运动控制实验指导书科信学院河北工程大学.doc

实验一 晶闸管直流调速系统参数测定
和环节特性的测定
一．实验目的
1．了解MCL－Ⅲ型电力电子及电气传动教学实验台的结构及布线情况。
2．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。
3．掌握晶闸管直流调速系统参数测定方法。
二．实验内容
1．测定晶闸管直流调速系统主电路电阻R 和主电路电感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/U2＝ƒ(Uct)
三．实验系统组成和工作原理
晶闸管直流调速系统由三相调压器、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机—发电机组等组成。
本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压，改变Ug的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。
四．实验设备及仪器
1. 电力电子及电气传动教学实验台主控制屏。
2. MCL－33组件，MEL—03三相可调电阻器
3. 电机导轨及测速发电机、直流电动机（M03）—直流发电机（M01）机组
4. 光线示波器
五．注意事项
1. 由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。
2 为防止电枢过大电流冲击，每次增加给定Ug须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回零位，以防过流。
3. 电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防电机过热。
六．实验操作
1．晶闸管整流装置控制特性的测定
同步信号为锯齿波的晶闸管整流装置，其输入输出特性不是线性的。测定其控制特性可按图1－1接线（可不接电动机）。把Rz调到最大并在测量中保持不变。改变控制电压Uct ，测量输出电压平均值Ud，并填下表。
Uct

Ud
220
200
160
120
80
40
20

2．电枢回路电阻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和整流装置的内阻Rn即
R ＝ Ra ＋ RL ＋ Rn
为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图1－1 所示。
将变阻器Rz（可采用两只900Ω电阻并联）接入被测系统的主电路，并调节负载电阻至最大。测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。把MCL－31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct＝0。调节偏移电压电位器RP2，使α＝150° 。
合上主电路电源开关，主控制屏输出电压为UUV = 220V。调节Ug使整流装置输出电压Ud＝110V （取(30～70)% * Ued均可然后调整Rz使电枢电流为Id=0.6A （取(80～90)％*Ied均可），读取电流表A和电压表V的数值I1，U1，则此时整流装置的理想空载电压为
Ud0 ＝ I1R ＋ U1
调节Rz，使电流表A的读数为Id=0.4A （可取I1的一半），在控制角不变（也即Ud0不变）的条件下读取A、V表数值，则
Ud0＝I2R＋ U2
求解两式，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＋Rn = (U’2–U’1)/(I’1－I’2)
则电机的电枢电阻为 Ra = R – (RL＋Rn)
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL 。
3．电枢回路电感L的测定
电枢电路总电感包括电机的电枢电感La ，平波电抗器电感LL和整流变压器漏感LB，由于LB数值很小，可忽略，故可认为电枢回路的等效总电感为：
L＝La＋LL
电感的数值可用交流伏安法测定。电动机应加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图1－2所示，平波电抗器选最大（700mH）。
合上主电路电源开关，用电压表和电流表分别测出通入交流电压后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 LL 。

注意：实验中流入电机的交流电流的有效值应小于电机电枢的额定值。

七、实验报告
1．作出实验所得各种曲线，计算有关参数。
2．由Ud/U2=KS=ƒ(Uct) 特性，分析晶闸管装置的非线性现象。

实验二 晶闸管直流调速系统主要单元调试
一．实验目的
1．了解直流调速系统对各主要单元部件的性能要求。
2．掌握直流调速系统主要单元部件的工作原理、调试步骤和方法。
二．实验内容
1．转速和电流调节器的调试 2．转矩极性鉴别器和零电流检测器的调试
3．反号器的调试 4．逻辑无环流系统逻辑控制器的调试
三．实验设备及仪器
1．MCL－Ⅲ 教学实验台主控制屏，MCL—31控制屏
2．逻辑无环流控制电路MCL－34挂箱，MEL－11电容挂箱
3．二踪慢扫描示波器
四．实验方法
1．速度调节器（ASR）的调试
速度调节器（ASR）的原理图见图0—3所示，把ASR的给定输入端2接到给定电路G的输出，封锁端4接到DZS（零速封锁器）输出端3，并把DZS的开关S2打到“解除”位置。
(1) 调整输出正负限幅值
“5”、“6” 端接MEL－11挂箱，使ASR调节器为PI调节器。加入正负极性的较大的输入（给定）电压，调整正、负限幅电位器RP1、RP2，使输出正负值等于±5V。
(2) 测定输入输出特性
将反馈网络中的电容短接5”、“6”端短接），使ASR调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出输入输出关系曲线。
(3) 观察PI特性
接入反馈网络中的电容（拆除“5”、“6”端短接线），使ASR调节器为PI调节器。突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律，改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压波形的变化。反馈电容由MEL－11挂箱改变数值。

五．实验报告
简述各控制单元的调试要点。

实验四 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统
一．实验目的
1. 了解双闭环不可逆直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。
2. 掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤，方法及参数的整定。
二．实验内容
1. 连接双闭环直流调速系统，调试系统中各环节
2. 测定开环机械特性及闭环静特性。
3. 闭环控制特性的测定。
4. 观察、记录系统动态波形。
三．实验系统组成双闭环调速系统调试原则
双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由转速和电流两个调节器调节。由于调速系统调节的主要量为转速，故转速环作为主环放在外面，电流环作为付环放在里面。实验系统的组成如图4－1所示。
系统中ASR、ACR均有限幅环节，ASR的输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅可达到限制电机电流的目的。ACR的输出作为移相触发电路的控制电压，利用ACR的输出限幅可达到限制αmin和βmin的目的。
双闭环调速系统调试原则如下：
先部件，后系统。即先将各单元的特性调好，然后才能组成系统。
先开环，后闭环，即使系统能正常开环运行，然后在确定电流和转速均为负反馈时组成闭环系统。
先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。
四．实验设备及仪器
1. 电力电子及电气传动教学实验台主控制屏，MCL—31控制屏
2. MCL－33挂箱、电容挂箱MEL－11、可调电阻器挂箱MEL－03
3. 电机导轨及测速发电机机、直流电动机M03、直流发电机M01
4. 二踪慢扫描示波器
五．注意事项
1. 三相主电源连线时注意相序。
2. 系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。
3. 起动电机时，最好把发电机负载电阻调到最大，以免重载起动。
4. 改变接线时要断开主电源，同时使系统的给定Ug为零。
5. 闭环后，若电机转速达最高速且不可调，检查转速反馈的极性是否接错。

六．实验操作
按图4—1接线，注意将Ublf接地，Ublr悬空，即使用一组桥六个晶闸管。负载电阻Rz由MEL－03的两组电阻并联串联构成，同一手柄下的两只并联，然后再把并联的两组电阻串联，构成最大阻值为900Ω的电阻。
1．移相触发电路输出脉冲的观察与初始控制角的调整
(1) 接通实验台的 ±15V电源。
(2) 用示波器观察移相触发电路的脉冲观察孔，每一个孔都应有间隔均匀、幅度相同的双脉冲。
(3) 检查相序，用示波器观察1和2双脉冲观察孔，1脉冲超前2脉冲60°，则相序正确，否则应调整输入电源。
(4) 整流器主回路输出暂时改接900Ω的电阻，触发器给定端Uct调为零，接通主电源，根据输出电压波形判断控制角，调整移相触发电路的偏移电位器使控制角α=90°。然后恢复主回路的接线。
2．开环外特性的测定
(1) 整流器触发电路的控制电压Uct由给定器Ug直接引入，直流发电机负载电阻Rz断开，使其空载。
(2) 合上主电路电源，逐渐增加给定电压Ug，使电机起动升速。调节Ug使电机空载转速no＝1500 r/min。然后调节发电机负载电阻Rz改变负载，在直流电机空载至额定负载范围，测7～8点，读取电机转速n和电枢电流I，得到系统的开环外特性n = ƒ(Id) 。
n (r/min)
1500

Id (A)

0.8
0.7
0.6
0.5
0.4
0.3
0.2
3．速度变换器的调整和速度反馈极性的调整
为了减少改接线，在此完成速度变换器的调整。步骤如下：
(1) 反馈系数的调整 把负载电阻增到最大，升高给定电压Ug使转速n＝1500 r/min，调节MCL－31速度变换器FBS中速度反馈电位器RP，使反馈信号电压大小为5 V
(2) 通过调换转速计到速度变换器之间的引线，使得速度反馈信号电压为负极性。
4．速度调节器和电流调节器限幅值的调整
(1) 速度调节器ASR的调整方法参考实验二。要求输出正负向限幅值为±5V 。
(2) 电流调节器ACR的调整 把调节器ACR接为PI调节器，给定输入端接给定环节Ug，反馈输入端断开，输出接到触发器控制端。把Ug正负输出值调为±1V，并先置为正值。接通主电源，然后把Ug置为负值起动电动机。起动完成后ACR输出为正向限幅值，调整正向限幅电位器使空载转速稍大于1800rpm，或额定负载下转速稍大于1500rpm 。测量并记录限幅电压。把Ug置为正值，调整负向限幅电位器使负向限幅电压等于正向限幅之的电压。
5．电流环调试
(1) 开环调试，触发电路控制电压Uct由给定器Ug直接接入。暂时改变整流器输出主回路，甩开电动机，直接接入负载电阻Rz并调至最大。接通电源，逐渐增加给定电压Ug，用示波器监视晶闸管整流桥两端电压波形，保证其正常工作。
(2) 通过增加给定电压Ug，减小主回路串接电阻Rz，直至主回路电流Id＝0.8A，再调节MCL－32面板上的电流反馈电位器RP1，使电流反馈信号的电压Ufi等于速度调节器ASR的输出限幅值（5V）。
(3) 电流闭环调试 触发电路控制电压Uct改为从ACR的输出端7接入，给定输出电压Ug接至ACR的3端，即接入ACR组成电流闭环系统。ACR的9、10端接MEL—11电容器，可预置5μF。置给定电压Ug为负并逐渐增大，使之等于ASR的负向限幅值（-5V，以用于检测反馈电压Ufi的同一电表为准），适当减小负载电阻Rz，观察主电路电流Id是否限制在约0.8A。如偏差过大，则应调整电流反馈电位器RP1，使Id＝0.8A。
至此电流环调试完成。之后可把Rz减小直至切除（短路），此时Id应增加很少，这说明电流环己具有限流保护功能。可测定并计算电流反馈系数。

6、速度环调试
第3步已完成速度反馈系数和极性的调整，这里直接接入速度调节器构成转速闭环系统，进行闭环调试
(1) 对照图4—1检查接线使系统连接完整，即构成双闭环调速系统。负载电阻开路。
(2) 接通电源起动系统，调节给定电压Ug = +5V 。这时电机转速应在1500rpm左右，适当调整速度变换器的电位器使转速n=1500rpm 。
(3) 用漫扫描示波器观察突加给定的动态波形，适当调节ASR和ACR的放大倍数及外接电容，确定较佳的调节器参数。
(4) 在不同的给定Ug和负载Rz下试验系统的稳定性，如果系统有振荡可减小两个调节器的放大倍数，适当调整积分电容。
至此双闭环晶闸管不可逆直流调速系统调试完毕。

7．系统特性测试
(1) 静特性n＝ƒ(Id)的测定
调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1500 r/min。接入并调节发电机负载电阻Rz，在空载至额定负载范围内测量5～7点并记入下表。
n (rpm)
1500

Id (A)

0.2
0.3
0.4
0.5
0.6

继续减小Rz，转速开始大幅下降，在不同的转速下继续测量3~4点填入上表。
根据以上各点的对应关系，可得到系统静特性曲线n＝ƒ(Id) 。
(2) 闭环控制特性n = ƒ(Ug)的测定
给出不同的Ug，检测记录Ug和n填入下表，可得到闭环控制特性n = ƒ(Ug) 。
n (r/min)

Ug (V)

8．系统动态波形的观察
用双踪慢扫描示波器，在以下三种情况下观察并记录电动机电枢电流波形和转速波形。
(1) 突加给定电压Ug起动 通过扳动给定环节的开关S2实现 。
(2) 突加额定负载 先调好负载电阻，然后断开，待稳定后快速接通负载电阻。
(3) 突降负载 在额定负载下系统稳定后，突然断开负载电阻。
注意：观测电动机电枢电流波形在ACR的电流反馈信号端，观测转速波形在ASR的转速反馈信号端。不可在主电路观测电流波形。
七．实验报告
1. 根据实验数据，画出闭环控制特性曲线。
2. 根据实验数据，画出闭环机械特性，并计算静差率。
3. 根据实验数据，画出系统开环机械特性，计算静差率，并与闭环机械特性进行比较。
4. 分析由光线示波器记录下来的动态波形。

实验五 双闭环三相异步电动机串级调速系统
一．实验目的
1. 熟悉双闭环三相异步电动机串级调速系统的组成及工作原理。
2. 掌握串级调速系统的调试步骤及方法。
3. 了解串级调速系统的静态与动态特性。
二．实验内容
1. 控制单元及系统调试
2. 测定开环串级调速系统的机械特性。
3. 测定双闭环串级调速系统的静特性。
4. 测定双闭环串级调速系统的动态波形。
三．实验系统组成及工作原理
绕线式异步电动机串级调速，即在转子回路中引入附加电动势进行调速。通常使用的方法是将转子三相电动势经二极管三相桥式不控整流得到一个直流电压，再由晶闸管有源逆变电路代替电动势，从而方便地实现调速，并将能量回馈至电网，这是一种比较经济的调速方法。
本系统为晶闸管闭环串级调速系统。控制系统由速度调节器ASR、电流调节器ACR、触发装置GT、速度变换器FBS，电流变换器FBC等组成，其系统原理图如图5－1所示。
四．实验设备和仪器
1. 电力电子及电气传动教学实验台主控制屏，MCL－35三相变压器组件
2. MCL－33挂箱、MEL－03挂箱、MEL－11电容挂箱
3. 电机导轨及测速发电机、直流发电机M01、绕线式异步电动机M09
4. 二踪慢扫描示波器、光线示波器
² 绕线式异步电动机M09的参数为：
PN＝100W，UN＝220V (Y接)，IN＝0.55A，nN＝1350 r/min，MN＝0.68 N.m
五．注意事项
1. 本实验利用串级调速电路直接起动电机，不再另外加启动设备。所以开环控制时时，应使晶闸管逆变角β处于βmin位置。然后随起动过程加大β角，使逆变器的逆变电压缓慢降低，电机平稳加速。
2. α角的移相范围为 90°～150°，注意不可使α＜90°，否则会造成短路事故。
3. 注意绕线电机的转子有4个引出端，其中黑色为公共端，不需接线。
4. 接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把ASR的RP3电位器逆时针旋转到底，使调节器放大倍数最小，同时，ASR的5、6端接入可调电容（预置7μF）。
5. 测取静特性时，注意电机电流不要超过额定值（0.55A）的1.5倍（0.8A）。
6. 起动电机时应把发电机负载电阻调到最大（逆时针旋到底），以免重载起动。
六．实验操作
1．主回路接线和触发脉冲的观察
(1) 按图6—1完成主回路接线。把Ublf接地，即用第一组三相全控桥。负载电阻Rz由MEL－03的两组电阻并联串联构成，同一手柄下的两只并联，然后再把并联的两组电阻串联，构成最大阻值为900Ω的电阻。限流电阻Rx取同一组的两只900Ω电阻并联。并把Rz和Rx调到最大。
(2) 接通±15V电源，但不接通主电源。用示波器观察MCL—33的双脉冲观察孔，应有间隔均匀、幅值相同的双脉冲；将给定Ug输出直接接至Uct，改变Ug可看到脉冲相位的变化。
(3) 将触发脉冲的六个键开关“接通”，观察正桥晶闸管的触发脉冲是否正常（应有幅值为1～2V的双脉冲）。
2．测取调速系统开环工作的机械特性。
(1) 把触发电路控制输入端Uct直接接至给定环节Ug，三相全控桥输出端改为只接Rx 。接通±15V电源，把给定环节的正负给定电位器调到“0”，开关S1扳到负给定端。然后接通主电源，观察输出电压波形。通过调节偏移电压Ub，使Uct＝0时α≥90°。
(2) 按图6—1恢复主电路接线，Rx调到约100Ω。Ug调为一个较大的负值，如“-5V”。接通主电源起动机组。接通直流电机励磁电源。如果一切正常，逐渐减小Rx到零。
(3) 缓慢升高给定电压Ug（注意不可为正值），使电机空载转速n0=1200转/分。然后调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取5～7点，读取直流发电机电枢电压US和电流IS以及电动机转速n ，记入下表。
n (r/min)
1200

IS (A)
0

0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
US (V)

M (N.m)

用测得的直流发电机的运行数据计算被测电动机转矩M并填入上表，可按下式计算：
M ＝ 9.55 ( IS US ＋ IS2 Rs ＋ P0 )／n
式中： M — 三相异步电动机电磁转矩；IS — 直流发电机电流；US — 直流发电机电压； Rs — 直流发电机电枢电阻；P0 — 机组空载损耗。
机组空载损耗在不同转速下取不同数值：
n =1500 r/min，P0 =13.5 W；n =1000 r/min，P0 = 10 W；n = 500 r/min，P0 ＝6 W。
3．速度反馈系数和速度反馈极性的调整
(1) 反馈系数的调整 把负载电阻增到最大，发电机励磁电源断开，升高给定电压Ug使转速最大，调节速度变换器FBS中速度反馈电位器RP，使反馈信号电压大小为5 V。
(2) 通过调换转速计到速度变换器之间的引线，使得速度反馈信号电压为负极性。
4．闭环系统调试
(1) ACR限幅值的调整 ACR接成PI调节器，电容初选4uF。把Uct接至ACR输出端，ACR任一输入端接给定Ug，全控桥输出端改为只接Rx。接通电源。给出“Ug>+1V”调节RP2使负向限幅值约为“-3.5V”。给出“Ug<-1V”调节RP1使正向限幅值最小（应为<0.7V）。观察输出电压波形，通过调节偏移电压Ub使α≥90°。
(2) ASR限幅值的调整 ASR接成PI调节器，电容7uF。把正负向限幅值调为±5V 。
(3) 按图6—1接线，使整个系统接线完整无误。把Rz和Rx调至最大。接通±15V电源，把Ug调为零，接通主电源和励磁电源。逐渐调Ug到“+5V”，逐渐减小Rx直至零。
(4) 电流反馈系数调整 在逐渐减小Rz的同时调节FBC中的电流信号反馈电位器RP1，保证交流电动机定子电流≤0.7A（小于接近于），一直调节到Rz为零。至此就完成了反馈系数的调整。可以在零到最大值范围内反复调节Rz试验电流环的有效性。
(5) 用漫扫描示波器观察突加给定的动态波形，适当调节ASR和ACR的放大倍数及外接电容，确定较佳的调节器参数。
(6) 在不同的给定Ug和负载Rz下试验系统的稳定性，如果系统有振荡可减小两个调节器的放大倍数，适当调整积分电容。
至此，整个系统调试完毕。
5．双闭环串级调速系统静特性的测定
调节给定电压Ug，使电机空载转速n 0 = 650转/分。改变发电机负载电阻Rz，在空载至额定负载的范围内测取5～7点，读取直流发电机输出电压Us和电流Is以及电动机转速n ，并记入下表。
n (rpm)

Is (A)
0

0.2
0.3
0.4
0.5
0.6

Us (V)

M (N.m)

继续减小Rz，转速开始大幅下降，在不同的转速下继续测量3~4点填入上表。利用前述公式可计算出各点电动机的输出转矩，进而得到静特性曲线n＝ƒ(M) 。
6．系统动态特性的测试
用慢扫描示波器观测下列动态波形，并记录：
(1) 突加给定起动电机时的转速n、电动机定子电流I及ASR输出Ugi的波形。
(2) 电机稳定运行后，突加和突减负载时的n、I、Ugi的波形。
六．实验报告
1. 根据实测数据，画出开环机械特性和闭环系统静特性n＝ƒ(M)，并进行比较。
2. 根据动态波形，分析系统的动态过程。

16