交直流调速实验报告 昆明学院

1、昆 明 学 院实验报告册专业： 电气工程及其自动化班级： 2014级电气 1班 姓名： 杨元 学号： 201404170216 课程： 交直流调速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： 开环直流调速系统的仿真实验 实验时间： 2017.6 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： (1)从转速方程可以看出，调节电枢供电电压Ua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

2、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Uc，可以调节晶闸管的触发角，从而改变整流电路的输出电压平均值Ud，实现直流电动机的调速。图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、实验仿真结果：图1-1 开环直流调速系

3、统simulink仿真图2、实验图表：开环直流调速系统数据直流电动机额定参数：UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，四极，Ra=0.21，GD2=22.5Nm2。励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。三相桥式整流器内阻为Rrec=0.5。平波电抗器Ld=20mH。参数:供电电源电压 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 额定负载转矩 图1-2直流电动机开环调速系统模型参数图1-3直流电动机转速与转矩之间的关系曲线电动机转速图1-4电动机转矩图1-5电枢电流图

4、1-67整流输出电压图1-7三、实验思考（完成相应的实验思考题，提出实验的改进方法）：1、总结三相桥式整流电路中触发角与输出直流电压平均值Ud之间的关系。 2、总结开环直流调速系统转速n与转矩Te之间的关系。 系统机械特性方程式为： 或用转矩表示： 式中 电动机在额定磁通下的转矩系数，; 理想空载转速，与电压系数成正比，。 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和调速范围D。 解：电动机的电动势系数： v.min/r =0.1311 v.min/r 则 r/min r/min 静差率 =30% 调速范围： =2.87实验项目名称

5、： 转速闭环控制的直流调速系统仿真实验 实验时间： 2017.6 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Ua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Uc，可以调节晶闸管的触发角，从而改变整流电路的输出电压平均值Ud，实现直流电动机的调速。3 负反馈控制原理带转速

6、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Un减小，而转速的偏差Un将增加，同时放大器输出控制电压Uc增加，Uc的增加将使得晶闸管的触发角减小，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Ua，从而增大电动机的电枢电流Ia。电动机的电磁转矩为，运动方程为： （1）根据电磁转矩公式和运动方程可知，Ia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。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

7、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、实验仿真结果：图2-1转速闭环控制的直流调速Simulink系统仿真2、实验图表：转速闭环控制直流调速系统数据直流电动机额定参数：UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，四极，Ra=0.21，GD2=22.5Nm2。励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。三相桥式整流器内阻为Rrec=0.5。平波电抗器Ld=10mH。三相电源：相电压1

8、30V，频率50Hz，转速反馈系数Kn=0.0067，比例放大系数Kp=20（可按需要调节），饱和限幅为10。图2-2转速闭环控制的直流调速系统模型参数图2-3直流电动机转速与转矩之间的关系曲线图2-4电磁转矩相应曲线 图2-5电流转矩曲线直流电动机转速图2-6PI调节的转速响应曲线PI调节电流响应曲线PI电磁转矩曲线PI调节的转速转矩曲线由P调节和PI的转速曲线得：P调节快速虽然很好，但是其超调量较大，并且存在误差。引入I调节能很好的改善系统的误差。PI调节能满足系统的稳态性能指标。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、根据所给数据，计算在同样的负载扰动下，转速闭环控

9、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。解：系统开环系统机械特性为： 而闭环时的静特性可写成 比较以上两式可得: 可见，比减小了1+K倍，当K值较大时，闭环系统的特性要硬得多。 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。 解:由式 ，闭环系统和开环系统的静差率分别为 按理想空载转速相同的情况比较，则 时 即闭环系统的静差率比开环系统小1+K倍。 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。 解：由式可知： 开环时 闭环时 再考虑式 ，得 可

10、见，在额定转速相同条件下，闭环系统的调速范围要比开环系统扩大1+K倍1 根据仿真结果，分析转速调节器和电流调节器的作用。答：（1）转速调节器ASR的作用 1）ASR是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压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。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 （2）电流调节器ACR的作用 1）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。 2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加

11、快动态过程。 4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失， 系统立即恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2 分析在抗负载扰动和电网电压波动扰动方面和转速闭环系统的区别。答： (1)双闭环系统的负载扰动作用在电流环之外，因此只能靠ASR来产生抗负载扰动的作用。因而在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。也说明双闭环系统与单闭环系统抗负载扰动的机理相同，都靠ASR的调节来克服。 （2）从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快的反映到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节

12、作用受到延滞，因此单闭环系统抵抗电压扰动的性能要差一些。 （3）在双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等到它影响到转速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。20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： 2017.6.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1所示。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作

13、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Idm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Simuli

14、nk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、实验仿真结果：图3-1 转速电流双闭环控制直流调速系统仿真模型2、实验图表：（1）转速电流双闭环控制直流调速系统数据直流电动机额定参数：UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，四极，Ra=0.21，GD2=22.5Nm2。励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。三相桥式整流器内阻为Rrec=0.5。平波电抗器Ld=10mH。三相电源：相电压130V，频率50Hz，转速反馈系数Kn=0.0067，比例放大系数Kp=20（可按需要调节），饱和限

15、幅为10。电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s，转速反馈滤波时间常数Ton=0.01s。转速调节器和电流调节器的饱和值为12V，输出限幅值为10V，额定转速时转速给定U*n=10V。（2）转速电流双闭环控制直流调速系统性能指标电流超调量i%5%，空载起动到额定转速时的转速超调量n%10%，过载倍数=1.5。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

16、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： （1）三相桥式整流装置输出电压波形图3-2 三相桥式整流装置输出电压波形图（2）直流电动机电枢两端电压波形图3-3 直流电动机电枢两端电压波形图（3）直流电动机电枢电流的波形图3-4 直流电动机电枢电流的波形图（4）直流电动机电磁转矩的曲线图3-5 直流电动机电磁转矩的曲线（5）直流电动机转速曲线图3-6 直流电动机转速曲线（6）直流电动机转速与转矩之间的关系曲线图3-7 直流电动机转速与转矩之间的关系曲线三、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

17、用。答：(1)转速调节器ASR的作用 1）ASR是调速系统的主导调节器，它使转速n很快的跟随给定电压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。其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。 (2)电流调节器ACR的作用 1）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。 2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。 3）在转速动态过程中，保证获得电动机允许的最大电流，从而加快动态过程。 4）当电动机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失， 系统立即恢复正

18、常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的。2.分析在抗负载扰动和电网电压波动扰动方面和转速闭环系统的区别。答： 1)双闭环系统的负载扰动作用在电流环之外，因此只能靠ASR来产生抗负载扰动的作用。因而在设计ASR时，应要求有较好的抗扰性能指标。也说明双闭环系统与单闭环系统抗负载扰动的机理相同，都靠ASR的调节来克服。 2）从动态性能上看，由于扰动作用点不同，存在着能否及时调节的差别。负载扰动能够比较快的反映到被调量n上，从而得到调节，而电网电压扰动的作用点离被调量稍远，调节作用受到延滞，因此单闭环系统抵抗电压扰动的性能要差一些。 3）在双闭环系统中，由于增设了电流内环，电压波动可以通过电流反馈得到比较及时的调节，不必等到它影响到转