直流电动机开环调速系统仿真和调光台灯.docx
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直流电动机开环调速系统仿真和调光台灯
南京工程学院
课程设计说明书
成绩
题目直流电机调速和调光台灯
课程名称电力电子技术课程设计
院（系、部、中心）康尼学院
专业电气工程及其自动化
班级K电气101
学生姓名刘栋
学号240102228
设计时间2012.12.17—2012.12.27
设计地点工程实践中心8—319
指导教师陈刚、廖德利
2012年12月南京
直流电动机开环调速系统仿真
1.1直流电动机开环调速系统仿真的原理
1.1.1仿真原理
直流电动机电枢由三相晶闸管整流电路经平波电抗器L供电，并通过改变触发器移相控制信号Uc调节晶闸管的控制角，从而改变整流器的输出电压实现直流电动机的调速。
该系统的仿真模型如图1-1所示。
在仿真中为了简化模型，省略了整流变压器和同步变压器，整流器和触发同步使用同一交流电源，直流电动机励磁由直流电源直接供。
任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。
例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行停止时要求的定位精度等等。
归纳起来，对于调速系统转速控制的要求有以下三个方面：
（1）调速。
在一定的最高转速和最低转速范围内，分档地（有级）或平滑地（无级）调节转速。
（2）稳速。
以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量。
（3）加、减速。
频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起、制动尽量平稳。
为了进行定量的分析，可以针对前两项要求定义两个调速指标，叫做“调速范围”和“静差率”。
这两个指标合称调速系统的稳态性能指标。
（1）调速范围
生产机械要求电动机提供的最高转速
和最低转速
之比叫做调速范围，用字母D表示，即
（2—2）
其中，
和
一般都指电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如精密磨床，也可用实际负载时的最高和最低转速。
（2）静差率
当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落
，与理想空载转速
之比，称作静差率s，即
（2—3）
或用百分数表示
显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。
它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小，转速的稳定度就越高。
然而静差率与机械特性硬度又是有区别的。
一般变压调速系统在不同转速下的机械特性是互相平行的，对于同样硬度的特性，理想空载转速越低时，静差率越大，转速的相对稳定度也就越差。
由此可见，调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。
在调速过程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。
如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更能满足要求了。
因此，调速系统的静差率指标应以最低速进所能达到的数值为准。
（3）直流变压调速系统中调速范围、静差率和额定速降之间的关系
在直流电动机变压调速系统中，一般以电动机的额定转速
作为最高转速，若额定负载下的转速降落为
，则按照上面分析的结果，该系统的静差率应该是最低速时的静差率，即
于是，最低转速为
而调速范围为
将上面的
式代入，得
（2—4）
式（2—4）表示变压调速系统的调速范围、静差率和额定速降之间所应满足的关系。
对于同一个调速系统，
值一定，由式（2—4）可见，如果对静差率要求越严，即要求
值越小时，系统能够允许的调速范围也越小。
图1-1直流开环调速系统电气原理
1.2仿真过程
1.2.1仿真原理图
图1-2直流电动机开环调速系统结构图
根据实验原理图在MATLAB软件环境下查找器件、连线，接成入上图所示的线路图。
1）仿真具体步骤
a、点击
图标，打开MATLAB软件，在工具栏里根据提示点击
，点击MATLAB，打开一个对话框，点击
里的new
model，创建一个新文件。
b、点击工具栏的
，打开元器件库查找新的元器件。
C、原件库如下图所示
图1-3原件库
2）所用元器件及其参数设置
a）三相交流电源A、B、C
图1-4三相电源参数设置
设置三相电压都为220V，两两之间相位差为120，分别为0、-120、-240。
b）6-PulseGenerator
图1-5
c）UniversalBridge
普通的桥电路起着过载保护作用，防止电流过大烧坏电机。
图1-6
d）DCMachine（直流电动机）
直流电动机的运行特性主要有两条:
一条是工作特性，另一条是机械特性，即转速-转矩特性。
分析表明，运行性能因励磁方式不同而有很大差异。
F+和F-是直流电机励磁绕组的连接端，A+和A-是电机电枢绕组的联结端，TL是电机负载转矩的输入端。
m端用于输出电机的内部变量和状态，在该端可以输出电机转速、电枢电流、励磁电流和电磁转矩四项参数。
修改参数电枢电阻和电感（Armatureresistanceandinductance）为[0.210.0021]，励磁电阻和电感（Fieldresistanceandinductance）为[146.70]，励磁和电枢互感（Field-armaturemutualinductance）为0.84，转动惯量（Totalinertia）为0.572，粘滞摩擦系数（Viscousfrictioncoefficient）为0.01，库仑摩擦转矩（Coulombfrictiontorque）为1.9，初始角速度（initialspeed）为0.1。
图1-7直流电机
e）参数设置
图1-8
f）镇流桥设置
图1-9
g）直流电源
图1-10
n）放大器，设置放大系数。
图1-11
O）阶跃信号
图1-12
2.1仿真结果
由以上原理图绘制，参数设置，以及波形调试得出以下仿真结果，其波形图如下所示：
以下波形分别为转速n，电枢电流Ia，励磁电流If，转矩T
a）转速n
b）电枢电流Ia
C）励磁电流If
d）输出电压ud
e）RSM输出电压ud1
f）转矩T
3.1仿真分析
从上图仿真的波形可以看出，此仿真非常接近于理论分析的波形。
晶闸管-电动机系统就是开环调速系统，调节控制电压
就可以改变电动机的转速。
如果负载的生产工艺对运行时的静差率要求不高，这样的开环调速系统都能实现一定范围内的无级调速。
但是，许多需要调速的生产机械常常对静差率有一定的要求。
例如龙门刨床，由于毛坯表面粗糙不平，加工时负载大小常有波动，但是，为了保证工件的加工精度和加工后的表面光洁度，加工过程中的速度却必须基本稳定，也就是说，静差率不能太大，一般要求，调速范围D=20～40，静差率s≤5%。
又如热连轧机，各机架轧辊分别由单独的电动机拖动，钢材在几个机架内连续轧制，要求各机架出口线速度保持严格的比例关系，使被轧金属的每秒流量相等，才不致造成钢材拱起或拉断，根据工艺要求，须使调速范围D=3～10时，保证静差率s≤0.2%～0.5%。
在这些情况下，开环调速系统往往不能满足要求。
4.1总结
这次用MATLAB软件进行仿真，相对来说实验现象观看的没有那么形象，但是调节起来比较方便，没有很大麻烦。
但是对于参数计算，我不是很了解，抽象的没有具体的好把握一点，但是工作效率提高了。
这次仿真结束，我又学习了一种课题的实验方法，用两种不同的形式解决了同一个问题，让我了解了学习的多元性，增加了学习的乐趣，引起了我的探知性。
谢谢我的同学，在我进行仿真的时候给我以指导和帮助！
参考文献：
[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统—运动控制系统第3版[M].北京：
机械工业出版社,2007.
[2]王兆安,黄俊.电力电子技术第4版[M].北京：
机械工业出版社,2000.
[3]任彦硕.自动控制原理[M].北京：
机械工业出版社,2006.
[4]洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M].北京：
机械工业出版社,2006.
调光台灯
1引言
台灯，是家中必备的一种照明工具，适当的放置台灯还可以起到点缀房间效果。
美丽的台灯不但可以发出梦幻般的光线，而且更能让使用者赏心悦目、心情舒畅，起到缓解疲劳的作用。
因此，台灯是一件集照明与装饰于一体的艺术品。
在形形色色的台灯家族中，具有无频闪、无辐射、无紫外线、保护视力、延缓眼睛疲劳、预防近视等功能的调光台灯以其独特的魅力和性价比独树一帜，深受广大用户的喜爱，下面本文就以不带遥控的调光台灯为例，介绍调光台灯的工作原理及检修方法。
2调光台灯的结构及特点
2．1调光台灯的结构
图2—2调光台灯电路图以及印刷电路板图
2．2调光台灯的特点
调光台灯小巧、精致、造型美观、携带方便、价格低廉、耗电量低、性价比高，是许多学生和家庭用户作为照明工具的首选器材之一。
并且调光台灯的亮度能在很大范围内调节，对保护视力起着很好的作用。
3.调光台灯的工作原理
从图2—2中可以看出，白炽灯EL与线圈L、双向晶闸管VT和开关S串联，接在220交流电源上。
双向触发二极管VD接在晶闸管VT的门极G上，当C2、C3上的电压增大到VD的导通电压时，VT突然导通，VT的门极和主电极T1间得到一个正向触发脉冲，VT导通，当交流电源过零的瞬间，VT自行关断。
交流电源进入负半周后，电源电压又给C2、C3反向充电，当电压值达到VD的转折电压时，VD突然反向导通，使VT得到一个反向触发信号，VT再次导通。
电位器RP用来调节触发信号出现的时刻，调节RP的值即可改变电容器充电的快慢，也就能改变VT的导通时间，从而达到调节灯光亮度的目的。
因此RP也就是亮度调节旋钮，即调光旋钮。
双向晶闸管VT是调光台灯的关键元件，也是最容易损坏的电子元器件，因此检修调光器先要知道怎样用指针式万用表检修VT的好坏，图2—3所示是BCR1AMAC97A6双向晶闸管的电极排列。
双向晶闸管的特点是，当G和T2相对与T1的电压均为正时，T2是阳极，T1是阴极。
反之当G和T2相对于T1的电压均为负时，T1变为阳极，T2为阴极。
双向晶闸管由于正、反向特性曲线具有对称性，所以它可以在任何一个方向导通。
图2—3MAC97A6双向晶闸管的电极排列
双向晶闸管属于NPNPN5层器件，在结构和特性上可以看作是一对反向并联的普通晶闸管，它有三个电极，三个电极分别是T1、T2、G。
因为该器件可以双向导通，因此除门极（G）以外的两个电极用阳极1（T1）、阳极2（T2）表示，不再划分为阳极和阴极。
用万用表判断双向晶闸管的电极常用如下方法：
（1）判定阳极2（T2）
把万用表调到R×1挡位，然后测量任意两脚之间的电阻值。
只有在G.与T1之间呈低阻（即正、反向电阻仅几十欧），而T2与G，T2与T1之间的正、反向电阻均为无穷大。
这表明，如果测出某脚与其它两脚的正、反向电阻均为无穷大，则该脚肯定是T2。
另外，采用TO—220封装的双向晶闸管，通常T2与小散热片连通，这样也可以确定T2。
（2）判定阳极1（T1）和门极（G）
找出T2极之后，可以假设剩下两极中任意一脚为T1，这样另一脚就为G。
将黑表笔接T1，红表笔接T2，电阻应为无穷大，接着用红表笔把T2与G短路，给G加上负触发信号，电阻值应为10欧姆左右，证明双向晶闸管已经导通，并且导通方向为从T1到T2。
再将红表笔与G分离（但是仍连T2），若电阻值保持不变，证明双向晶闸管在触发之后能维持导通状态。
调换两表笔重复上述操作，若结果相同，说明结果是正确的；如果调换表笔操作时，万用表瞬时指示为几十欧后又指示到无穷大，说明双向晶闸管没有维持导通，即原来假设不对，那么原来假设的T1实际是G，G实际是T1。
可见，在识别G、T1的过程中，也检查了双向晶闸管的触发能力。
如果不管按哪种假设去测量都不能使双向晶闸管触发导通，证明被检测的晶闸管已经损坏。
对于电流为1A的双向晶闸管，也可用R×10挡位检测；对于电流为3A以及3A以上的双向晶闸管，应该选用R×1挡位检测（或者在表外串联一节1.5V电池）。
4.调光台灯的常见故障及检修
调光台灯的常见故障主要有接通电源后台灯不亮、或者接通电源后台灯虽能发光，但台灯的亮度不可调。
（1）接通电源后调光台灯不亮
其原因主要是220V交流电没能进入调光电路或照明灯损坏，首先应检测照明灯、插头、电线、电源插座的好坏，排除故障后，再检修调光器。
调光器的检修方法如下：
将调光台灯接上电源，调光旋钮旋到中间位置。
用万用表的交流（AC）档测量双向晶闸管T1、T2两电极间的电压，如果读数是220V，说明双向晶闸管没有导通，要断电后将其拆焊，以进一步检查好坏。
调光台灯中双向晶闸管是容易损坏的器件。
如果经过检测双向晶闸管没有坏，要接着检查其他元件是否存在开焊（虚焊）、短路、断路、击穿等故障。
此外，常见的故障是（参考图2—2）C2、C2击穿或者电阻器R2、R3烧断，检修时只要将损坏的元件换下，故障即可排除。
（2）台灯亮度不可调
调光台灯接电后就是最大亮度且亮度不能控制，最常见的原因是双向晶闸管（参考图2—2）BCR1AMAC97A6击穿损坏，这样就等于交流220V电压直接加在白炽灯EL的两端，所以台灯亮度最大且不能调整。
如果是晶闸管没有被击穿损坏，应该重点检查电位器是否正常、电位器引脚之间是否存在短路，或者电位器因为故障总是处在阻值最小位置，所以导致双向晶闸管一直处于导通状态，以此致使调光台灯通电后一直是最大亮度状态，即台灯亮度不可调。
（3）调光台灯通电后总是弱光
如果调光台灯通电后总是弱光，不能调到最亮状态，则应重点检查1M的电位器是否损坏，电阻器R2、R3的电阻值是否变大（参考图2—2）。
电阻器R2、R3的电阻值变大或电位器损坏会导致电位器的阻值调不小，是灯光不能调亮的常见原因。
另外，如果电容器C2、C3漏电也会造成这种现象。
将调光台灯接上电源，然后把电位器旋转到亮度最大位置，用万用表的交流10V挡位进行测量，红表笔连接双向晶闸管T1，黑表笔接T2，如果晶闸管正常导通即灯光最亮时测量的读数应该是0.7—1V。
如果读数大于1V，则表明双向晶闸管没有完全导通。
读数越大说明导通程度越差，灯光就越暗，此时可以用上述方法进行检测判断，或者更换相关电子元件进行修复最终使台灯正常工作。
5小结
通过以上分析讨论可以看出，调光台灯电路是一个涉及电路拓扑、电子元器件选择、电路动态静态分析和电子元件焊接等多学科的一个知识密集型电子产品。
它主要实现在电路尽可能简单的条件下实现高效率、高可靠、低电磁辐射干扰、价格低廉、外型美观等特点。
所以对电路设计、选型、生产提出了较高的要求。
随着电子技术、电子元器件、电路拓扑水平的不断提高，调光台灯的质量和性能会不断提高,而且逐渐向无线控制,声光控等高端技术方向发展。
6．思考题
1.简述本电路如何实现调光过程？
触发电路有电位器和电容器组成，接通交流电源后，通过电位器给电容器充电，当电容器的电压达到一定数值后，就会触发晶闸管导通；调节电位器Rp旋钮，以改变充电时间，从而控制晶闸管的导通角，改变流过灯泡的电流io,进而达到控制加在白炽灯两端的输出电压Uo的有效值，由此控制灯光的明暗，实现调光过程。
2,2CTS是什么器件？
定性画出其伏安特性。
2CTS为双向触发二极管；其伏安特性如下图：
交流电的半个周期定为180°，称为电角度。
这样，在U2的每个正半周，从零值开始到触发脉冲到来瞬间所经历的电角度称为控制角α；在每个正半周内可控硅导通的电角度叫导通角θ。
很明显，α和θ都是用来表示可控硅在承受正向电压的半个周期的导通或阻断范围的。
通过改变控制角α或导通角θ，改变负载上脉冲直流电压的平均值UL，实现了可控整流。
3.2CTS的触发电压对BCR的α角有何影响？
当电路接通交流电源之后，交流电便通过Rp及R2向电容C充电，充电电压的幅值大于2CTS的转折电压时触发导通，调节Rp旋钮改变电容器达到所需触发电压值时的充电时间从而控制BCR的触发角α。
4.若仅将Rp上升或者下降，会对调光电路带来什么影响？
Rp上升，电容器达到所需触发电压值时的充电时间就越长，触发延迟角α就越大，电压的有效值就越小，灯光越暗。
Rp下降，电容器达到所需触发电压值时的充电时间就越短，触发延迟角α就越小，电压的有效值就越大，灯光越亮。
5.可否用双踪示波器观测Ut2t1及2CTS两端的电压？
为什么？
不能，当需要同时观察两个信号时，必须在电路上找到这两个被测信号的公共点，将探头的地线街上，两个探头各接至信号处，而此处无公共点，因此不能同时观测。
6.何为软启动？
本电路中软启动时如何实现的？
是串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管及其电子控制电路。
运用不同的方法，控制三相反并联晶闸管的导通角，使被控电机的输入电压按不同的要求而变化，就可实现不同的功能，即为软起动。
触发电路有电位器和电容器组成，接通交流电源后，通过电位器给电容器充电，当电容器的电压达到一定数值后，就会触发晶闸管导通；调节电位器Rp旋钮，以改变充电时间，从而控制晶闸管的导通角，从而改变电压的有效值，实现软启动。
7.如何测得iG波形？
将电阻R2两端接至示波器，观察波形。
8.本电路中的R1，R2各有什么作用？
R1：
限流，起到保护电路的作用。
R2：
触发脉冲回路中，提供触发信号。
9.（Rp+R1）的功耗如何决定？
P=I^2（Rp+R2）调节电位器Rp旋钮，以改变充电时间，从而控制晶闸管的导通角，改变流过灯泡的电流io,由此可改变功耗。
10.如何理解BCR的参数1A/400V？
它与灯泡负载大小有何关系？
1A：
通态平均电流；400V：
额定电压；是通过控制晶闸管的的触发延迟角α，来控制灯泡负载电压的大小。
11.BCR的正向最大阻断电压及正向导通时的管压降如何测得？
正向最大阻断电压：
G断开，允许重复加在晶闸管T1T2之间的正向峰值电压；
管压降：
晶闸管正向导通时，T1T2之间的电压平均值，一般1V左右。
12.若将白炽灯支路再串一电感L。
则负载电流io将有什么变化？
为什么？
输出的负载电流将减小；因为电感L通直阻交，在交流电路中相当于接一电阻，则io减小，灯光变暗。
13.本电路中αmin及αmax理论值分别决定于什么？
调节电位器Rp旋钮，以改变充电时间，从而控制晶闸管的导通角，Rp旋至达到导通电压时，对应触发延迟角αmax，灯光最暗；Rp旋至最小，对应触发延迟角αmin，灯光最亮。
参考文献
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