带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统
班级：10电气工程及其自动化三班 姓名: 学号:
题目: 带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统
要求:
1. 利用所学知识设计带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统；（10%）
2. 设计过程中详细说明系统组成, 单闭环直流调速系统的调试方法和电流截至负反馈的整定；（10%）
3. 使用MATLAB 软件编写调试程序, 分析调速系统的机械特性和转速单闭环调速系统的静特性；（30%）
4. 要有详细原理说明和设计过程，方案以WORD 文档的形式给出（30%）
5. 课程总结, 总结该课程的主要内容与相关实际应用。(20%)
作业成绩:
摘要
带电流截止负反馈的闭环直流调速系统的在对调速精度要求不高的，大功率容量的电机中的应用是非常广泛的，它具有控制简单方便，调速性能较好，设备成本低等的优点。本次设计主要介绍了单闭环不可逆直流调速系统的方案比较及其确定，主电路设计；控制电路设计； 绘制原系统的动态结构图；绘制校正后系统的动态结构图；应用MATLAB 软件对带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统进行仿真，完善系统。
关键词：直流电机 电流截止负反馈 主电路 控制电路
摘要 . ............................................................................................................ 1 一 、设计方案目的和意义 ...................................................................... 3 1.1设计的确定 .................................................................................... 3 1.2课程设计的目的和意义 ................................................................ 3 二、课程设计内容 .................................................................................... 4 2.1设计要求 ........................................................................................ 4 2.2设计主要内容 ................................................................................ 4 三、主电路设计 ........................................................................................ 4 四、控制电路的设计 ................................................................................ 6 五、 Matlab 仿真及分析 .......................................................................... 9 5.1、matlab 仿真图 . ............................................................................. 9 5.2、仿真图分析 ............................................................................... 14 六、总结 . .................................................................................................. 15
题目: 带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统 一 、设计方案目的和意义 1.1设计的确定
控制电路采用转速单闭环调速系统控制，采用闭环系统可以比开环系统获得更硬的机械特性，而且静差率比开环是小得多，并且在静差率一定时，则闭环系统可以大大提高调速范围。但在闭环式必选设置放大器。如果只采用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍然是有静差的，这样的系统叫做有静差调速系统，它依赖于被调量的偏差进行控制，而反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定，但反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。普通闭环直流调速系统及其存在的起动的冲击电流---直流电动机全电压起动时，如果没有限流措施，会产生很大的冲击电流，这不仅对电机换向不利的问题。电流截止负反馈的作用是在电动机发生超载或堵转的时候电流截止负反馈和给定信号相比较抵消。使电动机处于停止运行状态，以保护电机
1.2课程设计的目的和意义
通过本次课程设计了解单闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及其各主要单元部件的原理。掌握晶闸管直流调速系统的一般调速过程。 认识闭环反馈控制系统的基本特性。掌握交、直流电机的基本结构、原理、运行特性。掌握交、直流电动机的机械特性及起动、调速、制
动、反转的基本理论和计算方法。学会分析电力拖动与自动控制系统中电动机的机械特性，各种运行状态及控制特性，掌握它们的基本原理和相应计算方法，深化专业理论，增强动手能力，具备初步的电力拖动制动系统的调试能力。
二、课程设计内容 2.1设计要求
1) 闭环系统稳定。
2) 在给定和扰动信号作用下，系统稳态无静差。
2.2设计主要内容
主电路设计； 控制电路设计；
绘制原系统的动态结构图； 绘制校正后系统的动态结构图；
应用MATLAB 软件对带电流截至负反馈的转速单闭环直流调速系统进行仿真。
三、主电路设计
1）电动机的参数选择
直流他励电动机：功率P N ＝22KW ，额定电压U N =220V，额定电流
I N =116A,磁极对数P=2，n N =1500r/min,励磁电压220V , 电枢绕组电阻R a =0.32Ω, 主电路总电阻R ＝0.5Ω，电压放大系数 K s =22，系统运动部分的飞轮惯量GD 2=10N ⋅m 2。 2) 晶闸管装置参数的选择
三相桥式可控整流电路，整流变压器Y/Y联结，二次线电压E 2t =230v,触发整流环节的放大系数Ks=40。 3）测速发电机参数的选择
永磁式，ZYS231/110型；额定数据为23.1w ，110v ，0.18A ，1800r/min。 4) 系统静动态指标：稳态无静差，调速指标D=10，s ≤5
5) 电流截止负反馈环节：要求加入合适的电流截止负反馈环节，使电动机的最大电流限制（1.5-2）I N 。 变压器的参数计算及选型
变压器副边电压采用如下公式进行计算： U 2=
U d max +nU T
I ⎫⎛
⎪A β cos α-CU min sh I 2N ⎪⎝⎭
已知U d max =220V , 取U T =1V I 2
=1I 2N
C =0. 5
则U 2=
n =2A =2. 34β=0. 9
αmin =10U sh =0. 05
220+2⨯1
=110V
2. 34⨯0. 9(0. 9848-0. 5⨯0. 05⨯1)
U 1380
==3. 45 U 2110
因此变压器的变比近似为：K =
一次侧和二次侧电流I 1和I 2的计算
I 1=1.05×287×0.861/3.45=75A I 2=0.861×287=247A 变压器容量的计算
S 1=m1U 1I 1=3×380×75=85.5kVA S 2=m2U 2I 2=3×110×247=81.5kVA S=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA
因此整流变压器的参数为：变比K=3.45，容量S=83.5KVA，联结方式为：⊿/Y。
四、控制电路的设计
控制电路采用转速单闭环调速系统控制，采用闭环系统可以比开环系统获得更硬的机械特性，而且静差率比开环是小得多，并且在静差率一定时，则闭环系统可以大大提高调速范围。但在闭环式必选设置放大器。如果只采用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍然是有静差的，这样的系统叫做有静差调速系统，它依赖于被调量的偏差进行控制，而反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定，但反馈控制系统所能抑制的知识被反馈环包围的前向通道上的扰动。
调节器的输出限幅值的确定：
转速调节器ASR 的输出限幅电压U im *决定电流给定电压的最大值，其输出决定了电力电子变换器的最大输出电压U dm 。
对于本系统：设转速达到额定时的给定电压为+7.5V，转速调节器的输出最大限幅值为±5V ，Ks=40。
1> 为满足调速系统的稳态性能指标，额定负载时的稳态速降应为
∆n cl =
n N s 1500⨯0. 05
≤r /min =7. 89r /min D (1-s ) 10⨯(1-0. 05)
2> 求闭环系统应有的开环放大系数 先计算电动机的电动势系数
C e =
U N -I N R a 220-17. 5⨯1. 25
=V ⋅min/r =0. 132V ⋅min/r n N 1500
则开环系统额定速降为
∆n op =
I N R 17. 5⨯2. 5
=r /min =333. 14r /min C e 0. 132
闭环系统的开环放大系数应为
K =
∆n op ∆n cl
-1=
333. 14
-1=41. 22 7. 89
3> 计算转速反馈环节的反馈系数和参数
根据调速指标要求，前已求出闭环系统的开环放大系数应为K ≥41.22，则运算放大器的放大系数K p 应为
K p =
K 41. 22
≥=1. 943
αK s /C e 0. 07⨯40/0. 132
实取Kp=2。
运算放大器的参数选取为：根据所用运算放大器的型号取R 0=20KΩ，则R 1=Kp R 0=2×20=40KΩ。
系统动态结构框图
为了实现转速无静差，必须在扰动作用点以前设置一个积分环节，从图可以看出，在负载扰动作用点以后，已经有一个积分环节，故从静态无差考虑需要Ⅱ型系统。从动态性能上看，考虑转速调节器饱和非线性后，调速系统的跟随性能与抗扰性能是一致的，而典型Ⅱ型系统具有较好的抗扰性能。所以，转速环应该按典型Ⅱ系统进行设计。
由图可以明显地看出，要把转速环校正成典型Ⅱ型系统，转速调节器ASR 也应该采用PI 调节器，其传递函数为
W ASR (s ) =K p
τn s +1τn s
式中 Kn ——转速调节器的比例系数； t n ——转速调节器的超前时间常数； 这样，调速系统的开环传递函数为
T ∑n =
11==0. 515 K p 1. 943
令τn =hT∑n ，h=5，τn =hT∑n =5×0.515=2.573 s 则转速调节器的传递函数为
W ASR (s ) =K p
τn s +12. 573s +1
=1. 943τn s 2. 573s
其动态结构框图可表示为：
五、Matlab 仿真及分析
5.1、matlab 仿真图
1）单闭环直流系统的结构图
观看示波器的波
2) 加入PI 调节器后仿真，经调整系数后仿真波形
）加入电流截止负反馈后仿真波形
3
4）加入负载后
5.2、仿真图分析
单闭环不可逆直流调速系统最终能较好地运行，从零开始加给定电压，速度从零开始上升，系统能够正常地启动，使速度升至给定的速度值。如果从零开始升速启动的过程中出现了过流报警现象，而此时的转速并不高，负荷也不是很大的时候，因为系统的各个单元模块之间有一定的耦合关系，系统所能表现出来的性能和各个单元模块之间都有很大的关系，它们的参数会互相牵制，一旦某个参数整定得不合理就有可能使得系统的性能大大降低，所以在此显得了系统调试的必要性和相关性。我认为速度环的PI 参数，稍微偏那么一点，系统表现出来的现象会很不相同，所以PI 参数的整定显得尤为重要，速度也可以调到额定转速运行。
六、总结
通过这次课程设计，使我对带电流截止负反馈的闭环直流调速系统分析与设计有了更加深刻的认识与理解，加入电流负反馈调节环节后的系统之所以能够有很好的稳定性，是因为他对有可能会造成影响系统精度及稳定的变量通过负反馈进行实时调节。并且为以后的学习和工作打下了坚实的基础。另外，我们也可以充分利用身边的网络资源，让其更好的帮助我们学习，巩固打牢专业知识。当然，在学习中养成勤学好问的好习惯也是必要的。在日后的工作学习中，我一定要严格要求自己，努力学习科学知识并做到学以致用，用具体的实践去检验自己，考察自己。