第6章 直流调速系统仿真
6.1 开环直流调速系统仿真
开环直流调速系统的电气原理如图6-1所示。直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L 供电，并通过改变触发器移相控制信号ct U 调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压，实现直流电机的调速。
图6-1 晶闸管-电动机开环直流调速系统电气原理图
实例1：现有一直流电动机调速系统，各环节参数如下：
他励直流电动机额定参数为220V N U =，55A N I =，1000r /min N n =，六极，电枢电阻0.51a R =Ω。励磁电压220V f U =，励磁电流 1.0A f I =。
采用晶闸管三相桥式整流电路，设整流器内阻0.49rec
R =Ω。整流装置输出电流可逆，装置的放大系数44s K =，滞后时间常数0.00167s T s =。
电枢回路总电阻 1.0R =Ω，电枢回路电磁时间常数0.00167l T s =，电力拖动系统机电时间常数 0.075m T s =。平波电抗器20mH d L =。
仿真该晶闸管─电动机开环调速系统，观测电动机在全电压起动和起动后加额定负载时电动机的转速、转矩和电流变化情况。
该系统有给定、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，开环直流调速系统的仿真模型如图6-2所示。下面介绍各部分建模与参数设置过程。
i
-
+
-
Ud
A
B
C
Mean Value
A F
图6-2 开环直流调速系统仿真模型
1.系统的建模和模型参数设置
系统的建模包括主电路和控制电路的建模两部分。
（1）主电路的建模和参数设置
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。在仿真中，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供电。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥是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。
①三相对称交流电压源的建模与参数设置。首先从图5-18的电源（Electrical sources）模块组中选取1个带内阻的三相对称交流电压源模块，再对其进行参数设置：双击三相交流电压源图标，打开电压源模块参数设置对话框，如图6-3所示。为了减
小整流器谐波对同步信号的影响，宜设三相交流电源电感0
s
L=，其余参数设置参考表6-1。
②脉冲触发器的建模和参数设置。脉冲触发器（6-Pulse）可从图5-25的Control Blocks
2
子模块组的附加控制（Extras Control Blocks ）子模块组获得，触发器的同步同步连接如图6-2所示。图中触发器开关信号Block 为“0”时，开放触发器；为“1”时，封锁触发器。触发器的控制角（alpha-deg 端）通过了移相控制环节（Fcn ），移相控制模块的输入是移相控制信号c U ，输出是控制角。移相控制模块特性如图6-4所示。移相特性的数学表达式为
min
max
9090c c U U αα°−=°−
在本模型中取min 30α=°，max 10V c U =，所示906c U α=−
图6-3 三相对称电源参数设置
图6-4 移相特性
③晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从图5-20的电力电子（Power Electronics）模块组中选取Universal Bridge模块，然后双击模块图标打开Universal Bridge参数设置对话框，参数设置如图6-5所示。
图6-5 Universal Bridge参数设置
④平波电抗器的建模和参数设置。首先从图5-19元件模块组中选取Series RLC
4
Branch模块，然后打开参数设置对话框，类型直接选为电感即可得到电抗器。具体参数设置如图6-6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。
⑤直流电动机的建模和参数设置。首先从图5-21电机系统（Machines）模块组中选取DC Machine模块；直流电动机的励磁绕组“F+—F-”接直流恒定励磁电源，励磁电源可从图5-18的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I a、激磁电流I f、电磁转矩T e，分别通过示波器模块观察仿真输出，再用绘图命令plot（tout，yout）在MATLAB命令窗口里绘制出输出图形。
图6-6 平波电抗器参数设置
6
图6-7 直流电动机参数设置
电动机的参数设置可按下述步骤进行：双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数设置对话框，如图6-7所示。
（2）控制电路的建模和参数设置
开环直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，它可从图5-15的Sources 模块组中选取Constant 模块，并将模块标签改为Uct ；然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为10。
（3）开环直流调速系统参数计算 ① 供电电源电压
2
min 2200.4955
121V 2.34cos 2.34cos30N rec N U R I U α++×===°
② 电动机参数
励磁电阻：2201.0220f
f f R U I ===Ω 励磁电感在恒定磁场控制时可取0。 电枢电阻：0.51a R =Ω
电枢电感由下式估算：
0.4220
19.119.10.0051H 223100055N a N N CU L pn I ×===×××
电枢绕组和励磁绕组之间互感af L
因为 2200.5155
0.192V min/1000N a N e N
U R I C r n −−×===⋅
6060
0.192 1.83322E e K C ππ
==×=
所以 1.8331.0 1.833H af E f
L K I === 电机转动惯量：
223753750.1929.550.1920.0750.252kg m 44149.8e t m C C T GD J g R g ××××====⋅×××
③ 额定负载转矩
9.559.550.19255100.8N m L e N T C I ==××=⋅
④ 模型参考参数见表6-1。
表6-1 直流开环调速系统模型参数
模 块
参 数 名
参 数 三相电源
（Three-Phase Source ）
Phase-to-phase rms voltage/V 121*sqrt(3)
Phase angle of phase A/degrees
0 Frequency/Hz 50 Internal connection Yg Source resistance/Ω 0.001 Source inductance/H 0 直流电动机 （DC Machine ）
电枢电阻R a /Ω
0.51 电枢电感L a /H 0.0051 励磁电阻R f /Ω 220 励磁电感L f /H
