实验一晶闸管—直流电动机开环调速研究他励直流电动机的晶闸管开环调速过程，观察其中转速、电磁转矩及电枢电流的变化规律。

1．问题分析
现代工业生产中大都通过晶闸管控制向直流电动机供电，典型的晶闸管-直流电动机开环调速系统主要由直流电源、可控晶闸管及电机三部分组成，由于是开环调速，因此无须考虑反馈环节。

SIMULINK仿真模型同样按照系统的基本结构来构造。

2．SIMULINK仿真模型
晶闸管-直流电动机开环调速系统的仿真模型如实验图1所示，其中用到的基本模块及其参数设置如图2、图3、图4和图5所示。

图 1
图 2可关断晶闸管GTO的参数设置
图 3续流二极管的参数设置
图 4脉冲发生器的参数设置
图 5电感L的参数设置
3.仿真
按上述设置参数进行仿真，得到如图6的仿真波形,图7的局部波形图。

示波器的显示的三个信号是：电机转速、电枢电流和电枢电压
图 6（完整波形）图7（局部波形图）
波形分析：
晶闸管—直流电动机系统（V-M系统）的机械特性：
n d
e
U I R
C
-
=
由晶闸管—直流电动机开环调速的机械特性可知，转速n的大小直接受电枢电压U的控制。

起动时，转速n=0，电枢电压全部加在电枢绕组上，转速和电枢电流均快速上升。

由于a
T
I
C
TΦ
=，可知电磁转矩的与电枢电流的波形基本一致。

但由于机械惯性等的影响，转速的上升速度总是赶不上电枢电流的上升速度，所以，电枢电流会在短时间内达到一个峰值，此后，由于转速的上升，电枢电流会逐渐下降。

由于dt
dn
GD
T
T
L
e375
2
=
-
，当电磁转矩与负载转矩方向相反、大小相等时而互相平衡时，转速将为一稳定值，在此之前会有些波动。

由图6
的波形可见，实验仿真结果与理论分析是相一致的。

4、实验拓展：
A、上图中的电感值为L=0.5H，现将L改为L=0.02H，波形图如
下
图8（完整波形图）图9（局部波形图）
电路图中电感起到了平波的作用，图中电枢电流和转速的波动是受原理图中的电感大小影响的，电感越大，波动会越小。

当使电感值减小到0.02mH时，从图8可以看出来电流脉动很大。

B、改变占空比:将脉冲发生器的占空比改为30%时波形图如下：
图10
由V-M系统的机械特性可知，n的大小与电枢电压U，在相同的负载转矩下，n与U成正比，故调节电枢电压可以起到调速的效果。

改变脉冲发生器的占空比可以改变电枢电压U进而改变转速n，当将脉冲发生器的占空比改为30%时，得到了如图10的波形，可以看到转速由78rad/s下降为24rad/s，达到了调速的目的。

C、改变负载转矩
将负载由5变为10时，仿真波形图如图11
图11
改变负载大小，由V-M 系统的机械特性可知，此开环系统的稳态速降为
e d
C RI n =
∆，故转速将会下降，从图11也可看出来，转速由之前的78rad/s 下降
为了57rad/s ，这是开环调速系统的一大不足之处。

实验二晶闸管-直流电动机闭环-静差调速系统
研究他励直流电动机的晶闸管闭环一静差调速过程，观察其中转速、电磁转矩及电枢电流的变化规律。

1．问题分析
和实验一的开环系统相比，晶闸管-直流电动机闭环一静差调速系统可以保证系统转速相对稳定。

根据经典的晶闸管-直流电动机闭环一静差调速系统结构原理，可以非常方便地建立其SIMULINK仿真模型。

2. SIMULINK仿真模型
晶闸管-直流电动机闭环-静差调速系统，在开环系统的基础上，增加了一个比例反馈环节，见图1
图1
仿真模型如图2
图 2
3、仿真
1. 按实验一设置参数进行仿真，得到如图3的仿真波形，示波器的显示的三个信号是：电机转速、电枢电流和电枢电压
图 3
2.将负载转矩由5改变至10，得到的仿真波形见图
4
图 4
4、分析
闭环系统的静特性为：
*n (1)
(1)p s n d
e e K K U RI C K C K =
-
++
根据以上的公式，闭环系统的稳态速降为：n ∆=(1)d
e RI C K +，因此，闭环系
统的开环放大系数K 越大，稳态速降越小，系统的稳态性能越好。

与实验一对比即可看出来，这两个系统的参数设置的是一致的，负载也是一样的，实验一的转速n=78ad/s ，实验二的转速则为n=145rad/s 。

由此可见闭环系统硬度比开环系统机械特性硬得多。

因为反馈环节中所设置的放大器仅仅是一个比例放大器，即
p s
K K 为常数，
故稳态速降就只能减小而不能消除。

因为只有在K=∞的情况下才能使速降为0，而这是不可能的。

故此为一个有静差调速。

在改变负载时，负载转矩由5变为10，转速由145rad/s 变为了121rad/s ，可见稳态速降不可能消除，但同实验一的系统比较就可知，闭环系统的静差率要小得多。

5、实验拓展
因为在以上实验中，我们选择的预设空载转速是150rad/s ，比实际得到的转速145rad/s 大，所以导致了GTO 的门极始终处于导通状态，也就使得电枢电压的波形为一条直线。

现在，我们改变预设的空载转速为100rad/s ，则得到如下的波形图：
图5
由波形图可以看出，由于我们此时已将预设转速减小了，而在波形图中我们看到实际得到的转速值在某些时候会出现大于预设转速的情况，而相应的电枢电压的波形就会出行零脉冲，说明此时的门极开关被关断，电枢电压自然就变为0了，可见我们的分析是正确的。

由电枢电压波形还可以看出，在稳态时，实际转速大于预设转速的情况出现的频率大大提高，也就是说，实际转速就在预设转速的附近徘徊。

实验三三相异步电机变频调速仿真系统
改变三相异步电机的定子电源频率，观察电机定子电流、转速的变化规律。

1.问题分析
由于电机的转速n与旋转磁场转速n
1接近，磁场转速n
1
改变后，电机的
转速n也就随之改变。

由公式n
1=60f
1
/p可知，改变电源频率f
1
，可以调节磁场转速，从而改
变电机的转速，这样的调速方法称为变频调速。

2.SIMULINK仿真模型
该仿真模型和直接起动完全相同，这里直接给出，如图1
图1
3、仿真
1. 设置电源的参数：频率为60Hz，电源电压为600V，进行仿真，得到如图2的波形图。

其中从上到下的波形依次：转子电流、定子电流、转速和电磁转矩
图2
2、设置电源的参数：电源频率设为50Hz ，电源电压为500V ，波形图3
图3
4、分析
此实验进行的是基频以下的调速，为了维持电机中每极磁通量为额定值不变，可以通过保持电源电压和电源频率的比值不变来实现调速。

比较图2和图3可以看出，在降低了电源频率的同时，转子的稳态转速也降低了相应的数值。

由于电机的转速n 与旋转磁场转速n 1接近，磁场转速n 1改变后，电机的转速n 也就随之改变。

而由公式n 1=60f 1/p 可知，改变电源频率f 1，可以调节磁场转速，从而改变电机的转速。

实验结果是完全符合分析过程的。