Embed Size (px)
Citation preview
电气设备综合实验 指导书
电气设备综合实验 实验指导书
上海交通大学
电气工程实验中心
2014 年 2 月
电气设备综合实验指导书
目录
一、实验...........................................................................................................................................1
实验一 单相交流调压电路实验...................................................................................................1
实验二 采用自关断器件的单相交流调压电路实验 .....................................................................5
实验三 直流他励电动机在各种运行状态下的机械特性 ...........................................................8
实验四 双闭环三相异步电动机调压调速系统实验 .................................................................12
实验五 双闭环三相异步电动机串级调速系统实验 ...............................................................17
实验六 异步电动机 SPWM 与电压空间矢量变频调速系统 ...................................................22
二、电力电子、电机控制系统 MATLAB 仿真 ..........................................................................27
1、单相桥式全控整流电路仿真...................................................................................................27
2. 三相桥式全控整流电路仿真....................................................................................................29
3. 三相桥式半控整流电路仿真....................................................................................................30
4. 三相桥式整流及逆变电路仿真................................................................................................31
5. 正弦波脉宽调制逆变器仿真....................................................................................................31
6. 升降压(Buck-Boost)直流斩波器仿真 ......................................................................................32
一、实验
实验一 单相交流调压电路实验
一．实验目的
1．加深理解单相交流调压电路的工作原理。
2．加深理解交流调压感性负载时对移相范围要求。
二．实验内容
1．单相交流调压器带电阻性负载。
2．单相交流调压器带电阻—电感性负载。
三．实验线路及原理
本实验采用了锯齿波移相触发器。该触发器适用于双向晶闸管或两只反并联晶闸管电
路的交流相位控制，具有控制方式简单的优点。
晶闸管交流调压器的主电路 由两只反向晶闸管组成，见图 1-1。
四．实验设备及仪器
1．MCL 系列教学实验台主控制屏。
2．MCL—01 组件。
3．MCL—02 组件。
4．MCL—05 组件。
5．MEL—03 三相可调电阻器。
6．MEL—02 三相芯式变压器。
7．双踪示波器
8．万用表
1 / 40
五．注意事项
在电阻电感负载时，当时，若脉冲宽度不够会使负载电流出圈套的直流分量。损
坏元件。为此主电路可通过变压器降压供电，这样即可看到电流波形不对称现象，又不会
损坏设备。
六．实验方法
1．单相交流调压器带电阻性负载
将 MCL-02 上的两只晶闸管 VT1，VT4 反并联而成交流电调压器，将触发器的输出
脉冲端 G1、K1，G3、K3分别接至主电路相应 VT1 和 VT4 的门极和阴极。
把电感 L 短接，接上电阻性负载（两只 900Ω电阻并联），并调节电阻负载至 大。
MCL-01 的给定电位器 RP1 逆时针调到底，使 Uct=0。调节锯齿波同步移相触发电路
偏移电压电位器 RP2，使=150°。
三相调压器逆时针调到底，合上主电源，调节主控制屏输出电压，使 Uuv=220V。用示
波器观察负载电压 u=f（t），晶闸管两端电压 uVT= f（t）的波形，调节 Uct，观察不同角时各波形的变化，并记录=30，60，90，120时的波形和输出电压 U 值。
30 60 90 120
U
2．单相交流调压器接电阻—电感性负载
（1）在做电阻—电感实验时需调节负载阻抗角的大小，因此须知道电抗器的内阻和
2 / 40
MEL-02MCL-01 MCL-02220V/110V
主
控
制
屏
输
出
VT1
VT4
RP
G1 G3K1 K3
锯齿波触发电路
Uct
220V步 电压 输入同~
MCL-05
MCL-01
G7
U U
V V
W W
L1
L2
L3
1U1
1U2
2U1
2U2
1V1
1V2
2V1
2V2
1W1
1W2
2W1
2W2
A
V
A: 交流电流表。量程为2.5A
V: 交流电压表。量程为300V
L: 平波电抗器。选700mH
G1、K1接VT1 G3、K3接VT4
RP：选MEL-03的900殴电阻并联
图1-1单相交流调压电路
A
KG
L(700mL)
电感量。可采用直流伏安法来测量内阻，如图 1-2 所示，电抗器的内阻为
RL=UL/I
电抗器的电感量可用交流伏安法测量，如图 1-3 所示，由于电流大时对电抗器的电感
RdRd
VV
AA
LdLd
ULLU
+
-
~220V
图1-2用直流伏安法测电抗内阻 图1-3用交流伏安法测定电感量
量影响较大，采用自耦调压器调压多测几次取其平均值，从而可得交流阻抗。
ZL=UL/I
电抗器的电感量为
)2/(22 fRZL LLL
3 / 40
这样即可求得负载阻抗角
Ld RR
Ltg
11
在实验过程中，欲改变阻抗角，只需改变电阻器的数值即可。
（2）断开电源，接入电感（L=700mH），调节 Rd 使阻抗角φ=450
合上主电源，调节主控制屏输出电压，使 Uuv=220V。调节 Uct，使=450，用二踪示
波器同时观察负载电压 u 和负载电流 i 的波形。观察在不同角时波形的变化情况。记录
φ，=φ，φ三种情况下负载两端电压 u 和流过负载的电流 i 的波形。
也可使为一定值，调节阻抗角φ观察波形。
注：调节电阻 R 时，需观察负载电流，不可大于 0.8A。
六．实验报告
1．整理实验中记录下的各类波形
2．分析电阻电感负载时，角与角相应关系的变化对调压器工作的影响。
3．分析实验中出现的问题。
4 / 40
实验二 采用自关断器件的单相交流调压电路实验
一．实验目的
1．掌握采用自关断器件的单相交流调压电路的工作原理、特点、波形分析与使用场合。
2．熟悉 PWM 专用集成电路 SG3525 的组成、功能、工作原理与使用方法。
二．实验内容
1．PWM 专用集成电路 SG3525 性能测试
2．控制电路相序与驱动波形测试
3．带与不带电感时负载与 MOS
管两端电压波形测试
4．在不同占空比条件下，负载端
电压、负载端谐波测试。
三．实验系统组成及工作
原理
随着自关断器件的迅速发展，采用
晶闸管移相控制的交流调压设备，已逐
渐被采用自关断器件（GTR、MOSFET、
IGBT 等）的交流斩波调压所代替，与
移相控制相比，斩波调压具有下列优
点：
（1）谐波幅值小，且 低次谐波
频率高，故可采用小容量滤
波元件；
（2）功率因数高，经滤波后，功
率因数接近于 1。
（3）对其他用电设备的干扰小。
因此，斩波调压是一种很有发展前
途的调压方法，可用于马达调速、
调温、调光等设备。本实验系统以调光为例，进行斩波调压研究。
斩波调压的主回路由 MOSFET 及其反并联的二极管组成双向全控电子斩波开关。当
0
U(t)
U(t)
0
0
U(t)
(c)
图5-9
wt
(b)wt
(a)wt
5 / 40
MOS管分别由脉宽调制信号控制其通断时，则负载电阻RL上的电压波形如图 5—9b所示（输
出端不带滤波环节时），显然，负载上的电压有效值随脉宽信号的占空比而变，当输出端带
有滤波环节时的负载端电压波形如图 5—9c 所示。
脉宽调制信号由专用集成芯片 SG3525 产生，有关 SG3525 的内部结构、功能、工作原
理与使用方法等可参阅双闭环可逆直流脉宽调速系统实验。
采用自关断器件的单相交流调压电路和采用传统的可控硅组成的调压电路相比，具有功
率因数高、电网污染少、波形畸变小等优点。其原理框图如图 2-1。
输入交流电压为 220V，经过同步变压器 T 后，分别形成两路互为倒相的方波，宽度为
180°，分别对应正弦波的正半周和负半周，由 3525 进行调制（调制频率约为 2.5kHz）后，
经过隔离及驱动电路，分别驱动两路功率场效应管。
工作过程为：
当输入交流电处于正半波时，经调解制的方波信号施加于 VT2 的栅极和源极，VT1 的
控制电压为 0V，交流电经 L、R、VT2、VD1 构成回路；
当输入交流电处于负半周时，方波信号加于 VT1、VT2 控制电压为 0，交流电经过 VT1、
VD2、R、L 构成回路，从而在 R 上得到一完整的经过调制的单相正弦波交流电，有效值通
过调节脉冲的占空比进行改变。
VT1 VT2
VD2VD1
Fu Rs
T
L
CR~220V
调制、隔离及驱动
图2-1交流调压电路
四．实验设备和仪器
1．MCL-11 实验挂箱 2．万用表 3．双踪示波器
6 / 40
五．实验方法
1．SG3525 性能测试
（1）锯齿波周期与幅值测量(分开关 S2 合上与断开两种情况）。测量 18 端。
（2）输出 大与 小占空比测量。测量 16 端。
2 控制电路相序与驱动波形测试
将电位器 RP 左旋到底，“1”、“2”之间施加 220 交流电压，用双踪示波器观察并记
录下列各点波形：
（1）控制电路的 13、14 与地端间波形，应仔细测量该波形是否对称互补；
（2）控制电路的 12、15 与地端间波形；
（3）主电路的 9 与 10 及 11 与 10 端间波形；
3．不带电感时负载与 MOS 管两端电压波形测试
将主电路的 3 与 6 端相连，开关 S2 放在断开位置，将电位器 RP 右旋到大致中间的位置，
测试并记录负载与 MOS 管两端电压波形
4 带电感时负载与 MOS 管两端电压波形测试
将主电路的 3 与 4 及 5 与 6 端相连，将电位器 RP 右旋到大致中间的位置，测试并记录
负载与 MOS 管两端电压波形
5 不同占空比 D 时的负载端电压测试与灯泡亮度比较
将电位器 RP 从左至右旋转 4-5 个位置，分别观察并记录 SG3525 的输出 13 端脉冲的占
空比、负载端电压大小与波形以及灯泡亮度的变化。
D
U（伏）
6 不同载波频率时的滤波效果比较
使电感接入电路，在 S2 合上与断开两种情况下，观察并记录负载两端波形。
7 不同占空比 D 时的负载端谐波大小的测试
分别观察并记录 RP 左旋与右旋到底时的负载端波形，从而判断出占空比 D 大小对负载
端谐波大小的影响。
六、实验报告
1.在开关 S2 断开与合上条件下，画出 SG3525 的 5 脚的锯齿波并注明周期、幅值以及
小与 大占空比值。
2.画出控制电路各点的波形
3.画出不带与带电感时负载与 MOS 管两端电压波形。
4.根据实测数据，画出负载电压 U与占空比 D之间的关系曲线。
7 / 40
实验三 直流他励电动机在各种运行状态下的机械特性
一、实验目的
了解直流电动机的各种运转状态时的机械特性。
二、实验内容
1. 电动及回馈制动特性
2. 电动及反接制动特性
3. 能耗制动特性
三、工作原理
电动机的机械特性是指电动机的转速 n 与转矩 T 的关系 n=f(T)。机械特性是电动机机械
性能的主要表现，它与负载的机械特性 n=f(TZ)，运动方程式 T-TZ=(GD2/375)×（dn/dt）相联
系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。
机械特性中 T 是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩 T2是不同的，其间差一空载转
矩 T0，即 T=T2+T0。
在一般情况下，因为空载转矩 T0 相比 T 或 T2 很小，所以在一般的工程计算中可以略去
T0，即 T=T2=P/(2πn/60)
直流电动机的机械特性方程式为：n=（U/CeФ）-（R/CeCTФ2）×T，式中 U/CeФ为理想
空载转速 n0，R/CeCTФ2为机械特性的斜率 β。
当 U=UN，Ф=ФN，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电动机的固有机械特性。
当改变 U 或 Ф或电枢回路串电阻时，其机械特性 n0或 β将相应变化，此时称为直流电动机
的人为机械特性。
若不计电枢反应的影响，当电动机正向运行时，其机械特性是一条横跨Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ象限
的直线。其中第一象限为电动机运行，其特点是电磁转矩的方向与旋转方向（转速 n 的方向）
相同，第Ⅱ、Ⅳ象限为制动状态。电动机在制动状态运行是产生一个与转向相反的阻力矩，
以使电机拖动系统迅速停机或限制转速的升高。制动状态转矩T的方向与转速n的方向相反，
此时电动机从输出轴上吸收机械能并转化为电能反馈回电网或消耗在电阻中，第Ⅲ象限为反
向电动机运行。
制动运行的方式分为回馈制动、反接制动和能耗制动。
四．实验设备和仪器
1．MCL 系列教学实验台主控制屏。
2．电机导轨及测速发电机、直流发电机
3．MEL—03 三相可调电阻器。
4．MEL—09 三相可调电阻器。
5．万用表
8 / 40
五、实验方法
实验线路如图 1-1 所示，图中 M12 为直流他励电动机，UN=220V，IN=0.55A，
nN=1500r/min，PN=80W；励磁电压 Uf=220V 、励磁电流 If<0.13A。直流发电机 M03 为 M12
的负载。A1 毫安表、A2 安培表、R1、R2、R3、R4 根据不同的实验而选不同的阻值。
1. 电动及回馈制动特性
R1 选用 1800 欧姆，R2 选用 900 欧姆，R3 选用 3000 欧姆，R4选用 1800 欧姆。
S1 合向 1-1 端，S2 合向 2-2 端，R2、R3、R4 置 大值，R1 置 小值。合上直流电源，
使电动机启动，然后把 R2调至零，调节电源电压、R1、R3、R4使 U=UN=220V、n=nN=1500r/mim、
I1+I2=0.55A，此时 If=IfN，保持电动机的 U=UN=220V、If=IfN不变，改变 R3、R4 使阻值逐渐
增加，测取电动机在额定负载至空载范围的 I2、n，共取 6 组数据记录于表 1-1 中。
表 1-1 UN=220V IfN= A
I2(A)
n(r/min)
拆掉开关 S2的 2-2 短接线，调节 R3，使
发电机的空载电压与直流稳压电源电压值接
近，并且极性相同，把 S2 合向 1-1 端，把 R4
值减小，直至为零，开始记录数据，再调 R3
使阻值逐渐增加，电机的转速升高，当转速超
过理想空载转速时，则电动机从第一象限进入
第二象限回馈制动状态运行，继续增加 R3 阻
值至 I2 为额定值。测取 I2、n，共取 6 组数据
记录于表 1-2 中。实验中应注意电动机转速不
超过 2100 转/分。
画 n=f(I2)特性，见图 1-2.
表 1-2 UN=220V IfN= A
9 / 40
I2(A) 0
n(r/min)
2. 电动及反接制动特性
R1 选用 1800 欧姆，R2 选用 900 欧姆，R3 不用，R4 选用 1800 欧姆。
S1 合向 1-1 端，S2 合向 2-2 端（短接线拆掉），把发电机电枢二个端子（A1、A2）对调，
R1 置 小值，R2 置 300 欧姆左右，R4 大值。
启动电动机，测量发电机的空载电压是否和直流稳压电源电压极性相反，若极性相反可
把 S2 合向 1-1 端，调节 R2 为 900 欧姆，调节直流电源电压 U=UN=220V、调节 R1 使 If=IfN
保持以上值不变，开始记录数据，逐渐减小 R4阻值，电机减速直至为零，仍减小 R4 阻值，
此时电动机工作与反接制动状态运行（第四象限）再减小 R4 阻值，直至电动机 I2=I2N，测取
电机在第一、第四象限的 I2、n，共取 6 组数据记录于表 1-3 中。
表 1-3 R2=900Ω UN=220V IfN= A
I2(A)
n(r/min) 0
画 n=f(I2)特性，见图 1-3.
3．能耗制动特性
R1 选用 1800 欧姆，R2 选用 450 欧姆，R3 不用，R4 选用 1800 欧姆。
S1 合向 2-2 端，S2 合向 1-1 端，R1 置 大值，R2置 450 欧姆，R4 置 大值。
把发电机电枢二个端子（A1、A2）对调，启动发电机 M03（此时作电动机用）调节直
流电源电压 U=UN=220V、调节 R1 使 If=IfN 保持以上值不变，开始记录数据，逐渐减小 R4
阻值，使电机的制动电流在 I2N以内测取 I2、n，共取 6 组数据记录于表 1-4 中。
表 1-4 R2=450Ω UN=220V IfN= A
I2(A)
n(r/min)
S1 合向 2-2 端，S2 合向 1-1 端，R1 置 大值，R2置 225 欧姆，R4 置 大值。
启动发电机 M03（此时作电动机用）调节直流电源电压 U=UN=220V、调节 R1 使 If=IfN
保持以上值不变，开始记录数据，逐渐减小 R4阻值，使电机的制动电流在 I2N以内测取 I2、
n，共取 6 组数据记录于表 1-5 中。
表 1-5 R2=225Ω UN=220V IfN= A
10 / 40
I2(A)
n(r/min)
画 n=f(I2)特性，见图 1-4
四、实验报告
根据实验数据绘出电动机运行在第一、第二、第四象限的制动特性 n=(I2)及能耗制动特
性 n=(I2)。
五、思考题
1. 回馈制动实验中，如何判别电动机运行在理想空载点？
2. 试分析他励直流电动机三种制动状态下的能量转换情况。
11 / 40
实验四 双闭环三相异步电动机调压调速系统实验
一．实验目的
1．熟悉相位控制交流调压调速系统的组成与工作。
2．了解并熟悉双闭环三相异步电动机调压调速系统的原理及组成。
3．了解绕线式异步电动机转子串电阻时在调节定子电压调速时的机械特性。
4．通过测定系统的静特性和动态特性进一步理解交流调压系统中电流环和转速环的作
用。
二．实验内容
1．测定绕线式异步电动机转子串电阻时的人为机械特性。
2．测定双闭环交流调压调速系统的静特性。
3．测定双闭环交流调压调速系统的动态特性。
三．实验系统组成及工作原理
双闭环三相异步电动机调压调速系统的主电路为三相晶闸管交流调压器及三相绕线式
异步电动机（转子回路串电阻）。控制系统由电流调节器(ACR)，速度调节器(ASR)，电流
变换器(FBC)，速度变换器(FBS)，触发器(GT)，一组桥脉冲放大器等组成。其系统原理图如
图 7-1 所示。
整个调速系统采用了速度，电流两个反馈控制环。这里的速度环作用基本上与直流调速
系统相同而电流环的作用则有所不同。在稳定运行情况下，电流环对电网振动仍有较大的抗
扰作用，但在起动过程中电流环仅起限制 大电流的作用，不会出现 佳起动的恒流特性，
也不可能是恒转矩起动。
异步电机调压调速系统结构简单，采用双闭环系统时静差率较小，且比较容易实现正，
反转，反接和能耗制动。但在恒转矩负载下不能长时间低速运行，因低速运行时转差功率全
部消耗在转子电阻中，使转子过热。
12 / 40
四．实验设备和仪器
1．MCL 系列教学实验台主控制屏。
2．MCL—18 组件（适合 MCL—Ⅱ)或 MCL—31 组件（适合 MCL—Ⅲ）。
3．MCL—33 组件或 MCL—53 组件（适合 MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）。
4．电机导轨及测速发电机、直流发电机
5．MEL—03 三相可调电阻器(或自配滑线变阻器 450，1A)
6．绕线式异步电动机
7．MEL—11 组件
8．直流电动机 M03
9．双踪示波器。．
10．万用表
五．注意事项
1．接入 ASR 构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把 ASR 的 RP3 电位器逆时针
旋到底，使调节器放大倍数 小，同时，ASR 的“5”、“6”端接入可调电容（预置 7μF）。
3．测取静特性时，须注意电流不许超过电机的额定值（0.55A）。
4．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。
5．电源开关闭合时，过流保护、过压保护的发光二极管可能会亮，只需按下对应的复
位开关 SB1、SB2 即可正常工作。
6．系统开环连接时，不允许突加给定信号 Ug 起动电机。
7．起动电机时，需把 MEL-13 的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。
8．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的
给定为零。
9．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地
线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。
10．低速实验时，实验时间应尽量短，以免电阻器过热引起串接电阻数值的变化。
11．绕线式异步电动机：PN=100W，UN=220V，IN=0.55A，nN=1350，MN=0.68，Y 接。
六．实验方法
1．移相触发电路的调试（主电路未通电）
（a）用示波器观察 MCL—33（或 MCL—53，以下同）的双脉冲观察孔，应有双窄脉
冲，且间隔均匀，幅值相同；
（b）将面板上的 Ublf 端接地，调节偏移电压 Ub,使 Uct=0 时，接近 1500。将正组触发
脉冲的六个键开关“接通”，观察正桥晶闸管的触发脉冲是否正常（应有幅值为 1V～2V 的
13 / 40
双脉冲）。
（c）触发电路输出脉冲应在 30°～90°范围内可调。可通过对偏移电压调节电位器及
ASR 输出电压的调整实现。例如：使 ASR 输出为 0V，调节偏移电压，实现α=90°；再保
持偏移电压不变，调节 ASR 的限幅电位器 RP1，使α=30°。
2．控制单元调试
按直流调速系统方法调试各单元
3．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。
a．断开 ASR（MCL—18 或 MCL—31）的“3”至 Uct（MCL—33 或 MCL—53）的连
接线，G（给定）直接加至 Uct，且 Ug 调至零。
直流电机励磁电源开关闭合。电机转子回路接入每相为 10左右的三相电阻。
b．合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使 Uuv、Uvw、Uwu=230V。
c．调节给定电压 Ug，使电机空载转速 n0=1300 转/分，调节测功机加载旋钮（或直流发
电机负载电阻），在空载至额定负载的范围内测取 7～8 点，读取测功机输出转矩 M（或直
流发电机输入电压 Ud，输出电流 id）以及被测电动机转速 n。
n(r/min)
IG(A)
UG(V)
M(N.m)
注：若采用直流发电机，转矩可按下式计算
nPRIUIM OSGGG /)(55.9 2
式中 ：
M——三相异步电动机电磁转矩；
IG——直流发电机电流；
UG——直流发电机电压；
RS——直流发电机电枢电阻（32 欧姆）；
P0——机组空载损耗。不同转速下取不同数值：n=1500r/min，Po=13.5W；n=1000r/min，
Po=10W；n=500r/min，Po=6W。
d．调节 Ug，降低电机端电压，在!/3Ue 及 2/3Ue 时重复上述实验，以取得一组人为机械
特性。
4．系统调试
（1）调压器输出接三相电阻负载，观察输出电压波形是否正常。
（2）将系统接成双闭环调压调速系统，转子回路仍串每相 10左右的电阻 ，渐加给定
Ug 至+5V, 调节 FBS 的反馈电位器，使电机空载转速 n0=1300 转/分，观察电机运行是否正
常。
（3）调节 ASR.ACR 的外接电容及放大倍数调节电位器，用慢扫描示波器观察突加给
定的动态波形，确定较佳的调节器参数。
5．系统闭环特性的测定
调节 Ug，使转速至 n =1300r/min，从轻载按一定间隔做到额定负载，测出闭环静特性 n
14 / 40
=f(M)。
n(r/min)
IG(A)
UG(V)
M(N.m)
七．实验报告
1．根据实验数据，画出开环时，电机人为机械特性。
2．根据实验数据，画出闭环系统静特性，并与开环特性进行比较。
15 / 40
16 / 40
图7-
1 三相异步电动机调压调速系统TG:测速发电机
TG
ASR
ACR
主 控 制 屏 输 出
MEL-11
U V W
FBS
+15V
G -15V
RP1
RP2
7 1 21 2 ASR
L1 L2 L3
MCL-18(MCL-31)
RP3
FBC
TA2
TA3TA1
S1 S1
RP1
RP2
负给定
正给定 S2
S2 给
定+ - 0V
5
RP4
- +
+15V
-15V
RP
6 RP1
RP2
+15V
1封锁
解除
RP3
RP 4
3 4 3 1
ACR
2
2 3 4 5
1
6
2
RP3 U V W
解除
封锁
S3&
3
RP4
11
- +
-15V
RP2
+15V
9
+15V
10 RP
1
8
7
MCL-33(MCL-53)
Ublf
移相控
制电压
Uct
Ublr
控 制
脉冲
放大
脉 冲
控 制
VT1
VT4
VT3
VT6
VT5
VT2
定子
转子
V
线绕电机
起动电阻
~M
实验五 双闭环三相异步电动机串级调速系统实验
一．实验目的
1．熟悉双闭环三相异步电动机串级调速系统的组成及工作原理。
2．掌握串级调速系统的调试步骤及方法。
3．了解串级调速系统的静态与动态特性。
二．实验内容
1．控制单元及系统调试
2．测定开环串级调速系统的静特性。
3．测定双闭环串级调速系统的静特性。
4．测定双闭环串级调速系统的动态特性。
三．实验系统组成及工作原理
绕线式异步电动机串级调速，即在转子回路中引入附加电动势进行调速。通常使用的方
法是将转子三相电动势经二极管三相桥式不控整流得到一个直流电压，再由晶闸管有源逆变
电路代替电动势，从而方便地实现调速，并将能量回馈至电网，这是一种比较经济的调速方
法。
本系统为晶闸管亚同步闭环串级调速系统。控制系统由速度调节器 ASR，电流调节器
ACR，触发装置 GT，脉冲放大器 MF，速度变换器 FBS，电流变换器 FBC 等组成，其系统
原理图如图 72 所示。
四．实验设备和仪器
1．MCL 系列教学实验台主控制屏。
2．MCL—18 组件（适合 MCL—Ⅱ)或 MCL—31 组件（适合 MCL—Ⅲ）。
3．MCL—33 组件或 MCL—53 组件（适合 MCL—Ⅱ、Ⅲ、Ⅴ）。
4．电机导轨及测速发电机、直流发电机
5．MEL—03 三相可调电阻器(或自配滑线变阻器 450，1A)
6．绕线式异步电动机
17 / 40
7．MEL—11 组件
8．直流电动机 M03
9．双踪示波器。．
10．万用表
五．注意事项
1．本实验是利用串调装置直接起动电机，不再另外附加设备，所以在电动机起动时，
必须使晶闸管逆变角β处于βmin位置。然后才能加大β角，使逆变器的逆变电压缓慢减少，
电机平稳加速。
2．本实验中，α角的移相范围为 90°～150°，注意不可使α＜90°，否则易造成短
路事故。
3．接线时，注意绕线电机的转子有 4 个引出端，其中 1 个为公共端，不需接线。
4．接入 ASR 构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先把 ASR 的 RP3 电位器逆时针
旋到底，使调节器放大倍数 小，同时，ASR 的“5”、“6”端接入可调电容（预置 7μF）。
5．测取静特性时，须注意电流不许超过电机的额定值（0.55A）。
6．三相主电源连线时需注意，不可换错相序。逆变变压器采用 MEL-03 三相芯式变压
器的高压绕组和中压绕组，注意不可接错。
7．电源开关闭合时，过流保护、过压保护的发光二极管可能会亮，只需按下对应的复
位开关 SB1、SB2 即可正常工作。
8．系统开环连接时，不允许突加给定信号 Ug 起动电机。
9．起动电机时，需把 MEL-13 的测功机加载旋钮逆时针旋到底，以免带负载起动。
10．改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”红色按钮，同时使系统的
给定为零。
11．双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故在使用时，必须使两探头的地
线同电位（只用一根地线即可），以免造成短路事故。
12．绕线式异步电动机：PN=100W，UN=220V，IN=0.55A，nN=1350，MN=0.68，Y 接。
六．实验方法
1．移相触发电路的调试（主电路未通电）
（a）用示波器观察 MCL—33（或 MCL—53）的双脉冲观察孔，应有间隔均匀，幅值
相同的双脉冲；将 G 输出直接接至 Uct，调节 Uct，脉冲相位应是可调的。
（b）将面板上的 Ublf 端接地，调节偏移电压 Ub，使 Uct=0 时，接近 1500。将正组触
发脉冲的六个键开关“接通”，观察正桥晶闸管的触发脉冲是否正常（应有幅值为 1V～2V
的双脉冲）。
（c）触发电路输出脉冲应在 30°≤β≤90°范围内可调。
可通过对偏移电压调节电位器及 ASR 输出电压的调整实现。例如：使 ASR 输出为 0V，
18 / 40
调节偏移电压，实现β=30°；再保持偏移电压不变，调节 ASR 的限幅电位器 RP1，使β=90
°。
2．控制单元调试
按直流调速系统方法调试各单元
3．求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。
a．断开 ASR（MCL—18 或 MCL—31）的“3”至 Uct（MCL—33 或 MCL—53）的连
接线，G（给定）直接加至 Uct，且 Ug 调至零。
直流电机励磁电源开关闭合。电机转子回路接入每相为 10左右的三相电阻。
b．三相调压器逆时针调到底，合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，
使 Uuv、Uvw、Uwu=230V。
c．缓慢调节给定电压 Ug，使电机空载转速达到 高，调节测功机加载旋钮（或直流发
电机负载电阻），在空载至一定负载的范围内测取 7～8 点，读取测功机输出转矩 M（或直
流发电机输入电压 Ud，输出电流 id）以及被测电动机转速 n。
注：如您选购的产品为 MCL—Ⅲ、Ⅴ，无三相调压器，直接合上主电源。以下均同。
n(r/min)
IG(A)
UG(V)
M(N.m)
注：若采用直流发电机，转矩可按下式计算
nPRIUIM OSGGG /)(55.9 2
式中 ：
M——三相异步电动机电磁转矩；
IG——直流发电机电流；
UG——直流发电机电压；
RS——直流发电机电枢电阻（32 欧姆）；
P0——机组空载损耗。不同转速下取不同数值：n=1500r/min，Po=13.5W；n=1000r/min，
Po=10W；n=500r/min，Po=6W。
3．闭环系统调试
MCL—18（或 MCL—31）的 G（给定）输出电压 Ug 接至 ASR 的“2”端，ACR 的输
出“7”端接至 Uct。
三相调压器逆时针调到底。调节 Uct，使 ACR 饱和输出，调节限幅电位器 RP1，使=30O。
合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输出，使 Uuv、Uvw、Uwu=230V。
调节给定电压 Ug，使电机空载转速 n0=1300 转/分，观察电机运行是否正常。调节
ASR,ACR 的外接电容及放大倍数调节电位器，用慢扫描示波器观察突加给定的动态波形，
确定较佳的调节器参数。
4．双闭环串级调速系统静特性的测定
调节给定电压 Ug，使电机空载转速 n0=1300 转/分，调节测功机加载旋钮（或直流发电
机负载电阻），在空载至额定负载的范围内测取 7～8 点，读取测功机输出转矩 M（或直流
19 / 40
发电机输入电压 Ud，输出电流 id）以及被测电动机转速 n。
n(r/min)
IG(A)
UG(V)
M(N.m)
七．实验报告
1．根据实验数据，画出开环，闭环系统静特性 n =f (M)，并进行比较。
M MG
A
VR=900Ω 1A
励磁电源
A1
A2
F1
F2
负载电阻
异步电机负载接线图
20 / 40
21 / 40
MCL-
18(M
CL-3
1)
图7-2 双闭环三相异
步电动机串级调速系统
主 控 制 屏 输 出
RP1 RP2
FBS
G +15V
-15V 1 2
给
定
RP1
RP2
S2
S1
正给定
负给
定
S1
S2-+
0V
RP
1封
锁
3
RP
4
+15V解
除
2
ASR
7 1 2
VU W
L2L1 L3
6
RP1
RP2
56
+-
+15V
-15V
RP4
3RP3
RP3 4
ACR 1
2
34 5
FBC
TA1
TA2
12
TA3
MEL-
11ASR
ACR
Uct L
1U1
1U2
3
封锁
S3
解除
&
+15V
MEL-
02(M
CL-3
5)
1V1
1W1
1V2
1W2
VT1
2U1
2U2
911
10
RP3
8
- +
RP4
RP1
+15V
RP2
-15V
7
VU W
2V1
2W1
VT4
2V2
2W2
C R
MCL-
33(MCL
-53)
移相控制
电压
VT3
A
VT5
V
VD6
VD4
VD2
VT6
VT2
50mH
VD3
VD1
VD5
100m
H
200mH
700m
H
脉冲放
大控
制
脉 冲
控 制
Ublr
Ublf
定子
TG:测
速发
电机
TG
M:交
流线
绕电
机。
M ~
转子
实验六 异步电动机SPWM与电压空间矢量变频调速系统
一．实验目的
1．通过实验掌握异步电动机变压变频调速系统的组成及工作原理。
2．加深理解用单片机通过软件生成 SPWM 波形的工作原理与特点。以及不同调制方式
对系统性能的影响
3．熟悉电压空间矢量控制（磁链跟踪控制）的工作原理与特点。
4．掌握异步电动机变压变频调速系统的调试方法。
二．实验内容
1．连接有关线路，构成一个实用的异步电动机变频调速系统。
2．过压保护、过流保护环节测试。
3．采用 SPWM 数字控制时，不同输出频率、不同调制方式（同步、异步、混合调制）
时的磁通分量、磁通轨迹、定子电流与电压、IGBT 两端电压波形测试。
4．采用电压空间矢量控制时，不同输出频率、不同调制方式时的磁通分量、磁通轨迹、
定子电流与电压、IGBT 两端电压波形测试。
5．低频补偿特性测试。
三．实验系统组成及工作原理
1. 正弦波脉宽调制变频原理
正弦波脉宽调制法（SPWM）是 常用的一种调制方法，SPWM 信号通过三角载波信
号和正弦信号相比较的方法产生，当改变正弦参考信号的幅值时，脉宽随之改变，从而改变
了主回路输出电压的大小，当改变正弦参考信号的频率时，输出电压的频率即随之改变。在
变频器中，输出电压的调整和输出频率的改变是同步协调完成的，这称为 VVVF（变压变频）
控制。
SPWM 调制方式的特点是半个周期内脉冲中心线等距、脉冲等幅，调节脉冲的宽度，
使各脉冲面积之和与正弦波下的面积成正比例，因此，其调制波形接近于正弦波。
2. 空间电压矢量 PWM 变频原理
对三相逆变器，根据三路开关的状态可以生成 6 个互差 600的非零电压矢量 V0~V6 ，
以及零矢量 V0，V7，当开关状态为（000）或（111）时，即生成零矢量，这时逆变器上半
22 / 40
桥或下半桥功率器件全部导通，因此输出线电压为零。
由于电机磁链矢量是空间电压矢量的时间积分，因此控制电压矢量就可以控制磁链的
轨迹和速率。在电压矢量的作用下，磁链轨迹越是接近圆，电机脉动转矩越小，运行性能越
好。
变频调速系统原理框图如图 7—3 所示。它由交-直-交电压源型变频器，16 位单片机
80C196MC 所构成的数字控制器，控制键盘与运行指示、磁通测量与保护环节等部分组成。
逆变器功率器件采用智能功率模块 IPM（Intel Ligent Power Modules），型号为
PM10CSJ060（10A/600V）。IPM 是一种由六个高速、低功耗的 IGBT，优化的门极驱动和
各种保护电路集成为一体的混合电路器件。由于采用了能连续监测电流的有传感功能的
IGBT 芯片，从而实现高效的过流和短路保护，同时 IPM 还集成了欠压锁定和过流保护电路。
该器件的使用，使变频系统硬件简单紧凑，并提高了系统的可靠性。
数字控制器采用 Intel 公司专为电机高速控制而设计的通用性 16 位单片机 80C196MC。
它由一个 C196 核心、一个三相波形发生器以及其它片内外设构成。其它片内外设中包含有
定时器、A/D 转换器、脉宽调制单元与事件处理阵列等。
在实验系统中 80C196MC 的硬件资源分配如下：
1．P3、P4 口：用于构成外部程序存储器的 16 bit 数据和地址总线。
2．WG1～WG3 和 WG1～WG3：用于输出三相 PWM 波形，控制构成逆变器的 IPM。
3．EXTINT：用于过流、过压保护。
4．通过接于 A/D 转换器输入端 ACH2 和 ACH1 设之输入频率和改变 u/f（低频补偿）。
5．利用 P0 和 P1 口的 P0.4～P0.7 和 P1.0～P1.3 ，外接按钮开关，用于起动、停止、故障
复位两种调制方法，三种调制模式的选择。
6．利用 P2、P5、P6 口的 P2.4～P2.7，P5.4 与 P6.6，P6.7，外接指示灯，用于指示系统所处
状态。
7．磁通观测器用于电机气隙磁通测量。其前半部分为 3/2 变换电路，将三相电压 VA、
VB、VC从三相静止坐标系 A、B、C 变换到二相静止坐标系α、β上，成为 Vα、Vβ。电路
的后半部分则分别对 Vα、Vβ积分。在忽略定子漏磁和定子电阻压降的前提下，两个积分器
的输出分别是二相静止坐标系中电机气隙磁通在α、β轴上的分量φα与φβ；它们的波形形
状相似，相位差 90°。将两个积分的输出分别接入示波器的 X 轴输入和 Y 轴输入，即可得
到电机气隙磁通的圆形轨迹。
四．实验设备和仪器
1．MCL—ⅠI 型电机控制教学实验台
2．MCL—09 变频调速系统组件
3．电机导轨及测速发电机
4．慢扫描示波器
5．双踪示波器
23 / 40
五．实验方法
按图 7—3 连接线路，经检查无误后，合上电源，实验系统缺省设置为 SPWM 控制，同步
调制方式，对应指示灯亮。若指示灯与上述不符，可按复位按钮，使系统处于上述缺省状态，
此时系统即可进行实验。若系统采用 SPWM 控制并工作在同步调制方式，即可按起动按钮，
电动机即可起动，起动后可调节频率设定电位器，即可改变电动机转速。
在电动机运行中，如按了空间矢量、异步调制，混合调制等按钮，系统将不会响应，必
须先按停止按钮，使电动机停止运行，才能转到空间矢量控制以及其它调制方式。
低频补偿电位器在电机运行时，可按需要任意调节。
系统出现故障停机时，可在拆除故障条件下，按故障复位按钮，使红色故障指示灯灭，
系统即可按要求继续运行。
1．过压与过流保护环节测试。（这时只需合上控制电源，主回路电源不加。）
（1）断开过压保护检测线，红色故障指示灯发亮，同时微机输出驱动脉冲被封锁，表
示过压保护环节工作正常。测试完毕后，按一下故障复位按钮，故障指示灯灭。
（2）断开过流检测线，红色故障指示灯发亮，同时驱动脉冲被封锁，表示过流保护环
节工作正常。测试完毕后，按一下复位按钮，故障指示灯灭。
24 / 40
2．采用 SPWM 控制，分别在输出频率为 50Hz、30Hz 条件下，测量与描绘不同调制方
式时的电机气隙磁通分量、电机气隙磁通轨迹、定子电流、IGBT 两端波形（输出 U、V、
W 与 N 端之间）与定子端电压等波形，以及观察电机运行的平稳与噪声大小。
80C196MC
微机控制系统
图7-3 变频调速系统原理框图
驱动
过压保护
过流保护
RS232
启动限流
1A
UFU
故障检测
+
+
电流检测
C1
K2
+
M
~
+
故障
信号
+
UFI
1 2
4
3
IPM
（1）同步调制：系统设定的载波比 N=12。
（2）异步调制：系统设定的载波频率 ft=600Hz。
（3）混合调制：分三段执行。第一段 0Hz～12.5Hz，载波比 N1=100；第二段 12.5 Hz～
25 Hz，载波比 N2=80；第三段，25 Hz～50 Hz，载波比 N3=60。
当在低频 2Hz 时，若电机无法转动时，可调节低频补偿电位器（顺时针旋转时，低频
补偿电压增大），直到电动机能旋转时止。
3．采用电压空间矢量控制
实验条件及观察与描绘的波形同方法 2。
4．低频补偿性能测试
低频时定子压降的补偿度可通过电位器连续调节，在输出频率为 1～2Hz 时，调节补偿
度直到电动机能均匀旋转时止，同时观察与记录直流母线电流的变化。
25 / 40
六．实验报告
1．列出 SPWM 控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形与电机工作情况。
2．列出电压空间矢量控制时，在不同输出频率条件下所测量的各种波形与电机工作情
况。
3．调节低频补偿度，列出电机能均匀旋转的 低工作频率。
4．SPWM 控制，电压空间矢量控制，不同调制方式时的电机气隙磁通轨迹，定子电流
及电机平稳性与噪声比较。
5．对实验中感兴趣现象的分析、讨论。
七．思考题
1．低频时定子压降的补偿度是否越大越好？过大了会造成何种不良结果？应该如何调
节才算恰到好处？
2．SPWM 控制主要着眼于使逆变器输出电压尽量接近正弦波，那么电压空间矢量控制的
目标是什么？它与 SPWM 控制相比，有哪些特点？
八．注意事项
1．转换不同控制与调制方式时，要等到电动机转速接近于零时，再按起动按钮，以免
对电动机造成冲击。
2．主回路中的保险丝为 1A，不要任意放大。
26 / 40
二、电力电子、电机控制系统MATLAB仿真
1、单相桥式全控整流电路仿真
单相桥式全控整流电路如图 1-1 所示，电路由交流电源 u1、整流变压器 T、晶闸管 VT1~4、
负载 R 以及触发电路组成。
图 1-1 单相桥式全控整流原理电路
1． 建立仿真模型
（1） 打开 SIMULINK 仿真平台 在 MATLAB 的菜单栏上点击 File，选择 New，在
拉出菜单中选择 Model，这时出现一个名为 untitled 的空白仿真平台，在这个
平台上可以绘制电路的仿真模型。同时也可以在 File 菜单下给文件命名。
（2） 提取电路元件模块 在仿真平台窗口的菜单上点击 Simulink 图标，调出模型库
浏览器 Simulink Library Browser，在模型库中逐级打开子模型库，选取适合的
模块，将其拖拉到仿真平台上。组成单相桥式整流电路的主要元器件有交流电
源、晶闸管、RLC 负载等，提取元器件模块的路径见表 1-1.
表 1-1 元器件名称及路径
元器件名称 提取元器件路径
交流电源(AC Voltag Source) SimPower systems/electrical sources/
单相变压器(Linear Transformer) SimPower systems/Elements/
晶闸管 VT1~4(Thyrishor) SimPower systems/power electronics/
RLC 串联电路(Series RLC Branch) SimPower systems/elements/
脉冲发生器(Pulse Generater) Simulink/Sources/Pulse Generator/
电压测量(Voltage Measurment) SimPower systems/Measurments/
电流测量(Current Measurment) SimPower systems/Measurments/
示波器(Scope) Simulink/Sinks/
(3)将电路元器件模块按单相整流的原理连接起来组成仿真电路
连接完成的单相桥式整流电路模型如图 1-2 所示。
2.设置模块参数
设置模块参数是保证仿真准确和顺利的重要一步，在本例中参数设置如下：
（1） 交流电压源 AC，电压为 220V，频率为 50Hz，初始相位为 0°。在电压设
置中要求输入的是电压峰值 220 2 ，在该栏中键入 220*sqrt(2)。
27 / 40
（2） 变压器参数，一次电压 220V（有效值）,二次电压 100V（有效值）
（3） 晶闸管 VT1~4 直接使用模型的默认参数，也可以另外设置。
（4） 负载 RLC 的参数，双击模块弹出对话框，在对话框第一栏 Brabchtype 中有
多种选择，本例选择 RL。
(5) 脉冲发生器 Pulse Generater，是一矩形方波信号发生器，且为矩形方波前沿
触发，主要用于触发晶闸管。它是信号发生器，不需要任何输入信号。这里要特别介绍参数
“Phase delay(secs)”(相位延迟)的计算。脉冲信号发生器相位延迟 t 在电路里就是晶闸管的控
制角 α，两者之间的关系是 t/T=α/360°，即 t=αT/360°。对电网交流电 T=0.02s，当 α=0°
时，t=0s（实际仿真模型中应使 t≠0，这里 t=0.0001s）；当 α=30°时，t=0.00167s; 当 α=45
°时，t=0.0025s；当 α=60°时，t=0.00333s；当 α=90°时，t=0.005s，以此类推。
图 1-2 单相桥式晶闸管整流电路模型
3.设置仿真参数
在模型开始仿真前，还必须首先设置仿真参数。在菜单中选择 Simulation，在下拉菜单
中选择 Simulation parameters，在弹出的对话框中可设置的项目很多，常设的参数有：仿真
开始时间（Start time）、终止时间（Stop time）、数值计算方法（包括步长、相对误差、绝
对误差等）等，在连续系统中，开始时间一般取“0”。解法和误差的选择对仿真运行的速
度影响很大，步长太大，计算容易发散，步长太小，运算时间太长，电力电子系统仿真一般
选可变步长 variable-step，仿真数值计算方法可选 ode15、ode23、ode45 等，误差选择 0.001
对电力电子的仿真精度足够了。
4.启动仿真
在参数设置完毕后即可开始仿真。在菜单 Simulation 栏下选择“Start”，或直接点击工
具栏上的“”按钮，仿真立即开始，在屏幕下方的状态栏上可以看到仿真的进程。若要途
中停止仿真，可以选择“Stop”或点击工具栏上的“”按钮。
在仿真完成后，即可通过示波器来观察仿真的结果。双击示波器图标，即弹出示波器
窗口显示波形。
图 1-3 是用示波器检测 α=45°时整流电源正弦电压波形 u、门极脉冲 ug1、ug2、iT1、iT2、
28 / 40
负载电流 id、整流输出电压波形 ud波形。
图 1-3 α=45°时电源 u、脉冲 ug1、ug2、iT1、iT2、负载电流 id、输出电压 ud波形。
2. 三相桥式全控整流电路仿真
三相桥式全控整流电路是应用 广泛的整流电路，完整的三相桥式全控整流电路由整流
变压器、6 个桥式连接的晶闸管、负载、触发器和同步环节组成（见图 2-1）。6 个晶闸管
依次相隔 60°触发，将电源交流电整流为直流电。三相桥式整流电路必须采用双脉冲触发
或宽脉冲触发方式，以保证在每一瞬时都有两个晶闸管同时导通（上桥臂和下桥臂各一个），
整流变压器采用三角形/星形联结。
图 2-1 三相桥式全控整流原理电路
仿真模型中主要使用的元器件模块和提取路径见表 2-1
表 2-1 三相整流电路模型主要元器件
元器件名称 提取元器件路径 SimPower systems/
交流电源 uA、uB、uC electrical sources/AC Voltag Source
整流变压器(Transformer) Elements/Three-phase transformer(two windings)
29 / 40
同步变压器(T-Transformer) 同上
三相晶闸管整流器(6-pulse thyrishor bridge) Extra library/three-phase library/6-pulse thyristor bridge
RL 负载 Elements/series RLC branch
脉冲发生器(6-Pulse) Extra Library/Control Blocks/synchronized 6-Pulse generater
控制角设定(alph) Simulink/sources/constant
平均值计算模块(Mean Value) Extra Library/Measurments/Mean Value
有效值计算（RMS） Extra Library/Measurments/RMS
多路测量器(Multimeter) Measurements/Multimeter
电路参数与几个模块的参数设置 1.三相电源幅值为 2 *220V。2.整流变压器 T380/50V(Δ/Y)。
3.触发同步变压器 T1380/5V(Δ/Y)。4.同步 6 脉冲触发器：频率 50Hz、脉冲宽度 1°5.负载
R=1Ω、L=0、C=inf。设置算法 Ode23。
仿真要求：设置三组示波器观察仿真结果（其控制角 α=30°）
1. 用万用表自动绘制要测量的参数波形：电源 A 相电压 Ua、同步变压器 T1 二次绕组
A 相电压 Uan、同步变压器 T1 一次绕组 AB 间的线电压 Uab、三相整流桥交流输入线电压
Uab、三相整流桥第一个晶闸管的端电压 Uak、负载端电压 Ud，六个波形。
2. 与三相电压电流测量模块相配合，用示波器检测四个波形，整流变压器 T 二次侧三
个相电压和三个相电流。
3. 与万用表和有效值测量模块 RMS 相配合，用示波器检测电源中 A 相电压 Ua的有效
值随仿真进行而上升的曲线以及数字显示仪表中显示数值。
3. 三相桥式半控整流电路仿真
在三相桥式整流电路里，在任何瞬间，只控制一个晶闸管导通，相串联的另一个器件
是一个不可控二极管，此即为半控整流电流，如图 3-1 所示。
图 3-1 三相桥式半控整流原理电路
由三相交流电供电，负载电阻 R=1Ω，采用子系统技术创建仿真模型、对其进行仿真并观察
仿真结果。
仿真模型中主要使用的元器件模块和提取路径见表 3-1
表 3-1 三相半控整流电路模型主要元器件
元器件名称 提取元器件路径
30 / 40
输入模块 In1 Simulink/Commonly Used Blocks/In1
输出模块 Out1 Simulink/Commonly Used Blocks/Out1
连接端口模块 SimPower systems/Elements/Connection Port
选路器 Simulink/Signal Routing/Selector
电路参数与几个模块的参数设置：1.三相电源，幅值 30V，频率 50Hz。2.晶闸管 Ron=0.001Ω、
Lon=0H、Rs=10Ω、Cs=4.7e-6F、Uf=0.8V、Ic=0A。3.二极管：同晶闸管。4.负载：R=1Ω、L=0H、
C=inf。
仿真要求：设置示波器观察仿真结果（其控制角 α=30°），波形为晶闸管的电流 Iak、晶闸
管的端电压 Uak、负载电流 id、整流输出电压 ud。
4. 三相桥式整流及逆变电路仿真
图 4-1 三相桥式整流及逆变原理电路
将三相桥式全控整流电路（阻感性负载）的仿真模型的负载端添加一直流电源
E(DC65V)，阻感性负载为 R=2Ω、L=0.01H，除去三相测量电路并去除同步 6 脉冲触发器的
同步变压器即成为三相桥式全控整流及逆变仿真模型，如图 4-1 所示。
仿真要求：控制角 α=30°、90°、150°观察晶闸管的端电压 Uak、负载电流 id、整流输出
电压 ud 仿真波形。
5. 正弦波脉宽调制逆变器仿真
三相电压源 SPWM 逆变器的原理如图 5-1 所示，根据脉宽调制技术可知，即比较以正
弦波为调制波与三角波为载波，在曲线的交点处产生脉冲的前后沿，以形成与正弦波等效的
等幅矩形脉冲序列波。
31 / 40
DC
V1 V3 V5
V4 V6 V2
D1 D3 D5
D4 D6 D2
NU
VW
Z
图 5-1 三相电压源 SPWM 逆变器的原理电路
仿真模型中主要使用未介绍的模块与提取的路径是：
元器件名称 提取元器件路径 SimPower systems/
多功能桥式整流电路 Universal Bridge Power Electronics/Universal Bridge
脉宽调制 PWM 脉冲发生器 Power Electronics/Control Blocks/PWM Generator
有效值测量模块 RMS Measurements/Continuous Measuremants/RMS
模块的参数设置：1.多功能桥式整流：选电压和电流测量，2.脉宽调制 PWM：载波频率为
600Hz，调制度 m=0.4、0.8，输出电压频率 50Hz、100Hz。3.阻感负载：R=2Ω、L=0.01H。
仿真要求：输出交流 f=50Hz 调制度 m=0.8 时的仿真曲线(电压波形、电流波形)。
输出交流 f=50Hz 调制度 m=0.4 时的仿真曲线(电压波形、电流波形)。
输出交流 f=100Hz 调制度 m=0.8 时的仿真曲线(电压波形、电流波形)。
观察 A 相阻感性负载电流有效值（m=0.8；m=0.4）波形。
6. 升降压(Buck-Boost)直流斩波器仿真
升降压变换器是由电压源、电流转换器、电压负载组成的，中间部分含有一级电感储能
电流转换器。它是一种输出电压可以高于也可以低于输入电压的单管非隔离直流变换器，输
出电压的极性和输入电压的极性相反，输入电流和输出电流都是脉动的，但是由于滤波电容
的作用，负载电流应该是连续的，原理如图 6-1 所示
6-1 升降压(Buck-Boost)直流斩波器电路
设采用 IGBT 升/降压式斩波器的电源电压 Us=100V，电路中，电阻负载 R=10Ω，滤波
电容 C=100μF，储能电感 L=0.3mH，二极管 Diode 为向电容 C 放电提供通路。要求输出电
压 Uo>100V 与 Uo<100V，IGBT 的开关频率为 10kHz。试创建仿真模型并对其进行仿真，用
示波器观察各电压、电流波形，并用实时数字显示模块测量其输出电压。
脉冲信号发生器 Pulse Generator 其参数设置致关重要。
Pulse type 脉冲类型设置为 Time based。 32 / 40
Time(t) 时间，设置为 Use simulation time。
Amplitude 脉冲幅值，设置为 1.1。
Period(secs) 周期(s)，设置为 0.1e-3，对应着 IGBT 的开关频率为 10kHz。
Pulse Width(%of Period) 脉冲宽度（周期的百分数），根据 IGBT 的开关特性，设置为
60（即 D=0.6）时，即可得输出电压 UO=[D/(1-D)]US=150V；若设置脉冲宽度为 40（即 D=0.4）,
即可得 UO=66.67V。
Phase delay(secs) 相位延迟(s)，设置为 0.001e-3。
仿真要求：升/降压式斩波器的 ud、iL、iIGBT、iD仿真波形(D=0.6 时 Uo=150V)
升/降压式斩波器的 ud、iL、iIGBT、iD仿真波形(D=0.4 时 Uo=66.67V)
7．单相交流调压电路仿真 家用台灯用 40W 的白炽灯接于单相交流 220V(50Hz)电源，若灯光需要向暗调节，当采
用晶闸管的单相交流调压电路控制时，试创建仿真模型并对其进行仿真。
由晶闸管控制的单相交流调压电路如图 7-1 所示，反并联连接的晶闸管 VT1 和 VT2 组
成了交流双向开关，在交流输入电压的正半周，VT1 导通，在交流输入电压的负半周，VT2
导通，控制晶闸管的导通时刻，可以调节负载两端的电压
图 7-1 单相交流调压电路
根据电工原理输出交流电压有效值 Uo=U2
cossin
当 α=π/3 时，用程序计算输出交流电压有效值 Uo=197.3265V
>> syms u2 uo apha;
uo=((pi+cos(apha)*sin(apha)-apha)*u2^2/pi)^(1/2);
uo=subs(uo,[apha u2],[pi/3 220])
uo =197.3265V
仿真模型中主要使用的模块与提取的路径是：
元器件名称 提取元器件路径
交流电源(AC Voltag Source) SimPower systems/electrical sources/
晶闸管 VT1~2(Thyrishor) SimPower systems/power electronics
脉冲发生器(Pulse Generater) Simulink/Sources/Pulse Generator
RLC 串联电路(Series RLC Branch) SimPower systems/elements
有效值计算（RMS） SimPower systems/Extra Library/Measurments/RMS
电压测量(Voltage Measurment) SimPower systems/Measurments/
电流测量(Current Measurment) SimPower systems/Measurments/
实时数字显示(Display) Simulink/Sinks/Display
33 / 40
仿真模型使用模块的参数设置：
晶闸管、电压与电流测量、示波器与实时数字显示等均采用默认设置。
交流电压源 Peak amplitude 正弦电压峰值振幅，设置为 220*sqrt(2).
脉冲信号发生器 Pulse Generator。
Pulse type 脉冲类型设置为 Time based。
Time(t) 时间，设置为 Use simulation time。
Amplitude 脉冲幅值，设置为 1.1。
Period(secs) 周期(s)，设置为 0.02
Pulse Width(%of Period) 脉冲宽度（周期的百分数），根据 Thyristor 的开关特性，设置
为 0.001。
Phase delay(secs) 相位延迟(s)，设置为 0.00333；而 Pulse Generator1 的 Phase
delay(secs) 相位延迟设置为 0.01333。对应 α=π/3 时， Uo=197.3265V。
有效值测量 RMS 与 RMS1 基波频率设置为 50 即可。
仿真要求：α=60°时，输出交流电源电压 u~、负载电流 iL、输出负载电压 uL仿真波形。测
出输出电压有效值。
8．三相交流调压电路仿真 当对较大容量对象进行交流调节时，常采用三相交流调压。例如，大型舞台灯光控制、
大功率电炉温度控制、三相异步电动机变压调速等，都可以用三相交流调压电路来实现。
三相交流调压器的原理电路如图 8-1 所示，三相交流电压 U~380V，阻抗负载
R=1Ω,L=1mH。试对其电路进行仿真。
图 8-1 三相交流调压器原理电路
仿真模型中主要使用的模块与提取的路径是：
元器件名称 提取元器件路径
子系统 Simulink/Commonly Used Blocks/Subsystem
常数输入模块 Simulink/Commonly Used Blocks/Constant
三相测量模块 SimPower systems/ Measurments/ Three-Phase V-I Measurments
三相 RL 负载模块 SimPower systems/ Elements/Three-Phaseseries RLC branch
接地模块 SimPower systems/Elements/Ground
脉冲发生器(6-Pulse) SimPower systems/ Extra Library/Control Blocks/synchronized
6-Pulse generater
分路器 Simulink/Commonly Used Blocks/Demux
有效值测量（RMS） SimPower systems/Extra Library/Measurments/RMS
34 / 40
输入模块 Simulink/Commonly Used Blocks/In1
连接端口模块 SimPower systems/Elements/Connection Port
仿真模型使用模块的参数设置。
晶闸管、电压与电流测量、示波器与实时数字显示等均采用默认设置。
交流电压源 Peak amplitude 正弦电压峰值振幅，设置为 220*sqrt(2).参数 Frequency 设
置为 50Hz，参数 Phase 相角分别设置为 0°、-120°、-240°。
常数输入模块 常量值 Constant value，输入设置为 0，输入端 Block 是触发器模型的使
能端，只有当此端置 0 时，才输出脉冲。
另一个 Constant1 设置为 30，输入端 alpha_deg 为移相控制角给定信号，单位为“°”
这里设置控制角 α=30°。
三相测量模块 Three-Phase V-I Measurments 电压测量设置为 phase-to-phase。电流测量
设置为 yes。
三相 RL 负载模块 Three-Phaseseries RLC branch 选 RL，设置 R=1Ω，L=1mH。
同步 6 脉冲发生器 synchronized 6-Pulse generater 同步电压频率设置为 50Hz，脉冲宽度
为 10°
输入端口 Input 端口序号设置为 1，标签显示选择 Port number。
仿真要求：α=30°时，三相交流线电压 u~、三相负载线电流 iL、三相负载线电压 uab1、ubc1、
uca1 仿真波形图，测出输出电压有效值。
9. 开环直流调速系统仿真 图 9-1 开环直流调速系统由给定环节、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 9-1 开环直流调速系统电气原理图
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
10. 单闭环有静差转速负反馈调速系统仿真 图 10-1 单闭环有静差直流调速系统由给定环节、速度调节器、脉冲触发器、晶闸管整
流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节等部分组成。
35 / 40
图 10-1 单闭环有静差转速负反馈调速系统电气原理图
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
11. 单闭环无静差转速负反馈调速系统仿真 图 11-1 单闭环无静差直流调速系统由给定环节、速度调节器、脉冲触发器、晶闸管整
流桥、平波电抗器、直流电动机、速度反馈环节、限流环节等部分组成.
M
+
+
-Ud
L
TG
RP1
RP2
Uct
Id
Un
R0
R0
R1
Rba1
-
-
+
U*n
++
+-
VT
VZ
TAUi
+
图 11-1 单闭环无静差转速负反馈调速系统电气原理图
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
12. 双闭环直流调速系统仿真 图 12-1 双闭环直流调速系统，主电路由交流电源、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，控制电路包括：给定环节、速度调节器 ASR、电流调节
器 ACR、限幅器、反相器、电流反馈环节、速度反馈环节等。
36 / 40
图 12-1 转速电流双闭环直流调速系统电气原理图
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
13. 开环 PWM 可逆直流调速系统仿真 图 13-1 为双极式 H 型可逆 PWM 变换器的电路原理图，由 4 个电力晶闸管的基极驱动
电压分为两组。VT1 和 VT4 同时导通和关断，其驱动电压 Ub1=Ub4；VT2 和 VT3 同时动作，
其驱动电压 Ub2=Ub3=-Ub1。
图 13-1 直流 PWM-M 系统主电路
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
14. 单闭环 PWM 可逆直流调速系统仿真 图 14-1 所示为单闭环脉宽调速控制系统的原理框图，其中属于脉宽调速控制系统特有
的环节有脉宽调制器 UPW、调制波发生器 GM、逻辑延迟环节 DLD、瞬时动作的限流保护
环节 FA 和电力晶体管的基极驱动器 GD。ASR 为速度调节器采用比例积分调节。
1. 锯齿波脉冲宽度调制器（UPW-GM）
该调制器是一个电压—脉冲变换装置，由速度调节器 ASR 输出的控制电压 Uct 进
行控制，它将输入的直流控制信号转换成与之成比例的方波脉冲电压信号，以便对电
力晶体管进行控制，从而得到希望的方波输出电压。
37 / 40
2. 逻辑延迟环节（DLD）
在可逆 PWM 变换器中，跨接在电源两端的上、下两个晶体管经常交替工作，由
于晶体管存在关断时间，在这段时间内一个晶体管还未完全关断，如果此时另一
个晶体管已经导通，则将造成上下两管直通，从而使电源短路。为了避免发生这
种情况，应设置一个逻辑延迟环节，保证在对一个管子发出关闭脉冲后，延迟后
再发出对另一个管子的开通脉冲，避免两个晶体管同时导通。
3. 限流保护环节（FA）
在逻辑延迟环节中引入保护信号，一旦桥臂电流超过允许 大电流时，使 VT1、
VT4（或 VT2、VT3）两管同时封锁，以保护电力晶体管。
4. 基极驱动电路（GD）
基极驱动电路的作用是对脉冲分配电路提供的脉冲信号进行功率放大，以驱动主
电路的电力晶体管，每个晶体管有独立的基极驱动电路。
图 14-1 单闭环控制的脉宽调速系统原理图
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
15. 双闭环直流脉宽可逆调速系统仿真 图 15-1 双闭环控制的脉宽调速系统原理图，其中属于脉宽调速控制系统特有的环节有
脉宽调制器 UPW、调制波发生器 GM、逻辑延迟环节 DLD、瞬时动作的限流保护环节 FA
和电力晶体管的基极驱动器 GD。ASR 为速度调节器、ACR 为电流调节器均采用比例积分
调节。
图 15-1 双闭环控制的脉宽调速系统原理图
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
16．单闭环交流电动机调压调速系统仿真 原理如图 16-1 所示，采用三对反并联的晶闸管调节电动机定子电压，通过改变晶闸管
38 / 40
的导通角来改变输出交流电压。
ASR
M
TG
+
~
-
U*n
Un
Uct
GT
VVC
图 16-1 单闭环交流电动机调压调速系统原理图
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
17．绕线转子异步电动机串极调速系统仿真 双闭环串级调速系统如图 17-1 所示，其结构与双闭环直流调速系统相似，ASR 和 ACR
分别为速度调节器和电流调节器，TG 和 TA 分别为测速发电机和电流互感器，GT 为触发器。
为了使系统既能实现速度和电流的无静差调节，由能获得快速的动态响应，两个调节器 ASR
和 ACR 一般都采用 PI 调节器。
通过改变转速给定信号 U*n 的值，可以实现调速。例如，当转速给定信号 U*
n 的值增大
时，电流调节器 ACR 的输出电压也逐渐增加，使逆变角 β逐渐增大，Eβ减小，电动机转速
也就随之升高。
图 17-1 绕线转子异步电动机串极调速系统原理图
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
39 / 40
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
18. 转速开环恒压频比的交流调速系统仿真 PWM 变压变频器控制原理图如图 18-1 所示，是转速开环、恒压频比控制系统。需要设
定的控制信息有 U/f 特性、工作频率、频率升高、下降时间。为了保证磁通尽量恒定，在低
频时，须适当提高电动机端电压进行补偿以保证电动机磁通恒定，这可由 U/f 函数发生器来
完成。
图 18-1 转速开环恒压频比的交流调速系统
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
19. SPWM 内置波调速系统仿真 原理图见图 18-1
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
20. SPWM 外置波调速系统仿真 原理图见图 18-1.
仿真要求：1.系统的建模和模型参数设置。
2.控制电路建模和模型参数设置。
3.观察仿真结果，显示转速、电流和转矩曲线。
40 / 40
