双闭环直流电机调速系统设计参考案例

《运动控制系统》课程设计指导书

一、课程设计的主要任务

（一）系统各环节选型

1、主回路方案确定。

2、控制回路选择：给定器、调节放大器、触发器、稳压电源、电流截止环节，调节器锁零电路、电流、电压检测环节、同步变压器接线方式（须对以上环节画出线路图，说明其原理）。

（二）主要电气设备的计算和选择

1、整流变压器计算：变压器原副方电压、电流、容量以及联接组别选择。

2、晶闸管整流元件：电压定额、电流定额计算及定额选择。

3、系统各主要保护环节的设计：快速熔断器计算选择、阻容保护计算选择计算。

4、平波电抗器选择计算。

（三）系统参数计算

1、电流调节器ACR 中i i R C 、 计算。

2、转速调节器ASR 中n n R C 、

计算。 3、动态性能指标计算。

（四）画出双闭环调速系统电气原理图。

使用A1或A2图纸，并画出动态框图和波德图（在设计说明书中）。

二、基本要求

1、使学生进一步熟悉和掌握单、双闭环直流调速系统工作原理，了解工程设计的基本方法和步骤。

2、熟练掌握主电路结构选择方法，主电路元器件的选型计算方法。

3、熟练掌握过电压、过电流保护方式的配置及其整定计算。

4、掌握触发电路的选型、设计方法。

5、掌握同步电压相位的选择方法。

6、掌握速度调节器、电流调节器的典型设计方法。

7、掌握电气系统线路图绘制方法。

8、掌握撰写课程设计报告的方法。

三、 课程设计原始数据

有以下四个设计课题可供选用：

A 组：

直流他励电动机：功率P e ＝，额定电流I e =，磁极对数P=1，n e =1500r/min,励磁

电压220V,电枢绕组电阻R a =Ω,主电路总电阻R ＝7Ω，L ∑＝(电枢电感、平波电感和

变压器电感之和)，K s =，机电时间常数T m =，滤波时间常数T on =T oi =，过载倍数λ＝，

电流给定最大值 10V U im

=*，速度给定最大值 10V U n =* B 组：

直流他励电动机：功率P e ＝22KW ，额定电压U e =220V ，额定电流I e =116A,磁极对

数P=2，n e =1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻R a =Ω,主电路总电阻R ＝Ω，L ∑＝(电枢电感、平波电感和变压器电感之和)，电磁系数C e = Vmin ／r ，K s =22，电磁时

间常数T L =，机电时间常数T m =，滤波时间常数T on =T oi =，过载倍数λ＝，电流给定最

大值 10V U im

=*，速度给定最大值 10V U n =* C 组：

直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=733A,磁极对数P=2，ne=430r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Ton=Toi=，过载倍数λ＝，电流给定最大值

8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =* D 组：

直流他励电动机：功率Pe ＝145KW ，额定电压Ue=220V ，额定电流Ie=,磁极对数P=1，ne=1500r/min,励磁电压220V,电枢绕组电阻Ra=Ω,主电路总电阻R ＝Ω，Ks=27，电磁时间常数TL=，机电时间常数Tm=，滤波时间常数Toi=，Ton=，过载倍数λ＝，电流给定最大值

8V U im =*，速度给定最大值 10V U n =*，β＝A ，α＝

Vmin ／r 双闭环直流电机调速系统设计参考案例

第一章 绪 论

1．1 直流调速系统的概述

三十多年来，直流电机调速控制经历了重大的变革。首先实现了整流器的更新

换代，以晶闸管整流装置取代了习用已久的直流发电机电动机组及水银整流装置使直流电气传动完成了一次大的跃进。同时，控制电路已经实现高集成化、小型化、高可靠性及低成本。以上技术的应用，使直流调速系统的性能指标大幅提高，应用范围不断扩大。直流调速技术不断发展，走向成熟化、完善化、系列化、标准化，在可逆脉宽调速、高精度的电气传动领域中仍然难以替代。直流调速是指人为地或自动地改变直流电动机的转速,以满足工作机械的要求。从机械特性上看,就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性,从而改变电动机

机械特性和工作特性机械特性的交点,使电动机的稳定运转速度发生变化。直流电

动机具有良好的起、制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，在轧钢机、矿井卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属切削机床、造纸机、高层电梯等需要高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。近年来，交流调速系统发展很快，然而直流拖动系统无论在理论上和实践上都比较成熟，并且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础，所以直流调速系统在生产生活中有着举足轻重的作用。

1．2 研究课题的目的和意义

直流电动机因具有良好的起、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了广泛应用。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）。采用速度、电流双闭环直流调速系统,可以充分利用电动机的过载能力获得最快的动态过程，调速范围广，精度高，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，动态和静态性能均好，且系统易于控制。双闭环系统的转速环用来控制电动机的转速，电流环控制输出电流；该系统可以自动限制最大电流，能有效抑制电网电压波动的影响；且采用双闭环控制提高了系统的阻尼比，因而较之单闭环控制具有更好的控制特性。

尽当今功率半导体变流技术已有了突飞猛进的发展，但在工业生产中V-M系统的应用还是有相当的比重。所以以此为课题进行研究具有一定的实用价值。

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的发展趋势

双闭环不可逆调速系统在上世纪七十年代在国外一些发达国家兴起，经过数十年的发展已经成熟，在二十一世纪已经实现了数字化与智能化。我国在直流调速产品的研发上取得了一定的成就，但和国外相比仍有很大差距。我国自主的全数字化直流调速装置还没有全面商用，产品的功能上没有国外产品的功能强大。而国外进口设备价格昂贵，也给国产的全数字控制直流调速装置提供了发展空间。

目前，发达国家应用的先进电气调速系统几乎完全实现了数字化，双闭环控制系统已经普遍的应用到了各类仪器仪表，机械重工业以及轻工业的生产过程中。随着全球科技日新月异的发展，双闭环控制系统总的发展趋势也向着控制的数字化，智能化和网络化发展。

而在我们国内，双闭环控制也已经经过了几十年的发展时期，目前已经基本发展成熟，但是目前的趋势仍是追赶着发达国家的脚步，向着数字化发展。