实践教学实施细则

实践教学实施细则实践教学实施细则 1 课程要求实验内容 课程要求实验内容 8 学时 学时 具体见附录具体见附录 1 转速开环直流调速系统实验 2 转速单闭环直流调速系统实验 3 转速电流双闭环可逆直流电动机调速系统实验 4 三相交流电动机 SPWM 变频调速系统实验 2 课外仿真实验内容 课外 课外仿真实验内容 课外 4 学时 学时 1 转速电流双闭环直流调速系统仿真 2 异步电动机仿真 以上实验项目两选一 提交仿真实验报告 3 课程实践教学要求 课程实践教学要求 课内四个实验必须完成 成绩计入形成性考核 每个实验成绩占总成绩 25 课外仿真实验学生自选 自学 学会使用 MATLAB SIMULINK 软件及其 电力系统工具箱建立相关系统仿真模型 计算设定电机和控制系统参数数据 自己决定实验目的和要求 通过仿真实验观察验证 成绩可作为加分计入形成 性考核 附录附录 实验一实验一 转速开环直流调速系统实验转速开环直流调速系统实验 实验二实验二 转速单闭环直流调速系统实验转速单闭环直流调速系统实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解转速开环直流调速系统的组成 2 了解转速单闭环直流调速系统的组成 3 掌握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 4 加深理解转速负反馈在系统中的作用 5 测定晶闸管 电动机开环调速系统的机械特性和转速单闭环调速系统的静特性 二 实验系统组成及工作原理二 实验系统组成及工作原理 采用闭环调速系统 可以提高系统的静 动态性能指标 转速单闭环直流调速系统是 常用的一种形式 实验图 1 1 是带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统的实验线路 图 M TG G DZS ASR R0 RP1 Un SG R0 Rbal R2 R1 FBCVS Ui Uc TA SW VT Ud0 A Id Un RP2 FBS SL 220V SF L Rg GT 实验图 1 1 带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统 图中电动机的电枢回路由晶闸管组成的三相桥式全控整流电路 VT 供电 通过与电动机 同轴刚性联接的测速发电机 TG 检测电动机的转速 并经转速反馈环节 FBS 分压后取出合适 的转速反馈信号 此电压与转速给定信号经速度调节器 ASR 综合调节 ASR 的输出 n U n U 作为移相触发器 GT 的控制电压 由此组成转速单闭环直流调速系统 图中 DZS 为零速 c U 封锁器 当转速给定电压和转速反馈电压均为零时 DZS 的输出信号使转速调节器 n U n U ASR 锁零 以防止调节器零飘而使电动机产生爬行 在本系统中 ASR 采用比例调节器 属于有静差调速系统 增加 ASR 的比例放大系数即 可提高系统的静特性硬度 为了防止在起动和运行过程中出现过大的电流冲击 系统中引 入了电流截止负反馈 由电流变换器 FBC 取出与电流成正比的电压信号Ui 当电枢回路电 流超过一定值时 将稳压管 VST 击穿 送出电流反馈信号进入 ASR 输入端进行综合 以 i U 限止电流不超过其允许的最大值 改变即可调节电动机的转速 n U 三 实验设备及仪器三 实验设备及仪器 1 主控制屏 MC01 2 直流电动机 负载直流发电机 测速发电机组 3 MC02 MC03 挂箱 4 双踪示波器 5 慢扫描示波器 6 滑线变阻器 7 万用表 四 实验内容四 实验内容 1 检查实验装置的有关单元 1 检查和调整锯齿波触发器 2 检查和调整运算放大器 整定其输出限幅值 2 测定和比较晶闸管 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 1 测定两条开环机械特性 两条空载起始转速与开环机械特性相同的闭环静特性 2 计算并比较机械特性和静特性的静差率 s 3 改变 ASR 的放大系数 测定几条静特性 并比较它们静差率的变化情况 p Ks 3 整定电流截止负反馈的转折点 并检验电流负反馈效应 用慢扫描示波器观察和记 录系统加入电流截止负反馈后 突加给定起动时电流和转速n的波形 d I 五 实验步骤及方法五 实验步骤及方法 1 1 主控制屏开关按实验内容需要设置主控制屏开关按实验内容需要设置 2 2 晶闸管触发整流电路的检查和调整晶闸管触发整流电路的检查和调整 检查和调整锯齿波触发器 用双踪示波器观察六个触发单元的锯齿波 要求波形正常 对称 触发用双脉冲相位差应接近 60 利用总偏电位器调节偏置电压 使控制电压 时 触发角 90 因为电动机电枢电阻的差异 实际调试应该以时对应0 c U0 c U 于整流电压的 角作为触发角的真实零位 此时晶闸管整流电路才可正常工作 0 0 d U 3 3 晶闸管晶闸管 电动机系统开环机械特性的测定电动机系统开环机械特性的测定 1 测定晶闸管 电动机系统开环机械特性时 不必使用转速调节器 ASR 可将给定电 压 开环时给定电压称为 闭环后给定电压称为 直接接到触发单元 GT 的输入端 g U g U n U 电动机和发电机分别加额定励磁 c U 2 测定每一条机械特性时 须先使电动机空载 发电机负载回路开路 慢慢加给定 电压 使电动机转速慢慢上升至额定转速 然后合上负载开关 SL 改变负载变阻器 g U 的阻值 使主回路电流达到额定电流 此时即为额定工作点 s R N I N nn Nd II 然后再改变负载变阻器 使主回路电流从额定电流减少至空载电流 记录几组转速和电 g R 流的数据 并画出机械特性 n r min Id A 4 4 转速负反馈单闭环系统调试及闭环静特性的测定转速负反馈单闭环系统调试及闭环静特性的测定 1 转速调节器 ASR 的检查和调整 a 检查调节器零位 主回路电源开关 SW 断开 给定电压分别接到零速封锁器 DZS g U 和速度调节器 ASR 的输入端 并将 DZS 的输出接到 ASR 将 ASR 的反馈回路电容短接 形 成低放大系数的比例调节器 当给定电压为零时 ASR 输出应该等于零 用万用表直流电压 挡测量 若输出不为零 可以调节 ASR 的调零电位器 b 检查调节器限幅值 调节器接线同上 将 ASR 的输出接到触发单元 GT 的输入端 加入足够大的负给定电压Ug 调节 ASR 正限幅电位器 使最小控制角 c U 用万用表测量输出电压数值 即为输出限幅值 30 15 min cm U 2 转速反馈信号极性的判别与整定 a 转速调节器 ASR 不接入控制回路 电动机和发电机分别加额定激磁 直接将给定电 压加到触发单元 GT 的输入端 使电动机开环运行 用万用表在转速反馈单元 FBS g U c U 中测量转速反馈信号的极性 使之满足转速负反馈要求 n U b 慢慢增加给定电压 使转速达到 调整 FBS 中的转速反馈电位器 使转速反 g U N n 馈信号 可在 4 10 伏间取某一数值 然后计算转速反馈系数 nn UU 3 测定闭环系统静特性 按实验图 1 1 接线 电流截止负反馈环节除外 慢慢加给定电压 注意应为负值 n U 使电动机起动 当给定电压达到与前面的开环给定电压相同数值时 如果转速较开 n U g U 环时降低 则说明反馈接线极性是正确的 否则须改换反馈接线极性 逐渐增加给定电压 使电动机转速慢慢上升至额定转速 然后合上负载开关 SL n U 改变负载变阻器的阻值 使主回路电流达到额定电流 即为额定工作点 s R N I N nn 然后再改变负载变阻器 使主回路电流从额定电流逐步减少至空载电流 Nd II g R 记录几组转速和电流的数据 并画出闭环系统静特性曲线 n r min Id A 5 5 电流截止负反馈环节的整定 电流截止负反馈环节的整定 在按实验图 1 1 已接好线的基础上再加入电流截止负反馈环节 逐渐增加给定电压 n U 使电动机转速慢慢上升至额定转速 然后合上负载开关 SL 改变负载变阻器的阻值 g R 使主回路电流升至 调整电流反馈单元 FBC 中的电流反馈电位器 使电流反馈电压 N I2 1 逐渐增加直至将稳压管 VST 击穿 此时电动机转速会明显降低 说明电流截止负反馈环 i U 节已经起作用 刚才测定的电流即为截止电流 然后再改变负载变阻器 Ndcr II2 1 g R 使主回路电流为额定电流 停机后 可突加给定起动电动机 1 观察动态波形 先调节好给定电压 使电动机在某一转速下运行 断开给定开关 SG 然后突然合 n U 上给定开关 SG 即突加给定起动电动机 用慢扫描示波器观察和记录系统加入电流截止负 反馈环节后的电流Id和转速n的动态波形曲线 2 测定挖土机特性 具有电流截止负反馈环节的转速负反馈单闭环调速系统的静特性是挖土机特性 其测 定方法如下 逐渐增加给定电压 使电动机转速慢慢上升至额定转速 然后合上负载开 n U 关 SL 改变负载变阻器的阻值 使主回路电流升至额定电流IN 记录额定工作点的数 g R 据 然后继续改变负载变阻器 使电流超过截止电流值 转速下降 N nn Nd II g R 到零为止 记录几组转速和电流的数据 可画出挖土机特性 n r min Id A 六 实验注意事项六 实验注意事项 1 触发电路正常后 方可合上主回路电源开关 SW 2 在系统未加入电流截止负反馈环节时 不允许突加给定开关 SG 起动电动机 这时 每次起动时必须慢慢增加给定 以免产生过大的冲击电流 更不允许通过突合主回路电源 开关 SW 起动电动机 七 实验思考题七 实验思考题 1 如何判别触发脉冲的零位 2 测定开环特性和闭环特性时 Ud和控制角 是如何变化的 3 在接入和不接入 ASR 时 如何确定给定电压的极性 4 如果接错转速反馈的极性 会产生什么现象 转速反馈接线脱落又会产生什么现象 实验三实验三 转速 电流双闭环直流调速系统转速 电流双闭环直流调速系统 一 实验目的一 实验目的 1 了解转速 电流双闭环直流调速系统的组成 2 掌握双闭环直流调速系统的调试步骤 方法及参数的整定 3 测定双闭环直流调速系统的静态和动态性能及其指标 4 了解调节器参数对系统动态性能的影响 二 实验系统组成及工作原理二 实验系统组成及工作原理 双闭环调速系统的特征是系统的电流和转速分别由两个调节器控制 由于调速系统调 节的主要参量是转速 故转速环作为主环放在外面 而电流环作为副环放在里面 可以及 时抑制电网电压扰动对转速的影响 实际系统的组成如实验图 2 1 所示 M TG G Un SG Ui Uc TA SW VT Ud0 A Id Un SL 220V SF L Rg G ASR DZS ACR FBC FA GT FBS RM Ui 实验图 2 1 转速 电流双闭环直流调速系统 主电路采用三相桥式全控整流电路供电 系统工作时 首先给电动机加上额定励磁 改变转速给定电压可方便地调节电动机的转速 速度调节器 ASR 电流调节器 ACR 均设 n U 有限幅电路 ASR 的输出作为 ACR 的给定 利用 ASR 的输出限幅起限制起动电流的 i U im U 作用 ACR 的输出作为触发器 TG 的移相控制电压 利用 ACR 的输出限幅起限制 c U cm U min的作用 当突加给定电压时 ASR 立即达到饱和输出 使电动机以限定的最大电流Idm n U im U 加速起动 直到电动机转速达到给定转速 即 并出现超调 使 ASR 退出饱和 最 nn UU 后稳定运行在给定转速 或略低于给定转速 上 三 实验设备及仪器三 实验设备及仪器 1 主控制屏NMCL 32 2 直流电动机 负载直流发电机 测速发电机组 3 NMCL 18挂箱 NMCL 333 挂箱及电阻箱 4 双踪示波器 5 万用表 四 实验内容四 实验内容 1 调整触发单元并确定其起始移相控制角 检查和调整 ASR ACR 整定其输出正负限 幅值 2 测定电流反馈系数 和转速反馈系数 整定过电流保护动作值 3 研究电流环和转速环的动态特性 将系统调整到可能的最佳状态 画出和 tfId 的波形 并估算系统的动态性能指标 包括跟随性能和抗扰性能 tfn 4 测定高低速时系统完整的静特性 包括下垂段特性 并计算在一定调速 d Ifn 范围内系统能满足的静态精度 五 实验步骤及方法五 实验步骤及方法 1 1 多环调速系统调试的基本原则多环调速系统调试的基本原则 1 先部件 后系统 即先将各环节的特性调好 然后才能组成系统 2 先开环 后闭环 即先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 后组成闭环系统 3 先内环 后外环 即闭环调试时 先调电流内环 然后再调转速外环 2 2 单元部件参数整定和调试单元部件参数整定和调试 1 主控制屏开关按实验内容需要设置 2 触发器整定 将面板上的 Ublf端接地 调整锯齿波触发器的方法同实验 1 3 调节器调零 断开主回路电源开关 SW 给定电压Ug接到零速封锁器 DZS 输入端 并将 DZS 的输出接 到 ASR 和 ACR 的封锁端 控制系统按开环接线 ASR ACR 的反馈回路电容短接 形成低放 大系数的比例调节器 a ASR 调零 将调节器 ASR 的给定及反馈输入端接地 调节 ASR 的调零电位器 使 ASR 的输出为零 b ACR 调零 将调节器 ACR 的给定及反馈输入端接地 调节 ACR 的调零电位器 使 ACR 的输出为零 4 调节器输出限幅值整定 a ASR 输出限幅值整定 ASR 按比例积分调节器接线 将Ug接到 ASR 的输入端 当输入Ug为正而且增加时 调 节 ASR 负限幅电位器 使 ASR 输出为限幅值 其值一般取为V im U8 6 b ACR 输出限幅值整定 整定 ACR 限幅值需要考虑负载的情况 留有一定整流电压的余量 ACR 按比例积分调 节器接线 将接到 ACR 的输入端 用 ACR 的输出去控制触发移相 当输入为负 g U c U g U 且增加时 通过示波器观察到触发移相角 移至时的电压即为 ACR 限幅值 30 15 min Ucm 可通过 ACR 正限幅电位器锁定 3 3 电流环调试电流环调试 电动机不加励磁电动机不加励磁 1 电流反馈极性的测定及过电流保护环节整定 整定时 ASR ACR 均不接入系统 系统处于开环状态 直接用给定电压作为接 g U c U 到移相触发器 GT 以调节控制角 此时应将电动机主回路中串联的变阻器放在最大值 M R 处 以限制电枢电流 缓慢增加 使 30 然后逐步减小主回路中串联的变阻器的阻值 直至 g U M R 电流 再调整电流变送器 FBC 中的电流反馈电位器 使电流反馈电压 Nd II 2 1 1 1 近似等于已经整定好的 ASR 输出限幅值 并由此判断的极性 i U im U i U 继续减小主回路中串联变阻器的阻值 使电流 调整 FBC 中的过电流 M R Nd II5 1 保护电位器 使过电流保护动作 并加以锁定 2 系统限流性能的检查和电流反馈系数 的测定 将电流调节器 ACR 接成 PI 调节器 其参数参考值为 kRi40 20 然后接入控制回路 将电流负反馈信号Ui接入 ACR 组成电流闭环 通过FCi 4 47 0 给定器 G 直接给 ACR 加上给定电压 并使 观察主回路电流是否小于 img UU d I 若出现 则说明原先整定的电流反馈电压偏小 导致 N I 2 1 1 1 Nd II 2 1 1 1 i U Ui偏小的原因是 ACR 给定回路及反馈回路的输入电阻有差值 必须重新调整电流变送器 FBC 中的电流反馈电位器 使增加 直至满足要求为止 若当时 主回路电流 i U img UU 则可继续减小串联变阻器的阻值 直至全部切除 应增加有限 Nd II 2 1 1 1 M R d I 小于过流保护值 这说明系统已经具有限流保护效果 在此基础上测定值 并计算出电 i U 流反馈系数 3 电流环动态特性的研究 在电流环的给定电压情况下 改变主回路串联变阻器的阻 70 50 img UU M R 值 使 然后突减或突加给定电压 观察并用数字示波器记录电 Nd II 70 50 g U 流波形 在下列情况下再突加给定 观察电流波形 研究给定值和调节器参数对 tfId 电流环动态特性的影响 a 减小电流给定值 b 改变 ACR 反馈回路电容 相当于改变调节器的时间常数 i c 改变 ACR 的比例放大系数 调节器的时间常数不变 i 4 4 转速环调试 转速环调试 电动机加额定励磁电动机加额定励磁 1 转速反馈极性及转速反馈系数 的测定 测试时电动机应该加额定励磁 先不接入 ASR 或将 ASR 接成 1 1 的比例调节器 转 速开环 给定电压直接送入触发器 GT 的处 逐渐增加 使 主回路串联 g U c U g U N nn 电阻切除 同时调整转速反馈环节 FBS 的输出电压 使其为V 判别的极性并 n U8 6 n U 计算转速反馈系数 值 2 转速环动态特性的研究 将 ASR 接成 PI 调节器 其参数参考值为 然后组成 kRn200 20FCn 4 2 转速 电流双闭环系统 用示波器观察并记录下列情况下的波形 tfn a 突加给定 b 突加负载 同轴发电机作为负载 使电流 Nd II c 突减负载 改变下列参数 重复上述试验 a 改变给定电压大小 b 改变 ASR 反馈电容Cn c 改变 ASR 比例放大系数 根据上述结果分析并选择出 ASR 的最佳参数和动态性能指标 5 5 系统静特性测定系统静特性测定 1 调节转速给定电压及发电机负载电阻Rg 使 改变发电机负载电 n U NNd nnII 阻 即可测出系统静特性曲线 g R d Ifn 2 降低给定电压 分别测出 时的静特性曲线 或 n Umin 1000rn min 500rn 根据教师给出的 指标进行测定 Ds 六 实验注意事项六 实验注意事项 1 双踪示波器两个探头的地线是通过示波器外壳短路的 故在使用时必须使两个探头 的地线同电位 只用一根地线即可 以免造成短路事故 2 系统开环运行时 不能采用突加给定电压的方法起动电动机 必须逐渐增加给定电 压 以免产生过大的电流冲击 3 调试电流环时 不要让电动机在大电流下堵转时间太长 以免电动机因过度发热而损 坏 七 实验思考题七 实验思考题 1 过电流保护环节的工作原理是什么 怎样整定 2 如何估计 ASR ACR 参数变化对动态过程的影响 3 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 4 电流负反馈线未接好或极性接错 会产生什么后果 5 转速反馈线接错极性会产生什么现象 实验四实验四 三相交流电动机三相交流电动机 SPWM 交流变频调速系统交流变频调速系统 一 实验目的一 实验目的 1 加深理解异步电动机变压变频调速的基本工作原理 2 熟悉 PWM 变频器主回路结构和异步电动机转速开环变压变频调速系统的基本结构 3 异步电动机转速开环变压变频调速系统机械特性 二 实验系统组成及工作原理二 实验系统组成及工作原理 异步电动机变压变频调速实验系统如图 4 1 所示 主回路由不可控整流桥 直流滤波 环节 全控型电力电子器件 IGBT 或 POWER MOSFET 构成的逆变桥组成 M 为三相异步电动 机 G 为负载直流发电机 控制器包括驱动电路 微机数字控制器 控制键盘和运行显示 等几部分 K 2 R 1 R 1 C 2 C 电流检测电压检测 0 R 键盘或按钮 显示 微微机机 V 驱动电路 G G MM A A V V 比较器 V V A A V V M R 实验图 4 1 异步电动机转速开环变压变频调速系统 三 实验设备及仪器三 实验设备及仪器 1 NMCL 32主控制 2 三相异步电动机 负载直流发电机组 3 NMCL 13A挂箱 4 双踪示波器 5 万用表 电压表 电流表 四 实验内容四 实验内容 1 用 SPWM 变频器给三相异步电动机供电 实现变频调速运行 2 观测在不同频率和不同负载下的输出电流波形 测试开环机械特性 3 改变 V f 曲线 观察变频器在不同低频补偿条件下的低速运行情况 4 改变加速时间 观察加速过程 五 实验步骤及方法五 实验步骤及方法 1 实验系统的连接 按实验图 4 1 连接系统 合上控制电源开关 电源指示灯亮 表示微机系统处于等待 接受指令状态 按 运行 或 停止 按钮可启动或停止调速系统的运行 2 变频调速 将负载直流发电机输出电路断开 按 运行 按钮使调速系统进入运行状态 通过给 定电位器或键盘改给定频率 记录不同频率下三相异步电动机的空载转速和空载定子电流 并用示波器观测电流波形 注意定子电流的幅值和频率 频率 Hzf 转速min rn 定子电流 AIs 3 测试开环机械特性 1 基频开环机械特性测试 接通负载直流发电机输出电路 并将负载电阻调到最大 按 运行 按钮使变频器进 入运行 将频率给定设定为 50Hz 逐步减小负载电阻 记录异步电动机的转速 定子电流 和负载直流发电机的输出电压和电流 实验过程中应使定子电流小于 1 2 倍的额定电流 如调速系统不能带载启动 可先断开负载直流发电机励磁 待启动后再接通励磁 频率给定 50Hz 转速min rn 定子电流 AIs 负载电压 VUd 负载电流 AId 2 基频以下和基频以上开环机械特性测试 在基频以下和基频以上各选择一个频率作为给定 重复上述实验 频率给定 基频以下 转速min