电气传动课程设计任务书
1.实验对象和操作台
受控对象为直流电动机-发电机组，控制系统操作台为DS－II型电气控制系统综合实验台。2.设计指标要求
针对现有平台，设计内环为电流环、外环为转速环的双闭环结构调节器的调速系统。稳态指标为无静差；动态指标要求，在启动时电流超调小于5%；空载启动到额定转速时的转速超调量小于10%。系统具有良好的抗干扰性能。3.课程设计工作时间安排
第一阶段：了解课程设计的任务，了解控制对象和整体实验台，进行小组分工，明确任务。
第二阶段：测试电机组各项参数和控制台整流放大倍数，转速反馈系数、电动机-发电机组电阻、电感等参数。
第三阶段：根据测试的各项参数，进行理论推导和仿真，计算出电流环和电压环的校正参数。
第四阶段：在实验控制操作台做实际调试，先调试内环，在调试外环，直到达到指标要求。
第五阶段：分析理论推算结果、仿真结果和实际调试结果之间的误差，并提出解决的办法。
第六阶段：整体测试。
第七阶段：分析实验结果，撰写实验报告。
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实验注意事项
为了按时顺利地完成电气传动自动控制系统实验，确保实验时人身与设备安全，应该遵守实验室的安全操作规程，并注意以下事项：一、实验台操作的注意事项
1.“综合实验台”及其挂箱初次使用或较长时间未用时，实验前务必对“实验台”及其挂箱进行全面检查和单元环节调试。
2.本实验台“过流”信号取自“交流电流变换”单元。因此，在所有实验电路中都必须接入“交流电流变换”单元，并经常检查、观察综合保护的指示，尤应确保过流保护的完好、可靠。
3.电源必须经过开关（或接触器）、熔断器之后，接入设备、系统。接线或拆线都必须在切断电源的情况下进行。
4.实验时不得用手或脚去促使电机起动或停转，以免发生危险。5.操作开关时应迅速果断、快合、快断，以免产生电弧烧坏触刀。6.电动机励磁电源的接线牢固一定，防止失磁飞车。7.开环系统不可阶跃起动，应从0V缓慢起调。
8.“闭环系统”阶跃起动前，务必确保负反馈接线正确、各个调节器性能良好、限幅值正确无误。二、实验前注意事项
1.认真检查各开关和旋钮的位置以及实验接线是否正确，经教师审核、检查无误后方可开始实验。
2.实验前，先将负载开关分断、负载变阻器置于阻值最大，实验中按需接通负载开关，逐步减少负载电阻，直至所要求的负载电流。
3.学生完成接线允许合闸时，须招呼全组同学引起注意方可合上电源，实验中如发生事故，应立即切断电源开关，并保持线路原状和故障现场，报告和协同教师查清问题、妥善处理故障后才能继续进行实验。
4.使用电流互感器时，二次侧不得开路，以免感应产生高压，损坏仪器和危及人身安全，对具有很多匝数线圈的电路，要小心断路时产生高压而引起的危险，高压电容断电后须拆动接线时，应先进行放电，以免高压伤人。
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5.为防止调速系统的振荡，在接入调节器时必须同时接入RC阻容箱，先设定为1：1的比例状态，实验中按需再行改变阻容值，直至满足要求。三、实验过程中注意事项
1.出现任何异常，务必立即切除实验台总电源。
2.实验过程中，注意监视主电路的过载电流，不超过系统的允许值，并尽可能缩短必要的过载和堵转状态的时间。
3.在电压、电流、转速闭环前一定要确保反馈极性正确，以组成负反馈运行。4.除作阶跃起动实验外，系统起动的负载电阻必须放在最大值，给定电位器必须退回至零位后，才允许合闸起动，并慢慢增加给定，以免元件和设备过载损坏；
5.在实验过程中，若发现电网突然停止供电，须立即切断实验地点的全部电源开关，若实验中接线偶然脱落，也须很快切断电源，并只准在切断电源后才可以把导线接回原处。实验室总电源由实验室工作人员负责操作，其他人员不得乱动。
四、实验结束后注意事项
实验结束后，应主动将实验数据交给指导教师检查，经指导教师同意后，方可关掉实验台总电源。
任何改接线，首先断电源；一旦有异常，急停拉空开。
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实验要求与实验报告内容
一、实验要求
（一）实验前做好预习，熟悉相应直流调速系统及其组成单元的工作原理和应用特点，了解引入反馈和特定控制环节的意义和作用原理。
（二）实验前认真阅读“实验注意事项”、相应“实验指南”以及相关教材、资料等，完成有关实验参数的设计、计算（机组和综合实验台的有关参数，由实验室提供或实验前到实验室咨询、了解），认真准备好相应实验的思考题，以备正确回答实验指导老师的课前提问。
（三）按指定时间、指定地点准时进入实验室参加实验，不迟到、不早退、不无故缺席、不在实验室嬉笑打闹、不随意乱动与本实验无关的其它实验室设备、仪器。实验完毕，认真整理、归还实验设备、仪器，清理好实验现场。
（四）熟悉实验内容，认真听取实验指导老师的讲解、指导；勤学多问、胆大心细、勇于探索、不放过任何实验现象；认真完成实验全过程，正确观察现象、记录实验数据、绘制实验曲线。
（五）实验后，根据指定实验报告格式，按要求内容，认真、及时完成实验报告，并于指定时间、指定地点送达实验室。
（六）严格遵守实验须知和实验室安全规范，如有异常及时切断实验电源，并立即报告实验教师。二、实验报告内容
（一）实验名称、目的和主要实验内容。
（二）实验电路组成框图，实验系统及其组成环节的作用原理。
（三）机组和实验台主要参数，完成系统及其环节有关参数的设计、计算。（四）认真整理实验数据，绘制实验曲线。
（五）分析、讨论实验中出现的各类实验现象和故障的原因。（六）实验的收获、体会及改进意见、建议等。
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第一章绪论
一、课程设计概述
1．设计性实验是一种介于基本教学实验和实际科学实验之间的、具有对科学全过程进行初步训练特点的教学实验，课题和项目的内容必须根据实验室的具体情况经过精心的挑选，使它具有综合性，典型性和探索性。同时，要考虑实验者有可能在给定的教学时间内独立完成。
设计性教学实验的核心是设计，选择实验方案，并在实验中检验方案的正确性和合理性。设计时一般包括下列几个方面：根据研究的要求与实验准确度的要求，确定应用原理；选择实验方法与测量方法；选择测量条件与配套仪器以及测量数据的合理处理等。
开设设计性实验的目的，是想通过更灵活、更具独立思考的一些实验题目，进一步培养学生分析问题和解决问题的能力，根据给定的实验任务、要求和仪器，学生应在课前认真进行准备，设计好实验线路，估算出线路参数，拟定出主要的实验步骤，画好记录实验数据的表格。在课上将实验方案跟教师进行讨论，经同意后进行实验。这次实验是以做过的一些电力电子实验和电磁控制元件实验为基础的。
电气传动自动控制系统实验的特点和要求，电气传动自动控制系统实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法和操作技能，特别着重于对学生能力的培养，包括自学能力、动手能力、组织能力、数据分析处理能力、运用理论解决实际问题的能力、初步科研实验能力、文字表达能力等。本课程的特点是综合性和实践性强、涉及面广，试验时不宜一人单独进行，须分组协同工作，它配合直流拖动自动控制系统，是理论教学的补充与继续，而理论教学又是实验教学的基础，实验中学生可灵活运用所学自动控制理论及自动控制系统的知识，学会分析和解决实际系统中出现的问题，培养实践动手能力，同时验证理论，加强理论与实践的统一，实践—理论—再实践，可使认识不断提高、深化，进一步能有所发现，有所创新。
2．本课程的目的与作用
（1）电气传动课程设计与综合实验是工业电气自动化专业的一门专业课程，它是一次综合性的理论与实践相结合的训练，也是本专业的一次基本技能训练。
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（2）对一种典型的自动控制系统进行综合性的实验，掌握各部件和整个系统的调试步骤与方法以及操作实际系统的方法，加强基本技能训练。
（3）掌握参数变化对系统性能影响的规律，培养灵活运用所学理论解决控制系统中各种实际问题的能力。
（4）培养分析问题、解决问题的独立工作能力，学会实验数据的分析与处理、编写设计说明和技术总结报告。
3．本课程的具体对象可以是直流调速系统、交流调速系统、位置随动系统或微型计算机控制系统，本大纲是针对调速系统的，其主要内容为：
（1）测定综合实验中所用控制对象的参数。
（2）根据给定指标设计调速系统的各种调节器，并选择各环节参数。（3）按设计结果组成系统，进行调试以满足给定指标。（4）研究参数变化对系统性能的影响。（5）设计并计算主回路参数。二、实验进行方式
1.实验预习
预习是实验前的重要准备工作，是保证实验顺利进行的必要步骤，也是培养学生独立工作能力、提高实验质量与效率的重要环节，要求做到：
（1）实验前应复习有关课程的章节，熟悉有关理论知识。
（2）认真阅读实验指导书及有关实验装置介绍，并了解实验目的、内容、方法、要求和系统工作原理，明确实验过程中应注意的问题，有些内容可到实验室对照实物预习（如熟悉所用仪器设备。抄录被试电动机的铭牌参数，选择设备、仪器、仪表）。
（3）画出实验线路。明确接线方式，拟定实验步骤，列出实验时需记录的各项数据表格，算出要求事先计算的数据。
（4）实验预习分组进行，每组4-5人，各小组在实验前应讨论一次，明确组长，合理分工，预测实验结果及大致趋势，做到心中有数。
2．实验进行
整个实验过程中必须严肃认真，集中精力及时做好实验。（1）预习检查，严格把关。
实验开始前由指导教师检查预习质量（包括对本次实验的理解，认识及预习报告），当确认已做好了实验前的准备工作方可开始实验，对于因没有预习而对
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本次实验的目的、内容、方法、要求了解很差的同学，应拒绝其实验。
（2）分工合理，协调工作
每次实验以小组为单位进行，组长负责实验的安排，如分配记录，接线、启动操作、调节负载、测量转速等工作，务求在实验过程中人人放手、人人主动、分工配合、协调操作，做到实验内容完整、数据正确。
（3）按图连线、力求简明
根据拟订的实验路线及选用的仪表设备，按图连线，力求简单明了。接线原则是先串联后并联，即由电源开始先连接主要的串联电路，例如单相或直流电路，从一极出发，经过主要线路的各仪表、设备，最后返回到另一极。串联电路接好后再把并联支路逐段并上。主回路与控制回路应分清。根据电流大小，主回路用粗导线连接，控制回路用细导线连接，每个接线柱上的接线尽量不要超过两根。
（4）确保安全、检查无误
为了确保安全，线路接好后应互相校对或请指导老师检查，确认无误后方可合闸通电。
（5）按照计划、操作测试
按实验步骤，由简到繁、逐步进行操作测试，实验中要严格遵守操作规程和注意事项仔细观察实验中的现象，认真做好数据测试工作，并结合理论分析与预测趋势相比较，判断数据的合理性。
（6）认真负责、完成实验
实验完毕，应将记录数据交指导老师审阅，经指导老师认可签字后才允许拆线、整理现场，并做到导线分类整理、仪表、工具物归原处。、
3．实验总结
分析讨论实验过程中各类实验现象和故障原因，认真整理实验数据，绘制实验曲线，总结实验结果，按照指定的实验报告格式，认真及时地完成实验报告。三、实验的准备工作
认真阅读《自动控制系统》教材,复习转速电流双闭环直流调速系统的相关理论知识,通过对书本知识的学习,可以回答如下问题:
（1）转速电流双闭环直流调速系统有哪些环节组成:各组成环节的作用是什么?
（2）为什么要引出电流负反馈构成闭环?电流反馈接成正反馈会引起什么后果?
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（3）电流调节器输出限幅起什么作用?如何确定限幅值的大小?
（4）为什么要引出转速负反馈构成闭环?转速负反馈接成正反馈会引起什么后果?
（5）转速调节器输出限幅起什么作用?如何确定限幅值的大小?（6）转速调节器采用PI调节器为什么能做到无静差?（7）转速调节器采用P调节器为什么有静差？（8）启动过程分为哪三个阶段?为什么?
（9）为何观测动态过程转速随时间变化n(t),电流随时间变化Id(t)?（10）为了使转速调节器和电流调节器都形成负反馈,转速反馈电压Un和电流反馈电压Ui的极性应该如何确定?
（11）整流器输出电压Ud,相位控制角α和控制电压Uk之间的关系？（12）电流环对于系统的静态和动态各有什么作用？
（13）转速和电流闭环各自对负载扰动和电网电压波动有否调节能力？（14）电流内环采用直流电动机不加励磁的方法整定，应注意什么？（15）转速、电流双闭环系统，在其它参数不变的条件下，若将电流反馈系数β减小一倍，系统的转速n和电枢电流Id各有何变化？为什么？
（16）转速、电流双闭环系统，在稳定运行的状态下，其电流反馈或转速反馈线突然断开，系统各发生什么变化？为什么？
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第二章电气传动综合实验台介绍
一、实验台主要参数
1．输入电源：AC220V±10%；50HZ±1HZ；2．整流变压器：380V/249V，211V/173V，2KW；3．实验机组：
直流电动机：130SZ01；P＝350W；Unom＝110V；Nnom=1500rpm；Inom＝4.1A；直流发电机：同直流电动机光电脉冲发生器：E6B2－CWZ6C4．负载变阻器：
19--110欧；电流19欧时小于6A5.平波电抗器电感值：200mH6．无源数显阻容箱：
电阻：0.01～999.99KΩ/1W，可调间隔100Ω。电容：0.01～9.99μF/50V，可调间隔0.01μF。7．工作条件：环境温度：-5℃--40℃环境湿度：<75%海拔：<100m
8．允许外接机组：<1.5kw图2-1直流可逆调速挂箱二、直流可逆调速挂箱
直流可逆调速挂箱由“双路晶闸管移相触发发生器（GTI、GTII）”和“两组晶闸管三相整流反并联可逆线路（UI）”组成。
双路晶闸管触发脉冲发生器由高性能移相触发集成电路TC787组成，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等特点，而且装调简便，使用可靠。
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图2-1直流可逆调速挂箱
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“双路晶闸管移相触发器”是直流调速系统的关键环节之一。调试中，在满足特性要求的基础上，首先应注意触发脉冲的同步、移相范围、锯齿波斜率和触发特性的正、负对称性。两路移相触发电路结构相同、特性一致，其触发特性如图2-2所示。
图2-2GTI、GTII的触发特性1.TC787高性能移相触发集成电路的特点
综合实验台以TC787系列高性能移相触发集成电路为核心组成移相触发单元。TC787是目前国内市场上广泛流行的TCA785及KJ系列移相触发集成电路的换代产品，具有功耗小、功能强、输入阻抗高、抗干扰性能好、移相范围宽、外接元件少等优点，而且装调简便，使用可靠。TC787移相触发集成电路的原理框图如图2-3所示。
TC787适用于主功率器件是晶闸管的三相全控桥或在其他拓扑电路结构的系统中作为功率晶闸管的移相触发电路。
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图2-3TC787移相触发集成电路的原理框图（1）TC787可同时产生六路相序互差60°的输出脉冲，其中TC787输出为脉冲
列，适用于触发晶闸管及感性负载；TC788输出为方波，适用于驱动晶体管。（2）TC787三相触发脉冲的触发控制角均可在0~180°范围内连续同步改变，且对零点的识别可靠，可方便地用作过零开关。
（3）TC787为标准双列直插式有18个引脚的集成电路，其引脚排列已标明于图2-3中。其中引脚1（Vc）、2（Vb）及18（Va）是三相同步电压输入端。应用中分别接经输入滤波后的同步电压，同步电压的峰峰值不应超过TC787的电源电压VDD。
（4）TC787在单、双电源下均能正常工作，适用电源范围广。单电源工作时，引脚2和引脚3（Vss）接地，引脚17（VDD）允许施加正电压为（8~18V）。双电源工作时，引脚3（Vss）接负电源（-4~-9V），引脚17（VDD）接正电源（+4~+9V）。
（5）移相触发单元及其外围电路原理如图2-4所示。
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图2-4移相触发单元及其外围电路原理图
2.两组晶闸管三相反并联可逆线路
直流可逆调速挂箱的“两组晶闸管三相整流反并联可逆线路”，它由高性能的“串联型双晶闸管模块MCC26－16（26A、1600V）”六块，分别组成正、反两组三相整流桥，并经反并联连接构成“可逆直流调速系统”的主回路，如图2-5所示。各个晶闸管都设置有RC阻容吸收电路和快速熔断器保护，各个快速熔断器的熔断与否由发光二极管（VL11～VL16、VL21～VL26）指示。相应发光二极管点亮则指明该支路快速熔断器熔断，应查找该支路故障原因直至正常。
如直流可逆调速挂箱图2-1所示，系统还设置有电机电枢、负载变阻器、电抗器、电压、电流变换器以及励磁电路的插接端子。
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三、给定及调节器挂箱的组成
电气控制综合实验台的“给定及调节器挂箱”设置了开设各类实验所需的最基本的控制单元，是本综合实验台的基本挂箱和必选挂箱之一，其面板布置如图2-6所示。
图2-5给定及调节器挂箱-“给定及调节器挂箱”主要用于交、直流不可逆调速系统，因此也称其为“不可逆控制挂箱”。
如图2-5所示，给定及调节器挂箱主要由“给定及给定积分器（GIR）”、
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“零速封锁单元（BZ）”、“电压调节器（AVR）”、“转速调节器（ASR）”以及“电流调节器（ACRI、II）”等六大基本环节组成。1.给定及给定积分器
“给定及给定积分器”单元包括“给定”和“给定积分器”两大环节，其电路结构和原理如图2-6。如图，输出端子U*n1为直接给定输出端，U*n2为经给定积分器后的积分输出端。J1端为交流转向控制输出。
图2-6给定及给定积分器（GIR）的原理图
2.零速封锁单元
“零速封锁单元”的电路结构和原理如图2-7所示，零速封锁继电器“KZ”的输出动断接点“KZ1~KZ3”由挂箱内部已分别引向转速调节器ASR、两个电流调节器ACRI、II，动断接点“KZ4”留作机动，根据需要可通过面板接线端子与电压调节器AVR等环节相连。
零速封锁单元的调试要点在于检查零速封锁的逻辑条件，只有当转速给定Un*和转速反馈Un两者都为零，继电器KZ才断释放，其动断接点“KZ1~KZ4”闭合。只要其中之一不为零，继电器KZ即为“吸合状态”，于是动断接点“KZ1~KZ4”均断开。
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图2-7零速封锁单元（ZB）的原理图
3.转速调节器
转速调节器的电路结构和原理如图2-8所示，根据不同的反馈网络（由数显阻容箱插接），可组成P、I、PI以及PID等转速调节器。
图2-8转速调节器（ASR）的原理图16
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转速调节器的调试要点主要有：
（1）首先检查运放电路的零漂和输出有无明显振荡。检查时应将其所有输入端U*n、Un、Uci1、Uci2全部接地，即输入U*n=0V，两个反馈输入端插接数显阻容箱，并取Rn=R0=40KΩ、Cn=0。用数字万用表或真空毫伏表检查调节器的输出端U*i是否满足U*i＜30mV，否则零漂过大，应更换运放芯片或微调输入电阻R01、R02（更换阻值，R01＝R02＝1/2R0）。
（2）检查零漂正常后，将Un和Uci1、Uci2接地，分别使输入U*n=±12V，用数字万用表测量其输出端，并依次松开限幅电位器RPS1、RPS2的锁紧螺母并缓慢调节，使其正、负限幅为±5V，紧固锁紧螺母。
（3）检查调节器的比例特性，分别取kp=0.1、1、2（取Rn=4、40、80KΩ），输入U*n=0.1、0.5、1、2、4、6、8、10V，用万用表读取输出U*i，列表记录并绘制U*i=f（U*n）曲线，分析转速调节器的“输入－输出”特性的线性度和限幅特性是否满足要求，否则重复第2或第1、2步直至满足要求为止。
图2-9“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”的静特性
（4）“转速调节器（ASR）”的输入端子Uci1、Uci2支路是专为“带电流截止负反馈的转速负反馈直流调速系统”而设置的，该系统的静特性如图2-10所示，输入端子Uci1、Uci2支路的“稳压二极管VS1、VS2”的稳压值和电阻“R21、R22”的大小与系统的截止电流（Ibj）、堵转电流（Idu）、电流负反馈系数（β）以及电动机的额定电流（Inom）等有关，当这些参数变更时，应重新计算和更换。同时引入Uci1、Uci2两条支路，其中Uci2支路是为提供实验时改变电流截止值和截止特性而设置的。
（5）转速调节器已接有零封继电器KZ的动断接点KZ1，应检查零封是否
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正确、可靠。4.电流调节器
电流调节器的电路结构和原理如图2-10所示。
图2-10电流调节器（ACRI、ACRII）根据不同的反馈网络，同样可组成P、I、PI等电流调节器。电流调节器有两个给定输入端（U*i1、U*i2），并分别受封锁控制端（Ctrl1、Ctrl2）控制。封锁控制为高电平有效，即当封锁控制端Ctrl1为高电平，三极管VT1导通，给定信号U*i1输入被封锁，反之低电平（0V）给定信号输入正常。电流调节器（ACR
I）的调试要点与转速调节器（ASR）基本相同，调试方法和步骤如下：
（1）检查调节器的零漂和输出有无明显振荡。检查时应将其所有输入端，即U*i1、U*i2、Ui、Ctrl1、Ctrl2及“推β”和“扩展”各输入端全部接地，
Ci=0。即输入U*i=0V，两个反馈输入端插接数显阻容箱，并取Ri=R0=40KΩ、用数字万用表或真空毫伏表检查调节器的输出端是否满足Uct＜30mV，否则零漂过大，应更换运放芯片或微调输入电阻R0（更换阻值，R01＝R02＝1/2R0）。
（2）检查零漂正常后，将U*i2、Ui和Ctrl1、Ctrl2以及“推β”、“扩展”各输入端全部接地，分别使输入U*i1=±12，用数字万用表测量其输出端，使其正、负限幅为±5V。
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（3）检查调节器的比例特性，分别取kp=0.1、1、2（取Ri=4、40、80KΩ），输入U*i1=0.1、0.5、1、2、4、6、8、10V，用万用表读取输出Uct，列表记录并绘制Uct=f（U*i1）和Uct=f（U*i2）曲线。分析电流调节器的“输入－输出”特性的线性度和限幅特性是否满足要求，Uct=f（U*i1）和Uct=f（U*i
2）曲线是否一致。否则重复第
2或第1、2步直至满足要求为止。
（4）电流调节器反馈输入端之间已接有零封继电器KZ的动断接点KZ1和KZ2，应检查零封是否正确、可靠。
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第三章直流调速系统参数测定
双闭环调速系统动态结构如图3-1所示，要想得到系统的结构模型就必须对直流调速系统的各个参数进行测试。本章主要测试电枢回路电阻、机电时间常数、电磁时间常数、电势常数、转矩常数以及触发-晶闸管放大倍数、电流系数和转速反馈系数。本章内容是综合设计的基础。
Ud(s)*(s)UnUi*(s)1+Tons+1-ASR1Tois+1+-Uct(s)ACRKsTss+1+βiTois+1-E(s)IdL(s)1RT1s+1+-RTms1CeΦn(s)αnTons+1图3-1转速、电流双闭环系统动态结构图
一、电枢回路电阻的测定1.测试原理
电枢回路总电阻R包括电动机的电枢电阻Ra、电抗器的直流电阻RL、整流装置的内阻Rn以及电枢回路的附加电阻、线路电阻（合计为Rc，无附加电阻取
Rc=0），则电枢回路总电阻为式（3-1）所示。
R=Ra+RL+Rn+Rc（3-1）
测试电动机电枢回路各电阻方法有多种，本次设计采用伏安比较法实验测定。
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图3-2
电阻参数的测定
2.测试步骤
（1）按图3-2接线，变阻器r采用负载变阻箱，将负载变阻箱上的开关拨到“断”位置。电动机M不接励磁。***此时电机处于堵转状态，测试时间尽量短。***（2）先合电源开关，确保给定电压值为“0”，方可闭合主控开关。开环电路实验，为了防止直流电动机直接启动，必须确保给定电压为“0”。%·UNOM，（3）缓慢调节给定电压UCT，使整流装置的输出电压Ud=（30～70）调节变阻器r（负载变阻箱），使Id=（80～90）%·INOM，读取电枢电流、变阻器电压值为Id1、Ud1，得到整流装置的理想空载电压Ud0。
Ud0=Id1R＋Ud1（3-1）
（4）在Ud不变的条件下（即保持UCT恒定），调节变阻器r（负载变阻箱），使Id=（80～90）%·INOM，重新读取电流、电压值为Id2、Ud2，得到整流装置的理想空载电压Ud0。
Ud0=Id2R＋Ud2（3-2）
（5）联立求解式（3-1）和式（3-2），可得电枢回路总电阻，将计算的结果记录在表3-1中。
R=（Ud2－Ud1）/（Id1－Id2）（3-3）
（6）改变电枢电压Ud，重复上述实验步骤，再次测得电枢回路总电阻R。并将两次测试得到的结果取平均值,把计算得到的电枢回路总电阻R填入表3-1中。
（7）将给定电压减为“0”，关断主控开关，再关断电源开关。
（8）短接电枢两端，重复上述步骤，得到的电枢回路电阻R’就是除电枢电阻Ra以外的总电阻。
R′=（Ud2′－Ud1′）/（Id1′－Id2′）
于是可以计算得到Ra：
（3-4）
Ra＝R－R′（3-5）
（9）改变电枢电压Ud，重复上述实验步骤，再次测试得到电枢回路电阻Ra,将两次测试得到的结果取平均值,把计算得到的电枢回路电阻
Ra,填入表3-1
中。
（10）将给定电压减为“0”，关断主控开关，再关断电源开关。
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（11）短接电枢和电抗器两端，重复上述步骤，可测得整流装置内阻Rn，忽略电枢回路线路电阻（取Rc＝0），即可得到平波电抗器直流电阻RL。
RL＝R－Ra－Rn（3-6）
（12）改变电枢电压Ud，重复上述实验步骤，再次测得整流装置内阻Rn，并将两次测得的结果取平均值。把计算得到的平波电抗器直流电阻RL填入表3-1中。
（13）将给定电压减为“0”，关断主控开关，再关断电源开关。二、空载损耗的测试1.测试原理
由于电机自身的重量和电机轴之间的摩擦力，当电动机不带负载时要克服空载转矩T0才能转动。根据式（3-7），空载损耗的功率可以通过测试空载电流值，计算得出结果，然后根据式（3-8）。计算出空载转矩T0。
P0=UdI0−I0RT0=9.55P0n2.测试步骤
（1）按照图3-3接好线路，电动机励磁电压为110v.
2
（3-7）（3-8）
（2）缓慢调节给定电压UCT，使转速不断增加，测量整流电压Ud、电枢电流I0和转速n，将数据记录在表3-2。
图3-3（3）根据式（3-7）和式（3-8），计算出P0和T0，记录在表3-2。
22
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表3-1
总电路（总电阻R测量）
Ud0
Ud1R平均值
短接电枢两端（电枢电阻Ra测量）
Ud0
Ud1’
Id1’
Ud2’
Id2’
Ra
Ud1’
Id1’
Ud0’Ud2’
Id2’
Ra
Id1
Ud2
Id2
R
Ud1
Id1
Ud0’Ud2
Id2
R
Ra平均值
短接电枢、平波电抗器两端（电源电阻Rn测量）
Ud1’’
Id1’’
Ud2’’
Id2’’
Rn
Ud1’’
Id1’’
Ud2’’
Id2’’
Rn
Rn平均值
平波电抗器电阻RL计算
RL
表3-2
UdI0nP0T0P0平均值T0平均值60v70v90v110v三、电磁时间常数TL的测定
电动机电枢回路的电磁时间常数TL可通过实验测定，通常在已知或已测定电枢回路总电阻R、总电感L的情况下，根据其定义直接计算求得。根据定义，电枢回路的电磁时间常数计算公式如（3-9），将计算结果记录在表3-3。
TL＝L/R表3-3
（3-9）
LRTL四、机电时间常数Tm的测定1.测试原理
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确定机组机电时间常数Tm，需要先知道包括拖动电动机、负载发电机、测速发电机等同轴联接的各类机电设备在内的整个电力拖动系统运动部分的总飞轮转矩GD2，拖动电动机的电势常数Ce和转矩常数Cm。
电力拖动系统运动方程式：
Te−TL=
式中：Te=CmIdGD⋅dn375dt2
（3-10）
（电动机额定励磁下的电磁转矩，Nm）；
Cm=
Nm/A)；
30(电动机额定励磁下的转矩电流比，称转矩常数，CeπTL=CmIL（负载转矩，空载时即空载转矩T0，Nm）；
当电动机空载自由停车时，Te=0，TL=T0，代入式（3-10）中，得：
T0
2
=−
GD⋅dn375dt2
（3-11）
⎞⎟⎟⎠
GD=−375T0
⎛dn⎜⎜dt⎝
（3-12）
飞轮转矩GD2的单位为Nm2，转速n的单位为rmin，空载转矩T0的单位为Nm，其中空载转矩T0可由空载功率P0求出。
dndt可由电机空载时自由停车过程所得n=f（t）曲线求得，电动机加额定励磁并空载运行，改变电枢电压分别为Ud1、Ud2，读取相应的转速n1、n2，即可由下式求得电机的电势常数Ce，单位为v/r/min
Ce＝（Ud1－Ud2）/（n1－n2）
由电势常数Ce可直接得到电机的转矩常数Cm，单位为NmA。最后，根据定义计算出机组的机电时间常数Tm.。（3-13）
Tm=
GDR375CeCm2
（3-14）
2.测试步骤
（1）按照图3-3接好线路，电动机励磁电压为110v。
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（2）缓慢调节给定电压UCT，使转速不断增加到额定稳态转速1500转/分。记录整流电压Ud、电枢电流I0和转速n。
（3）测取电枢电压Ud和电枢电流Id（即空载电流I0），然后去掉Uct，同时用示波器观察n=f（t）曲线，记录转速从额定转速到转速为“0”的时间。由此可求空载自由停车时的转速变化率dndt，近似为∆n∆t。
n=1500rpm∆n=1500rpmn=0rpm∆t图3-4n=f（t）曲线
理想测试方法：由于空载转矩不为常数（因转速不同而有所变化），应以转速n为基准，在n=f（t）曲线上取若干点，按式求出相应点转速的空载转矩T0和转速变化率dndt。
（4）计算出相应的GD2，最后求取其平均值填于表3-3。
表3-3
UdI0n
△
60v70v90v110v
nt
△
CeCmCe平均值Cm平均值GD
2
Tm
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五、晶闸管触发--整流放大系数ks测试
ks=UdUk（Ud：整流电压；Uk：控制电压）
表3-4
（3-15）
UdUkksks平均值
六、电流反馈系数βi的测试
βi=UiIdUi：电流互感器输出电压
表3-5
（3-16）
UiIdβiβi平均值
七、转速反馈系数αn的测试
αn=Unn表3-6
Un：转速反馈电压
（3-17）
Unnαnαn平均值
八、注意事项
1.实验中应该使Ud和Id波形连续，避免电动机进入不连续运行区。2.电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防止电动机过热。3.为了防止电枢中过大的电流冲击，每次需缓慢增加给定电压。4.实验中电阻首先放到最大值位置，然后按照需要逐步减小阻值，以防止过电流。
5.除要求阶跃给定信号，每一次启动电动机前给定电压必须回到“0”位置，才允许合开关，以防止过流。
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第四章转速调节器和电流调节器的设计
一、设计要求
1.稳态指标：无静差
2.动态指标：电流超调量δi≤5%，空载启动到额定转速时的转速超调量
δn≤10%
具有转速反馈的双闭环调速系统属于多环控制系统。目前都已采用由内到外一环包围一环的系统结构，每一闭环都设有本环的调节器，构成一个完整的闭环系统。这种结构为工程设计以及调试工作带来相当大的方便。设计多环系统的一般方法是由内向外，一环一环的设计。对双闭环的调速系统而言。设计由内环（电流环）开始，根据电流控制要求，确定应将电流环校正成哪种典型系统，然后按照调节对象选择调节器及其参数；做好电流环设计后，将电流环校正成哪种典型系统，然后按照调节对象选择调节器及其参数；做好电流环设计后，将电流环等效成一个小惯性环节，作为转速环的一个组成部分，然后用相同的方法再做转速环的设计。
二、电流调节器的设计
1.电流环调节器设计原理
电流环的控制对象由电枢回路组成的大惯性环节与晶闸管整流装置、触发器、电流互感器以及反馈滤波等一些小惯性环节组成。电流环可以校正成典型Ι型系统，也可以校正成典型ΙΙ型系统，校正成哪种系统，取决于具体系统的要求。
由于电流环的重要作用是保持电枢电流在动态过程中不超过允许值，因而在突加给定时，不希望有超调，或者超调越小越好。从这个观点来说，应该把电流环校正成典型Ι型系统。但典型Ι型系统在电磁惯性时间常数较大时，抗扰性能较差，恢复时间较长。考虑到电流环还对电网电压波动有及时的调节功能，因此，为了提高其抗扰性能，又希望把电流环校正成典型ΙΙ型系统。
在一般情况下，当控制系统的两个时间常数之T1T∑i≤10比时，典型ΙΙ型系统的恢复时间还是可以接受的，因此，一般按典型Ι型系统设计电流环。此外，为了按典型系统设计电流环，需要对电流环进行必要的工程近似和等效处理。
2.电流环的结构的简化
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电流环的结构如图a所示。把电流环单独拿出来设计时，首先遇到的问题是反电势产生的反馈作用。在实际系统中，由于电磁时间常数T1远小于机电时间常数Tm，电流调节过程往往比转速的变化过程快得多，因而也比电势E的变化快得多，反电势对电流环来说，只是一个变化缓慢的扰动，在电流调节器的快速调节过程中，可以认为E基本不变，即△E=0。这样，在设计电流环时，可以不考虑反电势变化的影响，而将电势反馈作用断开，使电流环结构得以简化。另外，在将给定滤波器和反馈滤波器两个环节等效的置于环内，使电流环结构变为单位反馈系统。最后，考虑到反馈时间常数Ti和晶闸管变流装置间常数Ts比T1小得多，可以当作小惯性环节处理，并取T∑i=Toi+Ts。经过上述简化和近似处理后，电流环的结构图最终可简化为下图c所示：U*i(S)Uct(S)ARC+Ud(S)1ToiS+1-Id(S)1RT1S+1ksTsS+1（a）βiToiS+1Uct(S)U*i(S)βiβiToiS+1ARCksR(Ts+1)(T1S+1)IdId(S)(b)ARCU*i(S)βiβiksR(TiS+1)(T1S+1)∑Id(S)(c)图4-1电流环动态结构图及其化简
3．电流调节器的结构选择
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由于电流环中的控制对象传递函数Wi（s）含有两个惯性环节，因此按典型Ⅰ系统设计的话，应该选PI调节器进行串联校正，其传递函数为
WACR(s)=
Ki(τis+1)τis为了对消控制对象的大时间常数，取τi=T1。此时，电流环的结构图就成为典型Ⅰ型系统的形式，如图（a）示。
如果要求跟随性好，超调量小，可按工程最佳参数KIgTi=0.5或ς=0.707
∑
选择调节器的参数。电流环开环放大系数Ki为
KI=
令KITi=0.5，故有：
∑
KiKSβiτiRKi=
且截止频率为wci为：
0.5τiRKSβiTi∑
wci=KI=
0.5Ti∑
上述关系表明，按工程最佳参数设计电流环时，截止频率wci与Ti的关系满足
∑小惯性环节的近似条件wci<<
1
Ti∑
。
1TLs+1
如果按典型II型系统设计电流环，则需要将控制对象中的大惯性环节
近似为积分环节
1
，当TL>hT∑i时，而电流调节器仍可用PI调节规律。但TLs积分时间常数τi应选得小一些，即τi=
hiTi。∑
按最小峰值Mpmin选择电流环时，如选用工程最佳参数h=5，则电流环开环放大系数KI为：
KI=
KiKSβih+1
=22
τiRTL2hTi∑
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于是可得
KI=
(h+1)RTL0.6RTL=
2hKSβTiKSβTi∑∑
wci=
h+12hTi∑
=
0.6Ti∑
∑i显然，按工程最佳参数h=5确定的wci和T节的近似条件。三、转速调节器的设计
1．电流环的等效传递函数
的关系，也可以满足小惯性环
电流环是转速环的内环，设计转速环时要对电流环做进一步的简化处理，使电流成为一个简单的环节，以便按典型系统设计转速环。
如果电流环是按工程最佳参数设计的典型I型系统，则由图4-2（a）可得其闭环传递函数为：
KIs(T∑is+1)Id(s)β1
=WBi(s)==
KIT∑i2Ui(s)s1+s++1s(T∑is+1)KIKI由于：
0.511
，故有WBi(s)=≈T∑i2T2is2+2T∑is+12T∑is+1
∑
KI=
在双闭环调速系统设计中，转速外环的截止频率ωcn总是低于电流环的截止频率ωci，即ωcn<<ωci。因此，设计转速环时可以把电流环看成是外环中的一个小时常数环节，并加以简化处理，即略去WBi(s)中分母的高次项，得简化后的传递函数为：
12Tis2+1∑
WBi(s)≈
近似条件为ωcn<<0.5Ti。
∑
电流环的这种近似处理产生的效果可以用对数幅频特性来表示。电流环未作处理时阻尼比ς=0.707，自然振荡频率为12T∑i的二阶振荡环节，当转速环截
30
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止频率较ωcn低时，对于转速环的频率特性来说，原系统和近似系统只在高频段有些区别。
由于电流环在转速环内，其输入信号是Ui。因此，与电流环的近似的小环节应为Id(s)=WBi(s)=
Ui(s)β2T法不同而异。
2．转速调节器结构的选择
为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图4-2（b）可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要II型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型II型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该按典型II系统进行设计。
由图4-2（b）可以明显地看出，要把转速环校正成典型II型系统，转速调节器ASR也应该采用PI调节器，其传递函数为：
1∑
β式中时间常数2Ti的大小随调节器参数选择方
∑s+1iWASR(S)=Kn式中Kn——转速调节器的比例系数；
τns+1τnsτn——转速调节器的超前时间常数。这样，调速系统的开环传递函数为：
Wn(S)=
KnαnR(τns+1)KN(τns+1)
=
τnβiCeΦTms2(Tns+1)s2(TΣns+1)
∑
其中，转速开环增益为：
KN=
KnαnRτnβiCeΦTm不考虑负载扰动时，校正后的调速系统动态结构示于下图4-2（c）。
31
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U*i(SU*n(S)Id(S)TdL(Sn(s)RCeΦTmS1TonS+1-ASR1/βi2TΣiS+1—+ + αnTonS+1Id(S)IdL(S)(a)ASR*Un(S)/αnαn/βiTiS+1∑RCeΦTmSn(S)(b)βiksR(TiS+1)(T1S+1)∑KN(τnS+1)S2(TnS+1)∑n(S)(c)图4-2转速环动态结构图及近似处理
3．转速调节器的参数选择
按跟随性能和抗扰性能最好的原则，取h=5计算。小惯性环节近似处理条件：
ωcn≤
4．最后校核一下要求的性能指标
11
32TΣiTon电流环设计时，KITΣi=0.5，所以，σi=4.3%<5%。
32
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第五章
双闭环直流调速系统调试
一、直流电动机的开环机械特性测试
GG图5-1开环直流调速系统组成
1．按照图5-1所示连接好线路图，闭合负载开关。检查无误后，闭合主电路。2．缓慢增大给定电压U*n，使电动机转速逐渐上升，用双踪示波器观察整流装置输出电压Ud，看波形是否正常、连续可调。
3.当电动机电枢电压达到额定值Ud＝Udnom，即n＝no时，记录并保持此时的转速给定U*n1不变。
4.调节负载电阻RG，使负载电流Id在0～Idm之间分别读取负载电流Id和转速n等五组数据记录于表5－1；
表5-1Ud1=50%UdIdnUd2=100%UdIdn5.减小给定并恒定于U*n2＜U*n1（约1/2U*n1为宜），调节负载电阻RG，在0～
Idm之间分别读取电流Id和转速n等五组数据记录于表5-1。
6．依次绘制高、低速两条机械特性曲线n=f（Id）。
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电气传动课程设计实验指导书
二、双闭环系统静态参数的整定
1．转速环调节器和电流调节器极性判断
注意：以下实验是在开环状态下进行，实验线路如图5-1所示。为了避免由于正反馈带来的不良影响，所以在开环状态下判断电流反馈极性和转速反馈极性。确定极性后，再将调节器接入实验线路中，形成闭反馈。
（1）由于转速给定电压极性为“+”，要使得转速环为负反馈，则反馈电压极性为“-”。
（2）电流给定Ui*极性为“-”，所以电流反馈Ui极性为“+”才能形成负反馈。
2.转速环调节器和电流调节限幅值的确定（1）转速环输出限幅值按式（5-1）计算得出。
Ui*max=λInomβiλ为过载倍数，本次设计定义：λ=1.2（2）电流环输出限幅值
（5-1）
由于相位控制角最小值αmin的值在150~300之间，电流环输出限幅Uctmax的确定是使相位控制角α的值在150~300之间.
通过示波器的一个通道观察触发器的同步信号的A相，用另外一个通道观测输出触发脉冲G11的波形，调节Uk值的大小，使得G11触发A相的相位控制角α为150~300，此时Uk的就是电流调节器的输出限幅Uctmax。
本次课程设计，令：Uctmax=5V三、调节器的调试
按照图5-2所示接好实验电路。（1）电流调节器的调试
①将转速环接成1：1比例环节（Rn=R0＝40kΩ）。
②选用设计好的电流环参数Ri，Ci，使电流环调节器为比例积分调节器。③增加给定电压，使电枢电流为额定电流的70%（约为3A）,用示波器观察电流是否稳定。若不稳定，重新调整电流环参数Ri，Ci。
④突加给定电压，用示波器观察电流随时间的变化情况，看电流超调是否满足δi<5%的条件。若不符合，重新调整电流环参数Ri，Ci。（2）转速调节器的调试
①选用通过上述步骤调试好的电流环参数Ri，Ci，使电流环调节器为比例
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积分调节器。
②选用设计好的转速环参数Rn，Cn，使转速环调节器为比例积分调节器。③增加给定电压，使电枢电流为额定电流的70%（约为3A）,用示波器观察转速是否稳定。若不稳定，重新调整电流环参数Rn，Cn。
④突加给定电压，用示波器观察转速随时间的变化情况，看转速超调是否满足的条件δn<10%。若不符合，重新调整转速环参数Rn，Cn。四、转速、电流双闭环直流调速系统的静特性研究
图5-2转速、电流双闭环直流调速系统组成“转速、电流双闭环直流调速系统”的两个个调节器都是PI调节器，无论是内环还是外环都是无静差系统。理论上，无静差系统的静特性是一条平行于横坐标的直线，即偏差ΔUn＝U*n－Un＝0。实际并非尽然，内、外闭环都存在误差，即ΔUn≠0，故静特性也不是一条平行于横坐标的直线。因此，有必要测试其静特性，并分析产生偏差的原因。
1．接入调试好的调节器参数（Rn、Cn、Ri、Ci），检查无误后闭合主电路。2．增大给定电压并恒定使得转速为额定转速，直到稳定后。
3.调节负载电阻，分别在负载电流为0~Idm之间读取电流Id和转速n五组数据记录于表5－1；
4.置负载电阻RG至最大，减小给定并恒定于U*n2＜U*n1（约1/2U*n1为宜），调节负载电阻RG，在0~Idm之间分别读取电流Id和转速n五组数据录于表5－2。
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5．减小给定电压U*n至0，电机停止后，切除主电路。6．根据表2－1数据分别绘制高、低速两条静特性n=f（Id）。
表5-2
转速电流双闭环系统静特性实验数据
Ud1=IdnUd2=Idn五、转速电流双闭环直流调速系统突加给定时的起动过渡过程
1．先置给定U*n，使转速n=1000转/分，再置阶跃开关S2于下方（⊥端）。保持ASR、ACR为PI调节器，参数同前。负载电阻调至最大，并分断负载开关，使机组接近空载。检查无误后闭合主电路。
2．由阶跃开关进行高速、空载、突加给定时的过渡过程实验，通过双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程曲线，反复变更RC阻容箱的阻容值，直至满意。
3．阶跃开关拨向下方，待电机停转后，将转速给定设定为1/2U*n。重新阶跃起动进行低速、空载、突加给定时的过渡过程实验，通过双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程曲线。
4．阶跃开关拨向下方，电机停止后闭合负载开关；阶跃起动电机到额定转速直至稳定运行后，调节负载电阻，使电枢电流Id＝Idnom；尔后重复步骤2、3，完成带载突加给定起动时过渡过程实验，并通过双踪示波器观察电流Id和转速n的过渡过程。
5．分析比较空载和带载起动过渡过程的异同。
六、转速、电流双闭环直流调速系统突加负载时的抗扰性研究
1．接好双踪示波器准备观察电流Id和转速n的过渡过程曲线；闭合主电路，阶跃起动到给定转速直至稳定运行。
2．反复分、合（适当保持时间间隔）负载开关，由双踪示波器观察突加和突卸负载时的电流和转速的过渡过程曲线。
3．实验完毕，将阶跃开关拨向下方，待电机停转后，依次切除主控开关和主电源开关。
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