实验二 单闭环不可逆直流调速系统实验

实验三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
序号型号备注
1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”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”、“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。

5DJK08可调电阻、电容箱
6DD03-3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
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U ct，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U ct，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。

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U ct，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。

图5-9 电压单闭环系统原理图
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)U ct不变时直流电动机开环特性的测定。

(3)U d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。

五、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U g直接与DJK02-1上的移相控制电压U ct相接，将给定开关
S2拨到接地位置（即U ct=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U g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U lf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)U ct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U ct由DJK04上的“给定”输出U g直接接入，直流发电机接负载电阻R，L d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U g，使电动机慢慢启动并使转速n 达到1200rpm。

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I ed。

即可测出在U ct不变时
的直流电动机开环外特性n = f(I d)，测量并记录数据于下表：
n（rpm）
I d（A）
(3)U d不变时直流电机开环外特性的测定
①控制电压U ct由DJK04的“给定”U g直接接入，直流发电机接负载电阻R，L d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U g，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I ed。

用电压表监视三相全控整流
输出的直流电压U d，在实验中始终保持U d不变(通过不断的调节DJK04上“给定”电压U g来实现)，测出在U d不变时直流电动机的开环外特性n =f(I d)，并记录于下表中：
n（rpm）
I d（A）
(4)基本单元部件调试
①移相控制电压U ct调节范围的确定
直接将DJK04“给定”电压U g接入DJK02-1移相控制电压U ct的输入端，“三相全控整流”输出接电阻负载R，用示波器观察U d的波形。

当给定电压U g由零调大时，U d将随给定电压的
增大而增大，当U g超过某一数值时，此时U d接近为输出最高电压值U d＇，一般可确定“三相全控整流”输出允许范围的最大值为U dmax=0.9U d＇，调节U g使得“三相全控整流”输出等于
U dmax，此时将对应的U g＇的电压值记录下来，U ctmax= U g＇，即U g的允许调节范围为0～U ctmax。

如果我们把输出限幅定为U ctmax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：
U d＇
U dmax=0.9 U d＇
U ctmax=U g＇
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U ctmax。

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U ctmax。

C、电流反馈系数的整定
直接将“给定”电压U g接入DJK02-1移相控制电压U ct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。

D、转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压U g接DJK02-1上的移相控制电压U ct的输入端，“三相全控整流”
电路接直流电动机负载，L d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U fn=-6V，这时的转速反馈
系数α=U fn/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U d，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U fn= U dγ。

(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U g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，L d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U g，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I d，和电机的转速n，直至
I d=I ed，即可测出系统静态特性曲线n =f(I d)。

n（rpm）
I d（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U g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，L d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U g，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I d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(I d)。

n（rpm）
I d（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U g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，L d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U g，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I d和n，直至电动机I d=I ed，即可测出系统静态特性曲线n =f(I d)。

n（rpm）
I d（A）
七、实验报告
(1)根据实验数据，画出U ct不变时直流电动机开环机械特性。

(2)根据实验数据，画出U d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?
(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。