基于相似性原理的直流電機調速系統的實驗方法及其裝置

摘 要：為研究直流電機調速系統的性能提供實驗平臺，降低測試風險，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調速系統的新實驗方法及其新實驗裝置。運用相似性原理，構建實驗系統使實驗系統的傳遞函數和直流電機調速系統的傳遞函數相同，通過研究實驗系統的性能來了解直流電機調速系統的性能。仿真及其實驗結果表明此實驗方法和實驗裝置的可行性。

關鍵詞：直流電機調速系統；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（如高速鐵路、電動汽車、風力發電、機床傳動系統）的性能測試存在測試周期長、風險大、實驗成本高等缺點，使得研究大功率電力牽引系統存在困難，因此研究測試風險小、使用方便的傳動系統測試裝置具有重要意義。本文基于相似性原理，提出一種直流閉環調速電力牽引系統實驗方法及其實驗裝置，在此平臺上可進行大功率直流牽引系統的動態性能和穩態性能測試，具有實驗成本低、方便、風險小等優點，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提供借鑒。

1 實驗系統的基本原理

近幾十年來，隨著相似理論在實踐應用中的不斷深入，其相似方法和技術都有了迅速的發展。作為相似理論重要應用的模型試驗，因其成本低、準確性高及較好的可預測性等獨特優點而被廣泛應用于諸多領域，已成為現代科學研究及工程設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，用模擬來再現原型功能的一種模擬方法。一般來說，兩個系統的結構相似，功能不一定相似；反過來說，功能相似，結構也不一定相似。相似性原理著眼于系統間的功能相似，而不必追究結構是否相似。傳遞函數是描述系統運動的數學模型，它表征系統的固有特性，只取決于系統的結構和參數，當兩個系統有相同的傳遞函數時，表示它們有相似的性能。運用相似性原理，通過構建實驗系統使實驗系統的傳遞函數和直流電機調速系統的傳遞函數相同，因此，通過研究小功率的實驗系統的性能來了解實際大功率直流電機調速系統的性能。

2 實驗方法及實驗裝置設計

2.1 直流電機調速系統的傳遞函數

直流電機調速系統由電源、比較環節、調節器、電力電子變換器、直流電機和測速發電機等構成。直流電機調速系統的傳遞函數如下：

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

2.2 實驗系統的傳遞函數

一種基于相似性原理的直流電機調速系統實驗裝置，其硬件電路由電源、求差電路（1）（2）、比例電路（當直流電機調速系統為比例積分調節器時，比例電路為比例積分電路）、慣性環節電路（1）（2）、反向電路、積分電路、放大電路（1）（2）和示波器等構成。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如下：

其中，=R2R4R8R10/R1R3R7R9。通過對比實驗系統和直流電機調速系統的傳遞函數以及相似性原理可以得到：實驗系統的傳遞函數和直流電機調速系統的傳遞函數的形式是一樣的，通過調節實驗系統的電阻和電容的值使實驗系統的傳遞函數和直流電機調速系統的傳遞函數一樣，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

建立直流電機調速系統仿真模型，各個環節參數如下：直流電機：額定電壓UN=220V，額定電流IdN=55A，額定轉速nN=1000r/min，電動機電動勢系數Ce=0.192V·min/r；晶閘管整流裝置的放大系數KS=44，滯后時間常數TS=0.00167s；電樞回路總電阻R=1，電樞回路電磁時間常數TL=0.00167s，電力拖動系統機電時間常數Tm=0.075s；轉速反饋系數=0.1V·min/r；給定電壓=0.3V

當調節器為比例調節器時，參數Kp=0.18 得到的仿真結果如圖2。

由上述直流電機調速系統參數構建的實驗裝置的參數如下：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果（見圖3）。

由仿真和實驗波形對比可知：當調節器為比例積分調節器時，仿真波形和實驗波形都有超調，一段時間后都穩定在設定值，沒有穩態誤差，上升時間、超調量、調整時間基本相同，兩者波形基本一致。由此得到，實驗裝置的性能和直流電機調速系統的性能相似。

4 結論

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調速系統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行大功率直流電機調速系統的動態性能和穩態性能測試，為研究實際直流電機調速系統的性能提供實驗平臺，降低測試風險，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，所以整個仿真結果和實驗結果都是在電壓小于5V得到，要想更加接近于直流電機調速系統的真實性能，實驗裝置可以更換為功率更大的儀器。

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邵陽學院研究生科研創新項目（CX2015SY027）；湖南省科技計劃項目經費資助（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。