交直流调速实验报告.docx

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1、实验报告册专业：班级：姓名：学号：课程：电力传动控制系统实验项目名称：开环直流调速系统的仿真实验实验时间：5-135-20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：U - RIn =a aC中e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1.1所示。三相品闸管桥式 整流电路经平波电

2、抗器L为直流电动机电枢供电，通过改变触发器移实现直流电动机的调速。相控制信号Uc，可以调节品闸管的触发角a从而改变整流电路的输 出电压平均值UdL仃触发脉冲GTACU c_图1.1开环直流调速系统电气原理图开环直流调速系统数据直流电动机额定参数：Un=220V, /n=136A,气=1460r/min,四极， Ra=0.21Q, GD2=22.5Nm2。励磁电压 Uf=220V，励磁电流 /f=1.5A。 三相桥式整流器内阻为Rrec=0.5 Q。平波电抗器Ld=20mHo3、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a与输出直流电压平均值之间的 关系。3

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。一、实验数据（记录相应的表格或图表）:1、实验数据表格：1）设置模块参数供电电源电压220 +0. 5 x 136 v _ M2V2. 34cosamin2. 34co830=电动机参数励磁电阻：Rf = Uf/lf = （220/1. 5）= 146. 7Q励磁电感在恒定磁场控制是可取“ 0”。电枢电阻：I =0.210电枢电感由下式估算:0. 4 x220L = 19.7 = 19. 1=0. 00021 H晌皿2x2x1460 x136电枢绕组

4、和励磁绕组互感:因为nom=min/r=O, 132V min/r1460所以L寸=XE/Jr = (1, |6ZL 5 )；H 0. 84H电动机转动惯量J = GD2/4g = (22. 5/4 x9. 8)kg n? =0. 57kg - m2额定负载转矩Tr =9. 55C /=9. 55 xO. 32 x 136 = 171.4N - m虬c*/H0旺流屯动机(DC Machine)电枢电咀510,21眦枢电感如/H0. 00021励尴电阻&小146. 7励磁电整Lt/B0雄场与电枢互感如/H0.84辑期顿Jft J(kg mN)0.57平波电抗器(inductance)电感50.0

5、22)设置仿真参数：仿真算法ode15a，仿真时间1.5S，电动机空载启动，启动0.5s后加额定负载TL=171.4N.m2、实验图表：1)直流电动机开环调速系统仿真图如下图1.32）启动仿真并观察结果:仿真的结果如图1.3所示。其中图1.3.1是整 流器输出端的电压波形（局部），图1.3.2是经平波电抗器后电动机电 枢两端电压波形，该波形较整流器其输出端的电压波形脉动减少了许 多，电压平均值在225V左右，符合设计要求。图1.3.3和图1.3.4是 电动机电枢回路电流和转速变化过程。在全电压直接起动情况下，起 动电流很大，在0.25s左右起动电流下降为零（空载起动），起动过程 结束，这是电动

6、机转速上升到最高值。在起动0.5s后加额定电压负载， 电动机的转速下降，电流增加。图1.3.5是电动机的转矩变化曲线，转 矩曲线与电流曲线成比例。图1.3.6给出了工作过程中电动机的转矩一 转速特性曲线。通过仿真反应了开环品闸管一直流电动机系统的空载 起动和加载时的工作情况。050.010.0150.020.030.0350.040.045t/s50.051.3.1Time offset: 101.3.21.3.300.51.5t/s1.3.49008007006005004003002001000.51t/s1.51.3.5X Y Plot20002500150010001.3.6三、实验思

7、考 (完成相应的实验思考题，提出实验的改进方法)：1、三相桥式整流电路中触发角a与输出直流电压平均值U之间的关d系：U广 土 L5 U 2sin wtd (wt)=半(1 + cos a) = 0.45 22、开环直流调速系统转速n与转矩T之间的关系:e“ yU _R_T _n RTKe kk。-kkLK _电动机在额定磁通下的转矩系数：K = cTT TNn _理想空载转速，与电压系数y成正比：yU0 ce3、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0和调速范围D。解：电动机的电动势系数：K = UN-JRe n(v.min/r)N

8、_ 220136*0.21 =0.1311所以:14 6 0136*0.210.1311I Ra n = N Ke=217.85(r/min)静差率 5 = a nN =主 *100%=30%n +A n 500 + 217.85minN调速范围：1460*0.3=2.87n sD = NAn (1 S) 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：5-135-20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

9、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. 品闸管装置整流原理三相品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，可以调节品闸管的触发角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。3. 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2.1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

10、的增加 将使得品闸管的触发角a减小，从而增大整流装置的输出电压平均值，(1)为电动机提供更大的电枢电压U/从而增大电动机的电枢电流匕。电 动机的电磁转矩为T = CM，运动方程为：T广噜=鬃等直根据电磁转矩公式和运动方程可知，/a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2.1转速反馈速环控制直流调繇统结态结构图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，/N=136A，=1460r/min，四极，夫0.21 Q，GD2=22.5Nm2。励磁电压Uf=220V，励磁电流/f=1.5A。三相桥式 整流器内阻为Rrec=0.5Q。平波电抗器Ld

11、=10mH。三相电源：相电压 130V，频率50Hz，转速反馈系数K =0.0067，比例放大系数K =20 （可 np按需要调节），饱和限幅为10。3、实验步骤：1. 建立转速闭环控制直流调速系统的数学模型；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。一、实验数据（记录相应的表格或图表）：1、实验数据表格：1）带转速负反馈的直流调速系统的稳态特性方程为:KpKs哲MC.(l +矽-CJ1+A)（S 图2.2:带转速负反馈的有差直流调速系

12、统组成电动机转速降为:侦旬+K）式中，K 二K为放大器放大倍数；K为品闸管整流器 放大倍数；c为电动机电动势常数；为转速反馈系数；R为电枢回路总电阻。从稳态特性方程可以看到，如果适当增大放大器的放大倍数爪P电动机的转速降n将减小，电动机将有更硬的机械特性，也就是说， 在负载变化时，电动机的转速变换将减小，电动机有更好的保持速度 稳定的性能。如果放大倍数过大，也可能造成系统运行的不稳定。转速负反馈的有差调速系统的仿真模型如图2.4所示。模型在图2.2开环调速系统的基础上增加了转速给定u*（ u*），转速反馈n-feed，放大 nn器Gain和反映放大器输出限幅的饱和特性模块Saturation，

13、饱和限幅模 块的输出时移相触发器的输入u，其中转速反馈直接取自电动机的转 速输出，没有另加测速发电机，取转速反馈系数一2）在例1的基础上观察带转速负反馈系统在不同放大器放大倍数是 对转速变化的影响，模型主要参数见表。表2.3转速负反馈有静差直流调速系统模型参数模块谿数名参 ft三相电源(ua. ub, tic)Peak amplitude/V130 sqrt(2)Freqyency/Hz50直流噌动机（DC MachiTie）直流电动机参数同表6-1平波电抗器（Ld）电感 inductance/H0.01转速反域系数（mfxd）alpha0. 0067放大器（GainI）Kp20（按需要调节）

14、饱和限幅 (Saturotionl )Upper limit10Ijower limit-102、实验图表：1）试验连线图如图2.4所示: RMSRMS1LFd7T1-J5Universal BridgeLcntinucuKIudLdU0+_C) ubiiDC-Q-Q-Q-0XY GraphK=10 如图 2.5.11）在额定转速“=10，k =5,10,20时的转速相应曲线np所示，随着放大器放大倍数的增加，系统的稳态转速提高，即稳态转 速降减小。图2.5.2所示为k =1。时的电流响应波形，图2.5.2时1/2额定转速（”=5）时的转速相应曲线，2.5.3电源电压曲线，2.5.4电动 n机

15、的转矩变化曲线。2.5.32.5.4三、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：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：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：孔=(1+司实验项目名称：转速电流双闭环控制的直流调速系统仿真实验实验时间：5-135-20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

16、、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）：图3.1转速电流双闭环控制的直流调速系统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3.1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

17、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。（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，/n=136A，气=1460r/min，四极，R0.21Q, GD2=22.5Nm2。励磁电压 Uf=220V,励磁电流/f=1.5Ao 三 相桥式整流器内阻为Rrec=0.5Q。平波电抗器Ld=10mH。三相电源：相 电压130V,频率50Hz,转速反馈系数K =0.0067,比例放大系数K =20 nP（可按需要调节）,饱和限幅为10。电流反馈滤波时间常数Toi=0.002s,

18、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气%5%，空载起动到额定转速时的转速超调量气%0 10%，过载倍数A=1.5o3、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。一、实验数据（记录相应的表格或图表）：1、实验数据表格

19、：1）调节参数计算和设定：按工程设计方法和选择转速和电流调节参数，ASR和ACR都采用PI调节器。电流调节其参数计算电流反馈系数：GDg3.53 x2. 85电动机转矩时间常数：Tm = 375CeCm = 375 x9. 55 xO. 132电机电磁时间常数:5 泠*芟Q25.076S2. 85三相品闸管整流电路平均失控时间:r =o.ooi7s电流开环的小时间常数为:弓i =兀土 二(0. 0017 + 0. 002)s=0. 0037 s根据电流超调量a % 5%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，其传递函数为眼ACR ( S) = KVi += K X5t, =

20、 T =0. 076s0. 076 x 2. 85=2. 84其中:Kl =2TZi/?Ks 2 xO. 0037 xO. 272 x37. 84K,i=K=2=- 0268/y； 乙.叩+转速调节器参数计算:转速反馈系数:U*nomOf =doth= 0. 00667V - min/r 1500为加快转速的调节速度，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眼ASR( S ) = Kpn += K/ 了 ；其中:Tn = hTn = /(27,i + Ton) = 5 x (2 x0. 0037 +0. 01)s = 0. 087sI = (fi + l)/3CeT

21、m = _6 xO. 272 xO. 132 xO. 161=Kn = 2hotRT = 2 x5 xQ. 00667 x2. 85 x0.0174 = * /_ t 0. 087上=瓦=林=83调节的参数见表3.2,调节器的积分环节的限幅值为土 12调节器输出限幅值为土 10.表3.2转速电流闭环控制系统模型主要参数3）设定模型参数：方针算法ode15,仿真时间1.5s。在0.8s是突加1/2额定负载。2、实验图表：1）直流电动机开环调速系统仿真图如下 2）启动仿真及结果：仿真结果见图3.3可以看到，电动机的启动经历 了电流的上升、恒流升速和转速超调后的调节三阶段。与电动机的开 环系统相比，

22、电动机启动电流大幅度下降，电流环发挥了调节作用， 使最大电流限制在设定的范围以内。在0.8s时突加1/2额定负载后电 动机电流上升转速下降，经过0.2s左右时间的调节，转速恢复到给定 值。修改调节参数，可以观察在不同参数条件下双闭环系统中电流和 转速的响应，修改转速给定，也可以观察电动机在不同转速时的工作 情况。Zontinuouspawerguialpha_dgPulse GeneratnrXY Gfaph0.002S+1i-fe&dD.00e71010.015+11n-f literg aTSB L-C1-r0.0025+1i-filter0.015+1Nl-feed3）仿真结果图如下3.

23、3所示，3.3.1电源电压波形，3.3.2经整流的电 压波形，3.3.3和图3.3.4是电动机电枢回路电流和转速变化过程，3.3.5 是电动机的转矩变化曲线，转矩曲线与电流曲线成比例。图3.3.6给出 了工作过程中电动机的转矩一转速特性曲线。3.3.2 （电流响应）3.3.33.3.4 （转速响应）X Y Plot0-1000100200300400500X Axis3.3.6三、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用。答：转速调节器的作用：（1）转速调节器是系统的主导调节器，它使转速n很快地跟随给定 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（3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流（4）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（5）对电网电压的波动起及时抗扰的作用