電力拖動_實驗講義

1、實驗一 直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)仿真一、實驗?zāi)康?、掌握直流電機開環(huán)系統(tǒng)各部分組成及基本原理2、掌握基于物理模型的直流電機開環(huán)系統(tǒng)仿真方法3、分析直流電機開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題，具備一定實驗數(shù)據(jù)分析能力。二、實驗內(nèi)容1、直流電機調(diào)壓調(diào)速分析假設(shè)直流電機負載恒定，通過改變晶閘管觸發(fā)角來實現(xiàn)直流電機調(diào)壓調(diào)速。步驟1：搭建系統(tǒng)仿真圖，見下圖。具體參數(shù)為：（1）電機模型參數(shù)勵磁電壓220V。（2）交流電源模型參數(shù)在MATLAB/Simulink中，三相交流電源模型位于SimPowerSystemElectricalThree-Phase Source。其參數(shù)設(shè)置如下。（3）三相晶閘管整流器模型參數(shù)模型位于

2、SimPowerSystemPower ElectronicsUniversal Bridge。其參數(shù)采用默認值。（4）6脈沖觸發(fā)電路模型參數(shù)雙擊模型，將頻率參數(shù)改為50Hz，當(dāng)采用寬脈沖控制方式時，脈沖寬度應(yīng)大于60度。（5）直流回路中平波電抗器的電感取L=0.005H（7）Powergui模型在用Simulink中的SimPowerSystem系統(tǒng)仿真時，界面必須要求Powergui模塊。（8）仿真時間為2s。（9）電機負載為50Nm。將6脈沖觸發(fā)裝置的觸發(fā)角在t=1s時由30度變?yōu)?0度。步驟2：系統(tǒng)仿真結(jié)果分析仿真得到的轉(zhuǎn)速、電樞電流、電磁轉(zhuǎn)矩波形見下圖。轉(zhuǎn)速波形電樞電流波形電磁轉(zhuǎn)矩波

3、形實驗結(jié)果分析：（1）t=1s時，隨著觸晶閘管發(fā)角的增大，電機轉(zhuǎn)速下降。驗證了直流電機調(diào)壓調(diào)速原理。（2）電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩波形的形狀相同，這與理論一致，因為。（3）在觸發(fā)角由30度變?yōu)?0度時，穩(wěn)態(tài)后，電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流不變。這是因為電機穩(wěn)態(tài)時，電機的電磁轉(zhuǎn)矩與負載轉(zhuǎn)矩相等，由于負載轉(zhuǎn)矩始終不變，所以穩(wěn)態(tài)后電磁轉(zhuǎn)矩也不變，只是在動態(tài)過程中有所波動。2、負載對電機轉(zhuǎn)速影響分析仿真電路圖見下圖。主要模型參數(shù)不變，將晶閘管觸發(fā)角改為30度不變，即直流電機端點壓恒定，負載在1s時由50變?yōu)?00Nm。仿真結(jié)果如下：轉(zhuǎn)速波形電樞電流矩波形電磁轉(zhuǎn)矩波形實驗結(jié)果分析：（1）在t=1s時，隨著負載增大，電機

4、轉(zhuǎn)速下降。（2）電樞電流與電磁轉(zhuǎn)矩波形的形狀相同，這與理論一致，因為。（2）隨著負載增大，電磁轉(zhuǎn)矩和電樞電流也同時增大。這是因為隨著負載增加，要使電機達到穩(wěn)態(tài)，相應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩也必須增加，才能使轉(zhuǎn)子合轉(zhuǎn)矩為零，電機才能保持穩(wěn)態(tài)。三、開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)存在的問題隨著電機帶動的負載越大，電機的穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速下降，因此這種調(diào)速系統(tǒng)只能用于對電機調(diào)速要求不高的場所。實驗2 轉(zhuǎn)速反饋無靜差直流調(diào)速系統(tǒng)仿真一、實驗?zāi)康?、掌握PI控制的單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的基本原理2、掌握運用MATLABSimulink仿真軟件建立PI控制的單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型，并具有一定的數(shù)據(jù)分析能力。二、實驗原理與步驟1、PI控

5、制的單閉環(huán)直流電機調(diào)速系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型與原始數(shù)據(jù)數(shù)學(xué)模型被控對象原始數(shù)據(jù)（1）直流電機數(shù)據(jù)：，（2）晶閘管整流裝置：，（3）電樞回路總電阻；電樞回路電磁時間常數(shù)；機電時間常數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速時給定電壓。2、轉(zhuǎn)速給定信號不同時的電機轉(zhuǎn)速仿真（1）給定信號：給定信號為階躍信號，初始值為10，0.5s后變?yōu)?。（2）PI調(diào)節(jié)器：比例系數(shù)；積分系數(shù)，積分器有限幅作用，上限為10，下限為-10，具體設(shè)置見下圖。（3）電機空載運行。（4）仿真時間設(shè)為1s。仿真電路圖如下。（5）仿真得到的轉(zhuǎn)速和電樞電流波形如下：轉(zhuǎn)速波形電樞電流波形（6）仿真結(jié)果分析：由轉(zhuǎn)速波形可以得出：當(dāng)給定電壓為最大值10V時，

6、電機轉(zhuǎn)速在啟動時有一定超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)時達到額定轉(zhuǎn)速1000r/min。0.5s后，給定電壓降為5V，轉(zhuǎn)速也降低一半，為500r/min。由電流波形可以得出：起動電流較大。但不管給定電壓為最大值10V還是降為5V，電機運行到達穩(wěn)態(tài)后，電樞電流與負載電流相等，因為此時沒加負載，故穩(wěn)態(tài)時電樞電流為0。3、調(diào)節(jié)PI控制器參數(shù)對轉(zhuǎn)速的影響仿真假設(shè)電機空載運行，轉(zhuǎn)速給定信號為10V。比例系數(shù)，積分時間系數(shù)，仿真結(jié)果如下：由轉(zhuǎn)速波形可以得出：當(dāng)給定電壓為最大值10V時，電機轉(zhuǎn)速啟動過程沒有超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)后能達到額定轉(zhuǎn)速1000r/min。由電流波形可以得出：起動電流較小。當(dāng)電機運行到達穩(wěn)態(tài)后，電樞電流降低為0。

7、4、不同負載對轉(zhuǎn)速的影響仿真假設(shè)電機轉(zhuǎn)速給定信號為10V；PI調(diào)節(jié)器中比例系數(shù)，積分系數(shù)；負載設(shè)定為初始負載電流為50A，0.5s后負載電流變?yōu)?00A，仿真模型如下。仿真得到的轉(zhuǎn)速和電樞電流波形如下：由轉(zhuǎn)速波形可以得出：0.5s后，負載電流由50A增加到100A，電機達到穩(wěn)態(tài)后轉(zhuǎn)速沒發(fā)生變化，仍為額定轉(zhuǎn)速1000r/min。說明由比例積分控制器構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)為無靜差系統(tǒng)。由電流波形可以得出：起動電流較大。0.5s后，負載電流由50A增加到100A，為了使電機達到穩(wěn)態(tài)，電樞電流相應(yīng)的也從50A增加到100A，即電樞電流始終與負載電流相等，以維持電機穩(wěn)定運行。三、實驗心得實驗3 轉(zhuǎn)速、電流雙

8、閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)仿真一、實驗?zāi)康?、掌握轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理2、掌握運用MATLABSimulink仿真軟件建立轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型，并具有一定的數(shù)據(jù)分析能力。二、實驗原理及步驟1、被控對象原始數(shù)據(jù)（課本例2-1，2-2）（1）直流電機數(shù)據(jù)：，允許過載倍數(shù)；（2）三相晶閘管整流裝置：，（3）電樞回路總電阻；電樞回路電磁時間常數(shù)；機電時間常數(shù)；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)；電流反饋系數(shù)；電流濾波時間常數(shù)；轉(zhuǎn)速濾波時間常數(shù)；對應(yīng)額定轉(zhuǎn)速時的給定電壓。2、電流環(huán)的仿真分析（1）電流環(huán)的數(shù)學(xué)模型如下（2）仿真模型的建立注意：建立模型時，忽略負載電流，即認為電機空載運行。（3）參

9、數(shù)設(shè)置（1）先設(shè)置被控對象參數(shù)，見原始數(shù)據(jù)。（2）PI調(diào)節(jié)器中，；積分器有限幅作用，上限為10，下限為-10；整個PI調(diào)節(jié)器輸出也有限幅作用，因此加一個限幅器Saturation，上限為10，下限為-10，見下圖。（3）給定信號為階躍信號，階躍時間為0，初始值為0，終值為10。（即轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流達到最大值）（4）仿真時間設(shè)為0.05秒。（5）仿真結(jié)果見下圖。由上圖可知：（a）此時轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器飽和，電流輸出達到最大值，約為195A，（額定值為136A），此時相當(dāng)于轉(zhuǎn)速的加速度最大，速度上升最快。（b）電流超調(diào)量約為5%，滿足要求。3、雙閉環(huán)的仿真分析（1）轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型如下（2）

10、仿真模型的建立（3）參數(shù)設(shè)置：（1）先設(shè)置被控對象參數(shù)，具體數(shù)據(jù)見原始數(shù)據(jù)。（2）轉(zhuǎn)速給定環(huán)節(jié)為階躍信號，階躍時間0，初始值0，終值10；（3）轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器參數(shù)： ，。積分器有限幅作用，上限為10，下限為-10；整個轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器輸出也有限幅作用，因此加一個限幅器Saturation，上限為10，下限為-10。（4）電流調(diào)節(jié)器參數(shù)與電流環(huán)的仿真參數(shù)一樣。（5）用一個階躍信號給系統(tǒng)加額定負載，階躍時間1，初始值0，終值136（額定負載電流）（6）仿真時間為1.5秒。仿真結(jié)果見下圖。由上圖可知：（a）起動時，電流迅速達到最大值，約為200A，此時電機的轉(zhuǎn)速以最大加速度快速上升。（b）大約在0.35秒

11、處，轉(zhuǎn)速達到給定值，電流下降，經(jīng)過一定震蕩后，轉(zhuǎn)速達到額定值1460r/min，此時因為空載運行，電流降低為0。（c）1秒時，突加負載，轉(zhuǎn)速和電流發(fā)生波動，達到穩(wěn)態(tài)后，轉(zhuǎn)速有基本回到原來狀態(tài)（基本無靜差），電流與實際負載電流相等。三、實驗心得實驗4 單閉環(huán)PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真一、實驗?zāi)康?、掌握單閉環(huán)PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的基本原理2、掌握運用MATLABSimulink仿真軟件建立單閉環(huán)PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)的仿真數(shù)學(xué)模型，并具有一定的數(shù)據(jù)分析能力。二、實驗內(nèi)容及步驟單閉環(huán)PWM可逆直流調(diào)速系統(tǒng)仿真模型見下圖。各部分模型的建立與參數(shù)設(shè)置：1、主電路模型建立與參數(shù)設(shè)置（1）直流電源：22

12、0V。（2）橋式電路：選擇通用橋（Universal Bridge）中IGBT/Diodes，橋臂數(shù)為2。（3）直流電機參數(shù)：勵磁電源220V，負載為50。2、控制電路模型建立與參數(shù)設(shè)置（1）PI控制器：Kp=0.1，Ki=1，輸出限幅為-10 10。（2）PWM發(fā)生器：采用Discrete PWM Generator模塊。此模塊中自帶三角波，其幅值為1，且輸入信號應(yīng)在-1到1之間，輸入信號與三角波信號相比較，比較結(jié)果大于0時，占空比大于50%，PWM波表現(xiàn)為上寬下窄，電機正轉(zhuǎn)；比較結(jié)果小于0時，占空比小于50%，PWM波表現(xiàn)為上窄下寬，電機正轉(zhuǎn)。Discrete PWM Generator模

13、塊參數(shù)設(shè)置：調(diào)制波為外設(shè)波，載波頻率為1080Hz。3、系統(tǒng)仿真參數(shù)設(shè)置：仿真算法ode23tb，仿真時間5s。4、仿真結(jié)果分析（自己分析）實驗5 異步電機SPWM調(diào)速仿真一、實驗?zāi)康?、掌握異步電機SPWM調(diào)速的基本原理2、掌握運用MATLABSimulink仿真軟件建立異步電機SPWM調(diào)速的仿真數(shù)學(xué)模型，并具有一定的數(shù)據(jù)分析能力。二、實驗內(nèi)容及步驟2.1、SPWM內(nèi)置波調(diào)速系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真模型見下圖。各部分模型的建立與參數(shù)設(shè)置：1、主電路模型建立與參數(shù)設(shè)置（1）直流電源：780V。（2）橋式電路：選擇通用橋（Universal Bridge）中IGBT/Diodes，橋臂數(shù)為3。（3）交流

14、電機參數(shù)：采用Preset Mode 15，負載為10。（4）交流電機測量模塊：路徑為simpower systems/machines/machines measurement demux，參數(shù)設(shè)置見下圖。2、控制電路模型建立與參數(shù)設(shè)置采用離散PWM脈沖發(fā)生器作為控制信號，路徑為simpower systems/extra library/discrete control blocks/discrete PWM generator。調(diào)制波設(shè)置為內(nèi)置模式，具體見下圖。3、仿真設(shè)置：仿真算法：ode23tb，仿真時間5秒。4、仿真結(jié)果與分析仿真分析由學(xué)生自己完成2.2、SPWM外置波調(diào)速系統(tǒng)仿真系統(tǒng)仿真模型見下圖。各部分模型的建立與參數(shù)設(shè)置：1、主電路模型建立與參數(shù)設(shè)置與內(nèi)置波仿真相同2、控制電路模型建立與參數(shù)設(shè)置（1）discrete PWM ge