信息与控制工程实验二运控实验指导书 1.docx

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信息与控制工程实验二运控实验指导书1

信息与控制工程实验二

（运控制部分）

实验指导书

湖南文理学院

电气与信息工程学院

实验四转速、电流、电压三闭环直流调速系统

一、实验目的

1．本实验为可选实验，大多数情况下可不用做，主要供学生自选或课程设计、专题研究时选用。

2．熟悉“转速、电流、电压三闭环直流调速系统”的组成及其工作原理。

3．熟悉“电压内环”的特点与调试。

4．分析、研究“转速、电流、电压三闭环直流调速系统”的突加给定起动过渡过程和抗干扰性。

二、实验内容

1．“转速、电流、电压三闭环直流调速系统”的静特性及静态参数整定。

2．“转速、电流、电压三闭环直流调速系统”突加给定起动过渡过程。

3．“转速、电流、电压三闭环直流调速系统”的抗干扰性

三、实验设备与仪器

1．综合实验台主体（主控箱）及其主控电路、转速变换电路（DD02）、电流检测及变换电路（DD06）、电压检测及变换电路（DD09）等单元及平波电抗器等。

2．可控硅主电路挂箱（DSM01）

3．触发电路挂箱Ⅱ（DST02）——DT04。

4．给定单元挂箱（DSG01）——DG01

5．调节器挂箱Ⅰ（DSA01）——DA01、DA02、DA03

6．调节器挂箱Ⅱ（DSA02）——DA04

7．直流电动机+磁粉制动器+旋转编码器机组。

8．慢扫描双踪示波器、数字万用表等测试仪器

9．微机及打印机（存储、演示、打印实验波形，可无，但相应内容省略）。

四、实验电路的组成

“转速、电流、电压三闭环直流调速系统”是对“转速、电流双闭环直流调速系统”的一种改进，其基本特点在于电压内环的作用：

能改造控制对象（电动机电枢回路）的结构和参数，

能提高系统抗电网电压波动的能力，

缩短了起动过渡过程的时间，进一步提高了系统的快速性。

系统的组成框图如图1所示，接线电路见附图1-4。

主要由“DG01”、“DA01”、“DA02”、“DA03”、“DT04”、“DA04”、“DSM01”以及转速（DD02）、电流（DD06）、电压（DD09）变换器等环节组成。

图4－1转速、电流、电压三闭环直流调速系统组成

五、实验步骤与方法

（一）实验电路的连接与检查

1．本实验系统所使用的单元环节，只是在实验二的基础上，增加了用以组成电压内环的电压调节器AVR（DA04）单元，AVR的调试要点和方法同“DA03”单元，可参阅《调节器挂箱Ⅱ（DSA02）使用说明》。

2．按附图1-4连接系统。

工作模式选择为“直流调速”闭合电动机励磁开关，并整定至额定励磁电流；负载控制器模式选择为恒转矩模式，负载给定至0；确保转速和电流的给定和反馈极性正确合理，各反馈强度均调至最大；

3．各调节器先接成1:

1的比例状态；置给定单元（DG01）单元的极性开关S1于下方、阶跃开关S2于上方，正负给定至0。

4．经实验指导教师检查认可后，接通总电源（电源控制与故障指示（CTD）），检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。

（二）电压内环的整定

1．暂且断开转速、电流负反馈引线（ASR、ACR的反馈输入端Un、Ui由转速、电流检测的输出Un、Ui

-引入改由接地⊥输入）；置ASR、ACR为1:

1的比例状态，AVR（DD09）按设计参数构成PI调节器。

闭合主电路，逐步增大转速给定Un至电压给定（ACR的输出）Uv=U*vm，电机升速且稳定后，调节（减小）电压反馈直至Ud=Udnom并锁定反馈系数γ；电压内环整定完毕，减小给定至0V，待电机停止后切除主电路。

2．以实验二同样的方法和步骤检查、调整除电压内环以外的主要单元环节，并整定相应参数（包括转速、电流反馈系数α、β，调整过程中可先短接电压内环，整定电流闭环时注意先分断电动机励磁开关，电流闭环整定完毕，及时闭合电动机励磁开关）；参数整定完毕，置给定为0，电机停止后，分断主电路，

3．按附图1-4恢复“转速、电流、电压三闭环直流调速系统”的接线。

其中，阶跃开关S2拨向下方，DA01、DA03单元（ASR、ACR）的调节器参数（Rn、Cn、Ri、Ci）取实验二整定后的优化值。

并认真检查以确保正确无误。

（三）“转速、电流、电压三闭环直流调速系统”的突加给定起动过渡过程

1．将“DG01”单元的给定设定至Un=U*nm。

反复阶跃起动电动机，通过双踪示波器观察空载突加给定起动时的电流Id和转速n的过渡过程曲线，同时反复协调ASR和ACR参数（AVR单元的参数一般可保持不变），直至过渡过程曲线满意并认真临模一组最满意的曲线于图2。

2．阶跃开关S2拨向下方，待电机停止后；再次起动电机直至稳定运行，调节负载给定至电流Id=Idnom；阶跃开关S2拨向下方，以停止电机。

3．重复阶跃起动电机，并通过双踪示波器观察带载突加给定起动时的电流Id和转速n的过渡过程曲线，并认真临模于图4-2。

图4－2突加给定起动时的过渡过程曲线

空载

带载

4．将阶跃开关S2拨向下方，待电机停转后，切除主电路。

5*．通过左下面板的微机接口电路（DD01），接好微机系统，演示、存储、

打印各过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究动态性能。

（未配置微机时可采用“存储示波器”，或将此项内容省略。

）

（四）“转速、电流、电压三闭环直流调速系统”的抗干扰性

1．闭合主电路，阶跃起动电机到给定转速直至稳定运行。

2．设定负载在恒转矩模式下为额定转矩，模式选择在2档与恒转矩档之间切换可实现负载的突加和突卸，反复切换（适当保持时间间隔），由双踪示波器观察突加和突卸负载时电流Id和转速n的过渡过程曲线，并认真临模于图5-3。

图4－3突加和突卸负载时的过渡过程曲线

3*．通过左下面板的微机接口电路（DD01），接好微机系统，演示、存储、打印各过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究动态性能。

（未配置微机时可采用“存储示波器”，或将此项内容省略。

）

4．实验完毕，将阶跃开关拨向下方，待电机停转后，依次切除主电路、控制电路和主电源。

5．注：

电压调节器的输出端子Uct接一分流电阻，分流电阻的另一端通过钮子开关接地，还可由分、合钮子开关摸拟电压内环的抗电网电压波动实验（正确选定分流电阻以设定电网电压向下波动10％～20％），此处从略。

六、思考题

1．引入电压内环对系统的跟随性和抗干扰性各有何影响？

2．如何整定“转速、电流、电压三闭环系统”中的电流闭环及电流反馈系数β？

电压内环对系统的动、静态特性有何影响？

3．为什么说，电压内环对系统抗电网电压波动有特殊的功效？

4．转速、电流、电压三个调节器都为PI调节器的三环调速系统稳定运行后，电压反馈线突然断开，系统将发生什么样的变化？

5．试分析“电压内环”在系统中有哪些主要作用？

▲实验五转速、电流双闭环控制的绕线式转子异步电动机串级调速系统

一、实验目的

1．熟悉“转速、电流双闭环控制的绕线转子异步电动机串级调速系统”的组成及其工作原理。

2．熟悉“双闭环控制的串级调速系统”及其主要单元环节的调试。

3．研究“双闭环控制的串级调速系统”静态特性及其特点。

4．分析、研究“双闭环控制的串级调速系统”阶跃起动过渡过程及其参数对系统动态性能的影响。

5．分析、研究“双闭环控制的串级调速系统”的抗干挠性及其特点。

二、实验内容

1．系统的单元调试及系统静态参数的整定。

2．“双闭环控制的绕线转子异步电动机串级调速系统”的静态特性测试。

3．“双闭环控制的串级调速系统”的起、制动控制。

4．“双闭环控制的串级调速系统”的抗负载扰动特性的研究。

三、实验设备与仪器

1．综合实验台主体（主控制箱）及其主控电路、转速变换（DD02）、电流变换（DD06）单元。

2．触发电路挂箱II（DST02）

3．可控硅主电路挂箱（DSM01）

4．串级调速辅助挂箱（DSM03）

5．给定挂箱（DAG01）

6．调节器挂箱I（DSA01）

7．绕线转子异步电动机—磁粉制动器----旋转编码器机组

8．慢扫描双踪示波器。

9．数字万用表等测试仪器。

10．微机及打印机（存储、演示、打印实验波形，可无，但相应内容省略）。

四、实验电路的组成

“转速、电流双闭环控制的绕线转子异步电动机串级调速系统”同样有间接起动和直接起动两种控制方式，此处以采用直接起动方式组成“转速、电流双闭环控制的串级调速系统”为例。

也可自行采用间接起动方式组成“转速、电流双闭环控制的串级调速系统”。

本实验所使用的单元环节，与实验三基本相同，只是增加了ASR、ACR两个调节器，以组成转速、电流双闭环。

ASR、ACR的调试方法和要点见《调节器挂箱I（DSA01）使用说明》。

图5-1转速、电流双闭环控制的绕线转子异步电动机串级调速系统方框图

“转速、电流双闭环控制的绕线转子异步电动机串级调速系统”的组成框图如图5－1所示，接线电路见附图2－4。

如图所示，系统由“DG01”、“DA01”、“DA03”、“DT04”、“DSM01”和“转速变换（BS）”、“电流检测及变换单元（DD06）”以及“主控电路”、“绕线转子异步电动机+粉制动器+旋转编码器机组”组成。

五、实验步骤与方法

（一）实验电路的连接与检查。

采用直接起动方式的“转速、电流双闭环控制的串级调速系统”的起、制动操作，与实验三的“直接起动控制方式”一样，起动时，除同样须将逆变器先于电动机接到交流电网外，还应使电动机的定子先与交流电网接通（此时转子呈开路状态），以防止电动机起动合闸时的合闸过电压经转子回路损坏整流装置，然后再使电动机转子回路与转子整流器接通。

为此，应首先将“串调投入方式”置“直接”投入方式，使“串调投入单元”一开始就将“电动机转子回路与转子整流器”处于待接通状态。

主电路闭合将电动机的定子与交流电网接通后，闭和“接触器KS2”使电动机转子回路与转子整流器接通，“接触器KS1”则始终断开而将起动电阻RS分断。

停车时，也应先断开“接触器KS2”（使电动机转子回路与串级调速装置脱离），再断开主电路接触器。

以上起、制动过程由逻辑电路及相应的继电器、接触器按顺序自动实现，实验时只需操作启动开、关按钮即可。

1．按附图2－4连接系统，“状态切换”置“交流调速”档，并检查转速和电流闭环的给定、反馈以及ACR的输出极性是否符合要求，将反馈系数α、β调至最大；将给定单元（DG01）的极性开关、阶跃开关拨向上方，并置正、负给定为0；负载给定置0；经实验指导教师检查认可后，闭合总电源开关，检查各指示灯状态，确认无异常后开始以下步骤。

2．ASR、ACR经RC阻容箱（R0＝40kΩ）接成1:

1的比例状态，两个反馈输入端均改为由控制接地“⊥”端引入（即暂行去掉转速和电流负反馈）。

3．闭合控制回路（左下面板控制按钮ON），分别旋动正、反向给定电位器（由极性开关切换），依次使给定为±0.5、±2V，用万用表分别测量ASR、ACR的输入、输出，检查其比例特性；取U*n＝±2V，两调节器RC外接电容改取Cn＝Ci＝0.5μF～1μF，测量ASR、ACR的输出，按要求整定限幅值U*im、Uctm，录于表5－1；ASR、ACR恢复1:

1的比例状态。

4．用“慢扫描双踪示波器”检查“触发单元（DT04）GTI”的零位以及G1～G6各相脉冲是否对称，务必确保当Un*＝0时，β＝βmin＝30°，若有误差可微调“偏置”或“±βmin”。

5．恢复转速和电流负反馈，即将ASR的反馈输入端恢复由“转速变换电路（BS）”单元的负极性输出端引入，ACR的反馈输入端恢复由“电流检测及变换电路（DD06）”的Ui

+（或Ui

+）端引入，同时将反馈系数α、β调至最大。

（二）系统静态参数整定

1．置正、负给定输出为0；极性开关S1、阶跃开关S2拨向上方；ASR、ACR按设计、计算参数（Rn、Cn、Ri、Ci）接成PI调节器。

2．闭合主电路；逐步增加正向给定至U*n＝U*nm=+6V；待电机升速且稳定后，调节转速反馈，使转速n继续上升，直至n＝n0；锁定转速反馈，读取数据并计算转速反馈系数α＝U*nm／n0，录于表5－1。

3．闭合负载开关，同时调节电流反馈和负载给定，直至n＝nnom、Te=TGnom，（TGnom及以下TGm同表3－1）用万用表测量此时的给定电压U*i读取负载转矩给定，此即额定定子电流ISnom时的ASR输出值U*inom和额定负载转矩TGnom，计算反馈系数β=U*inom／ISnom，将其及TGnom，录入表5－1。

4．锁定电流反馈，调节负载转矩Te，直至Te=TGm，读取此时之负载转矩，即Te＝TGmax录入表5－1。

最后减小给定至0，直至电机停止。

表5－1双闭环控制的交流串级调速系统的主要静态参数

额定参数

Pnom＝（W）

nnom＝（r∕min）

USnom＝（V）

ISnom＝（A）

计算参数

Rn＝（KΩ）

Cn＝（μF）

Ri＝（KΩ）

Ci＝（μF）

调节器限幅

（V）

负载转矩

（N.m）

反馈系数

α=U*nm／no

β=U*inom／ISnom

U*im

Uctm

TGnom

TGm

α

β

（三）系统的静态特性测试

1．负载控制器置恒转矩档，负载给定置0，给定调至U*n＝U*nm=+6V，系统稳定后，调节负载给定，使负载转矩在0～TGnom～TGm之间，分别读取转速n和负载转矩Te等五组数据录于表5－2。

当Te大于TGm后，注意观察n和Te的变化，并读取堵转时的负载转矩TGb，计算相应的转差率S＝（n0－n）／n0、转矩比T*e＝Te／TGm、T*eb＝TGb／TGm录于表5－2。

2．减小给定至0，电机停止后，将负载给定置0。

3．给定电压调至U*n＝（1／2）U*nm=+3V，待系统稳定后读取转速n0’，并调节负载转矩，重复步骤1；分别读取转速n’和负载转矩Te’以及堵转转矩TG’b，并计算相应的转差率S＝（n0－n’）／n0和转矩比T*e＝Te’／TGm以及T*eb＝TG’b／TGm录于表5－2。

4．减小给定至0，停止电机后，切除主电路，置负载给定为0。

5．分别按表5－2数据在图5－2中绘制高、低速两条静态特性S=f（T*e）于，同时用虚线在图5－2重复绘出固有特性。

分析双闭环控制的交流串级调速系统的静态特性，并得出结论。

表5－2双闭环控制的交流串级调速系统闭环静态特性实验数据

U*n

U*n＝U*nm

U*n＝（1／2）U*nm

Te

（N.m）

0

TG1

TGnom

TG3

TGm

TGb

0

TG1

TGnom

TG3

TGm

TGb

T*e

N

（r／min）

n0

（S0）

n1

（S1）

n2

（Snom）

n3

（S2）

nm

（Sm）

0

n0’

（S0’）

n1’

（S1’）

n2’

（S2’）

n3’

（S3’）

nm’

（Sm’）

0

S

图5－2双闭环控制的交流串级调速系统的闭环静特性

①固有特性②人工特性（高速）③人工特性（低速）

（四）系统起、制动以及直接正、反转控制

1．置给定至U*n＝U*nm=±6V；极性开关拨向上方，阶跃开关拨向下方；保持ASR、ACR为给定参数PI调节器；按表5－1将负载转矩调至Te＝TGnom，分断负载（先将模式选择档打到2档，要突加负载时按模式选择开关到恒转矩档1档即可实现）；并将给定及给定积分器（GIR）单元由积分输出“U*n2”改为阶跃输出“U*n1”；检查无误后闭合交流电路。

2．空载、正向阶跃起动至空载转速no，用双踪示波器分别测转速变换（DD02）和电流检测变换单元（DD06）的输出端，观察转速n和转子整流电流Id的波形；协调两个调节器的参数，反复起、制动直至过渡过程曲线满意。

3．依次完成：

空载和带载阶跃起、制动的过渡过程实验。

认真临摹最满意的两组（空载和带载）起、制过渡过程的转速n和定子电流Is的波形，分别绘于图5－3a）、5－3b）；最后将阶跃开关拨向下方，直至电机停止。

待电机停止后，切除主电路。

4*．通过左下面板的微机接口电路（DD01），接好微机系统，演示、存储、打印步骤2、3的过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。

（未配置微机时可采用“存储示波器”，或省略此项内容。

）

5．比较图5－3a）、图5－3b）的过渡过程曲线，得出正确结论。

（五）突加负载时的抗干扰性研究

1．任意设定某个给定U*n（或U*nm）；接好双踪示波器，准备观察电机转速n和定子电流Is的波形。

2．闭合主电路，阶跃起动电机到给定转速直至稳定运行。

3．先后闭合、分断负载（用模式选择开关2档与恒转矩档1档之间切换可实现分断、闭合负载），适当选择不同间隔时间，同时由双踪示波器观察双闭环控制的交流串级调速系统，突加和突卸负载时的电机转速n和定子电流Is的过渡过程曲线，并在图5－4认真临摹，分析并讨论。

a）空载起、停过渡过程

b）带载起、停过渡过程

图5－3双闭环串级调速系统空载和带载时突加给定的起制动曲线

①电机转速n②负载电流Id

4*．通过左下面板的微机接口电路（DD01），接好微机系统，演示、存储、打印突加和突卸负载时的过渡过程曲线，供撰写实验报告和分析、研究系统动态性能。

（未配置微机时可采用“存储示波器”，或省略此项内容。

）

图5－4双闭环串级调速系统突加、突卸负载时的过渡过程曲线

5*．如果需要，本实验台还可通过DA01单元的微分开关SM（拨向下方），实现转速微分负反馈。

本单元转速微分负反馈的RC参数按通用性配置，不尽完美。

若欲调整，必须从挂箱内部本单元的电路板中变更，务请注意。

6．实验完毕，将阶跃开关拨向下方，待电机停转后，依次切除主电路和控制电路，最后断开总电源开关。

六、思考题

4－1．“直接起动控制的交流串级调速系统”的起、停控制必须遵循哪些原则？

为什么？

为何要将“串调投入单元”的电位器Rps调之0（⊥）端？

4－2．试分析、比较“直接起动的双闭环交流串级调速系统”的闭环静态特性（图5－2）与其开环机械特性（图5－4），有何异同？

为什么？

4－3．试分析系统的抗负载扰动的能力？

当定子电压出现波动时，“转速、电流双闭环控制的交流串级调速系统”有无抗干扰能力？

为什么？

4－4．“双闭环交流串级调速系统”，在其它参数不变且为恒转矩负载的条件下，分别改变反馈系数α、β，系统的电机转速n和转子整流电流Id将有何变化？

为什么？

4－5．实验三、四所研究的“交流串级调速系统”为什么没有制动能力？

如何才能使“交流串级调速系统”具有制动能力？

利用本实验台能否实现？

注：

各个控制电路以及检测电路的地用细实验导线连起来，但是绝对不能接到主电路的地上

附图1-4转速、电流、电压三闭环直流调速系统

注：

各个控制电路挂箱以及监测电路的地用细实验导线连起来，但不能与主电路地相连。

附图2－4转速、电流双闭环控制的绕线转子异步电动机串级调速系统