实验报告
课程名称:《电机与运动控制系统》实验 第3次实验
实验名称:直流他励电动机在各种运行状态下的机械特性
实验时间:2015年xx月xx日
实验地点:xxxxxxxxxx组号__________
学号:xxxxxxxxxx
姓名:xxxxx
指导老师:xxxxxx 评定成绩:___________
实验三 直流他励电动机在各种运行状态下的机械特性
一、实验目的
了解直流他励电动机的各种运转状态时的机械特性。
二、预习要点
1. 改变直流电动机机械特性有哪些方法。
2. 直流电动机回馈制动及反接制动时,能量传递关系、电势平衡方程式以及机械特性。
三、实验项目
1.直流电动机电动及回馈制动特性
2.直流电动机电动及反接制动特性
3.直流电动机能耗制动特性
四、实验线路及操作步骤
图3-1 直流他励电动机机械特性实验
实验线路如图3-1所示。图中被试直流他励电动机选用D26。其额定点为UN=220V、IN=0.55A、nN=1500r/min、PN=80W;励磁电流If<0.13A。
1.电动及回馈制动特性
实验线路按图3-1接线。
实验设备有:直流电动机(D26),直流负载机(D17),电机导轨,220V直流电源,220V励磁电源,直流电压电流表,900Ω/0.41A可变电阻箱,90Ω/1.3A可变电阻箱,双刀开关,磁场调节电阻(0~3000Ω)。
量程选择为:直流电压表V1、V2量程选为250V,直流电流表量程选为:A1为0.2A,A2为2.5A,A3为0.2A,A4为2.5A,R1选用900Ω可变电阻,R2选用两个90Ω电阻串联,R3选用磁场调节电阻(0~3000Ω),R4取阻值2250Ω(2个900Ω(0.41A)并联再与2个900Ω串联)。若仪表自动切换量程则无需选择。
安装电机时,将被试电动机和负载电机与测功机同轴相联,旋紧固定螺丝
先将开关S1合向1-1端,S2合向2-2端,R2、R3及R4置最大值,R1置最小值。接通220V直流可调电源,使D26电机起动,然后把R2调至零,调节电源电压、R1、R2、R3及R4,使U=UN=220V、n=nN=1500r/min、I1+I2=0.55A,此时I1=IfN,保持D26电机的U=UN=220V、I1=IfN不变,改变R4和R3阻值,测取在额定负载至空载范围内的n、I2,共取4~5组数据记录于表3-1中。
表3-1 UN=220V IfN= A
拆掉2-2端短接线,调节R3,使负载电机的空载电压与220V直流电源电压接近相等,并且极性相同,把S2合向1-1端,把R4阻值减小,直至为零,再调节R3使阻值逐渐增加,的转速升高,当电机转速超过其理想空载转速时,则被试电动机从第一象限进入了第二象限回馈制动状态运行,继续增加R3阻值直至I2为额定值。测取n、I2,共取4~5组数据记录于表3-2中。实验中应注意电机转速不超过2100转/分。
表3-2 UN=220V IfN= A
因为M2=CMФI2,而CMФ为常数,则M∞I,为简便起见,只要求画n=f ( I2 )特性,其图见图3-2。
图3-2 电动及回馈制动特性
2.电动及反接制动特性
实验电路图同图6-1中,其中R1选用磁场调节电阻(0~3000Ω),R2选用900Ω/0.41A可调电阻箱,R3不用,R4选用阻值2250Ω(2个900Ω(0.41A)并联再与2个900Ω串联)。其余各量程同实验1。
先将开关S1合向1-1端,S2合向2-2端(短接线拆掉),把D17负载电机电枢二个插头对调,R1置最小值,R2置300Ω左右,R4置最大值。
起动D26被试电机,测量D17负载电机的空载电压是否和220V电源电压极性相反,若极性相反可把S2合向1-1端。调节R2为900Ω,调节220V直流电源电压使U=UN=220V,调节R1使I1=IfN,保持以上值不变,逐渐减小R4阻值,电机减速直至为零,仍减小R4阻值,此时D26被试电机工作于反接制动状态运行(第四象限),电机转速显示为负值;再减小R4阻值,直至D26电机的I2为I2N,测取被试电机在1、4象限内的n、I2,共取5~6组数据记录于表3-3中。
表3-3 R2=900Ω UN=220V IfN= A
注意:在电机转速为零时,要记录两个被试电机的电枢电流(一个是从正转到刚停,另一个是从停止到刚反转),并分析存在这两个电流的原因。
为简便起见,画n=f(I2)特性,见图3-3。
图3-3 电动及反接制动特性
3.能耗制动特性
实验电路图同图6-1中,其中R1选用磁场调节电阻(0~3000Ω),R2选用360Ω电阻、(四个90Ω电阻串联),R3选用900Ω/0.41A可调电阻箱,R4选用阻值2250Ω(2个900Ω(0.41A)并联再与2个900Ω串联)。其余各量程同实验1。
为了能获得某一制动电阻值时的能耗动曲线,操作前把S1合向2-2端,R2置360Ω,R1置最大值,R3置最小值,R4置300Ω(把两只串联电阻调在零位,把两只并联电阻调在300Ω位置),S2合向1-1端。
起动D17负载电机,调节电源电压使U=220V,调节R1使D26被试电机的I1=IfN,调节R3使D17负载电机的I3=If=100mA,调节R4并先使R4阻值减小,然后逐渐增加R4阻值,使D26电机的制动电流在I2N以内测取I2、n,共取4~5组数据记录于表6-4中。
表3-4 R2=360Ω IfN= mA
调节R2为180Ω,重复上述实验步骤,测取I2、n,共取4~5组数据记录于表6-5中。
表3-5 R2=180Ω IfN= mA
画出以上二条能耗制动特性曲线n=f(I2),见图3-4。
图3-4 能耗制动特性
五、实验注意事项
调节串并联电阻时,要按电流的大小而相应调节串联或并联电阻,防止电阻器过流引起烧坏。
六、实验报告
根据实验数据绘出D26电动机运行在第一、第二、第四象限的制动特性n=f(I2)及能耗制动特性n=f(I2)。
七、实验数据
1.电动及回馈制动特性
表3-1 UN=220V IfN=0.1137 A
N和I2的拟合公式为y = -234.69x + 1605.2,R2 = 0.97553,其中有两个点明显偏离其他点,故舍去,,由此可见,理想空载转速为1605.2r/min。
表3-2 UN=220V IfN=0.1137 A
N和I2的拟合公式为y = -365.47x + 1627,R2 = 0.99453,电动机由正向电动运行逐渐变成正向回馈制动运行。
2.能耗制动特性
表3-4 R2=360Ω IfN=112.3 mA
N和I2的拟合公式为y = -2959.9x - 22.581,R2 = 0.99994,能耗制动时不接电源,理想应该过原点,实际上可能存在偏差。
表3-5 R2=180Ω IfN= 114.2 mA
N和I2的拟合公式为y = -1523.5x - 5.5483,R2 = 0.99998,能耗制动时不接电源,理想应该过原点,实际上可能存在偏差,相比于R2=360欧姆,当R2=180欧姆时特性曲线更加平缓,也即制动过程更加缓慢,通过控制制动电阻阻值来控制制动的快慢程度。
八、实验数据误差分析
1、由于长时间使用,实验元器件的标称值与实际值不符,且各项性能都逐渐变差,所以引入了系统误差;
2、实验过程中由于电机的转速需要过较长时间才能稳定下来,而在读取转速时可能转速还没有稳定下来,所以引入了人为误差;
3、由于在实验过程中电机转速不够稳定,且线路存在电阻、杂散电感电容影响,所以引入了系统误差;
4、在读取实验仪器的示数时,由于是人眼读取数据,因而存在估读、错读、漏读等可能,所以引入了人为误差;
5、由于实验测量仪器不够精准,示数波动较大,所以引入了系统误差;
6、由于电机经过较长时间使用,各项性能都会变差,测量器件也会,所以引入系统误差;
九、实验小结
1、直流电动机在运行过程中,励磁回路绝不可以断开,即绝不可以失磁,因为如果失磁,由于剩磁作用电机的转速将会迅速升高,有可能引发严重的事故;
2、相比于R2=360欧姆,当R2=180欧姆时特性曲线更加平缓,也即制动过程更加缓慢,因此可以通过控制制动电阻阻值来控制制动的快慢程度;
3、由于电机控制步骤和注意事项较多,所以在做电机实验时应该小心谨慎,不能够过于急躁,避免发生事故;
4、在接通电机电源之前,一定要保证线路连接没有问题,励磁回路和电枢回路都要仔细检查一遍,这样才能尽可能避免事故;
5、在做电机实验时,由于所做实验内容较多,所以每次实验前应该先预习一下实验内容的理论基础知识,这样做实验时才能够事半功倍;
6、由于在测电机转速时,需要等待较长时间,因此要有足够的耐心,否则如果过于急躁,那么没有等到电机稳定下来就读取电机转速,会给实验结果引入很大的人为误差;
十、思考题
1.回馈制动实验中,如何判别电动机运行在理想空载点?
答:理想空载点处Ia=0,也即电枢回路电流为0时为理想空载点。
2.直流电动机从第一象限运行到第二象限转子旋转方向不变,试问电磁转矩的方向是否也不变?为什么?
答:会变为负值,因为此时电枢回路电流方向改变了,而,前两项都没有变,Ia变方向了,所以电磁转矩会改变方向。
3.实验机组,当电动机从第一象限运行到第四象限,其转向反了,而电磁转矩方向不变,为什么?作为负载的,从第一到第四象限其电磁转矩方向是否改变?为什么?
答:
①当电动机从第一象限运行到第四象限,此时拖动位能性负载,为反向回馈制动运行,此时U反向,n反向,Te与n相反,所以方向不变;
②作为负载的,从第一到第四象限其电磁转矩方向不变,因为负载转矩和电动机的电磁转矩始终相反,电磁转矩方向不变,故负载转矩方向也不变。
电机转速控制系统方案设计
设计概述:
本实验要求对电机转速控制系统提出设计,系统分为控制部分(由工控机组成),数据通道,控制对象(由变频器,电动机组成),测量电路与报警电路。电机的启动,加速,减速,停止可以由两种方式控制,一种是通过变频器的面板参照说明书进行设置,使电机按照设定好的曲线运转;一种是在工控机上编写程序,使电机按照程序运转,并在屏幕上绘制出实际转速与预期转速的关系图像。系统还加入了报警电路,当电机转速超过额定值时,系统能够自动发出警报。
实验目的:
? 了解VFD007M23A变频器的工作原理,会使用变频器改变电机的转速。
? 编写程序对电机的转速实现控制。
实验原理:
变频器原理:变频器主要采用交—直—交方式(VVVF变频或矢量控制变频),先把工频交流电源通过整流器转换成直流电源,然后再把直流电源转换成频率、电压均可控制的交流电源以供给电动机。一般由整流、中间直流环节、逆变和控制4个部分组成。
电动机的PID控制原理:本实验是一个闭环控制系统,对象是变频器-电动机,系统引入了比较环节和偏差,转速测量系统把被控量转速n的信息以信号y的形式送到比较环节,在比较环节中的到被控量y与设定值r的差,称为偏差e,e=r-y。控制器根据偏差e生成控制信号u。
控制系统的品质有快速性、准确性和稳定性三个方面。快速性是希望被测量迅速达到设定或粉碎设定值变化;稳定性是指被控量不发生大幅度、长时间的振荡,即使有小幅震荡也应尽快衰减至零;如果系统被控量与设定值之间的偏差较小。就说系统的准确性好。为了便于比较不同控制策略下系统的品质,常采用综合性能指标表示控制系统的品质。绝对偏差积分(Integral of Absolute, IAE)是常用的综合指标之一。
IAE=
IAE包含了系统从t=0时刻起的全部偏差绝对值的积累。快速性、稳定性、准确性中任何一项性能不好,都会使IAE增大。IAE越小,控制系统的品质越好。系统设计和调试中,往往要选择控制策略或选取参数使指定的综合性能指标达到最有或者满意。
实验中的控制系统组成框图:
信号调理电路及报警电路设计:
信号调理电路及报警电路设计框图:
当电机转速超过额定值时报警电路发出警报。
信号测量调理电路:
实验主要仪器设备:
工控机
变频器
电动机
示波器
函数信号发生器
数字万用表
变频器的使用:
1、参数的设定
2、选择的图像
3、实验结果
如图所示,当电机转动从静止到达程序设定频率时,即采用设定的V/F曲线达到所需频率。
程序设计:
1.原程序
“void control(void)
{
float g_e,g_c,ep;
float tempp;
int m,j,k;
yy[i]=AD(11);
y[i]=(yy[i]-2047)*2;
e[i]=y[i]-r[i];
/* calculate the control output u */
u[i]=r[i];
ida=u[i];
DA(1,ida);
/* show the time */
itoa(i,string,10);
gotoxy(20,20);
cputs(string);
}
void parameter(void)
{
DA(1,0);
iae=0.;
n=400;
i=0;
iad=0;
e[0]=0;
amplitude=5; /*0---10v*/
amplitude=amplitude*4095/10.0;
for (i=0; i<n+1; i++)
r[i]= amplitude;
}
main()
{
int k,m,kkp;
FILE *fpp;
DA(1,0);
delay(1000);
clrscr();
parameter();
sample_time=10;
for(i=0;i<n;i++)
{
control();
delay(sample_time);
}
DA(1,0);
create_datafile();
graph_r(r,r,y,e,c,u);
getch();
delay(100);
closegraph();
return;
} ”
原程序结果:
2.调试之后的程序:
“void control1(void)
{
float g_e,g_c,ep;
float tempp;
int m,j,k;
yy[i]=AD(11);
y[i]=(yy[i]-2047)*2;
e[i]=r[i]-y[i];
iae+=fabs(e[i])*10/4095;;//换算成电压的积分
/* calculate the control output u */
u[i]=0.5*e[i]+1.5*r[i];//加速提速
ida=u[i];
DA(1,ida);
/* show the time */
itoa(i,string,10);
gotoxy(20,20);
cputs(string);
}
void control2(void)
{
float g_e,g_c,ep;
float tempp;
int m,j,k;
yy[i]=AD(11);
y[i]=(yy[i]-2047)*2;
e[i]=r[i]-y[i];
iae+=fabs(e[i])*10/4095;//换算成电压的积分
/* calculate the control output u */
u[i]=r[i];
ida=u[i];
DA(1,ida);
/* show the time */
itoa(i,string,10);
gotoxy(20,20);
cputs(string);
}
void parameter(void)
{
DA(1,0);
iae=0.;
n=400;
i=0;
iad=0;
e[0]=0;
amplitude=3; /*0---5v*/
amplitude=amplitude*4095/5.0;
for (i=0; i<n+1; i++)
r[i]= amplitude;
}
main()
{
int k,m,kkp;
FILE *fpp;
DA(1,0);
delay(5000);
clrscr();
parameter();
for(i=0;i<n;i++)
{
if(i<=10)
{
control1();
delay(sample_time);
sample_time=5000;
}
else
{ control2();
delay(sample_time);
sample_time=5000;
}//程序分两段进行,前期加速。
}
DA(1,0);
create_datafile();
graph_r(r,r,y,e,c,u);
getch();
delay(100);
closegraph();
return;
} ”
调整之后的结果:
DATA:
Sample_time= 5000
n= 400
Amplitude= 1638
IAE= 271.560
n r y e c u
0 1638 4 1634 0 3272
1 1638 14 1624 0 3262
2 1638 10 1628 0 3266
3 1638 6 1632 0 3270
4 1638 6 1632 0 3270
……
385 1638 1594 44 0 1638
386 1638 1610 28 0 1638
387 1638 1612 26 0 1638
388 1638 1612 26 0 1638
389 1638 1618 20 0 1638
390 1638 1618 20 0 1638
391 1638 1630 8 0 1638
392 1638 1626 12 0 1638
393 1638 1630 8 0 1638
394 1638 1618 20 0 1638
395 1638 1638 0 0 1638
396 1638 1584 54 0 1638
397 1638 1618 20 0 1638
398 1638 1634 4 0 1638
399 1638 1622 16 0 1638
实验中遇到的问题:
实验中遇到电机在预先写好的程序下可以运行但未能采集到输入信号的情况,在程序确定没有问题的前提下开始对硬件进行检查。先确定端子板与采集卡正确链接后,进入Test程序,对输出量用万用表进行测量,确定输出同道没有问题。再将输入同道连上函数信号发生器,依旧没有输入信号,而连上直流稳压电源时输入信号可以进入计算机。用示波器仔细排查后发现原因是函数信号发生器的输出接线接触不良,而端子板的信号输入同道并没有问题。再用示波器观察从电机送出的信号,发现信号整形前波形正常,而整形后的波形特别杂乱,推测是整形芯片出了问题。更换芯片后问题得到了解决。
在运行初始程序时,纹波很多,波形显得杂乱,于是接入一个电容滤波,为了尽量减少误差,将电容直接接到变频器上,避免接入导线引起的纹波扰乱,同时将变频器盖子盖上,以减少干扰。
实验体会:
理论和实践之间总是有很多不同,把理论灵活运用到实践中不是想象的那么容易。实验中遇到各种各样的问题是很正常的,关键是要掌握解决问题的方法,科学地查处实验中的问题所在。
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