第五章仿真及实验
第一节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、晶闸管整流跳水装置、平波电抗器、电动机-发电机组等组成。

在本实验中，整流装置的主电路喂三相桥式电路，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Ua。

改变Ug的大小即可改变控制角a，从而获得可调的直流电压，以满足实验要求。

实验系统的组成原理如图5.1所示。

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测定晶闸管直流系统电路电感值L..
3测定直流电机-直流发电机-测速发电机的飞轮惯量GD的平方。

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Ud=f（Ue）。

8测定测速发电机特性Utg=f（n）。

四．实验仿真
晶闸管直流调速系统的原理如图5.1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5.2势采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流系统的仿真模型。

下面介绍各部分建模与参数设置过程。

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和控制电路的建模俩部分。

1）主电路的建模和参数设置
由图5.2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讨论，所以将触发器归到主电路进行建模。

2）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，参数设置的原则是：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Cs ,Ron,Ion ,Vf应取该装置中晶闸管元件的实际值；如果是一般情况，不针对某个具体的变流装置，这些参数可先取默认值，若仿真结果理想，就可认可这些参数，这一参数设置原则对其他原价的参数设置也是实用的。

3）平波电抗器的建模和参数设置。

首先从元件模块组中选取“Series RLC Branch ”模块，并将模块标签改为“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5.5 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，
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 ”模快，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-”接直流恒顶励磁电源，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It ,电磁转矩Ｔｔ，通过“示波器”模块可观察仿真输出图形。

进行直流电动机参数设置时，先双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数对话框，直流电动机的参数设置如图５．６所示，其参数设置的原则与晶闸管整流桥相同。

图5.5 平波电抗器参数设置
图５．６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和6脉冲触发器两部分。

根据图5.1主电路的连接关系，即可建立起如图5.2所示的主电路仿真模型。

图中触发器开关信号为“0”时，开放触发器；开关信号为“1”时，封锁触发器。

2）控制电路的建模和参数设置
晶闸管直流调速系统的控制电路只有一个定环节，它从输入源模块组中选取“Constant”模块，并将模块标签改为“给定信号”，然后双击该模块图标，打开参数设置对话筐，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，读者可通过仿真实验，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图5.1所示系统原理图的连接关系进行模型连接，即可得到图5.2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“Simulatiom”菜单，进行“Simulatiom Parameters”设置，如图5.7所示。

图5.7 仿真参数设置
单击“Simulatiom Parameters”菜单后，得到仿真参数设置对话框，参数设置如图5.8所示。

仿真中所选择的算法为odc23s。

由于实际系统的多样性，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，可通过仿真实验进行比较选择。

仿真的“Start time”一般设为0，“Stop time”根据实际需要而定。

图5.8 仿真参数设置对话框及参数设置
3．系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析
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“Start”命令后，系统开始仿真，仿真结束后可输出结果，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5.9所示，其中图5.9（a）、（b）、（c）、（d）分别表示直流电动机的电磁转矩T
e
曲线、电枢电
流I
a 曲线、角频率ω曲线和角频率与电枢电流I
a
的关系曲线曲线。

根据图5.2的仿真模型，只要在系统模型图上双击“示波器”图标即可观察仿真输出结果，并可对其输出图形进行编辑。

最终可得编辑后的输出图形如图5.10所示。

（a）直流电动机的电磁转矩T
e
曲线
（b）直流电动机的电枢电流I
a
曲线
（c）直流电动机的角频率ω曲线
（d）直流电动机的角频率ω与电枢电流I
的关系曲线曲线
a
图5.10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，系统的建模与仿真时成功的。

图5.10 编辑后的晶闸管直流调速系统的电流曲线和转速曲线
4.建模与参数设这的原理和方法
（1）系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别建模。

（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）的参数设置原则是：如果针对某个具体的装置进行参数设置，则对话
框中的有关参数应该为装置的实际值。

如果不针对某个具体装置的一般情况，课先去这些装置的参数默认值进行仿真。

若仿真结果理想，可以认可这些设置的参数；若结果不理想，则通过仿真实验，不断进行西安书优化，最后确定其参数。

（3）给定信号的变化范围、调节器的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。

具体方法是分别设置这些参数的一个较大值个较小值进行仿真，弄清他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确定，已能够仿真出完整的波形为前提。

（5） 由于实验系统的多样性，没有一种仿真算法是万能的。

不同的系统采用不
同仿真算法，到底采用哪一种算法更好，这需要通过仿真实验，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。

上述内容具有一般指导意义，在讨论后面各种系统时，遇到类似问题就不再细述。

（1）
作出实验所得的各种曲线，计算有关参数。

（2） 由()s g K f U 特性，分析晶闸管装置的非线性现象。