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1、第五章 仿真及实验第一节 晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定 一、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。 二、实验原理 晶闸管直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流跳水装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。在本实验中，整流装置的主电路喂三相桥式电路，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 Ua。改变 Ug 的大小即可改变控制角 a，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 5.1 所示。三实验内容 1 测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值 R。 2 测定晶闸管直流系统电路电感
2、值 L. 3 测定直流电机-直流发电机-测速发电机的飞轮惯量 GD 的平方。 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电时间常数 Tm。 7 测定晶闸管触发及整流装置特性 Ud=f（Ue） 。 8 测定测速发电机特性 Utg=f（n） 。 四实验仿真 晶闸管直流调速系统的原理如图 5.1 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 5.2 势采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流系统的仿真模型。下 面介绍各部分建模与参数设置过程。1系统的建模和模型参
3、数设置系统的建模包括主电路的建模和控制电路的建模俩部分。 1） 主电路的建模和参数设置由图 5.2 可见，开环直流调速系统的主电路由三相对称交流电压器、晶闸管整流桥、平波电抗器、直 流电动机等部分组成。由于同步脉冲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讨论， 所以将触发器归到主电路进行建模。 2）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， 参数设置的原则是：如果是针对某个具体的变流装置进行参数设置，对话框中的 Cs ,Ron,Ion ,Vf 应取该装 置中晶闸管元件的实际值；如果是一般情况，不针对某个具体的变流装置，这些参数
4、可先取默认值，若 仿真结果理想，就可认可这些参数，这一参数设置原则对其他原价的参数设置也是实用的。 3）平波电抗器的建模和参数设置。首先从元件模块组中选取“Series RLC Branch ” 模块，并将模块标签改为“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 5.5 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， 4）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 ”模快，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-”接直流恒顶励磁电源，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
5、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 It ,电磁转矩，通过“示波器”模块可 观察仿真输出图形。进行直流电动机参数设置时，先双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数对话框，直流电动 机的参数设置如图所示，其参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。图 5.5 平波电抗器参数设置图 直流电动机参数设置5）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。 根据图 5.1 主电路的连接关系，即可建立起如图 5.2 所示的主电路仿真模型。图中触发器开关
6、信号为“0”时，开放触发器；开关信号为“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定环节，它从输入源模块组中选取“Constant”模块，并将模块 标签改为“给定信号” ，然后双击该模块图标，打开参数设置对话筐，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，读者可通过仿真实验，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图 5.1 所示系统原理图的连接关系进行模型连接，即可得到图 5.2 所 示的晶闸管直流调速系统仿真模型。 2.系统的仿真参数设置 在 MATLAB 的模型窗口打开“Simulatiom”菜
7、单，进行“Simulatiom Parameters”设置，如图 5.7 所 示。图 5.7 仿真参数设置单击“Simulatiom Parameters”菜单后，得到仿真参数设置对话框，参数设置如图 5.8 所示。仿真中 所选择的算法为 odc23s。由于实际系统的多样性，不同的系统需要采用不同的仿真算法，到底采用哪一 种算法，可通过仿真实验进行比较选择。仿真的“Start time”一般设为 0， “Stop time”根据实际需要而 定。图 5.8 仿真参数设置对话框及参数设置3系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析当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
8、“Simulation”菜单，单击“Start”命令后，系统开始仿真，仿真结束后可输出结果，单击“示波器”命令后，通过“示波器”模块观察仿真输出图形，如图 5.9 所示，其中图 5.9（a） 、 （b） 、 （c） 、 （d）分别表示直流电动机的电磁转矩 T 曲线、电枢电流 I 曲线、角频率 曲线和角频率与电枢电流 I 的关系曲线曲线。eaa根据图 5.2 的仿真模型，只要在系统模型图上双击“示波器”图标即可观察仿真输出结果，并可对其输出图形进行编辑。最终可得编辑后的输出图形如图 5.10 所示。（a）直流电动机的电磁转矩 T 曲线e（b）直流电动机的电枢电流 I曲线a（c）直流电动机的角频率
9、 曲线（d）直流电动机的角频率 与电枢电流 I的关系曲线曲线a图 5.10 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，系统的建模与仿真时成功的。图 5.10 编辑后的晶闸管直流调速系统的电流曲线和转速曲线4.建模与参数设这的原理和方法（1）系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别建模。（2）在进行参数设置时，晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置（固有环节）的参数设置原则是：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该为装置的实际值。如果不针对某个具体装置的一般情况，课先去这些装置的参数默认值进行仿真。若仿真结果
10、理想，可以认可这些设置的参数；若结果不理想，则通过仿真实验，不断进行西安书优化，最后确定其参数。（3）给定信号的变化范围、调节器的的参数和反馈检测环节的反馈系数（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值个较小值进行仿真，弄清他们对系统性能影响的趋势，据此逐步将参数进行优化。（4）仿真时间根据实际需要确定，已能够仿真出完整的波形为前提。（5）由于实验系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。不同的系统采用不同仿真算法，到底采用 哪一种算法更好，这需要通过仿真实验，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。 上述内容具有一般指导意义，在讨论后面各种系统时，遇到类似问题就不再细述。 （1）作出实验所得的各种曲线，计算有关参数。（2）由特性，分析晶闸管装置的非线性现象()sgKf U
