运控系统实验指导书

逻辑无环流直流调速系统实验逻辑无环流直流调速系统实验 一 实验目的 一 实验目的 1 理论联系实际 把 自动控制系统 电力电子变流技术 等 课程所学的理论应用于实际 掌握和巩固可逆调速系统的组成 工作原理和主要优缺点 2 熟悉和掌握逻辑无环流可逆调速系统的调试方法和步骤 3 通过实验 分析和研究系统的动 静态特性 并研究调节器参 数对动态品质的影响 4 通过实验 使同学提高实际操作技能 培养分析和解决问题的 能力 二 实验内容 二 实验内容 1 各控制单元调试 2 整定电流反馈系数 转速反馈系数 a 整定电流保护动作值 3 测定开环机械特性及高 低速时的静特性 n f Id 4 闭环控制特性 n f Id 的测定 5 改变调节器参数 观察 记录电流和速度起制动的动态波形 三 实验要求 三 实验要求 1 预习 1 实验前必须掌握系统的框图原理 系统各控制单元的功能和 作用 2 熟悉 IPS 1 实验装置的结构 面板布置及系统主要设备参数 3 拟定实验的具体操作步骤 列出所需记录的参数表格 实验 前由教师抽查 发现未预习者 不得参加实验 2 实验技术指标要求 1 电流超调量 i 5 并记录有关参数对 i 的影响 用 理论计算分析误差的原因 2 转速超调量 n 10 并记录有关参数对 n 的影响 用理论计算分析误差的原因 3 用示波器测定 系统起动 制动 由正转到反转的过渡时间 4 稳态转速无静差 3 实验报告内容 1 实验线路组成的方框图和系统原理图 2 图纸 2 实验的内容 步骤和方法 实验测定的结果数据和波形图 3 分析系统的相对稳定性 动态波形与参数的关系 4 提出对本实验的改进意见 四 实验系统的组成及工作原理 四 实验系统的组成及工作原理 系统的原理框图 见图 2 图中 GJ LY101 盒 见图 1 信号给定单元 它有两个输出端 输出 1 给定信号直接输出端 输出 2 给定信号经给定积分器 GI 后输出 图 1 给定单元 BS BC ACR CT1 CT2 GJ DZS ASR AR DLC Un WY 15V 15V GND M A V TC A GV 灯 箱 KM N I II k1 Y 11 TB N1 Un Un Un DPT DPZ Uio MT1 MT2 Ubif Ubir KM J Vf VR TM Y 11 LH KM A N1 图图 2 2 系系统统框框图图 ASR LY102 盒 见图 3 速度调节器 PI 它保证稳态时速度无 静 差 其输出限幅值作为电流调节器的最大电流给定 决定电动机 最 大的起动电流 BS 速度变换及速度反馈 盒 盒 124 102 LY LY DZS LY102 盒 见图 4 零速封锁单元 其作用是 当给定信号 为零时 电动机应停止不动 然而 各调节器的 零点漂移将导致电动机爬行 为确保零位时电动 机不会爬行 一定要将调节器严格锁零 即通过 控制场效应管使调节器的输出和输入之间短接 ACR LY103 盒 见图 5 电流调节器 PI 它作为电流环内的调 节器 可以控制电动机起 制动电流的大小 及 时抑制电网扰动对转速的影响 其输出的最大限 幅值由触发器 GT 的移相特性决定 即最大正限幅 值决定 min的大小 最大负限幅值决定 min的大小 BC 电流变换及电流反馈 由三个同型号 5A 0 1A 的交流 盒 盒 124 103 LY LY 电流互感器 LH 接成星形接法 经三相桥式整流后 变成极性不可变的直流电压 并分路送出 a 过流推 信号和过流跳闸控制信号 b DPZ 的零电流输入信号 Uio c 电流反馈信号 Uif 或 Ui AR LY103 盒 见图 6 反号器 注意 电流反馈信号的极性总是为 而且 此系统只采用了一个电流调节器 为保证电流环为电流负反馈环 实现负反馈控制 必须采用一只反号器 AR 为此 由逻辑 DLC 的两 个相反端的 UF和 UR信号分别控制电流的给定信号 以实现电流反馈永远是负反馈 图 6 CT1 MT1 LY105 1 盒 见图 7 正组桥晶闸管的三相移相触发器和 脉冲门 CT2 MT2 LY105 2 盒 反组桥晶闸管的三相移相触发器和脉冲门 三相移相触发器由三片集成电路芯片 KJ004 或 KC04 等组成 通过 KJ041 而形成六路双窄脉冲 经脉冲放大和脉冲门 MT 去发 三相全控桥晶闸管 三相移相触发器有两路输入信号 一路是三相交流同步电源 以保证主电路的交流电压和触发脉冲保持同步 去正确触发各相晶 闸管 另一路是脉冲移动的控制信号 Uct 用它来控制触发器脉冲 发出的时刻 从而达到控制晶闸管触发角的目的 为了从根本上消除系统的静态环流和脉动环流 则必须在任何 时刻只允许开放一组晶闸管脉冲 另一组晶闸管脉冲被严格封锁 为达此目的 电路上设计了两个模拟电子开关脉冲门 MT1 MT2 逻 辑控制器根据系统的工作情况正确发出指令 Ubif 或 Ubir 来接通 一脉冲门而同时切断另一脉冲门 图 7 DPT LY104 盒 见图 8 转矩极性鉴别器 图 8 DPZ LY104 盒 见图 9 零电流检测器 图 9 DLC LY104 盒 见图 10 逻辑控制器 8 9 图 10 WY LY124 板 15V直流稳压电源 供整个控制单元的工作电源 TM 整流变压器 接线组别为 D Y11 TB 同步变压器 接线组别为 D Y11 逻辑无环流系统的主回路由二组反并联的三相全控桥组成 由 于没有环流 两组可控整流桥之间可省去限制环流的均衡电流器 电枢回路仅串一个平波电抗器 hd 控制系统主要由速度调节器 ASR 电流调节器 ACR 反号器 AR 转矩极性鉴别器 DPT 零电流检测 DPZ 无环流逻辑控制器 DLC 触发器 CT 电流变换及电流反馈 BC 速度变换及速度反馈等 组成 其系统原理如图 2 所示 正向起动时 给定电压 U n为正电压 无环流逻辑控制器的输 出端 Ubif为 0 态 Ubir为 1 态 即正桥触发脉冲开通 反桥 触发脉冲被封锁 主回路正组晶闸管处于整流状态 电动机正向运 行 当给定减小时 U n Un 使 U i反向 正组晶闸管进入本桥逆 变状态 而此时 Ubif Ubir则不变 当主电路电流减小并过零后 Ubif为 1 态 Ubir为 0 态 即进入它桥制动状态 使电机转 速降至设定的转速后 再切换成正向运行 当 U n OV 时 则电机停 转 反向运行时 Ubif为 1 态 Ubir为 0 态 主回路反桥晶 闸管工作 无环流逻辑控制器的输出取决于电机的运行状态 正向运转 正转制动本桥逆变及反转制动的它桥逆变状态 Ubif为 0 态 Ubir为 1 态 保证了正桥工作 反桥封锁 反向运转 反转制动 本桥逆变及正转制动的它桥逆变阶段 则 Ubif为 1 态 Ubir为 0 态 正桥被封锁 反桥触发工作 由于逻辑控制器的作用 在逻辑无环可逆系统中保证了任何情况下两组晶闸管整流桥不会同 时触发 一组触发工作时 另一组被封锁 因此系统工作过程既无 直流环流也无脉动环流 五 实验设备和仪器 五 实验设备和仪器 LY101 LY102 LY103 LY104 LY105 1 2 LY105 1 2 LY121 LY124 直流电动机 发电机 测速发电机组 示波器 万用表 见书后附图 六 实验步骤 六 实验步骤 一 双闭环可逆调系统调试原则 一 双闭环可逆调系统调试原则 先单元 后系统 先开环 后闭环 先内环 后外环 先单向 不可逆 后双向 可逆 二 系统的开环调试 二 系统的开环调试 实验原理框图如图 11 所示 1 系统的相位整定 1 定相分析 定相的目的是根据各相晶闸管在各自的导电范围 触发器能给出触发脉冲 也就是确定触发器的同步电压与其对应的 主回路电压之间的正确相位关系 因此必须根据触发器结构原理 主变压器的接线组别来确定同步变压器的接线组别 图 11 由 KJ004 组成的三相移相触发电路要求三相交流同步电压 A B C 应分别与主回路电源电压 A2 B2 C2同相位 因此若主电路的 整流变压器 TM 的接线组别为 D Y11 则要求触发器的同步变压器 TB 的接线组别也为 D Y11 如图 12 所示 其矢量关系图如图 13 所示 以主变压器 TM 的 A2相为例 将 A 作为同步电源所产生的脉冲 去触发 A2相的晶闸管 VT1 将 A 作为同步电源所产生的脉冲去触发 A2相的晶闸管 VT4 即共相脉冲在同一控制信号作用下总是相差 180 如图 14 所示 同步信号 A 经阻容移相 30 后为 A1 再输入 到脉冲触 A A1 1 B B1 1 C C1 1 N A2 B2 C2 A B C B2 A1 B2 C2 A2 C2 A2 C A BB C A VT3 VT2 VT1 VT6 VT5 VT4 图图 1 12 2 整整流流变变压压器器与与同同步步变变压压器器接接线线图图 图图 1 13 3 主主电电压压与与同同步步电电压压矢矢量量关关系系图图 发器中 因此 在系统要求的移相范围内都处于锯齿波的范围之中 这样的相应配合关系是可行的 其它各号的晶闸管的同步电压相位 关系可以从图 13 中推出 主回路电压 A2 C2 B2 A2 C2 B2 触发器同步电压 A C B A C B 晶 闸 管 VT1VT2VT3VT4VT5VT6 2 实验线路连接 先将 LY105 1 2 LY105 1 2 的 25 芯插座分 别与 LY123 中的插座相连 并将 Ubif Ubir 孔与控制直流电源的公 共点 GND 相连 从 LY124 中将 15V GND 与 LY105 连接好 直流主 回路与灯盒相连 注意 此时 LY121 A2 B2 C2不得相连 3 相位检查 a 合保护电路开关 自动空气开关 K1 其它开关不合 用示 波器检查主电路电压即 LY105 1 2 同步电压 ABC 相序是否依次相差 120 b 拉开 K1 用导线将 LY121 上 N 与触发器 LY105 公共点 GND 相连 再合 K1和直流调速主电源开关 k2 用双线示波器观察 主电路电源电压 A2 B2 C2 和同步电压是否符合图 13 中矢量图 中的相位关系 检查完毕 立即将 LY121 上 N 与 LY105 1 2 的公共 点 GND 的连接线拔掉 图 14 定相波形分析图 2 触发器的整定 将 LY101 中输出 1 与 LY105 1 中的 Uct 孔相连 合 LY124 中 的电源控制开关 调节 LY101 中的负给定电位器 使 Uct 1 5V左 右 用示波器观察 LY105 1 中 1 4 3 6 2 5 孔的三相锯齿波 的斜率是否一致 若不一致 调节斜率电位器 观察 1 6 孔的 6 个触发脉冲 应使间隔均匀 相互间隔为 60 触发器移相控制特性的整定 如图 15 所示 触发器移相控制特性有三个参数的整定尤为重要 a 系统初始相位 脉冲零位 的整定和偏移电压 Up 的调整 它决 定系统工作的初始状态 本系统要求 Uct 0V时 900 电机应停 止不动 因此要调整偏移电压 Up 使 900 180 150 90 0 a Uctm 30 Uctm 图图 1 15 5 触触发发器器移移相相控控制制特特性性 b 测得当 min 30o时所对应的 Uctm 值 该值将作为整定 ACR 输出最大正限幅值的依据 c 测得当 1500 min 300 时所对应的 Uctm 值 该值将 作为整定 ACR 输出最大负限值的依据 调整方法如下 a 先使 Uct 0V 用示波器观察 LY105 1 的 1 4 3 6 2 5 孔 的波形是否符合图 14 中 900的位置 若全不对 调节负 偏移 Up 电位器 使其符合要求 若个别不对可微调相对应的 斜率电位器 b 将 LY121 的 A2 B2 C2与 LY123 的 A2 B2 C2分别连接 主 回路接成纯电阻性负载 灯挂箱 合主回路 k2 调节灯的 个数使主回路电流达到 1A 左右 用示波器观察负载两端的整 流电压波形应如图 16 所示 303030 360 图图 1 16 6 纯纯电电阻阻负负载载 a a 9 90 0 时时三三相相桥桥式式整整流流电电压压波波形形 若观察到的不符合图 16 所示的波形 可微调 Up 电位器 若个别 不符则可微相对应的调斜率电位器 C 改变 Uct 的大小 观察整流电压在升高或降低过程中 六个 整流电压波头应整齐 满意为止 注意在整个调试过程中 Id 不能超过 2A d 断开主电路 K2 将负载接成串平波电抗器 200mH 处 的反 电动势负载 将电动机的励磁电源线接好 先合电动机励磁开关 再合主回路 K2 在 Uct 0V时 电机应停止不动 若还旋转 检 查其原因 直到电机停止运行为止 LY122 右下角的直流电流表 的黄色端在内部已和 LY123 电感 1 的黄色线段接好 电感 1 值最 大为 700mH e 断开主回路 K2 和电动机励磁回路 用水波器观察 LY105 1 2 的 1 4 3 6 2 5 孔 慢慢给定 Uctm 使观察到的波 形应为图 14 300的波形 并记录 300所对应的 Uct 值 来 作为 ACR 输出最大正限幅 Uctm 值 同理 逐步给定 Uct 使其波形应为图 14 1500 300 处的波形 并记录 300所对应的 Uct 值 来作为 ACR 输出最大负 限幅的 Uctm 值 重复上述过程 将反组 LY105 1 2 触发器调整好 3 系统开环运行及特性测试 实验线路图 17 所示 图图 1 17 7 系系统统开开环环特特性性测测定定电电路路图图 断开所有电源 按图 17 接好实验线路 并检查电动机励磁 是否连接好 测速发电机连接线是否连接好 但测速反馈线不要接 入速度调节器反馈端 合三相总电源开关 合控制电源开关 合电机励磁开关 先 使 Uct 0V 合主回路 此时 Uct 0V 900 Ud 0V 直流电动机应 停止转动 高速特性测试 逐步增加给定电压 使电动机启动 升速 调节 Uct 和灯的开关 即改变 RG 使电机电流 Id Ied 2 3A 转速 n ned 1450rpm 注意 Uct 给定后不能动 改变 RG 使负载电流 Id 由 2 3 降至 2A 1 5A 1A 0 5A 0 2A 记录所对应的转速和整流电压 Ud 转速可以转速成表直接读出 即可测出高速时系统的开环特性 n f Id 如图 9 所示 ned2 ned1 nMAX nmin n n01 n02 Id Ied 0 图图 1 18 8 系系统统的的开开环环特特性性 低速特性测试 改变 Uct 和 RG 使 Id Ied 2 30A 电机仍然旋 转 爬行速度 改变 RG 使电流由 2 3A 逐步降至最低 记录所对应 的转速和 Ud 值 即可测出低速时 n f Id 特性 根据上述 Ud 及 Id 值 可测得整流装置外特性 Ud f Id 由特性求出 开环系统调速范围 D min max n n 静差率 S 2 2 no ned 整流装置内阻 Rn Id Ud 四四 系统各单元的调试与参数整定 系统各单元的调试与参数整定 1 电流反馈系数 的整定与过流保护的整定 系统开环运行 主回路接 R L 负载或接电枢负载 电动机不加励磁 用示波器观察电流互感器付方整流电压波形是否正常 电流反馈强度整定 若速度调节器的限幅值考虑为 5V 电 机最大启动电流为 2A 调节 Uct 使 Id 2A时 调整电流反馈电位器 使 Ufi 5V 即 ufim U im Idm 2 5 Idm Ufim A V 2 5 检查电流反馈的极性是否为正 电流反馈输入 输出特性线性度的检查 图图 1919 使正向或反向电流分别为 2A 1 5A 1A 0 5A 测量反馈电压 Ufi的大小 标入上图 10 中 过流保护整定 过流保护整定在 2 5A动作 当 Uct 缓慢升高 电流不断增大 当电流表 A 示的 2 5A时 过 流报警系统投入工作 若过流报警提早或延迟则可调节面板上的过 流整定电位器 直到可靠动作为止 注因整个实验装置的需要 过 流报警的电流实为 6A 2 速度反馈系统系数 的整定 Ufi IdId A A 2 1 5 1 0 5 0 0 5 1 1 5 2 先使 Uct OV 断开所有电源 将测速发电机接入速度反馈电 路中 合电机的励磁电源开关 控制电源开关 三相电源开关 启 动主回路 缓慢给定 Uct 使电机起动并升速 当电机升速到电机的额定转速 1450rpm 时 检查速度反馈极 性应为负 考虑到若速度给定为 6V 时 对应的转速为 1450rpm 调 节速度反馈强度电位器 使速度反馈电压 Ufn Un 6V 因而可求得速 度反馈系数 X 因为 U nm Ufnm nmax 所以 Ufnm ma 6V 1450rpm 速度反馈特性的测试 改变 Uct 使电动机转速分别为 1450 1250 1000 800 500 250rpm 时 测量反馈电压的大小 填入图 11 中 图图 2 20 0 速速度度检检测测特特性性 3 零速封锁单元的检查与调节器的调试 先切断主回路和电动机的励磁 只合三相电源开关和控制电源 250 500 1000 1450 Ufn v n rpm 开关 在调试各调节器前 先检查零锁封锁单元的工作是否正常 将 LY101 的输出直接接入零速封锁单元 DZS 的输入端 U n 用万用表或示波器检查其输出端 若给定为 OV 则 DZS 输出为 1 态 若给定为某一个数值 0 5v 1v 则 DZS 输出为 0 态 说明 DZS 工作正常 电流调节器 ACR 的调试 a 将 LY101 的输出端直接接到 ACR 的输入端 U i孔 反馈电容 接至电容箱 零速封锁线接入其它连线断开 b 当给定为 OV时 其 ACR 的输出应为 OV c 当给定为正 其输出应为负 调节负限幅电位器 使其输出 限制在触发器的移相控制角 min 30 所对应的 Uctm值 当增加给定时 其值应不变 d 当给定为负 其输出应为正 调节正限幅电位器 使其输出 限制在触发器的移相控制角 min 30 所对应的 Uctm值 当给定继续增加 其值应不变 e 观察 PI 特性 突加给定电压 用示波器观察输出电压变化 规律 改变调节器的放大倍数数及反馈电容数值 观察其 输出电压的变化 特性应于图 12 所示 Usr O KpUsr Usr f UsrUsr t 图图 2 21 1 P PI I 调调节节器器的的特特性性 速度调节器的调试 调试方法与调试电流调节器完全相同 但输出的正 负限幅值为 5V 反相器 AR 的调试 将 LY101 输出端直接接入 AR 的输入端 用万用表测量输入与输出 特性应为图 13 所示 若比例不对 调节 RP2 使其 USC USC 图图 2 22 2 反反相相器器特特性性 4 逻辑控制单元的调试 电症检测器的调试 a 转矩极性鉴别器 DPT 的调试 将 LY101 的输出直接接到 DPT 的输入端 用万用表或示波器观 察其输出 Usr v Usc v 3v 2v 1v 0 3v 2v 1v 1 2 3 1 2 3 先检测回环宽度 一般为 0 5V 左右 调节电位器 RP1 使环 宽对称纵座标 如特性图 14 所示 图图 23 23 入一回环宽度入一回环宽度 b 零电流检测器 DPZ 的调试 将 LY101 的输出直接接到 DPZ 的输入端 用万用表或示波器观 察其输出 先检测回环宽度 一般为 0 5V 左右 调节电位器 RP3 使回环向纵座标右侧偏移 0 1V 左右 如特性 15 所示 图图 2 24 4 D DP PZ Z 特特性性 c 按实测得数据 画出两个电平检测器的回环 UT13v U i 0 6v 入 0 UZ 13V Ufio 0 6V 入 0 0 1V 逻辑控制器 DL C 的调试 由于 DLC 有 T和 Z两个输入端 若要求两个输入端同时为 1 态或 0 时 其信号可直接从给定器LY101 输出端获得 若一 个为 1 态可从 LY101 获得 一个为 0 态则将该输入端直接插 GND 即 测试逻辑功能 列出真值表 真值表应符合下表 T110001输 入 Z100100 UF111000输 出UR000111 五五 电流环闭环调试 电动机不加励磁 电流环闭环调试 电动机不加励磁 按系统图将与电流环有关的单元全部连接起来 先调正组 后 调反组 然后再反并联 1 LY105 1 的 Ubif孔接地 25 芯插座接正组整流桥 Uct接 ACR 输出 LY105 2 的 Ubir和 Uct孔悬空 25 芯插座拔掉 主回路接电机 负载 电动机不加励磁 并在此回路串 200mH 的平波电机器 h 2 由 LY101 输出端直接接入 ACR 的输入端 U i 3 合三相电源开关 控制电源开关 启动主回路 不合励磁开 关 4 逐渐增加给定信号 应为负值 用示波器观察电压波形应 有 6 个对称波头平滑变化 5 给 ACR 输入实加给定 阶跃 信号 3V 左右 用示波器 观察电流的动态波形 从电流反馈端观测 电流超调量是否符合设 计要求 i 5 若不符合 则改变 ACR 的 PI 参数 直到符合 要求为止 同时读出电流调节时间 以便确定电流环跟随电流给定 信号的能力 6 正组调试完后 再仿照上述调试反组 7 正 反组均正常后 将正组线均连接好 进行反并联调试 观察电流动态波形 六 速度环闭环调试 电动机加额定励磁 六 速度环闭环调试 电动机加额定励磁 速度环的闭环调试 也必须按先正组 后反组 再反并联的调 试方法进行 1 先按系统图将系统所有的单元全部连接起来 把 LY105 2 连 接到反组整流桥的 25 芯插座拔掉 主回路接电机负载 并串联 200mH 电感 让正组整流桥工作 2 合三相电源开关 电动机励磁开关 控制电源开关 启动主 回路 3 由零逐渐增加给定信号于速度调节器输入端 U n 用示波器观 察其整流电压波形 若系统无其它异常情况 当电机速度上升到某 一转速时 例如 800rpm 将给定信号突降至零 观察此时的 Ud波 形 4 突加给定 即阶跃信号 用示波器观察测速反馈两端的起 动速度波形是否满足 n 10 的设计要求 若不满足 改变速度 调节器的 PI 参数 直到满意为止 同时能读出调节时间的长短 以 确定系统跟随速度给定的能力 5 正组做完后 观察反组的速度起动波形 注意 先停电 后 接线 正 反组分别正常后 可以反并联运行 整个系统投入工作 系统调试到此结束 6 系统动态波形的观察与性能指标分析 闭环机械特性 n f Id 的测定 并与开环机械特性相比较其 调速范围 D 及静差率 S 其方法是 先让系统停下来 将发电机输 出接灯箱 调节灯的个数和速度给定 使 n ned 1450rpm Id Ied 2 30A 给定不变 调节灯亮的个数使 Id 从而做出高速机械性 低速机械特性仿照开环系统 n f Id 方法进行 调节灯亮个数 使 Id 1A 左右 观察系统从原始突加正给 定正向起动 正向运行 突给正向停车的转速和电流的波形 并绘 于实验报告中 3 观测系统对扰动信号作用下的抵抗能力 电机起动后在稳态情况下 先使 Id 1A 左右 突加负载 使 Id 2A 用示波器观察电动机转速变化情况 读出最大的动态速度降落及速度恢复时间 突降负载 使 Id 0 5A 左右 同样观