《电力拖动自动控制系统》正文

实验一 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定

一、实验学时：3学时 二、实验类型：验证性 三、开出要求：必修 四、实验目的：

1．了解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及反馈环节测定方法。

五、实验原理：

晶闸管直流调速系统由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。

六、实验条件：

1．教学实验台主控制屏MCL-32T。 2．MCL—33组件 3．MEL—03组件

4．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）

5．直流电动机M03

6．双踪示波器 7．万用表

七、实验步骤：

（一）安全讲解

实验指导人员讲解自动控制系统实验的基本要求，安全操作和注意事项。介绍实验设备的使用方法。

（二）操作步骤

1．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RD（可采用两只900Ω电阻并联）接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至最大。测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。

NMCL-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Ud=0。

合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出，

调节Ug使整流装置输出电压Ud=（30~70）?Ued（可为110V），然后调整RD使电枢电

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流为（80~90）?Ied，读取电流表A和电压表V的数值为I1,U1，则此时整流装置的理想空载电压为

Udo=I1R+U1

主电源输出，位于NMCL-32I组晶闸管，位于NMCL-33直流电流表，量程为2A负载电阻，可选用NMEL-03(900欧并联)AUG给定VRDVWMNNMCL-31NMCL-33直流电动机M03图1-1 电枢回路电阻R的测定调节RD，使电流表A的读数为40% Ied。在Ud不变的条件下读取A，V表数值，则 Udo=I2R+U2

求解两式，可得电枢回路总电阻 R=(U2-U1)/(I1-I2) 表1-1 短接电枢 短接电抗器 U1（V） I1(A) U2（V） I2(A) Ra(Ω) RL(Ω) Rn(Ω) R(Ω) 不短接任何部件 注：决不能短接整流器输出端

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

同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL

2．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，故电枢回路的等效总电感为

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图1-2 电枢回路电感L的测定NWU主电源输出，位于NMCL-32交流电流表，量程为1A Ra=R?（RL+Rn） VAM直流电动机M03

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。

合上主电路电源开关，用交流电压表和交流电流表分别测出通入交流电源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。

实验时，交流电流的有效值应小于电机直流电流的额定值，

Za=Ua/I 表1-2 I(A) Ua（V） UL（V） La（mH） LL（mH） ZL=UL/I 主电源输出，位于NMCL-32I组晶闸管，位于NMCL-33 直流电流表，量程为2AUG给定VAVWMNNMCL-31NMCL-33直流电机励磁电源TG示波器图1-3 转动惯量GD 的测定和系统机电时间常数Tm的测定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

M?ML?(GD2/375)?dn/dt 式中 M—电动机的电磁转矩，单位为N.m;

ML ?负载转矩，空载时即为空载转矩MK，单位为N.m; n ? 电机转速，单位为r/min;

电机空载自由停车时，运动方程式为 MK?(?GD2/375)?dn/dt

故 GD2?375MK/dn/dt 式中GD2的单位为N.m2.

MK可由空载功率（单位为W）求出。 MK?9.55PK/n

2PK?UaIK?IKR

dn/dt可由自由停车时所得曲线n= f (t)求得，其实验线路如图1-3所示。

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电动机M加额定励磁。

NMCL-31A的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

合上主电路电源开关，调节Uct，将电机空载起动至稳定转速后，测取电枢电压Ud和电流IK，然后断开Uct，用记忆示波器拍摄曲线，即可求取某一转速时的MK和dn/dt。由于空载转矩不是常数，可以转速n为基准选择若干个点（如1500r/min，1000r/min），测出相应的MK和dn/dt，以求取GD2的平均值。

表1-3电机为1500r/min。 Ud（v） IK（A） dn/dt(r/min/s) 22P（ MK（N?m） GD(N?m) KW） 表1-4电机为1000r/min。 Ud（v） IK（A） dn/dt(r/min/s) 22PK（W） MK（N?m） GD(N?m) 4．主电路电磁时间常数的测定

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

id?Id(1?e当t =Tl时，有

id?Id(1?e?1)?0.632Id

实验线路如图1?4所示。

NMCL-31A的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

合上主电路电源开关，电机不加励磁。 调节Uct，监视电流表的读数，使电机电枢电

0?t/Tlid)

Id0.632IdTl图 1-5电流变化曲线流为(50~90)?Ied。然后保持Uct不变，突然合上主电路开关，用数字示波器拍摄id=f(t)的波形，由波形图上测量出当电流上升至63.2?稳定值时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Tl。

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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，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n，即可由下式算出Ce

Ce=Ke?=(Ud2-Ud1)/(n2-n1) Ce的单位为V/(r/min)

转矩常数(额定磁通时)Cm的单位为N.m/A，可由Ce求出 Cm=9.55Ce

表1-5 U1(V) U2(V) n1(r/min) n2(r/min) Ce(V.min/r) Cm(N.m/A) 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 Tm?(GD2?R)/375CeLM

由于Tm>>Tl，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即

n n?K/(1?TmS)?Ud

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63.2?稳态值时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。

测试时电枢回路中附加电阻应全部切除。

NMCL-31A的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

合上主电路电源开关，电动机M加额定励磁。

调节Uct，将电机空载起动至稳定转速1000r/min。然后保持Uct不变，断开主电路开关，待电机完全停止后，突然合上主电路开关，给电枢加电压，用数字示波器拍摄过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数。

7．测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f(Uct) 8．测速发电机特性UTG=f(n)的测定 实验线路如图1?3所示。

电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Uct，分别读取对应的Uct、Ud、（Un）UTG、n的数值若干组，即可描绘出特性曲线Ud=f(Uct) 和UTG=f(n)。

利用所测得的特性，求出晶闸管触发整流装置的放大系数

0nd63.2%ndtTm图 1-6转速变化曲线 Ks?

Ud2?Ud1 Uc2?Uc1转速反馈系数：

??Un n5

表1-6 U ct(V) U d (V) n(r/min) U n (V) 八、思考问题： 1.送电以后，当给定电位器在零位时如果整流装置输出电压不为零，应如何处理？

2.整个试验过程中，由于晶闸管整流装置处于开环工作状态，操作时应注意哪些问题，才能避免引起过流？

3.读取仪表数据以及在特性曲线上取数时应注意哪些问题？ 九、实验成绩评定办法：

主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、 实验结果、实验效果等。

十、其它说明： （一）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。 4．实验中应保持电枢电流波形连续。 5．切记不可将整流桥输出端短接来测Ra+RL。 6．电动机启动时要先送励磁电源。

7．遵守纪律，注意用电安全，按规定的步骤进行实验。

8．实验过程中一人接线，一人查线。检查接线无误后方可送电，实验过程中如出现异

常情况，应立即切断电源，排除故障后方可继续实验。

9．保持实验室环境整洁，实验结束后将实验器材及仪器摆放整齐。 （二）实验报告要求

1．作出实验所得各种曲线，计算有关参数。 2．由Ks=f(Uct)特性,分析晶闸管装置的非线性现象。 3. 小结实验体会。

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实验二 晶闸管直流调速系统主要单元调试

一、实验学时：3学时 二、实验类型：验证性 三、开出要求：必修 四、实验目的：

1．熟悉直流调速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。

五、实验原理：

1．速度调节器（ASR）

速度调节器ASR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。

它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。 2．电流调节器（ACR）

电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。以使其输出量按某种予定规律变化。它是由下述几部分组成：运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。 3．电平检测器

（1）测定转矩极性鉴别器（DPT）

图2-1 转矩极性鉴别器

转矩极性鉴别器为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化；它是一个模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平转换成逻辑运算所需的’0”、”1”状态信号。其原理图如图2?1（a）所示。转矩极性鉴别器的输入输出特性如图2?1（b）所示，具有继电特性。调节同相输入端电位器可以改变继电特性相对于零点的位置。特性的回环宽度为

Uk=Usr2-Usr1=K1(Uscm2-Uscm1)

式中K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越大，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；Uscm2和Uscm1分别为正向和负向饱和输出电压。

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运作迟钝。

（2）测定零电流检测器（DPZ）

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图2-2 零电流检测器

零电流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，其原理图和输入输出特性分别如图2-2（a）和2-2（b）所示。 4．反号器（AR）

反号器AR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。 5．逻辑控制器（DLC）

辑控制器适用于直流电动机可控硅无环流反并联供电的调压调速系统中，它对转矩极性指令和主回路零电流信号进行逻辑运算，切换加于正组桥或反组桥可控硅整流装置上的触发脉冲。逻辑电路除了功率输出级外，全部采用CMOS集成化与非门电路组成。对于与非门电路来说，只有当输入端全部为“1”信号（高电平）时，其输出才为零（低电平）；只要输入端中任一个“0”信号，其输出便为“1”信号。

DLC主要由逻辑判断电路，延时电路，逻辑保护电路，推?环节等组成。

A．逻辑判断环节 逻辑判断环节的任务是根据转矩极性电平检测器和零电流电平检测器的输出UM和UI状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换（由UM是否变换状态决定）及切换条件是否具备（由UI是否由“0”态变“1”态决定）。即当UM变换后，零电流检测器检测到主电路电流过零（UI =“1”）时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态必须相反。

B．延时环节 要使正，反两组整流装置安全，可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF后。经关断等待时间t1(3ms)和触发等待时间t2(10ms)之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，电路中VD1、C1, VD2、C2起t1的延时作用，VD3、C3,、VD4、C4起t2的延时作用。

C．逻辑保护环节 逻辑保护环节也称多一保护环节。当逻辑电路发生故障时，UZ、UF的输出同时为”1”状态，逻辑控制器两个输出端Ublr和Ublf全为”0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路环流事故。加入逻辑保护环节后，当UZ、UF全为”1”状态时，使逻辑保护环节输出”A”点电位变为”0”，使Ublf和Ublr都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路环流事故。

D．推?环节 在正，反桥切换时，逻辑控制器中D2:10输出”1” 状态信号，将此信号送入ACR的输入端作为脉冲后移推?指令，从而可避免切换时电流的冲击。

E．功率放大输出环节。 由于与非门输出功率有限，为了能可靠推动脉冲门Ⅰ或Ⅱ, 故加了由V1和V2_组成的功率放大级,由逻辑信号ULK1或ULK2进行控制,或为“通”，或“断”来控制触发脉冲门Ⅰ或触发脉

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冲门Ⅱ。

图2-3 逻辑控制器原理图

六、实验条件：

1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—31A组件 3．NMCL—18组件 4．双踪示波器 5．万用表

七、实验步骤：

（一）安全讲解

实验指导人员讲解自动控制系统实验的基本要求，安全操作和注意事项。介绍实验设备的使用方法。

（二）操作步骤

1．速度调节器（ASR）的调试

按图2-4接线，DZS(零速封锁器)的扭子开关扳向“解除”。 （1）调整输出正、负限幅值

“5”、“6”端 接可调电容，使ASR调节器为PI调节器，加入一定的输入电压（由NMCL—31的给定提供，以下同），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，并画出曲线。

表2-1 输入电压（V） 输出电压（V）

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（3）观察PI特性

拆除“5”、“6”端短接线，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，观察输出电压的变化。反馈电容由外接电容箱改变数值。

2．电流调节器（ACR）的调试

按图2-4接线。

（1）调整输出正,负限幅值 “9”、“10”端 接可调电容，使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正，负限幅电位器，使输出正负最大值大于?6V。

（2）测定输入输出特性 将反馈网络中的电容短接（“9”、“10”端短接），使调节器为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（数据记录表格同表2-1），直至输出限幅值，并画出曲线。

（3）观察PI特性 拆除“9”、“10”端短接线，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，观察输出电压的变化。反馈电容由外接电容箱改变数值。

3．电平检测器的调试 按图2-5 接线。

（1）测定转矩极性鉴别器（DPT）的环宽，要求环宽为0.4~0.6伏，记录高电平值 ，调节RP使环宽对称纵坐标。

具体方法：

（a）调节给定Ug，使DPT的“1”脚得到约0.3V电压，调节电位器RP，使“2”端输出从“1”变为“0”。

NMCL-31A8643RP4CB可调电容，位于NMCL-18的下部G给定CADZS(零速封锁器)312S解除封锁图2-4 速度调节器和电流调节器的调试接线图 图1-5 速度调节器和电流调节器的调试接线图（b）调节负给定，从0V起调，当DPT的“2”端从“0”变为“1”时，检测DPZ的“1”端应为-0.3V左右，否则应调整电位器，使“2”端电平变化时，“1”端电压大小基本相等。

（2）测定零电流检测器（DPZ）的环宽，要求环宽也为0.4~0.6伏，调节RP，使回环

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向纵坐标右侧偏离0.1~0.2伏。

具体方法：

（a）调节给定Ug，使DPZ的“1”端为0.7V左右，调整电位器RP，使“2”端输出从“1”

变为“0”。

（b）减小给定，当“2”端电压从“0”变为“1”时，“1”端电压在0.1～0.2V范围内，否则应继续调整电位器RP。

（3）按测得数据，画出两个电平检测器的回环。 4．反号器（AR）的调试 按图2-6接线。 输入电压（V） 输出电压（V）

RP图 2-6 反号器接线图 表2-2 11

测定输入输出比例，输入端加+5V电压，调节RP，使输出端为-5V。

5．逻辑控制器（DLC）的调试

测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表： 表2-3 输入 UM UI Uz(Ublf) UF(Ublr) 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 输出 调试时的阶跃信号可从给定器得到。 调试方法： 按图2-5接线。

（a）给定电压顺时针到底，Ug输出约为12V。

（b）此时上下拨动NMCL—31中G（给定）部分S2开关，Ublf、Ublr的输出应为高、低电平变化，同时用示波器观察DLC的“5”，应出现脉冲，用万用表测量，“3”与“Ublf”，“4”与“Ublr”等电位。

（c）把+15V与DLC的“2”连线断开，DLC的“2”接地，此时拨动开关S2，Ublr、Ublf输出无变化。

八、思考问题：

1．转矩极性鉴别器和零电流检测器的环宽怎样整定？

2．零位封锁器的作用是什么？转速、电流调节器调试时，零位封锁器应处于什么状态？

九、实验成绩评定办法：

主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、 实验结果、实验效果等。

十、其它说明：

（一）注意事项

1．逻辑输入电压不能为负，否则会损坏电路中的CMOS器件； 2．反号器调试时，要将运算放大器同相端和给定信号共地。 3．遵守纪律，注意用电安全，按规定的步骤进行实验。

4．实验过程中一人接线，一人查线。检查接线无误后方可送电，实验过程中如出现异

常情况，应立即切断电源，排除故障后方可继续实验。

5．保持实验室环境整洁，实验结束后将实验器材及仪器摆放整齐。 （二）实验报告要求

1．画各控制单元的调试连线图。 2．简述各控制单元的调试要点。

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实验三 不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究

一、实验学时：3学时 二、实验类型：验证性 三、开出要求：必修 四、实验目的：

1．研究晶闸管直流电动机调速系统在反馈控制下的工作。

2．研究直流调速系统中速度调节器ASR的工作及其对系统静特性的影响。 3．学习反馈控制系统的调试技术。

五、实验原理： 见图3-1。 六、实验条件：

1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—33组件 3．NMEL—03组件 4．NMCL—18组件

5．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01

6．直流电动机M03 7．双踪示波器 8．万用表

七、实验步骤：

（一）安全讲解

实验指导人员讲解自动控制系统实验的基本要求，安全操作和注意事项。介绍实验设备的使用方法。

（二）操作步骤

按图3-1接线。

1．移相触发电路的调试（主电路未通电）

（a）用示波器观察NMCL—33的双脉冲观察孔，应有双脉冲，且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压波形，应有幅值为1V～2V的双脉冲。

（b）触发电路输出脉冲应在30°～90°范围内可调。可通过对偏移电压调节单位器及ASR输出电压的调整实现。例如：使ASR输出为0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保持偏移电压不变，调节ASR的限幅电位器RP1，使α=30°。

2．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。

a．断开ASR的“3”至Uct的连接线，G（给定）直接加至Uct，且Ug调至零，直流电机励磁电源开关闭合。

b．合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出。

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c．调节给定电压Ug，使直流电机空载转速n0=1600转/分，调节直流发电机负载电阻，

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在空载至额定负载的范围内测取7～8点，读取整流装置输出电压Ud，输出电流id以及被测电动机转速n。 表3-1 id （A） U d（V） n（r/min） 3．带转速负反馈有静差工作的系统静特性

a．断开G（给定）和Uct的连接线，ASR的输出接至Uct，把ASR的“5”、“6”点短接。 b．合上主控制屏的绿色按钮开关。

c．调节给定电压Ug至2V，调整转速变换器RP电位器，使被测电动机空载转速n0=1600转/分，调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3，使电机稳定运行。

调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载范围内测取7～8点，读取Ud、id、n。 表3-2 id（A） Ud（V） n（r/min） 4．测取调速系统在带转速负反馈时的无静差闭环工作的静特性

a．断开ASR的“5”、“6”短接线，“5”、“6”端接可调电容，可预置7μF，使ASR成为PI（比例—积分）调节器。

b．调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1600转/分。在额定至空载范围内测取7～8个点。 表3-3 id（A） Ud（V） n（r/min） 八、思考问题：

1．系统在开环、有静差闭环与无静差闭环工作时，速度调节器ASR各工作在什么状态？实验时应如何接线？

2．要得到相同的空载转速n0，亦即要得到整流装置相同的输出电压U，对于有反馈与无反馈调速系统哪个情况下给定电压要大些？为什么？

3．在有转速负反馈的调速系统中，为得到相同的空载转速n0，转速反馈的强度对Ug

有什么影响？为什么？

4．如何确定转速反馈的极性与把转速反馈正确地接入系统中？又如何调节转速反馈的强度，在线路中调节什么元件能实现？

九、实验成绩评定办法：

主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、实验结果、实验效果等。

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十、其它说明：

（一）注意事项

1．直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。

2．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）。

3．测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额定值（1A）。 4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

5．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

6．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

7．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

8．遵守纪律，注意用电安全，按规定的步骤进行实验。

9．实验过程中一人接线，一人查线。检查接线无误后方可送电，实验过程中如出现异

常情况，应立即切断电源，排除故障后方可继续实验。

10．保持实验室环境整洁，实验结束后将实验器材及仪器摆放整齐。（二）实验报告要求

1．绘制实验所得静特性，并进行分析、比较。 2．总结实验体会。

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实验四 双闭环晶闸管不可逆直流调速系统

一、实验学时：3学时 二、实验类型：验证性 三、开出要求：必修 四、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．熟悉电力电子及教学实验台主控制屏的结构及调试方法。 3．熟悉NMCL-18，NMCL-33的结构及调试方法

4．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。

五、实验原理：

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节器综合调节，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，这样可抑制电网电压波动对转速的影响，实验系统的控制回路如图4-1b所示，主回路可参考图4-1a所示。

系统工作时，先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即可方便地改变电机的转速。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起动电流的目的, 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?min和?min的目的。

当加入给定Ug后，ASR即饱和输出，使电动机以限定的最大起动电流加速起动，直到电机转速达到给定转速（即Ug=Ufn），并出现超调后，ASR退出饱和，最后稳定运行在略低于给定转速的数值上。

六、实验条件：

1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—33组件 3．NMEL—03组件 4．NMCL—18组件

5．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01

6．直流电动机M03 7．双踪示波器 8．万用表

七、实验步骤：

（一）安全讲解

实验指导人员讲解自动控制系统实验的基本要求，安全操作和注意事项。介绍实验设备的使用方法。

（二）操作步骤

1．按图4-1接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。 （1）用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲

（2）检查相序，用示波器观察“1”，“2”脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲600，则相

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序正确，否则，应调整输入电源。

（3）将控制一组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的 控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。

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2．双闭环调速系统调试原则

（1）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。

（2）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。

（3）先内环，后外环。即先调试电流内环，然后调转速外环。 3．开环外特性的测定

（1）控制电压Uct由给定器Ug直接接入。主回路按图4-1a接线，直流发电机所接负载电阻RG断开，短接限流电阻RD。

（2）使Ug=0，调节偏移电压电位器，使α稍大于90°。

（3）合上主电源，按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出。

（4）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n0=1600r/min，再调节直流发电机的负载电阻RG，改变负载，在直流电机空载至额定负载范围，测取7～8点，读取电机转速n，电机电枢电流Id，即可测出系统的开环外特性n=f (Id)。

表4-1 n(r/min) I(A) 注意，若给定电压Ug为0时，电机缓慢转动，则表明α太小，需后移 5．单元部件调试

ASR调试方法与实验二相同。

ACR调试：使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正，负限幅电位器，使脉冲前移??300,使脉冲后移?=300，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。

4．系统调试

将Ublf接地，Ublr悬空，即使用一组桥六个晶闸管。 （1）电流环调试 电动机不加励磁

（a）系统开环，即控制电压Uct由给定器Ug直接接入，主回路接入电阻RD并调至最大（RD由NMEL—03的两只900Ω电阻并联）。逐渐增加给定电压，用示波器观察晶闸管整流桥两端电压波形。在一个周期内，电压波形应有6个对称波头平滑变化 。

（b）增加给定电压，减小主回路串接电阻Rd，直至Id=1.1Ied，再调节NMCL-33挂箱上的电流反馈电位器RP，使电流反馈电压Ufi近似等于速度调节器ASR的输出限幅值（ASR的输出限幅可调为±5V）。

（c）NMCL—31的G（给定）输出电压Ug接至ACR的“3”端，ACR的输出“7”端接至Uct，即系统接入已接成PI调节的ACR组成电流单闭环系统。ASR的“9”、“10”端接可调电容，可预置7μF，同时，反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小。逐渐增加给定电压Ug，使之等于ASR输出限幅值（+5V），观察主电路电流是否小于或等于1.1Ied，如Id过大，则应调整电流反馈电位器，使Ufi增加，直至Id<1.1Ied；如Id

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护功能。测定并计算电流反馈系数

（2）速度变换器的调试

电动机加额定励磁，短接限流电阻RD。

（a）系统开环，即给定电压Ug直接接至Uct，Ug作为输入给定，逐渐加正给定，当转速n=1500r/min时，调节FBS（速度变换器）中速度反馈电位器RP，使速度反馈电压为+5V左右，计算速度反馈系数。

（b）速度反馈极性判断： 系统中接入ASR构成转速单闭环系统，即给定电压Ug接至ASR的第2端，ASR的第3端接至Uct。调节Ug（Ug为负电压），若稍加给定，电机转速即达最高速且调节Ug不可控，则表明单闭环系统速度反馈极性有误。但若接成转速—电流双闭环系统，由于给定极性改变，故速度反馈极性可不变。

4．系统特性测试

将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可逆系统。 ASR的调试：（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； （b）“5”、“6”端接入可调电容，预置5～7μF； （c）调节RP1、RP2使输出限幅为±5V。 （1）机械特性n=f（Id）的测定

（a）调节转速给定电压Ug，使电机空载转速至1600 r/min，再调节发电机负载电阻Rg，在空载至额定负载范围内分别记录7～8点，可测出系统静特性曲线n=f（Id）

表4-2 n(r/min) I(A) （2）闭环控制特性n=f(Ug)的测定

调节Ug，记录Ug和n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)。 表4-3 n(r/min) Ug(V) 8．系统动态波形的观察

用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用数字示波器记录动态波形。在不同的调节器参数下，观察，记录下列动态波形：

（1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （2）突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。 注：电动机电枢电流波形的观察可通过ACR的第“1”端 转速波形的观察可通过ASR的第“1”端

八、思考问题：

1．双闭环调速系统的调试原则是什么？

2．过电流保护环节的工作原理是什么？怎样整定？ 3．如何估计ASR、ACR参数变化对动态过程的影响？

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4．要改变转速应调节什么参数？要改变最大电流应调节什么参数？ 5．电流负反馈线未接好或极性接错，会产生什么后果？

九、实验成绩评定办法：

主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、实验结果、实验效果等。

十、其它说明： （一）注意事项

1．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

2．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

3．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

4．进行闭环调试时，若电机转速达最高速且不可调，注意转速反馈的极性是否接错。 5．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

6．遵守纪律，注意用电安全，按规定的步骤进行实验。

7．实验过程中一人接线，一人查线。检查接线无误后方可送电，实验过程中如出现异常情况，应立即切断电源，排除故障后方可继续实验。

8．保持实验室环境整洁，实验结束后将实验器材及仪器摆放整齐。 （二）实验报告要求

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．分析由数字示波器记录下来的动态波形

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实验五 逻辑无环流可逆直流调速系统

一、实验学时：3学时 二、实验类型：验证性 三、开出要求：必修 四、实验目的：

1. 了解并熟悉逻辑无环流可逆直流调速系统的原理和组成。 2. 掌握各控制单元的原理，作用及调试方法。 3. 掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试步骤和方法。 4. 了解逻辑无环流可逆调速系统的静特性和动态特性。

五、实验原理：

逻辑无环流系统的主回路由二组反并联的三相全控整流桥组成，由于没有环流，两组可控整流桥之间可省去限制环流的均衡电抗器，电枢回路仅串接一个平波电抗器。

控制系统主要由速度调节器ASR，电流调节器ACR，反号器AR，转矩极性鉴别器DPT，零电流检测器DPZ，无环流逻辑控制器DLC，触发器，电流变换器FBC，速度变换器FBS等组成。其系统原理图如图5-1所示。

正向起动时，给定电压Ug为正电压，无环流逻辑控制器的输出端Ublf为”0”态，Ublr为”1”态，即正桥触发脉冲开通，反桥触发脉冲封锁，主回路正组可控整流桥工作，电机正向运转。

减小给定时，Ug

反向运行时，Ublf为”1”态，Ublr为”0”态，主电路反组可控整流桥工作。

无环流逻辑控制器的输出取决于电机的运行状态，正向运转，正转制动本桥逆变及反转制动它桥逆变状态，Ublf为”0”态，Ublr为”1”态，保证了正桥工作，反桥封锁；反向运转，反转制动本桥逆变，正转制动它桥逆变阶段，则Ublf为”1”态，Ublr为”0”态，正桥被封锁，反桥触发工作。由于逻辑控制器的作用，在逻辑无环流可逆系统中保证了任何情况下两整流桥不会同时触发，一组触发工作时，另一组被封锁，因此系统工作过程中既无直流环流也无脉冲环流。

六、实验条件：

1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—33组件 3．NMEL—03组件 4．NMCL—18组件

5．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01

6．直流电动机M03 7．双踪示波器 8．万用表

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七、实验步骤：

（一）安全讲解

的使用方法。

实验指导人员讲解自动控制系统实验的基本要求，安全操作和注意事项。介绍实验设备

（二）操作步骤

1．按图5-1接线，未上主电源之前，检查晶闸管的脉冲是否正常。 （1）用示波器观察双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅度相同的双脉冲。

（2）检查相序，用示波器观察“1”，“2”脉冲观察孔，“1”脉冲超前“2”脉冲600，则相序正确，否则，应调整输入电源。

（3）将控制一组桥触发脉冲通断的六个直键开关弹出，用示波器观察每只晶闸管的控制极，阴极，应有幅度为1V—2V的脉冲。

（4）将Ublr接地，可观察反桥晶闸管的触发脉冲。

（5）用万用表检查Ublf，Ublr的电压，一为高电平，一为低电平，不能同为低电平。 2．控制单元调试

（1）按实验四的方法调试FBS，ASR，ACR （2）按实验二的方法调试AR，DPT，DPZ，DLC 对电平检测器的输出应有下列要求 转矩极性鉴别器DPT：

电机正转 输出UM为”1”态

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电机反转 输出UM为’0”态

零电流检测器DPZ：

主回路电流接近零 输出UI为”1”态 主回路有电流 输出UI为”0”态

（3）调节ASR，ACR的串联积分电容，使系统正常，稳定运行。 4．机械特性n=f (Id)的测定

测出n =1600r/min的正，反转机械特性n =f (Id)，方法与实验四相同。

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表5-1 n=1600r/min n(r/min) I(A) 5．闭环控制特性的测定

按实验四的方法测出正，反转时的闭环控制特性n =f (Ug)。 表5-2 n(r/min) Ug(V) 6．系统动态波形的观察

用二踪慢扫描示波器观察并记录：

（1）给定值阶跃变化（正向起动? 正向停车? 反向切换到正向 ? 正向切换到反向

?反向停车）时的动态波形。

（2）电机稳定运行于额定转速，Ug不变，突加，突减负载(20%Ied?100%Ied) 的动态波形：

（3）改变ASR,ACR的参数，观察动态波形如何变化。 注：电动机电枢电流波形的观察可通过ACR的第“1”端 转速波形的观察可通过ASR的第“1”端

八、思考问题：

1．电平检测器DPT、DPZ的继电特性怎样整定？

2．如果DLC的输出状态不正确，将会对系统产生怎样的影响？

3．在正、反向切换过程中，如果过流保护环节FA出现动作，试分析其原因。

九、实验成绩评定办法：

主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、实验结果、实验效果等。

十、其它说明：

（一）注意事项

1．实验时，应保证逻辑控制器工作；逻辑正确后才能使系统正反向切换运行。 2．为了防止意外，可在电枢回路串联一定的电阻，如工作正常，则可随Ug的增大逐渐切除电阻。

3．遵守纪律，注意用电安全，按规定的步骤进行实验。

4．实验过程中一人接线，一人查线。检查接线无误后方可送电，实验过程中如出现异

常情况，应立即切断电源，排除故障后方可继续实验。

5．保持实验室环境整洁，实验结束后将实验器材及仪器摆放整齐。 （二）实验报告要求

1．根据实验结果，画出正，反转闭环控制特性曲线。

2．根据实验结果，画出正，反转闭环机械特性，并计算静差率。 3．分析参数变化对系统动态过程的影响。

4．分析电机从正转切换到反转过程中，电机经历的工作状态，系统能量转换状况。

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实验六 双闭环可逆直流脉宽调速系统

一、实验学时：3学时 二、实验类型：验证性 三、开出要求：选修 四、实验目的：

1．掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的组成、原理及各主要单元部件的工作原理。 2．熟悉直流PWM专用集成电路SG3525的组成、功能与工作原理。 3．熟悉H型PWM变换器的各种控制方式的原理与特点。

4．掌握双闭环可逆直流脉宽调速系统的调试步骤、方法及参数的整定。

五、实验原理：

DZSGSGU*nASRUnU*iUiACRUcUPWDLDGDPWMTAMGMFAARFBS图6-1双闭环脉宽调速系统的原理图TG 在中小容量的直流传动系统中，采用自关断器件的脉宽调速系统比相控系统具有更多的优越性，因而日益得到广泛应用。

双闭环脉宽调速系统的原理框图如图6-1所示。图中可逆PWM变换器主电路系采用IGBT所构成的H型结构形式，UPW为脉宽调制器，DLD为逻辑延时环节，GD为MOS管的栅极驱动电路，FA为瞬时动作的过流保护。

脉宽调制器UPW采用美国硅通用公司（Silicon General）的第二代产品SG3525，这是一种性能优良，功能全、通用性强的单片集成PWM控制器。由于它简单、可靠及使用方便灵活，大大简化了脉宽调制器的设计及调试，故获得广泛使用。

六、实验条件：

1．教学实验台主控制屏。 2．NMCL—31A组件

3．NMCL—22组件或NMCL—10A组件 4．NMEL—03组件

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5．NMCL—18组件

6．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M01

7．直流电动机M03 8．双踪示波器 9．万用表

七、实验步骤： （一）安全讲解

实验指导人员讲解自动控制系统实验的基本要求，安全操作和注意事项。介绍实验设备的使用方法。

（二）操作步骤

1．SG3525性能测试： 按下S1琴键开关，

（1）用示波器观察UPW的“1”端的电压波形，记录波形的周期、幅度。

（2）用示波器观察UPW的“2”端的电压波形，调节UPW的RP电位器，使方波的占空比为50%。

（3）用导线将NMCL-31A的“G”的“1”和“UPW”的“3”相连，分别调节正负给定，记录“2”端输出波形的最大占空比和最小占空比。

2．控制电路的测试

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（1）逻辑延时时间的测试

在上述实验的基础上，分别将正、负给定均调到零，连接UPW的“2”端和DLD的“1”端，用示波器观察“DLD”的“1”和“2”端的输出波形，并记录延时时间td=

（2）同一桥臂上下管子驱动信号列区时间测试

分别将“隔离驱动”的G和主回路的G相连，用双踪示波器分别测量VVT1.GS和VVT2.GS

以及VVT3.GS和VVT4.GS的列区时间：

tdVT1.VT2= tdVT3.VT4= 3．开环系统调试

主回路按图6—2a接线，控制回路可参考图6—2b，但调节器不接，控制回路直接将NMCL-31的给定接至NMCL-22的UPW“3”端，并将UPW“2”端和DLD“1”端相连，驱动电路的G1、G2、G3、G4相连。

（1）电流反馈系数的调试

a．将正、负给定均调到零，合上主控制屏电源开关，接通直流电机励磁电源。 b．调节正给定，电机开始起动直至达1500r/min

c．给电动机拖加负载，即逐渐减小发电机负载电阻，直至电动机的电枢电流为1A。 d．调节“FBA”的电流反馈电位器，用万用表测量“9”端电压达2V左右。 （2）速度反馈系数的调试

在上述实验的基础上，再次调节电机转速的1400r/min，调节NMCL-31A的“FBS”电位器，使速度反馈电压为5V左右。 （3）系统开环机械特性测定

参照速度反馈系数调试的方法，使电机转速达1400r/min，改变直流发电机负载电阻Rd，在空载至额定负载范围内测取7—8个点，记录相应的转速n和直流电动机电流id。 表6-1 n=1400r/min n(r/min) id(A) 调节给定，使n=1000/min和n=500r/min，作同样的记录，可得到电机在中速和低速时的机械特性。

表6-2 n=1000r/min n(r/min) id(A) M(N.m) n(r/min) id(A) M(N.m) 表6-3 n=500r/min 断开主电源，NMCL-31A的S1开关拨向“负给定”，然后按照以上方法，测出系统的反向机械特性。

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4．闭环系统调试 可逆系统。

（1）速度调节器的调试

（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； （b）“5”、“6”端接入可调电容器，预置5～7μF； （c）调节RP1、RP2使输出限幅为±2V。 （2）电流调节器的调试

（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放大倍数最小； （b）“5”、“6”端接入可调电容器，预置5～7μF；

（c）NMCL-31的S2开关打向“给定”，S1开关扳向上，调整NMCL-31的RP1电位器，使ACR输出正饱和，调整ACR的正限幅电位器RP1，用示波器观察NMCL-22的DLD “2”

控制回路可按图6—2b接线，将ASR，ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不

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的脉冲，不可移出范围。

S1开关打向下至“负给定”， 调整NMCL-31的RP2电位器，，使ACR输出负饱和，调整ACR的负限幅电位器RP2，用示波器观察NMCL-22的DLD “2”的脉冲，不可移出范围。

5．系统静特性测试

（1）机械特性n=f（Id）的测定

NMCL-31的S2开关打向“给定”，S1开关扳向上，逆时针调整NMCL-31的RP1电位器到底。

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n0=1500r/min，再调节直流发电机的负载电阻RG，改变负载，在直流电机空载至额定负载范围，测取7～8点，读取电机转速n，电机电枢电流Id，可测出系统正转时的静特性曲线n=f

（Id）。 表6-4 n(r/min) I(A) 断开主电源，S1开关打向下至“负给定”，逆时针调整NMCL-31的RP2电位器到底。 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n0=1500r/min，再调节直流发电机的负载电阻RG，改变负载，在直流电机空载至额定负载范围，测取7～8点，读取电机转速n，电机电枢电流Id，可测出系统反转时的静特性曲线n=f

（Id）。 表6-5 n(r/min) I(A) （2）闭环控制特性n=f(Ug)的测定

S1开关扳向上，调节NMCL-31给定电位器RP1，记录给定输出Ug和电动机转速n，即可测出闭环控制特性n=f(Ug)。 表6-6 n(r/min) Ug(V) 6．系统动态波形的观察

用二踪慢扫描示波器观察动态波形，用数字示波器记录动态波形。在不同的调节器参数下，观察，记录下列动态波形：

（1）突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （2）突加额定负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。 （3）突降负载时，电动机电枢电流波形和转速波形。

注：电动机电枢电流波形的观察可通过NMCL-18的ACR的第“1”端 转速波形的观察可通过NMCL-18的ASR的第“1”端。

八、思考问题：

1．为了防止上、下桥臂的直通，有人把上、下桥臂驱动信号死区时间调得很大，这样做行不行，为什么？您认为死区时间长短由哪些参数决定？

2．与采用晶闸管的移相控制直流调速系统相对比，试归纳采用自关断器件的脉宽调速

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1.做低速实验时应注意什么问题？

九、实验成绩评定办法：

主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、实验结果、实验效果等。

十、其它说明：

（一）注意事项

1．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）。

3．测取静特性时，须注意电流不许超过电机的额定值（0.55A）。 4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

5．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

6．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

7．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

8．低速实验时，实验时间应尽量短，以免电阻器过热引起串接电阻数值的变化。 9．绕线式异步电动机：PN=100W，UN=220V，IN=0.55A，nN=1350，MN=0.68，Y接。

（二）实验报告要求

1．根据实验数据，画出开环时，电机人为机械特性。

2．根据实验数据，画出闭环系统静特性，并与开环特性进行比较。 3．根据记录下的动态波形分析系统的动态过程。

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实验八 双闭环三相异步电动机串级调速系统

一、实验学时：3学时 二、实验类型：验证性 三、开出要求：必修 四、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。

五、实验原理：

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。

本系统为晶闸管亚同步闭环串级调速系统。控制系统由速度调节器ASR，电流调节器ACR，触发装置GT，脉冲放大器MF，速度变换器FBS，电流变换器FBC等组成，其系统主回路原理图如图8?1所示，控制回路原理图可参考图8?2所示。

六、实验条件：

1．教学实验台主控制屏。

2．MCL—31、MCL—33、MCL—05、MCL—35组件 3．MEL—06、MEL—03、MCL—18组件 4．三相芯式变压器

5．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机M03

6．线绕电动机M09 7．双踪示波器 8．万用表

七、实验步骤： （一）安全讲解

实验指导人员讲解自动控制系统实验的基本要求，安全操作和注意事项。介绍实验设备的使用方法。

（二）操作步骤

1．移相触发电路的调试（主电路未通电）

（a）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； （b）将面板上的Ublf端接地，调节偏移电压Ub，使Uct=0时，?接近1500 (β=30°) 。将正组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1V～2V的双脉冲）。

（c）触发电路输出脉冲应在30°≤β≤90°范围内可调。

可通过对偏移电压调节电位器及ACR输出电压的调整实现。例如：使ACR输出为0V，调节偏移电压，实现β=30°；再保持偏移电压不变，调节ACR的限幅电位器RP1，使β=90°。

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2．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。 a． MCL-31的G（给定）的Ug端直接加至Uct，且Ug调至零。 直流电机励磁电源开关闭合。

b．合上主电源，即按下主控制屏绿色“闭合”开关按钮，这时候主控制屏U、V、W端有电压输出。

c．缓慢调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1400转/分，调节直流发电机负载电阻，在空载至一定负载的范围内测取7～8点，读取直流发电机输出电压UG，输出电流IG以及被测电动机转速n，并计算三相异步电动机的输出转矩。

表8-1 n(r/min) Id(A) Ud(V) Te(N.m) 注：采用直流发电机，转矩可按下式计算

Te=9.55(IdUd+Id2Rs+P0)/n

式中 ：

Te——三相异步电动机电磁转矩； Id——直流发电机电流； Ud——直流发电机电压；

RS——直流发电机电枢电阻,取42?；

P0——机组空载损耗。不同转速下取不同数值：n=1500r/min，Po=13.5W；n=1000r/min，Po=10W；n=500r/min，Po=6W。

注：1。开环时可能会使控制角小于90°，使得整流桥工作在整流状态，须在直流回路串接电阻（900

欧姆并联）

2．逆变变压器一次线和电机定子线不要接在同一点。

3．控制单元调试 按图8-2接线。

(1) 转速调节器(ASR）输出正、负限幅值的调试（主电路不通电） 调节转速调节器负幅值等于 -5V，正限幅输出电压最小。 (PI调节器) (2) 电流调节器(ACR)(PI调节器)

Ug接电流调节器输入，使ACR输出为0V，调节偏移电压，实现β=30°；再保持偏移电压不变，加负给定，调节电流调节器正限幅电位器RP1，使β=90°。

4．闭环系统调试 按图8-2接线。 （1）电流环调试

给定端U g与电流调节器ACR的输入端 “ 3 ”端相接，ACR的输出端 “ 7 ” 端接U ct，电流反馈端与电流调节器的输入端 “ 1 ” 端相接，顺时针调节电流反馈电位器 RP1 使电阻

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值最大，即电流反馈最强，使系统构成PI调节器的单闭环系统。

将正负给定开关拨向负给定位置，调节给定电位器使U g ＝0V 。接通直流发电机负载回路，将负载电阻调到最大值。按下电源控制屏的“闭合”按钮，接通主电路电源，调节给定电位器逐渐增加给定电压U g ，使之等于转速调节器（ASR）输出限幅值（﹣5V），然后调 节电流反馈电位器RP1逐渐减小反馈，同时观察主电路电流，使Ig＝0.6A。

突加给定，用示波器观察电流反馈的波形，通过改变电流调节器的PI参数使电流反馈波形较好。 （2）转速环调试

将双闭环三相异步电动机调压调速系统实验接线图进行接线，构成双闭环调速系统。 将正负给定开关拨向正给定位置，调节给定电位器使U g＝0V，顺时针调节转速反馈电位器使电阻值最大，即转速反馈最强。接通主电路电源，逐渐增加给定电压U g，若稍加给定，电机转速很高并且调节给定电压U g也不可控，则表明转速反馈极性有误，立即调节给定电位器使U g＝0V，然后切断电源，将转速反馈两根线相互调换后，再接通电源，逐渐增加给定电压U g＝4V ，调节转速反馈电位器，使电动机空载转速n＝1400 rpm 。

突加给定，用示波器观察转速反馈的波形，通过改变转速调节器的PI参数使转速反馈波形较好。 （3）系统调试

双闭环三相异步电动机调压调速系统总体调试，通过改变转速调节器、电流调节器的PI参数使系统静态、动态性能较好。

调节给定电压Ug，使电机空载转速n0=1400转/分，观察电机运行是否正常。调节ASR、ACR的外接电容及放大倍数调节电位器，用慢扫描示波器观察突加给定的动态波形，确定较佳的调节器参数。

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n0=1400转/分，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7～8点，读取直流发电机输出电压UG，输出电流IG以及被测电动机转速n。

表8-2 n(r/min) IG(A) UG(V) Te(N.m) 6．系统动态特性的测定

用慢扫描示波器观察并用示波器记录：

（1）突加给定起动电机时的转速n，定子电流Is及输出Ugi的动态波形。 （2）电机稳定运行时，突加，突减负载时的n, Is,Ugi的动态波形。

八、思考问题：

1．为什么实验中β必须保持在30°～90°？

2．如果逆变变压器次级三相电压不对称，会出现什么现象？

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九、实验成绩评定办法：

主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、实验结果、实验效果等。

十、其它说明：

（一）注意事项

1．本实验是利用串调装置直接起动电机，不再另外附加设备，所以在电动机起动时，必须使晶闸管逆变角β处于βmin位置。然后才能加大β角，使逆变器的逆变电压缓慢减少，电机平稳加速。

2．闭环实验中，α角的移相范围为90°～150°，注意不可使α＜90°，否则易造成短路事故。

3．接线时，注意绕线电机的转子有4个引出端，其中1个为公共端，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，须注意电流不许超过电机的额定值（0.55A）。

6．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。逆变变压器采用MEL-03三相芯式变压器的高压绕组和中压绕组，注意不可接错。

7．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

8．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的给定为零。

9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。

10．绕线式异步电动机：PN=100W，UN=220V，IN=0.55A，nN=1350，MN=0.68，Y接。

（二）实验报告要求

1．根据实验数据，画出开环，闭环系统静特性n =f (M)，并进行比较。 2．根据动态波形，分析系统的动态过程。

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实验九 异步电动机SPWM与电压空间矢量变频调速系统

一、实验学时：3学时 二、实验类型：验证性 三、开出要求：必修 四、实验目的：

1．通过实验掌握异步电动机变压变频调速系统(基于TMS320F240)的组成及工作原理。 2．加深理解用DSP通过软件生成SPWM波形的工作原理与特点。以及不同调制方式对系统性能的影响

3．熟悉电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）的工作原理与特点。 4．掌握异步电动机变压变频调速系统的调试方法。

五、实验原理：

基于DSP的高性能变频调速系统原理框图如图9—1所示：

系统主电路采用交-直-交电压源型变频器，功率器件采用智能功率模块IPM，该模块包含了由六个IGBT、六个续流二极管、栅极驱动电路、逻辑控制电路以及欠压、过流、短路、过热等保护电路，模块的主电路部分共有5个端子，即直流电压输入端+、-，三相交流电压输出端U、V、W，控制部分共有15个端子，用于PWM信号输入、故障信号输出及驱动电源等，驱动电源为4组+15V电源，DSP生成的PWM信号需通过光耦合器隔离后输入。

该智能功率模块的应用，减小了装置的体积，提高了变频系统的性能与可靠性。 控制系统由DSP、信号检测电路、驱动与保护电路等组成，DSP采用美国TI(Texas Instruments)公司于1998年推出的16位数字信号处理器 (Digital Signal Processor简称DSP)TMS320X24x系列芯片，该芯片是专门为电机的数字化控制而设计的，它集DSP的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化外围电路于一体，为电动机数字控制系统应用提供了一个理想的解决方案，从而成为传统的多微处理器单元和昂贵的多片设计的理想替代，每秒执行20兆条指令的运算能力，使该系列芯片能提供比传统16位微处理器强大得多的性能。

该系列芯片的16位定点DSP内核为模拟设计者提供了一个数字解决方案，并且不会牺牲原有系统的精度和性能，事实上，由于可以采用诸如自适应控制、卡尔曼滤波和状态控制等先进的控制算法，因而增强了系统性能。

高速CPU允许数字控制设计者能够实时处理算法而不需通过查表只能获得近似值，几乎所有的指令都可在50ns的单周期内完成，如此高的性能可以对非常复杂的控制算法进行实时运算，此外，还可支持非常高的采样率，以减小循环延时。

作为系统管理器，DSP必须具备强大的片内I/O和其它外设功能，该系列芯片内的事件管理器可以为所有电机类型用户提供高速、高效和全变速的先进控制技术。在该事件管理器中，包括特殊的PWM产生功能，特殊的附加功能包括可编程的死区功能和空间矢量PWM，后者可为三相电机在功率管逆变器控制中提供最高的功效，三个独立的向上/下计数器，每一个都有属于它自己的比较寄存器，可以支持产生非对称的和对称的PWM波形，四路捕获输入中的两路可以直接连至光电编码器的正交编码脉冲信号。

该系列芯片的应用，大大简化了高性能变频调速系统的硬件设计，使系统具有高的性能价格比，该系列芯片，除适用于工业电机驱动外，还可广泛地应用于功率变换器和控制器、

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汽车系统，如电子动力转向装置、刹车和温度控制、仪表电机控制、打印机、复印机等办公产品、磁带驱动、机器人和计算机数字控制(CNC)机械等。

实验系统中使用的DSP为TMS320F240，其内部包含16K字的Flash(闪速)EEPROM。 此外，已为实验组件配备了与上位计算机通讯的接口和上位机软件。需要进行有关参数改变影响的实验，必须配备上位机，并在实验前安装好上位机软件和仔细阅读上位机操作说明。

六、实验条件：

1．教学实验台主控制屏。

2．MCL-13A闭环变频系统组件、MEL-06组件。 3．电机导轨、直流发电机M03。 4．MEL—03三相可调电阻器。

5．异步电动机M04（含高分辨率编码器）。 6．双踪示波器。

7．上位机和通讯联接线（选件，机内安装有实验所需软件）。

图9-1

七、实验步骤：

（一）安全讲解

实验指导人员讲解自动控制系统实验的基本要求，安全操作和注意事项。介绍实验设备的使用方法。

（二）操作步骤

1．参看图9-2，连接主电路、起动限流、过流保护、过压保护及磁通检测等环节的连线。（有上位机时，连接上位机与组件间的串口通讯线。）

2．按下起动按钮前，检查给定电位器是否放在零位(要求电位器左旋到底)。 3．合上主控制屏上的绿色按钮开关，使Uuv、Uvw、Uwu均为220V。

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4．开环变频系统性能测试

（1）必须在接线检查无误后，合上MCL－13A组件左下方的电源开关，这时系统缺省设置为开环变频调速系统的SPWM控制同步调制方式状态。

（2）按起动按钮，逐渐增大给定(给定电位器向顺时针方向旋转)，观察系统工作是否正常，确认系统工作正常后，再逐渐加大给定直至频率达到50HZ。 （3）用示波器测定电机线电压、线电流波形。（测试孔iv或iw与地之间波形） （4）用示波器测定定子磁通分量φα波形。

（5）将φα端与地线接到双踪示波器Y轴输入端与地端，再将φβ端接到示波器的X轴输入端，按下示波器MENU键，选择时基为X-Y，观测定子磁通φ的轨迹。 （6）用示波器测定突加或突减给定时的iv=f (t)与n=f (t)： ① 按停止按钮，观察并记录iv=f (t)

② 给定电位器仍在上述位置，按起动按钮，即可测得突加给定时的iv=f (t) ③ 同上步骤，观察并记录n=f (t)。（转速反馈最好经过滤波衰减） （7）系统机械特性测试：

在上述给定条件下，负载从轻载按一定间隔加至额定负载，测出机械特性曲线n=f (M)（8）突加与突减负载时的iv=f (t)与n=f (t)测试：

负载加至1/2额定负载，在突加与突减负载条件下，观察并描绘iv=f (t)与n=f (t)波形。

（9）改变调制方法、方式和有关的调制参数（注意改变参数只能在上位机界面上进行），观察对系统性能的影响。（异步方式、混合方式）

注意观察电动机在空载及额定负载时的线电压、线电流波形及运行情况，特别注意噪声及运行平稳情况。注意观察各调制方式下电动机的启动和加速情况。

当低频电机无法转动时，可调节补偿电位器（顺时针旋转时，低频补偿电压增大），直到电动机能旋转时为止。同时注意直流母线电流变化。 5．闭环变频调速系统采用磁场定向控制时的性能测试：

按磁场定向控制按钮，使系统工作在闭环变频调速系统的磁场定向控制状态，先调节给定电位器使系统工作在50HZ，然后进行以下测试：

（1）测量电动机线电压、线电流、气隙磁通分量φα和气隙磁通φ的波形。 （2）观察与描绘突减与突加给定时的iv=f (t)与n=f (t)波形。 （3）在50Hz与5Hz时的闭环变频系统的静特性测试。 （4）观察与描绘突加与突减负载时的iv=f (t)与n=f (t)波形。

（5）改变速度和电流环PID调节器的控制参数（注意：改变参数只能在上位机界面上进行），观察对系统性能的影响。

6．闭环变频系统采用直接转矩控制时的性能测试：

按直接转矩控制按钮，使系统工作在闭环变频调速系统的直接转矩控制状态，先调节给定电位器使系统工作在50HZ，然后进行以下测试：

（1）测量电动机线电压、线电流、气隙磁通分量φα和气隙磁通φ的波形。 （2）观察与描绘突减与突加给定时的iv=f (t)与n=f (t)波形。

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（3）在50Hz与5Hz时的闭环变频系统的静特性测试。 （4）观察与描绘突加与突减负载时的iv=f (t)与n=f (t)波形。

（5）改变速度环PID调节器的控制参数与转矩、磁通滞环控制器的容差（注意：改变参数只能在上位机界面上进行），观察控制参数变化对系统性能的影响。

注意：有上位机时，上述的部分操作必须在上位机界面上进行，有关操作步骤请参看“MCL-13(V1.1)上位机程序使用说明”。

八、思考问题：

1．低频时定子压降的补偿度是否越大越好？过大了会造成何种不良结果？应该如何调节才算恰到好处？

2．SPWM控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，那么电压空间矢量控制的目标是什么？它与SPWM控制相比，有哪些特点？

3．设单相输入的交-直-交变频调速系统的直流母线电压为310V，按SPWM控制时电机线电压的最大值为几伏？如要达到电机线电压为220V有否可能？如何实现？

九、实验成绩评定办法：

主要评分点：原理描述、实验流程、调试过程、数据记录、解决问题的能力、资料搜集、实验结果、实验效果等。

十、其它说明：

（一）注意事项

1．转换不同控制与调制方式时，要先停机，然后选择相应调制方式，再按起动按钮，以免对电动机造成冲击。

2．主回路中的保险丝为1A，不要任意放大。

3. 双踪示波器使用时一定要注意两路地线必须等电位。测线电压时最好用单通道； 4．注意仪表的量程。

（二）实验报告要求

1．分别画出50HZ时开环变频调速系统，磁场定向控制变频调速系统及直接转矩控制变频调速系统的下述波形：

（1）电动机线电压、线电流波形；

（2）定子磁通分量φα和定子磁通φ的轨迹； （3）突加与突减给定时的iv=f (t) 与n=f (t)； （4）突加与突减负载时的iv=f (t) 与n=f (t)。

2．画出开环变频调速系统的机械特性与闭环变频调速系统的静特性曲线，并分别计算出它们的静差率S值。

3．根据实验数据，试分别对开环变频调速系统、磁场定向控制变频调速系统以及直接转矩控制变频调速系统的优缺点与适用场合，作一分析比较。

4．分别对开环变频调速系统、磁场定向控制变频调速系统及直接转矩控制变频调速系统，分析有关参数改变对系统性能的影响（无上位机时不进行）。

5．实验的收获、体会与改进意见。

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/iqph.html