后調(diào)整動(dòng)態(tài)指標(biāo)。

(2)DJK02和DJK02-1上的“觸發(fā)電路”調(diào)試

①打開DJK01總電源開關(guān)，操作“電源控制屏”上的“三相電網(wǎng)電壓指示”開關(guān)，觀察輸入的三相電網(wǎng)電壓是否平衡。

②將DJK01“電源控制屏”上“調(diào)速電源選擇開關(guān)”撥至“直流調(diào)速”側(cè)。

③用10芯的扁平電纜，將DJK02的“三相同步信號(hào)輸出”端和DJK02-1“三相同步信號(hào)輸入”端相連,打開DJK02-1電源開關(guān)，撥動(dòng)

“觸發(fā)脈沖指示”鈕子開關(guān)，使“窄”的發(fā)光管亮。

④觀察A、B、C三相的鋸齒波，并調(diào)節(jié)A、B、C三相鋸齒波斜率調(diào)節(jié)電位器（在各觀測(cè)孔左側(cè)），使三相鋸齒波斜率盡可能一致。

⑤將DJK04上的“給定”輸出Ug直接與DJK02-1上的移相控制電壓Uct相接，將給定開關(guān)S2撥到接地位置（即Uct=0），調(diào)節(jié)DJK02-1上的偏移電壓電位器，用雙蹤示波器觀察A相同步電壓信號(hào)和“雙脈沖觀察孔”

VT1的輸出波形，使α=150°(注意此處的α表示三相晶閘管電路中的移相角，它的0°是從自然換流點(diǎn)開始計(jì)算，而單相晶閘管電路的0°移相角表示從同步信號(hào)過(guò)零點(diǎn)開始計(jì)算，兩者存在相位差，前者比后者滯后30°)。

⑥適當(dāng)增加給定Ug的正電壓輸出，觀測(cè)DJK02-1上“脈沖觀察孔”的波形，此時(shí)應(yīng)觀測(cè)到單窄脈沖和雙窄脈沖。

⑦用8芯的扁平電纜，將DJK02-1面板上“觸發(fā)脈沖輸出”和“觸發(fā)脈沖輸入”相連，使得觸發(fā)脈沖加到正反橋功放的輸入端。

⑧將DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平電纜，將DJK02-1的“正橋觸發(fā)脈沖輸出”端和DJK02“正橋觸發(fā)脈沖輸入”端相連，并將DJK02“正橋觸發(fā)脈沖”的六個(gè)開關(guān)撥至“通”，觀察正橋VT1～VT6晶閘管門極和陰極之間的觸發(fā)脈沖是否正常。

(3)控制單元調(diào)試

①移相控制電壓Uct調(diào)節(jié)范圍的確定

直接將DJK04“給定”電壓Ug接入DJK02-1移相控制電壓Uct的輸入端，“三相全控整流”輸出接電阻負(fù)載R，用示波器觀察Ud的波形。當(dāng)給定電壓Ug由零調(diào)大時(shí)，Ud將隨給定電壓的增大而增大，當(dāng)Ug超過(guò)某一數(shù)值時(shí)，此時(shí)Ud接近為輸出最高電壓值Ud＇，一般可確定“三相全控整流”輸出允許范圍的最大值為Udmax=0.9Ud＇，調(diào)節(jié)Ug使得“三相全控整流”輸出等于Udmax，此時(shí)將對(duì)應(yīng)的Ug＇的電壓值記錄下來(lái)，Uctmax=

Ug＇，即Ug的允許調(diào)節(jié)范圍為0～Uctmax。如果我們把輸出限幅定為Uctmax的話，則“三相全控整流”輸出范圍就被限定，不會(huì)工作到極限值狀態(tài)，保證六個(gè)晶閘管可靠工作。記錄Ug＇于下表中：

Ud＇

280

Udmax=0.9

Ud＇

251.8

Uctmax=Ug＇

5.01

將給定退到零，再按“停止”按鈕，結(jié)束步驟。

②調(diào)節(jié)器的調(diào)零

將DJK04中“調(diào)節(jié)器I”所有輸入端接地，再將DJK08中的可調(diào)電阻120K接到“調(diào)節(jié)器I”的“4”、“5”兩端，用導(dǎo)線將“5”、“6”短接，使“調(diào)節(jié)器I”成為P

(比例)調(diào)節(jié)器。用萬(wàn)用表的毫伏檔測(cè)量調(diào)節(jié)器I的“7”端的輸出，調(diào)節(jié)面板上的調(diào)零電位器RP3，使之電壓盡可能接近于零。

將DJK04中“調(diào)節(jié)器II”所有輸入端接地，再將DJK08中的可調(diào)電阻13K接到“調(diào)節(jié)器II”的“8”、“9”兩端，用導(dǎo)線將“9”、“10”短接，使“調(diào)節(jié)器II”成為P（比例）調(diào)節(jié)器。用萬(wàn)用表的毫伏檔測(cè)量調(diào)節(jié)器II的“11”端，調(diào)節(jié)面板上的調(diào)零電位器RP3，使之輸出電壓盡可能接近于零。

③調(diào)節(jié)器正、負(fù)限幅值的調(diào)整

把“調(diào)節(jié)器I”的“5”、“6”短接線去掉，將DJK08中的可調(diào)電容0.47uF接入“5”、“6”兩端，使調(diào)節(jié)器成為PI

(比例積分)調(diào)節(jié)器，將“調(diào)節(jié)器I”所有輸入端的接地線去掉，將DJK04的給定輸出端接到調(diào)節(jié)器I的“3”端，當(dāng)加+5V的正給定電壓時(shí)，調(diào)整負(fù)限幅電位器RP2，使之輸出電壓為-6V，當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入端加-5V的負(fù)給定電壓時(shí)，調(diào)整正限幅電位器RP1，使之輸出電壓盡可能接近于零。

把“調(diào)節(jié)器II”的“9”、“10”短接線去掉，將DJK08中的可調(diào)電容0.47uF接入“9”、“10”兩端，使調(diào)節(jié)器成為PI（比例積分）調(diào)節(jié)器，將“調(diào)節(jié)器II”的所有輸入端的接地線去掉，將DJK04的給定輸出端接到調(diào)節(jié)器II的“4”端。當(dāng)加+5V的正給定電壓時(shí)，調(diào)整負(fù)限幅電位器RP2，使之輸出電壓盡可能接近于零；當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入端加-5V的負(fù)給定電壓時(shí)，調(diào)整正限幅電位器RP1，使調(diào)節(jié)器I的輸出正限幅為Uctmax。

④電流反饋系數(shù)的整定

直接將“給定”電壓Ug接入DJK02-1移相控制電壓Uct的輸入端，整流橋輸出接電阻負(fù)載R，負(fù)載電阻放在最大值，輸出給定調(diào)到零。

按下啟動(dòng)按鈕，從零增加給定，使輸出電壓升高，當(dāng)Ud=220V時(shí)，減小負(fù)載的阻值，調(diào)節(jié)“電流反饋與過(guò)流保護(hù)”上的電流反饋電位器RP1，使得負(fù)載電流Id=l.3A時(shí)，“2”端If的的電流反饋電壓Ufi=6V，這時(shí)的電流反饋系數(shù)β=

Ufi/Id=

4.615V/A。

⑤轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)的整定

直接將“給定”電壓Ug接DJK02-1上的移相控制電壓Uct的輸入端，“三相全控整流”電路接直流電動(dòng)機(jī)負(fù)載，Ld用DJK02上的200mH，輸出給定調(diào)到零。

按下啟動(dòng)按鈕，接通勵(lì)磁電源，從零逐漸增加給定，使電機(jī)提速到n

=150Orpm時(shí)，調(diào)節(jié)“轉(zhuǎn)速變換”上轉(zhuǎn)速反饋電位器RP1，使得該轉(zhuǎn)速時(shí)反饋電壓Ufn=-6V，這時(shí)的轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)α=Ufn/n

=0.004V/(rpm)。

(4)開環(huán)外特性的測(cè)定

①DJK02-1控制電壓Uct由DJK04上的給定輸出Ug直接接入，“三相全控整流”電路接電動(dòng)機(jī)，Ld用DJK02上的200mH，直流發(fā)電機(jī)接負(fù)載電阻R，負(fù)載電阻放在最大值，輸出給定調(diào)到零。

②按下啟動(dòng)按鈕，先接通勵(lì)磁電源，然后從零開始逐漸增加“給定”電壓Ug，使電機(jī)啟動(dòng)升速，轉(zhuǎn)速到達(dá)1200rpm。

③增大負(fù)載(即減小負(fù)載電阻R阻值)，使得電動(dòng)機(jī)電流Id=Ied，可測(cè)出該系統(tǒng)的開環(huán)外特性n

=f（Id），記錄于下表中：

n（rpm）

1200

1198

1189

1187

1169

1158

1148

Id（A）

0.345

0.402

0.414

0.481

0.490

0.722

0.766

將給定退到零，斷開勵(lì)磁電源，按下停止按鈕，結(jié)束實(shí)驗(yàn)。

(5)系統(tǒng)靜特性測(cè)試

①按圖5-10接線，DJK04的給定電壓Ug輸出為正給定，轉(zhuǎn)速反饋電壓為負(fù)電壓，直流發(fā)電機(jī)接負(fù)載電阻R，Ld用DJK02上的200mH，負(fù)載電阻放在最大值，給定的輸出調(diào)到零。將“調(diào)節(jié)器I”、“調(diào)節(jié)器II”都接成P（比例）調(diào)節(jié)器后，接入系統(tǒng)，形成雙閉環(huán)不可逆系統(tǒng)，按下啟動(dòng)按鈕，接通勵(lì)磁電源，增加給定，觀察系統(tǒng)能否正常運(yùn)行，確認(rèn)整個(gè)系統(tǒng)的接線正確無(wú)誤后，將“調(diào)節(jié)器I”，“調(diào)節(jié)器II”均恢復(fù)成PI（比例積分）調(diào)節(jié)器，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

②機(jī)械特性n

=f(Id)的測(cè)定

A、發(fā)電機(jī)先空載，從零開始逐漸調(diào)大給定電壓Ug，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速接近n=l200rpm，然后接入發(fā)電機(jī)負(fù)載電阻R，逐漸改變負(fù)載電阻，直至Id=Ied，即可測(cè)出系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線n

=f(Id)，并記錄于下表中：

n（rpm）

1199

1197

1195

1193

1192

1190

1188

Id（A）

0.302

0.510

0.639

0.810

0.900

1.020

1.200

B、降低Ug，再測(cè)試n=800rpm時(shí)的靜態(tài)特性曲線，并記錄于下表中：

n（rpm）

800.0

797.8

795.3

793.8

792.5

791.1

776.2

Id（A）

0.261

0.429

0.647

0.777

0.879

1.018

1.189

C、閉環(huán)控制系統(tǒng)n=f(Ug)的測(cè)定

調(diào)節(jié)Ug及R，使Id=Ied、n=

l200rpm，逐漸降低Ug，記錄Ug和n，即可測(cè)出閉環(huán)控制特性n

=

f(Ug)。

n（rpm）

1200

961.9

807.1

658.9

557.5

428.0

310.7

Ug（V）

4.46

3.56

2.99

2.42

2.04

1.57

1.16

(6)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的觀察

用慢掃描示波器觀察動(dòng)態(tài)波形。在不同的系統(tǒng)參數(shù)下(“調(diào)節(jié)器I”的增益和積分電容、“調(diào)節(jié)器II”的增益和積分電容、“轉(zhuǎn)速變換”的濾波電容)，用示波器觀察、記錄下列動(dòng)態(tài)波形:

①突加給定Ug，電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電樞電流Id(“電流反饋與過(guò)流保護(hù)”的“2”端)波形和轉(zhuǎn)速n(“轉(zhuǎn)速變換”的“3”端)波形。

1）

電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)的電樞電流Id(“電流反饋與過(guò)流保護(hù)”的“2”端)波形

2）

轉(zhuǎn)速n(“轉(zhuǎn)速變換”的“3”端)波形。

②突加額定負(fù)載(20%IedT100%Ied)時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形。

1）

突加額定負(fù)載(20%IedT100%Ied)時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞電流波形

2）

突加額定負(fù)載(20%IedT100%Ied)時(shí)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速波形

③突降負(fù)載(100%IedT20%Ied)時(shí)電動(dòng)機(jī)的電樞電流波形和轉(zhuǎn)速波形。

1）

突降負(fù)載(100%IedT20%Ied)時(shí)電動(dòng)機(jī)的電樞電流波形

2）

突降負(fù)載(100%IedT20%Ied)時(shí)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波形

六、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

(1)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)的開環(huán)外特性n

=f（Id）。

(2)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出兩種轉(zhuǎn)速時(shí)的閉環(huán)機(jī)械特性n

=f(Id)。

1）

轉(zhuǎn)速n=1200rpm

2）

轉(zhuǎn)速n=800rpm

(3)

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，畫出閉環(huán)控制特性曲線n

=f(Ug)。

七、注意事項(xiàng)

(1)在記錄動(dòng)態(tài)波形時(shí)，可先用雙蹤慢掃描示波器觀察波形，以便找出系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較為理想的調(diào)節(jié)器參數(shù)，再用數(shù)字存儲(chǔ)示波器或記憶示波器記錄動(dòng)態(tài)波形。

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