功率电子课程设计.docx
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功率电子课程设计
6.2单闭环不可逆直流调速系统实验
6.2.1实验目的
（1）了解单闭环直流调速系统的原理、组成及各主要单元部件的原理。
（2）掌握晶闸管直流调速系统的一般调试过程。
（3）认识闭环反馈控制系统的基本特性。
6.2.2实验原理
为了提高直流调速系统的动静态性能指标，通常采用闭环控制系统（包括单闭环系统和多闭环系统）。
对调速指标要求不高的场合，采用单闭环系统，而对调速指标要求较高的则采用多闭环系统。
按反相的方式不同可分为转速反馈、电流反馈、电压反馈等。
在单闭环系统中，转速反馈单闭环实用较多。
转速单闭环系统原理如图6.2.1所示，图中将反映转速变化的电压信号作为反馈信号，经“速度变换”后接到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较经放大后，得到移相控制电压Uct，用作控制整流桥的“触发电路”，触发脉冲经功放后加到晶闸管的门极和阴极之间，以改变“三相全控整流”的输出电压，这就构成了速度负反馈闭环系统。
电机的转速随给定电压变化，电机最高转速由电流调节器的输出限幅所决定，速度调节器采用P（比例）调节，对阶跃输入有稳态误差，要想消除上述误差，则需将调节器换成比例积分（PI）调节。
这时当“给定”电压恒定时，闭环系统对速度变化起到了抑制作用，当电机负载或电源电压波动时，电机的转速能稳定在一定的范围内变化。
图6.2.1转速单闭环系统原理图
电流单闭环系统原理如图6.2.2所示，图中将反映电流变化的电流互感器输出电压信号作为反馈信号加到“电流调节器”的输入端，与“给定”的电压相比较，经放大后，得到移相控制电压Uct，控制整流桥的“触发电路”，改变“三相全控整流”的电压输出，从而构成了电流负反馈闭环系统。
电动机的最高转速也由电流调节器的输出限幅所决定。
同样，电流调节器若采用比例（P）调节，则对阶跃输入有稳态误差，要消除该误差可将调节器换成比例积分（PI）调节。
当“给定”电压恒定时，闭环系统对电枢电流变化起到了抑制作用，当电动机负载或电源电压波动时，电动机的电枢电流能稳定在一定的范围内变化。
图6.2.2电流单闭环系统原理图
6.2.3实验内容
（1）学习“电源控制屏”的使用方法。
（2）基本单元电路的调试。
（3）Uct不变时直流电动机开环机械特性的测定。
（4）Ud不变时直流电动机开环机械特性的测定。
（5）转速单闭环直流调速系统。
（6）电流单闭环直流调速系统。
6.2.4实验仿真
转速单闭环系统的原理图如图6.2.1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、速度反馈等部分组成。
图6.2.3是采用面向电气原理图方法构成的单闭环转速反馈直流调速系统的仿真模型。
图6.2.3单闭环转速负反馈直流调速系统的仿真模型
与图6.1.2的开环直流调速系统相比较，两者的主电路基本是相同的，系统的差别主要在控制电路上。
为此，在后面介绍电路的建模与参数设置时，主要介绍其不同之处。
1、系统的建模和模型参数设置
（1）主电路的建模和参数设置
由图6.2.3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。
①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“BusBar”元件，按图6.2.3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，初相位设置成0°，频率为50Hz，其他为默认值，如图6.2.4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6.2.4所示。
由此可得到三相对称交流电源。
②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“UniversalBridge”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6.2.5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，对话框中的RS、CS、RON、LON、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6.2.4A、B相电源参考设置
C相电源参数设置
图6.2.5
注意在图6.2.3仿真模型的整流桥后面并联了一个二极管桥，它的作用是加快电动机的减速过程，同时避免在整流桥输出端出现负电压而使波形畸形。
③二极管桥模块与晶闸管整流桥模块的参数设置方法、参数设置原则都是一致的，只要将图6.2.4对话框中的“numberofbridgearms”改为“1，将powerelectronicdevice”选择“diodes”即可，其他参数的设置如图6.2.4所示。
④平波电抗器的建模和参数设置。
首先从模块中选取“SeriesRLCBranch”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6.2.6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。
电感值设为5e-3
图6.2.6
⑤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“DCMachine”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，打开直流电动机的参数设置对话框，直流电动机的参数设置如图6.2.7所示。
参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。
图6.2.7
⑥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（ExtrasControlBlocks）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6.2.8
图6.2.8同步电源与6脉冲触发器和封装后的子系统符号
（2）控制电路的建模和参数设置
单闭环转速负反馈直流调速系统的控制电路由给定信号、速度调节器、速度负反馈等组成。
仿真模型中根据需要，另外增加了限幅器、偏置、反相器等模块。
1“给定信号”模块的建模和参数设置方法与开环调速系统想听，此处参数设置为100rad/s。
有静差调速系统的速度调节器采用比例调节器，系统选择为10，它通过仿真优化而得。
2通过对Uct参数变化范围仿真实验的探索而知，当Uct在50°~180°范围内变化时，同步脉冲触发器能够正常工作，当Uct为50°时，对应的整流桥输出电压最大，而180°对应的输出电压反而最小，它们是单调递减的函数关系。
因此，将限幅器的上下限幅值设置为{130,0}，用加法器上偏置“-180”后调整为{-50，-180}，再经反相器转换为{50,180}。
这样在单闭环有静模块的应用，就可以将速度调节器的输出限制在使同步脉冲触发器能够正常工作的范围内了。
3速度调节器、限幅器、偏置、反相器等模块的建模与参数设置都比较简单，只要分别在simulink的“math”、“nonlinear”、“sources”模块库中找到相应的模块，并按要求设置参数即可。
限幅器参数设置如图6.2.9
图6.2.9
将主电路和控制电路的仿真模型按照单闭环转速负反馈调速系统电气原理图的连接关系进行模型连接，即可得到图6.2.3所示的系统仿真模型。
2、系统的仿真参数设置
系统当真参数设置方法与开环系统相同。
仿真中所选择的算法为ode23s，仿真“starttime”设为2，其他与开环系统相同。
3、系统仿真、仿真结果的输出及结果分析
单击工具栏的“star”命令进行仿真，等到如图所示仿真结果
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“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，其中图依次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ω曲线和角频率ω与电枢电流Ia的关系曲线
电磁转矩Te曲线
电枢电流Ia曲线
电动机角频率ω曲线
PI调节
6.2.5实验总结
（1）根据实验数据，画出Uct不变时直流电机开环机械特性曲线。
将系统改成开环，Uct不变，改变负载，仿真纪录数据。
TL
0
50
100
150
200
250
300
350
N
152.3
101.4
91
82.6
73.4
63.9
54.6
45.5
400
450
500
550
600
36.1
26.6
17.7
8.3
-0.7
实验结果显示：
转速随TL递减
（2）转速单闭环调速系统机械特性曲线
TL
0
50
100
150
200
250
300
350
N
67.56
42.4
41.6
40.96
40.2
39.5
38.6
37.89
400
450
500
550
600
650
700
750
37.02
36.1
34.78
32.84
24.4
15.13
5.859
-3.402
仿真得出转速单闭环调速系统机械特性曲线如下图：
心得体会
通过近两个周的功率电子课程设计，让我对功率电子学的的知识有了更深的提高，同时，让我更加熟练的使用MATLAB，进一步学习了MATLAB的仿真方法，并学会了如何利用仿真调试，用仿真模型描述实际电路使计算机能够识别和处理数据。
实验过程中由于自己的操作能力和排查能力不足，曾经出现错误，后来在上网查找相关资料和请教同学之后，顺利仿真出来了。
除了熟悉matlaB的操作之外，我们也熟悉晶了闸管调速系统的原理、组成及其基本单元部件结构，并且掌握晶闸管直流调速系统的调试过程。
认识到闭环反馈控制系统的基本特性。
并总之，这学期的功率电子课程设计，让我们学到了很多，更加意识到自己的知识不是很扎实，以后要注重知识的运用与实际相结合。
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