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1、晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验晶闸管直流调速系统在电气传动领域中应用的非常广泛，在理论和实践等方面都是比较成熟的系统。由于它的技术性能优越，在生产企业中，如各种金属切削机床、轧钢机、挖掘机等方面得到了日益广泛的应用。因此，加强对晶闸管直流调速系统的认识和掌握，可大大提高该专业学生解决实际问题的能力。本课程设计介绍了晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定实验的实验目的、实验原理、实验内容、计算机仿真实验、实验总结等内容。1、实验目的（1）熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。（2）掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。2、实验原理晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流
2、调速装置、平波电抗器、电动机发电机住等组成。在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压 Ug 作为触发器的移相控制电压 Uct，改变 Ug 的大小即可改变控制角 ，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。实验系统的组成原理如图 1 所示。图 1 晶闸管直流调速实验系统原理图3、实验内容（1）测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值 R。（2）测定晶闸管直流调速系统住电感值 L。（3）测定直流电机直流发电机测速发电机组的飞轮惯量 GD2。（4）测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数 Td。（5）测定直流电动机电势常数 Ce 和转矩常数 CM。（6）测定晶闸管直流调速系统机
3、电时间常数 TM。（7）测定晶闸管出发及整流装置特性 Ud=(Uct)。（8）测定测速发电机特性 UTG=（n） 。4、实验仿真晶闸管直流调速实验系统的原理图如图 1 所示。该系统由给定信号、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。图 2 是采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。下面介绍各部分建模与常数设置过程。图 2 晶闸管开环直流调速系统的仿真模型4.1系统的建模和模型参数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模两部分。 （1）主电路的建模和参数设置由图 2 可见，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
4、电动机等部分组成。由于同步脉冲触发器与晶闸管整流桥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。三相对称交流电压源的建模和参数设置。首先从电源模块中选取一个交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压源模块，并用模块标题名称修改方法将模块标签分别改为“A 相” 、 “B 相” 、 “C 相” ，然后从连接器模块中选取“Ground”元件和“Bus Bar”元件，按图 1 主电路图进行连接。为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下。双击 A 相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，在 A 相交流电压源参数设置中，幅值取 220V，初相
5、位设置成 0，频率为 50Hz，其他为默认值，如图 3 所示。B、C 相交流电源参数设置方法与 A 相位基本相同，除了将初相位设置成互差 120外，其他参数与 A 相相同，如图 4 和图 5 所示。由此可得到三相对称交流电源。晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从电力电子模块组中选取“Universal Bridge”模块，并将模块标签改为“晶闸管整流桥” ，然后双击模块图标，打开 SCR 整流桥参数设置对话框，参数设置如图 6 所示。当采用三相整流桥时，桥臂数取 3，A、B、C 三相交流电源接到整流桥的输入端，电力电子元件选择晶闸管。参数设置的原则如下，如果是针对某个集体的变流装置进行设置，对
6、话框中的 RS、C S、R ON、L ON、V f 应取该装置中晶闸管元件的实际值，如果是一般情况，不针对某个集体的变流装置，这些参数可先取默认值进行仿真。若仿真结果理想，就可认可这些设置的参数，若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。这一参数设置原则对其他环节的参数设置也是适用的。 图 3 A 相电源参数设置 图 4 B 相电源参数设置图 5 C 相电源参数设置图 6 SCR 整流桥参数设置平波电抗器的建模和参数设置。首先从模块中选取“Series RLC Branch”模块，并将标签改为 “平波电抗器” ，然后打开平波电抗器参数设置对话框，参数设置如图 7 所示
7、，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。图 7 平波电抗器参数设置直流电动机的建模和参数设置。首先从电动机系统模块组中选取“DC Machine”模块，并将模块标签改为“直流电动机” 。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 Ia、励磁电流 If、电磁转矩 Te。通过“示波器”模块观察仿真输出图形。电动机的参数设计步骤如下，双击直流电动机图标，打开直流
8、电动机的参数设置对话框，直流电动机的参数设置如图 8 所示。参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。图 8 直流电动机参数设置同步脉冲触发器的建模和参数设置。同步脉冲触发器包括同步电源和 6脉冲触发器两部分。6 脉冲触发器可从附加控制（Extras Control Blocks）子模块组获得。6 脉冲触发器需要用三相线电压同步，所以同步电源的任务是将三相交流电源的相电压转换成线电压。同步电源与 6 脉冲触发器及封装后的子系统符号如图 9（a） 、 （b）所示。 （a）同步电源 6 脉冲触发器 （b）封装后的子系统符号图 9 同步电源与 6 脉冲触发器和封装后的子系统符号至此，根据图 1 主电路的连接
9、关系，可建立起主电路的仿真模型，如图 2所示。图中触发器开关信号为“0”时，开放触发器，开关型号为“1”时，封锁触发器。（2）控制电路的建模和参数设置晶闸管直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，它可以重输入源模块组子中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定信号” ，然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，将参数设置为 50rad/s。实际调速时，给定信号是在一定范围内变化的，可以通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。将主电路和控制电路的仿真模型按照晶闸管直流调速系统电器原理图的连接关系进行模型连接，即可得到图 6.1.2 所示的晶闸管直流调速系统仿真模型。4.2系统的仿真参
10、数设置在 MATLAB 的模型窗口中打开“Simulation”菜单，进行 “Simulation Parameters”设置，如图 10 所示。图 10 仿真参数设置单击“Simulation Parameters”菜单后，得到仿真参数设置对话框，参数设置如图 11 所示，仿真中所选择的算法为 ode23s。由于实际系统的多样性，不同的系统需要采用不同的的仿真算法，到底采用哪一种算法，可通过仿真实践进行比较选择。仿真“Start time”一般设为 0， “Stop time”根据实际需要而定，这里设为 10。图 11 仿真参数设置对话框及参数设置4.3系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析当
11、建模和参数设置完成后，即可开始进行仿真，在 MATLAB 的模型窗口打开“Simulation”菜单，单击“Star”命令后，系统开始仿真，仿真结束后可输出仿真结果。单击“示波器”命令后，通过“示波器”模块进行观察仿真输出图形，如图 12 所示，其中图 12（a） 、 （b） 、 （c） 、 （d）分别表示直流电动机的电磁转矩 Te 曲线、电枢电流 Ia 曲线、角频率 曲线和角频率 与电枢电流Ia 的关系曲线。（a） 直流电动机电磁转矩 Te 曲线（ b） 直流电动机电枢电流 Ia 曲线（c） 直流电动机角频率 曲线（d） 直流电动机角频率 与电枢电流 Ia 的关系曲线图 12 晶闸管直流调速
12、系统的输出波形根据图 2 的仿真模型，系统有两种输出方式：当采用“示波器”模块观察仿真输出结果是，只要在系统模型图上双击“示波器”图标即可；当采用“out 1”模块观察仿真输出结果时，可在 MATLAB 的命令窗口输入绘图命令“plot(tout,yout)”，即可得到未经编辑的输出图形，然后对其输出图形进行编辑。最终可得编辑后的输出图形，如图 13 所示。图 13 显示的分别是晶闸管直流调速系统的电流曲线和转速曲线。可以看出，这个结果和实际电动机运行的结果相似，系统的建模与仿真是成功的。在晶闸管直流调速系统建模与仿真结束之际，对建模与常数设置的一些原则和方法归纳如下。系统建模时，将其分成主电
13、路和控制电路两部分分别进行。在进行常数设置时，晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置（固有环节）的参数设置原则如下，如果针对某个具体的装置进行参数设置，则对话框中的有关参数应取该装置的实际值；如果是不针对某个具体装置的一般情况，课先取这些参数默认值进行仿真。若仿真结果理想，可认可这些设置的参数；若仿真结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。图 13 编辑后的晶闸管直流调速系统的电流曲线和转速曲线给定信号的变化范围、调节器的参数和反馈检测环节的反馈系统（闭环系统中使用）等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真实验，不断进行参数优化。具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较
14、小值进行仿真，弄清它们对系统性能洋相的趋势，据此逐步将参数进行优化。仿真实践根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波形为前提。由于实际系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。不同的系统需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一种更好，这需要通过仿真实践，从仿真能否进行、仿真的速度、仿真的精度等方面进行比较选择。5、实验结果（1）实验结果分析按实验指导书试验步骤得到实验结果如上各图所示。通过仿真示波器可得，若各参数设置如上所述，且给定信号为 50 时，得到 Te、I a、 的曲线分别如图12（a） 、图 12（b） 、图 12（c）所示。由图中的曲线可以求出：直流电动机电磁转矩 Te 的最大超调 p，p
15、= C(tp)-C()=655-50=605,调节时间是 0.9，0.9 后基本达到稳定值为 50；直流电动机电流 Ia 的最大超调是 p，p=C(t p)-C()=365-28=337，调节时间是 0.9，0.9 后基本达到稳定值为 28；直流电动机角频率 一直上升，直到到大稳定状态，它的调节时间是0.9，超调为 0，稳定后的值约为 143。（2）实验的有关参数电路总电阻值 R=Ra+Rl+Rn=0.6+0+0.001=0.601电枢回路电感 L 的测定 L=La+Ld=0.012+0.005=0.017H直流电机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量 GD2=375Tz/dn/dt =1（3）实验参数设置有实验知当改变给定信号时，各个波形会相应改变，给定信号越大，Ia、T e 最大值越小，稳定后的值越大； 稳定后的值越小。曲线形状相似。最大值/稳定值给定信号Te Ia 10 855/8 475/5 198/19820 831/19 462/11 190/19030 790/30 437/16 178/17840 731/40 406/22 162/1626、 思考（1）阅读电力电子技术教材中有关晶闸管直流调速系统的内容，弄清同步脉冲触发器的工作原理。（2）学习教材中有关晶闸管直流调速系统各参数的测定方法。（3）直流电动机有哪几种调速方案？各有哪些特点？答：直流电动机的转速 n
