电力拖动运动控制实验报告
成教07自动化班
马鸿亮
二〇一〇年七月四日
实验一 开环直流调速系统研究
一、实验目的
1、了解晶闸管直流调速系统实验装置的组成。 2、熟悉直流调速系统的组成及基本结构。
3、掌握晶闸管直流调速系统参数及开环系统调速特性的测定。 二、实验内容
1、测定晶闸管直流调速系统主电路的总电阻R、总电感L 2、测定晶闸管直流调速系统主电路的电磁时间常数Td 3、测定直流电动机组的飞轮惯量GD2
4、测定直流电动机电动系数Ce和转矩系数Cm：U=f(I) 5、测定晶闸管直流调速系统机电时间常数Tm
6、测定晶闸管直流调速系统的开环系统调速特性n=f(U) 三、实验仪器和设备
1、电机机组一套： （直流电动机－交流电动机－直流发电机－测速发电机－编码器）。
2、直流发电机： 额定功率350W、额定转速 1440r/min、额定电压 165V、额定励磁电流 2.0A、额定励磁电压 200V、额定励磁电流 0.45A。
3、直流电动机： 额定功率500W、额定转速 1400r/min、额定电压 220V、额定励磁电流 2.3A、额定励磁电压 200V、额定励磁电流 0.35A。
4、IPS-n电机转速测量仪。
5、三相调压器：调压范围 0～420V/50Hz、视载功率 4KW、电流4A。 6、直流电压表、电流表、负载单元、可变电阻器和开关导线等。 四、实验线路及参数测量
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图1 开环直流开环调速系统
1、测定晶闸管直流调速系统主电路的总电阻R、总电感L 主电路的总电阻R包括电机电枢电阻Ra，平波电抗器的直流电阻Rl和整流装置的内阻Rr
R=Ra+Rl+Rr
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，实验线路图如下所示。
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将变阻器R1、R2接入被测系统主回路，测试时电动机不加励磁，使电动机堵转，合上S1调节Ug使整流装置输出电压
Ud=(30-60)%Ued
然后调整R2使电枢电流为(80-90)%Ied，读取电流表A和电压表V2的数值为I1、U1，则此时整流装置的理想空载电压为
Udo=I1R+U1
调节R1使之与R2相近，拉开开关S1，在Ud不变的条件下读取A、V2表数值I2、V2，则
Udo=I2R+U2
R=(U2-U1)/(I1-I2)=8.83Ω 如把电机电枢两端短接、重复上述实验可得 Rl+Rr=（U'2-U'1）/(I'1-I'2) 则电机电枢电阻为
Ra=R-(Rl+Rr)=7.33Ω
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻Rl Rl=1Ω
Rr=R-Rl-Ra=0.5Ω
主电路的总电感L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，故主电路的总电感为
L=La+Ll
电感的数值可用交流伏安法测定，电机加额定励磁，电枢回路由交流调压器供电，实验线路如图所示。
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实验时交流电压的有效值应小于电机电压的额定值，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La和Ll。
Za=Ua/I Zl=Ul/I
La=(√Za2-Ra2)/2πf=0.35H Ll=(√Zl2-Rl2)/2πf=1.3H L=La+Ll=1.65H
2、测定晶闸管直流调速系统主电路的电磁时间常数Td
采用电流波形法测定主电路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流i呈指数规律上升
id=Id(1-e-t/Td) 其电流变化曲线如图所示。
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当t=Td时，有
Id=Id(1-e-t)=0.632Id 实验线路如图所示。
电机不加励磁，调节Ug使电机电枢电流为(50-90)%Ied。然后保持
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Ug不变，突然合上主电路开关S，用光线示波拍摄id=f(t)的波形，由波形图上测量出当电路上升至63.2%稳定值时的时间，即为主电路的电磁时间常数Td。
3、测定直流电动机组的飞轮惯量GD2 电力拖动系统的运行方程式为
Ta-Tl=(GD2/375)dn/dt
式中：Ta-电动机的电磁转矩，单位为Nm,Tl-负载转矩，空载时即为空载转矩Tz，单位为Nm，n-电机转速，单位为r/min。电机空载自由停车时，Ta=0，Tl=Tz，运动方程式为
Tz=(- GD2/375)dn/dt GD2=375Tz/dn/dt
式中：GD2的单位为Nm2，Tz可由空载功率Pz(单位为W)求出 Pz=UaIz-Iz2R Tz=9.55Pz/n
dn/dt可由自由停车时所得曲线n=f(t)求得，其实验线路如图所示。
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电动机M加额定励磁，将电机空载起动至稳定转速后，测取电枢电压Ua和电流Iz，然后断开Ug用光线示波器拍摄n=f(t)曲线，即可求取一转速时的Tz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，测出相应的Tz和dn/dt，以求取GD2的平均值。
4、测定直流电动机电动系数Ce和转矩系数Cm：U=f(I)
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
I=1.0 A If=0.40 A Ud/V n/rpm 220 1432 180 1162 160 1028 150 963 140 6 100 618 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Nm/A，可由Ce求出 Cm=9.55Ce
5、测定晶闸管直流调速系统机电时间常数Tm Tm=(GD2R)/375CeCm
由于Tm>Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即 N=K/(1+TmS)Ua
当电枢加给定电压时，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。测试时电枢回路中的附加电阻应全部切除，突然给电枢加电压，用光线示波器拍摄过渡过程曲线，n=f(t)，即可由此确定机电时间常数。
6、测定晶闸管直流调速系统的开环系统调速特性n=f(U)
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n=n0=1500rpm
n/rpm U/V 1442 220 1401 200 1350 180 1302 160 1277 150 1249 140 五、特性曲线
按开环系统调速实验数据，画出其调速特性曲线n=f(U)
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六、思考题
1、在做空载实验时，为什么不能反复调节励磁电流大小？ 答：在做空载实验时，由于发电机励磁电流和发电机输出电压的磁滞效应，反复调节励磁电流使得在同一点的励磁电流下测出两个不同的输出电压。
2、怎样改变直流发电机输出电压的极性？
答：有两种方法：一是改变发电机的励磁电压极性；二是改变发电机的转速方向。
3、在测定空载特性和外特性时，应搞清楚哪些量须保持不变？读取哪些数据？
答：测定发电机空载特性时，应保证发电机转速不变，读取不同励磁电流下的发电机输出电压。测定他励发电机外特性时，应保持发电机转速和励磁电流不变，读取不同负载电流下的发电机输出电压。测定并励发电机外特性时，应保证发电机转速和RP2的阻值不变，读取不同负载电流下的发电机输出电压和励磁电流。
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实验二 闭环直流调速系统研究
一、 实验目的
1、了解单闭环直流系统的组成。
2、熟悉单闭环直流调速系统的调试方法及电流截止负反馈的整定。 3、加深理解转速负反馈在系统中的作用。
4、测定晶闸管电动机调速系统的机械特性和转速单闭环调速系统的静特性。 二、实验内容
1、检查和调整实验装置的有关单元。
2、测定晶闸管电动机系统的开环机械特性和转速单闭环调速系统的静特性。
3、整定电流截止负反馈的转折点，并检验电流负反馈效应。 三、实验仪器和设备
1、电机机组一套： （直流电动机－交流电动机－直流发电机－测速发电机－编码器）。
2、直流发电机： 额定功率350W、额定转速 1440r/min、额定电压 165V、额定励磁电流 2.0A、额定励磁电压 200V、额定励磁电流 0.45A。
3、直流电动机： 额定功率500W、额定转速 1400r/min、额定电压 220V、额定励磁电流 2.3A、额定励磁电压 200V、额定励磁电流 0.35A。
4、IPS-n电机转速测量仪。
5、三相调压器：调压范围 0～420V/50Hz、视载功率 4KW、电流4A。 6、直流电压表、电流表、负载单元、可变电阻器和开关导线等。 四、实验线路及参数测量
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图2 单闭环直流调速系统的组成
1、测定晶闸管电动机系统的开环机械特性和转速单闭环调速系统的静特性。
开环机械特性nop=KpKsU*n/Ce-RId/Ce=n0op-Δnop
闭环机械特性ncl=KpKsU*n/Ce(1+K)-RId/Ce(1+K)=n0cl-Δncl
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2、整定电流截止负反馈的转折点，并检验电流负反馈效应。 带电流截止负反馈的转速负反馈单闭环调速系统的静态结构及静特性如图所示
当Id<=Idcr时，由于βId-Ubr<0，Ui=0,由此写出静特性方程为 n=U*n/α，Id<=Idcr
当Id>Idcr时，βId-Ubr>0，电流负反馈起作用，稳态时，PI调节
器输入偏差电压为零，即U*-Un-Ui=0，因此
N= U*n /α-Ui/α= U*n/α+Ubr/α-βId/α，Id>Idcr 参数Idbl，Idcr的取值方法为：Idbl应小于电动机的允许最大电流Idmax，一般取Idmax=(1.5～2.5 )IN。另一方面，从正常运行特性n0—A这一代段看，希望有足够的运行范围，截止电流Idcr应大于电动机的额定电流。取Idcr=1.2 IN。
五、特性曲线
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根据实验数据，画出转速单闭环调速系统的静特性图n=f(U)。
六、思考题
1、他励直流电动机在运行时，励磁回路突然断线（即失磁）直流电动机会出现什么现象？
答：会出现空载飞车现象，极易将轴承烧坏。 2、怎样改变直流电动机的转速方向？
答：可改变Ud 极性；或可改变励磁电压Uf极性。 ３、在弱磁调速时，为什么不能把励磁电流降得很低？
答：会出现空载飞车现象，极易将轴承烧坏；会造成转矩较小，额定负载起动时无法起动。
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