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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