双闭环三相异步电机调压调速系统实验.doc

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1、实验一 双闭环三相异步电机调压调速系统实验一、实验目的(1)了解并熟悉双闭环三相异步电机调压调速系统的原理及组成。(2)了解转子串电阻的绕线式异步电机在调节定子电压调速时的机械特性。(3)通过测定系统的静态特性和动态特性，进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作用。二、实验所需挂件及附件序号型号备 注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路 3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。4DJK04 电机调速控制实验 I该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反

2、馈与过流保护”等几个模块。5DJK08可调电阻、电容箱6DD03-2电机导轨测速发电机及转速表或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表7DJ23 校正直流测功机8DJ17 三相线绕式异步电动机9DJ17-2 线绕式异步电机转子专用箱10D42三相可调电阻11慢扫描示波器自备12万用表自备三、实验线路及原理异步电动机采用调压调速时，由于同步转速不变和机械特性较硬，因此对普通异步电动机来说其调速范围很有限，无实用价值，而对力矩电机或线绕式异步电动机在转子中串入适当电阻后使机械特性变软其调速范围有所扩大，但在负载或电网电压波动情况下，其转速波动严重，为此常采用双闭环调速系统。双闭环三相异步

3、电机调压调速系统的主电路由三相晶闸管交流调压器及三相绕线式异步电动机组成。控制部分由“电流调节器”、 “速度变换”、“触发电路”、“正桥功放”等组成。其系统原理框图如图1-1所示：整个调速系统采用了速度、电流两个反馈控制环。这里的速度环作用基本上与直流调速系统相同，而电流环的作用则有所不同。在稳定运行情况下，电流环对电网扰动仍有较大的抗扰作用，但在启动过程中电流环仅起限制最大电流的作用，不会出现最佳启动的恒流特性，也不可能是恒转矩启动。异步电动机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正、反转，反接和能耗制动。但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率 P

4、s=SPM 全部消耗在转子电阻中，使转子过热。图1-1 双闭环三相异步电机调压调速系统原理图四、实验内容(1)测定三相绕线式异步电动机转子串电阻时的机械特性。 (2)测定双闭环交流调压调速系统的静态特性。 五、预习要求(1)复习电力电子技术、交流调速系统教材中有关三相晶闸管调压电路和异步电机晶闸管调压调速系统的内容，掌握调压调速系统的工作原理。(2)学习有关三相晶闸管触发电路的内容，了解三相交流调压电路对触发电路的要求。六、思考题(1) 在本实验中，三相绕线式异步电机转子回路串接电阻的目的是什么?不串电阻能否正常运行?(2)为什么交流调压调速系统不宜用于长期处于低速运行的生产机械和大功率设备上

5、?七、实验方法(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 打开DZ01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网输入”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。将DJK01“电源控制屏”上“电压指示切换”拨至“三相调压输出”侧。用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压

6、Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使=170。适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正常。(2)控制单元调试调节器的调零 将DJK04中“速度调节器”所有输入端

7、接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的输出电压尽可能接近于零。调节器正、负限幅值的调整 直接将DJK04的给定电

8、压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，三相交流调压输出接线绕式异步电机，测量电机两端电机。当给定电压Ug由零调大时，输出电压U随给定电压的增大而增大，当Ug超过某一数值Ug时，U 的电压接近电机额定电压220V，一般可确定移相控制电压的最大允许值Uctmax=Ug，即Ug的允许调节范围为0Uctmax。记录Ug于下表中：UgUctmax=Ug把“速度调节器”的“5”、“6”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定（1V）时，调整负限幅电位器R

9、P2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定（-1V）时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压为最小值即可。把“电流调节器”的“9”、“10”短接线去掉，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到电流调节器的“4”端，当加正给定（1V）时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可，当调节器输入端加负给定（-1V）时，调整正限幅电位器RP1，使电流调节器的输出正限幅为Uctmax。电流反馈的整定直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，三相交流调压输出接三相线绕

10、式异步电动机，测量校正测功机的电流值和电流反馈电压（减小电枢回路电阻，即增大负载），调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使电流Ie=1A时的电流反馈电压为Ufi=6V。转速反馈的整定直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，输出接三相线绕式异步电动机（星形接法），测量电动机的转速值和转速反馈电压值，调节“速度变换”电位器RP1，使n =1300rpm时的转速反馈电压为Ufn=-6V。 (3)机械特性n =f(T)测定将DJK04的“给定”电压输出直接接至DJK02-1上的移相控制电压Uct，电机转子回路接DJ17-2转子电阻专用箱，直流发电机接

11、负载电阻R (D42三相可调电阻，将两个900接成串联形式)，并将给定的输出调到零。直流发电机先轻载，调节转速给定电压Ug使电动机的端电压=Ue。转矩可按下式计算: (7-1) 式中，T为三相线绕式异步电机电磁转矩，IG为直流发电机电流，UG为直流发电机电压，Ra为直流发电机电枢电阻（15左右），Po为机组空载损耗（5W左右）。调节Ug，降低电动机端电压，在2/3Ue时重复上述实验，以取得一组机械特性。在输出电压为Ue时：n(rpm)U2=UG (V)I2=IG（A）T(Nm) 在输出电压为2/3Ue时：n(rpm)U2=UG (V)I2=IG（A）T(Nm)(4)系统调试 确定“电流调节器”

12、和“速度调节器”的限幅值和电流、转速反馈的极性。 将系统接成双闭环调压调速系统，电机转子回路仍每相串5左右的电阻，逐渐增大给定Ug，观察电机运行是否正常。 调节“电流调节器”和“速度调节器”的外接电容和电位器（改变放大倍数），确定较佳的调节器参数。(5)系统闭环特性的测定调节Ug使转速至n=1200rpm，从轻载按一定间隔调到额定负载，测出闭环静态特性n =f（T）n(rpm)1200U2=UG（V）I2=IG（A）T(Nm)测出n=800rpm时的系统闭环静态特性n=f(T)，T可由(7-1)式计算n(rpm)800U2=UG (V)I2=IG (A)T(Nm) 八、实验报告 (1)根据实验

13、数据，画出开环时电机的机械特性n=f（T）。 (2)根据实验数据画出闭环系统静态特性n=f（T），并与开环特性进行比较。 九、注意事项 (1)在做低速实验时，实验时间不宜过长，以免电阻器过热引起串接电阻数值的变化。 (2)转子每相串接电阻为5左右，可根据需要进行调节，以便系统有较好的性能。(3)计算转矩T时用到的机组空载损耗Po为5W左右。实验二 双闭环三相异步电机串级调速系统实验一、实验目的(1)熟悉双闭环三相异步电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、实验所需挂件及附件序 号型号备 注1DJK01 电源控制屏

14、该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK02 晶闸管主电路 3DJK02-1三相晶闸管触发电路该挂件包含“触发电路”,“正桥功放”，“反桥功放” 等几个模块。4DJK04 电机调速控制实验该挂件包含“给定”，“电流调节器”，“速度变换”，“电流反馈与过流保护”等几个模块。5DJK08可调电阻、电容箱6DJK10 变压器实验该挂件包含“三相不控整流”和“三相心式变压器”等模块。7DD03-2电机导轨测速发电机及转速表或DD03-3电机导轨、光码盘测速系统及数显转速表8DJ23 校正直流测功机9DJ17 三相线绕式异步电动机10D42三相可调电阻11慢扫描示波器自备12万用表

15、自备三、实验线路及原理异步电动机串级调速系统是较为理想的节能调速系统，采用电阻调速时转子损耗为PS=SPM，这说明了随着S的增大效率降低，如果能把转差功率PS的一部分回馈电网就可提高电机调速时效率，串级调速系统采用了在转子回路中附加电势的方法，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，由晶闸管有源逆变电路来改变转子的反电动势，从而方便地实现无级调速，并将多余的能量回馈至电网，这是一种比较经济的调速方法。本系统为晶闸管亚同步双闭环串级调速系统，控制系统由“速度调节器”、“电流调节器”、“触发电路”、“正桥功放”、“速度变换”等组成。其系统原理图如图2-1所示。四、

16、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静态特性。(3)测定双闭环串级调速系统的静态特性。五、预习要求(1)复习电力拖动自动控制系统(交流调速系统)教材中有关异步电机晶闸管串级调速系统的内容，掌握串级调速系统的工作原理。(2)掌握串级调速系统中逆变变压器副边绕组额定相电压的计算方法。 图2-1 线绕式异步电动机串级调速系统原理图六、思考题(1)如果逆变装置的控制角90或30，则主电路会出现什么现象?为什么要对逆变角的调节范围作一定的要求?(2)串级调速系统的开环机械特性为什么比电动机本身的固有特性软?七、实验方法(1)DJK02和DJK02-1上的“触发电路”调试 打开D

17、Z01总电源开关，操作“电源控制屏”上的“三相电网输入”开关，观察输入的三相电网电压是否平衡。将DJK01“电源控制屏”上“电压指示切换”拨至“三相调压输出”侧。用10芯的扁平电缆，将DJK02的“三相同步信号输出”端和DJK02-1“三相同步信号输入”端相连,打开DJK02-1电源开关，拨动 “触发脉冲指示”钮子开关，使“窄”的发光管亮。观察A、B、C三相的锯齿波，并调节A、B、C三相锯齿波斜率调节电位器（在各观测孔左侧），使三相锯齿波斜率尽可能一致。将DJK04上的“给定”输出Ug直接与DJK02-1上的移相控制电压Uct相接，将给定开关S2拨到接地位置（即Uct=0），调节DJK02-1

18、上的偏移电压电位器，用双踪示波器观察A相同步电压信号和“双脉冲观察孔” VT1的输出波形，使=150。（注意此处的表示三相晶闸管电路中的移相角，它的0。从自然换相点开始计算，而单相晶闸管电路的0。表示从同步信号过零点开始计算，两者存在相位差30。）。适当增加给定Ug的正电压输出，观测DJK02-1上“脉冲观察孔”的波形，此时应观测到单窄脉冲和双窄脉冲。将DJK02-1面板上的Ulf端接地，用20芯的扁平电缆，将DJK02-1的“正桥触发脉冲输出”端和DJK02“正桥触发脉冲输入”端相连，并将DJK02“正桥触发脉冲”的六个开关拨至“通”，观察正桥VT1VT6晶闸管门极和阴极之间的触发脉冲是否正

19、常。(2)控制单元调试调节器的调零 将DJK04中“速度调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻120K接到“速度调节器”的“4”、“5”两端，用导线将“5”、“6”短接，使“电流调节器”成为P (比例)调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器“7”端的输出，使调节器的输出电压尽可能接近于零。将DJK04中“电流调节器”所有输入端接地，再将DJK08中的可调电阻13K接到“速度调节器”的“8”、“9”两端，用导线将“9”、“10”短接，使“电流调节器”成为P（比例）调节器。调节面板上的调零电位器RP3，用万用表的毫伏档测量电流调节器的“11”端，使调节器的

20、输出电压尽可能接近于零。电流调节器的整定 把“电流调节器”的“9”、“10”短接线继续短接，使调节器成为P（比例）调节器，然后将DJK04的给定输出端接到“电流调节器”的“4”端，当加正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为最小值即可；把“电流调节器”的输出端与DJK02-1上的移相控制电压Uct端相连，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使脉冲停在逆变桥两端的电压为零的位置。去掉“9”、“10”两端的短接线，将DJK08中的可调电容0.47uF接入“9”、“10”两端，使调节器成为PI（比例积分）调节器速度调节器的整定 把“速度调节器”的“5”、“6”短接线去掉，将DJ

21、K08中的可调电容0.47uF接入“5”、“6”两端，使调节器成为PI (比例积分)调节器，然后将DJK04的给定输出端接到转速调节器的“3”端，当加一定的正给定时，调整负限幅电位器RP2，使之输出电压为-6V，当调节器输入端加负给定时，调整正限幅电位器RP1，使之输出电压为最小值即可。电流反馈的整定直接将DJK04的给定电压Ug接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，三相交流调压接三相线绕式异步电动机负载，测量电动机的相电流和电流反馈电压值，调节“电流反馈与过流保护”上的电流反馈电位器RP1，使当电机相电流Ie=1A时的电流反馈电压Ufi=6V。转速反馈的整定直接将DJK04给定电压U

22、g接入DJK02-1移相控制电压Uct的输入端，输出电路接三相线绕式异步电动机负载，测量三相线绕式异步电动机的转速和转速反馈电压，调节“速度变换”上转速反馈电位器RP1，使n =1200rpm时的转速反馈电压Ufn=-6V。(3)开环静态特性的测定将系统接成开环串级调速系统，直流回路电抗器Ld接20OmH，利用DJK10上的三相不控整流桥将三相线绕式异步电动机转子三相电动势进行整流，逆变变压器采用DJK10上的三相心式变压器，Y/Y接法，其中高压端A、B、C接DJK01电源控制屏的主电路电源输出，中压端Am、Bm、Cm接晶闸管的三相逆变输出。R (将D42三相可调电阻的两个电阻接成串联形式)和

23、Rm (将D42三相可调电阻的两个电阻接成并联形式)调到电阻阻值最大时才能开始试验。测定开环系统的静态特性n =f(T)，T可按交流调压调速系统的同样方法来计算。在调节过程中，要时刻保证逆变桥两端的电压大于零。n(rpm)U2=UG(V)I2=IG(A)T(N.m)(4)系统调试 确定“速度调节器”和“电流调节器”的转速、电流反馈的极性。 将系统接成双闭环串级调速系统，逐渐加给定Ug，观察电机运行是否正常，应在30 90之间移相，当一切正常后，逐步把限流电阻Rm减小到零，以提升转速。 调节电流调节器、速度调节器的外接电容和放大倍数调节电位器，确定较佳的调节器参数。(5)双闭环串级调速系统静态特

24、性的测定测定n为1200rpm 时的系统静态特性n=f（T）：n（rpm）1200U2=UG（V）I2=IG（A）T（N.m）n为800rpm 时的系统静态特性n=f（T）：n(rpm)U2=UG (V)I2=IG (A)T(N.m)八、实验报告(1)根据实验数据画出开环、闭环系统静态机械特性n=f（T），并进行比较。九、注意事项(1)参见本教材实验一的注意事项。(2)在实验过程中应确保 90内变化，不得超过此范围。(3)逆变变压器为三相心式变压器，其副边三相电压应对称。(4)应保证有源逆变桥与不控整流桥间直流电压极性的正确性，严防顺串短路。(5)DJK04与DJK02-1不共地，所以实验时须

25、短接DJK04与DJK02-1的地。实验三 交流变频调速系统实验一、实验目的(1)掌握SPWM、SVPWM及马鞍波PWM的基本原理和实现方法。(2)测试并分析SPWM、SVPWM及马鞍波PWM调速系统的速度曲线。二、实验所需挂件及附件序号型 号备 注1DJK01 电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”，“励磁电源”等几个模块。2DJK13三相异步电动机变频调速控制3双踪示波器三、实验原理目前常用的变频器调制方法有SPWM，马鞍波PWM，和空间电压矢量PWM等方式。1、SPWM变频调速方式：正弦波脉宽调制法（SPWM）是最常用的一种调制方法，SPWM信号是通过用三角载波信号和正弦信号相比较的方法

26、产生，当改变正弦参考信号的幅值时，脉宽随之改变，从而改变了主回路输出电压的大小。当改变正弦参考信号的频率时，输出电压的频率即随之改变。在变频器中，输出电压的调整和输出频率的改变是同步协调完成的，这称为VVVF（变压变频）控制。图3-1 正弦波脉宽调制法SPWM 调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距、脉冲等幅，调节脉冲的宽度，使各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比例，因此，其调制波形接近于正弦波。在实际运用中对于三相逆变器，是由一个三相正弦波发生器产生三相参考信号，与一个公用的三角载波信号相比较，而产生三相调制波。如图3-1所示。2、马鞍波PWM变频调速方式前面已经说过，SPWM信号是由正弦

27、波与三角载波信号相比较而产生的，正弦波幅值与三角波幅值之比为m，称为调制比。正弦波脉宽调制的主要优点是：逆变器输出线电压与调制比m成线性关系，有利于精确控制，谐波含量小。但是在一般情况下，要求调制比m1时，正弦波脉宽调制波中出现饱和现象，不但输出电压与频率失去所要求的配合关系，而且输出电压中谐波分量增大，特别是较低次谐波分量较大，对电机运行不利。另外可以证明，如果m1，从而可以在高次谐波信号分量不增加的条件下，增加其基波分量的值，克服SPWM的不足。目前这种变频方式在家用电器上应用广泛，如变频空调等。3、空间电压矢量PWM变频调速方式对三相逆变器，根据三路开关的状态可以生成六个互差60的非零电

28、压矢量V1V6，以及零矢量V0，V7，矢量分布如图3-3所示。当开关状态为（000）或（111）时，即生成零矢量，这时逆变器上半桥或下半桥功率器件全部导通，因此输出线电压为零。图3-3 空间电压矢量的分布由于电机磁链矢量是空间电压矢量的时间积分，因此控制电压矢量就可以控制磁链的轨迹和速率。在电压矢量的作用下，磁链轨迹越是接近圆，电机脉动转矩越小，运行性能越好。为了比较方便地演示空间电压矢量PWM控制方式的本质，我们采用了最简单的六边形磁链轨迹。尽管如此，其效果仍优于SPWM方法。四、实验方法1、调制方式设定在SPWM方式下(1)接通挂件电源，关闭电机开关，调制方式设定在SPWM方式下（将控制部

29、分S、V、P的三个端子都悬空），然后开启电源开关。(2)点动“增速”按键，将频率设定在0.5Hz，在SPWM部分观测三相正弦波信号（在测试点“2、3、4”），观测三角载波信号（在测试点“5”），三相SPWM调制信号（在测试点“6、7、8”）；再点动“转向”按键，改变转动方向，观测上述各信号的相位关系变化。(3)逐步升高频率，直至到达50Hz处，重复以上的步骤。(4)将频率设置为0.5HZ60HZ的范围内改变，在测试点“2、3、4”中观测正弦波信号的频率和幅值的关系。(5) 变频调速系统：连接三相鼠笼电机（角形接法），关闭DJK13电源，打开电机开关，再接通DJK13电源，改变频率、转向，观察电机转速变化。磁通轨迹观测：将示波器X、Y端分别接磁通观测的X、Y测试孔，并将示波器置于X、Y方式。改变频率、转向，观察磁通轨迹变化情况。2、调制方式设定在SVPWM方式下，重复1步骤。（S、V短接，P端悬空）3、调制方式设定在马鞍波PWM方式下，重复1步骤。（V，P短接，S端悬空）五、实验报告(1) 说明SPWM、SVPWM及马鞍波PWM的基本原理。(2) 分析在0.5HZ50Hz范围内正弦波信号的幅值与频率的关系。(3) 分析频率与转速的关系。12