转速负反馈直流调速系统设计

转速负反馈直流调速系统设计

1 设计条件及要求

1.1初始条件：

直流电动机:

355N P W =, 220N U V = , 2.1d I A = , 1500/min N n r = , 5a R =Ω

电枢回路总电阻:17R =Ω 飞轮惯量：220.92GD N m =⋅ 单相桥式整流：40s K = 其他参数：*10nm U V =

要求达到的性能指标:10D =, 5%S ≤

单相220V 供电，采用电势反馈的晶闸管直流调速系统

1.2要求完成的主要任务:

1． 系统原理图设计； 2． 调节器设计与调节；

3． 电路，控制电路，保护电路设计； 4． 统稳态图，动态图绘制； 5． 电路选择计算，校验；

2 原理阐述

2.1转速闭环控制系统

反馈控制系统的规律是：一方面能够有效地抑制一切被包在负反馈环内前向通道上的扰动作用；另一方面，则紧紧地跟随着给定作用，对给定信号的任何变化都唯命是从。

根据本设计要求，设计的系统为转速负反馈单闭环直流调速系统，其中转速为负反馈量。转速反馈闭环调速系统是一种基本的反馈控制系统，它具有三个基本特征。一、只用比例放大器的反馈控制系统，其被调量仍是有静差的。二、反馈控制系统的作用是：抵抗扰动，服从给定。三、系统的精度依赖于给定和反馈检测精度。其原理图如下：

图2-1 转速负反馈单闭环直流调速系统原理图

在电动机同轴安装一台测速发电机TG ，从而引出与被调量转速成正比的负反馈电压

n U ，与给定电压*

n U 相比较后，得到转速偏转电压n U ，经过放大器A ，产生电力电子变

换器UPE 所需的控制电压C U ，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。

3参数计算

3.1转速环参数的计算

为了满足调速系统的稳态性能指标，静差率5%S ≤，调速范围10D =,可以求得额定负载时的稳态速降应为：

1500*0.05

7.89/min 1s 10*(10.05)

N cl n s n r D ∆=

≤=--（）

根据设计题目所给的参数，可以算出电动势系数：

220 2.1*5

0.13971500

N N a e N U I R C n --=

==min r V 开环系统额定速降为：

2.1*15

255.55/min 0.1397

N op e I R n r C ∆=

== 闭环调速系统的开环放大系数为：

255.55

1131.397.89

op cl

n K n ∆=

-≥

-=∆ 转速反馈系数：

r V n U nm min/00667.01500

100*⋅===α

再计算运算放大器的放大系数：

根据调速指标和要求，前面已经求出闭环调速系统的开环放大系数应为39.31≥K ，则运算放大器的放大系数p K 应该是

44.161397

.0/40*00667.039

.31Ce s =≥=

K K K p α

实取 17

=p K 。

3.2平波电抗器参数计算

平波电抗器的参数就是对应的电感的大小。对于直流电动机负载的可控整流电路，为了使晶闸管整流供电的直流电动机即使在最轻负载下(dmin d I I =)，也能工作在电流连续段机械特性的直线上，对于单相桥式全控整流电路，要求电枢回路的临界电感量为：

其中，min d I 为最小负载时对应的最小电流，一般取电动机额定电流的10％，所以可以计算出：

3.3稳定性判断

已知300L mH =，故系统中各环节的时间常数： 电磁时间常数：

0.30.0310

l L T s s R =

== 机电时间常数：

2e m 0.92100.132303753750.13970.1397

m GD R T s C C π

⨯===⨯⨯⨯

对于单相桥式整流电路，晶闸管装置的滞后时间常数为

50.005s T ms s ==

根据系统闭环传函

特征方程

mH

I U L N

300%1087.22==0111)(1s

m 2s m 3s m =++++++++s K

T T s K T T T s K T T T l l 1

11)(1)

1()1)(1(/1)1)(1(/)(s

m 2s m 3s m e s

p m 2m s e s p m 2m s e s p c +++++++++=

+++++++=s K

T T s K T T T s K T T T K C K K s T s T T s T C K K s T s T T s T C K K s W l l l l l αdmin

287

.2I U L =

应用三阶系统的劳斯-赫尔维茨判据，系统稳定的充分必要条件是

代入整理得： 所以：

式子的右边称作系统的临界放大系数，单开环放大系数大于临界放大系数时，系统将不稳定。带入各时间常数可得，稳定条件是

()2

0.1320.030.0050.00530.970.030.005

K ⨯++<=⨯

按稳态调速性能指标要求31.39K ≥，即按照稳态调速指标设计的闭环系统是此闭环系统是不稳定的，需引入校正环节来使系统能在稳态性能要求下稳定运行。

000030213210>->>>>a a a a a a a a ，，，，s

s m s )1())((T T K T T T T l l +>++s

2

s s m )(T T T T T T K l l ++<