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，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制电路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压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。实验系统的组成原理如图1所示。
图1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GD2。 （4） 测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数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特性UdfUct。 （8） 测定测速发电机特性UTGfn。
四、实验仿真
晶体管直流调速实验系统原理图如图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、直流电动机等部分组成。图2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。
4.1 系统的建模和模型参数设置
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2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
路进行建模。
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
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
题名称修改方法将模块标签分别改为“A相”、“B相”、“C相”，然后从元件模块
)A(arslotsuarene1tivwaIs)mT1urO/ deaTr(w m--eAFc reunoihS cced agMatlC oDVL++TAF C D2t n0at5snohCc narBC LRs e ireS eg-d1m+irteusttOc2bsyc B lsaUnarIUUUbuSegAB CvinU t1ntan0 sta5n0stonCoC cVbV 型模真仿的统系速调流直环开管闸晶 2图
组中选取“Ground”元件，按图1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°，频率为50Hz,其他为默认值，如图3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°外，其他参数与A相相同。由此可得到三相对称交流电源。
②晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从电力电子模块组中选
“UniversalBridge”模块，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4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的参数设置也是适用的。
图3 A相电源参数设置
图4 SCR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“Series RLC Branch”模块，然后打开平波电抗器参数设置的对话框，参数设置如图5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。
图5 平波电抗器参数设置
④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“DC Machine”模块。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。参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。
图6直流电动机参数设置
⑤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与6脉冲触发器两部分。6脉冲触发器可从附加库模块组(Extra Library)中的控制子模块组(Control Blocks)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7(a)(b)所示。
1Uct1Ua2Ub3Uc2In2+v-Vab+v-alpha_degABBCCABlockpulses1Out1Vbc+v-VcaSynchronized6-Pulse GeneratorUctIn2UaOut1UbUcSubsystem
(a)同步电源与6脉冲触发器 (b)封装后的子系统符号
图7 同步电源与6脉冲触发器和封装后的子系统符号
至此，根据图1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，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X围内变化的，读者可通过仿真实践，确定给定信号允许的变化X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2所示的晶闸管直流调速系统仿真模型。
4.2 系统的仿真参数配置
在MATLAB的模型窗口打开“Simulation”菜单，进行“Configuration Parameters”设置,如图8所示。
图8 仿真参数配置
单击“Configuration Parameters”菜单后，得到仿真参数配置对话框，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，可通过仿真实践进行比较选择。仿真“Start time”一般设为0,“Stop time”根据实际需要而定。
图9 仿真参数配置对话框及参数配置
4.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析
当建模与参数配置完成后，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，如图10所示，其中图10(a)、(b)、(c)、(d)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。
(a) 直流电动机电枢电磁转矩Te曲线
(b) 直流电动机电枢电流Ia曲线
(c) 直流电动机角频率ω曲线
(d) 直流电动机角频率ω与电枢电流Ia的关系曲线
图10 晶闸管直流调速系统的输出波形
根据图2的仿真模型，系统有两种输出试：当采用“示波器”模块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的命令窗口输入绘图命令
“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。最终可得编辑后的输出图形，如图11所示。
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，这个结果和实际电动机运行的结果相似，系统的建模与仿真是成功的。
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（固有环节）的参数设置原则如下，如果针对某个具体的装置进行参数设置，则对话
框中的有关参数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。
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
③给定信号的变化X围、调节器的参数和反馈检测环节的反馈系数（闭环系统中使用）等可调参数的设置，其一般方法是通过仿真实验，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仿真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。不同的系统需要采
用不同的仿真算法，到底采用哪一种算法更好，这需要通过仿真实践，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。
上述内同具有一般指导意义，在讨论后面各种系统时，遇到类似问题就不再细述了。
五、实验结果
5.1 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。若各参数设置如上所述，且给定信号为50时，得到Te、Ia、ω的曲线分别如图10(a)、(b)、(c)所示。Te的最大值为957，调节时间是1.1，1.1后基本达到稳定值（约54）；Ia的最大值是580，调节时间是1.0，1.0后基本达到稳定值（约33）；ω的调节时间是0.5，没超调，稳定后值约为212。
5.2 实验的有关参数
Ⅰ、电路总电阻值R=Ra+RL+Rn=0.5+0+0.00001=0.50001Ω Ⅱ、电枢回路电感L的测定L=La+Ld=0.01+0.005=0.015H
5.3 实验参数设置
由实验知当改变给定信号时，各个波形会相应改变，给定信号越大，Ia、Te
最大值越大，稳定后的值也越大；ω稳定后的值越小。如当信号为100时，Te的最大值为969，稳定值约104；Ia的最大超调是587，稳定值约63；ω稳定后值约为203。波形与信号为50相似，只是幅值发生变化。
六、思考题
6.1 同步脉冲触发器的工作原理
答：同步触发器将同步变压器降压后的信号经过零比较后得到的同步信号经A/D转换后送入单片机管脚，形成同步信号；单片机根据同步信号产生触发脉冲，该脉冲经驱动电路放大后由脉冲变压器送晶闸管。同时单片机采集主电路的电压和电流反馈值，根据PI调节将反馈值换算为移相角θ，并由计数器实现θ计数时间的对应，使单片机通过对计数时间的控制来达到控制移相角。
6.2 直流电动机有哪几种调速方案？各有哪些特点？
答：调速的方法有三种：
①改变电源电压U调速。特点：可以实现平滑无机调速，但需要附加调压设备。 ②在电枢回路串联电阻Rs调速。特点：损耗较大，效率较低。当轻载时，电枢电流较小，串联电阻后，转速变化不大，但是设备简单 。
③调节励磁回路电阻Rcf调速。特点：改变磁通调速时，必须降低负载转矩。
七、课程设计心得
通过本次课程设计，我进一步熟悉了晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构，同时也掌握了晶闸管直流调速系统参数及反馈环节的测定方法。
在这两个星期的实践学习中，我对功率电子学的的知识有了较为深入的理解，发现“理论+实践”的方式更有利于对知识的接受。同时，我也进一步学习了matlab仿真（Simulink）的使用。
学习知识是一个过程，应用知识是另一个过程。通过本次课程设计，我认识
到对知识的掌握不仅要“求是”，还要“创新”！只有脚踏实地、求真务实，我们才学有所成；只有灵活变通，大胆创新，我们才能适应不断变化的形势，才能得以飞跃发展。例如本次实验中，我用的是matlab7.0版本，这与matlab 6.1有所不同。有的同学见7.0太高级，以为自己不能掌握，便果断放弃，重装了6.1版本。而我却坚信7.0定然可以兼容6.1，也一定能够完成6.1版本的绝大部分任务。带着这份执着，经过查阅有关资料，我最终找到了问题的关键，并且完成了本次课程设计。而这也说明了做事不能人与亦云，关键时刻还得相信自己。
总之，本次课程设计使我受益匪浅。
