直流电力拖动系统设计概要

前言

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了广泛的应用。近年来，高性能交流调速技术发展很快，交流调速系统正逐步取代直流调速系统。然而，直流拖动控制系统毕竟在理论上和实践上都比较成熟，而且从控制的角度来看，它又是交流拖动控制系统的基础。从生产机械要求控制的物理量来看，电力拖动自动控制系统有调速系统、位置随动系统、张力控制系统、多电机同步控制系统等多种类型，各种系统往往都是通过控制转速来实现的，因此调速系统是最基本的电力拖动控制系统。

第一章设计任务分析

1.1课题的内容与要求

某型铣床采用镶齿锯片铣刀，驱动电机采用直流电动机，铣刀最大直径500mm，最小直径100mm，铣刀允许最大切削速率20m/s，最高切削速度下最大许用切削力500N，铣刀最大许用切削力矩500N*M，铣刀卡盘、联动轴和铣刀飞轮矩为75N*m2。

试设计此拖动系统，要求切削速率1-20m/s无级可调，设定速度后空载到最大吃刀深度速度波动小于10%。铣床工作现场有三相四线制380V交流电源，100A空开保护，最大电压波动%

，通风良好，环境干燥，无粉尘，现场无防爆要求。

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1.2系统的概述与分析

根据课题的要求该系统对电机的转速控制采用无静差直流调速系统进行控制。无静差直流调速系统可分为：转速负反馈、电压负反馈、电流正反馈、附加电流正反馈的电压负反馈等几种直流调速系统。无 静差直流调速系统如图1.1所示：

图1.1

采用比例积分调节器以实现无静差，采用电流截止负反馈来限制动态过程的冲击电流。TA 为检测电流的交流互感器，经整流后得到电流反馈信号Ui 。当电流超过截止电流Idcl 时，Ui 高于稳压管VS 的击穿电压，使晶体管VBT 导通，则PI 调节器的输出电压Uc 接近于零，电力电子变换器UPE 的输出电压U d 急剧下降，达到限流的目的。

当电动机电流低于其截止值时，系统结构框图如图1.2所示：

图1.2

第二章 电力拖动系统的性能指标分析

电力拖动系统拖动的工艺设备总是对电力拖动系统提出一定的性能指标要求，包括技

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术性指标、可靠性指标、经济性指标等方面的指标。

技术性指标作为电力拖动系统设计的主要遵循指标，主要包括了电力拖动系统的机械特性、转速指标及调速性能等方面。这些指标是设计电力拖动系统必须首先予以明确的。

2.1机械特性

对于拖动生产设备的电力拖动系统，只有当电动机与负载的机械特性配合适当，系统才能正常的运行。所以电力拖动系统的机械特性必须根据负载的转矩特性加以选定、设计，于是我们必须首先明确拖动对象的转矩特性。

负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。根据统计分类一般分类为三类：

（1）恒转矩负载特性 （2）恒功率负载特性 （3）泵与风机类负载特性

以上三类负载机械特性是从各种实际负载中概括出来的典型化的负载机械特性，实际负载机械特性可能是以某种典型特性为主的几种典型特性的组合。

如果拖动对象的负载特性没有给出，则需要通过分析、实验等方法求取，具体方法可查阅相关文献。

当拖动对象的负载特性确定后，电力拖动系统能够工艺设备正常工作的必要条件和充分条件是： 1.必要条件:

电动机的机械特性与负载转矩特性有交点,即存在T em =T L 2.充分条件:

在交点处满足 dn dT em

dT L 。或者说，在交点的转速以上存在T em

速以下存在T em >T L 。

由此，我们可大致解算出电力拖动系统需要具有的基本参数，包括选用电动机应该具有的输出转矩、输出功率、最大转速和拖动系统的人为机械特性。

2.2调速特性

任何一台需要控制转速的设备，其生产工艺对调速性能都有一定的要求。例如，最高转速与最低转速之间的范围，是有级调速还是无级调速，在稳态运行时允许转速波动的大小，从正转运行变到反转运行的时间间隔，突加或突减负载时允许的转速波动，运行时停

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止时要求的定位精度等等。归纳起来，对于调速系统的转速控制要求有以下三个方面：

（1）调速——在一定的最高转速和最低转速范围内，分挡地（有级）或平滑地（无级）调节转速。

（2）稳速——以一定的精度在所需转速上稳定运行，在各种干扰下不允许有过大的转速波动，以确保产品质量；

（3）加、减速——频繁起、制动的设备要求加、减速尽量快，以提高生产率；不宜经受剧烈速度变化的机械则要求起，制动尽量平稳。

2.2.1稳态性能指标

我们给出调速范围和静差率的定义，这是电力拖动系统的主要稳态特性指标：

调速范围：生产机械要求电动机提供的最高转速和最低转速之比叫做调速范围，用字母 D 表示，即

(2-1)

其中n max 和n min 一般都是指在电动机额定负载时的最高和最低转速，对于少数负载很轻的机械，例如，精密磨床，也可以用实际负载时的最高和最低转速。

静差率：当系统在某一转速下运行时，负载由理想空载增加到额定值时所对应的转速降落n N ∆ ，与理想空载转速n 0之比，称作静差率s ，即

(2-2)

显然，静差率是用来衡量调速系统在负载变化时转速的稳定度的。它和机械特性的硬度有关，特性越硬，静差率越小， 转速的稳定度越高。

调速范围和静差率这两项指标并不是彼此孤立的，必须同时提才有意义。在调速工程中，若额定速降相同，则转速越低时，静差率越大。如果低速时的静差率能满足设计要求，则高速时的静差率就更满足要求了。因此，调速系统的静差率指标应以最低速时所能达到的数值为准。

闭环调速系统可以获得比开环调速系统硬得多的稳态特性，从而在保证一定静差率的要求下，能够提高调速范围，为此所需付出的代价是，须增设电压放大器以及检测与反馈装置。

2.2.2 控制系统的动态性能指标

生产工艺对控制系统动态性能的要求经折算和量化后可以表达为动态性能指标。自动控制系统的动态性能指标包括对给定输入信号的跟随性能指标和对扰动输入信号的抗扰

min max n n D =0

N n n s ∆=