带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计

带电流截止负反馈的转速单闭环直流调速系统设计

一、 绪论

科学技术的发展日新月异，科技产品涵盖着我们生活的方方面面。电动机

作为一种便利的带动工具，是我们生活和工业生产中重要的不可缺少的一部分，人类的生产生活已经离不开它。对于我们来说，如何高效精确地控制电机的运转，并且最低的成本去实现，才是我们最值得深入研究的课题。

直流电动机具有良好的起、制动性能，方便控制，易于实现，宜于在大范围内平滑调速，并且直流调速系统在理论和实践上都比较成熟，是研究其它调速系统的基础。在直流电动机中，带电流截止负反馈直流调速系统应用也较为广泛，其广泛应用于轧钢机、冶金、印刷、金属切割机床等很多领域的自动控制中，虽然，在调速的高效性方面存在着局限性，但综合各方面来看，它任然有它独特的运用前景。

1.1设计的目的和意义

（1）应用所学的直流调速系统的基本知识与工程设计方法，结合生产实际，确

定系统的性能指标与实现方案，进行运动系统的初步设计。

（2）学会应用MATLAB软件，建立数学模型对控制系统进行仿真研究，掌握系统

参数对系统性能的影响；

（3）在理论设计与仿真研究的基础上，应用Protel进行控制系统的设计，为毕

业设计打下基础。

1.2设计要求

本课程设计的对象是： 直流电机：2.2kW，220V，12.5A，1500 转/分。电枢电阻1.2? ，整流装置内阻1.5?，触发整流环节的放大倍数为35，堵转电流

Idbl?2IN，临界截止电流Idcr?1.2IN。 要求设计一个带直流截止负反馈的转速 单闭环调速系统。 其主要内容为：

（1）测定综合实验中所用控制对象的参数（由实验完成）；

（2）根据给定指标设计带电流截止负反馈的转速调节器，并选择调节器参数和

具体实现电路。

（3）按设计结果组成系统，以满足给定指标。 （4）研究参数变化对系统性能的影响。 （5）在时间允许的情况下进行调试。

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1.3设计对象及有关数据

（1）完成理论分析：

a.调速范围 D＝20，静差率 S≤10％； b.转速超调σn≤10%(在额定转速时)；

c.动态速降小于 10％。 d.振荡次数小于 2 次；

①进行系统参数计算，完成转速调节器及电流截止负反馈的结构与参数设计； ②对整个调速系统的动态性能进行分析； （2）完成系统电气原理图的设计 ①晶闸管－电动机系统主电路设计 ②晶闸管整流电路方案的讨论和选择。

③整流变压器额定容量、一次侧和二次测电压、电流的选择。 ④晶闸管的选择及晶闸管保护电路的选择。 ⑤平波电抗器的计算与选择。 ⑥触发电路的选择。

⑦ 测速发电机的选择及有关元件的选择与计算。 ⑧完成系统电气原理图的设计。

二、带电流截止负反馈的闭环直流调速系设计方案的选择

2.1 普通闭环直流调速系统及其存在的问题

（1）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，对过载能力低的电力电子器件来说，更是不能允许的。

（2）闭环调速系统突加给定起动的冲击电流---采用转速负反馈的闭环调速系统突然加上给定电压时，由于惯性，转速不可能立即建立起来，反馈电压仍为零，相当于偏差电压，差不多是其稳态工作值的 1+k 倍。这时，由于放大器和变换器的惯性都很小，电枢电压一下子就达到它的最高值，对电动机来说，相当于全压起动，当然是不允许的。

（3）堵转电流---有些生产机械的电动机可能会遇到堵转的情况。例如，由

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于故障，机械轴被卡住，或挖土机运行时碰到坚硬的石块等等。由于闭环系统的静特性很硬，若无限流环节，硬干下去，电流将远远超过允许值。如果只依靠过流继电器或熔断器保护，一过载就跳闸，也会给正常工作带来不便。

2.2限流保护—电流截止负反馈的提出

为了解决反馈闭环调速系统的起动和堵转时电流过大的问题，系统中必须有自动限制电枢电流的环节。根据反馈控制原理，要维持哪一个物理量基本不变，就应该引入那个物理量的负反馈。那么，引入电流负反馈，应该能够保持电流基本不变，使它不超过允许值。通过对电流负反馈和转速负反馈的分析。考虑到，限流作用只需在起动和堵转时起作用，正常运行时应让电流自由地随着负载增减，采用电流截止负反馈的方法，则当电流大到一定程度时才接入电流负反馈以限制电流，而电流正常时仅有转速负反馈起作用控制转速。

2.3 直流调速系统调速方案的分析比较与选择

调节电动机的转速有三种方法： （1）调节电枢供电电压U。 （2）减弱励磁磁通Φ。 （3）改变电枢回路电阻R。

对于要求在一定范围内的无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式最好。改变电阻只能实现有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以变压调速为主。

变压调速是直流调速系统的主要方法，调节电枢供电电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有三种：

（1）旋转变流机组（简称G-M系统）。用交流电动机和直流发电机组成机组，获得可调的直流电压。

（2）静止式可控整流器（简称V-M系统）。用静止式可控整流器获得可调的直流电压。

(3) 直流斩波器或脉宽调制变换器（简称PWM系统）。用恒定直流电源或

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不可控整流电源供电，利用电力电子开关器件斩波或进行脉宽调制，产生可变的平均电压

G-M系统所需要的设备多，体积大，费用高，效率低，安装须打地基，运行有噪声，维护不方便，因此现在已经基本不再使用；PWM系统与V-M系统相比虽然有较大的优越性，但仅在中、小容量系统的高动态应用广泛，而在大功率容量的电机中，对调速精度要求不高的场合，V-M系统任然适用，并且发挥着不可替代的作用。

2.4 V-M系统的工作原理分析

晶闸管—电动机调速系统（简称V—M系统），其原理图如图1-1所示。图中VT是晶闸管的可控整流器，通过调节触发装置GT的控制电压Uc来移动触发脉冲的相位，即可改变平均整流电压Ud，从而实现平滑调速，也大大提高了系统的动态性能；反并联两组全控整流电路，就可实现电机的四象限运行。

由于晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难； 元件对过电压、过电流以及过高的du/dt和di/dt都十分敏感，其中任一指标超过允许值都可能在很短时间内损坏元件。

因此必须有可靠的保护装置和符合要求的散热条件，而且在选择元件时还应有足够的余量。

图1-1 V—M系统原理图

2.5设计参数的选择 （1）电机的参数选择

直流他励电动机：功率PN＝2.2KW，额定电压UN=220V，额定电流IN=12.5A,

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nN=1500r/min，电枢电阻1.2? ，整流装置内阻1.5?，触发整流环节的放大倍数为35，堵转电流Idbl?2IN，临界截止电流Idcr?1.2IN。 （2）测速发电机

永磁式，额定数据为23.1W，110V，0.21A，1900r/min （3）调速指标

①调速范围D=20，转差率S≤10% ②转速超调σn≤10%(在额定转速时)； ③动态速降小于 10％。 ④振荡次数小于 2 次；

三、带电流截止负反馈的闭环直流调速

系统主回路的选择

3.1 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： U2?Udmax?nUTI???A??cos??CUminsh?I2N???n?2

已知Udmax?220V,取UT?1VI2?1I2NC?0.5则U2?A?2.34??0.9?min?10Ush?0.05220?2?1?110V2.34?0.9(0.9848?0.5?0.05?1)U1380??3.45 U2110

因此变压器的变比近似为：K?一次侧和二次侧电流I1和I2的计算

I1=1.05×287×0.861/3.45=75A I2=0.861×287=247A 变压器容量的计算

S1=m1U1I1=3×380×75=85.5kVA S2=m2U2I2=3×110×247=81.5kVA S=0.5×(S1+S2)=0.5×(85.5+81.5)=83.5kVA

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