实验三 开环直流调速系统Matlab仿真

实训三 晶闸管开环直流调速系统的 MATLAB 仿真实训
一、实验实训目的
1．学习并掌握晶闸管开环直流调速系统模型建立及模型参数设置的方法和步骤。

2．熟悉并掌握系统仿真参数设置的方法和步骤。

3．学会利用 MA TLAB 软件对系统进行稳态与动态计算与仿真。

4．巩固并加深对晶闸管开环直流调速系统理论知识的理解。

二、实验实训原理及知识准备
1． 晶闸管开环直流调速系统的原理图如图3­3­1 所示。

图 3­1 晶闸管开环直流调速系统原理图
2．晶闸管开环直流调速系统的直流电动机电枢电流、电磁转矩与转速之间的关系。

3．复习实验实训指导书中 MA TLAB 基本操作和 MA TLAB/Simulink/Power System工具 箱内容。

4．预习实验实训指导书中实验实训二，并写好预习报告。

5．画出晶闸管开环直流调速系统的动态结构图。

三、实验实训内容及步骤
直流调速系统的仿真有两种方法，一是根据系统的动态结构图进行仿真，二是用 Power System的相关模块仿真，下面分别对两种方法进行介绍。

方法一：使用 Simulink 中的 Power System模块对直流调速系统进行仿真
1．建立系统的仿真模型和模型参数的设置
（1）建立一个仿真模型的新文件。

在 MA TLAB 的菜单栏上点击工具栏上的 simulink工 具 ，选择 File→New→Model，新建一个 simulink文件，绘制电路的仿真模型如图 3­3­1。

3­3­1
（2）按图 3­3­1 要求提取电路元器件模块。

在仿真模型窗口的菜单上点击图标调出模 型库浏览器，在模型库中提取所需的模块放到仿真窗口，设置各模块参数。

晶闸管开环直流 调速系统由主电路（交流电源、晶闸管整流桥、平波电抗器、直流电动机、触发电路）和控 制电路（给定环节）组成，具体设置如下：
1）三相交流电源的模型建立和参数设置
①三相交流电源的模型建立
首先从Simpowersystes 中的Electrical sources 电源模块组
中选取一个交流电压源模块 AC Voltage Source，再用复制的
方法得到三相电源的另两个电压源模块，用 Format(格式设
定)菜单中 Rotate block(Ctrl +R)将模块水平放置，并点击模
块标题名称，将模块标签分别改为“Uu ” 、 “Uv ” 、 “Uw ” ，然
后从连接器模块 Connectors 中选取“Ground （output ）”
元件 ，
按图 3­3­2 进行连接。

②三相交流电源的参数设置
双击 U 相交流电源图标，打开电压源参数设置对话框，幅值取 220V ，初相位设置成 0 图 3­3­2 三相交流电源模型
°，频率为50Hz。

如图 3­3­3所示。

V 、W 相交流电源参数设置方法于 U 相基本相同，只是 初相位设置成互差 120°。

由此可得到三相交流电源。

图3­3­3 U 相电源参数设置对话框
图3­3­4 晶闸管整流桥参数设置
2）晶闸管整流桥的模型建立和参数设置
①晶闸管整流桥的模型建立 首先从 Simpowersystes 中选取电力电子模块 power Electronics 中选取“Universal Bridge”模块，并将模块标签改为“晶闸管整流桥”。

如图 3－3-5 所示。

②晶闸管整流桥的参数设置
双击模块图标，打开整流桥参数设置对话框，参数
设置如图 3­3­4所示。

桥臂数取 3，三相交流电源接到整
流桥的输入端，电力电子器件选择晶闸管。

参数设置的
原则如下，如果是针对某个具体的晶闸管装置进行参数
设置，对话框中的 Rs 、Cs 、Ron 、Lon 、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
具体的装置，这些参数可先取默认值进行仿真。

3）平波电抗器的模型建立和参数设置 图 3­3­5
晶闸管整流桥模
①平波电抗器的模型建立
从元件模块组 Elements 中选取 RLC 串联支路 Series RLC
Branch 模块，并将模块标签改为“平波电抗器”,如图 3-3-6 所
示。

②平波电抗器的参数设置
打开平波电抗器参数设置对话框，参数设置如图3­3­7
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 3­3­7 平波电抗器参数设置
4）直流电动机的模型建立和参数设置
①直流电动机的模型建立
从直流电动机模块组 Machines 中选取直流电动机 DC
Machine 模块，并将标签改为“直流电动机”，如图 3-3-8 所示。

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，点数绕组“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、点数电流、励磁电流、电磁转矩，通过“示波器”模块观察仿真输出图形。

②直流电动机的参数设置
双击直流电动机图标，打开直流电动机的参数设置对话框，如图 3­3­9
所示。

设置原则 于晶闸管整流桥相同。

图
3­3­6 平波电抗器模型
图 3­3­8 直流电动机模型
图 3­3­9 直流电动机参数设置
5）同步脉冲触发器的模型建立和参数设置
①同步脉冲触发器的模型建立
同步脉冲触发器包括同步电源和 6 脉冲触发器两部分。

6 脉冲触发器从 Simpowersystes 中选取 Extra Libray中的 Contral Blocks 中取获得。

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3­3­10（a）、(b)所示。

（a）同步电源与6 脉冲触发器 （b）封装后的子系统符号
图 3­3­10 同步电源与 6脉冲触发器和封装后的子系统符号
②同步脉冲触发器的参数设置
双击各模块图标，就打开参数设置对话框，对参数进行设置。

如图 3­3­11 所示，频率 设置成 50Hz，双窄脉冲，脉冲宽度 10。

图 3­3­11 6 脉冲触发器参数设置
6）给定环节的模型建立和参数设置
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 Simulink 中的输入源模
，然后双击该模块图标， 块组 Sources 中选取“Constant”模块，并将标签改为“给定信号”
打开参数设置对话框，将参数设置为 50rad/s。

实际调速时，给定信号时在一定范围内变化 的，可通过仿真实践，确定给定信号允许的变化范围。

（3）将电路元器件模块按晶闸管开环直流调速系统原理图连接起来组成仿真电路。

如 图 3­3­12 所示。

图 3­3­12 晶闸管开环直流调速系统的仿真模型
2．系统的仿真参数设置
在 MA TLAB 的模型窗口打开“Simulation”菜单，进行“Simulation Parameters”设置， 如图 3­3­13 所示。

图 3­3­13 仿真参数设置
单击“Simulation Parameters”菜单后，得到仿真参数设置对话框，参数设置如图 3－17 所示，仿真中选择的算法为 ode23s。

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 3­3­14 仿真参数设置对话框及参数设置
3．系统的仿真、仿真结果的分析及结果分析
当建模和参数设置完成后， 即可开始进行仿真， 在 MA TLAB 模型窗口单击工具栏的
，系统开始仿真，仿真结束后可输出仿 按钮或打开“Simulation”菜单命令后，单击“start”
真结果。

单击“示波器”观察仿真输出图形。

观察仿真时间 1s 时得到的电动机转速、电动 机电枢电流、励磁电流及电磁转矩曲线。

方法二：按直流调速系统动态结构图仿真
1．建立系统的仿真模型
依据系统的动态结构图的仿真模型如图 3­3­16 所示，仿真模型与系统动态结构图的各 个环节上是对应的。

给定环节传递函数在 Simulink 工具箱中的 Sources 的 Constant，比例
其他传递函数是Simulink 放大环节传递函数在Simulink工具箱中的Math Operations的Gain，
工具箱中的 Continus 的 Zero­Pole。

图 3­3­16 晶闸管开环直流调速系统依据系统动态结构图的仿真模型 2．仿真参数设置
双击各模型，可进行参数设置。

如 Kp＝2、Ks=44、Ts=0.00167s、T1=0.017s、R=1Ω、 Tm=0.075s、Ceφ＝0.1925Vmin/r 时系统的动态结构图如图 3­3­17所示。

图 3­3­17 进行参数设置后系统模型
3．系统的仿真参数设置和系统的仿真
系统的仿真参数设置和系统的仿真的方法与前面相同，观察仿真的电流和转速波形。

四、实验实训报告及要求
1．通过示波器观察并记录直流电动机转速、电枢电流、励磁电流、电磁转矩曲线，改 变控制电压、励磁电压等参数，观察并记录上述曲线，并进行比较，并对结果进行分析。

2．写出本次实验实训中出现的问题及解决办法。

3．总结本次实验实训的心得与体会。