單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)設計課程設計

1、單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)設計課程設計院別：工學院專業(yè)：電氣工程及其自動化學號：指導教師：2021年12月工學院課程設計評審表學生姓名專業(yè)電氣工程及其自動化年級 11級學號設訃題LI單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)評價內(nèi)容評價指標評分權值評定 成績設計LI的及設計方案有扎實的基礎理論知識和專業(yè)知識；能正確設計實驗方案；獨立進行實驗丄作；能對課題進行理論分析，得出有價值的結(jié)論。選題合理、U的明確。設計方 案正確，具有可行性、創(chuàng)新性。20課程設訃結(jié)果論文能夠根據(jù)設計任務書，確定主電路的選型、驅(qū)動電路 的選型；對雙閉環(huán)系統(tǒng)調(diào)節(jié)器（包括電流調(diào)節(jié)器和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器）進行動態(tài)設計；對系統(tǒng)中主電路的元部件進行參數(shù)訃算；電

2、路中有必要的電氣保護。設計過程中要有創(chuàng)新意識；繪制V-M雙閉環(huán)不可逆調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖、整體調(diào)速系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構 框圖；并有整體調(diào)速系統(tǒng)設計方案的Simulink仿真圖及分析。50課程設計態(tài)度按期完成規(guī)定的任務，工作量飽滿，難度較大；工作努力，遵守紀律；工作作風嚴謹務實。態(tài)度認真、學習刻苦。5課程設計說明書實驗正確，分析處理科學；文字通順，技術用語準確，符號統(tǒng)一，編號齊全，書寫工整規(guī)范，圖表完備、 整潔、正確；設計報說明書的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于3篇）。5答辯能運用所學知識和技能去發(fā)現(xiàn)與解決實際問題；綜述簡練完整，有見解；立論正確，論述充分，結(jié)論嚴謹合理；20合計100指導教師評語電力

3、拖動控制系統(tǒng)課程設計課程設訃任務書 設計題目：單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)指導老師參加學生笫五組設計U的（1）掌握單 閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的設計方法；（2）了解電壓負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)工作原理及其組成；（3）加深了解電壓負反饋在調(diào)速系統(tǒng)中的應用；（4）了解MATLAB在電氣工程與自動化專業(yè)中的應用；（5）學習分析、設計、仿真電路的一般步驟；（6）通過此設訃培養(yǎng)實際動手能力和解決問題的能力；設訃依據(jù)直流電動機：額定電壓220V,額定電流136A,額定轉(zhuǎn)速1460r/min, 電樞電阻Rd二0.2Q,允許過載倍數(shù)入二1.5；電樞回路總電阻R二0.5Q,電樞回路總電感L二15mH,電動機軸上的總飛輪轉(zhuǎn)

4、 矩GD2二22. 5m2，晶閘管裝置參數(shù)如下：放大系數(shù)Ks二40,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) a =0. 007Vmin/r, Ton二0. 01s。三相橋式電路的平均失控時間Ts二0. 00167s：放大系數(shù)Ks二40；電磁時間常數(shù)TL二0. 03s；機電時間常數(shù)Tm二0. 29s；電動機額定磁通下的電動勢系數(shù)Ce二0. 104；電壓反饋系數(shù)a二0.007。穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無靜差，調(diào)速范RID二10,電流超調(diào)量小于5%,空載啟動到額定轉(zhuǎn) 速的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10% （按退飽和超調(diào)計算）。設計要求（1）根據(jù)題目的技術要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構形式和 閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。（2）調(diào)速系統(tǒng)主

5、電路元部件的確定及其參數(shù)訃算。（3）動態(tài)設計計算與實現(xiàn)：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，使調(diào)速 系統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。調(diào)速系統(tǒng)控制電路元部件的確定及 其參數(shù)計算。（4）完成直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設計。（）繪制單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖。（6）學習并掌握MATLAB/S訂mulink直流調(diào)速系統(tǒng)仿真方法，給出直流調(diào)速 系統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流仿真波形。并對波形進行簡單的分析（7）整理設計數(shù)據(jù)資料， 課程設計總結(jié)，撰寫設計計算說明書。評分標準（1）選題合理、目的明確（10分）（2）設計方案正確，具有可行 性、創(chuàng)新性（10分）（3）設計結(jié)果一繪制單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的電氣原

6、 理圖，設計調(diào)速系統(tǒng)，進行必要的系統(tǒng)仿真。（50分）（4）態(tài)度認真、學習刻苦、 遵守紀律（5分）（5）設計說明書的規(guī)范化、參考文獻充分（不少于3篇）（5 分）（6）答辯（20分）單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)設計說明書前言電力拖動控 制系統(tǒng)是把電能轉(zhuǎn)換成機械能的裝置，它被廣泛地應用于一般生產(chǎn)機械需要動力 的場合，也被廣泛應用于精密機械等需要高性能電氣傳動的設備中，用以控制位 置、速度、加速度、壓力、張力和轉(zhuǎn)矩等。直流電動機具有良好的起、制動性能， 宜于在大范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在許多需要調(diào)速或快速正反向的電力拖動領域中得到 應用。晶閘管問世后，生產(chǎn)出成套的晶閘管整流裝置，組成晶閘管一電動機調(diào)速 系統(tǒng)（簡稱

7、V-M系統(tǒng)），和旋轉(zhuǎn)變流機組及離子拖動變流裝置相比，晶閘管整流 裝置不僅在經(jīng)濟性和可黑性上都有很大提高，而且在技術性能上也顯示出較大的 優(yōu)越性。本設計報告主要講述單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)相關內(nèi)容。電壓負反饋調(diào)速 是比轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速更簡單和容易實現(xiàn)的一種調(diào)速方式。在電動機轉(zhuǎn)速不很低時, 電樞電阻壓降比電樞端電壓要小得多，因而可以認為直流電動機的反電動勢與端 電壓近似相等或者說電機轉(zhuǎn)速近似與端電壓成正比。電壓負反饋控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)速 負反饋控制系統(tǒng)相比，調(diào)速指標低，可采用電流補償（IR）的辦法解決，這樣可 使系統(tǒng)簡單，指標也可達到滿意的程度。首先根據(jù)設計要求確定調(diào)速方案和主電路的結(jié)構型式，主電路和閉環(huán)

8、系統(tǒng)確 定下來后，重在對電路各元件參數(shù)的訃算和器件的選型，最后給出參考資料和設 計體會。山于設訃者知識掌握的深度和廣度有限，本設訃尚有不完善的地方，敬請老師、同學批評指正！目錄第 1 章設計任務 書1第2章單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的總體設 計2第 3 章主電路設計4第4章MATLAB/SIML'LINK仿結(jié) 8第6章 實 習 心 得 體會8參考文獻附錄1MATLAB/SIMULINK仿真圖及結(jié)果附錄2單閉環(huán)電壓反饋調(diào)速系統(tǒng)電氣 原理總圖第1章設計任務書一、技術數(shù)據(jù)直流電動機：額定電壓220V,額定電 流136A,額定轉(zhuǎn)速1460r/min,電樞電阻Ra=O. 2 Q ,允許過載倍數(shù)入=

9、1.5；電樞回路總電阻R二0.5Q,電樞回路總電感L二15mH,電動機軸上的總飛輪轉(zhuǎn) 矩GD2二22. 5m2，晶閘管裝置參數(shù)如下：放大系數(shù)Ks二40,轉(zhuǎn)速反饋系數(shù) a =0. 007Vmin/r, Ton二0. 01s。三相橋式電路的平均失控時間Ts二0. 00167s：放大系數(shù)Ks二40；電磁時間常數(shù)TL二0. 03s；機電時間常數(shù)Tm二0. 29s；電動機額定磁通下的電動勢系數(shù)Ce二0. 104；電壓反饋系數(shù)a二0.007。二、系統(tǒng)設訃的靜、動態(tài)指標穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速無靜差，調(diào)速范圉D二10,電流超調(diào) 量小于5%,空載啟動到額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)速超調(diào)量小于10% （按退飽和超調(diào)訃算）。三、設訃內(nèi)容1、根據(jù)

10、題U的技術要求，分析論證并確定主電路的結(jié)構形式 和閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的組成，畫出系統(tǒng)組成的原理框圖。2、調(diào)速系統(tǒng)主電路元部件的確定及其參數(shù)計算。3、動態(tài)設計計算與實現(xiàn)：根據(jù)技術要求，對系統(tǒng)進行動態(tài)校正，使調(diào)速系 統(tǒng)工作穩(wěn)定，并滿足動態(tài)性能指標的要求。調(diào)速系統(tǒng)控制電路元部件的確定及其 參數(shù)訃算。4、完成直流電機調(diào)速控制系統(tǒng)設計。5繪制單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)的電氣原理總圖。6、學習并掌握MATLAB/S訂mulink直流調(diào)速系統(tǒng)仿真方法，給出直流調(diào)速系 統(tǒng)的轉(zhuǎn)速和電流仿真波形。并對波形進行簡單的分析7、整理設計數(shù)據(jù)資料，課 程設計總結(jié)，撰寫設計計算說明書。四、課程設計報告的要求1、不準相互抄襲或代做，

11、一經(jīng)查出，按不及格處 理2、報告字數(shù)：不少于3000字（含圖、公式、計算式等）3、形式要求：要求 文字通順、字跡工整、公式書寫規(guī)范、報告書上的圖表允許徒手畫圖，但是必須 清晰、正確并且要有圖標4、必須畫出系統(tǒng)總圖，電路圖應清潔、正確、規(guī)范。 未進行具體設計的功能塊允許用框圖表示，且功能塊之間的連線允許用標號標 注。第2章單閉環(huán)電壓負反饋的總體設計電壓負反饋調(diào)速是比轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速 更簡單和容易實現(xiàn)的一種調(diào)速方式。要構成電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)，就必須設置電 壓調(diào)節(jié)器，同時取電壓反饋量參與控制。這樣系統(tǒng)就可維持被檢測的電壓不變。 在電動機轉(zhuǎn)速不很低時，電樞電阻圧降比電樞端電壓要小得多，因而可以認為直 流

12、電動機的反電動勢與端電壓近似相等或者說電機轉(zhuǎn)速近似與端電壓成正比。在 這種情況下就可以通過檢測電壓、反饋電壓來進行調(diào)速。電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)實 際上只是一個自動調(diào)壓系統(tǒng)只有被反饋環(huán)所包圉的電力電子裝置內(nèi)阻引起的穩(wěn) 態(tài)速降被減小了而對反饋環(huán)外的電樞電阻速降無能為力。與轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)相比，電壓負反饋控制系統(tǒng)只是將轉(zhuǎn)速負反饋中的測 速發(fā)電機換成具有分壓作用的電位器。電壓檢測點接在電樞兩端，以電壓檢測點 為界，將V-H回路總電阻等效為兩部分。檢測點右側(cè)為電動機電樞電阻左側(cè)電阻 有平波電抗器電阻、變壓器等效電阻晶閘管電路山于變壓器漏抗引起的等效電阻 等（統(tǒng)稱為晶閘管整流裝置的內(nèi)阻）電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)原

13、理如圖1所示：圖1單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)原理圖山他勵直流電動機轉(zhuǎn)速方程 n=E/KeO = （U-IR）/KeO =n0-An可知，如果忽略電樞電壓，則直流電動機的轉(zhuǎn)速 n近似正比于電樞開端電壓U。所以釆用電樞電壓負反饋代替轉(zhuǎn)速負反饋，可以維持其端電壓基本不變。山圖1可以看出反饋反饋檢測元件是起分壓作用的電位器Rp2o他反饋信號 Uu=rUd, r為電壓反饋系數(shù)，為了分析方便，把電樞總阻分成兩部分，即 R二Rrec+Ra, Rec為晶閘管整流裝置的內(nèi)阻（含平波電抗器電阻），Ra為電樞電阻。 山此可得Udo-IdRrec=UdUd-IdRa=E圖中做為反饋檢測元件的只是一個起分壓作 用的電位器

14、或是其他電壓檢測裝置。從電壓檢測裝置中引出的電圧負反饋信號 Uu二YUd, Y為電壓反饋系數(shù)5與給定電壓Un*比較后得到偏差電壓AU AU 經(jīng)過放大器產(chǎn)生電力電子變換器CPE所需的控制電壓Uc用以控制電動機的轉(zhuǎn)速。 這就組成了反饋控制的閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)。圖中UPE是山電力電子器件組成的變 換器其輸入接三相或單項交流電源輸出為可控的直流電壓Udo根據(jù)自動控制原理反饋控制的閉環(huán)系統(tǒng)是按照被調(diào)亮的偏差進行控制的系 統(tǒng)只要被調(diào)量出現(xiàn)偏差它就會自動產(chǎn)生糾正偏差的作用。山于在電機轉(zhuǎn)速不很 低時可以看做電機轉(zhuǎn)速和端電壓成正比所以可以通過直接調(diào)節(jié)電機端電壓來實 現(xiàn)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。當電機端電壓變化時系統(tǒng)會自動糾正此偏

15、差從而達到調(diào)速的LI的。電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)只用一個電位器取代了轉(zhuǎn)速負反饋調(diào)速系統(tǒng)的檢測元 件一測速發(fā)電機，使系統(tǒng)變得簡單、經(jīng)濟。但其損失的是調(diào)速指標，即電樞電阻 壓降引起的轉(zhuǎn)速降不能彌補。因此，我們可以采用補償?shù)霓k法彌補電樞電阻上的 壓降。將電樞電流取出來參與控制，此信號與給定信號極性相同，所以稱為電流 正反饋，其實是一種電流補償而不是真正意義上的正反饋。圖2.帶電流補償?shù)碾妷贺摲答佌{(diào)速系統(tǒng)第3章主電路設計直流電機具有良 好的啟制性能，使用于在寬調(diào)速范圍內(nèi)平滑調(diào)速，在扎鋼機、曠井卷揚機、挖掘 機、大型起重機、金屬切削機床、造紙機等電力拖動領域中得到廣泛應用。而在 直流電動機的調(diào)速方面、調(diào)節(jié)電樞

16、電壓調(diào)速是調(diào)速系統(tǒng)的主要調(diào)速方式，相較于 轉(zhuǎn)速負反饋系統(tǒng)而言，轉(zhuǎn)速負反饋必須有測速發(fā)電機，這不僅成本高而且給系統(tǒng) 安裝與維護帶來了困難，所以，再次我們選擇電壓負反饋直流電機進行調(diào)速，并 對系統(tǒng)進行設計說明。一、主電路電氣原理圖及其說明（1）主電源采用380V電源供電，經(jīng)電力電 子變換后作為電動機供電輸入。（2）AVR采用PI調(diào)節(jié)器，電壓反饋靠電位器分壓實現(xiàn)，電流補償檢測靠霍爾電流傳感器實現(xiàn)。（3）采用晶閘管三相橋式全控電路作為整流電路。（4）整流電路設置有過流保護。（5）系統(tǒng)結(jié)構圖圖3.電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構圖圖4.電壓負反饋調(diào)速 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構圖當負載增大，穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速降落增加時，電流補償信號

17、（即電流反饋 信號）增大，使整流電壓增大，從而補償轉(zhuǎn)速降落。同時隨著負載增大，電樞電 壓降低，通過電壓負反饋的作用，整流輸出電壓增大，也使轉(zhuǎn)速降落減小，山此 可得到帶電流補償?shù)碾妷贺摲答佌{(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構圖，如圖5所示。圖5.帶電流補償?shù)碾妷贺摲答佌{(diào)速系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)結(jié)構圖二、主要器件選擇根據(jù) 二極管的最大整流平均和最高反向工作電壓分別應滿足：選用大功率硅整流二極管，型號和參數(shù)如下所示：型號正向平均整流電流（A）反向重復峰值電壓URM（V）瞬間平均正向壓降（V） 額定正向平均電流（A）MR2504G254001. 1878.5在設計主電路時，濾波電容是根 據(jù)負載的情況來選擇電容C值，使RC （35） T

18、/2,且有：（V）,即CloOOOuF因此，選用型號為CD15的鋁電解電容，其額定直流電壓 為400V,標稱容量為22000uFo最大工作電流ImdxQ2Us/R二440/0. 5二880（A）集電極一發(fā)射極反向擊穿電壓 $（23）Us二440660vAVR調(diào)節(jié)器設汁圖6.含濾波電容的AYR電路原理圖（三相 橋式電路平均失控時間為）按典II系統(tǒng)進行設計，并取h二5,則：故調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)為:三、調(diào)速系統(tǒng)靜特性電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)轉(zhuǎn)速靜特性 方程為：（）帶電流補償?shù)碾妷贺摲答侅o特性為：（）第 4 章 MATLAB/SIMULINK 仿真一、MATLAB/SIMULINK 仿真結(jié)構框圖圖 7MATLA

19、B/SIMULINK仿真結(jié)構框圖二、仿真結(jié)果圖圖8MATLAB/SIMULINK仿真結(jié)果 曲線圖仿真結(jié)果分析：山仿真結(jié)果可知，釆用PI調(diào)節(jié)器實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)時轉(zhuǎn)速無靜 差，但快速性較差，在起動過程中且存在超調(diào)，這種超調(diào)是經(jīng)歷了飽和非線性區(qū) 域之后的超調(diào)，可以稱作“退飽和超調(diào)”第5章總結(jié)電壓負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng) 相對于轉(zhuǎn)速負反饋單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)來說，其穩(wěn)態(tài)性能要差一些，但是，要實現(xiàn)轉(zhuǎn) 速負反饋必須要有轉(zhuǎn)速檢測裝置，例如測速發(fā)電機以及電磁脈沖測速器等等，其 安裝和維護都比較麻煩，常常是系統(tǒng)裝置中可靠性的薄弱環(huán)節(jié)。因此，對于調(diào)速 指標要求不高的系統(tǒng)來說，電壓負反饋是一個不錯的選擇。總之，在實際生產(chǎn)中， 電壓負反饋比轉(zhuǎn)速負反饋更容易實現(xiàn)，對經(jīng)濟條件要求不高，更適用于低精度要 求的生產(chǎn)系統(tǒng)中。笫6章實習心得體會歷經(jīng)一周的課程設計結(jié)束了，這一周雖然過得很快，但 收獲卻頗多。我們設計的課題是單閉環(huán)電壓負反饋調(diào)速系統(tǒng)，通過這次單閉