《交直流调速系统实验》实验指导书.docx

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《交直流调速系统实验》实验指导书

《交直流调速系统》课程实验指导书

专业：

电气工程及其自动化

电子信息工程学院

2014年5月

实验概述

《交直流调速系统》是一门实践性、实用性很强的专业课程，学习交直流调速系统必须理论联系实际。

交直流调速系统在工业自动化中获得广泛应用，课程涉及面广，内容包括电力、电子、控制、计算机技术等，而实验环节是这些课程的重要组成部分。

通过实验，可以加深对理论的理解，培养和提高实际动手能力、分析和解决问题的独立工作能力。

1.实验的特点和要求

交直流调速系统实验的内容较多、较新，实验系统也比较复杂系统性较强。

该实验是上述理论教学的重要的补充和继续，而理论教学则是实验教学的基础。

学生在实验中应学会运用所学的理论知识去分析和解决实际系统中出现的各种问题，提高动手能力；同时通过实验来验证理论，促使理论和实际相结合，使认识不断提高、深化。

具体地说，学生在完成指定的实验后，应具备以下能力：

（1）掌握电力电子变流装置主电路、触发或驱动电路的构成及调试方法，能初步设计和应用这些电路。

（2）熟悉并掌握基本实验设备、测试仪器的性能及使用方法。

（3）掌握交、直流电机控制系统的组成和调试方法，系统参数的测量和整定方法。

（4）能设计交、直流电机控制系统的具体实验线路，列出实验步骤。

（5）能够运用理论知识对实验现象、结果进行分析和处理，解决实验中遇到的问题。

（6）能够综合实验数据，解释实验现象，编写实验报告。

2.实验准备

实验准备即为实验的预习阶段，是保证实验能否顺利进行的必要步骤。

每次实验前都应先进行预习，从而提高实验质量和效率，否则就有可能在实验时不知如何下手，浪费时间，完不成实验要求，甚至损坏实验装置。

因此，实验前应做到：

（1）复习教材中与实验有关的内容，熟悉与本次实验相关的理论知识；

（2）阅读本教材中的实验指导，了解本次实验的目的和内容；掌握本次实验系统的工作原理和方法。

（3）写出预习报告，其中应包括实验题目、实验仪器、实验原理、实验步骤、数据记录表格等；

（4）熟悉实验所用的实验装置、测试仪器等；

（5）进行实验分组，一般情况下，实验分组为每组2~4人。

3.实验实施

在完成理论学习、实验预习等环节后，就可进入实验实施阶段。

实验时要做到以下几点：

（1）实验开始前，指导教师要对学生的预习报告作检查，要求学生了解本次实验的目的、内容和方法，只有满足此要求后，方能允许实验开始。

（2）指导教师对实验装置作介绍，要求学生熟悉本次实验使用的实验设备、仪器，明确这些设备的功能、使用方法。

（3）按实验小组进行实验，实验小组成员应进行明确的分工，各人的任务应在实验进行中实行轮换，以便实验参加者能全面掌握实验技术，提高动手能力。

（4）按预习报告上的实验系统详细线路图进行接线，一般情况下接线次序为先主电路，后控制电路，先串联，后并联。

在进行调速系统实验时，也可由2人同时进行主电路和控制电路的接线。

（5）完成实验系统接线后，必须进行自查。

串联回路从电源的某一端出发，按回路逐项检查各仪表、设备、负载的位置、极性等是否正确；并联支路则检查其两端的连接点是否在指定的位置。

距离较远的两连接端必须选用长导线直接跨接，不得用2根导线在实验装置上的某接线端进行过渡连接。

自查完成后，须经指导教师复查后方可合闸通电，开始实验。

（6）实验时，应按实验教材所提出的要求及步骤，逐项进行实验和操作。

除作阶跃启动试验外，系统启动前，应使负载电阻值最大，给定电位器处于零位，测试点的分布应均匀；改接线路时，必须拉闸，断开电源。

实验中应观察实验现象是否正常，所得数据是否合理，实验结果是否与理论相一致。

（7）完成本次实验全部内容后，应请指导教师检查实验数据、记录的波形。

经指导教师认可后方可拆除接线，整理好连接线、仪器、工具，使之物归原位。

4.实验总结

实验的最后阶段是实验总结，即对实验数据进行整理、绘制波形和图表、分析实验现象、撰写实验报告。

每个实验参与者都要独立完成一份实验报告，实验报告的编写应持严肃认真、实事求是的科学态度。

如实验结果与理论有较大出入时，不得随意修改实验数据和结果，不得用凑数据的方法来向理论靠拢，而是应用理论知识来分析实验数据和结果，解释实验现象，找出引起较大误差的原因。

实验报告是根据实测数据和在实验中观察、发现的问题，经过自己分析研究或分析讨论后写出的心得体会。

实验报告要写在一定规格的报告纸上，且应简明扼要、字迹清楚、图表整洁、结论明确。

实验报告包括以下内容：

（1）实验名称、专业班级、学号、姓名、实验日期。

（2）实验目的、实验内容简述。

（3）列出实验中所用组件的名称及编号等。

（4）绘出实验时所用组件的线路图，并注明仪表量程、电阻器阻值、电源端编号等。

（5）实验数据的整理、列表、计算，并列出计算所用的计算公式。

（6）按记录及计算的数据用坐标纸画出曲线及记录的波形，曲线要用曲线尺或曲线板连成光滑曲线，不在曲线上的点仍按实际数据标出。

（7）用理论知识对实验结果进行分析总结，说明实验结果与理论是否符合，可对某些问题提出一些自己的见解、建议和改进的措施，并最后写出结论。

（8）每次实验后，要求每人独立完成一份报告，按时送交指导教师批阅。

实验一晶闸管直流调速系统主要单元的调试

一、实验目的

1.熟悉直流调整系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。

2.掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。

二、实验设备

1.DL01电源控制屏

2.DL02晶闸管主电路

3.DL05三相晶闸管触发电路

4.DL21直流电机调速电路

5.示波器

6.万用表

三、实验内容

1.调节器I（速度调节器）的调试。

2.调节器II（电流调节器）的调试。

3.反相器的调试。

4.控制单元及系统调试。

四、实验方法

4.1电压给定

4.1.1实验原理

“电压给定”由两个电位器RP6、RP7及两个开关S1、S2组成。

S1为正、负极性切换开关，输出的正、负电压的大小分别由RP6、RP7来调节，其输出电压范围为-15V～+l5V，S2为输出控制开关，置于“运行”位置，允许电压输出，置于“停止”位置，则输出恒为零。

4.1.2实验方法与步骤

1.将S2置于“运行”位置，S1置于“正给定”位置，调节RP6可得到可调的正电压。

拨动S2至“停止”位置，可获得从正电压至0V的阶跃信号；再拨动S2至“运行”位置，则可获得从0V至正电压的阶跃信号。

2.将S2置于“运行”位置，S1置于“负给定”位置，调节RP7可得到可调的负电压。

拨动S2至“停止”位置，可获得从负电压至0V的阶跃信号；再拨动S2至“运行”位置，则可获得从0V至负电压的阶跃信号。

3.将S2置于“运行”位置，拨动S1，分别调节RP6和RP7使输出一定的正、负电压，当S1从“正给定”位置转换至“负给定”位置时，可得到从正电压到负电压的阶跃信号。

当S1从“负给定”位置转换到“正给定”位置时，得到从负电压到正电压的阶跃信号。

4.2调节器

4.2.1实验原理

“调节器”的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法、减法、比例、积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。

“调节器”由运算放大器、输入与反馈环节及二极管限幅环节组成。

“A1、A2、A3”端为信号输入端，二极管VD1和VD2起运放输入限幅，保护运放的作用。

二极管VD3、VD4和电位器RP2、RP3组成正负幅值可调的限幅电路。

由R1、C1组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。

RP1、C2与运算放大器组成PI调节器。

改变R7的阻值改变了系统的放大倍数，改变C5的电容值改变了系统的响应时间。

电位器RP1、RP2、RP3均安装面板上。

4.2.2实验方法与步骤

1.调整输出限幅值

将“电压给定”的输出端连接到“调节器”的“A3”端。

当加+5V的给定电压时，调整限幅电位器RP3，观察“调节器”负电压输出的变化规律（-0.8V～-16V）；当加-5V的给定电压时，调整正限幅电位器RP2，观察“调节器”正电压输出的变化规律（14.6V～0.8V）。

2.测定输入输出特性

用外接导线将反馈网络中的电容C2短路，使“调节器”为P（比例）调节器，同时将正负限幅电位器RP2和RP3均顺时针旋到底，在“调节器”的输入端分别逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压变化，直至输出限幅值，并画出对应的曲线。

3.观察PI特性

将反馈网络中电容C2的短路线拆除，给“调节器”输入端突加给定电压，用示波器观察输出电压的变化规律。

改变调节器的外接电阻值，观察输出电压的变化。

4.3反相电路

4.3.1实验原理

“反相电路”由运算放大器及相关电阻组成，用于调速系统中信号需要反相的场合，反相电路的输入信号U1由运算放大器的反相输入端输入，故输出电压U2为：

调节电位器RP1，使RP1+R3=R1，则

，输入与输出成反相关系。

4.3.2实验线路连接

测定输入输出的比例：

将“反相电路”输入端接“电压给定”的输出。

调节“电压给定”使其输出为+5V，用万用表测量“反相电路”输出端，通过调节RP5使输出等于-5V；再调节“电压给定”使其输出为-5V，观测“反相电路”输出是否为+5V。

4.4“触发电路”调试

1.打开DL01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DL02的“三相同步信号输出”端和DL05“三相同步信号输入”端相连，打开DL05电源开关，拨动“触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。

3.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。

4.将DL22上的“给定”Ug输出直接与DL05上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DL05中“偏移电压观测及调节”上的电位器，用双踪示波器观察三相同步信号输入a和“双脉冲观察孔”VT1的输出波形，使α=150°（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°）。

5.将给定开关S2置于“给定”位置，适当增加给定Ug的正电压输出，观测DL05上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。

6.将DL05面板上的Ulf端接地，用扁平电缆，将DL05的“正桥触发脉冲输出”端和DL02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DL02“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。

实验二晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验

一、实验目的

1.熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。

2.掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。

二、实验设备

1.DL01电源控制屏

2.DL02晶闸管主电路

3.DL05三相晶闸管触发电路

4.DL37电流反馈与过流保护

5.DL16三相芯式变压器和不可控整流

6.DT04可调电阻（0-90Ω）模块

7.DT05可调电阻（0-900Ω）模块

8.EM01永磁式直流测速发电机

9.EM03直流并励电动机

10.电机导轨

11.示波器

12.万用表

三、实验原理

晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。

在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压Uct，改变Ug的大小即可改变控制角α，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。

实验系统的组成原理图如图1-1所示。

四、实验内容

测量并计算直流调速系统中以下参数。

1.测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R。

2.测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L。

3.测定直流电动机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2。

4.测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td。

5.测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数Cm。

6.测定晶闸管直流调速系统机电时间常数Tm。

7.测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f（Uct）和测速发电机特性UTG=f（n）。

要求：

学习教材中有关晶闸管直流调速系统各参数的测定方法。

图2-1实验系统原理图

五、实验方法

为研究晶闸管－电动机系统，须首先了解电枢回路的总电阻R、总电感L以及系统的电磁时间常数Td与机电时间常数TM，这些参数均需通过实验手段来测定，具体方法如下：

1.电枢回路总电阻R的测定

电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra、平波电抗器的直流电阻RL及整流装置的内阻Rn，即

R=Ra十RL十Rn

由于阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量，因是小电流检测，接触电阻影响很大，故常用直流伏安法。

为测出晶闸管整流装置的电源内阻须测量整流装置的理想空载电压Uｄ0，而晶闸管整流电源是无法测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图2-2所示。

将变阻器R1、R2接入被测系统的主电路，测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。

调节给定（DL21）使输出直流电压Ud在30%Ued～70%Ued（Ued为电机的额定电压，可为110V），然后调整R2使电枢电流在80%Ied～90%Ied（Ied为电机的额定电压，可为0.9A），读取电流表A和电压表V2的数值为I1、U1于下表中。

则此时整流装置的理想空载电压为

Ud=I1R+U1（2-1）

I1/A

U1/V

I2/A

U2/V

R/Ω

Ra/Ω

RL/Ω

Rn/Ω

调节R1使之与R2的电阻值相近，拉开开关S2，在Ud不变的条件下读取电流表、电压表的数值I2、U2于表中，则

Ud=I2R+U2（2-2）

求解（2-1）、（2-2）两式，可得电枢回路总电阻：

R＝（U2-U1）/（I1-I2）

如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得

RL十Rn=（U2＇-U1＇）/（I1＇-I2＇）

则电机的电枢电阻为

Ra=R-（RL十Rn）。

同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。

图2-2伏安比较法实验线路图

2.电枢回路电感L的测定

电枢回路总电感包括电机的电枢电感La、平波电抗器电感Ld和整流变压器漏感LB，由于LB数值很小，可以忽略，故电枢回路的等效总电感为：

L＝La+Ld

电感的数值可用交流伏安法测定。

实验时应给电动机加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图2-3所示。

图2-3测量电枢回路电感的实验线路图

实验时交流电压由DL01电源输出，接DL16的高压端，从低压端输出接电机的电枢，用交流电压表和电流表分别测出电枢两端和电抗器上的电压值Ua和UL及电流I，从而可得到交流阻抗Za和ZL，计算出电感值La和Ld。

实验时，交流电压的有效值应小于电机直流电压的额定值，计算公式如下：

Za=Ua/I

ZL=UL/I

3.直流电动机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定

电力拖动系统的运动方程式为

T-Tz=（GD2/375）dn/dt

式中，T为电动机的电磁转矩，单位为N·m；

Tz为负载转矩，空载时即为空载转矩Tk，单位为N·m；

n为电机转速，单位为rpm。

电机空载自由停车时，T=0，Tz=Tk，则运动方程式为：

从而有

式中GD2的单位为N·m2；

Tk可由空载功率PK（单位为W）求出：

dn/dt可以从自由停车时所得的曲线n＝f（t）求得，其实验线路如图2-4

图2-4测定GD2时的实验线路图

电动机加额定励磁，将电机空载启动至稳定转速后，测量电枢电压Ua和电流Ia0，然后断开给定，用数字存储示波器记录n=f（t）曲线，即可求取某一转速时的Tk和dn/dt。

由于空载转矩不是常数，可以以转速n为基准选择若干个点（如1200r/min，800r/min），测出相应的Tk和dn/dt，以求得GD2的平均值。

由于本实验装置的电机容量比较小，应用此法测GD2时会有一定的误差。

4.主电路电磁时间常数Td的测定

采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升:

其电流变化曲线如图2-5所示。

当t=Td时，有：

实验线路如图2-6所示。

电机不加励磁，调节给定使电机电枢电流在50%Ied～90%Ied范围内。

然后保持Ug不变，将给定的S2拨到停止位置，然后拨动给定S2从接地到正电压跃阶信号，用数字存储示波器记录id=f（t）的波形，在波形图上测量出当电流上升至稳定值的63.2%时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。

5.电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定

将电动机加额定励磁，使其空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n即可由下式算出Ce：

读取几点，求取Ce的平均值。

式中，Ce的单位为V/（rpm）。

转矩常数（额定磁通）CM的单位为N·m/A。

CM可由Ce求出：

CM=9.55Ce

图2-5电流上升曲线图2-6测定Td的实验线路图

6.系统机电时间常数TM的测定

系统的机电时间常数可由下式计算

由于TM>>Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即

当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，当n到达稳态值的63.2%时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数TM。

测试线路同实验图2-4，测试时电枢回路中附加电阻应全部切除。

突然给电枢加电压，用数字存储示波器记录过渡过程曲线n=f（t），即可由此确定机电时间常数。

7.晶闸管触发及整流装置特性Ud=f（Ug）和测速发电机特性UTG=f（n）的测定

实验线路如图2-4所示，可不接示波器。

电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Ug，用万用表测量并读取对应的Ug、UTG、Ud和n的数值若干组，即可描绘出特性曲线Ud=f（Ug）和UTG=f（n）。

由Ud=f（Ug）曲线可求得晶闸管整流装置的放大倍数Ks。

由于输出特性存在非线性现象，故计算Ks时，可取曲线上相应工作段的数值，则：

Ks=ΔUd/ΔUg

六、注意事项

1.由于实验中晶闸管整流装置处于开环工作状态，电流和电压可能有波动，读取数据时可取上限、下限或平均值，但每次取法必须一致。

2.由于DL37上的过流保护整定值的限制，在完成机电时间常数测定的实验中，其电枢电压不能加得太高。

3.当电机堵转时，会出现大电流，因此测量的时间要短，以防电机过热。

4.在测试Ud=f（Ug）时，DL02上的偏移电压要先调到α=120°，具体方法见单闭环直流调速。

5.每次需缓慢增加给定电压，以防电枢中产生过大的冲击电流。

除要求阶跃给定外，每次启动电动机前，给定电位器RP1必须退回到零位，才允许合上电源开关和给定开关，以防过流。

6.实验中各变阻器要放在最大值处，然后按照要求减小阻值，以防过流。

七、实验思考题

1.如何判别触发脉冲的零位？

2.实验中，由于晶闸管整流装置处于开环工作状态，操作时应该注意哪些问题，才能避免引起过流？

3.读取仪表数据以及在特性曲线上取值时应注意哪些问题？

实验三转速单闭环直流调速系统

一、实验目的

1.掌握转速单闭环直流调速系统的组成、原理及各主要单元部件的原理。

2.掌握转速单闭环直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。

二、实验设备

1.DL01电源控制屏

2.DL02晶闸管主电路

3.DL05三相晶闸管触发电路

4.DL19单相自耦调压器/单相不可控整流电路

5.DL21直流电机调速电路

6.DT05可调电阻（0-900Ω）模块

7.EM01永磁式直流测速发电机

8.EM03直流并励电动机

9.示波器

10.万用表

三、实验内容

3.1实验方法

转速单闭环系统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“调节器”的输入端，与“给定”电压相比较并放大，得到移相控制电压Uct，用作控制整流桥的触发电路，从而改变三相桥式全控整流电路的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。

实验中，“调节器”作为“速度调节器”使用。

电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由“调节器”的输出限幅所决定，“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。

转速单闭环直流调速系统原理图如图3-1所示。

图3-1转速单闭环直流调速系统原理图

3.2实验步骤

1.移相控制电压Uct调节范围的确定

将HEP-DL21的“电压给定”连接到HEP-DL05中“移相控制电压”Uct的输入端。

HEP-DL02中“三相正桥主电路”输出接可调电阻负载R，用示波器观察Ud的波形。

（1）当“电压给定”由零调大时，Ud将随给定电压的增大而增大，记录Ud的最高电压值Ud＇。

（2）将三相全控整流桥实际输出的最大值设为Udmax=0.9Ud＇。

调节“电压给定”使得三相全控整流桥输出等于Udmax，此时将对应的“给定电压”Ugd＇值记录下来，该值即为Uctmax=Ugd＇。

（3）我们将“调节器”输出限幅定为Uctmax，就可以限定三相全控整流桥的输出范围，保证整流桥的六个晶闸管可靠工作。

将有关数据记录于表3-1中。

表3-1移相控制电压Uct调节范围数据记录表

Ud＇

Udmax=0.9Ud＇

Uctmax=Ugd＇

测定完成后，将“电压给定”调整至零，再按“停止”按钮。

2.“调节器”的调整

（1）输出限幅值的调整

将HEP-DL21上“电压给定”连接到“调节器”的“3”端。

当加+5V给定电压时，调整负限幅电位器RP3，使之输出电压尽可能接近0V；当“调节器”输入端加-5V给定电压时，调整正限幅电位器RP2，使“调节器”的输出为Uctmax。

（2）转速反馈系数的整定

将HEP-DL21上“电压给定”连接到HEP-DL05上“移相控制电压输入”的输入端，三相整流电路接直流电动机负载，Ld使用HEP-DL01上200mH的电感，并将“电压给定”输出调至0V。

实验台上电，接通励磁电源。

从零逐渐增加“电压给定”Ugd，使电机转速上升到额定值ne（1200r/min），调节“转速变换”上转速反馈电位器RP4，使得该转速时反馈电压为10V，这时的转速反馈系数a=10/ne（V/rpm）。

3.转速单闭环直流调速系统实验

（1）转速单闭环有差调速系统实验

注意：

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。

按图3-1接线，实验中，HEP-DL21的“电压给定”电压Ugd为正给定电压，而转速反馈B3、B4也为正电压，因此，需要使用“反相电路”将转动反馈电压转换为负电压。

将“调节器”接成P（比例）调节器（A4、A5短接）。

直流发电机接可调负载电阻R，Ld使用HEP-DL01上200mH的电感，并将“电压给定”Ugd调至0V。

直流发电机先工作于轻载状态，从零开始逐渐增大“电压给定”Ugd，使电动机的转速达到额定值ne。

逐渐减小可调负载R的阻值，使发电机负载增大，测量电动机的电枢电流Id和电动机的转速n，直至Id达到额定值，即可测出转速单闭环有差调速系统机械特性曲线

，测量并记录数据于表3-2中。

表3-2转