功率电子学课程设计报告.docx

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功率电子学课程设计报告

课程设计

课程名称_功率电子学

题目名称晶闸管直流调速的系统

参数和环节特性的测定

学生学院信息工程学院

专业班级07应用电子2班

学号3107002830

学生姓名周威

指导教师胡清__

2010年6月21日

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、晶闸管整流调速装置、平波电抗器、电动机-发动机组等组成。

在本实验中，整流装置扩电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压Ug作为触发口碑移相控制电压Uct，改变Ug的大小即可改变控制角α，从而获得可调直流电压，以满足实验要求。

实验系统组成原理如图1.0所示。

图1.0晶闸管直流调速试验系统原理图

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）测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L。

（3）测定直流电动机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD^2。

（4）测定晶闸管直流调速系统主电路磁时间常数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我Ud=f（Uct）。

（8）测定测速发电机特性UTG=f（n）。

四、实验仿真

晶体管直流调速实验系统原理图如图A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1.1是采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。

下面介绍各部分的建模与参数设置过程。

图1.1晶闸管开环直流调速的仿真模型

1.系统的建模与参数设置

系统的建模包括主电路的建模与控制电路的建模两部分。

（1）主电路的建模与参数设置

由图1.1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。

由于同步脉冲触发器与晶闸管三流桥是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来建模。

1三相对称交流电压源的建模和参数设置。

首先从电源模块组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”，然后从连接器模块组中选取“Ground”元件和“BusBar”元件，按图1.0主电路进行连接。

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相交流电源参数设置中，幅值取220V，初相位设置成0度，频率为50HZ,其他为默认值，如图2所示。

B、C相交流电源参数设置方法与A相基本相同，除了将初相位设置成互差120度外，其他参数与A相相同。

由此可得到三相对称交流电源。

2晶闸管整流桥建模和参数设置。

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3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，如果是针对某个具体的变流装置进行参数设置，对话框中的Rs、Cs、Ron、Lon、Vf应取该装置中的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。

这一参数设置的原则对其他环节参数设置也适用。

图1.2A相电源参数设置图1.3SCR整流桥参数设置

3平波电抗器的建模与参数设置。

首先从元件模块组中选取“SeriesRLCBranch”模块，并将模块标签改为“平波电抗器”，然后打后平波电抗器参数设置的对话框，参数设置如图1.4所示，平波电抗器的电感值是通过仿真之实验比较后得到的优化参数。

4直流电动机建模与参数设置。

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。

电动机的参数设置步骤如下，双击直流电动村，打开直流电动机图标，打开直流电动机的对数设置对话框，直流电动机的参数设置如图5。

参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。

图1.4A相电源参数设置图1.5SCR整流桥参数设置

5同步脉冲触发器的建模与参数设置。

同步脉冲触发器包括同步电源与6脉冲触发器两部分。

6脉冲触发器可从附加控制子模块组获得。

6脉冲触发器需用三相线电压同步，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（a）（b）。

（a）同步电源与6脉冲触发器（b）封装后的子系统符号

图1.6同步电源与6脉冲触发器和封装后的子系统符号

至此，根据主电路的连接关系，则可建立起主电路的仿真模型，如图2所示。

图中触发器开关信号为“0”时，开放触发器，开关信号为“1”时，关闭触发器。

（2）控制电路的建模与参数设置

晶闸管直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，它可以从输入模块组中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定信号”，然后双击该模块图标，打开参数设置对话框，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，读者可通过仿实践，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按照晶闸管的直流调速系统电气原理图的连接关系进行模块连接，即可得到图1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“Simulation”菜单，进行“SimulationParameters”设置。

单击“SimulationParameters”菜单后，得到仿真参数设置对话框，仿真中所选择的算法为ode23s。

由于实际系统的多样性，不同系统需要不同的仿真算法，到底采用哪一种算法，可勇冠仿真实践进行比较选择。

仿真“Starttime”一般设为0,“Stoptime”根据实际需要而定。

3.系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析

当建模与参数设置完成后，即可开始进行仿真。

在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，单击“Start”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”模块观察仿真输出图形，如下四幅图所示，其中图7、图8、图9、图10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w曲线和角频率w与电枢电流Ia的关系曲线。

图7直流电动机电枢电磁转矩Te曲线

图8直流电动机电枢电流Ia曲线

图9直流电动机角频率曲w线

图10直流电动机角频率曲w与电枢电流Ia的关系曲线

根据图1.0的仿真模型，系统有两种输出试：

当采用“示波器”观察仿真输出结果时，只要在系统模型图上双击“示波器”图标即可；当采用“out1”模块观察仿真输出结果时，可在MATLAB的命令输入窗口输入绘图“plot（tout,yout）”,

即可得到未经编辑的输出图形，然后对其输出图形进行编辑。

最终可得到编辑后的输出图形，如图11所示。

图11编辑后的晶闸管直流调速系统的电流曲线和转速曲线

图11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，这个结果和电动机实际运行的结果相似，系统的建模和仿真是成功的。

在晶闸管直流调速系统建模和仿真结束之际，对建模和参数设置的一些原则和方法归纳如下。

1系统建模时，将其分为主电路和控制电路两部分分别进行。

2在进行参数设置时，晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机等装置的参数设置原则如下，如果针对某个具体装置进行参数设置，则对话框中的有关参数默认值应取该装置的实际值；如果是不针对某个具体装置的一般情况，可先取这些装置的参数默认值进行仿真。

若仿真结果理想，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，不断时行参数优化，最后确定其参数。

3给定信号的变化范围、调节器的参数和反馈检测环节的反馈系数等可调参数的设置，其一般方法是勇冠仿真实验，不断进行参数优化。

具体方法分别设置这些参数的一个较大和一个较小值时行仿真，弄清它们对系统性能影响的趋势，据此逐步将参数进行优化。

4住址时间根据实际需要而定，以能够仿真出完整的波型为前提。

5由于实际系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。

不同的系统需要用不同的仿真算法，到底采用哪一种算法更好，这需要勇冠仿真实践，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。

五、实验结果

（1）实验结果分析

按实验指导书试验步骤得到实验结果如上各图所示。

通过仿真示波器可得，若各参数设置如上所述，且给定信号为50时，得到Te、Ia、w的曲线分别图9图10、图11所示。

Te的最大超调，即其最大值为610，调节时间是0.9，0.9后基本达到稳定值（约40）；Ia的最大超调是370，调节时间是0.9，0.9后基本达到稳定值（约30）；w的调节时间是0.9，没超调，稳定后值约为155。

（2）实验的有关参数

Ⅰ、电路总电阻值R=Ra+Rl+Rn=0.6+0+0.001=0.601ohms

Ⅱ、电枢回路电感L的测定L=La+Ld=0.012+0.005=0.017H

Ⅲ、直流时机-发电机-测速发电机组的飞轮惯量GD2=375Tz/dn/dt=1

（3）实验参数设置

有实验知当改变给定信号时，各个波形会相应改变，给定信号越小，Ia、Te最大值越大，稳定后的值越小；w稳定后的值越大。

如当信号为10时，Te的最大超调，即其最大值为800，稳定值约15；Ia的最大超调是480，稳定值约15；w稳定后值约为218。

波形与信号为50相似，只是幅值发生变化。

六、思考题

直流电动机有哪几种调速方案？

各有哪些特点？

答：

（1）降压调速；

（2）电枢回路串电阻调速；

（3）弱磁调速。

前两种调速方法适用于恒转矩负载，后一种调速方法适用于恒功率负载。

降压调速可实现无级调速，机械特性斜率不变，速度稳定性好，调速范围较大。

串电阻调速为有级调速，调速平滑性差，机械特性斜率增大，速度稳定性差，受静差率的限制，调速范围很小。

弱磁调速控制方便，能量损耗小，调速平滑，受最高转速限制，调速范围不大。

七、课程设计心得

两周的功率电子学课程设计结束了，作为一名应用电子技术大三的学生，我觉得能做这样的课程设计是十分有意义。

在已度过的两年半大学生活里我们大多数接触的是专业基础课。

我们在课堂上掌握的仅仅是专业基础课的理论面，如何去面对现实中的各种电子设计？

如何把我们所学到的专业基础理论知识用到实践中去呢？

我想做类似的大作业就为我们提供了良好的实践平台。

在做本次课程设计的过程中，我感触最深的当属查阅了很多次设计书和指导书。

为了让自己的设计更加完善，一次次翻阅相关书籍是十分必要的，同时也是必不可少的。

我们做的是课程设计，而不是艺术家的设计。

艺术家可以抛开实际，尽情在幻想的世界里翱翔，我们是学生，一切都要有据可依.有理可寻，不切实际的构想永远只能是构想，永远无法升级为设计。

另外，课堂上也有部分知识不太清楚，于是我又不得不边学边用，时刻巩固所学知识，这也是我作本次课程设计的第二大收获。

整个设计我基本上还满意，由于水平有限，难免会有错误，还望老师批评指正。