电拖实验新

一、实验目的：

1 SIMULINK界面的打开、建模窗口的认识； 2 信号原件、线路的搭建认识； 3 功率元件、线路的搭建认识；

二、实验内容：

1 SIMULINK界面的打开、建模窗口的认识：

双击图标，点击窗口左下角的的

弹出目录框，点击simulink又弹出子目录框，点击library Browser.

出现

，点击就出现仿真建模搭建窗口。

2 信号原件的查找、线路搭建的认识：

所有信号原件全部在

里。对该目录里内容，如逐一认识。

例：

3 功率元件的查找、线路搭建的认识：

在窗口左下角的的

弹出目录框，点击simulink又弹出子目录框，点击SimPowerSystems又弹出子目录框，点击Bloock Library .

出现

4仿真练习：

单行半波整流电路的搭建，仿真与测试。

。对该图中每一个图块内容逐一认识。

实验二： 直流电动机的单闭环（转速反馈）控制仿真（动态）学生姓名：

一、实验目的： 1比例调节时，观察开环速降与闭环速降，理解开环与闭环的区别；

2比例调节时，观察闭环速降与比例放大系数的关系，以及动态稳定情况； 3 比例积分调节时，观察闭环速降。 二、基础参数：

电动机的参数为：额定电压

UN220V，额定电流 IdN55A，额定转速 nN1000r/min。Ce0.192Vmin/r。电枢回路的电磁时间常数

Tl0.017，电力拖动系统机电时间常数Tm0.075。晶闸管的整流装置的放大系数KS44 Ks=44，滞后时间常数Ts0.00167。转速反馈系数

0.01。由额定转速以及转速反馈系数，可以定出给定电压 UnnN10000.0110V. 限幅，取10V。

三、实验过程

1仿真电路（参考）

2实验中暂定比例积分的传递函数为：

kp(s1)s及kpkps，其中kp0.56，0.05。

3 观测电机的电流，电磁转矩在起动、稳速时的变化情况，填表并回答问题： 比例调节 开环 速降△n 106 102 104 104

1）起动时（空载或带载起动）电枢电流：

2）空载起动，稳速后电枢电流：

3）加载，稳速后电枢电流：

4）空载起动，稳速后电磁转矩：

5）加载，稳速后电磁转矩： 四、结论：

Kp值 0.56 1.2 5 15 速降△n 56 28 9 3 闭环 Kp值 0.56 1.2 5 15 是否振荡 否 否 是 是 Kp值 0.56 比例积分调节（闭环） τ值 速降△n 超调

实验三 直流电动机的双闭环控制仿真 学生姓名：

一、实验目的：

1掌握直流电机双闭环控制的工程设计方法； 2掌握电流环和转速环的作用。 二、基础参数：

电动机的参数为：额定电压

UN220V，额定电流

IdN136A，额定转速 nN1460r/min，Ce0.132Vmin/r，R1电枢回路的电

磁时间常数Tl0.03，电力拖动系统机电时间常数Tm0.18。允许过载倍数1.5晶闸管的整流装置的放大系数KS40，滞后时间常数

Ts0.00167，

：转速超调%10%。 Toi0.002，Ton0.01， 0.05V/A，0.007Vmin/r。要求：电流超调%5%，

三、实验过程

1控制原理电路

U*Rn n R0 Cn Ui R0 LM Ri Ci V TA L LM GT c

2电流环调节器设计

Un R0 ASR - R0 ACR i + +U*- +U+ Id Ud M UPE RP2 TTUi(s)

Tois1ACRksTss11/RTls1Id(s)Ui(s)ACRks/RId(s)(Tls1)(Tis1)ACRki(is1)isTiTsToi0.0031s；iTl0.03s;kI5%,KITi0.5.KI135.1;ki3转速环设计

Un(s)kiks iRACRiRKI0.030.5135.11.031 ks0.05401/1s1KI1.031(0.03s1)0.03sTons1ASRRCeTmsn(s)Un(s)ASR/Tns1RCeTmsn(s)ASRKn(ns1)nsWn(s)Kn(ns1)KnR(ns1)nsCeTms(Tns1)nCeTms2(Tns1)RKNKnRnCeTmWn(s)KN(ns1)s2(Tns1)Tnh15111396.4 Ton0.010.0174s取h5,nhTn50.01740.087KN2222KI135.12hTn250.0174ASR11.7(0.087s1)0.087sKNnCeTm396.40.0870.050.1320.018kn11.7

R0.0070.54画出搭接线路（要求含有参数）：

5 观测电机的电流、转速情况回答下列问题并填表：

1）单闭环（只有转速环时）起动电流情况，双闭环（电流环，转速环均有）起动电流情况：

2）单闭环、双闭环起动时间有何不同？

单闭环 起动电流 起动时间 起动电流 双闭环 起动时间 超调

四、结论：

实验四 异步电动机的动态建模仿真 学生姓名：

1掌握异步电动机建模过程；

2掌握3/2变换及2/3变换的原理及模块搭建。

3 掌握异步电动机起动与加载时电流、转矩及磁链的变化情况。

一、实验目的：

二、异步电动机的动态方程及模块的建立（以isr为状态变量的数学方程）

2npdnpLm(isrisr)TLdtJLrJdrL1rrmisdtTrTrdrLm1

rris(1)dtTrTr2disLmLmRsL2RLurrmsrrisdtLsLrTrLsLrLsLsL2r2disuLmLmRsL2RLsrrmrrisdtLsLrTrLsLrLsLsL2r式中us，us，ur，ur-坐标系定子和转子相电压的瞬时值；is，is，ir，

ir-坐标系定子和转子相电流的瞬时值；s，s，r，r-坐标系定

子和转子绕组的磁链；Rs，Rr-定子和转子绕组电阻；-电机转速。Tr-转子电

2磁时间常数，TrLr； -电动机漏磁系数，1Lm；TL-包括摩擦阻转

LmLrRr

根据状态方程（1），利用MATLAB/SIMULINK基本模块建立αβ坐标系异步电动机仿真模型，并对其进行封装。

矩的负载转矩；J-机组的转动惯量；其中，状态变量Xrrisis

T

三、3/2变换、2/3变换方程及模块的建立

三相坐标系变换到两相正交坐标系的变换及两相坐标系变换到三相正交坐标系的变换分别为式（2）和（3），利用这两式实现模型搭建并封装。

11u10A1iAu222u213i (2)uBi(3)B333322i0uCiC122322

四、异步电机直接起动仿真模型(如图3-1)

五、参数

仿真电机参数：Rs1.85，Rr2.658，Ls0.2941H,Lr0.2898H，

J0.1284Nm.s2，np2，Ls0.2941H,UN380V，fN50Hz。

L2Lr1mTrLmLr可写到M文件中。 Rr，注意，还有

3-1异步电机直接起动仿真模

六、观测参数变化情况（填表） 参数 定子电流（幅值） 定子电流（频率） 转子电流（频率） 电机转速 电磁转矩 空载起动时 空载起动稳定后 加载后 七、画出磁链曲线和负载特性曲线

八、结论

实验五 异步电动机的调速仿真 学生姓名：

一、实验目的：

1掌握异步电动机调速的调速方法； 2掌握异步电动机调压调速和变频调速的机械特性的特点；

二、相关基本原理

1异步电动机的机械特性：

1）等效电路：在下述三个假定条件下：（1）忽略空间和时间谐波；（2）忽略磁饱和（3）忽略铁损。异步电动机的稳态模型可以用T型等效电路。转

sn1-nn1 式中

n160f1np差率与转速的关系为： 简化成

n1——同步转速，

Un；f1为供电电源频率；p为电动机极对数。简化等效电路。同时电流公式可

sIsIr '2Rr'2'RLL1lslrs s223IRw2）异步电动机的机械特性：异步电动机传递的电磁功率Pmrr，机械同步角速度wm11，异步电动机的电磁转矩为

snp

em异步电动机简化等效电路

电磁转矩：TePmm13np1I'2rRr's3npUs2Rr'/s2Rr'2'1Rss1LlsLlr2 最大转矩：T21Rs 其中

3npUs2Rs212(LlsL/lr)2异步电动机的机械特性

RsRr,——定子每相电阻和折合到定子侧的转子每相电阻；

LlsLlr,——定子每相漏感和折合到定子侧的转子每相漏感；

Lm——定子每相绕组产生气隙主磁通的等效电感，即励磁电感；Us、w1 ——定子相电压和供电角频率； s ——转差率。

2异步电动机的调速方法

1)降压调速（这类系统结构简单，设备成本最低，所以还有一定的应用价值）。

n0n1a)理想空载转速

60f1np，降低电源电压不影响该值；

nsn0s b)速降

60f160s1np2np，降低电源电压→n↓→s↑→△n↑；

Tem c)最大电磁转矩：2）变频调速

A）基频以下调速：

21Rs212(LlsL/lr)2，降低电源电压Us↓→Tem。

3npUs2异步电动机调压调速的机械波形

当异步电动机在基频（额定频率）以下运行时，如果磁通太弱，没有充分利用电动机的铁心，是一种浪费；如果磁通过大，又会使铁心饱和，从而导致过大的励磁电流，严重时还会因绕组过热而损坏电动机。由此可见，最好是保持每级磁通量

m为额定值

mN不变。当频率f1从额定值f1N向

Eg4.44NskNsmNEfEg1下调节时，必须同时降低，使 =常数，即在基频以下应采用电动势频率比为恒值的控制方式。式中：g —气隙磁通在

N定子每相中感应电动势的有效值，单位为V； f1 —定子频率，单位为Hz；s—定子频率，单位为Hz；

kNs——基波绕组系数；m——基波绕组系数基。然而，异步电动机绕组中的电动势是难以直接检测与控制的。当电动势值较高时，可忽略定

UsUs常数Egf，则得1 这就是恒压频比的控制方式。机械特性方程式可写成：

子电阻和漏感压降，而认为定子相电压

UsTe3np12sRsRr's1Rr'2s212LlsL'lr2， s很小时，忽略分母中s各项，则：

Uss1Rr'TeTe3npR'ss1Ur13np(s)221

a)理想空载转速

60f1601n0n1np2npUs，维持1不变，基频以下调速， n0下降；

Us 维持1不变， T不变n基本不变。

eb)速降：

10Rr/Te1260nsn1s1()Te22npnpUs3npUs21Rs2Tmax1Rs2/ls2c)最大电磁转矩：

Us()(LlsL)11维持1不变，频率减小，Tmax减小

4-5异步电动机调速的机械波形

UsUsN 不变，机械特性方程式可写成

B)基频以上调速在基频以上调速时，由于定子电压

Uss1Rr'TeTe3npR'ss1Ur13np(s)22Te3npUs21[sRsRr's212LlsL'lr], s很小时，

22sRr'忽略分母中s各项，则：

1

a)理想空载转速

60f1601n0n1np2np，基频以上调速，

n0上升；

b)速降：

210Rr/Te160nsn1s12npn2Us2p， 1Us不变，n将增加。

图4-6 基频以上调速的机械特性

Temaxc)最大电磁转矩：

频率从

32npUsN21Rs2Rs21(LlsL'lr)2 ，Us不变，基频以上调速，最大电磁转矩将减小。

f1N向上升高，受到电动机绝缘耐压和磁路饱和的限制，定子电压Us不能随之升高，最多只能保持额定电压不变，

us4.44f1NskNsmN这将导致磁通与频率成反比地降低，使得异步电动机工作在弱磁状态。

三、仿真实验 在实验四（所给参数相同）的基础上做降压调速、调频调速，观测机械特性。打印仿真所得机械特性贴于下面对应处：

1降压调速 电源电压（V）: 机械特性(贴仿真图)： 电源电压（V）: 机械特性(贴仿真图)： 电源电压（V）: 机械特性(贴仿真图)： 理想空载转速（r/min） 临界点转速（r/min） 最大电磁转矩(N.m) 理想空载转速（r/min） 临界点转速（r/min） 最大电磁转矩(N.m) TLPm理想空载转速（r/min） 临界点转速（r/min） 最大电磁转矩(N.m) 转差功率的讨论：定子侧输入电磁功率Pm为: 转差功率消耗型。

1；转差功率

PssPm。若带恒转矩负载TL时，该调速方法那种是转差功率不变型，那种是

2基频以下调速（电源压频比要写成：电压/频率形式） 电源压频比: 机械特性(贴仿真图)： 电源压频比: 机械特性(贴仿真图)： 电源压频比: 机械特性(贴仿真图)： 理想空载转速（r/min） 临界点转速（r/min） 最大电磁转矩(N.m) 理想空载转速（r/min） 临界点转速（r/min） 最大电磁转矩(N.m) TLPm理想空载转速（r/min） 临界点转速（r/min） 最大电磁转矩(N.m) 转差功率的讨论：定子侧输入的电磁功率Pm为: 种是转差功率消耗型。

1；转差功率

PssPm。若带恒转矩负载TL时，该调速方法那种是转差功率不变型，那

3基频以上调速 电源压 伏，频率 赫兹 机械特性(贴仿真图)： 电源压 伏，频率 赫兹 机械特性(贴仿真图)： 电源压 伏，频率 赫兹 机械特性(贴仿真图)： 理想空载转速（r/min） 临界点转速（r/min） 最大电磁转矩(N.m) 理想空载转速（r/min） 临界点转速（r/min） 最大电磁转矩(N.m) TLPm理想空载转速（r/min） 临界点转速（r/min） 最大电磁转矩(N.m) 转差功率的讨论：定子侧输入的电磁功率Pm为: 种是转差功率消耗型。

1；转差功率

PssPm。若带恒转矩负载TL时，该调速方法那种是转差功率不变型，那

四、结论：

实验六 异步电机串级调速仿真

一、实验目的：

1掌握异步电机串级调速的基本原理；

2掌握异步电机串级调速时各物理量变化的特性。

二、实验原理：

I2对于绕线式交流异步电动机，转子短路自成回路，转子相电流的表达式为

sE202R2(sX20)2。式中，R2为异步电动机转子绕组每相电阻；s为异步

电动机的转差率；X20是在s=1时的异步电动机转子绕组每相漏抗；E20为绕线式异步电动机在转子不动时的相电动势，或称为转子开路电动势，它是转子额定电压的相电压值，是取决于电动机参数的一个常数。在转子回路中引入一个可控的交流附加电动势Ead，并且此附加电动势与E2有相同频率，当附加电动势Ead与E2反向串接时，转子电

I2流表达式为为转子电流

sE20Ead2R2(sX20)2； 由于转子电流I2与负载的大小有直接关系，当负载转矩TL不变时，可以近似地认

I2也为恒定值，而与转速高低无关。如果当转子短路时，电机在转差率

SS1下稳定运行，加入反向

2R2异步电动机串级调速原理

SS2，此时式（1-2）与式（1-3）相等，得

的附加电动势后，若负载不变，稳定后转差率

时s都很小，故R2s1X20，R2s2X20。易得，引入反向的附加电动势后，s2s1sE(sX120120)2sE220Ead2R2(s2X20)2。考虑到电动机在正常运行

，使转速降低。当附加电动势Ead增加时，转差率s也将增加，即电

动机转速降低；反之，当附加电动势Ead减小时，转差率s也将减小，从而使电动机转速升高。当Ead=0时，电动机转速为最高，即为固有机械特性所确定的速度。由此可见，若Ead在数值上由零逐渐增加，则电动机转速将从固有特性上所对应得速度下降，即得到低于同步转速的速度。

实际系统中是把转子交流电动势整流成直流电动势，然后与一直流附加电动势进行比较，控制直流附加电动势的幅值，就可以调节电机的转速。这

样就把交流可变频率的问题转化为与频率无关的直流问题，使得分析与控制都方便多了。显然可以利用一整流装置把转子交流电动势整流成直流电动势，

再利用晶闸管组成的可控整流装置来获得一个可调的直流电压作为转子回路的附加电动势。异步电动机电气串级调速系统原理如图2-2所示。图中，M为三相绕线式异步电动机，其转子相电动势SE20经三相不可控整流装置UR整流，输出直流整流电压为Ud，工作在逆变状态的三相可控整流装置UI，除提供可调的直流电压Ui作为调速所需的附加电动势外，还可将由UR整流后输出的异步电动机转差功率逆变成交流并回馈到电网。图中L为平波电抗器，TI为逆变变压器。

此时转子直流回路电压平衡方程式为Ud或K1sE20K2UT2cosIdRUiIdR

式中，K1、K2分别是UR和UI两整流装置的电压整流系数，如果都是

三相桥式电路，则K1=K1=2.34；Ui为逆变器UI的整流侧电压，即直流附加电动势；

U由

T2为逆变变压器的二次侧电压；为UI的逆变角；R为转子直流回路总电阻。

K1sE20K2UT2cosIdRUd中包含了电机的转差率s，可以看出，角是调速系统的控制变量，

异步电动机串级调速结构图

而Id与转子交流电流I2间有固定的比例关系，因而可以近似地反映电机电磁转矩的大小，即可以看作此时的电机机械特性的间接表达式当异步电动机带恒转矩负载在某一转速下稳定运行时，若增大逆变角由式(1-5)、式(1-6)可知， 的平衡。总之，增大

sf(Id,)。

，则逆变电压Ui相应减小，但电机转速不会立即变化，所以Ud仍然保留原值，

Id要增大，转子电流和电磁转矩相应变大，从而使电机加速。速度增大后，s减小，Ud随之减小，使电流Id又恢复与负载

角会使电机转速升高；同理，减小角会使电机转速降低。

(1s)P1在不考虑损耗的情况下，调速系统电机轴上的输出机械功率为Pmech。这里，P1是从电网输入到异步电动机定子的功率，而转子角速度为

(1s)syn。其中

syn为同步角速度，则电动机输出转矩为 常数Te

Pmech(1s)syn(1s)P1P1syn 即，串级调速系统具有恒转矩调速特性。

三、串级调速系统的仿真模型搭建及参数设置

串级调速系统仿真电路图所示，仿真模型的核心是对晶闸管逆变电路的控制，逆变角的不同导致电机的转速不同，仿真中给异步电机加了两次负载，通过加载可发现，电机的转子电流发生明显的变化。通过观察电机的转速曲线，可以发现电机启动过程有较大的振荡，因此可以考虑建立闭环的串级调速系统。图中空载情况下触发器逆变角的大小直接决定电机的转速，逆变角在90度至150度变化，转速对应由高到低。

串级调速系统仿真电路图

交流电源模块参数设置（其它两相互差120度）

三相变压器参数设置

通用逆变桥参数设置

6脉冲同步发生器的参数设置

通用整流桥参数的设置

绕线转子异步电机参数设置（在参数首页设置为绕线转子电动

四、仿真实验(填表) 触发角（度） 电机稳定转速（r/min） 触发角（度） 电机稳定转速（r/min） 触发角（度） 电机稳定转速（r/min）

1加载前后，定、转子电流的大小和频率发生了怎样的变化？（将仿真观测图贴于此，并作说明）

2加载前后电磁转矩发生了怎样的变化？（将仿真观测图贴于此，并作说明）

五、结论：

附： 模型提取路径(以matlab2011版本为参考)

电源 simulink library/simpowersystems/electrical sources 逆变器 simulink library/simpowersystems/power electronics 电机 simulink library/simpowersystems/machines

六脉冲发生器 simulink library/simpowersystems/extralibrary/contral blocks 连续传递函数模块simulink library/simulink/continues 增益模块simulink library/simulink/ math operations 积分模块simulink library/simulink/continues

饱和限幅模块simulink library/simulink/discontinues

数据线多路输出及合并输出模块simulink library/simulink/signal routing 三相变压器simulink library/simpowersystems/elements

电流电压测量模块simulink library/simpowersystems/measurements

离散PI调节器simulink library/simpowersystems/ extralibrary/ discrete contral blocks