单闭环直流调速.docx
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单闭环直流调速
单闭环不可逆直流调速系统原理
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
1
DJK01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。
2
DJK02三相变流桥路
该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“三相全控整流”等几个模块。
3
DJK04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。
4
DJK08可调电容
5
DD03-2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”
6
DJ13直流复励发电机
7
DJ15直流并励电动机
8
DK04滑线变阻器
串联形式：
0.65A，2kΩ
并联形式：
1.3A，500Ω
9
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UCt，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UCt，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）Uct不变时直流电动机开环特性的测定。
（4）Ud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Ug直接接到DJK02上的移相控制电压Uct处，将给定的开关S2拨到接地位置（即Uct=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Ug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Ulf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）Uct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Uct由DJK04上的“给定”输出Ug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），Ld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Ug，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Ied直至空载。
即可测出在Uct不变时的直流电动机开环外特性n=f（Id），测量并记录数据于下表：
n（rpm）
Id（A）
（3）Ud不变时直流电机开环外特性的测定
①控制电压Uct由DJK04的“给定”Ug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），Ld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Ug，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Ied直至空载。
用电压表监视三相全控整流输出的直流电压Ud,保持Ud不变（通过不断的调节DJK04上“给定”电压Ug来实现），测出在Ud不变时直流电动机的开环外特性n=f（Id），并记录于下表中：
n（rpm）
Id（A）
（4）基本单元部件调试
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移相控制电压Uct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Ud的波形。
当给定电压Ug由零调大时，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为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，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Uctmax。
C、电流反馈系数的整定
直接将给定电压Ug接入移相控制电压Uct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Id=l.3A时，“电流反馈与过流保护”“2”端电流反馈电压Ufi=6V，这时的电流反馈系数β=Ufi/Id=4.615V/A。
D、转速反馈系数的整定
直接将“给定”电压Ug接入移相控制电压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Ufn=6V，这时的转速反馈系数α=Ufn/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Ug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），Ld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Ug，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Id，和电机的转速n，直至Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n=f（Id）。
n（rpm）
Id（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Ug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），Ld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Ug，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Id和n，直至电动机Id=Ied，即可测出系统静态特性曲线n=f（Id）。
n（rpm）
Id（A）
七、实验报告
（1）根据实验数据，画出Uct不变时直流电动机开环机械特性。
（2）根据实验数据，画出Ud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。
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