晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定

1、晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)和環(huán)節(jié)特性的測定一、實驗目的（1） 熟悉晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與其基本結(jié)構(gòu)。（2） 掌握晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)與反饋環(huán)節(jié)測定方法。二、實驗原理晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器、電動機-發(fā)動機組等組成。在本實驗中，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)直流電壓，以滿足實驗要求。實驗系統(tǒng)的組成原理如圖1所示。圖1晶閘管直流調(diào)速試驗系統(tǒng)原理圖三、實驗容（1） 測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路總電阻值R。（2） 測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路電感值L。（3）

2、測定直流電動機-直流發(fā)電機-測速發(fā)電機組的飛輪慣量GD2。（4） 測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)主電路電磁時間常數(shù)Td。（5） 測定直流電動機電勢常數(shù)Ce和轉(zhuǎn)矩常數(shù)CM。（6） 測定晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)機電時間常數(shù)TM。（7） 測定晶閘管觸發(fā)與整流裝置特性。（8） 測定測速發(fā)電機特性。四、實驗仿真晶體管直流調(diào)速實驗系統(tǒng)原理圖如圖1所示。該系統(tǒng)由給定信號、同步脈沖觸發(fā)器、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成。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。下面介紹各部分的建模與參數(shù)設(shè)置過程。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與控制電路的建模兩部分。（1）主

3、電路的建模與參數(shù)設(shè)置由圖2可見，開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的主電路由三相對稱交流電壓源、晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等部分組成。由于同步脈沖觸發(fā)器與晶閘管整流橋是不可分割的兩個環(huán)節(jié)，通常作為一個組合體來討論，所以將觸發(fā)器歸到主電路進行建模。三相對稱交流電壓源的建模和參數(shù)設(shè)置。首先從電源模塊組中選取一個交流電壓源模塊，再用復制的方法得到三相電源的另兩個電壓源模塊，并用模塊標題名稱修改方法將模塊標簽分別改為“A相”、“B相”、“C相”，然后從元件模塊圖2 晶閘管開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型組中選取“Ground”元件，按圖1主電路進行連接。為了得到三相對稱交流電壓源，其參數(shù)設(shè)置方法與參數(shù)設(shè)置如下。雙擊

4、A相交流電壓源圖標，打開電壓源參數(shù)設(shè)置對話框，在A相交流電源參數(shù)設(shè)置中，幅值取220V，初相位設(shè)置成0，頻率為50Hz,其他為默認值，如圖3所示。B、C相交流電源參數(shù)設(shè)置方法與A相基本一樣，除了將初相位設(shè)置成互差120外，其他參數(shù)與A相一樣。由此可得到三相對稱交流電源。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“UniversalBridge”模塊，然后雙擊模塊圖標，打開SCR整流橋參數(shù)設(shè)置對話框，參數(shù)設(shè)置如圖4所示。當采用三相整流橋時，橋臂數(shù)取3，A、B、C三相交流電源接到整流橋輸入端，電力電子元件選擇晶閘管。參數(shù)設(shè)置的原則如下，如果是針對某個具體的變流裝置進行參數(shù)設(shè)置，對話框中

5、的Rs、Cs、RON、LON、Vf應取該裝置中的晶閘管元件的實際值，如果是一般情況，不針對某個具體的變流裝置，這些參數(shù)可先取默認值進行仿真。若仿真結(jié)果理想，就可認可這些設(shè)置的參數(shù)，若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(shù)。這一參數(shù)設(shè)置的原則對其他環(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 SCR整流橋參數(shù)設(shè)置平波電抗器的建模與參數(shù)設(shè)置。首先從元件模塊組中選“Series RLC Branch”模塊，然后打開平波電抗器參數(shù)設(shè)置的對話框，參數(shù)設(shè)置如圖5所示，平波電抗器的電感值是通過仿真實驗比較后得到的優(yōu)化參數(shù)。 圖5 平波電抗器參數(shù)設(shè)置直流電動機的建模和參數(shù)設(shè)置

6、。首先從電動機系統(tǒng)模塊組中選取“DC Machine”模塊。直流電動機的勵磁繞組“F+-F-”接直流恒定勵磁電源，勵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，電動機經(jīng)TL端口接恒轉(zhuǎn)矩負載，直流電動機的輸出參數(shù)有轉(zhuǎn)速n、電樞電流Ia、勵磁電流If、電磁轉(zhuǎn)矩Te，通過“示波器”模塊觀察仿真輸出圖形。電動機的參數(shù)設(shè)置步驟如下，雙擊直流電動機圖標，打開直流電動機的參數(shù)設(shè)置對話框，直流電動機的參數(shù)設(shè)置如圖6。參數(shù)設(shè)置的原則與晶閘管整流橋一樣。圖6直流電動機參數(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)器包括同步電源

7、與6脈沖觸發(fā)器兩部分。6脈沖觸發(fā)器可從附加庫模塊組(Extra Library)中的控制子模塊組(Control Blocks)獲得。6脈沖觸發(fā)器需用三相線電壓同步，所以同步電源的任務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)器與封裝后的子系統(tǒng)符號如圖7(a)(b)所示。 (a)同步電源與6脈沖觸發(fā)器 (b)封裝后的子系統(tǒng)符號圖7 同步電源與6脈沖觸發(fā)器和封裝后的子系統(tǒng)符號至此，根據(jù)圖1主電路的連接關(guān)系，則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)信號為“0”時，開放觸發(fā)器，開關(guān)信號為“1”時，關(guān)閉觸發(fā)器。（2）控制電路的建模與參數(shù)設(shè)置晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的控制電路只有

8、一個給定環(huán)節(jié)，它可以從輸入模塊組中選取“Constant”模塊，然后雙擊該模塊圖標，打開參數(shù)設(shè)置對話框，將參數(shù)設(shè)置為50rad/s。實際調(diào)速時，給定信號是在一定圍變化的，讀者可通過仿真實踐，確定給定信號允許的變化圍。將主電路和控制電路的仿真模型按照晶閘管的直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖的連接關(guān)系進行模塊連接，即可得到圖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)配置在MATLAB的模型窗口打開“Simulation”菜單，進行“Configuration Parameters”設(shè)置,如圖8所示。圖8 仿真參數(shù)配置單擊“Configuration Parameters”菜單后，得到仿真參數(shù)

9、配置對話框，仿真中所選擇的算法為ode23s。由于實際系統(tǒng)的多樣性，不同系統(tǒng)需要不同的仿真算法，到底采用哪一種算法，可通過仿真實踐進行比較選擇。仿真“Start time”一般設(shè)為0,“Stop time”根據(jù)實際需要而定。圖9 仿真參數(shù)配置對話框與參數(shù)配置4.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出與結(jié)果分析當建模與參數(shù)配置完成后，即可開始進行仿真。在MATLAB的模型窗口打開“Simulation”菜單，單擊“Start”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”模塊觀察仿真輸出圖形，如圖10所示，其中圖10(a)、(b)、(c)、(d)分別表示直流電動機的

10、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) 直流電動機電樞電磁轉(zhuǎn)矩Te曲線(b) 直流電動機電樞電流Ia曲線(c) 直流電動機角頻率曲線(d) 直流電動機角頻率與電樞電流Ia的關(guān)系曲線圖10 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)有兩種輸出試：當采用“示波器”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時，只要在系統(tǒng)模型圖上雙擊“示波器”圖標即可；當采用“out1”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時，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，然后對其輸出圖形進行編輯。最終可得編輯后的輸出圖形，如圖11所示。圖11

11、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。可以看出，這個結(jié)果和實際電動機運行的結(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)建模和仿真結(jié)束之際，對建模和參數(shù)設(shè)置的一些原則和方法歸納如下。系統(tǒng)建模時，將其分為主電路和控制電路兩部分分別進行。在進行參數(shù)設(shè)置時，晶閘管整流橋、平波電抗器、直流電動機等裝置（固有環(huán)節(jié)）的參數(shù)設(shè)置原則如下，如果針對某個具體的裝置進行參數(shù)設(shè)置，則對話框中的有關(guān)參數(shù)應取該裝置的實際值；如果是不針對某個具體裝置的一般情況，可先取這些裝置的參數(shù)默認值進行仿真。若仿真結(jié)果理想，可認可這些設(shè)置的參數(shù)；若仿真結(jié)果不理想，則通過仿真實驗，不斷時行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參

12、數(shù)。圖11 編輯后的晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的電流曲線和轉(zhuǎn)速曲線給定信號的變化圍、調(diào)節(jié)器的參數(shù)和反饋檢測環(huán)節(jié)的反饋系數(shù)（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驗，不斷進行參數(shù)優(yōu)化。具體方法分別設(shè)置這些參數(shù)的一個較大和一個較小值時行仿真，弄清它們對系統(tǒng)性能影響的趨勢，據(jù)此逐步將參數(shù)進行優(yōu)化。仿真時間根據(jù)實際需要而定，以能夠仿真出完整的波型為前提。由于實際系統(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，到底采用哪一種算法更好，這需要通過仿真實踐，從仿真能否進行、仿真的速度、仿真的精度等方面進行比較選擇。上述同具有一般指導意義，在討論后面各種系統(tǒng)時，遇到類似問題

13、就不再細述了。五、實驗結(jié)果5.1 實驗結(jié)果分析按實驗指導書試驗步驟得到實驗結(jié)果如上各圖所示。若各參數(shù)設(shè)置如上所述，且給定信號為50時，得到Te、Ia、的曲線分別如圖10(a)、(b)、(c)所示。Te的最大值為957，調(diào)節(jié)時間是1.1，1.1后基本達到穩(wěn)定值（約54）；Ia的最大值是580，調(diào)節(jié)時間是1.0，1.0后基本達到穩(wěn)定值（約33）；的調(diào)節(jié)時間是0.5，沒超調(diào)，穩(wěn)定后值約為212。5.2 實驗的有關(guān)參數(shù)、電路總電阻值R=Ra+RL+Rn=0.5+0+0.00001=0.50001、電樞回路電感L的測定L=La+Ld=0.01+0.005=0.015H5.3 實驗參數(shù)設(shè)置由實驗知當改變給

14、定信號時，各個波形會相應改變，給定信號越大，Ia、Te最大值越大，穩(wěn)定后的值也越大；穩(wěn)定后的值越小。如當信號為100時，Te的最大值為969，穩(wěn)定值約104；Ia的最大超調(diào)是587，穩(wěn)定值約63；穩(wěn)定后值約為203。波形與信號為50相似，只是幅值發(fā)生變化。六、思考題6.1 同步脈沖觸發(fā)器的工作原理答：同步觸發(fā)器將同步變壓器降壓后的信號經(jīng)過零比較后得到的同步信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機管腳，形成同步信號；單片機根據(jù)同步信號產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，該脈沖經(jīng)驅(qū)動電路放大后由脈沖變壓器送晶閘管。同時單片機采集主電路的電壓和電流反饋值，根據(jù)PI調(diào)節(jié)將反饋值換算為移相角，并由計數(shù)器實現(xiàn)計數(shù)時間的對應，使單片機通過對

15、計數(shù)時間的控制來達到控制移相角。6.2 直流電動機有哪幾種調(diào)速方案？各有哪些特點？答：調(diào)速的方法有三種：改變電源電壓U調(diào)速。特點：可以實現(xiàn)平滑無機調(diào)速，但需要附加調(diào)壓設(shè)備。在電樞回路串聯(lián)電阻Rs調(diào)速。特點：損耗較大，效率較低。當輕載時，電樞電流較小，串聯(lián)電阻后，轉(zhuǎn)速變化不大，但是設(shè)備簡單 。調(diào)節(jié)勵磁回路電阻Rcf調(diào)速。特點：改變磁通調(diào)速時，必須降低負載轉(zhuǎn)矩。七、課程設(shè)計心得通過本次課程設(shè)計，我進一步熟悉了晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的組成與其基本結(jié)構(gòu)，同時也掌握了晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)與反饋環(huán)節(jié)的測定方法。在這兩個星期的實踐學習中，我對功率電子學的的知識有了較為深入的理解，發(fā)現(xiàn)“理論+實踐”的方式更有利于對知識的接受。同時，我也進一步學習了matlab仿真（Simulink）的使用。學習知識是一個過程，應用知識是另一個過程。通過本次課程設(shè)計，我認識到對知識的掌握不僅要“”，還要“創(chuàng)新”！只有腳踏實地、求真務實，我們才學有所成；只