牵引电机MATLAB仿真解析.docx

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1、牵引电机试验线路及原理简介电力机车牵引电机试验台的原理线路图如图5-1所示：图中1、2是被、陪试电机，由LJ作同轴连接。感应调压器 GT和整流器ZL构成“线路发电机” 提供试验电机端电压U; SY是一个专用的相控整流器，称为 升压机”，用于提 高陪试机支路电压，使其作为发电机运行，提供负载试验电流，其两端电压为 Us。LFi、LF2分别是电机1和电机2的用激绕组；Hi、H2分别是电机1和电机 2的换向绕组。UI图5-1试验线路图现将线路的工作原理简述如下：当调节升压机相控角 a使得Es=0时，电机1、2都是在电网电压U下空载 运行的电动机，由电源输送空载电源Io及Io （如图虚线所示方向），由

2、于1和2 两电机机械耦合，具转速相同，而且激磁绕组用于同一支路，激磁电流相等， 因此，两电机的电势E1和E2相等，且小于电网电压 U。当调节升压机相控角 a使得Es与E2同向且二者之和大于U,则Es在机电 2及1的输入送了电流I,这时在电机2的支路中总电流为I2 =I -Io而在电机D的支路中总电流为I1的方向与E1方向Il =1 I。I1与I2的电流方向如图中所示，按照图中所示的极性,相反，1作为电动机运转；I2的方向与E2方向相相同，电机2作为发电机运转。因此，决定该电机负载（制动力）的大小的电流 I2为I _ Es E2 -U2 一 R2式中，R2为电机2的电枢、换向极及补偿绕组的电阻。

3、如上所述，此线路的升压机 SY的作用可归结为：如没有升压机，则作为负载电机（陪试机）的电机 2就不可能作为发电机 运转。当升压机Es过低时，可能使Es+E2这时电机1与2就是处于空载状态 下的申激电动机，它们将处于飞速状态，因此，在试验过程中，过分调大升压 机的相控角a是不允许的。试验起动过程是：先调高线路机输出电压（不超过试验电机的30%）,使机组成并联电动机运行，然后调节升压机增加负载电流，再调节线路机电压、再 调节升压机调整负载电流，直到需要的试验值为止。升压机的相控角a愈小，则Es与I2 （发电机抽动电流）愈大，于是被试电 动机1将在更大负载条件下支行 因此，要调节被试电动机1的负载，

4、只要改变 升压YS的a即可，而这种调节是非常简便的。另外，如试验线路的电源电压是由一个可以调节的电源来供馈，则电机在 起动时可以不用外加变阻器，只需调节此发电机的激磁即可在低压下起动。至于升压机YS的容量、电压及电流的参数，可由下述方式确定。电机1及2的回路中，可写出下面的平衡方程式，即U = El Il Ri Rlfi Rlf2及U = E2 Es - I2R2由此得 E2 +Es Ei = I2R2 + Ri +RlF1 +RlF2 ）（5-1）式中，R1电动机1的电枢、换向极和补偿绕组的电阻；RLF1电动机1的激磁绕组电阻（包括固定分路电阻）；Rlf2电动机2的激磁绕组电阻（包括固定分路

5、电阻）；在此，假定电机1和2的各绕组电阻均相等；在同一的激磁电流下两电机 产生的磁通相等，因而此两电机的电势应相等，即E1=E2o式（5-1）可改写为Es I2）,使电机转动，故升压机仅供给两电机的电损耗，而此两电机的定 值损耗（即铁损耗与机械损耗）必须由电网供给。考虑到上述的诸种假定，以及实际上电机1与2的特性不可能完全相等，因此在选择升压机SY的功率时，要适当地提高一些。ZK1A3ZK3ZK22ZK4 ZK11 二ZK12ZK5ZK6ZK7J匹IPdZK8ZK5 ZK6ZK15ZK16ZK1ZK7ZK9rKioIRa)380ZK13 ZK14ZK2图5-2电机试验台主接线图如上所述，带有升

6、压机的反馈试验线路具有下列优点：只要改变升压机的相控角，就能简单平滑地调节被试电动机的负载。试验时所消耗的能量，仅为直接负载法所耗能量的20%左右。各种损耗可以直接由线路电源和升压机的输出功率来确定，因此能很方便 地确定牵引电动机的效率。在试验时，可以装上转换开关 ZK,来对调被试电机的位置，使两个同型电 机都能在电动机状态下被试，而不必在试验台上移动，如图 5-2所示。 5-1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) 熟悉品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、实验原理品闸管直流直流调速系统由整流变压器、晶闸管整流调速装置、

7、平波电抗 器、电动机-发电机组等组成。在本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，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 Uct,改变Ug的大小a即可改变控制角，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所示图5-1晶闸管直流调速实验系统原理图相 电 源 输 出11223 34 4556 6GKGKGKGKGK GKUf三、实验内容(1) 测定晶闸管直流调速系统主电路总电阻值Ro(2) 测定晶闸管直流调速系统主电路电感值L。(3) 测定直流电机-直流发电机-测速发电机组的飞轮惯量 GD2(4) 测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td。(5) 测

8、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Tmo(7) 测定晶闸管触发及整流装置特性 Ud=f(Uct)。(8) 测定测速发电机特性UTG=f(n)。四、实验仿真品闸管直流调速实验系统的原理如图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是 采用面向电气原理图方法构成的晶闸管直流调速系统的仿真模型。下面介绍各 部分建模与参数设置过程。Threehase thyristor converterpovrefgillfiyhdiraniu&-M Uoltiq.Faoevfflif L-L.3-phJ

9、5t 5wtZJ*4OC itidIdi aquih-jO ant -ziiruil:酒，小E-MpeQ EZHWriJlLi% C!lflW. M-klllBirn:“ Ishi Torque seledlNilToiqs 馅TuBIMZeSPiCurtntReaulfltor 黠曲岸=.V U-iJiph$gpl图5-2晶闸管开环调速系统的仿真模型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两部分。（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。由于同步脉冲触发器与晶闸管

10、 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。 三相对称交流电压源的建模和参数设置。首先从电源模块组中选取一个 交流电压源模块，再用复制的方法得到三相电源的另两个电压模块，并用模块 标题名称修改方法将模块标签改为“ A相”、“B相”、“C相”，然后从连接器模 块组中选取“ Ground”元件和“ Bus Bar”元件，按图5-1主电路图进行连接。为了得到三相对称交流电压源，其参数设置方法及参数设置如下：双击A相交流电压源图标，打开电压源参数设置对话框，在A相交流电源参数设置中，幅值取220V （可根据实际修改），初相位设置成0 ,频率50Hz（可根据实

11、际修改），其他为默认值，如图5-3所示。B、C相交流电源参数设置 方法与A相基本相同，除了将初相位设置成立差 120外，其他参数与 A相相 同。由此可得到三相对称交流电源。晶闸管整流桥的建模和参数设置。首先从电力电子模块组中选取“Universal Bridgd模块，并将模块标签改为“晶闸管整流桥”，然后双击模块 图标，打开SCR整流桥设置对话框，参数设置如图 5-4所示。当采用三相整流 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 件选择品闸。参数设置的原则如下，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Rs、Cs、Ron、Lon、Vf应取该装置中晶闸

12、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进行住 址。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五一节的参数设置也是适用的图5-3 A相电源参数设置图5-4 SCR整流桥参数设置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。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”模块，并将模块标签改为“直流电动机”。直流电

13、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,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端口接包转矩负载，直流电动机的输出参数有转速 n、 电枢电流Ia、励磁电流If、电磁转矩Te,通过“示波器”模块观察仿真输出图电动机的参数设置步骤如下，双击直流电动图标，打开直流电动机的参数 设置对话框，直流电动机的参数设置如图5-6所示。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。

14、至此，根据图5-1主电路的连接关系，可建立起主电路的仿真模型，如图5-2所示。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品闸管直流调速系统的控制电路只有一个给定环节，它可从输入源模块组 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，打开参数设置对话框，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，读者可通过仿真实践，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按照晶闸管直流调速系统电气原理图的连 接关系进行模型连接，即可得到图 5-2所示的晶闸直流调

15、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“ Simulation”菜单，进行“ SimulationParameters”设置，如图5-7所示R k aihujtnDCcit nr vLil：” EKltrnilasvoni L-L3-phjiaa S-surcii建其部.关 同市D叶堆裒器十 工一口wotlipes 即 r#归_，Vab 图5-7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5-8所示，住真中所选择的算法为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

16、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 timd根据实际需要而定。口 以0 岛三时j口f I- 用自Ei r团展啾Three nph ase thyrl stor converter_1_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

17、）、（d）分别表示直流电动机的电磁转矩 Te曲线、电枢电流Ia曲线、角频率曲线和角频率与电枢电流Ia的关系曲线。（a）直流电动机电磁转矩Te关曲线(b)直流电动机电枢电流Ia曲线(c)直流电动机角频率3曲线，XYGr叩h X(d)直流电动机角频率 3与电枢电流1a关系曲线图5-9晶闸管直流调速系统的输出波形根据图5-2的仿真模型，系统有两种输出方式：当采用“示波器”模块观察 仿真输出结果时，只要在系统模型图上双击“示波器”图标即可；然后对其输 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。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图5-10显示的分别是晶闸管直流高

18、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，系统的建模与仿真是成功的。在品闸管直流调速系统建模与仿真结束之际，对建模与参数设置的一些原 则和方法归纳如下： 系统建模时，将其分成主电路和控制电路两部分分别进行。 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）的参数设置原则如下，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装置的实际值；如果是不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取该装置的实际值；如果是不针对某个具体装置的一般情况，可先取这些装置的参数默认值进行仿真。若仿真结果理想，可认可这些设置的

19、参数；若仿真结果不理想，则通过结果不理想，则通过仿真实验，不断进行参数优化，最后确定其参数。 给定信号的变化范围、调节器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，不断进行参数人优化。具体方法是分别设置这些参数的一个较大和较小值进行仿真，弄清它们对系统性能影响的趋势，据此逐步将参数进行优化。 仿真时间根据实际需要定，以能够仿真出完整的波形为前提。 由于实验系统的多样性，没有一种住址算法是万能的。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更好，这需要通过仿真实践，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了。5、 预习与思考（ 1） 阅读电力电子技术教材中有关晶闸管直流调速系统的内容， 弄清同步脉冲 触发器的工作原理。（ 2） 学习教材中有关晶闸管直流调速系统各参数的测定方法。（ 3） 直流电动机有哪几种调速方案？各有哪些特点？6、 实验总结（ 1） 作出实验所得的各种曲线，计算有关参数。（2）由Ks=f（Ug）特性，分析晶闸管装置的非线性现象。