单闭环电压负反馈调速系统设计课程设计

2级电气工程及其自动化专业 电力拖动控制系统课程设计 单闭环电压负反馈调速系统设计 姓 名：
院 别：
工学院 专 业：
电气工程及其自动化 学 号：
指导教师：
2014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 设计题目 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 设计目的及设计方案 有扎实的基础理论知识和专业知识；
能正确设计实验方案；
独立进行实验工作；
能对课题进行理论分析，得出有价值的结论。选题合理、目的明确。设计方案正确，具有可行性、创新性。

20 课程设计结果 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计算；
电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 《电力拖动控制系统课程设计》课程设计任务书 设计题目：
单闭环电压负反馈调速系统 指导老师 参加学生 第五组 设 计 目 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）
通过此设计培养实际动手能力和解决问题的能力；

设 计 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Ra=0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；
电枢回路总电阻R=0.5Ω，电枢回路总电感L=15mH，电动机轴上的总飞轮转矩GD2=22.5N•m2，晶闸管装置参数如下：放大系数Ks=40，转速反馈系数α=0.007Vmin/r，Ton=0.01s。

三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s；
放大系数Ks=40；
电磁时间常数TL=0.03s；
机电时间常数Tm=0.29s；
电动机额定磁通下的电动势系数Ce=0.104；
电压反馈系数α=0.007。

稳态转速无静差，调速范围D=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计算。

（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/Silmulink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--绘制单闭环电压负反馈调速系统的电气原 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—电动机调速系统（简称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靠性上都有很大提高，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，主电路和闭环系统确定下来后，重在对电路各元件参数的计算和器件的选型，最后给出参考资料和设计体会。

由于设计者知识掌握的深度和广度有限，本设计尚有不完善的地方，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/SIMULINK仿真...................................................7 第5章 总结....................................................................8 第6章 实习心得体会............................................................8 参考文献 附录1 MATLAB/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=0.2Ω，允许过载倍数λ=1.5；
电枢回路总电阻R=0.5Ω，电枢回路总电感L=15mH，电动机轴上的总飞轮转矩GD2=22.5N•m2，晶闸管装置参数如下：放大系数Ks=40，转速反馈系数α=0.007Vmin/r，Ton=0.01s。

三相桥式电路的平均失控时间Ts=0.00167s；
放大系数Ks=40；
电磁时间常数TL=0.03s；
机电时间常数Tm=0.29s；
电动机额定磁通下的电动势系数Ce=0.104；
电压反馈系数α=0.007。

二、 系统设计的静、动态指标 稳态转速无静差，调速范围D=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）。

三、 设计内容 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计算。

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/Silmulink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，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。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围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-M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 电路由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理如图1所示：
图 1 单闭环电压负反馈调速系统原理图 由他励直流电动机转速方程 n=E/KeΦ=(U-IR)/KeΦ=n0-△n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。所以采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。

由图1可以看出反馈反馈检测元件是起分压作用的电位器Rp2。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=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。由此可得 Udo-IdRrec=Ud Ud-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或是其他电压检测装置。从电压检测装置中引出的电压负反馈信号Uu=γUd，γ为电压反馈系数Uu与给定电压Un*比较后得到偏差电压ΔUΔU经过放大器产生电力电子变换器UPE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是由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Ud。

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。由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差从而达到调速的目的。

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—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（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，由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) MR2504G 25 400 1.18 78.5 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（3~5）T/2，且有：
（V) ，即C15000uF 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22000uF。

最大工作电流 Imax≈2Us/R=440/0.5=880(A) 集电极－发射极反向击穿电压 ≥(2～3)Us=440～660v AVR调节器设计 图 6 .含滤波电容的AVR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=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 7 MATLAB/SIMULINK仿真结构框图 二、 仿真结果图 图 8 MATLAB/SIMULINK仿真结果曲线图 仿真结果分析:  由仿真结果可知，采用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。

第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，通过这次单闭环电压负反馈调速系统的设计与仿真，我学到了Simulink仿真的一些方法，更加深入的了解了MATLAB这款非常优秀的数学软件。由于以前并没有使用过Simulink仿真，所以在实验的时候也出现了很多问题，主要体现在元件不熟悉，参数设置等方面。虽然这次的实验基本完成，但其中也存在着许多不足之处，在以后的学习中，我将更加深入的学习这款软件，以期在毕业的时候能够更好的掌握Simulink仿真技术，在工程应用上取得更好的成绩。

另外，通过本次实习，使我对电力拖动系统的知识有了更多的了解吧。在设计过程中，尽管有许多模糊的知识点需要重新去学习，可在不知不觉中 ，许多原来不懂的知识现在竟然都能理解了，特别是对直流调速系统方面有了更加深入的了解。通过此次设计实习，我不但对单闭环电压负反馈调速系统有了更加深入的认识，而且还学到了与此次设计内容相关的去多知识，知道了什么是电压负反馈，懂得了转速反馈调速的原理，更加深入地了解了电机控制、运动控制、PI调节器等的设计。

参考文献 [1] 陈伯时. 电力拖动自动控制系统—运动控制系统第三版. 机械工业出版社. 2003.7 [2]王兆安 刘进军.电力电子技术.北京：机械工业出版社，2009. [3] 毕效辉. 自动控制理论. 中国轻工业出版社.2009.8 [4]洪乃刚．电力电子电机、控制系统仿真技术．北京：机械工业出版社第1版．2013  [5] 王忠礼、段慧达、高玉峰. MATLB应用技术—在电气工程与自动化中的应用. 清华大学出版社 2007.1 附录1 MATLAB/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