单闭环直流调速

实验二十五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”，“励

磁电源”等几个模块。

2DJK02三相变流桥路

该挂件包含“触发电路”,“正桥功

放”，“三相全控整流”等几个模块。

3DJK04电机调速控制该挂件包含“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。

4DJK08可调电容

5DD03-2电机导轨﹑测速发电机及转速表或者“DD03-3电机导轨﹑光码盘测速系统及数显转速表”

6DJ13直流复励发电机

7DJ15直流并励电动机

8DK04滑线变阻器

串联形式：0.65A，2kΩ

并联形式：1.3A，500Ω9慢扫描示波器自备

10万用表自备

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“速度变换”后接到“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，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，电机最高转速由电流调节器的输出限幅所决定，电流调节器采用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

四、实验内容

(1)学习DJK01“电源控制屏”的使用方法。

(2)DJK04上的基本单元的调试。

(3)U ct不变时直流电动机开环特性的测定。

(4)U d不变时直流电动机开环特性的测定。

(5)转速单闭环直流调速系统。

(6)电流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上“触发电路”的调试

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打开DJK02电源开关，拨动“触发脉冲指示”处的钮子开关，使“窄”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直接接到DJK02上的移相控制电压U ct处，将给定的开关S2拨到接地位置（即U ct=0时），调节DJK02上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相锯齿波和“双脉冲观察孔”VT1的输出波形，使α=120°。

⑥适当增加给定U g的正电压输出，观测DJK02上“触发脉冲观察孔”的波形，此时应观测到双窄脉冲。

⑦将DJK02面板上的U lf端接地，将“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按接线图分别将主回路和控制回路接好线。DJK02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(用滑线变阻器接成串联形式)，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，使电机的电枢电流从I ed直至空载。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(用滑线变阻器接成串联形式)，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，使电机的电枢电流从I ed直至空载。用电压表监视三相全控整流输出的直流电压U d,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(用滑线变阻器接成串联形式)，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U g＇时，U d的波形会出现缺相现象，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为U ctmax=0.9U 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 g＇

U ctmax=0.9U 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“电流调节器”的所有输入端接地，将串联反馈网络中的电容短接（即将“电流调节器”的“8”，“9”两端用导线直接短接），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RP4，用万用表的毫伏档测量“电流调节器”的“10”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。

B、正负限幅值的调整

将“电流调节器”的输入端接地线和反馈电路电容短接线去掉，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，当加一定的正给定时，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U ctmax。

C、电流反馈系数的整定

直接将给定电压U g接入移相控制电压U ct的输入端，整流桥接电阻负载（用滑线变阻器接成并联接法，通过最大电流为1.3A，最大的电阻为500?），测量负载电流值和电流反馈电压，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，“电流反馈与过流保护”“2”端电流反馈电压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接入移相控制电压U ct的输入端，“三相全控整流”电路接直流电动机作负载，测量直流电动机的转速和转速反馈电压值，调节“速度变换”上的转速反馈电位器RP1，使得n=150Orpm时，转速反馈电压U fn=6V，这时的转速反馈系数α=U fn/n=0.004V/(rpm)。

(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“电流调节器”接成P（比例）调节器或PI（比例积分）调

用DJK02上节器。直流发电机接负载电阻R(将滑线变阻器接成串联形式)，L

d

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“电流调节器”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(将滑线变阻器接成串联形式)，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)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?

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)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。