運動控制講義

1、實驗一 單閉環(huán)不可逆直流調(diào)速系統(tǒng)實驗一、實驗?zāi)康?1)了解單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理、組成及各主要單元部件的原理。(2)掌握晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的一般調(diào)試過程。(3)認(rèn)識閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)的基本特性。二、實驗所需掛件及附件序號型 號備 注1DJK01 電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”等幾個模塊。2DJK02 晶閘管主電路 3DJK02-1三相晶閘管觸發(fā)電路該掛件包含“觸發(fā)電路”、“正反橋功放”等幾個模塊。4DJK04 電機調(diào)速控制實驗 I該掛件包含“給定”、“調(diào)節(jié)器I”、“調(diào)節(jié)器II”、“轉(zhuǎn)速變換”、“電流反饋與過流保護(hù)”、“電壓隔離器”等幾個模塊。5DJK08可調(diào)電阻、電容箱6DD03-3電

2、機導(dǎo)軌光碼盤測速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表7DJ13-1 直流發(fā)電機8DJ15 直流并勵電動機9D42三相可調(diào)電阻10D31直流電流表、電壓表三、實驗線路及原理為了提高直流調(diào)速系統(tǒng)的動靜態(tài)性能指標(biāo)，通常采用閉環(huán)控制系統(tǒng)(包括單閉環(huán)系統(tǒng)和多閉環(huán)系統(tǒng))。對調(diào)速指標(biāo)要求不高的場合，采用單閉環(huán)系統(tǒng)，而對調(diào)速指標(biāo)較高的則采用多閉環(huán)系統(tǒng)。按反饋的方式不同可分為轉(zhuǎn)速反饋，電流反饋，電壓反饋等。在單閉環(huán)系統(tǒng)中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)使用較多。在本裝置中，轉(zhuǎn)速單閉環(huán)實驗是將反映轉(zhuǎn)速變化的電壓信號作為反饋信號，經(jīng)“轉(zhuǎn)速變換”后接到“速度調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uct，用作控制整流橋的“觸發(fā)電路

3、”，觸發(fā)脈沖經(jīng)功放后加到晶閘管的門極和陰極之間，以改變“三相全控整流”的輸出電壓，這就構(gòu)成了速度負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機的轉(zhuǎn)速隨給定電壓變化，電機最高轉(zhuǎn)速由速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定，速度調(diào)節(jié)器采用P（比例）調(diào)節(jié)對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要想消除上述誤差，則需將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。這時當(dāng)“給定”恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對速度變化起到了抑制作用，當(dāng)電機負(fù)載或電源電壓波動時，電機的轉(zhuǎn)速能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。在電流單閉環(huán)中，將反映電流變化的電流互感器輸出電壓信號作為反饋信號加到“電流調(diào)節(jié)器”的輸入端，與“給定”的電壓相比較，經(jīng)放大后，得到移相控制電壓Uct，控制整流橋的“觸發(fā)電路”，改變“三相全控整

4、流”的電壓輸出，從而構(gòu)成了電流負(fù)反饋閉環(huán)系統(tǒng)。電機的最高轉(zhuǎn)速也由電流調(diào)節(jié)器的輸出限幅所決定。同樣，電流調(diào)節(jié)器若采用P（比例）調(diào)節(jié)，對階躍輸入有穩(wěn)態(tài)誤差，要消除該誤差將調(diào)節(jié)器換成PI(比例積分)調(diào)節(jié)。當(dāng)“給定”恒定時，閉環(huán)系統(tǒng)對電樞電流變化起到了抑制作用，當(dāng)電機負(fù)載或電源電壓波動時，電機的電樞電流能穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)變化。四、實驗內(nèi)容 (1)Uct不變時直流電動機開環(huán)特性的測定。 (2)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。(3)電流單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。五、實驗方法 (1)Uct不變時的直流電機開環(huán)外特性的測定按圖1-1的接線圖接線，DJK02-1上的移相控制電壓Uct由DJK04上的“給定”輸出Ug直接接入

5、，直流發(fā)電機接負(fù)載電阻R，Ld用DJK02上200mH，將給定的輸出調(diào)到零。圖1-1 實驗系統(tǒng)原理圖先閉合勵磁電源開關(guān)，按下DJK01“電源控制屏”啟動按鈕，使主電路輸出三相交流電源，然后從零開始逐漸增加“給定”電壓Ug，使電動機慢慢啟動并使轉(zhuǎn)速 n 達(dá)到1000rpm。改變負(fù)載電阻R的阻值，使電動機的電樞電流從空載直至Ied。即可測出在Uct不變時的直流電動機開環(huán)外特性n = f(Id)，測量并記錄數(shù)據(jù)于下表：n（rpm）1000980950900850800750Id（A） (2)轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)按圖1-2接線，在本實驗中，DJK04的“給定”電壓Ug為負(fù)給定，轉(zhuǎn)速反饋為正電壓，將“

6、調(diào)節(jié)器I”接成P（比例）調(diào)節(jié)器或PI（比例積分）調(diào)節(jié)器。直流發(fā)電機接負(fù)載電阻R，Ld用DJK02上200mH，給定輸出調(diào)到零。圖1-2 轉(zhuǎn)速單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖直流發(fā)電機先輕載，從零開始逐漸調(diào)大“給定”電壓Ug，使電動機的轉(zhuǎn)速接近n=l000rpm。由小到大調(diào)節(jié)直流發(fā)電機負(fù)載R，測出電動機的電樞電流Id，和電機的轉(zhuǎn)速n，直至Id=Ied，即可測出系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線n =f(Id)。n（rpm）1000Id（A）0.50.60.70.80.91.0(3)電流單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)按圖1-3接線，在本實驗中，給定Ug為負(fù)給定，電流反饋為正電壓，將“調(diào)節(jié)器II”接成比例（P）調(diào)節(jié)器或PI（比例積分）調(diào)節(jié)器。直

7、流發(fā)電機接負(fù)載電阻R，Ld用DJK02上200mH，將給定輸出調(diào)到零。圖1-3 電流單閉環(huán)系統(tǒng)原理圖直流發(fā)電機先輕載，從零開始逐漸調(diào)大“給定”電壓Ug，使電動機轉(zhuǎn)速接近n=l000rpm。由小到大調(diào)節(jié)直流發(fā)電機負(fù)載R，測定相應(yīng)的Id和n，直至最大允許電流(該電流值由給定電壓決定)，即可測出系統(tǒng)靜態(tài)特性曲線n =f(Id)。n（rpm）1000980950900850800750Id（A）七、實驗報告(1)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，畫出Uct不變時直流電動機開環(huán)機械特性。 (2)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，畫出轉(zhuǎn)速單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性。(3)根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，畫出電流單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的機械特性。八、思考題(l)P調(diào)

8、節(jié)器和PI調(diào)節(jié)器在直流調(diào)速系統(tǒng)中的作用有什么不同?(2)實驗中，如何確定轉(zhuǎn)速反饋的極性并把轉(zhuǎn)速反饋正確地接入系統(tǒng)中?調(diào)節(jié)什么元件能改變轉(zhuǎn)速反饋的強度?(3)改變“調(diào)節(jié)器I”和“調(diào)節(jié)器II”上可變電阻、電容的參數(shù)，對系統(tǒng)有什么影響？九、注意事項 (1)電機啟動前，應(yīng)先加上電動機的勵磁，才能使電機啟動。在啟動前必須將移相控制電壓調(diào)到零，使整流輸出電壓為零，這時才可以逐漸加大給定電壓，不能在開環(huán)或速度閉環(huán)時突加給定，否則會引起過大的啟動電流，使過流保護(hù)動作，告警，跳閘。(2)通電實驗時，可先用電阻作為整流橋的負(fù)載，待確定電路能正常工作后，再換成電動機作為負(fù)載。(3)在連接反饋信號時，給定信號的極性必

9、須與反饋信號的極性相反，確保為負(fù)反饋，否則會造成失控。(4)在完成電壓單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)實驗時，由于晶閘管整流輸出的波形不僅有直流成分，同時還包含有大量的交流信號，所以在電壓隔離器輸出端必須要接電容進(jìn)行濾波，否則系統(tǒng)必定會發(fā)生震蕩。(5)直流電動機的電樞電流不要超過額定值使用，轉(zhuǎn)速也不要超過1.2倍的額定值。以免影響電機的使用壽命，或發(fā)生意外。(6)DJK04與DJK02-1不共地，所以實驗時須短接DJK04與DJK02-1的地。雙閉環(huán)三相異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)實驗一、實驗?zāi)康?1)了解并熟悉雙閉環(huán)三相異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的原理及組成。(2)了解轉(zhuǎn)子串電阻的繞線式異步電機在調(diào)節(jié)定子電壓調(diào)速時的機

10、械特性。(3)通過測定系統(tǒng)的靜態(tài)特性和動態(tài)特性，進(jìn)一步理解交流調(diào)壓系統(tǒng)中電流環(huán)和轉(zhuǎn)速環(huán)的作用。二、實驗所需掛件及附件序號型號備 注1DJK01 電源控制屏該控制屏包含“三相電源輸出”等幾個模塊。2DJK02 晶閘管主電路 3DJK02-1三相晶閘管觸發(fā)電路該掛件包含“觸發(fā)電路”、“正反橋功放”等幾個模塊。4DJK04 電機調(diào)速控制實驗 I該掛件包含“給定”、“調(diào)節(jié)器I”、“調(diào)節(jié)器II”、“轉(zhuǎn)速變換”、“電流反饋與過流保護(hù)”等幾個模塊。5DJK08可調(diào)電阻、電容箱6DD03-3電機導(dǎo)軌、光碼盤測速系統(tǒng)及數(shù)顯轉(zhuǎn)速表7DJ13-1 直流發(fā)電機8DJ17 三相線繞式異步電動機9DJ17-2 線繞式異步

11、電機轉(zhuǎn)子專用箱10D42三相可調(diào)電阻11慢掃描示波器自備12萬用表自備三、實驗線路及原理異步電動機采用調(diào)壓調(diào)速時，由于同步轉(zhuǎn)速不變和機械特性較硬，因此對普通異步電動機來說其調(diào)速范圍很有限，無實用價值，而對力矩電機或線繞式異步電動機在轉(zhuǎn)子中串入適當(dāng)電阻后使機械特性變軟其調(diào)速范圍有所擴大，但在負(fù)載或電網(wǎng)電壓波動情況下，其轉(zhuǎn)速波動較大，因此常采用雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)。雙閉環(huán)三相異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相晶閘管交流調(diào)壓器及三相繞線式異步電動機組成。控制部分由“速度調(diào)節(jié)器”、“電流調(diào)節(jié)器”、 “轉(zhuǎn)速變換”、“觸發(fā)電路”、“正橋功放”等組成。其系統(tǒng)原理框圖如圖7-1所示：整個調(diào)速系統(tǒng)采用了速度、電流兩個

12、反饋控制環(huán)。這里的速度環(huán)作用基本上與直流調(diào)速系統(tǒng)相同，而電流環(huán)的作用則有所不同。系統(tǒng)在穩(wěn)定運行時，電流環(huán)對抗電網(wǎng)擾動仍有較大的作用，但在啟動過程中電流環(huán)僅起限制最大電流的作用，不會出現(xiàn)最佳啟動的恒流特性，也不可能是恒轉(zhuǎn)矩啟動。異步電動機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，采用雙閉環(huán)系統(tǒng)時靜差率較小，且比較容易實現(xiàn)正、反轉(zhuǎn)，反接和能耗制動。但在恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載下不能長時間低速運行，因低速運行時轉(zhuǎn)差功率 Ps=SPM 全部消耗在轉(zhuǎn)子電阻中，使轉(zhuǎn)子過熱。在本實驗中DJK04上的“調(diào)節(jié)器I”做為“速度調(diào)節(jié)器”使用，“調(diào)節(jié)器II”做為“電流調(diào)節(jié)器”使用。圖7-1 雙閉環(huán)三相異步電機調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)原理圖四、實驗內(nèi)容(1)測定三

13、相繞線式異步電動機轉(zhuǎn)子串電阻時的機械特性。 (2)測定雙閉環(huán)交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的靜態(tài)特性。 (3)測定雙閉環(huán)交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)特性。五、預(yù)習(xí)要求(1)復(fù)習(xí)電力電子技術(shù)、交流調(diào)速系統(tǒng)教材中有關(guān)三相晶閘管調(diào)壓電路和異步電機晶閘管調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容，掌握調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)的工作原理。(2)學(xué)習(xí)有關(guān)三相晶閘管觸發(fā)電路的內(nèi)容，了解三相交流調(diào)壓電路對觸發(fā)電路的要求。六、思考題(1)在本實驗中，三相繞線式異步電機轉(zhuǎn)子回路串接電阻的目的是什么?不串電阻能否正常運行?(2)為什么交流調(diào)壓調(diào)速系統(tǒng)不宜用于長期處于低速運行的生產(chǎn)機械和大功率設(shè)備上?七、實驗方法(1)DJK02和DJK02-1上的“觸發(fā)電路”調(diào)試 打開D

14、JK01總電源開關(guān)，操作“電源控制屏”上的“三相電網(wǎng)電壓指示”開關(guān)，觀察輸入的三相電網(wǎng)電壓是否平衡。將DJK01“電源控制屏”上“調(diào)速電源選擇開關(guān)”撥至“交流調(diào)速”側(cè)。用10芯的扁平電纜，將DJK02的“三相同步信號輸出”端和DJK02-1“三相同步信號輸入”端相連,打開DJK02-1電源開關(guān)，撥動 “觸發(fā)脈沖指示”鈕子開關(guān)，使“窄”的發(fā)光管亮。觀察A、B、C三相的鋸齒波，并調(diào)節(jié)A、B、C三相鋸齒波斜率調(diào)節(jié)電位器（在各觀測孔左側(cè)），使三相鋸齒波斜率盡可能一致。將DJK04上的“給定”輸出Ug直接與DJK02-1上的移相控制電壓Uct相接，將給定開關(guān)S2撥到接地位置（即Uct=0），調(diào)節(jié)DJK0

15、2-1上的偏移電壓電位器，用雙蹤示波器觀察A相同步電壓信號和“雙脈沖觀察孔” VT1的輸出波形，使=180°。適當(dāng)增加給定Ug的正電壓輸出，觀測DJK02-1上“脈沖觀察孔”的波形，此時應(yīng)觀測到單窄脈沖和雙窄脈沖。用8芯的扁平電纜，將DJK02-1面板上“觸發(fā)脈沖輸出”和“觸發(fā)脈沖輸入”相連，使得觸發(fā)脈沖加到正反橋功放的輸入端。將DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平電纜，將DJK02-1的“正橋觸發(fā)脈沖輸出”端和DJK02“正橋觸發(fā)脈沖輸入”端相連，并將DJK02“正橋觸發(fā)脈沖”的六個開關(guān)撥至“通”，觀察正橋VT1VT6晶閘管門極和陰極之間的觸發(fā)脈沖是否正常。(2)控制

16、單元調(diào)試調(diào)節(jié)器的調(diào)零 將DJK04中“調(diào)節(jié)器I”所有輸入端接地，再將DJK08中的可調(diào)電阻120K接到“調(diào)節(jié)器I”的“4”、“5”兩端，用導(dǎo)線將“5”、“6”短接，使“調(diào)節(jié)器I”成為P (比例)調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)面板上的調(diào)零電位器RP3，用萬用表的毫伏檔測量調(diào)節(jié)器“7”端的輸出，使之輸出電壓盡可能接近于零。將DJK04中“調(diào)節(jié)器II”所有輸入端接地，再將DJK08中的可調(diào)電阻13K接到“調(diào)節(jié)器II”的“8”、“9”兩端，用導(dǎo)線將“9”、“10”短接，使“調(diào)節(jié)器II”成為P（比例）調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)面板上的調(diào)零電位器RP3，用萬用表的毫伏檔測量調(diào)節(jié)器II的“11”端，使之輸出電壓盡可能接近于零。調(diào)節(jié)器正、負(fù)

17、限幅值的調(diào)整 直接將DJK04的給定電壓Ug接入DJK02-1移相控制電壓Uct的輸入端，三相交流調(diào)壓輸出的任意兩路接一電阻負(fù)載（D42三相可調(diào)電阻），放在阻值最大位置，用示波器觀察輸出的電壓波形。當(dāng)給定電壓Ug由零調(diào)大時，輸出電壓U隨給定電壓的增大而增大，當(dāng)Ug超過某一數(shù)值Ug時，U 的波形接近正弦波時，一般可確定移相控制電壓的最大允許值Uctmax=Ug，即Ug的允許調(diào)節(jié)范圍為0Uctmax。記錄Ug于下表中：UgUctmax=Ug把“調(diào)節(jié)器I”的“5”、“6”短接線去掉，將DJK08中的可調(diào)電容0.47uF接入“5”、“6”兩端，使調(diào)節(jié)器成為PI (比例積分)調(diào)節(jié)器，將調(diào)節(jié)器I的輸入端接

18、地線去掉，將DJK04的給定輸出端接到轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的“3”端，當(dāng)加一定的正給定時，調(diào)整負(fù)限幅電位器RP2，使之輸出電壓為-6V；當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入端加負(fù)給定時，調(diào)整正限幅電位器RP1，使之輸出電壓盡可能接近于零。把“調(diào)節(jié)器II”的“9”、“10”短接線去掉，將DJK08中的可調(diào)電容0.47uF接入“9”、“10”兩端，使調(diào)節(jié)器成為PI（比例積分）調(diào)節(jié)器，將調(diào)節(jié)器II的輸入端接地線去掉，將DJK04的給定輸出端接到調(diào)節(jié)器II的“4”端，當(dāng)加正給定時，調(diào)整負(fù)限幅電位器RP2，使之輸出電壓盡可能接近于零；當(dāng)調(diào)節(jié)器輸入端加負(fù)給定時，調(diào)整正限幅電位器RP1，使之輸出正限幅為Uctmax。電流反饋的整定直接將DJ

19、K04的給定電壓Ug接入DJK02-1移相控制電壓Uct的輸入端，三相交流調(diào)壓輸出接三相線繞式異步電動機，測量三相線繞式異步電動機單相的電流值和電流反饋電壓，調(diào)節(jié)“電流反饋與過流保護(hù)”上的電流反饋電位器RP1，使電流Ie=1A時的電流反饋電壓為Ufi=6V。轉(zhuǎn)速反饋的整定直接將DJK04的給定電壓Ug接入DJK02-1移相控制電壓Uct的輸入端，輸出接三相線繞式異步電動機，測量電動機的轉(zhuǎn)速值和轉(zhuǎn)速反饋電壓值，調(diào)節(jié)“轉(zhuǎn)速變換”電位器RP1，使n=1300rpm時的轉(zhuǎn)速反饋電壓為Ufn=-6V。 (3)機械特性n =f(T)測定圖7-2 三相交流調(diào)壓實驗線路圖將DJK04的“給定”電壓輸出直接接至DJK02-1上的移相控制電壓Uct，電機轉(zhuǎn)子回路接DJ17-2轉(zhuǎn)子電阻專用箱，直流發(fā)電機接負(fù)載電阻R (D42三相可調(diào)電阻，將兩個900接成串聯(lián)形式)，并將給定的輸出調(diào)到零。直流發(fā)電機先輕載，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速給定電壓Ug使電動機的端電壓=220V。轉(zhuǎn)矩可按下式計算: (7-1) 式中，T為三相線繞式異步電機電磁轉(zhuǎn)矩，IG為直流發(fā)電機電流，UG為直流發(fā)電機電壓，Ra為直流發(fā)電機電樞電阻，Po為機組空載損耗。調(diào)節(jié)Ug，降低電動機端電壓，在2/3Ue時重復(fù)上述實驗，以取