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

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)定一、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。二、實(shí)驗(yàn)原理晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)由整流變壓器、晶閘管整流調(diào)速裝置、平波電抗器、電動(dòng)機(jī)-發(fā)動(dòng)機(jī)組等組成。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)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)速試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖三、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)主電路電感值L。（3

2、） 測(cè)定直流電動(dòng)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。（7） 測(cè)定晶閘管觸發(fā)及整流裝置特性。（8） 測(cè)定測(cè)速發(fā)電機(jī)特性。四、實(shí)驗(yàn)仿真晶體管直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)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

3、）主電路的建模與參數(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(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)器與晶閘管整流橋是不可分割的兩個(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。首先從電源模塊組中選取一個(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(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。

4、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相交流電源參數(shù)設(shè)置方法與A相基本相同，除了將初相位設(shè)置成互差120°外，其他參數(shù)與A相相同。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“Universal Bridge”模塊，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4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)具體的

5、變流裝置進(jìn)行參數(shù)設(shè)置，對(duì)話框中的Rs、Cs、RON、LON、Vf應(yīng)取該裝置中的晶閘管元件的實(shí)際值，如果是一般情況，不針對(duì)某個(gè)具體的變流裝置，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)置的原則對(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 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(duì)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(shí)驗(yàn)比較后得到的優(yōu)化參數(shù)。 圖5 平波電抗器參數(shù)

6、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“DC Machine”模塊。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)置步驟如下，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6。參數(shù)設(shè)置的原則與晶閘管整流橋相同。圖6 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)

7、設(shè)置。同步脈沖觸發(fā)器包括同步電源與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(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(hào)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(hào)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(hào)為“0”時(shí)，開放觸發(fā)器，開關(guān)信號(hào)為“1”時(shí)，關(guān)閉觸發(fā)器。（2）控制電路的建模與參數(shù)設(shè)置

8、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)，它可以從輸入模塊組中選取“Constant”模塊，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，讀者可通過仿真實(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的直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖的連接關(guān)系進(jìn)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(jìn)行“Configuration Parameters”設(shè)置,如圖8所示。圖8 仿真參數(shù)配置單擊“Configuration Pa

9、rameters”菜單后，得到仿真參數(shù)配置對(duì)話框，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(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。圖9 仿真參數(shù)配置對(duì)話框及參數(shù)配置4.3 系統(tǒng)的仿真、仿真結(jié)果的輸出及結(jié)果分析當(dāng)建模與參數(shù)配置完成后，即可開始進(jìn)行仿真。在MATLAB的模型窗口打開“Simulation”菜單，單擊“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

10、)、(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)電樞電磁轉(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(dāng)采用“示波器”模塊觀察仿真輸出結(jié)果時(shí)，只要在系統(tǒng)模型圖上雙擊“示波器”圖標(biāo)即可；當(dāng)采用“out1”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，然后對(duì)其輸出圖形進(jìn)行編輯。最終可

11、得編輯后的輸出圖形，如圖11所示。圖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?？梢钥闯?，這個(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)建模和仿真結(jié)束之際，對(duì)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(shí)，將其分為主電路和控制電路兩部分分別進(jìn)行。在進(jìn)行參數(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，可先取這些裝置的參數(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)；若仿真結(jié)果不理想，則通過

12、仿真實(shí)驗(yàn)，不斷時(shí)行參數(shù)優(yōu)化，最后確定其參數(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(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(shí)驗(yàn)，不斷進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。具體方法分別設(shè)置這些參數(shù)的一個(gè)較大和一個(gè)較小值時(shí)行仿真，弄清它們對(duì)系統(tǒng)性能影響的趨勢(shì)，據(jù)此逐步將參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。仿真時(shí)間根據(jù)實(shí)際需要而定，以能夠仿真出完整的波型為前提。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，到底采用哪一種算法更好，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。上述內(nèi)同具有一般

13、指導(dǎo)意義，在討論后面各種系統(tǒng)時(shí)，遇到類似問題就不再細(xì)述了。五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.1 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。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10(a)、(b)、(c)所示。Te的最大值為957，調(diào)節(jié)時(shí)間是1.1，1.1后基本達(dá)到穩(wěn)定值（約54）；Ia的最大值是580，調(diào)節(jié)時(shí)間是1.0，1.0后基本達(dá)到穩(wěn)定值（約33）；的調(diào)節(jié)時(shí)間是0.5，沒超調(diào)，穩(wěn)定后值約為212。5.2 實(shí)驗(yàn)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(cè)定L=La+Ld=0.01+0.005=0.

14、015H5.3 實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置由實(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最大值越大，穩(wěn)定后的值也越大；穩(wěn)定后的值越小。如當(dāng)信號(hào)為100時(shí)，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(hào)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(hào)經(jīng)過零比較后得到的同步信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后送入單片機(jī)管腳，形成同步信號(hào)；單片機(jī)根據(jù)同步信號(hào)產(chǎn)生觸發(fā)脈沖，該脈沖經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路放大后由脈沖變壓器送晶閘管。同時(shí)單片機(jī)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，

15、并由計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)時(shí)間的對(duì)應(yīng)，使單片機(jī)通過對(duì)計(jì)數(shù)時(shí)間的控制來達(dá)到控制移相角。6.2 直流電動(dòng)機(jī)有哪幾種調(diào)速方案？各有哪些特點(diǎn)？答：調(diào)速的方法有三種：改變電源電壓U調(diào)速。特點(diǎn)：可以實(shí)現(xiàn)平滑無機(jī)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(diǎn)：損耗較大，效率較低。當(dāng)輕載時(shí)，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(lì)磁回路電阻Rcf調(diào)速。特點(diǎn)：改變磁通調(diào)速時(shí)，必須降低負(fù)載轉(zhuǎn)矩。七、課程設(shè)計(jì)心得通過本次課程設(shè)計(jì)，我進(jìn)一步熟悉了晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)的組成及其基本結(jié)構(gòu)，同時(shí)也掌握了晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)及反饋環(huán)節(jié)的測(cè)定方法。在這兩個(gè)星期的實(shí)踐學(xué)習(xí)中，我對(duì)功率電子學(xué)的的知識(shí)有了較為深入的理解，發(fā)現(xiàn)“理論+實(shí)踐”的方式更有利于對(duì)知識(shí)的接受。同時(shí)，我也進(jìn)一步學(xué)習(xí)了matlab仿真（Simulink）的使用。學(xué)習(xí)知識(shí)是一個(gè)過程，應(yīng)用知識(shí)是另一個(gè)過程。通過本次課程設(shè)計(jì)，我認(rèn)識(shí)到對(duì)知識(shí)的掌握不僅要“求是”，還要“創(chuàng)新”！只有腳踏實(shí)地、求真