交直流调速试验报告 Microsoft Word 文档

昆明学院实验报告册

专业：电气工程及其自动化

班级：15 电二

姓名：韩浪

学号：150417410105

课程：交直流调速控制系统

昆明学院自动控制与机械工程学院

实验项目名称：开环直流调速系统的仿真实验 实验时间： 同组人： 实验报告评分：

一、预习报告（实验课前了解实验目的，预习实验原理、实验步骤）：

1、实验目的（简述）：

1． 掌握开环直流调速系统的原理；

2． 掌握利用simulink 编程进行仿真的方法。

2、实验原理（简述）：

直流电动机的转速方程为：

a a

e U RI n C -=

Φ

(1)

从转速方程可以看出，调节电枢供电电压U a 即可实现调速，这种调速方法的优点是既能连续平滑调速，又有较大的调速范围，且机械特性也很硬。

开环直流调速系统的电气原理图如图1所示。三相晶闸管桥式整流电路经平波电抗器L 为直流电动机电枢供电，通过改变触发器移相控制信号U c ，可以调节晶闸管的触发角α，从而改变整流电路的输出电压平均值U d ，实现直流电动机的调速。

1-5 V-M 系统的结构示意图AC

~

图1 开环直流调速系统电气原理图

3、实验步骤：

1．根据开环直流调速系统电气原理图，编制Simulink 实验程序，上机调试。

2．固定负载，改变触发角α，观察整流器输出直流电压平均值的变化情况，以及电动机输出转速的变化情况。

3．固定触发角α，增加负载扰动，观察电动机输出转速的变化情况。 4．分析实验结果，完成书面实验报告，并完成相应的思考题。

二、实验数据（记录相应的表格或图表，注意图形标注的完整性）：

1、 绘制不同触发角（30o 和60o ）对应的三相桥式整流装置输出电压平均值曲线。

2、绘制相同负载，不同触发角（30o ）对应的直流电动机转速曲线。

3、绘制相同触发角（60o

），不同负载转矩对应的直流电动机转速曲线。

4、绘制不同负载转矩对应的直流电动机电枢电流的波形。

time/s

U d /V

time/s

U d

/V

time/s

n /m i n

time/s

n /m i n

三、实验思考（完成相应的实验思考题）：

1、分析输出直流电压平均值U d 随三相桥式整流电路触发角α变化的情况。

由公式可得： 2

cos 145.0)cos 1(22)(sin 221

2

22αατ

τ

τ

α

+=+=

=?U U U U wt wtd d

2、分析开环直流调速系统转速n 随三相桥式整流电路输出直流电压平均值U d 变化的情况。

由公式可得：

3、分析开环直流调速系统转速n 随负载转矩T L 变化的情况。

由公式可得：T

K

K n T K

K K

U e

T

e

e T

e

e

s

R

R

n -

=-

=

0γ

-K T 电动机在额定磁通下的转矩系数：Φ=N T T C K

-n 0

理想空载转速，与电压系数γ成正比：U n e

s

γ=0

附：开环直流调速系统数据

直流电动机额定参数：U N =220V ，I N =136A ，n N =1460r/min ，四极，R a =0.21Ω，GD 2=22.5N·m 2。励磁

time/s

n /m i n

T=171.4N/min/s

tine/s

n /m i n

电压U f =220V ，励磁电流I f =1.5A 。三相桥式整流器内阻为R rec =0.5Ω。平波电抗器L d =20mH 。

实验项目名称：转速闭环控制的直流调速系统仿真实验 实验时间： 同组人： 实验报告评分：

一、预习报告（实验课前了解实验目的，预习实验原理、实验步骤）：

1、实验目的（简述）：

1． 掌握转速闭环控制的直流调速系统原理； 2． 掌握利用simulink 编程进行仿真的方法。

2、实验原理（简述）：

1． 直流电动机的调压调速原理

从直流电动机的转速方程可以看出，调节电枢供电电压U a 即可实现调速。 2． 晶闸管装置整流原理

三相晶闸管桥式整流电路经平波电抗器L 为直流电动机电枢供电，通过改变触发器移相控制信号U c ，可以调节晶闸管的触发角α，从而改变整流电路的输出电压平均值U d ，实现直流电动机的调速。 3． 负反馈控制原理

带转速负反馈的直流调速系统稳态结构图如图1所示。系统由转速比较环节、偏差电压方大环节、电力电子变换器和测速反馈环节构成。系统在电动机负载增加时，转速下降，转速反馈U n 减小，而转速的偏差△U n 将增加，同时放大器输出控制电压U c 增加，U c 的增加将使得晶闸管的触发角α减小，从而增大整流装置的输出电压平均值，为电动机提供更大的电枢电压U a ，从而增大电动机的电枢电流I a 。电动机的电磁转矩为e T a T C I φ=，运动方程为：

2d 375d e L d GD n

T T J dt t

ω-== （1）

根据电磁转矩公式和运动方程可知，I a 的增加将使得电磁转矩增大，从而使得转速升高，补偿了负载

增加造成的转速降。

3-6 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图

图1 转速反馈闭环控制直流调速系统稳态结构图

3、实验步骤：

1． 建立转速闭环控制直流调速系统的数学模型；

2．根据转速闭环控制直流调速系统结构图，编制Simulink 实验程序，上机调试。

3．采用P 控制，增加负载扰动，观察电动机输出转速的变化情况，跟开环系统做比较。 4．采用I 控制，在给定和负载相同情况下，和P 控制进行稳态误差对比。 5．采用PI 控制，在给定和负载相同情况下，和I 控制进行快速性对比。

6．采用PI 控制，在给定和负载相同情况下，比较不同调节器参数时的动态性能，。 7．分析实验结果，完成书面实验报告，并完成相应的思考题。

二、实验数据（记录相应的表格或图表，注意图形标注的完整性）：

1、绘制P 控制时直流电动机转速曲线。

2、绘制I 控制时直流电动机转速曲线。

3、绘制PI 控制时固定调节器参数，不同负载下直流电动机转速曲线。 参数保持不变负载变化时

time/s

n /m i n

time/s

n /m

i n

tine/s

n /m i n

4、 绘制PI 控制时相同负载，不同调节器参数的直流电动机转速曲线。 负载保持不变参数变化时

三、实验思考（完成相应的实验思考题）：

1、根据所给数据，计算在同样的负载扰动下，转速闭环控制直流调速系统的转速降和开环直流调速系统转速降之间的关系。

由公式可得： =

K=

2、在理想空载转速相同的情况下，计算转速闭环控制直流调速系统与开环直流调速系统静差率之间的关系。

time/s

n /m i n

time/s

n /m i n

time/s

n /m i n

由公式可得：=

3、如果电动机的最高转速都是n N，而对最低速静差率的要求相同，计算转速闭环控制直流调速系统与开环直流调速系统调速范围之间的关系。

由公式可得：D =

（）

4、根据绘制的转速曲线，比较P控制和I控制在稳态性能和动态性能方面的差别。

P调节器：对系统的动态性能影响：Kp加大，将使系统响应速度加快，Kp偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；；Kp太小又会使系统的响应速度缓慢。Kp的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。（2）对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提下，加大Kp 可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。因此Kp的整定主要依据系统的动态性能。

按比例反应系统的偏差,系统一旦出现了偏差,比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大,可以加快调节,减少误差,但是过大的比例,使系统的稳定性下降,甚至造成系统的不稳定。

I调节器：积分时间I对系统性能的影响积分控制通常和比例控制或比例微分控制联合作用，构成PI控制或PID控制。（1）对系统的动态性能影响：积分控制通常影响系统的稳定性。TI太小，系统可能不稳定，且振荡次数较多；TI太大，对系统的影响将削弱；当TI较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。（2）对系统的稳态性能影响：积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若TI太大，积分作用太弱，则不能减少静差。

使系统消除稳态误差,提高无误差度。因为有误差,积分调节就进行,直至无差,积分调节停止,积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti,Ti越小,积分作用就越强。反之Ti大则积分作用弱,加入积分调节可使系统稳定性下降,动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合,组成PI调节器或PID调节器。

5、根据绘制的转速曲线，比较PI控制和P、I控制在稳态性能和动态性能方面的差别。

采用PI调节的单个转速闭环调节系统可以保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但是,由于转速单闭环无法对电流和转矩实施控制因而存在启动电流限制问题，虽然可以采用电流截止负反馈来限制启动电流，但如果系统的动态性能要求较高的话,单闭环系统就难以满足要求。这主要是因为在单闭环系统中不能随心所欲的控制电流和转矩的动态过程。

6、根据绘制的转速曲线，比较在PI调节器不同参数时稳态性能和动态性能方面的差别。

比例环节即时成比例的反映控制系统的偏差信号，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。通常随着值的加大，闭环系统的超调量加大，系统响应速度加快，但是当增加到一定程度，系统会变得不稳定。

积分环节主要用于消除静差，提高系统的无差度（型别）。[1]积分作用的强弱取决于积分常数，越大，积分作用越弱，反之越强。闭环系统的超调量越小，系统的响应速度变慢。

附：转速闭环控制直流调速系统数据

直流电动机额定参数：U N=220V，I N=136A，n N=1460r/min，四极，R a=0.21Ω，GD2=22.5N·m2。励磁电压U f=220V，励磁电流I f=1.5A。三相桥式整流器内阻为R rec=0.5Ω。平波电抗器L d=10mH。三相电源：相电压130V，频率50Hz，转速反馈系数K n=0.0067，比例放大系数K p=20（可按需要调节），饱和限幅为±10。

实验项目名称：转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真实验

实验时间：同组人：实验报告评分：

一、预习报告（实验课前了解实验目的，预习实验原理、实验步骤）：

1、实验目的（简述）：

1．掌握转速电流双闭环控制的直流调速系统原理；

2．掌握利用simulink编程进行仿真的方法。

2、实验原理（简述）：

图1 双闭环直流调速系统的动态结构图

转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图如图1所示。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，两者之间实行嵌套连接。转速调节器ASR的输出作为电流调节器ACR的输入。系统由转速比较环节、偏差电压方大环节、电力电子变换器和测速反馈环节构成。当转速低于给定转速时，转速调节器的输出增加，即电流给定增加，并通过电流环调节使电枢电流上升，电动机将因为电磁转矩增加而加速。在当转速调节器饱和输出达到限幅值时，电流环即以最大电流限制I dm实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短。

3、实验步骤：

1．建立转速电流双闭环控制直流调速系统的数学模型；

2．根据转速电流双闭环控制直流调速系统结构图，编制Simulink实验程序，上机调试，记录结果。

3．在相同负载扰动下，比较双闭环和单闭环系统电枢电流曲线。

4．在相同负载扰动下，观察双闭环和单闭环系统转速曲线，比较动态性能。

5．在相同电网电压扰动下，观察双闭环和单闭环系统转速曲线，比较抗扰性能。

6.分析实验结果，完成书面实验报告，并完成相应的思考题。

二、实验数据（记录相应的表格或图表，注意图形标注的完整性）：

1、绘制直流电动机电枢电流的波形。

2、绘制直流电动机电磁转矩的曲线。

3、绘制直流电动机转速曲线。

4、绘制相同负载，不同调节器参数的直流电动机转速曲线。

time/s

i a /A

time/s

n /m i

n

time/s

n /m i n

5、绘制不同电网电压扰动下直流电动机转速曲线。

三、实验思考（完成相应的实验思考题）：

time/s

n /m i n

time/s

n /m i n

time/s

n /m i n

time/s

n /m i n

1、根据仿真结果，分析转速调节器和电流调节器的作用。

（1）转速调节器是系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定电压Un*变化，稳态时可减小转速误差，如果采用PI调节器，则可实现无静差

（2）对负载变化起抗扰作用

（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流

（4）作为内环的调节器，在转速外环的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压Ui*（即外环调节器的输出量）变化

（5）对电网电压的波动起及时抗扰的作用

2、分析在快速性方面双闭环系统与单闭环系统的区别。

突加较大给定电压时双闭环系统的起动过程要比单闭环快的多。

3、分析在抗负载扰动和电网电压波动扰动方面，双闭环系统与单闭环系统的区别。

抗负载扰动性能：双闭环系统和单闭环系统的抗负载扰动性能差不多。而调节的快慢视具体参数而定

电网电压波动扰动性能：双闭环系统内环能及时抑制电源电压波动的影响，调节速度快，而单闭环调节速度叫慢。

实验报告总结

本次试验主要为一个验证性试验主要验证直流电机的还环系统双闭环系统和单闭环系统在不同负载，电网电压扰动的情况下转速，电枢电流波形的变化，让我们加深对所学过的几种主要直流调速系统的学习和认识。