交直流調(diào)速實(shí)驗(yàn)報告

1、實(shí)驗(yàn)報告冊專業(yè)： 班級： 姓名： 學(xué)號： 課程： 電力傳動控制系統(tǒng) 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱： 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)時間：5-135-20 同組人：實(shí)驗(yàn)報告評分： 一、預(yù)習(xí)報告（實(shí)驗(yàn)課前了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟）：1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ê喪觯? 掌握開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的原理；2 掌握利用simulink編程進(jìn)行仿真的方法。2、實(shí)驗(yàn)原理（簡述）：直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程為： (1)從轉(zhuǎn)速方程可以看出，調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ua即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速，這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)是既能連續(xù)平滑調(diào)速，又有較大的調(diào)速范圍，且機(jī)械特性也很硬。開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理圖如圖1.1所示。三相晶閘管橋式整流電路經(jīng)平波電抗器L為直流電

2、動機(jī)電樞供電，通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc，可以調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，從而改變整流電路的輸出電壓平均值Ud，實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)速。圖1.1 開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)據(jù)直流電動機(jī)額定參數(shù)：UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，四極，Ra=0.21，GD2=22.5N·m2。勵磁電壓Uf=220V，勵磁電流If=1.5A。三相橋式整流器內(nèi)阻為Rrec=0.5。平波電抗器Ld=20mH。3、實(shí)驗(yàn)步驟：1掌握直流電動機(jī)調(diào)壓調(diào)速的原理。2分析三相橋式整流電路中觸發(fā)角與輸出直流電壓平均值之間的關(guān)系。3根據(jù)開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)電氣原理圖，編制Simulink實(shí)驗(yàn)

3、程序，上機(jī)調(diào)試，記錄結(jié)果。4分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成書面實(shí)驗(yàn)報告，并完成相應(yīng)的思考題。二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（記錄相應(yīng)的表格或圖表）：1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格：1)設(shè)置模塊參數(shù)供電電源電壓 電動機(jī)參數(shù)勵磁電阻： 勵磁電感在恒定磁場控制是可取“0”。電樞電阻： 電樞電感由下式估算： 電樞繞組和勵磁繞組互感： 因?yàn)?所以 電動機(jī)轉(zhuǎn)動慣量 額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩 模型參考數(shù)見表11表1.2直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)2）設(shè)置仿真參數(shù)：仿真算法ode15a，仿真時間1.5S，電動機(jī)空載啟動，啟動0.5s后加額定負(fù)載TL=171.4N.m2、實(shí)驗(yàn)圖表：1）直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖如下 圖1.32）啟動仿真并觀察結(jié)果:仿真的結(jié)果如圖

4、1.3所示。其中圖1.3.1是整流器輸出端的電壓波形（局部），圖1.3.2是經(jīng)平波電抗器后電動機(jī)電樞兩端電壓波形，該波形較整流器其輸出端的電壓波形脈動減少了許多，電壓平均值在225V左右，符合設(shè)計(jì)要求。圖1.3.3和圖1.3.4是電動機(jī)電樞回路電流和轉(zhuǎn)速變化過程。在全電壓直接起動情況下，起動電流很大，在0.25s左右起動電流下降為零（空載起動），起動過程結(jié)束，這是電動機(jī)轉(zhuǎn)速上升到最高值。在起動0.5s后加額定電壓負(fù)載，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，電流增加。圖1.3.5是電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化曲線，轉(zhuǎn)矩曲線與電流曲線成比例。圖1.3.6給出了工作過程中電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。通過仿真反應(yīng)了開環(huán)晶閘管直流電動機(jī)

5、系統(tǒng)的空載起動和加載時的工作情況。 1.3.1 1-3b1.3.2 1.3.3 1.3.4 1.3.5 1.3.6三、實(shí)驗(yàn)思考（完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)思考題，提出實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法）：1、三相橋式整流電路中觸發(fā)角與輸出直流電壓平均值Ud之間的關(guān)系： 2、開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩Te之間的關(guān)系： 電動機(jī)在額定磁通下的轉(zhuǎn)矩系數(shù)： 理想空載轉(zhuǎn)速，與電壓系數(shù)成正比： 3、假設(shè)開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)允許的最低轉(zhuǎn)速為500r/min，根據(jù)所給電動機(jī)參數(shù)計(jì)算開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的靜差率和調(diào)速范圍D。 解：電動機(jī)的電動勢系數(shù)： =0.1311 （v.min/r） 所以： （r/min） 靜差率 *100%=30% 調(diào)速范圍：

6、=2.87實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱： 轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)時間：5-135-20 同組人：實(shí)驗(yàn)報告評分： 一、預(yù)習(xí)報告（實(shí)驗(yàn)課前了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟）：1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ê喪觯? 掌握轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)原理；2 掌握利用simulink編程進(jìn)行仿真的方法。2、實(shí)驗(yàn)原理（簡述）：1 直流電動機(jī)的調(diào)壓調(diào)速原理從直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速方程可以看出，調(diào)節(jié)電樞供電電壓Ua即可實(shí)現(xiàn)調(diào)速。2 晶閘管裝置整流原理三相晶閘管橋式整流電路經(jīng)平波電抗器L為直流電動機(jī)電樞供電，通過改變觸發(fā)器移相控制信號Uc，可以調(diào)節(jié)晶閘管的觸發(fā)角，從而改變整流電路的輸出電壓平均值Ud，實(shí)現(xiàn)直流電動機(jī)的調(diào)速。3

7、 負(fù)反饋控制原理帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖2.1所示。系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速比較環(huán)節(jié)、偏差電壓方大環(huán)節(jié)、電力電子變換器和測速反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成。系統(tǒng)在電動機(jī)負(fù)載增加時，轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速反饋Un減小，而轉(zhuǎn)速的偏差Un將增加，同時放大器輸出控制電壓Uc增加，Uc的增加將使得晶閘管的觸發(fā)角減小，從而增大整流裝置的輸出電壓平均值，為電動機(jī)提供更大的電樞電壓Ua，從而增大電動機(jī)的電樞電流Ia。電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為，運(yùn)動方程為： （1）根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式和運(yùn)動方程可知，Ia的增加將使得電磁轉(zhuǎn)矩增大，從而使得轉(zhuǎn)速升高，補(bǔ)償了負(fù)載增加造成的轉(zhuǎn)速降。圖2.1 轉(zhuǎn)速反饋閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)

8、數(shù)據(jù)直流電動機(jī)額定參數(shù)：UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，四極，Ra=0.21，GD2=22.5N·m2。勵磁電壓Uf=220V，勵磁電流If=1.5A。三相橋式整流器內(nèi)阻為Rrec=0.5。平波電抗器Ld=10mH。三相電源：相電壓130V，頻率50Hz，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)Kn=0.0067，比例放大系數(shù)Kp=20（可按需要調(diào)節(jié)），飽和限幅為±10。3、實(shí)驗(yàn)步驟：1.建立轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；2.編程進(jìn)行轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真。3.根據(jù)轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)圖，編制Simulink實(shí)驗(yàn)程序，上機(jī)調(diào)試，記錄結(jié)果。4.分析實(shí)驗(yàn)

9、結(jié)果，完成書面實(shí)驗(yàn)報告，并完成相應(yīng)的思考題。二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（記錄相應(yīng)的表格或圖表）：1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格：1）帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的直流調(diào)速系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性方程為： 圖2.2：帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有差直流調(diào)速系統(tǒng)組成電動機(jī)轉(zhuǎn)速降為： 式中， ；為放大器放大倍數(shù)；為晶閘管整流器放大倍數(shù)；為電動機(jī)電動勢常數(shù)； 為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；R為電樞回路總電阻。從穩(wěn)態(tài)特性方程可以看到，如果適當(dāng)增大放大器的放大倍數(shù),電動機(jī)的轉(zhuǎn)速降n將減小，電動機(jī)將有更硬的機(jī)械特性，也就是說，在負(fù)載變化時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速變換將減小，電動機(jī)有更好的保持速度穩(wěn)定的性能 。如果放大倍數(shù)過大，也可能造成系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。轉(zhuǎn)速負(fù)反饋的有差調(diào)速系統(tǒng)的仿真模型如圖2.4

10、所示。模型在圖2.2開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速給定（），轉(zhuǎn)速反饋n-feed,放大器Gain和反映放大器輸出限幅的飽和特性模塊Saturation,飽和限幅模塊的輸出時移相觸發(fā)器的輸入，其中轉(zhuǎn)速反饋直接取自電動機(jī)的轉(zhuǎn)速輸出，沒有另加測速發(fā)電機(jī)，取轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) 2）在例1的基礎(chǔ)上觀察帶轉(zhuǎn)速負(fù)反饋系統(tǒng)在不同放大器放大倍數(shù)是對轉(zhuǎn)速變化的影響，模型主要參數(shù)見表。 表2.3轉(zhuǎn)速負(fù)反饋有靜差直流調(diào)速系統(tǒng)模型參數(shù)2、實(shí)驗(yàn)圖表：1）試驗(yàn)連線圖如圖2.4所示： 圖2.41）在額定轉(zhuǎn)速=10，=5,10,20時的轉(zhuǎn)速相應(yīng)曲線Kp=10如圖2.5.1所示，隨著放大器放大倍數(shù)的增加，系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速提高，即穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速

11、降減小。圖2.5.2所示為=10時的電流響應(yīng)波形，圖2.5.2時1/2額定轉(zhuǎn)速（=5）時的轉(zhuǎn)速相應(yīng)曲線，2.5.3電源電壓曲線，2.5.4電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化曲線。 2.5.1（Kp=10） 2.5.2（電流響應(yīng)曲線） 2.5.3 2.5.4三、實(shí)驗(yàn)思考（完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)思考題，提出實(shí)驗(yàn)的改進(jìn)方法）：1、 根據(jù)所給數(shù)據(jù)，計(jì)算在同樣的負(fù)載擾動下，轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速降和開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速降之間的關(guān)系： 2、 在理想空載轉(zhuǎn)速相同的情況下，計(jì)算轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)與開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)靜差率之間的關(guān)系： 3、 如果電動機(jī)的最高轉(zhuǎn)速都是nN，而對最低速靜差率的要求相同，計(jì)算轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制直流調(diào)速系

12、統(tǒng)與開環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)調(diào)速范圍之間的關(guān)系： 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱：轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn) 實(shí)驗(yàn)時間：5-135-20同組人：實(shí)驗(yàn)報告評分： 一、預(yù)習(xí)報告（實(shí)驗(yàn)課前了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)步驟）：1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模ê喪觯? 掌握轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)原理；2 掌握利用simulink編程進(jìn)行仿真的方法。2、實(shí)驗(yàn)原理（簡述）：圖3.1轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制的直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖3.1所示。為了實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和電流兩種負(fù)反饋分別起作用，在系統(tǒng)中設(shè)置兩個調(diào)節(jié)器，分別調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速和電流，兩者之間實(shí)行嵌套連接。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR的輸出作為電流調(diào)節(jié)器A

13、CR的輸入系統(tǒng)由轉(zhuǎn)速比較環(huán)節(jié)、偏差電壓方大環(huán)節(jié)、電力電子變換器和測速反饋環(huán)節(jié)構(gòu)成。當(dāng)轉(zhuǎn)速低于給定轉(zhuǎn)速時，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的輸出減小，即電流給定減小，并通過電流環(huán)調(diào)節(jié)使電動機(jī)電流下降，電動機(jī)將因?yàn)殡姶呸D(zhuǎn)矩減小而減速。在當(dāng)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和輸出達(dá)到限幅值時，電流環(huán)即以最大電流限制Idm實(shí)現(xiàn)電動機(jī)的加速，使電動機(jī)的起動時間最短。（1）轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)數(shù)據(jù)直流電動機(jī)額定參數(shù)：UN=220V，IN=136A，nN=1460r/min，四極，Ra=0.21，GD2=22.5N·m2。勵磁電壓Uf=220V，勵磁電流If=1.5A。三相橋式整流器內(nèi)阻為Rrec=0.5。平波電抗器Ld=10mH

14、。三相電源：相電壓130V，頻率50Hz，轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)Kn=0.0067，比例放大系數(shù)Kp=20（可按需要調(diào)節(jié)），飽和限幅為±10。電流反饋濾波時間常數(shù)Toi=0.002s，轉(zhuǎn)速反饋濾波時間常數(shù)Ton=0.01s。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器的飽和值為12V，輸出限幅值為10V，額定轉(zhuǎn)速時轉(zhuǎn)速給定U*n=10V。（2）轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)性能指標(biāo)電流超調(diào)量i%5%，空載起動到額定轉(zhuǎn)速時的轉(zhuǎn)速超調(diào)量n%10%，過載倍數(shù)=1.5。3、實(shí)驗(yàn)步驟：1 建立轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型；2 編程進(jìn)行轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真。3根據(jù)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制直流調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)

15、構(gòu)圖，編制Simulink實(shí)驗(yàn)程序，上機(jī)調(diào)試，記錄結(jié)果。4分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，完成書面實(shí)驗(yàn)報告，并完成相應(yīng)的思考題。二、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（記錄相應(yīng)的表格或圖表）：1、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表格：1）調(diào)節(jié)參數(shù)計(jì)算和設(shè)定：按工程設(shè)計(jì)方法和選擇轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)參數(shù)，ASR和ACR都采用PI調(diào)節(jié)器。 電流調(diào)節(jié)其參數(shù)計(jì)算 電流反饋系數(shù)： 電動機(jī)轉(zhuǎn)矩時間常數(shù)： 電機(jī)電磁時間常數(shù)： 三相晶閘管整流電路平均失控時間： 電流開環(huán)的小時間常數(shù)為： 根據(jù)電流超調(diào)量的要求，電流環(huán)按典型I型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，電流調(diào)節(jié)器選用PI調(diào)節(jié)器，其傳遞函數(shù)為 其中： 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器參數(shù)計(jì)算：轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)： 為加快轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)速度，轉(zhuǎn)速環(huán)按典型II系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并選中頻段寬度h=

16、5，轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為 其中： 調(diào)節(jié)的參數(shù)見表3.2，調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)的限幅值為12調(diào)節(jié)器輸出限幅值為10. 表3.2轉(zhuǎn)速電流閉環(huán)控制系統(tǒng)模型主要參數(shù)3）設(shè)定模型參數(shù)：方針?biāo)惴╫de15，仿真時間1.5s。在0.8s是突加1/2額定負(fù)載。2、實(shí)驗(yàn)圖表：1） 直流電動機(jī)開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真圖如下2） 啟動仿真及結(jié)果：仿真結(jié)果見圖3.3可以看到，電動機(jī)的啟動經(jīng)歷了電流的上升、恒流升速和轉(zhuǎn)速超調(diào)后的調(diào)節(jié)三階段。與電動機(jī)的開環(huán)系統(tǒng)相比，電動機(jī)啟動電流大幅度下降，電流環(huán)發(fā)揮了調(diào)節(jié)作用，使最大電流限制在設(shè)定的范圍以內(nèi)。在0.8s時突加1/2額定負(fù)載后電動機(jī)電流上升轉(zhuǎn)速下降，經(jīng)過0.2s左右時間的調(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速恢復(fù)到給定值。修改調(diào)節(jié)參數(shù)，可以觀察在不同參數(shù)條件下雙閉環(huán)系統(tǒng)中電流和轉(zhuǎn)速的響應(yīng)，修改轉(zhuǎn)速給定，也可以觀察電動機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時的工作情況。3） 仿真結(jié)果圖如下3.3所示，3.3.1電源電壓波形，3.3.2經(jīng)整流的電壓波形，3.3.3和圖3.3.4是電動機(jī)電樞回路電流和轉(zhuǎn)速變化過程，3.3.5是電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩變化曲線，轉(zhuǎn)矩曲線與電流曲線成比例。圖3.3.6給出了工作過程中電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速特性曲線。 3.3.1 3.3.2（電流響應(yīng)） 3.3.3