双闭环直流调速系统设计-大学论文.doc

第一章 设计概述
一、课程设计的性质和任务：
本课程是电气自动化本科专业学生学习完《直流调速系统》或《电力拖动控制系统》课程后进行的一个重要的独立性实践教学环节。其任务是通过设计双闭环直流调速系统的全过程，培养学生综合应用所学的直流调速知识去分析和解决工程实际问题的能力，帮助学生巩固、深化和拓展知识面，使之得到一次较全面的设计训练，为毕业设计和实际工程设计奠定基础。
转速、电流双闭环不可逆直流调速系统是一种典型的自动控制系统。这种调速系统只有两个调节器，即速度调节器（ASR）和电流调节器(ACR)，两个调节器作串级连接，其中速度调节器的输出信号作为电流调节器的输入信号，从而形成一环套一环的转速、电流双闭环结构。这种转速、电流双闭环调速系统，在突加转速给定信号的过程中表现为一个恒电流加速系统，而在稳态和接近稳态的运行中又表现为一个无静差调速系统，因此各项性能指标较系统开环时提高许多。
本此课程设计的目的就是同学们在调试、设计一个典型的调速系统后，能够掌握自控系统调试、设计的方法，步骤及其调试原则，加强同学们的动手能力和对理论知识的理解。
自控系统调试所遵循的原则：
先部分，后系统：即首先对系统的各个单元进行调试，然后再对整个系统进行调试。
先开环，后闭环：即首先进行开环调试，然后再对系统闭环进行调试。
先内环，后外环：即首先对内环进行调试（如在本此调试中就应先对电流环进行调试）,然后再对外环进行调试（如本此调试中的速度环调试）。
本次系统调试是在DJDK-1型电力电子技术及电机控制实验装置上进行。整个调试完成后要求系统达到以下指标：
动态
指标
启动（稳态1500rpm@Id=0.8A）
σn ≤ 10%，σi ≤ 5%，tr ≤ 2s
tr：起动时间
负载扰动（1500rpm@△Id=0.7A）
△n ≤ 5%，tv ≤ 0.5s
△n：动态速降
tv：恢复时间
静态
指标
负载变化：空载～Id=0.8A
D ≥ 5，S ≤ 5%
D：调速范围
S：静差率

30

二、DJDK-1 型电力电子技术及电机控制实验装置简介
1 装置特点
(1)设计装置采用挂件结构，可根据不同设计内容进行自由组合。
(2)装置连接线采用强、弱电分开的手枪式插头，两者不能互插，避免强电接入弱电回路，造成设备损坏。
(3)控制屏供电采用三相隔离变压器隔离，分别设有电压型和电流型漏电保护装置，保护操作者的安全。
(4)挂件面板分为三种接线孔，强电、弱电及波形观测孔，三者有明显的区别，不能互插。

图2-1 DJDK-1电力电子技术及电机控制实验装置
2 装置技术参数
(1)输入：电压三相四线制，380V±10%，50Hz。
(2)工作环境：环境温度范围为－5～40℃，相对湿度 < 75%，海拔高度 < 1000m。
(3)装置容量：＜1.5kVA
(4)电机输出功率：＜200W
3 DJK01电源控制屏
电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流励磁电源等；同时为实验提供所需的仪表，如直流电压、电流表，交流电压、电流表。屏上还设有定时器兼报警记录仪（考核实验用）；在控制屏正面的大凹槽内，设有两根不锈钢管，可挂置实验所需挂件，凹槽底部设有12芯、10芯、4芯、3芯等插座，从这些插座提供有源挂件的电源；在控制屏两边设有单相三极220V电源插座及三相四极380V电源插座，此外还设有供实验台照明用的40W日光灯。

图2-2 主控制屏面板图
（1）三相电网电压指示
三相电网电压指示主要用于检测输入的电网电压是否有缺相的情况，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。
（2）定时器兼报警记录仪
平时作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警和切断电源等功能，它还可以自动记录由于接线操作错误所导致的告警次数。
（3）电源控制部分
它的主要功能是控制电源控制屏的各项功能，它由电源总开关、启动按钮及停止按钮组成。当打开电源总开关时，红灯亮；当按下启动按钮后，红灯灭，绿灯亮，此时控制屏的三相主电路及励磁电源都有电压输出。
（4）三相主电路输出
三相主电路输出可提供三相交流200V/3A或240V/3A电源。输出的电压大小由“调速电源选择开关”控制，当开关置于“直流调速”侧时，A、B、C输出线电压为200V，可完成电力电子实验以及直流调速实验；当开关置于“交流调速”侧时，A、B、C输出线电压为240V，可完成交流电机调压调速及串级调速等实验。在A、B、C三相附近装有黄、绿、红发光二极管，用以指示输出电压。同时在主电源输出回路中还装有电流互感器，电流互感器可测定主电源输出电流的大小，供电流反馈和过流保护使用，面板上的TA1、TA2、TA3三处观测点用于观测三路电流互感器输出电压信号。
（5）励磁电源
励磁电源开关拨向“开”侧，在按下启动按钮后，则有220V直流励磁电压输出，并有发光二极管指示输出是否正常，励磁电源由0.5A保险做短路保护。由于励磁电源的容量有限，仅作为直流电机提供励磁电流，故一般不能作为大电流的直流电源使用。
（6）面板仪表
面板上部设置有精度为0.5级的500V真有效值交流电压表和5A真有效值交流电流表，面板下部设置有0.5级精度的±300V数字式直流电压表和±5A数字式直流电流表。
4 DJK02挂件（晶闸管主电路）
该挂件装有12只晶闸管、直流电压和电流表等，其面板如图2-3所示。
（1）三相同步信号输出端
同步信号从电源控制屏获得，电源控制屏内装有D/Y接法的三相同步变压器，和主电源输出同相，其输出相电压幅度为15V左右，送DJK02-1内的KC04集成触发电路，产生移相触发脉冲；只要将本挂件的12芯插头与装置相连接，则即有三相同步电压信号输入。
（2）正、反桥脉冲输入端
从DJK02-1来的正、反桥触发脉冲分别通过输入接口，加到相应的晶闸管电路上。
（3）正、反桥钮子开关
从正、反桥脉冲输入端来的触发脉冲信号通过“正、反桥钮子开关”接至相应晶闸管的门极和阴极。面板上共设有十二个钮子开关，分为正、反桥两组，分别控制对应的晶闸管的触发脉冲；开关打到“通”侧，触发脉冲接到晶闸管的门极和阴极；开关打到“断”侧，触发脉冲被切断；通过钮子开关的拨动可以模拟晶闸管失去脉冲的故障情况。

图2-3三相变流桥路面板图
（4）三相正、反桥主电路
正桥主电路和反桥主电路分别由六只5A/1000V晶闸管组成；其中由VT1～VT6组成正桥元件（一般不可逆、可逆系统的正桥使用正桥元件）；由VT1ˊ～VT6ˊ组成反桥元件（可逆系统的反桥以及需单个或几个晶闸管的实验可使用反桥元件）；所有这些晶闸管元件均配置有阻容吸收及快速熔保险保护，此外正桥还设有接成三角形的压敏电阻，起过压吸收。
（5）平波电抗器
实验主回路中所使用的平波电抗器装在电源控制屏内，其各引出端通过12芯的插座连接到DJK02面板的中间位置，有3档电感量可供选择，分别为100mH、200mH、700mH（各档在1A电流下能保持线性），可根据实验需要选择合适的电感值。电抗器回路中串有3A保险保护，保险座装在电抗器旁。
（6）直流电压表及直流电流表
面板上装有±300V的镜面直流电压表、±2A的镜面直流电流表，均为中零式，精度为1.0级，为可逆调速系统提供电压及电流指示。
5 DJK02-1挂件(三相晶闸管触发电路)
该挂件装有三相触发电路和正反桥功放电路等，面板图如图2-4。

图2-4 DJK02-1三相触发电路面板图
（1）移相控制电压Uct输入及偏移电压Ub观测及调节
Uct及Ub用于控制触发电路的移相角，在一般的情况下，我们首先将Uct接地，调节Ub，以确定触发脉冲的初始位置；当初始触发角定下后，在以后的调节中只调节Uct的电压，这样确保移相角不会大于初始位置；如在逆变实验中初始移相角α=150°定下后，无论如何调节Uct，都能保证β > 30°，防止出现逆变颠覆的情况。
（2）触发脉冲指示
在触发脉冲指示处设有钮子开关用以控制触发电路，开关拨到左边，绿色发光管亮，在触发脉冲观察孔处可观测到后沿固定、而前沿可调的宽脉冲；开关拨到右边，红色发光管亮，触发电路产生互差60°的双窄脉冲。
（3）三相同步信号输入端
通过专用的10芯扁平线将DJK02上的“三相同步信号输出端”与DJK02-1“三相同步信号输入端”连接，为其内部的触发电路提供同步信号；同步信号也可以从其他地方提供，但要注意相序的问题。
（4）锯齿波斜率调节与观测孔

打开挂件的电源开关，同步信号经KC04集成触发电路，产生三路锯齿波信号，调节相应的斜率调节电位器，可改变相应的锯齿波斜率，三路锯齿波斜率应保证基本相同，使六路触发信号保持同时出现，且双窄脉冲间隔基本一致。

图2-5 触发电路原理图
（5）控制电路
如图2-5所示，在KC04、KC41和KC42三相集成触发电路的基础上，又增加了4066、4069芯片，可产生三相六路互差60°的双窄脉冲或三相六路后沿固定、前沿可调的宽脉冲链，供触发晶闸管使用。
在面板上设有三相同步信号观测孔、两路触发脉冲观测孔。VT1～VT6为单脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)或宽脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“宽脉冲”)；VT1ˊ～VT6ˊ为双脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“窄脉冲”)或宽脉冲观测孔(在触发脉冲指示为“宽脉冲”)。
三相同步电压信号从每个KC04的8脚输入，在其4脚形成线性增加的锯齿波，移相控制电压Uct和偏移电压Ub经叠加后，从9脚输入。当触发脉冲选择的钮子开关拨到窄脉冲侧时，通过控制4066（电子开关），使得每个KC04从1、15脚输出相位相差180°的单窄脉冲(可在上面的脉冲观测孔观测到)，窄脉冲经KC41（六路双脉冲形成器）后，得到六路双窄脉冲(可在下面的脉冲观测孔观测到)。将钮子开关拨到宽脉冲侧时，通过控制4066，使得KC04的1、15脚输出宽脉冲，同时将KC41的使能端7脚接高电平，使KC41停止工作，宽脉冲则通过4066的3、9两脚直接输出。4069为反相器，它将部分控制信号反相以控制4066；KC42为调制信号发生器，对窄脉冲和宽脉冲进行高频调制。
（6）正、反桥功放电路
正、反桥功放电路的原理以正桥的一路为例，如图2-6所示；由触发电路输出的脉冲信号经功放电路中的V2、V3三极管放大后由脉冲变压器T1输出。Ulf即为DJK02面板上的Ulf ，接地才可使V3工作，脉冲变压器输出脉冲。反桥功放和正桥功放线路完全一致，只是使能端不一样，将Ulf改为Ulr。

图2-6 脉冲功率放大电路原理图
（7）正桥使能端Ulf、反桥使能端Ulr
这两个端子用于控制正反桥功放电路的工作与否，当端子与地短接，表示功放电路工作，触发电路产生的脉冲经功放电路从正反桥脉冲输出端输出；悬空表示功放不工作。Ulf控制正桥功放电路，Ulr控制反桥。
（8）正、反桥脉冲输出端
经功放电路放大的触发脉冲，通过专用的20芯扁平线将DJK02“正反桥脉冲输入端”与DJK02-1上的“正反桥脉冲输出端”连接，为晶闸管提供相应的触发脉冲。

图2-5 触发电路原理图
6 DJK04挂件（电机调速控制实验I）
该挂件主要完成电机调速实验，如单闭环直流调速实验、双闭环直流调速实验、逻辑无环流等实验。同时和其它挂件配合可增加实验项目，如与DJK18配合使用就可以完成三闭环错位选触无环流可逆直流调速系统实验。DJK04的面板图如下：

图2-7 DJK04面板图
（1）电流反馈与过流保护
单元有两个功能，一是检测主电源输出的电流反馈信号，二是当主电源输出电流超过某一设定值时发出过流信号切断电源，其原理如图2-8。
TA1、TA2、TA3为电流互感器的输出端，它的电压高低反映三相主电路输出的电流大小，面板上的三个园孔均为观测孔，不需再外部进行接线，只要将DJK04挂件的10芯电源线与插座相连接，那么TA1、TA2、TA3就与屏内的电流互感器输出端相连，当打开挂件电源开关，过流保护即处于工作状态。
a 电流反馈与过流保护的输入端TA1、TA2、TA3，来自电流互感器的输出端，反映负载电流大小的电压信号经三相桥式整流电路整流后加至RP1、RP2及R1、R2、VD7组成的3条支路上，其中：
① R2与VD7并联后再与R1串联，在其中点取零电流检测信号从1号端输出，供零电平检测用。当电流反馈的电压比较低的时候，1号端的输出由R1、R2分压所得，VD7截止。当电流反馈的电压升高的时候，1号端的输出也随着升高，当输出电压接接近0.6V左右时，VD7导通，使输出始终保持在0.6V左右。
② RP1的滑动抽头端输出作为电流反馈信号，从2号端输出，电流反馈系数由RP1进行调节。

图2-8 电流反馈与过流保护原理图
③ RP2的滑动触头与过流保护电路相连，调节RP2可调节过流动作电流的大小。
b 当电路开始工作时，由于电容C2的存在，V3先于V2导通，V3的集电极为低电位，V4截止，同时通过R4、VD8将V2基极电位拉低，保证V2一直处于截止状态。
c 当主电路电流超过某一数值后，RP2上取得的过流电压信号超过稳压管V1的稳压值，击穿稳压管，使三极管V2导通，从而V3截止，V4导通使继电器K动作，控制屏内的主接触器掉电，切断主电源，挂件面板上的声光报警器发出告警信号，提醒操作者实验装置已过流跳闸。调节RP2的抽头的位置，可得到不同的电流报警值。
d 过流的同时，V3由导通变为截止，在集电极产生一个高电平信号从3号端输出，作为推β信号供电流调节器使用。
e SB为解除过流记忆的复位按钮，当过流故障己经排除，则须按下SB以解除记忆，才能恢复正常工作。当过流动作后，电源通过SB、R4、VD8及C2维持V2导通，V3截止、V4导通、继电器保持吸合，持续告警。只有当按下SB后，V2基极失电进入截止状态，V3导通、V4截止，电路才恢复正常。
（2）给定
给定的原理图如图2-9所示。电压给定由两个电位器RP1、RP2及两个钮子开关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RP1、RP2来调节，其输出电压范围为0～士l5V，S2为输出控制开关，打到“运行”侧，允许电压输出，打到“停止”侧，则输出为零。按以下步骤拨动S1、S2，可获得以下信号：
a 将S2打到“运行”侧，S1打到“正给定”侧，调节RP1使给定输出一定的正电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从正电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到正电压的阶跃信号。
b 将S2打到“运行”侧，S1打到“负给定”侧，调节RP2使给定输出一定的负电压，拨动S2到“停止”侧，此时可获得从负电压突跳到0V的阶跃信号，再拨动S2到“运行”侧，此时可获得从0V突跳到负电压的阶跃信号。

图2-9 电压给定原理图
c 将S2打到“运行”侧，拨动S1，分别调节RP1和RP2使输出一定的正负电压，当S1从“正给定”侧打到“负给定”侧，得到从正电压到负电压的跳变。当S1从“负给定”侧打到“正给定”侧，得到从负电压到正电压的跳变。
元件RP1、RP2、S1及S2均安装在挂件的面板上，方便操作。此外由一只3位半的直流数字电压表指示输出电压值。要注意的是不允许长时间将输出端接地，特别是输出电压比较高的时候，可能会将RP1、RP2损坏。
（3）转速变换
转速变换用于有转速反馈的调速系统中，它将反映转速变化并与转速成正比的电压信号变换成适用于控制单元的电压信号。图2-10为其原理图：

图2-10 速度变换
使用时，将DD03-2(或DD03-3)导轨上的测速器模拟电压输出端接至转速变换的输入端“1”和“2”。输入电压经R1和RP1分压，调节电位器RP1可改变转速反馈系数。
（4）速度调节器
速度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。速度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。其原理见图2-11。
图中,“1、2、3”端为信号输入端，二极管VD1和VD2起运放输入限幅，保护运放。二极管VD3、VD4和电位器RP1、RP2组成正负限幅可调的限幅电路。由C1、R3组成微分反馈校正环节，有助于抑制振荡，减少超调。R7、C5组成速度环串联校正环节，其电阻、电容均从DJK08挂件上获得。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。RP3为调零电位器。
电位器RP1、RP2、RP3均安装面板上。电阻R7、电容C1和电容C5两端在面板上装有接线柱，可根据需要外接电阻及电容。

图2-11 速度调节器原理图
（5）反相器
反相器由运算放大器及有关电阻组成，用于调速系统中信号需要倒相的场合，如图2-12。反相器的输入信号U1经运算放大器的反相输入端输入，故输出电压U2为：
U2 = -( RP1 + R3) × U1/R1
调节电位器RP1的滑动触点，改变RP1的阻值，使RP1+R3=R1，则U2 = -U1，输入与输出成倒相关系。电位器RP1装在面板上，调零电位器RP2装在内部线路板上（在出厂已将运放调零）。

图2-12 反相器原理图
（6）电流调节器
电流调节器由运算放大器、限幅电路、互补输出、输入阻抗网络及反馈阻抗网络等环节组成，工作原理基本上与速度调节器相同，其原理图如图2-13所示。电流调节器也可当作速度调节器使用。元件RP1、RP2、RP3均装在面板上，电容C1、电容C7和电阻R13的数值可根据需要，由外接电阻、电容来改变。
电流调节器与速度调节器相比，增加了几个输入端，其中“3”端接推β信号，当主电路输出过流时，电流反馈与过流保护的“3”端输出一个推β信号（正电压、高电平），其击穿稳压管送入运放的反向输入端，使调节器的输出电压下降，使α角向180°方向移动，使晶闸管从整流区移至逆变区，降低输出电压，保护主电路。“5、7”端接逻辑控制器的相应输出端，当有高电平输入时，击穿稳压管，三极管V4、V5导通，将相应的输入信号对地短接。在逻辑无环流实验中“4、6”端同为输入端，其输入信号极性正好相反，如果两路输入都有效的话，两个值正好抵消。“5、7”端来选择“4、6”端的输入信号，在同一时刻，只有一路信号输入起作用，另一路信号接地不起作用。

图2-13 电流调节器原理
（7）转矩极性鉴别
转矩极性鉴别为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化。它是一个由比较器组成的模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平信号转换成逻辑运算所需的“0”、“1”电平信号。其原理图如图2-14所示，输入输出特性如图2-15所示，具有继电特性。调节运放同相输入端电位器RP1可以改变继电特性相对于零点的位置。继电特性的回环宽度为:
Uh = Usr2－Usr1 = K1(Uscm2－Uscm1)
式中，K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越小；Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压； Uscm1和Uscm2分别为反向和正向输出电压。逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.2～0.6V，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统动作迟钝。

图2-14 转矩极性鉴别器原理图

图2-15 转矩极性鉴别器输入输出特性
（8）零电平检测
零电平检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电流检测，当输出主电路的电流接近零时，电平检测器检测到电流反馈的电压值也接近零，输出高电平。其原理图和输入输出特性分别如图2-16和图2-17所示。

2-16 零电平检测器原理

图2-17 零电平检测输入输出特性

第二章 单元调试
一、调试前的准备
1. 目的：通过系统的原理图和安装图，熟悉系统结构及元器件的分布情况，同时对系统进行初步检查。
2. 步骤：
a. 熟悉图纸资料。
b. 记录设备参数。
c. 结合图纸检查设备：
(1)外观检查：熟悉设备的安装位置，检查设备的外观是否完好，即检查设备各紧固件有无松动，设备外壳有无名显变形，设备有无受潮及其它异常现象。
(2)连线检查：检查设备各抽屉内的连线有无脱落，抽屉与抽屉之间，抽屉与面板之间的连线及各个接地点是否可靠接通。
(3)检查设备的绝缘情况：用摇表（500V）检查主回路上各个设备的绝缘电阻，要求各设备的绝缘电阻至少大于0.5兆欧。
需检查的设备及部位：
a.直流电动机各出线端对其机壳的绝缘电阻；
b.直流电动机饶组间的绝缘电阻；
c.直流发电机各出线端对其机壳的绝缘电阻；
d.直流发电机饶组间的绝缘电阻；
e.设备主回路各相之间，以及各相接线端对设备外壳的绝缘电阻。
注意：
a.不能用摇表来测量控制回路；
b.只能在不通电的情况下检查设备的绝缘电阻；
c.检查设备的绝缘电阻应在设备没连线时进行；
d.摇表指针回零后，应立即停止测量，以免损坏摇表。
二、操作回路的检查
1．目的：检查主回路及控制回路是否正常
2．步骤：
( 1 ) 按照原理图给设备接好三相电源。
( 2 ) 打开三相整流桥DJK02面板，检查正桥各保险是否正常，有无熔断。
( 3 ) 合上电源，看主回路和操作回路指示灯是否正常点亮。
三、DJK02和DJK02-1触发电路调试
1、目的：保证每个可控硅在整个移相范围内都能得到脉冲且触发角度一致。
2、为保证可控硅在移相范围内都能可靠地被触发导通，可控硅触发挂件DJK02-1输出的触发脉冲应满足以下技术指标：
（1）触发脉冲的幅度应在4~10V之间，
（2）触发脉冲的宽度应在20°左右（“窄”脉冲模式)，
（3）触发脉冲上升沿的时间应小于10us，
（4）触发脉冲的移相范围应在240°左右，
（5）无触发脉冲时，触发电路的输出电压小于0.2V。
3、 调试步骤
①打开DJK01总电源开关，操作电源控制屏上的电网三相线电压测量开关，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，选择“宽”脉冲模式。
④观察A、B、C三相的锯齿波，通过调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器，使三相的锯齿波斜率尽可能一致。
⑤先将DJK04挂件的“地”与DJK02-1挂件的“地”相连，再将DJK04上的给定单元的Ug与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，开关S1拨到“RP1”位置，开关S2拨到接“地”位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器RP，用双踪示波器观察A相同步电压信号和脉冲观察孔VT1的输出波形，使α=90°。
⑥适当增加Ug（>1.0V），观测DJK02-1上脉冲观察孔的波形。在“窄”脉冲模式下，应观测到VT1单窄脉冲和VT1ˊ双窄脉冲；在“宽”脉冲模式下，应可观测到VT1和VT1ˊ上的宽脉冲。
⑦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，正桥触发脉冲输出端旁的Ulf端接“地”，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。
⑧触发电路最小控制角α min和最小逆变角β min 的整定
α min和β min过小都会产生较大的冲击，容易造成事故，故一般α min = β min=30°。对三相可控硅不可逆调速系统，可取α min =30°，β min =90°。
在三相可控硅不可逆调速系统中，电流调节器（ACR）的输出信号被用来作为三相可控硅桥式整流电路移相电压（UK），故对最小控制角α min的限制实际上就是对电流调节器（ACR)的正输出幅值的限制，而对最小逆变角βmin的限制就是对电流调节器（ACR）的负输出幅值的限制。
具体整定方法可参照触发电路初始相位整定。在这只需把αmin =30°，βmin =90°时的移相电压（UK）值都记录下来作为以后整定电流调节器（ACR）输出限幅值的依据。
四、直流电机开环外特性的测定
(1)Uct不变时直流电机/调速系统开环外特性（机械特性）的测定
①按接线图分别将主回路和控制回路接好线。DJK02-1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D42三相负载电阻中任意一相可调电阻（同一相的两个可调电阻并联，使其允许电流扩大到0.41A×2），Ld（平波电抗器）位于DJK02上，电感量500mH，将给定输出调到零。
②先闭合励磁电源开关，发电机空载，再按下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空载转速达到1200rpm。
③负载电阻R接入发电机，改变负载电阻的阻值，使电机的电枢电流从空载电流直至Ied（电机额定电流=1.2A，实验中取1.0A）。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)

(2)Ud不变时直流电机（本身）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。DJK02-1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D42三相负载电阻R，Ld为500mH，将给定输出调到零。
②先闭合励磁电源开关，发电机空载，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空载转速达到1200rpm。
③负载电阻接入发电机，改变负载电阻，使电机的电枢电流从空载电流直至Ied（取1.0A），同时需保持三相全控整流输出电压Ud不变(通过不断地调节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)

五、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DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，三相全控整流输出接D42电阻负载R，用电压表测量Ud。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，会出现Ud减小（缺相，窄脉冲模式下）或保持定值（α=0不变，宽脉冲模式下）。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ACR的输出限幅定为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。
（2）电流反馈系数的整定
a. 将给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，整流桥输出接电阻负载R，Ug调到零。
b. 按下启动按钮，从零增加给定，使输出电压升高，当Ud=220V时，减小R阻值，使得负载电流Id=l.0A，调节电流反馈与过流保护单元上的电流反馈系数电位器，使电流反馈电压输出（2#测试孔）U=8V，这时的电流反馈系数β= U/Id。
（3）转速反馈系数的整定
a. 给定电压Ug接DJK02-1上的移相控制电压Uct的输入端，三相全控整流电路接直流电动机，Ld用500mH，输出给定调到零。
b. 接通励磁电源，按下启动按钮，从零逐渐增加给定，使电机提速到n =1500rpm时，调节速度变换单元上的转速反馈系数电位器，使得转速反馈电压（3#测试孔）U=6V，这时的转速反馈系数α =U/n。
（4）速度、电流调节器ASR、ACR）的调试
a. 调节器调零
将调节器接成P (比例)调节器（即将DJK08中的可调电阻（40kΩ）接到运放的反相输入端和输出端），调节器所有输入端接地。用万用表200mV档测量调节器输出，调节调零电位器，使调节器的输出电压尽可能接近于零。
b. 调节器正、负限幅值调整
调节器接成P调节器(放大倍数要尽可能大)，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的任意一个输入端，当加入一定的正给定电压（> 0.1V）时，调整负限幅电位器，使调节器输出电压为指定值即可；当输入端加入负给定时（<－0.1V），调整正限幅电位器，使调节器输出正限幅为指定值。
c. 测定调节器输入输出特性
调节器为P调节器（反馈电阻R=40kΩ），其一输入端接给定电压Ug，测出Ug从-15V～15V变化下时调节器对应的输出电压Uo，依测量数据绘制Uo=f(Ug)曲线。
d. 观察PI特性
调节器为PI调节器（反馈电阻R=40kΩ，电容C=1uF），一输入端接给定电压Ug（Ug=0.5V），突加给定电压，用示波器观察、记录调节器输出波形。改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。
调节器限幅值
ASR正限幅
ASR负限幅
ACR正限幅
ACR负限幅
0.7V
-8.0V
4.5V
-0.3V
（5）转速单闭环直流调速系统
a. 按图5-1接线，取给定电压Ug为负极性给定，转速反馈电压为正极性，接入电流调节器（因其输出带驱动，驱动能力强），同时调节器接成PI调节器（R=20KΩ，C=1uF），其输出接Uct。直流发电机接D42负载电阻R，Ld用500mH，给定输出调到零。
b. 电动机加励磁，直流发电机空载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机的空载转速n=1200rpm。
c. 由大到小调节直流发电机负载R，同时测出电动机电枢电流Id和转速n，直至Id=1.0A，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
a. 按图5-1接线，取给定Ug为负给定，电流反馈电压为正极性，接入电流调节器；同时电流调节器接成PI调节器（R=5KΩ，C=2uF），调节器输出接Uct。直流电动机加励磁，发电机接D42负载电阻R，Ld用500mH，将给定输出调到零。
b. 发电机先轻载，从零开始逐渐调大给定电压Ug，使电动机电枢电流Id=0.8A，n=1200rpm。
c. 由大到小调节发电机负载R阻值，测出相应的Id和n，直至电动机n=100rpm，即可测出系统静态特性曲线n =f(Id)。
n(rpm)

Id(A)

第三章 参数测量与计算
本次课程设计中的参数计算主要指两个PI调节器的参数计算，进行参数计算所需数据的一部分是通过单元调试和实际测量获得，其余部分数据可以从图纸和资料中获取。
一、系统参数测量
为研究晶闸管－电动机系统，须首先了解电动机电枢回路的总电阻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）直流电动机电枢回路总电阻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＋RL＋Rn (41)
由于R∑阻值较小，不宜用欧姆表或电桥测量（小电流检测，接触电阻影响很大），故常用直流伏安法。测量晶闸管整流装置的内阻须测量整流装置的理想空载电压Ud0，而Ud0是无法直接测量的，为此应用伏安比较法，实验线路如图4-1所示。

图4-1 伏安比较法实验线路图
将D42三相可调电阻器R接入直流电机电枢回路，测试时电动机不加励磁，堵转。调节给定使输出直流电压Ud在30%Ued～70%Ued（电机额定电压，Ued = 220V）范围内，然后调整电阻R使电枢电流在80%Ied～90%Ied（电机额定电流，Ied取1.0A）范围内，读取电流表A和电压表V2的数值，记为I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为：
Ud0 = I1R∑ + U1 （4-2）
调节R使电压表V2的读数有较明显的变化（△U >10V），再次读取电流表A、电压表V2的数值，记为I2、U2，则
Ud0 = I2R∑ + U2 (4-3)
求解(4-2)、(4-3)两式，可得电枢回路总电阻:
R∑=(U2－U1)/(I1－I2) (4-4)
把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得
R∑＇= RL＋Rn=(U2＇－U1＇)/(I1＇－ I2＇) (4-5)
则电机的电枢电阻为
Ra= R∑－ R∑＇= R∑－(RL十Rn) (4-6)
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。
整流桥内阻：Rn = R∑－ Ra － RL
（2）直流电动机电枢回路电感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 　(4-7)
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4-2所示。

图4-2 测量电枢回路电感的实验线路图
实验时交流电压由DJK01电源屏输出，接DJK09单相调压器输入端，其输出端接电机电枢，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，计算公式如下:
(4-8)
(4-9)
(4-10)
(4-11)
（3）直流电动机电磁时间常数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：
(4-17)
当t=Td时，有
(4-18)
实验线路如图4-3所示。电机不加励磁，调节给定使电枢电流Id = 1.0A。然后保持Ug不变，将给定的S2拨到接“地”位置，然后向上拨动S2在电机电枢端突加Ud，用数字示波器记录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。

图4-3 测定Td的实验线路图
（4）直流电动机－发电机机组飞轮惯量GD2测定
电力拖动系统的运动方程式为：
(4-12)
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=