电力拖动运动控制系统设计与实践指导书.docx

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电力拖动运动控制系统设计与实践指导书

电力拖动运动控制系统设计与实践指导书

福建工程学院电子信息与电气工程系

电气技术教研室

电力拖动设计与实践

环节一、三相全控整流桥

一．内容及步骤

1.三相全控桥电路电阻性负载的研究

1）将NMCL-33挂箱连接成三相全控桥电路并接上电阻性负载（灯泡），并使用NMCL-02挂箱（三相变压器）将三相电压降压后输入到NMCL-33挂箱上，然后接通主电路电源电源，调节NMCL-31A挂箱的控制电压来改变α角，并作出ud/u2=f（α）的表格（如表1）和曲线。

2）用示波器观察并记录α=300和600时负载两端的电压ud、晶闸管两端电压uT1的波形。

2.电阻电感负载的研究.

3.反电势负载的研究.

4.在各种负载状态下，观察并分析正常状态下和故障发生时的各种波形。

1）丢失脉冲故障；

2）主电路电源断相；

二．实践预习内容及注意事项

1.怎样通过观察ud的波形来判断α角为多少度？

2.电阻电感负载（无续流二极管）实验中ud的波形是否有负半波？

3.电阻电感负载（无续流二极管）是否会失控？

4.续流二极管接反时，将带来什么后果？

5.使用双踪示波器时，2根探头的接地不能同时使用，为什么？

6.如果将主电路的三相电源的任意2相互相交换，是否会对电路有影响？

如果有那是什么影响（电路可以正常工作吗？

）。

7.u2是主电路三相输入电源的相电压，它是交流电压。

ud是主电路的输出电压，它是直流电压，用万用表测量时要选择正确的量程。

表1ud/u2=f（α）的表格

α范围

0o--30o

30o--60o

60o--90o

90o--1200

实际α

Ud

U2

环节二、晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定

一．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。

二．内容

1．测定晶闸管直流调速系统主电路电阻R

2．测定晶闸管直流调速系统主电路电感L

3．测定直流电动机—直流发电机—测速发电机组（或光电编码器）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=f（Uct）

8．测定测速发电机特性UTG=f（n）

三．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。

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．设备及仪器

1．MCL系列教学实验台主控制屏。

2．MCL—18组件（适合MCL—Ⅱ）或MCL—31组件（适合MCL—Ⅲ）。

3．MCL—33（A）组件或MCL—53组件（适合MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）。

4．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）、直流发电机

5．MEL—03三相可调电阻器（或自配滑线变阻器450，1A）

6．双踪示波器

7．万用表

8．直流电动机M03

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．方法

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6-1所示。

将变阻器RP（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。

MCL-18（或MCL-31，以下同）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=150°。

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压Uuv=220v。

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

调节RP，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）

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

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

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6-2所示。

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压。

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（可取0.5A），从而可得到交流阻抗Za和ZL，计算出电感值La和LL。

实验时，交流电压的有效值应小于电机直流电压的额定值，

Za=Ua/IZL=UL/I

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

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

故

式中GD2的单位为Nm2.

MK可由空载功率（单位为W）求出。

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6-3所示。

电动机M加额定励磁。

MCL-18的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压Uuv=220v。

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。

电机为1500r/min。

Ud（v）

IK（A）

dn/dt

PK

MK

GD2

电机为1000r/min。

Ud（v）

IK（A）

dn/dt

PK

MK

GD2

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Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升

其电流变化曲线如图65所示。

当t=Td时，有

实验线路如图64所示。

MCL-18的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压Uuv=220v。

电机不加励磁。

调节Uct，监视电流表的读数，使电机电枢电流为（50~90）Ied。

然后保持Uct不变，突然合上主电路开关，用光线示波器拍摄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Td。

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

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

由于Tm>>Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即

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。

MCL-18的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。

三相调压器逆时针调到底，合上主电路电源开关，调节主控制屏输出电压Uuv=220v。

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，用光线示波器拍摄过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数。

7．测速发电机特性UTG=f（n）的测定

实验线路如图23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UTG,n的数值若干组，即可描绘出特性曲线UTG=f（n）。

n（r/min）

UTG（V）

七．报告

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．按工程设计方法设计转速、电流调节器。

环节三、双闭环晶闸管不可逆直流调速系统调试

一．系统组成及工作原理

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。

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。

二．注意事项

1．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

2．电源开关闭合时，过流保护、过压保护的发光二极管可能会亮，只需按下对应的复位开关SB1、SB2即可正常工作。

3．系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机

4．起动电机时，尽量轻载起动。

5．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。

6．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。

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。

三.调试方法

1．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。

2．开环外特性的测定

（1）控制电压Uct由给定器Ug直接接入，直流发电机所接负载电阻RG断开。

（2）使Ug=0，调节偏移电压电位器，使α稍大于90°，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）。

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。

3．速度调节器（ASR）的调试

按图3-1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MEL-11挂箱，使ASR调节器为PI调节器，加入一定的输入电压（由MCL—18或主控制屏的给定提供，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。

（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。

4．电流调节器（ACR）的调试

按图3-1接线。

（1）调整输出正,负限幅值

“9”、“10”端接MEL-11挂箱，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，直至输出限幅值，并画出曲线。

（3）观察PI特性

1．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。

5．单元部件调试

ASR调试方法与步骤2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。

6．系统调试

将Ublf接地，Ublr悬空，即使用

组桥六个晶闸管。

（1）电流环调试

（a）系统开环，即控制电压Uct由给定器Ug直接接入，开关S拨向左边，主回路接入电阻Rd并调至最大（Rd由电阻组成）。

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）实验台主控制屏的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”端接电容器，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

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

（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。

7．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，见图3-2。

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MEL—11电容器，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1500r/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）

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）。

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。

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

四．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．分析由示波器记录下来的动态波形。

环节四变频调速实践

一、实践内容

根据变频器产品说明书熟悉几种典型品牌、型号变频器的操作：

1．变频器的基本接线

1）电源连接

2）电动机连接

2．变频器的基本操作

1）变频器的操作面板和按键的操作。

2）“全部清除”操作（即全部初始化操作）。

3）参数设定操作（如加减速时间、直流制动设定、正反转、点动、多段速频率设定等）

4）利用外部端子对变频器进行操作和控制（包括外部正反转、点动、多段速频率运行，电位器控制等）。

5）利用外部端子和面板对变频器进行组合和控制

二、设备：

序号

名称

规格

数量

1

三相变频器

1

2

三相异步电动机

1

三、内容说明（以富士变频器为例）

1．变频器的基本接线见图4-1,注意确定暴露的带电部分没有短路情况。

2．键盘面板各部分名称及功能键

》键正常模式或编程设定模式的选择键，正常模式时,不管停止或运行状态，用于切换数字监视器或图形监视器的显示内容（频率，电流，电压，等）。

RESET键报警停止状态复位到正常模式。

编程设定模式时，使数据从更新模式转变为功能选择模式。

图4-1变频器主电路接线图

▽键选择功能码时用于移动光标。

设定数据时△键增加设定值，▽键减少设定值。

正常模式时△键增加频率设定值▽键减少频率设定值。

FUNC

DATA

用于各功能数据的读出和写入，另外在ＬＣＤ监视器上设定数据时，用于在画面上读出和写入数据。

RUN键起动运行键（仅在选择键盘面板操作时有效）。

STOP键停止运行键（仅在选择键盘面板操作时有效）。

3．基本操作

1）.LED监视器转换显示频率、电流、电压等按照流程图4-2。

2）.数据初始化（即代码77的内容设为1）按照流程图4-3。

3）.将显示语言设为英语（即代码78的内容设为1）参考流程图4-2

4）.设定加速时间为20秒（即代码05的内容设为20）

设定减速时间为10秒（即代码05的内容设为10）

观察起动过程和停止过程。

5）.设定所需转速后试运行

图4-3数据初始化流程图

操作

按键

LED显示值

1.接通电源

60.00

闪烁

2.按动▽键，将当前给定频率设定为50HZ

▽

60.0050.00

闪烁

3.按下RUN键，起动变频器，电动机开始转动，转速逐渐升高

RUN

00.0050.00

4.按动▽键，将当前运行频率改变为35HZ

▽

50.0035.00

5.按动△键，将当前运行频率改变为45HZ

△

35.0045.00

6.按下STOP键，电动机逐渐降速到停止

STOP

45.0000.0045.00

　闪烁

6）改变给定频率值填写下表

给定频率（Hz）

50

30

10

5

同步转速（r/min）

实际转速（r/min）

定子电流（A）

转差率S（%）

7）设定直流制动时间为2秒（即代码19的内容设为2秒）

直流制动值为50%（即代码18的内容设为50%）

开始频率为10Hz（即代码17的内容设为10HZ）

然后观察电动机制动时的变化情况

四、实践报告要求

至少熟悉一种变频器并将以上操作要求的详细操作步骤归纳并记录在实践报告中，要求简明扼要，浅显易懂。