功率電子課程設(shè)計(jì)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測(cè)定實(shí)驗(yàn)

1、晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測(cè)定實(shí)驗(yàn)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)在電氣傳動(dòng)領(lǐng)域中應(yīng)用的非常廣泛，在理論和實(shí)踐等方面都是比較成熟的系統(tǒng)。由于它的技術(shù)性能優(yōu)越，在生產(chǎn)企業(yè)中，如各種金屬切削機(jī)床、軋鋼機(jī)、挖掘機(jī)等方面得到了日益廣泛的應(yīng)用。因此，加強(qiáng)對(duì)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)和掌握，可大大提高該專業(yè)學(xué)生解決實(shí)際問題的能力。本課程設(shè)計(jì)介紹了晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測(cè)定實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容、計(jì)算機(jī)仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)總結(jié)等內(nèi)容。1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?） 熟悉晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其基本結(jié)構(gòu)。（2） 掌握晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)及反饋環(huán)節(jié)測(cè)定方法。2、實(shí)驗(yàn)原理晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管

2、整流調(diào)速裝置、平波電抗器、電動(dòng)機(jī)發(fā)電機(jī)住等組成。在本實(shí)驗(yàn)中，整流裝置的主電路為三相橋式電路，控制電路可直接由給定電壓ug作為觸發(fā)器的移相控制電壓uct，改變ug的大小即可改變控制角，從而獲得可調(diào)的直流電壓，以滿足實(shí)驗(yàn)要求。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的組成原理如圖1所示。圖1 晶閘管直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（1） 測(cè)定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路總電阻值r。（2） 測(cè)定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)住電感值l。（3） 測(cè)定直流電機(jī)直流發(fā)電機(jī)測(cè)速發(fā)電機(jī)組的飛輪慣量gd2。（4） 測(cè)定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路電磁時(shí)間常數(shù)td。（5） 測(cè)定直流電動(dòng)機(jī)電勢(shì)常數(shù)ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)cm。（6） 測(cè)定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)機(jī)電時(shí)間常數(shù)tm。

3、（7） 測(cè)定晶閘管出發(fā)及整流裝置特性u(píng)d=(uct)。（8） 測(cè)定測(cè)速發(fā)電機(jī)特性u(píng)tg=（n）。4、實(shí)驗(yàn)仿真晶閘管直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)由給定信號(hào)、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。圖2是采用面向電氣原理圖方法構(gòu)成的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型。下面介紹各部分建模與常數(shù)設(shè)置過程。圖2 晶閘管開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型4.1系統(tǒng)的建模和模型參數(shù)設(shè)置系統(tǒng)的建模包括主電路的建模和控制電路的建模兩部分。 （1）主電路的建模和參數(shù)設(shè)置由圖2可見，開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對(duì)稱交流電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等部分組成。由于同步脈沖觸發(fā)

4、器與晶閘管整流橋不可分割的兩個(gè)環(huán)節(jié)，通常作為一個(gè)組合體來討論，所以將觸發(fā)器歸到主電路進(jìn)行建模。 三相對(duì)稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電源模塊中選取一個(gè)交流電壓源模塊，再用復(fù)制的方法得到三相電源的另兩個(gè)電壓源模塊，并用模塊標(biāo)題名稱修改方法將模塊標(biāo)簽分別改為“a相”、“b相”、“c相”，然后從連接器模塊中選取“ground”元件和“bus bar”元件，按圖1主電路圖進(jìn)行連接。為了得到三相對(duì)稱交流電壓源，其參數(shù)設(shè)置方法及參數(shù)設(shè)置如下。雙擊a相交流電壓源圖標(biāo)，打開電壓源參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在a相交流電壓源參數(shù)設(shè)置中，幅值取220v，初相位設(shè)置成0，頻率為50hz，其他為默認(rèn)值，如圖3所示。b、c相

5、交流電源參數(shù)設(shè)置方法與a相位基本相同，除了將初相位設(shè)置成互差120外，其他參數(shù)與a相相同，如圖4和圖5所示。由此可得到三相對(duì)稱交流電源。晶閘管整流橋的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電力電子模塊組中選取“universal bridge”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“晶閘管整流橋”，然后雙擊模塊圖標(biāo)，打開scr整流橋參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖6所示。當(dāng)采用三相整流橋時(shí)，橋臂數(shù)取3，a、b、c三相交流電源接到整流橋的輸入端，電力電子元件選擇晶閘管。參數(shù)設(shè)置的原則如下，如果是針對(duì)某個(gè)集體的變流裝置進(jìn)行設(shè)置，對(duì)話框中的rs、cs、ron、lon、vf應(yīng)取該裝置中晶閘管元件的實(shí)際值，如果是一般情況，不針對(duì)某個(gè)集體的

6、變流裝置，這些參數(shù)可先取默認(rèn)值進(jìn)行仿真。若仿真結(jié)果理想，就可認(rèn)可這些設(shè)置的參數(shù)，若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。這一參數(shù)設(shè)置原則對(duì)其他環(huán)節(jié)的參數(shù)設(shè)置也是適用的。 圖3 a相電源參數(shù)設(shè)置 圖4 b相電源參數(shù)設(shè)置圖5 c相電源參數(shù)設(shè)置圖6 scr整流橋參數(shù)設(shè)置平波電抗器的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從模塊中選取“series rlc branch”模塊，并將標(biāo)簽改為“平波電抗器”，然后打開平波電抗器參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖7所示，平波電抗器的電感值是通過仿真實(shí)驗(yàn)比較后得到的優(yōu)化參數(shù)。圖7 平波電抗器參數(shù)設(shè)置直流電動(dòng)機(jī)的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)模塊組中選取“d

7、c machine”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“直流電動(dòng)機(jī)”。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組“f+ - f-”接直流恒定勵(lì)磁電源，勵(lì)磁電源可從電源模塊組中選取直流電壓源模塊，并將電壓參數(shù)設(shè)置為220v，電樞繞組“a+ - a-”經(jīng)平波電抗器接晶閘管整流橋的輸出，電動(dòng)機(jī)經(jīng)tl端口接恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，直流電動(dòng)機(jī)的輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、電樞電流ia、勵(lì)磁電流if、電磁轉(zhuǎn)矩te。通過“示波器”模塊觀察仿真輸出圖形。電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)計(jì)步驟如下，雙擊直流電動(dòng)機(jī)圖標(biāo)，打開直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，直流電動(dòng)機(jī)的參數(shù)設(shè)置如圖8所示。參數(shù)設(shè)置的原則與晶閘管整流橋相同。圖8 直流電動(dòng)機(jī)參數(shù)設(shè)置同步脈沖觸發(fā)器的建模和參數(shù)設(shè)置。同步脈沖觸發(fā)器

8、包括同步電源和6脈沖觸發(fā)器兩部分。6脈沖觸發(fā)器可從附加控制（extras control blocks）子模塊組獲得。6脈沖觸發(fā)器需要用三相線電壓同步，所以同步電源的任務(wù)是將三相交流電源的相電壓轉(zhuǎn)換成線電壓。同步電源與6脈沖觸發(fā)器及封裝后的子系統(tǒng)符號(hào)如圖9（a）、（b）所示。 （a）同步電源6脈沖觸發(fā)器 （b）封裝后的子系統(tǒng)符號(hào)圖9 同步電源與6脈沖觸發(fā)器和封裝后的子系統(tǒng)符號(hào)至此，根據(jù)圖1主電路的連接關(guān)系，可建立起主電路的仿真模型，如圖2所示。圖中觸發(fā)器開關(guān)信號(hào)為“0”時(shí)，開放觸發(fā)器，開關(guān)型號(hào)為“1”時(shí)，封鎖觸發(fā)器。 （2）控制電路的建模和參數(shù)設(shè)置晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路只有一個(gè)給定環(huán)節(jié)，

9、它可以重輸入源模塊組子中選取“constant”模塊，并將模塊標(biāo)簽改為“給定信號(hào)”，然后雙擊該模塊圖標(biāo)，打開參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，將參數(shù)設(shè)置為50rad/s。實(shí)際調(diào)速時(shí)，給定信號(hào)是在一定范圍內(nèi)變化的，可以通過仿真實(shí)踐，確定給定信號(hào)允許的變化范圍。將主電路和控制電路的仿真模型按照晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)電器原理圖的連接關(guān)系進(jìn)行模型連接，即可得到圖6.1.2所示的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。4.2系統(tǒng)的仿真參數(shù)設(shè)置在matlab的模型窗口中打開“simulation”菜單，進(jìn)行“simulation parameters”設(shè)置，如圖10所示。圖10 仿真參數(shù)設(shè)置單擊“simulation parameters

10、”菜單后，得到仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，參數(shù)設(shè)置如圖11所示，仿真中所選擇的算法為ode23s。由于實(shí)際系統(tǒng)的多樣性，不同的系統(tǒng)需要采用不同的的仿真算法，到底采用哪一種算法，可通過仿真實(shí)踐進(jìn)行比較選擇。仿真“start time”一般設(shè)為0，“stop time”根據(jù)實(shí)際需要而定，這里設(shè)為10。圖11 仿真參數(shù)設(shè)置對(duì)話框及參數(shù)設(shè)置4.3系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模和參數(shù)設(shè)置完成后，即可開始進(jìn)行仿真，在matlab的模型窗口打開“simulation”菜單，單擊“star”命令后，系統(tǒng)開始仿真，仿真結(jié)束后可輸出仿真結(jié)果。單擊“示波器”命令后，通過“示波器”模塊進(jìn)行觀察仿真輸出圖形，如圖1

11、2所示，其中圖12（a）、（b）、（c）、（d）分別表示直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩te曲線、電樞電流ia曲線、角頻率曲線和角頻率與電樞電流ia的關(guān)系曲線。（a） 直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩te曲線（b） 直流電動(dòng)機(jī)電樞電流ia曲線（c） 直流電動(dòng)機(jī)角頻率曲線（d） 直流電動(dòng)機(jī)角頻率與電樞電流ia的關(guān)系曲線圖12 晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的輸出波形根據(jù)圖2的仿真模型，系統(tǒng)有兩種輸出方式：當(dāng)采用“示波器”模塊觀察仿真輸出結(jié)果是，只要在系統(tǒng)模型圖上雙擊“示波器”圖標(biāo)即可；當(dāng)采用“out 1”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時(shí)，可在matlab的命令窗口輸入繪圖命令“plot(tout,yout)”，即可得到未經(jīng)編輯的輸出圖形，然后

12、對(duì)其輸出圖形進(jìn)行編輯。最終可得編輯后的輸出圖形，如圖13所示。圖13顯示的分別是晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線?？梢钥闯觯@個(gè)結(jié)果和實(shí)際電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的結(jié)果相似，系統(tǒng)的建模與仿真是成功的。在晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)建模與仿真結(jié)束之際，對(duì)建模與常數(shù)設(shè)置的一些原則和方法歸納如下。系統(tǒng)建模時(shí)，將其分成主電路和控制電路兩部分分別進(jìn)行。在進(jìn)行常數(shù)設(shè)置時(shí)，晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動(dòng)機(jī)等裝置（固有環(huán)節(jié)）的參數(shù)設(shè)置原則如下，如果針對(duì)某個(gè)具體的裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，則對(duì)話框中的有關(guān)參數(shù)應(yīng)取該裝置的實(shí)際值；如果是不針對(duì)某個(gè)具體裝置的一般情況，課先取這些參數(shù)默認(rèn)值進(jìn)行仿真。若仿真結(jié)果理想，可認(rèn)可這些設(shè)置的參數(shù)；若

13、仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。圖13 編輯后的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線給定信號(hào)的變化范圍、調(diào)節(jié)器的參數(shù)和反饋檢測(cè)環(huán)節(jié)的反饋系統(tǒng)（閉環(huán)系統(tǒng)中使用）等可調(diào)參數(shù)的設(shè)置，其一般方法是通過仿真實(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。具體方法是分別設(shè)置這些參數(shù)的一個(gè)較大和較小值進(jìn)行仿真，弄清它們對(duì)系統(tǒng)性能洋相的趨勢(shì)，據(jù)此逐步將參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。仿真實(shí)踐根據(jù)實(shí)際需要而定，以能夠仿真出完整的波形為前提。由于實(shí)際系統(tǒng)的多樣性，沒有一種仿真算法是萬能的。不同的系統(tǒng)需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一種更好，這需要通過仿真實(shí)踐，從仿真能否進(jìn)行、仿真的速度、仿真的精度等方面進(jìn)行比較選擇。

14、5、實(shí)驗(yàn)結(jié)果 （1）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書試驗(yàn)步驟得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果如上各圖所示。通過仿真示波器可得，若各參數(shù)設(shè)置如上所述，且給定信號(hào)為50時(shí)，得到te、ia、的曲線分別如圖12（a）、圖12（b）、圖12（c）所示。由圖中的曲線可以求出：直流電動(dòng)機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩te的最大超調(diào)p，p=c(tp)-c()=655-50=605,調(diào)節(jié)時(shí)間是0.9，0.9后基本達(dá)到穩(wěn)定值為50；直流電動(dòng)機(jī)電流ia的最大超調(diào)是p，p=c(tp)-c()=365-28=337，調(diào)節(jié)時(shí)間是0.9，0.9后基本達(dá)到穩(wěn)定值為28；直流電動(dòng)機(jī)角頻率一直上升，直到到大穩(wěn)定狀態(tài)，它的調(diào)節(jié)時(shí)間是0.9，超調(diào)為0，穩(wěn)定后的值約為143。（2）

15、實(shí)驗(yàn)的有關(guān)參數(shù)電路總電阻值r=ra+rl+rn=0.6+0+0.001=0.601電樞回路電感l(wèi)的測(cè)定l=la+ld=0.012+0.005=0.017h直流電機(jī)-直流發(fā)電機(jī)-測(cè)速發(fā)電機(jī)組的飛輪慣量gd2=375tz/dn/dt =1 （3）實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置 有實(shí)驗(yàn)知當(dāng)改變給定信號(hào)時(shí)，各個(gè)波形會(huì)相應(yīng)改變，給定信號(hào)越大，ia、te最大值越小，穩(wěn)定后的值越大；穩(wěn)定后的值越小。曲線形狀相似。給定信號(hào)最大值/穩(wěn)定值teia10855/8475/5198/19820831/19462/11190/19030790/30437/16178/17840731/40406/22162/1626、 思考（1）閱讀電

16、力電子技術(shù)教材中有關(guān)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的內(nèi)容，弄清同步脈沖觸發(fā)器的工作原理。（2）學(xué)習(xí)教材中有關(guān)晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)各參數(shù)的測(cè)定方法。（3）直流電動(dòng)機(jī)有哪幾種調(diào)速方案？各有哪些特點(diǎn)？答：直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n和其他參量的關(guān)系可表示為 式中ua電樞供電電壓（v）；ia 電樞電流（a）；勵(lì)磁磁通（wb）； ra電樞回路總電阻（）；ce電勢(shì)系數(shù)，p為電磁對(duì)數(shù)，a為電樞并聯(lián)支路數(shù)，n為導(dǎo)體數(shù)。由式1可以看出，式中ua、ra、三個(gè)參量都可以成為變量，只要改變其中一個(gè)參量，就可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)有三種基本調(diào)速方法：改變電樞回路總電阻ra；改變電樞供電電壓ua；改變勵(lì)磁磁通。改變電樞回路電阻調(diào)速各

17、種直流電動(dòng)機(jī)都可以通過改變電樞回路電阻來調(diào)速。此時(shí)轉(zhuǎn)速特性公式為 式中rw為電樞回路中的外接電阻（）。當(dāng)負(fù)載一定時(shí)，隨著串入的外接電阻rw的增大，電樞回路總電阻r=(ra+rw)增大，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速就降低，rw的改變可用接觸器或主令開關(guān)切換來實(shí)現(xiàn)。這種調(diào)速方法為有級(jí)調(diào)速，調(diào)速比一般約為2：1左右，轉(zhuǎn)速變化率大，輕載下很難得到低速，效率低，故現(xiàn)在已極少采用。改變電樞電壓調(diào)速變電樞電壓調(diào)速是直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣的一種調(diào)速方法。在此方法中，由于電動(dòng)機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下磁通都不變，只是改變電動(dòng)機(jī)的供電電壓，因而在額定電流下，如果不考慮低速下通風(fēng)惡化的影響（也就是假定電動(dòng)機(jī)是強(qiáng)迫通風(fēng)或?yàn)榉忾]自冷式），則不論

18、在高速還是低速下，電動(dòng)機(jī)都能輸出額定轉(zhuǎn)矩，故稱這種調(diào)速方法為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這是它的一個(gè)極為重要的特點(diǎn)。如果采用反饋控制系統(tǒng)，調(diào)速范圍可達(dá)50:1150：1,甚至更大。采用晶閘管變流器供電的調(diào)速方法圖14(a) 晶閘管供電的調(diào)速電路 (b) 晶閘管供電時(shí)調(diào)速系統(tǒng)的機(jī)械特性圖14(b)中的每一條機(jī)械特性曲線都由兩段組成，在電流連續(xù)區(qū)特性還比較硬，改變延遲角a時(shí)，特性呈一簇平行的直線，它和發(fā)電機(jī)-電動(dòng)機(jī)組供電時(shí)的完全一樣。但在電流斷續(xù)區(qū)，則為非線性的軟特性。這是由于晶閘管整流器在具有反電勢(shì)負(fù)載時(shí)電流易產(chǎn)生斷續(xù)造成的。采用大功率半導(dǎo)體器件的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速方法脈寬調(diào)速系統(tǒng)出現(xiàn)的歷史久遠(yuǎn)，但因缺乏高速大

19、功率開關(guān)器件而未能及時(shí)在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用?，F(xiàn)在，由于大功率晶體管(gtr)，特別是igbt功率器件的制造工藝成熟、成本不斷下降，大功率半導(dǎo)體器件實(shí)現(xiàn)的直流電動(dòng)機(jī)脈寬調(diào)速系統(tǒng)才獲得迅猛發(fā)展，目前其最大容量已超過幾十兆瓦數(shù)量級(jí)。改變勵(lì)磁電流調(diào)速當(dāng)電樞電壓恒定時(shí)，改變電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流也能實(shí)現(xiàn)調(diào)速。由式1可看出，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速與磁通（也就是勵(lì)磁電流）成反比，即當(dāng)磁通減小時(shí)，轉(zhuǎn)速n升高；反之，則n降低。與此同時(shí)，由于電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩te是磁通和電樞電流ia的乘積（即te=ctia），電樞電流不變時(shí)，隨著磁通的減小，其轉(zhuǎn)速升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地減小。所以，在這種調(diào)速方法中，隨著電動(dòng)機(jī)磁通的減小，其轉(zhuǎn)矩升高，轉(zhuǎn)矩也會(huì)相應(yīng)地降低。在額定電壓和額定電流下，不同轉(zhuǎn)速時(shí)，電動(dòng)機(jī)始終可以輸出額定功率，因此這種調(diào)速方法稱為恒功率調(diào)速。為了使電動(dòng)機(jī)的容量能得到充分利用，通常只是在電動(dòng)機(jī)基