交直流调速报告 昆明学院

昆 明 学 院

实验报告册

专业： 电气工程及其自动化 班级： 电气（3）班 姓名： 黄景鑫 学号： 201304170211 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： 2016.5 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：

n?Ua?RIa (1)

Ce?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α，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。

L + AC Id + E M~ Ud - - 触发脉冲GT Uc

1-5 V-M系统的结构示意图图1 开环直流调速系统电气原理图

3、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α与输出直流电压平均值之间的关系。

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。

二、实验数据（记录相应的表格或图表）：

1、实验数据表格：

图1-1 开环直流调速系统simulink仿真原理图

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=136A，nN=1460r/min，四极，Ra=0.21Ω，GD2=22.5N·m2。励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。三相桥式整流器内阻为Rrec=0.5Ω。平波电抗器Ld=20mH。

参数:

?供电电源电压

?电动机参数 励磁电阻：

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：

因为

所以 电动机转动惯量 ③额定负载转矩

图1-2直流电动机开环调速系统模型参数

转矩转速曲线300025002000Y Axis1500100050000100200300400500X Axis6007008009001000

图1-3直流电动机转速与转矩之间的关系曲线

电机转速曲线16001400120010008006004002000-20000.511.522.53

图1-4直流电动机的转速波形

加入电压扰动后的电机转速180016001400120010008006004002000-20000.511.522.53

图1-5加入电压扰动后的电压波形

结论：加入电压扰动为1.5V，加入电压扰动以后，在1.5S开始调速，最终稳定下来的转速比原转速大。

电动机转矩曲线700600500400300200100000.511.522.53

图1-6直流电机的转矩波形

电枢电流曲线50045040035030025020015010050000.511.522.53

图1-7电枢电流仿真结果图

三相桥式整流器输出的电压波形350300250200150100500-500.270.2750.280.2850.290.2950.3

图1-8三相桥式整流器输出的电压波形

三相桥式整流器输出的平均电压波形25020015010050000.511.522.53

图1-9三相桥式整流器输出的平均电压波形

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、总结三相桥式整流电路中触发角α与输出直流电压平均值Ud之间的关系。

Ud1?2????2U2sinwtd(wt)?2U22?(1?cos?)?0.45U21?cos? 2 2、总结开环直流调速系统转速n与电磁转矩Te之间的关系。

系统机械特性方程式为：n?1Ke(?Us?RId)

e 或用转矩表示：n??UsK?ReKKTe?n0?TRKKeTTe

式中

KnT为电动机在额定磁通下的转矩系数，

K?C?TTN;

0为理想空载转速，与电压系数?成正比，

n0??UsC。

e 3、假设开环直流调速系统允许的最低转速为600r/min，根据所给电动机参数计算开环直流调速系统的静差率δ和调速范围D。 解：电动机的电动势系数：

Ke?UN?INRan

N

?220?136*0.21 v.min/r 1460 =0.1311 v.min/r

则 ?nN?IRKNe?136*0.21 r/min

0.1311

静差率 ?? ?217.85 r/min

?nNnmin??nN?217.85 =26.6%

600?217.85

调速范围：

?1460*0.3n? D?=2.87 ?n(1??)217.85*(1?0.3)NN

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： 2016.5 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． 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α，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的增加将使得晶闸管的触发角α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Te?CT?Ia，运动方程为：

d?GD2dnTe?TL?J? （1）

dt375dt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。

U*n + ? Un ?Un Kp Uc Ks Ud + RId ? E 1/Ke n Kn

3-6 转速负反馈闭环直流调速系统稳态结构图图1 转速反馈闭环控制直流调速系统稳态结构图

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。

二、实验数据（记录相应的表格或图表）：

1、实验数据表格：

图2-1转速闭环控制的直流调速Simulink系统仿真

2、实验图表：

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，IN=136A，nN=1460r/min，四极，Ra=0.21Ω，GD2=22.5N·m2。励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。三相桥式整流器内阻为Rrec=0.5Ω。平波电抗器Ld=10mH。三相电源：相电压130V，频率50Hz，转速反馈系数Kn=0.0067，比例放大系数Kp=20（可按需要调节），饱和限幅为±10。

图2-2转速闭环控制的直流调速系统模型参数

图2-3直流电动机转速与转矩之间的关系曲线

三相桥式整流器输出的电压波形350300250200150100500-500.7950.80.8050.810.8150.82

图2-4三相桥式整流装置输出电压波形

三相桥式整流器输出的平均电压波形30025020015010050000.511.522.53

图2-5三相桥式整流装置输出平均电压波形

电动机电枢两端的电压波形300250200150100500-5000.511.522.53

图2-6电动机电枢两端的电压波形

电枢电流输出波形800700600500400300200100000.511.522.53

图2-7电枢电流输出波形

电机转矩输出波形900800700600500400300200100000.511.522.53

图2-8电机转矩输出波形

电机转速输出波形180016001400120010008006004002000-20000.511.522.53

图2-9电机转速输出波形

加入电压扰动后的转速输出波形180016001400120010008006004002000-20000.511.522.53

2-10加入电压扰动后的电压输出波形

结论：由上述两转速图对比，加入电压扰动为1.5V,在1.5S时开始调节，由上述的两图可以看出加入扰动后转速明显增加，在调节开始是由于比例调节比较迅速，之后由于积分调节。

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。

解：系统开环系统机械特性为：

n?Ud?IdRKe?KKUKpse*n?RIdK?n0op??nop

e 而闭环时的静特性可写成

RIUKK??n n?(1?K)(1?K)KKpsndee*0cl?ncl

比较以上两式可得: ? 可见，?nclcl??nop1?K

n比?nop减小了1+K倍，当K值较大时，闭环系统的特性要硬得多。

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。

解:由式 ?%??nNn*100%?0n?nn00N*100% ，闭环系统和开环系统的静差率分别为

?cl??ncln

0cl

?op??nopn

0op 按理想空载转速相同的情况比较，则

n0op?n0cl时

clop ??

??nop?ncl?1 1?K?cl??op1?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。

?n 解：由式D?可知：

?n(1??)NN 开环时 闭环时

Dop??nop(1??)?nN

Dcl?n? ?n(1??)Ncl 再考虑式

?ncl??nop1?K ，得

Dcl?(1?K)Dop

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1+K倍。

1． 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。

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： 2016.5 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）：

U*n + ? Un ASRGASR IdL U*i + ? Ui ACRGACR Uc KsUd + Tss?1? Ki Kn 1/RId + ? RE TmsTls?1n 1 Ke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Idm实现电动机的加速，使电动机的起动时间最短。

3、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。

二、实验数据（记录相应的表格或图表）：

1、实验数据表格：

图3-1 转速电流双闭环控制直流调速系统仿真模型

2、实验图表：

（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，IN=136A，nN=1460r/min，四极，Ra=0.21Ω，GD2=22.5N·m2。励磁电压Uf=220V，励磁电流If=1.5A。三相桥式整流器内阻为Rrec=0.5Ω。平波电抗器Ld=10mH。三相电源：相电压130V，频率50Hz，转速反馈系数Kn=0.0067，比例放大系数Kp=20（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，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σi%≤5%，空载起动到额定转速时的转速超调量σn%≤10%，过载倍数λ=1.5。

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：

三相晶闸管整流电路平均失控时间： 电流开环的小时间常数为：

根据电流超调量?%?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 其中：

?转速调节器参数计算：

转速反馈系数：

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 其中：

（1）三相桥式整流装置输出电压波形

整流装置输出电压波形400300200ud/V1000-100-20000.511.5t(s)

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

电动机电枢两端电压波形350300250200ud/v15010050000.511.5t(s)

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

电动机电枢电流波形800700600500400id/A3002001000-10000.511.5t(s)

图3-4 直流电动机电枢电流的波形图

（4）直流电动机电磁转矩的曲线

电动机电磁转矩波形1000800600Te/T4002000-20000.511.5t(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

转速曲线图1600140012001000n(r/min)800600400200000.511.5t(s)

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

电动机转速与转矩之间的关系曲线300025002000转速/n1500100050000100200300400500转矩/T6007008009001000

图3-7 直流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。 2．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。

4.实验感想

基础没掌握好，做起实验来太难，导致本来三天的实验花费了我一个星期，一份辛苦一份收获，团队是强大的，集体的力量是不可以衡量的，在现代社会不懂得合作就将会是被淘汰的对象。虽然过程是艰辛的，但是最后还是在同学的帮助下完成了这次实验，同时还得感谢老师一路的陪伴和指导。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/u9n.html