单闭环电压负反馈调速系统

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

《电力拖动控制系统课程设计》课程设计任务书

（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；

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R a=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K s=40，转速反馈系数α=0.007Vmin/r，T on=0.01s。

三相桥式电路的平均失控时间T s=0.00167s；放大系数K s=40；电磁时间常数T L=0.03s；

机电时间常数T m=0.29s；电动机额定磁通下的电动势系数C e=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：

RP1Un R0

R0RP01

-+

++

Uct -GT Ld RP2Ud +-M -R1

Uu=rUd +-

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/Ke Φ=(U-IR)/Ke Φ=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