交直流调速实验报告 昆明学院

昆明学院册专业：电气工程及其自动化班级：级电气班姓名:杨元学号：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）：．掌握开环直流调速系统的原理；.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：U—RI(1)n二一aa(1)C①e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a，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开环直流调速察统的气原理图意图3、实验步骤：.掌握直流电动机调压调速的原理。.分析三相桥式整流电路中触发角a与输出直流电压平均值之间的关系。.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。.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：povjergui图1-1,流器内阻为限rec=0.5Q。平波电抗器povjergui图1-1,流器内阻为限rec=0.5Q。平波电抗器士d=20mH。电压Uf=220V,励磁电流If=1.5A°m相桥式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=1p6A%距1460^仙，四极，Ra=0.21@J□eMeasurementLsimulink仿真图①①供电电源电压L'rwm+Rrec/nom220+0.L'rwm+Rrec/nom220+0.5X136②电动机参数励磁电阻：2.34cosamin2.34cos30。V=142V&=U&=U{/lf=(220/L5)。=1467D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:2p“nnmInum=19.10.4x2202x2x1460X136H=0.00021H因为电动机转动惯量③额定负载转矩k一电枢电感由下式估算：电枢绕组和励磁绕组互感:2p“nnmInum=19.10.4x2202x2x1460X136H=0.00021H因为电动机转动惯量③额定负载转矩k一Ra。220-0.21x136^nom14€0V・min/r=0.132V-min/r所以£怔=KE/Zf=(L26/1.5)H=0.84HJ=GD2/4g=(22,5/4x9.8)kg-m2=0.57kg-m2rL=9.55C/=9.55xO,132x136=171.4N・m模块参数名参数三相电遽(Tiree-PhaseSource)Phase-tn-phiaaermsvnltag^/V142*sqrt(3)PhaseafigJcyfphu5eA/degrcea0Pnequericy/Hi50InternalconnectionYgSouirceresistance/fl0.001Sourceindurtanoe/H0直流电动机(DCMachine)图直电枢电阻比/n0.21电枢电感九/h0,00021励磁电阻Rr/fl146.7励磁电感VH0磁场与电枢互感4/H0.84流电动机开环调速系统模型参数0,57平液电抗器(inriucbmce)电感L/H0.(K图1-直3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1-6\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）：、总结三相桥式整流电路中触发角a与输出直流电压平均值Ud之间的关系。0.45=U=-Lj2Usinwtd(wt)=———2(1+cosa)=d2ta22T0.45=、总结开环直流调速系统转速与转矩之间的关系。系统机械特性方程式为：(系统机械特性方程式为：(丫U-rI)sd、一yUr7R_KKeT或用转矩表示：n=Ks-kkR_KKeTeeT式中K-电动机在额定磁通下的转矩系数，K=C①TTTNyUn-理想空载转速，与电压系数y成正比，n=7-。00e3、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6和调速范围D。

解：电动机的电动势系数：K=e220-136*0.211460v.min/r=0.1311v.min/rIRanIRan=N^—NK136*0.210.1311r/min=217.85r/min静差率b=30%an静差率b=30%N=

n+An500+217.85minN调速范围：nb1460*0.3D=_N-^==2.87An(1-5)217.85*(1-0.3)N实验项目名称：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）：．掌握转速闭环控制的直流调速系统原理；.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。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a，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。°负反馈控制原理带转速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△〃n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a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T=C。I，运动方程为：eTad3GD2dn（1）T—T=（1）eldt375dt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图1转速反3-6馈转闭速负环反控馈闭制环直直流流调调速速系统系稳统态结稳构态图结构图3、实验步骤：建立转速闭环控制直流调速系统的数学模型；编程进行转速闭环控制直流调速系统的仿真。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：G»=22.5N-m2。励磁电压直流电动机额定参数：UN=220V,IN=136A缶极，Ra=02SynchronizedU=220V,励磁电流L=1.5人。三相桥式整流器内|阻为TR=0.5Q。平波rec压130V，频率50Hz，转速反馈系数K=0.0067,n1I}rec比例放大系数K=20电抗器勺10mH。三相电源：相电（可按需要调节），饱模块参数名辱数T相电源(u*ub,uc)Peakamplitude/V130*Mpt(2)Frwpiency/Hz50直流电动机（DCMadiine）宜流电动机参数同表61平波电抗器（Ld）电感inductsnee/H0.01转速反馈系数c/阳nalpha0.0067放大器（Gain】）Kp如（按需要调节）饱和限幅(SatuTHtianL)Upperlimit10Lowerlimit-10pun*图2-2转速闭环控制的直流调速系统模型参数XYPlot2ooor180016001400120010001!-图直流电动机转速与转矩之间的关系曲线1一图2-电4磁转矩相应曲线图PI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。KKU*KKU*RIpsn-—d—n—An0opopeeU-1R

n——d^K~d—e而闭环时的静特性可写成KKU*RIn——p^1sn—[/d―n—nK(1+K)K(1+K)0clclee比较以上两式可得:

Anan=—平

cl1+K可见，An比An减小了1+k倍，当k值较大时，闭环系统的特性要硬得多。clopcl2、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。AnnAnn—n解:由式5%=^^*100%=onn00n*100%，闭环系统和开环系统的静差率分别为5clAncl5clAncln0cl5opAnopn0op按理想空载转速相同的情况比较，则0op50op58"lop0clAnclanop5=op

cl1+K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。n5解：由式D=AnN1—5）可知:N闭环时开环时闭环时Dop5nDop5nNan（1-5）opD二cln5Nan（1—5）clAn再考虑式“nci=UKD=D=（1+K）Dclop可见，在额定转速nN相同条件下，闭环系统的调速范围要比开环系统扩大倍．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。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速以后才能反馈回来，抗扰性能大有改善。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）：．掌握转速电流双闭环控制的直流调速系统原理；.掌握利用simulink编程进行仿真的方法。2、实验原理（简述）：图1双闭环直流调速系统的动态结构图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/dm实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短。3、实验步骤：.建立转速电流双闭环控制直流调速系统的数学模型；.编程进行转速电流双闭环控制直流调速系统的仿真。.根据转速电流双闭环控制直流调速系统动态结构图，编制Simulink实验程序，上机调试，记录结果。.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：□4+FenO►alpl*a_degI3abOTe1puwerguiOLcntinucui2、实验图表:10LC1MeanValueUd2——A9.55■Gain22DVH4-3-1H速电流双闭环控瓶直流调速系统仿真模型4+C3Bk>ckblock^-Pul&e3口KW220/136A1460(1)转速电流双闭环控制直流调速系统数据流电动机额定电压Uf=220V,通磁电流I0.5=220丫叫=136A前N=L460r/min^四极MR:0.21；=1.5次。三相桥式整流器内阻为R=0.5；。平波电抗器Lj=10mH。,GD2=22.rec相电压130V,频率50Hz,转速反馈系数K=0.0067,比例放大系数K分(可按需要调节)，饱和限幅为±10。电流反馈滤波时间常数T=0.002s，转速Oi为12V，输出限幅值为为V，额定转速时n时间常数T=0：波onn=10V。0.05［。转速调节器和电流调节器的饱和值5N.m2。励磁三相电源：TepmDC-MOTOR(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o.W%空载起动到额定转速时的转速超调量i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：Vgd2r1101.5X136二0.053.53x2.85375CcCm375x9.55x0.132I_(200+16)xlQ2.85s-0.076s三相晶闸管整流电路平均失控时间：rs=0.0017st：-Ti=0.076s。.076x2.85②转速调节器参数计算:转速反馈系数：0.076=0.0268t：-Ti=0.076s。.076x2.85②转速调节器参数计算:转速反馈系数：0.076=0.026815-)0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为加快转速的调节速度,0.00667V,min/r其中：%题（5）=Kpn+瓦不电流开环的小时间常数为：7*=M+%=(0*0017+0-002)3=0,0037s根据电流超调量o%V5%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，其传递函数亚ACR（S）=Kpi+其中：八,.2T工J3&2x0.0037x0.272x37.84rn=hT~A(27^；+Ton)5x(2xOb0037+0.01)s=0.i“(h+l)/3CJm6x0.272xO.132x0.161n-2haKT工n_2x5xO.00667x2.85xO.0174-电源160V（峰值）50七电动机火.‘0.2】Q=0.00021hI/f-220Vt/f=220V号=1467。if=0%=0.84HJ=0.S7kg•m1转速调节器PLASR=10.49Kn=1/0.0083=1肛5电流调节器PLACR%=2.4E&二1/0.0*8=37.3电抗器.I=0.002H&=0.015H转速电流闭环控制系统模型主要参数

（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

t(s)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200018001600140012001000直流XYPlot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）根据仿真结果，分析转速调节器和电流调节器的答：转速调节器的作，二是调速系统的主导调节器，它使转速200018001600140012001000直流XYPlot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）根据仿真结果，分析转速调节器和电流调节器的答：转速调节器的作，二是调速系统的主导调节器，它使转速快的跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用I）对负载变化起抗扰作用。4005006007008009001XAxis其输出限幅值决定电动机允许的最大电流。电流调节器的作用）作为1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（即外环调节器的输出量）变化。）对电网2电压的波动起及时抗扰的作用。）在转速3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。）当电动4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。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：双闭环系统的负载扰动作用在电流环之外，因此只能靠来产生抗负载扰动的作用。因而在设计时，应要求有较好的抗扰性能指标。也