电力拖动_实验讲义

实验一 直流电机开环调速系统仿真 一、实验目的 1、掌握直流电机开环系统各部分组成及基本原理 2、掌握基于物理模型的直流电机开环系统仿真方法 3、分析直流电机开环调速系统存在的问题，具备一定实验数据分析能力。 二、实验内容 1、直流电机调压调速分析 假设直流电机负载恒定，通过改变晶闸管触发角来实现直流电机调压调速。 步骤1：搭建系统仿真图，见下图。

具体参数为： （1）电机模型参数

励磁电压220V。 （2）交流电源模型参数 在MATLAB/Simulink中，三相交流电源模型位于SimPowerSystem\Electrical\Three-Phase Source。其参数设置如下。 （3）三相晶闸管整流器模型参数 模型位于SimPowerSystem\Power Electronics\Universal Bridge。其参数采用默认值。 （4）6脉冲触发电路模型参数 双击模型，将频率参数改为50Hz，当采用宽脉冲控制方式时，脉冲宽度应大于60度。 （5）直流回路中平波电抗器的电感取L=0.005H （7）Powergui模型 在用Simulink中的SimPowerSystem系统仿真时，界面必须要求Powergui模块。 （8）仿真时间为2s。 （9）电机负载为50Nm。将6脉冲触发装置的触发角在t=1s时由30度变为50度。 步骤2：系统仿真结果分析 仿真得到的转速、电枢电流、电磁转矩波形见下图。

转速波形 电枢电流波形

电磁转矩波形 实验结果分析： （1）t=1s时，随着触晶闸管发角的增大，电机转速下降。验证了直流电机调压调速原理。

（2）电枢电流与电磁转矩波形的形状相同，这与理论一致，因为aeeICT。 （3）在触发角由30度变为50度时，稳态后，电磁转矩和电枢电流不变。这是因为电机稳态时，电机的电磁转矩与负载转矩相等，由于负载转矩始终不变，所以稳态后电磁转矩也不变，只是在动态过程中有所波动。 2、负载对电机转速影响分析 仿真电路图见下图。

主要模型参数不变，将晶闸管触发角改为30度不变，即直流电机端点压恒定，负载在1s时由50变为100Nm。仿真结果如下：

转速波形 电枢电流矩波形

电磁转矩波形 实验结果分析： （1）在t=1s时，随着负载增大，电机转速下降。

（2）电枢电流与电磁转矩波形的形状相同，这与理论一致，因为aeeICT。 （2）随着负载增大，电磁转矩和电枢电流也同时增大。这是因为随着负载增加，要使电机达到稳态，相应的电磁转矩也必须增加，才能使转子合转矩为零，电机才能保持稳态。 三、开环调速系统存在的问题 随着电机带动的负载越大，电机的稳态转速下降，因此这种调速系统只能用于对电机调速要求不高的场所。 实验2 转速反馈无静差直流调速系统仿真 一、实验目的 1、掌握PI控制的单闭环直流电机调速系统的基本原理 2、掌握运用MATLAB\Simulink仿真软件建立PI控制的单闭环直流电机调速系统的仿真数学模型，并具有一定的数据分析能力。 二、实验原理与步骤 1、PI控制的单闭环直流电机调速系统数学模型与原始数据

数学模型 被控对象原始数据

（1）直流电机数据：VUN220，AIN55，min/1000rnN，rVCemin/192.0

（2）晶闸管整流装置：44sK，sTs00167.0 （3）电枢回路总电阻1R；电枢回路电磁时间常数sTl017.0；机电时间常数sTm075.0；转速反馈系数rVmin/01.0；对应额定转速时给定电压VUn10*max。

2、转速给定信号不同时的电机转速仿真 （1）给定信号：给定信号为阶跃信号，初始值为10，，0.5s后变为5。

（2）PI调节器：比例系数56.0pK；积分系数43.111，积分器有限幅作用，上限为10，下限为-10，具体设置见下图。 （3）电机空载运行。 （4）仿真时间设为1s。仿真电路图如下。

（5）仿真得到的转速和电枢电流波形如下：

转速波形 电枢电流波形 （6）仿真结果分析： 由转速波形可以得出：当给定电压为最大值10V时，电机转速在启动时有一定超调量，稳态时达到额定转速1000r/min。0.5s后，给定电压降为5V，转速也降低一半，为500r/min。 由电流波形可以得出：起动电流较大。但不管给定电压为最大值10V还是降为5V，电机运行到达稳态后，电枢电流与负载电流相等，因为此时没加负载，故稳态时电枢电流为0。 3、调节PI控制器参数对转速的影响仿真

假设电机空载运行，转速给定信号为10V。比例系数25.0pK，积分时间系数31，仿真结果如下：

由转速波形可以得出：当给定电压为最大值10V时，电机转速启动过程没有超调量，稳态后能达到额定转速1000r/min。

由电流波形可以得出：起动电流较小。当电机运行到达稳态后，电枢电流降低为0。 4、不同负载对转速的影响仿真 假设电机转速给定信号为10V；PI调节器中比例系数56.0pK，积分系数43.111；负载设定为初始负载电流为50A，0.5s后负载电流变为100A，仿真模型如下。

仿真得到的转速和电枢电流波形如下： 由转速波形可以得出：0.5s后，负载电流由50A增加到100A，电机达到稳态后转速没发生变化，仍为额定转速1000r/min。说明由比例积分控制器构成的闭环调速系统为无静差系统。 由电流波形可以得出：起动电流较大。0.5s后，负载电流由50A增加到100A，为了使电机达到稳态，电枢电流相应的也从50A增加到100A，即电枢电流始终与负载电流相等，以维持电机稳定运行。 三、实验心得 实验3 转速、电流双闭环直流调速系统仿真 一、实验目的 1、掌握转速、电流双闭环直流调速系统的基本原理 2、掌握运用MATLAB\Simulink仿真软件建立转速、电流双闭环直流调速系统的仿真数学模型，并具有一定的数据分析能力。

二、实验原理及步骤 1、被控对象原始数据（课本例2-1，2-2） （1）直流电机数据：VUN220，AIN136，min/1460rnN，rVCemin/132.0，允许过载倍数5.1； （2）三相晶闸管整流装置：40sK，sTs0017.0

（3）电枢回路总电阻5.0R；电枢回路电磁时间常数sTl03.0；机电时间常数sTm18.0；转速反馈系数rVmin/007.0；电流反馈系数rVmin/05.0；电流

滤波时间常数sToi002.0；转速滤波时间常数sTon01.0；对应额定转速时的给定电压VUn10*max。

2、电流环的仿真分析 （1）电流环的数学模型如下

*iU

11sToi

ACR1sT

K

ss

11sT

R

lsTR

m

1sToi



)(sIdL)(sE

)(sUc)(sU

d)(sI

d

)(sE （2）仿真模型的建立 注意：建立模型时，忽略负载电流，即认为电机空载运行。 （3）参数设置 （1）先设置被控对象参数，见原始数据。

（2）PI调节器中，013.1pK，77.33iK；积分器有限幅作用，上限为10，下限为-10；整个PI调节器输出也有限幅作用，因此加一个限幅器Saturation，上限为10，下限为-10，见下图。

（3）给定信号为阶跃信号，阶跃时间为0，初始值为0，终值为10。（即转速调节器饱和，电流达到最大值） （4）仿真时间设为0.05秒。 （5）仿真结果见下图。

由上图可知： （a）此时转速调节器饱和，电流输出达到最大值，约为195A，（额定值为136A），此时相当于转速的加速度最大，速度上升最快。 （b）电流超调量约为5%，满足要求。 3、双闭环的仿真分析 （1）转速电流双闭环系统数学模型如下

双闭环调速系统的动态结构框图 （2）仿真模型的建立 （3）参数设置： （1）先设置被控对象参数，具体数据见原始数据。 （2）转速给定环节为阶跃信号，阶跃时间0，初始值0，终值10；

（3）转速PI调节器参数： 7.11pK，48.134iK。积分器有限幅作用，上限为10，下限为-10；整个转速调节器输出也有限幅作用，因此加一个限幅器Saturation，上限为10，下限为-10。 （4）电流调节器参数与电流环的仿真参数一样。 （5）用一个阶跃信号给系统加额定负载，阶跃时间1，初始值0，终值136（额定负载电流） （6）仿真时间为1.5秒。 仿真结果见下图。 由上图可知： （a）起动时，电流迅速达到最大值，约为200A，此时电机的转速以最大加速度快速上升。 （b）大约在0.35秒处，转速达到给定值，电流下降，经过一定震荡后，转速达到额定值1460r/min，此时因为空载运行，电流降低为0。 （c）1秒时，突加负载，转速和电流发生波动，达到稳态后，转速有基本回到原来状态（基本无静差），电流与实际负载电流相等。 三、实验心得