单闭环电压负反馈调速系统设计课程设计

1、单闭环电压负反馈调速系统设计课程设计院别：工学院专业：电气工程及其自动化学号：指导教师：2021年12月工学院课程设计评审表学生姓名专业电气工程及其自动化年级 11级学号设讣题LI单闭环电压负反馈调速系统评价内容评价指标评分权值评定 成绩设计LI的及设计方案有扎实的基础理论知识和专业知识；能正确设计实验方案；独立进行实验丄作；能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。选题合理、U的明确。设计方 案正确，具有可行性、创新性。20课程设讣结果论文能够根据设计任务书，确定主电路的选型、驱动电路 的选型；对双闭环系统调节器（包括电流调节器和转速调节器）进行动态设计；对系统中主电路的元部件进行参数讣算；电

2、路中有必要的电气保护。设计过程中要有创新意识；绘制V-M双闭环不可逆调速系统的电气原理总图、整体调速系统的系统结构 框图；并有整体调速系统设计方案的Simulink仿真图及分析。50课程设计态度按期完成规定的任务，工作量饱满，难度较大；工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。态度认真、学习刻苦。5课程设计说明书实验正确，分析处理科学；文字通顺，技术用语准确，符号统一，编号齐全，书写工整规范，图表完备、 整洁、正确；设计报说明书的规范化、参考文献充分（不少于3篇）。5答辩能运用所学知识和技能去发现与解决实际问题；综述简练完整，有见解；立论正确，论述充分，结论严谨合理；20合计100指导教师评语电力

3、拖动控制系统课程设计课程设讣任务书 设计题目：单闭环电压负反馈调速系统指导老师参加学生笫五组设计U的（1）掌握单 闭环电压负反馈调速系统的设计方法；（2）了解电压负反馈单闭环调速系统工作原理及其组成；（3）加深了解电压负反馈在调速系统中的应用；（4）了解MATLAB在电气工程与自动化专业中的应用；（5）学习分析、设计、仿真电路的一般步骤；（6）通过此设讣培养实际动手能力和解决问题的能力；设讣依据直流电动机：额定电压220V,额定电流136A,额定转速1460r/min, 电枢电阻Rd二0.2Q,允许过载倍数入二1.5；电枢回路总电阻R二0.5Q,电枢回路总电感L二15mH,电动机轴上的总飞轮转

4、 矩GD2二22. 5m2，晶闸管装置参数如下：放大系数Ks二40,转速反馈系数 a =0. 007Vmin/r, Ton二0. 01s。三相桥式电路的平均失控时间Ts二0. 00167s：放大系数Ks二40；电磁时间常数TL二0. 03s；机电时间常数Tm二0. 29s；电动机额定磁通下的电动势系数Ce二0. 104；电压反馈系数a二0.007。稳态转速无静差，调速范RID二10,电流超调量小于5%,空载启动到额定转 速的转速超调量小于10% （按退饱和超调计算）。设计要求（1）根据题目的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式和 闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。（2）调速系统主

5、电路元部件的确定及其参数讣算。（3）动态设计计算与实现：根据技术要求，对系统进行动态校正，使调速 系统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。调速系统控制电路元部件的确定及 其参数计算。（4）完成直流电机调速控制系统设计。（）绘制单闭环电压负反馈调速系统的电气原理总图。（6）学习并掌握MATLAB/S订mulink直流调速系统仿真方法，给出直流调速 系统的转速和电流仿真波形。并对波形进行简单的分析（7）整理设计数据资料， 课程设计总结，撰写设计计算说明书。评分标准（1）选题合理、目的明确（10分）（2）设计方案正确，具有可行 性、创新性（10分）（3）设计结果一绘制单闭环电压负反馈调速系统的电气原

6、 理图，设计调速系统，进行必要的系统仿真。（50分）（4）态度认真、学习刻苦、 遵守纪律（5分）（5）设计说明书的规范化、参考文献充分（不少于3篇）（5 分）（6）答辩（20分）单闭环电压负反馈调速系统设计说明书前言电力拖动控 制系统是把电能转换成机械能的装置，它被广泛地应用于一般生产机械需要动力 的场合，也被广泛应用于精密机械等需要高性能电气传动的设备中，用以控制位 置、速度、加速度、压力、张力和转矩等。直流电动机具有良好的起、制动性能， 宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到 应用。晶闸管问世后，生产出成套的晶闸管整流装置，组成晶闸管一电动机调速 系统（简称

7、V-M系统），和旋转变流机组及离子拖动变流装置相比，晶闸管整流 装置不仅在经济性和可黑性上都有很大提高，而且在技术性能上也显示出较大的 优越性。本设计报告主要讲述单闭环电压负反馈调速系统相关内容。电压负反馈调速 是比转速负反馈调速更简单和容易实现的一种调速方式。在电动机转速不很低时, 电枢电阻压降比电枢端电压要小得多，因而可以认为直流电动机的反电动势与端 电压近似相等或者说电机转速近似与端电压成正比。电压负反馈控制系统与转速 负反馈控制系统相比，调速指标低，可采用电流补偿（IR）的办法解决，这样可 使系统简单，指标也可达到满意的程度。首先根据设计要求确定调速方案和主电路的结构型式，主电路和闭环

8、系统确 定下来后，重在对电路各元件参数的讣算和器件的选型，最后给出参考资料和设 计体会。山于设讣者知识掌握的深度和广度有限，本设讣尚有不完善的地方，敬请老师、同学批评指正！目录第 1 章设计任务 书1第2章单闭环电压负反馈调速系统的总体设 计2第 3 章主电路设计4第4章MATLAB/SIML'LINK仿结 8第6章 实 习 心 得 体会8参考文献附录1MATLAB/SIMULINK仿真图及结果附录2单闭环电压反馈调速系统电气 原理总图第1章设计任务书一、技术数据直流电动机：额定电压220V,额定电 流136A,额定转速1460r/min,电枢电阻Ra=O. 2 Q ,允许过载倍数入=

9、1.5；电枢回路总电阻R二0.5Q,电枢回路总电感L二15mH,电动机轴上的总飞轮转 矩GD2二22. 5m2，晶闸管装置参数如下：放大系数Ks二40,转速反馈系数 a =0. 007Vmin/r, Ton二0. 01s。三相桥式电路的平均失控时间Ts二0. 00167s：放大系数Ks二40；电磁时间常数TL二0. 03s；机电时间常数Tm二0. 29s；电动机额定磁通下的电动势系数Ce二0. 104；电压反馈系数a二0.007。二、系统设讣的静、动态指标稳态转速无静差，调速范圉D二10,电流超调 量小于5%,空载启动到额定转速的转速超调量小于10% （按退饱和超调讣算）。三、设讣内容1、根据

10、题U的技术要求，分析论证并确定主电路的结构形式 和闭环调速系统的组成，画出系统组成的原理框图。2、调速系统主电路元部件的确定及其参数计算。3、动态设计计算与实现：根据技术要求，对系统进行动态校正，使调速系 统工作稳定，并满足动态性能指标的要求。调速系统控制电路元部件的确定及其 参数讣算。4、完成直流电机调速控制系统设计。5绘制单闭环电压负反馈调速系统的电气原理总图。6、学习并掌握MATLAB/S订mulink直流调速系统仿真方法，给出直流调速系 统的转速和电流仿真波形。并对波形进行简单的分析7、整理设计数据资料，课 程设计总结，撰写设计计算说明书。四、课程设计报告的要求1、不准相互抄袭或代做，

11、一经查出，按不及格处 理2、报告字数：不少于3000字（含图、公式、计算式等）3、形式要求：要求 文字通顺、字迹工整、公式书写规范、报告书上的图表允许徒手画图，但是必须 清晰、正确并且要有图标4、必须画出系统总图，电路图应清洁、正确、规范。 未进行具体设计的功能块允许用框图表示，且功能块之间的连线允许用标号标 注。第2章单闭环电压负反馈的总体设计电压负反馈调速是比转速负反馈调速 更简单和容易实现的一种调速方式。要构成电压负反馈调速系统，就必须设置电 压调节器，同时取电压反馈量参与控制。这样系统就可维持被检测的电压不变。 在电动机转速不很低时，电枢电阻圧降比电枢端电压要小得多，因而可以认为直 流

12、电动机的反电动势与端电压近似相等或者说电机转速近似与端电压成正比。在 这种情况下就可以通过检测电压、反馈电压来进行调速。电压负反馈调速系统实 际上只是一个自动调压系统只有被反馈环所包圉的电力电子装置内阻引起的稳 态速降被减小了而对反馈环外的电枢电阻速降无能为力。与转速负反馈调速系统相比，电压负反馈控制系统只是将转速负反馈中的测 速发电机换成具有分压作用的电位器。电压检测点接在电枢两端，以电压检测点 为界，将V-H回路总电阻等效为两部分。检测点右侧为电动机电枢电阻左侧电阻 有平波电抗器电阻、变压器等效电阻晶闸管电路山于变压器漏抗引起的等效电阻 等（统称为晶闸管整流装置的内阻）电压负反馈调速系统原

13、理如图1所示：图1单闭环电压负反馈调速系统原理图山他励直流电动机转速方程 n=E/KeO = （U-IR）/KeO =n0-An可知，如果忽略电枢电压，则直流电动机的转速 n近似正比于电枢开端电压U。所以釆用电枢电压负反馈代替转速负反馈，可以维持其端电压基本不变。山图1可以看出反馈反馈检测元件是起分压作用的电位器Rp2o他反馈信号 Uu=rUd, r为电压反馈系数，为了分析方便，把电枢总阻分成两部分，即 R二Rrec+Ra, Rec为晶闸管整流装置的内阻（含平波电抗器电阻），Ra为电枢电阻。 山此可得Udo-IdRrec=UdUd-IdRa=E图中做为反馈检测元件的只是一个起分压作 用的电位器

14、或是其他电压检测装置。从电压检测装置中引出的电圧负反馈信号 Uu二YUd, Y为电压反馈系数5与给定电压Un*比较后得到偏差电压AU AU 经过放大器产生电力电子变换器CPE所需的控制电压Uc用以控制电动机的转速。 这就组成了反馈控制的闭环直流调速系统。图中UPE是山电力电子器件组成的变 换器其输入接三相或单项交流电源输出为可控的直流电压Udo根据自动控制原理反馈控制的闭环系统是按照被调亮的偏差进行控制的系 统只要被调量出现偏差它就会自动产生纠正偏差的作用。山于在电机转速不很 低时可以看做电机转速和端电压成正比所以可以通过直接调节电机端电压来实 现调节转速。当电机端电压变化时系统会自动纠正此偏

15、差从而达到调速的LI的。电压负反馈调速系统只用一个电位器取代了转速负反馈调速系统的检测元 件一测速发电机，使系统变得简单、经济。但其损失的是调速指标，即电枢电阻 压降引起的转速降不能弥补。因此，我们可以采用补偿的办法弥补电枢电阻上的 压降。将电枢电流取出来参与控制，此信号与给定信号极性相同，所以称为电流 正反馈，其实是一种电流补偿而不是真正意义上的正反馈。图2.带电流补偿的电压负反馈调速系统第3章主电路设计直流电机具有良 好的启制性能，使用于在宽调速范围内平滑调速，在扎钢机、旷井卷扬机、挖掘 机、大型起重机、金属切削机床、造纸机等电力拖动领域中得到广泛应用。而在 直流电动机的调速方面、调节电枢

16、电压调速是调速系统的主要调速方式，相较于 转速负反馈系统而言，转速负反馈必须有测速发电机，这不仅成本高而且给系统 安装与维护带来了困难，所以，再次我们选择电压负反馈直流电机进行调速，并 对系统进行设计说明。一、主电路电气原理图及其说明（1）主电源采用380V电源供电，经电力电 子变换后作为电动机供电输入。（2）AVR采用PI调节器，电压反馈靠电位器分压实现，电流补偿检测靠霍尔电流传感器实现。（3）采用晶闸管三相桥式全控电路作为整流电路。（4）整流电路设置有过流保护。（5）系统结构图图3.电压负反馈调速系统动态结构图图4.电压负反馈调速 系统稳态结构图当负载增大，稳态转速降落增加时，电流补偿信号

17、（即电流反馈 信号）增大，使整流电压增大，从而补偿转速降落。同时随着负载增大，电枢电 压降低，通过电压负反馈的作用，整流输出电压增大，也使转速降落减小，山此 可得到带电流补偿的电压负反馈调速系统稳态结构图，如图5所示。图5.带电流补偿的电压负反馈调速系统稳态结构图二、主要器件选择根据 二极管的最大整流平均和最高反向工作电压分别应满足：选用大功率硅整流二极管，型号和参数如下所示：型号正向平均整流电流（A）反向重复峰值电压URM（V）瞬间平均正向压降（V） 额定正向平均电流（A）MR2504G254001. 1878.5在设计主电路时，滤波电容是根 据负载的情况来选择电容C值，使RC （35） T

18、/2,且有：（V）,即CloOOOuF因此，选用型号为CD15的铝电解电容，其额定直流电压 为400V,标称容量为22000uFo最大工作电流ImdxQ2Us/R二440/0. 5二880（A）集电极一发射极反向击穿电压 $（23）Us二440660vAVR调节器设汁图6.含滤波电容的AYR电路原理图（三相 桥式电路平均失控时间为）按典II系统进行设计，并取h二5,则：故调节器传递函数为:三、调速系统静特性电压负反馈调速系统转速静特性 方程为：（）带电流补偿的电压负反馈静特性为：（）第 4 章 MATLAB/SIMULINK 仿真一、MATLAB/SIMULINK 仿真结构框图图 7MATLA

19、B/SIMULINK仿真结构框图二、仿真结果图图8MATLAB/SIMULINK仿真结果 曲线图仿真结果分析：山仿真结果可知，釆用PI调节器实现了稳态时转速无静 差，但快速性较差，在起动过程中且存在超调，这种超调是经历了饱和非线性区 域之后的超调，可以称作“退饱和超调”第5章总结电压负反馈单闭环调速系统 相对于转速负反馈单闭环调速系统来说，其稳态性能要差一些，但是，要实现转 速负反馈必须要有转速检测装置，例如测速发电机以及电磁脉冲测速器等等，其 安装和维护都比较麻烦，常常是系统装置中可靠性的薄弱环节。因此，对于调速 指标要求不高的系统来说，电压负反馈是一个不错的选择。总之，在实际生产中， 电压负反馈比转速负反馈更容易实现，对经济条件要求不高，更适用于低精度要 求的生产系统中。笫6章实习心得体会历经一周的课程设计结束了，这一周虽然过得很快，但 收获却颇多。我们设计的课题是单闭环电压负反馈调速系统，通过这次单闭