功率电子课程设计-晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验

1、晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验晶闸管直流调速系统在电气传动领域中应用的非常广泛，在理论和实践等方面都是比较成熟的系统。由于它的技术性能优越，在生产企业中，如各种金属切削机床、轧钢机、挖掘机等方面得到了日益广泛的应用。因此，加强对晶闸管直流调速系统的认识和掌握，可大大提高该专业学生解决实际问题的能力。本课程设计介绍了晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验的实验目的、实验原理、实验内容、计算机仿真实验、实验总结等内容。1、实验目的（1） 熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。（2） 掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。2、实验原理晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管

2、整流调速装置、平波电抗器、电动机发电机住等组成。在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压Uct，改变Ug的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。实验系统的组成原理如图1所示。图1 晶闸管直流调速实验系统原理图3、实验内容（1） 测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值R。（2） 测定晶闸管直流调速系统住电感值L。（3） 测定直流电机直流发电机测速发电机组的飞轮惯量GD2。（4） 测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td。（5） 测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM。（6） 测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM。

3、（7） 测定晶闸管出发及整流装置特性Ud=(Uct)。（8） 测定测速发电机特性UTG=（n）。4、实验仿真晶闸管直流调速实验系统的原理图如图1所示。该系统由给定信号、同步脉冲触发器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。图2是采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。下面介绍各部分建模与常数设置过程。图2 晶闸管开环直流调速系统的仿真模型4.1系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。 （1）主电路的建模和参数设置由图2可见，开环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等部分组成。由于同步脉冲触发

4、器与晶闸管整流桥不可分割的两个环节，通常作为一个组合体来讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。 三相对称交流电压源的建模和参数设置。首先从电源模块中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并用模块标题名称修改方法将模块标签分别改为“A相”、“B相”、“C相”，然后从连接器模块中选取“Ground”元件和“Bus Bar”元件，按图1主电路图进行连接。为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，在A相交流电压源参数设置中，幅值取220V，初相位设置成0，频率为50Hz，其他为默认值，如图3所示。B、C相

5、交流电源参数设置方法与A相位基本相同，除了将初相位设置成互差120外，其他参数与A相相同，如图4和图5所示。由此可得到三相对称交流电源。晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从电力电子模块组中选取“Universal Bridge”模块，并将模块标签改为“晶闸管整流桥”，然后双击模块图标，打开SCR整流桥参数设置对话框，参数设置如图6所示。当采用三相整流桥时，桥臂数取3，A、B、C三相交流电源接到整流桥的输入端，电力电子元件选择晶闸管。参数设置的原则如下，如果是针对某个集体的变流装置进行设置，对话框中的RS、CS、RON、LON、Vf应取该装置中晶闸管元件的实际值，如果是一般情况，不针对某个集体的

6、变流装置，这些参数可先取默认值进行仿真。若仿真结果理想，就可认可这些设置的参数，若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。这一参数设置原则对其他环节的参数设置也是适用的。 图3 A相电源参数设置 图4 B相电源参数设置图5 C相电源参数设置图6 SCR整流桥参数设置平波电抗器的建模和参数设置。首先从模块中选取“Series RLC Branch”模块，并将标签改为“平波电抗器”，然后打开平波电抗器参数设置对话框，参数设置如图7所示，平波电抗器的电感值是通过仿真实验比较后得到的优化参数。图7 平波电抗器参数设置直流电动机的建模和参数设置。首先从电动机系统模块组中选取“D

7、C Machine”模块，并将模块标签改为“直流电动机”。直流电动机的励磁绕组“F+ - F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源可从电源模块组中选取直流电压源模块，并将电压参数设置为220V，电枢绕组“A+ - A-”经平波电抗器接晶闸管整流桥的输出，电动机经TL端口接恒转矩负载，直流电动机的输出参数有转速n、电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te。通过“示波器”模块观察仿真输出图形。电动机的参数设计步骤如下，双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数设置对话框，直流电动机的参数设置如图8所示。参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。图8 直流电动机参数设置同步脉冲触发器的建模和参数设置。同步脉冲触发器

8、包括同步电源和6脉冲触发器两部分。6脉冲触发器可从附加控制（Extras Control Blocks）子模块组获得。6脉冲触发器需要用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。同步电源与6脉冲触发器及封装后的子系统符号如图9（a）、（b）所示。 （a）同步电源6脉冲触发器 （b）封装后的子系统符号图9 同步电源与6脉冲触发器和封装后的子系统符号至此，根据图1主电路的连接关系，可建立起主电路的仿真模型，如图2所示。图中触发器开关信号为“0”时，开放触发器，开关型号为“1”时，封锁触发器。 （2）控制电路的建模和参数设置晶闸管直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，

9、它可以重输入源模块组子中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定信号”，然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为50rad/s。实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，可以通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。将主电路和控制电路的仿真模型按照晶闸管直流调速系统电器原理图的连接关系进行模型连接，即可得到图6.1.2所示的晶闸管直流调速系统仿真模型。4.2系统的仿真参数设置在MATLAB的模型窗口中打开“Simulation”菜单，进行“Simulation Parameters”设置，如图10所示。图10 仿真参数设置单击“Simulation Parameters

10、”菜单后，得到仿真参数设置对话框，参数设置如图11所示，仿真中所选择的算法为ode23s。由于实际系统的多样性，不同的系统需要采用不同的的仿真算法，到底采用哪一种算法，可通过仿真实践进行比较选择。仿真“Start time”一般设为0，“Stop time”根据实际需要而定，这里设为10。图11 仿真参数设置对话框及参数设置4.3系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析当建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真，在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，单击“Star”命令后，系统开始仿真，仿真结束后可输出仿真结果。单击“示波器”命令后，通过“示波器”模块进行观察仿真输出图形，如图1

11、2所示，其中图12（a）、（b）、（c）、（d）分别表示直流电动机的电磁转矩Te曲线、电枢电流Ia曲线、角频率曲线和角频率与电枢电流Ia的关系曲线。（a） 直流电动机电磁转矩Te曲线（b） 直流电动机电枢电流Ia曲线（c） 直流电动机角频率曲线（d） 直流电动机角频率与电枢电流Ia的关系曲线图12 晶闸管直流调速系统的输出波形根据图2的仿真模型，系统有两种输出方式：当采用“示波器”模块观察仿真输出结果是，只要在系统模型图上双击“示波器”图标即可；当采用“out 1”模块观察仿真输出结果时，可在MATLAB的命令窗口输入绘图命令“plot(tout,yout)”，即可得到未经编辑的输出图形，然后

12、对其输出图形进行编辑。最终可得编辑后的输出图形，如图13所示。图13显示的分别是晶闸管直流调速系统的电流曲线和转速曲线。可以看出，这个结果和实际电动机运行的结果相似，系统的建模与仿真是成功的。在晶闸管直流调速系统建模与仿真结束之际，对建模与常数设置的一些原则和方法归纳如下。系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行。在进行常数设置时，晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置（固有环节）的参数设置原则如下，如果针对某个具体的装置进行参数设置，则对话框中的有关参数应取该装置的实际值；如果是不针对某个具体装置的一般情况，课先取这些参数默认值进行仿真。若仿真结果理想，可认可这些设置的参数；若

13、仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。图13 编辑后的晶闸管直流调速系统的电流曲线和转速曲线给定信号的变化范围、调节器的参数和反馈检测环节的反馈系统（闭环系统中使用）等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真实验，不断进行参数优化。具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小值进行仿真，弄清它们对系统性能洋相的趋势，据此逐步将参数进行优化。仿真实践根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。由于实际系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。不同的系统需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一种更好，这需要通过仿真实践，从仿真能否进行、仿真的速度、仿真的精度等方面进行比较选择。

14、5、实验结果 （1）实验结果分析按实验指导书试验步骤得到实验结果如上各图所示。通过仿真示波器可得，若各参数设置如上所述，且给定信号为50时，得到Te、Ia、的曲线分别如图12（a）、图12（b）、图12（c）所示。由图中的曲线可以求出：直流电动机电磁转矩Te的最大超调p，p=C(tp)-C()=655-50=605,调节时间是0.9，0.9后基本达到稳定值为50；直流电动机电流Ia的最大超调是p，p=C(tp)-C()=365-28=337，调节时间是0.9，0.9后基本达到稳定值为28；直流电动机角频率一直上升，直到到大稳定状态，它的调节时间是0.9，超调为0，稳定后的值约为143。（2）

15、实验的有关参数电路总电阻值R=Ra+Rl+Rn=0.6+0+0.001=0.601电枢回路电感L的测定L=La+Ld=0.012+0.005=0.017H直流电机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2=375Tz/dn/dt =1 （3）实验参数设置 有实验知当改变给定信号时，各个波形会相应改变，给定信号越大，Ia、Te最大值越小，稳定后的值越大；稳定后的值越小。曲线形状相似。给定信号最大值/稳定值TeIa10855/8475/5198/19820831/19462/11190/19030790/30437/16178/17840731/40406/22162/1626、 思考（1）阅读电

16、力电子技术教材中有关晶闸管直流调速系统的内容，弄清同步脉冲触发器的工作原理。（2）学习教材中有关晶闸管直流调速系统各参数的测定方法。（3）直流电动机有哪几种调速方案？各有哪些特点？答：直流电动机的转速n和其他参量的关系可表示为 式中Ua电枢供电电压（V）；Ia 电枢电流（A）；励磁磁通（Wb）； Ra电枢回路总电阻（）；CE电势系数，p为电磁对数，a为电枢并联支路数，N为导体数。由式1可以看出，式中Ua、Ra、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：改变电枢回路总电阻Ra；改变电枢供电电压Ua；改变励磁磁通。改变电枢回路电阻调速各

17、种直流电动机都可以通过改变电枢回路电阻来调速。此时转速特性公式为 式中Rw为电枢回路中的外接电阻（）。当负载一定时，随着串入的外接电阻Rw的增大，电枢回路总电阻R=(Ra+Rw)增大，电动机转速就降低，Rw的改变可用接触器或主令开关切换来实现。这种调速方法为有级调速，调速比一般约为2：1左右，转速变化率大，轻载下很难得到低速，效率低，故现在已极少采用。改变电枢电压调速变电枢电压调速是直流电机调速系统中应用最广的一种调速方法。在此方法中，由于电动机在任何转速下磁通都不变，只是改变电动机的供电电压，因而在额定电流下，如果不考虑低速下通风恶化的影响（也就是假定电动机是强迫通风或为封闭自冷式），则不论

18、在高速还是低速下，电动机都能输出额定转矩，故称这种调速方法为恒转矩调速。这是它的一个极为重要的特点。如果采用反馈控制系统，调速范围可达50:1150：1,甚至更大。采用晶闸管变流器供电的调速方法图14(a) 晶闸管供电的调速电路 (b) 晶闸管供电时调速系统的机械特性图14(b)中的每一条机械特性曲线都由两段组成，在电流连续区特性还比较硬，改变延迟角a时，特性呈一簇平行的直线，它和发电机-电动机组供电时的完全一样。但在电流断续区，则为非线性的软特性。这是由于晶闸管整流器在具有反电势负载时电流易产生断续造成的。采用大功率半导体器件的直流电动机脉宽调速方法脉宽调速系统出现的历史久远，但因缺乏高速大

19、功率开关器件而未能及时在生产实际中推广应用。现在，由于大功率晶体管(GTR)，特别是IGBT功率器件的制造工艺成熟、成本不断下降，大功率半导体器件实现的直流电动机脉宽调速系统才获得迅猛发展，目前其最大容量已超过几十兆瓦数量级。改变励磁电流调速当电枢电压恒定时，改变电动机的励磁电流也能实现调速。由式1可看出，电动机的转速与磁通（也就是励磁电流）成反比，即当磁通减小时，转速n升高；反之，则n降低。与此同时，由于电动机的转矩Te是磁通和电枢电流Ia的乘积（即Te=CTIa），电枢电流不变时，随着磁通的减小，其转速升高，转矩也会相应地减小。所以，在这种调速方法中，随着电动机磁通的减小，其转矩升高，转矩也会相应地降低。在额定电压和额定电流下，不同转速时，电动机始终可以输出额定功率，因此这种调速方法称为恒功率调速。为了使电动机的容量能得到充分利用，通常只是在电动机基