基于相似性原理的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實驗方法及其裝置

摘 要：為研究直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能提供實驗平臺，降低測試風(fēng)險，提高性能測試的可靠性和快速性，基于相似性原理提出了一種研究直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的新實驗方法及其新實驗裝置。運用相似性原理，構(gòu)建實驗系統(tǒng)使實驗系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相同，通過研究實驗系統(tǒng)的性能來了解直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能。仿真及其實驗結(jié)果表明此實驗方法和實驗裝置的可行性。

關(guān)鍵詞：直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)；相似性原理；MATLAB；實驗裝置

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.17.116

0 引言

大功率電力牽引系統(tǒng)（如高速鐵路、電動汽車、風(fēng)力發(fā)電、機(jī)床傳動系統(tǒng)）的性能測試存在測試周期長、風(fēng)險大、實驗成本高等缺點，使得研究大功率電力牽引系統(tǒng)存在困難，因此研究測試風(fēng)險小、使用方便的傳動系統(tǒng)測試裝置具有重要意義。本文基于相似性原理，提出一種直流閉環(huán)調(diào)速電力牽引系統(tǒng)實驗方法及其實驗裝置，在此平臺上可進(jìn)行大功率直流牽引系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能測試，具有實驗成本低、方便、風(fēng)險小等優(yōu)點，通過改變實驗測試裝置接線，可為研究高性能的直流電力牽引系統(tǒng)提供借鑒。

1 實驗系統(tǒng)的基本原理

近幾十年來，隨著相似理論在實踐應(yīng)用中的不斷深入，其相似方法和技術(shù)都有了迅速的發(fā)展。作為相似理論重要應(yīng)用的模型試驗，因其成本低、準(zhǔn)確性高及較好的可預(yù)測性等獨特優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，已成為現(xiàn)代科學(xué)研究及工程設(shè)計的一種重要途徑和方法。所謂相似性原理就是僅僅以功能相似為基礎(chǔ)，用模擬來再現(xiàn)原型功能的一種模擬方法。一般來說，兩個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相似，功能不一定相似；反過來說，功能相似，結(jié)構(gòu)也不一定相似。相似性原理著眼于系統(tǒng)間的功能相似，而不必追究結(jié)構(gòu)是否相似。傳遞函數(shù)是描述系統(tǒng)運動的數(shù)學(xué)模型，它表征系統(tǒng)的固有特性，只取決于系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，當(dāng)兩個系統(tǒng)有相同的傳遞函數(shù)時，表示它們有相似的性能。運用相似性原理，通過構(gòu)建實驗系統(tǒng)使實驗系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)相同，因此，通過研究小功率的實驗系統(tǒng)的性能來了解實際大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能。

2 實驗方法及實驗裝置設(shè)計

2.1 直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)由電源、比較環(huán)節(jié)、調(diào)節(jié)器、電力電子變換器、直流電機(jī)和測速發(fā)電機(jī)等構(gòu)成。直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)如下：

其中，K=KpKSαCe./KP為比例放大系數(shù)；KS為電力電子變換器放大系數(shù)，TS為電力電子變換器延遲時間；Tm=GD2R/375CeCm為直流電機(jī)機(jī)電時間常數(shù)；=L/R為電樞回路電磁時間常數(shù)；Ce為電動勢常數(shù)；α為轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)。

2.2 實驗系統(tǒng)的傳遞函數(shù)

一種基于相似性原理的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)實驗裝置，其硬件電路由電源、求差電路（1）（2）、比例電路（當(dāng)直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)為比例積分調(diào)節(jié)器時，比例電路為比例積分電路）、慣性環(huán)節(jié)電路（1）（2）、反向電路、積分電路、放大電路（1）（2）和示波器等構(gòu)成。實驗裝置的電路圖如圖1。

由模擬電子電路和自動控制原理的知識可得到實驗裝置的傳遞函數(shù)如下：

其中，=R2R4R8R10/R1R3R7R9。通過對比實驗系統(tǒng)和直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)以及相似性原理可以得到：實驗系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的形式是一樣的，通過調(diào)節(jié)實驗系統(tǒng)的電阻和電容的值使實驗系統(tǒng)的傳遞函數(shù)和直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的傳遞函數(shù)一樣，即：KP=R2/R1；KS=R4/R3；TS=R4C1；Tl=R5C2；Tm=R6C3；Ce=R7/R8；a=R10/R9

3 仿真實驗對比分析

建立直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)仿真模型，各個環(huán)節(jié)參數(shù)如下：直流電機(jī)：額定電壓UN=220V，額定電流IdN=55A，額定轉(zhuǎn)速nN=1000r/min，電動機(jī)電動勢系數(shù)Ce=0.192V·min/r；晶閘管整流裝置的放大系數(shù)KS=44，滯后時間常數(shù)TS=0.00167s；電樞回路總電阻R=1，電樞回路電磁時間常數(shù)TL=0.00167s，電力拖動系統(tǒng)機(jī)電時間常數(shù)Tm=0.075s；轉(zhuǎn)速反饋系數(shù)=0.1V·min/r；給定電壓=0.3V

當(dāng)調(diào)節(jié)器為比例調(diào)節(jié)器時，參數(shù)Kp=0.18 得到的仿真結(jié)果如圖2。

由上述直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)參數(shù)構(gòu)建的實驗裝置的參數(shù)如下：電阻的阻值：R=200K R1=100K；R2=18K；R3=0.038K；R4=R5=1.67K；R6=25K；R7 =10K；R8=52K；R9=200K；R10=20K 電容的值：C1=C2=1F；C3=3F 電源：U=0.3V。運行實驗裝置得到如下實驗結(jié)果（見圖3）。

由仿真和實驗波形對比可知：當(dāng)調(diào)節(jié)器為比例積分調(diào)節(jié)器時，仿真波形和實驗波形都有超調(diào)，一段時間后都穩(wěn)定在設(shè)定值，沒有穩(wěn)態(tài)誤差，上升時間、超調(diào)量、調(diào)整時間基本相同，兩者波形基本一致。由此得到，實驗裝置的性能和直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能相似。

4 結(jié)論

由上述的仿真和實驗驗證了一種基于相似性原理的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的實驗方法及其實驗裝置的可行性，因此，可在小功率實驗平臺上進(jìn)行大功率直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能測試，為研究實際直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的性能提供實驗平臺，降低測試風(fēng)險，提高性能測試的可靠性和快速性。但此裝置還存在不足，由于實驗裝置的電壓限定在5V之內(nèi)，所以整個仿真結(jié)果和實驗結(jié)果都是在電壓小于5V得到，要想更加接近于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的真實性能，實驗裝置可以更換為功率更大的儀器。

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邵陽學(xué)院研究生科研創(chuàng)新項目（CX2015SY027）；湖南省科技計劃項目經(jīng)費資助（2015GK3033）

作者簡介：朱赟駿（1990-），男，湖南郴州人，碩士研究生，主要研究方向：電力電子與電力傳動。