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电力拖动自动控制系统Matlab仿真实验报告

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2020年4月19日
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电力拖动自动控制系统
---Matlab仿真实验报告

实验一 二极管单相整流电路
一．【实验目的】
　　1．经过对二极管单相整流电路的仿真，掌握由电路原理图转换成仿真电路的基本知识；
　　2．经过实验进一步加深理解二极管单向导通的特性。

图1-1 二极管单相整流电路仿真模型图

二． 【实验步骤和内容】

1. 仿真模型的建立
① 打开模型编辑窗口；
② 复制相关模块；
③ 修改模块参数；
④ 模块连接；

2. 仿真模型的运行
① 仿真过程的启动；
② 仿真参数的设置；

3. 观察整流输出电压、电流波形并作比较，如图1-2、1-3、1-4所示。

三． 【实验总结】
由于负载为纯阻性，故输出电压与电流同相位，即波形相同，但幅值不等，如图1-4所示。

图1-2 整流电压输出波形图 图1-3 整流电流输出波形图

图1-4 整形电压、电流输出波形图

实验二 三相桥式半控整流电路
一．【实验目的】
1．经过对三相桥式半控整流电路的仿真，掌握由电路原理图转换成仿真电路的基本知识；
2．研究三相桥式半控整流电路整流的工作原理和全过程。

二． 【实验步骤和内容】
1. 仿真模型的建立：打开模型编辑窗口，复制相关模块，修改模块参数，模块连接。
2. 仿真模型的运行；仿真过程的启动，仿真参数的设置。
相应的参数设置：
（1）交流电压源参数U=100 V，f=25 Hz，三相电源相位依次延迟120°。
（2）晶闸管参数 Rn=0.001 Ω，Lon=0.000 1 H，Vf=0 V，Rs=50 Ω，Cs=250e-6 F。
（3）负载参数R=10 Ω，L=0 H，C=inf。
（4）脉冲发生器的振幅为5 V， 周期为0.04 s （ 即频率为25 Hz）， 脉冲宽度为2。

图2-1 三相桥式半控整流电路仿真模型图

当α=0°时， 设为0.003 3s，0.016 6s，0.029 9 s。

图2-2 α=0°整流输出电压等波形图

当α=60°时，触发信号初相位依次设为0.01s，0.0233s，0.0366s。

图2-3 α=60°整流输出电压等波形图

三 .【实验总结】
三相可控整流电路中，最基本的是三相半波可控整流电路，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路、双反星形可控整流电路以及十二脉波可控整流电路等，均可在三相半波的基础上进行分析。在电阻负载时，当α≤30°，负载电流连续（其α=0°，Ud最大）；当α≥30°，负载电流断续，电阻负载时α角的移相范围为0~150°，阻感负载时α角的移相范围为0~90°。

实验三 三相桥式全控整流电路
一．【实验目的】
1. 加深理解三相桥式全控整流及有源逆变电路的工作原理；
2. 研究三相桥式全控整流电路整流的工作原理和现象分析

图3-1 三相桥式全控整流电路仿真模型图

二． 【实验步骤和内容】
1. 仿真模型的建立：打开模型编辑窗口，复制相关模块，修改模块参数，模块连接。
2. 仿真模型的运行；仿真过程的启动，仿真参数的设置。
参数设置：
（1）交流电压源参数U=100 V，f=25 Hz，三相电源相位依次延迟120°。
（2）晶闸管参数 Rn=0.001 Ω，Lon=0.000 1 H，Vf=0 V，Rs=50 Ω，Cs=250e-6 F。（3）负载参数R=10 Ω，L=0 H，C=inf。
（4）脉冲发生器的振幅为5 V， 周期为0.04 s （ 即频率为25 Hz）， 脉冲宽度为2。
当α=0°时， 正相脉冲分别设为0.0033，0.0166，0.0299 s；-C,-A,-B相触发脉冲依次是0.01,0.0233,0.0366s.

图3-2 α=0°整流输出电压等波形图

三 .【实验总结】
当前在各种整流电路中，应用最为广泛的是三相桥式全控整流电路。整流输出电压ud一周脉动六次，每次脉动的波形都一样，故该电路为六脉波整流电路。带电阻负载时三相桥式全控整流电路α角的移相范围是0~120°，带阻感负载时α角的移相范围是0~90°

实验四 直 流 斩 波
一．【实验目的】
1. 加深理解斩波器电路的工作原理;
2. 掌握斩波器主电路、触发电路的调试步骤和方法;
3. 熟悉斩波器电路各点的电压波形;

图4-1 直流斩波仿真模型图

图4-2 示波器1输出波形图

图4-3 示波器2输出波形图

图4-4 负载端电压输出波形图

图4-5 负载端电压平均值波形图

图4-6 斩波电路输出电压、电流波形图

二． 【实验步骤和内容】
1. 仿真模型的建立：打开模型编辑窗口，复制相关模块，修改模块参数，模块连接。
2. 仿真模型的运行；仿真过程的启动，仿真参数的设置，直流电压E=200V。
负载电压的平均值为
Uo=tonton+toffE=tonTE=αE （4-1）
式中，ton为V处于通态的时间；toff为V处于断态的时间；T为开关周期；α为导通占空比。
负载电流的平均值为
Io=UoR （4-2）
由于占空比为50%，因此斩波输出电压负值为50V。

三 .【实验总结】
根据对输出电压平均值进行调制的方式不同，斩波电路可有如下三种控制方式：
1. 保持开关周期T不变，调节开关导通时间ton, 称为脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation，PWM）;
2. 保持开关导通时间ton不变，改变开关周期T，称为频率调制或调频型；
3. ton和T都可调，使占空比改变，称为混合型。

实验五 单闭环转速反馈控制直流调速系统
一．【实验目的】
1. 加深对比例积分控制的无静差直流调速系统的理解；
2. 研究反馈控制环节对系统的影响和作用.

二． 【实验步骤和内容】
1. 仿真模型的建立：打开模型编辑窗口，复制相关模块，修改模块参数，模块连接。
2. 仿真模型的运行；仿真过程的启动，仿真参数的设置.

转速负反馈闭环调速系统:
直流电动机：额定电压UN=220V，额定电流IdN=55A ，额定转速nN=1000r/min ,电动机电动势系数Ce=0.192V·min/r ,假定晶闸管整流装置输出电流可逆，装置的放大系数Ks=44 ，滞后时间常数Ts=0.00167s ，电枢回路总电阻R=1.0Ω ， 电枢回路电磁时间常数Tl=0.00167s ，电力拖动系统机电时间常数Tm=0.075s，转速反馈系数α=0.01V·min/r ,对应额定转速时的给定电压Un*=10V .
比例积分控制的直流调速系统的仿真框图如图5-1所示。

图5-1 比例积分控制的直流调速系统的仿真框图

图5-2 开环比例控制直流调速系统仿真模型图

图5-3 开环空载启动转速曲线图 图5-4 开环空载启动电流曲线图

图5-5 闭环比例控制直流调速系统仿真模型图
在比例控制直流调速系统中，分别设置闭环系统开环放大系数k=0.56, 2.5, 30，观察转速曲线图，随着K值的增加，稳态速降减小，但当K值大于临界值时，系统将发生震荡并失去稳定，因此K值的设定要小于临界值。当电机空载启动稳定运行后，加负载时转速下降到另一状态下运行，电流上升也随之上升。

图5-6 k=0.56转速曲线图

图5-7 k=0.56电流曲线图

图5-8 k=2.5转速曲线图

图5-9 k=30转速曲线图

图5-10 闭环比例积分控制直流调速系统仿真模型图

图5-11 PI控制转速n曲线图

图5-12 PI控制电流曲线图

在闭环比例积分（PI）控制下，能够实现对系统无静差调节，即∆n=0,提高了系统的稳定性。

三 .【实验总结】
经过对本次实验的仿真，验证了比例部分能迅速响应控制作用，积分部分则最终消除稳态误差。比例积分控制综合了比例控制和积分控制两种规律的优点，又克服了各自的缺点，扬长避短，互相补充。若要求PI控制调速系统的稳定性好，又要求系统的快速性好，同时还要求稳态精度高和抗干扰性能好。可是这些指标是互相矛盾的，设计时往往需要用多种手段，重复试凑。在稳、准、快和抗干扰这四个矛盾的方面之间取得折中，才能获得比较满意的结果。

实验六 双闭环控制直流调速系统
一．【实验目的】
1. 加深了解转速、电流反馈控制直流调速系统的组成及其静特性；
2. 研究调节器的工程设计方法在系统中的作用和地位。
三． 【实验步骤和内容】
1. 仿真模型的建立：打开模型编辑窗口，复制相关模块，修改模块参数，模块连接。
2. 仿真模型的运行；仿真过程的启动，仿真参数的设置。

图6-1 电流环仿真模型图
当KT=0.5时，电流环传递函数 WACRs= 1.013+33.77s

图6-2 KT=0.5时电流环仿真图

当KT=0.25, 电流环传递函数 WACRs=0.5067+16.89s

图6-3 KT=0.25时电流环仿真图

KT=1.0，电流环传递函数 WACRs=2.027+67.567s

图6-4 KT=1.0时电流环仿真图

当KT=0 .25时，很快地得到了电流环的阶跃响应仿真结果如图6-3所示，无超调，但上升时间长；当KT=1.0，同样得到了电流环的阶跃响应的仿真结果如图6-4所示，超调打，但上升时间短。

图6-5 转速环仿真模型图

图6-6 转速环空载高速起动波形图

图6-7 转速环的抗扰波形图

三 .【实验总结】
用工程设计方法来设计转速、电流反馈控制直流调速系统的原则是先内环后外环。电流环设计完成后，把电流环等效成转速环中的一个环节，再用同样的方法设计转速环。工程设计时，首先根据典型I型系统或II型系统的方法计算调节器参数，然后利用Matlab下的Simulink软件进行仿真，灵活修正调节器参数，直至得到满意的结果。

实验七 异步电动机定子电流测定及调速方式
一．【实验目的】
1. 了解异步电动机动态数学模型的性质；
2. 理解坐标变换的基本思路；
3. 进一步掌握异步电动机调速方法；
4.学会M文件的编写与运行。

图7-1 三相异步电动机仿真模型图
二．【实验步骤和内容】
1. 仿真模型的建立：打开模型编辑窗口，复制相关模块，修改模块参数，模块连接。
2. 仿真模型的运行：仿真过程的启动，仿真参数的设置。

图7-2 三相异步电动机电流仿真结果

图7-3 异步电动机空载起动过程的转速仿真图

t=0.5, 加负载值30

图7-4 异步电动机空载起动和加载过程电流仿真结果图

图7-3 异步电动机空载起动和加载过程的转速仿真图

异步电动机调速方式
额定条件下的磁链和机械特性曲线图
Un=380v, fn=50Hz,

图7-4 额定条件下的磁链曲线图
图7-5 额定条件下的机械特性图

1. 调压调速
电动机同步转速保持为额定值不变，随着电压的降低最大电磁转矩减小。

图7-6 电压在300V下的机械特性图

图7-7 电压在280V下的机械特性图

2. 恒压频比，基频以下调速
同步转速下降，最大电磁转矩下降（这里频率为弧度制）

图7-8 350/289下的机械特性图

图7-9 280/231下的机械特性图

3. 电压不变，基频以上调速
最大电磁转矩下降、同步转速上升。

图7-10 频率为340rad/s下的机械特性图

图7-11 频率为380rad/s下的机械特性图

实验八 异步电动机转子电流的测定
一．【实验目的】
1. 了解异步电动机动态数学模型的性质；
2. 理解坐标变换的基本思路；
3. 进一步掌握异步电动机调速方法；
4.学会M文件的编写与运行。

二．【实验步骤和内容】
1. 仿真模型的建立：打开模型编辑窗口，复制相关模块，修改模块参数，模块连接。
2. 仿真模型的运行：仿真过程的启动，仿真参数的设置。

图8-1 三相异步电动机仿真模型图

在t=0.7s，t=1.0s，t=1.4s加阶跃负载

图8-2 异步电动机空载起动和加载过程的电流仿真图
三 .【实验总结】
在采用矢量控制技术后，经过坐标变换，能够把交流电动机的定子电流分解成转矩分量和励磁分量，分别用来控制电动机的转矩和磁通，能够获得和直流电动机相仿的高动态性能。
在进行异步电动机仿真时，没有必要对四种状态方程逐一进行，只要以一种为内核，在外围加上坐标变换和状态变换，就可得到在不同坐标系下、不同状态量的仿真结果。