交直流调速实验报告201217040108电气一班文炜

昆明学院实验报告册

专业：电气工程及其自动化

班级：电气一班

姓名：文炜

学号： 201217040108

课程：电力传动控制系统

昆明学院自动控制与机械工程学院

实验项目名称： 开环调速系统的仿真实验 实验时间：2015.6.14 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 -1开环直流调速系统电气原理图

3、实验步骤：

（1）掌握直流电动机调压调速的原理。

（2）分析三相桥式整流电路中触发角α与输出直流电压平均值之间的关系。

（3）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，记录结果。 （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）：

1、实验数据表格： 1)设置模块参数 ①供电电源电压

②电动机参数

励磁电阻：

励磁电感在恒定磁场控制是可取“0”。

电枢电阻：

电枢电感由下式估算：

电枢绕组和励磁绕组互感：

因为

所以

电动机转动惯量

③额定负载转矩

④模型参考数见表1—1

图1-2直流电动机开环调速系统模型参数

2）设置仿真参数：仿真算法ode15a，仿真时间1.5S，电动机空载启动，启动0.5s后加额定负载T L=171.4N.m

2、实验图表：

1）直流电动机开环调速系统仿真图如下

图1-3

2）启动仿真并观察结果:仿真的结果如图1-3所示。其中图1-3a是整流器输出端的电压波形（局部），图1-3b是经平波电抗器后电动机电枢两端电压波形，该波形较整流器其输出端的电压波形脉动减少了许多，电压平均值在225V左右，符合设计要求。图1-3c和图1-3d是电动机电枢回路电流和转速变化过程。在全电压直接起动情况下，起动电流很大，在0.25s左右起动电流下降为零（空载起动），起动过程结束，这是电动机转速上升到最高值。在起动0.5s后加额定电压负载，电动机的转速下降，电流增加。图1-3e是电动机的转矩变化曲线，转矩曲线与电流曲线成比例。

1-3a

1-3b

1-3c

1-3d

1-3e

三、实验思考（完成相应的实验思考题，提出实验的改进方法）：

1、三相桥式整流电路中触发角α与输出直流电压平均值U d 之间的关系：

2

cos 145.0)cos 1(22)(sin 221

2

22αατ

τ

τ

α

+=+=

=

?U U U U wt wtd d 2、开环直流调速系统转速n 与转矩T e 之间的关系： T

K

K n T K

K K

U e

T

e

e

T

e

e

s R

R

n -

=-

=0

γ

-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

3、假设开环直流调速系统允许的最低转速为500r/min ，根据所给电动机参数计算开环直流调速系统的静差率δ和调速范围D 。 解：电动机的电动势系数：

n

R I U K N

a N N

e -=

146021

.0*136220-=

=0.1311 （v.min/r ） 所以： 1311

.021.0*136=

=?K

R

I n e

N

N

85.217=（r/min ）

静差率； 85

.21750085

.217min

+=

?+?=n n

n N

N

δ *100%=30%

调速范围： )

3.01(*85.2173.0*1460)1(-=-?=

δδn n N

N D =2.87

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：2015.06.14 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． 编程进行转速闭环控制直流调速系统的仿真。

3．根据转速闭环控制直流调速系统稳态结构图，编制Simulink 实验程序，上机调试，记录结果。 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）：

1、实验数据表格：

1）带转速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为：

图2-1：带转速负反馈的有差直流调速系统组成

电动机转速降为：

式中，

；p K 为放大器放大倍数；s K 为晶闸管整流器放大倍数；e C 为电动机电动

势常数； 为转速反馈系数；R 为电枢回路总电阻。

从稳态特性方程可以看到，如果适当增大放大器的放大倍数p K ,电动机的转速降n 将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说，在负载变化时，电动机的转速变换将减小，电动机有更好的保持速度稳定的性能 。如果放大倍数过大，也可能造成系统运行的不稳定。

转速负反馈的有差调速系统的仿真模型如图2-4所示。模型在图2-1开环调速系统的基础上增加了转速给定*

n U （*

n U ），转速反馈n-feed,放大器Gain 和反映放大器输出限幅的饱和特性模块Saturation,饱和限幅模块的输出时移相触发器的输入c U ，其中转速反馈直接取自电动机的转速输出，没有另加测速发电机，取转速反馈系数

2）在例1的基础上观察带转速负反馈系统在不同放大器放大倍数是对转速变化的影响，模型主要参数见表。

2-2表转速负反馈有静差直流调速系统模型参数

2、实验图表：

1）试验连线图如图2-3所示：

图2-3

1）在额定转速*

n U =10，p K =5,10,20时的转速相应曲线如图所示，随着放大器放大倍数的增加，系统的稳

态转速提高，即稳态转速降减小。图2-4b 所示为p K =10时的电流响应波形，图2-4b 时1/2额定转速（*n U =5）

时的转速相应曲线，2-4c 电源电压曲线，2-4d 电动机的转矩变化曲线。

Kp=5

Kp=10

Un=5,kp=200

Un=5,kp=10

实验思考（完成相应的实验思考题，提出实验的改进方法）：

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：

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：

3、如果电动机的最高转速都是nN，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：

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：2015.06.14 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）：

转速电流双闭环控制的直流调速系统动态结构图如图b）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，转速调节器的输出减小，即电流给定减小，并通过电流环调节使电动机电流下降，电动机将因为电磁转矩减小而减速。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．编程进行转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真。

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

1、实验数据表格：

1）调节参数计算和设定：按工程设计方法和选择转速和电流调节参数，ASR和ACR都采用PI调节器。

电流调节其参数计算

电流反馈系数：

电动机转矩时间常数：

电机电磁时间常数：

三相晶闸管整流电路平均失控时间：

电流开环的小时间常数为：

根据电流超调量%5%≤σ的要求，电流环按典型I 型系统设计，电流调节器选用PI 调节器，其传递函数为

其中：

转速调节器参数计算：

转速反馈系数：

为加快转速的调节速度，转速环按典型II 系统设计，并选中频段宽度h=5，转速调节器传递函数为

其中：

调节的参数见表3—2，调节器的积分环节的限幅值为±12调节器输出限幅值为±10.

表3—2转速电流闭环控制系统模型主要参数

3）设定模型参数：方针算法ode15，仿真时间1.5s。在0.8s是突加1/2额定负载。

2、实验图表：

1）直流电动机开环调速系统仿真图如下

2）启动仿真及结果：仿真结果见图3—3可以看到，电动机的启动经历了电流的上升、恒流升速和转速超调后的调节三阶段。与电动机的开环系统相比，电动机启动电流大幅度下降，电流环发挥了调节作用，使最大电流限制在设定的范围以内。在0.8s时突加1/2额定负载后电动机电流上升转速下降，经过0.2s左右时间的调节，转速恢复到给定值。修改调节参数，可以观察在不同参数条件下双闭环系统中电流和转速的响应，修改转速给定，也可以观察电动机在不同转速时的工作情况。

3）仿真结果图如下3—4所示，3-4a电源电压波形，3-4b经整流的电压波形，3-4c和图3—4d是电动机电枢回路电流和转速变化过程，图3—4e是电动机的转矩变化曲线，转矩曲线与电流曲线成比例。图3—4f 给出了工作过程中电动机的转矩—转速特性曲线。

3-4c

3-4d（转速响应）

3-4f

三、实验思考（完成相应的实验思考题，提出实验的改进方法）：

1、根据仿真结果，分析转速调节器和电流调节器的作用。

答：转速调节器的作用：

（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

实验报告总结

在此次的实训中，我学习了很多的东西，使我眼界打开，感受颇深。我学会了很多知识，对开环，单闭环和双闭环直流调速系统的MATLAB建模与仿真，有了更多了解。

虽然这并非第一次接触MATLAB这个软件，但仍然感到束手无策。在老师的提示下，借阅到了相关书籍，在借阅的书籍中发现了MATLAB这个软件原来如此复杂，很难掌握。在建立仿真模块的时候，元件的选择和参数的修改成为了一大难题。因为对各个元件并不是很了解，所以改参数时出现了很大问题，在这上浪费了很多时间。但是在老师的指导加上和同学的细心帮助下，我终于克服了种种困难，结合课件，对程序的反复核对，终于初步建模。

在此实训中，我明白了，一个人的力量是微小的，不同的人会发现不同的问题，也会有相应的解决办法，在自己不懂的时候要多问问别人，三人行，必有我师。还有就是意识到只有真正的动手实践才能发现问题，才能更好的解决问题。理论固然重要，但是实践必不可少，只有实践是检验真理的唯一标准。实训中同学之间的相互学习也是尤为重要的。不懂得问题相互讨论研究，就会有促进彼此的理解，也能营造更好的学习氛围。

在这一周的实训中我学到了很多，学到了在课本上学不到的东西，让我认识了MATLAB这个软件的用途，十分感谢老师的帮助，让我在此次实训中受益良多