直流电动机正反转调速控制电路.docx

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直流电动机正反转调速控制电路

1.课程设计目的

通过这次直流电动机正、反转调速控制电路的课程设计，加深了对直流电动机的调速控制、电流截止负反馈、电压负反馈、电流正反馈等一些电路作用的李理解和应用。

同时对以往的专业知识有了全面的巩固和理解，锻炼了查阅资料的能力和对整体布局和格局的分布都有了一定的了解。

2.课程设计题目和要求

本次的课程设计是有关于直流调速方面的，课程设计的题目：

直流电动机正、反转调速控制电路。

直流电动机是人类最早发明和应用的一种电机。

与交流电机相比，直流电机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电机广泛。

但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍有一席之地。

随着电力电子技术的发展，直流电动机调速已有逐步被交流电动机调速所取代的倾向。

但由于直流电动机以起动转矩大、调速性能好、制动控制方面有着很大的优势，因此，在工业等应用领域有着2很大的发挥作用。

3.设计内容

3.1主电路

主轴电动机的容量较小，只有3KW，因此采用单相半控桥式整流电路UR2供电，交流侧有阻容（R18、C6）吸收电路进行过电压保护，主轴正、反转用接触器KM1、KM2控制，停车时间由KA1的动断触头与电阻R15对电动机进行能耗制动。

由于直流电动机的电枢旋转时产生反电势，只有当电压大于反电势时晶闸管才能导通，因此通过电动机的电枢电流产生断续现象。

这样，晶闸管的导通角小，电流峰值狠大，晶闸管温度升高，且对电动机换向不利。

为了解决这一问题，主电路中串入平滑电抗器L，其目的是延长晶闸管的导通时间，使电流连续；另一方面降低电压峰值，减小电流脉动程度，使电流波形平衡。

为了使电源电压过零时晶闸管可靠地关断，防止失控，在电路中并联了续流二极管VD5。

3.2控制电路

3.2.1触发电路

晶闸管的触发电路如图3.2.1所示，采用带放大环节的单结晶体管触发电路。

VT1起放大控制信号的作用，VT2代替电位器RP起电位器的作用。

电路用改变VT1输入电压（即控制电压UC）的大小来改变控制角，当控制电压UC增大时，VT1的集电极电位降低，VT1的基极电流增大，集电极电流随之增大，等效电阻减小，C1充电加快，晶闸管控制角减小，导通角增大，整流电路的输出电压提高。

反之，当控制电压UC减小时，整流电压也减小。

改变控制电压的大小就可以改变整流电路的输出电压。

为了避免启动时过高的控制电压损坏晶闸管，在VT1的基极回路中并接了二极管VD2、VD3和VD4。

当UC较小时，二极管截止；当UC过大时，二极管中流过较大的电流，保护VT1。

VD3与VD4串联，作正向电压限幅，VD2作反向电压限幅。

电阻R3及稳压管VZ1组成削波电路，使触发电路电源电压为前沿较陡的梯形波，可得到较大的移相范围。

VD1将C4上的平滑电压与单节晶体管梯形电压隔离。

图3.2.1触发电路

3.2.2给定电压

给定电压与电压负反馈、电流正反馈电路如图3.2.2所示。

给定电压UG由单相交流电经过桥式整流后经VZ2稳压，从电位器RP1和RP4上取出，控制电压UC由给定电压UG、负反馈电压Ufu和电流正反馈Ufi等组成。

正反转时，给定电压是由RP1和RP4上取出的一部分UG，它是输入到VT1基极控制电压的一部分。

调节UG直接影响到电动机转速的高低。

当UG增大时，控制电压UC也随之增大，触发脉冲相位前移，晶闸管的导通角增大，整流电压上升，电动机的转速升高。

反之，当UG减小时，电动机的转速随之降低。

图3.2.2给定电压与电压反馈、电流正反馈电路

3.2.3电压负反馈

在与电枢绕组并联的R15、RP3上取出负反馈电压Ufu，该电压与电枢电压成正比，可以补偿由于整流电源存在内阻造成的压降变化。

例如，电动机运行在某转速下，负载变大，主电路电流增加，整流输出的电压因电源内阻压降增加而减小，电动机转速也随之降低，由于Ufu的减小，控制电压UC会相应地增大，单结晶体管VT3组成的触发电路输出脉冲前移，使控制角减小，晶闸管导通角增大，整流输出电压回升，以补偿电压的下降，部分地补偿因负载增大而引起的转速降低，但电动机电枢电阻压降增大而造成的转速下降部分，电压负反馈无法补偿。

电压负反馈的作用

（1）抑制发电机输出电压

波动，保持电动机M的转速n恒定不变，减低静差率，提高控制精度。

（2）消除放大机及发电机的剩磁电压，扩大调速范围。

（3）加快启动、减速、换向及停车制动等过渡过程，提高生产率。

3.2.4电流正反馈

在电动机电枢串联的R16上，取出电流正反馈电压Ufi，它与电枢电流成正比，用于补偿主电路电流变化时，由于电动机内阻等造成的压降变化。

例如，当负载变大时，主电路电流增加，电动机内阻上的压降增大，电动机转速下降，这时电流正反馈电压Ufi增大，使控制电压升高，整流电压回升，电动机转速也回升。

由此可见，如果电压负反馈与电流正反馈配合得当，可以使综合反馈具有转速负反馈的性质，即曲线3与曲线4的重合。

并且省去了测速发电机，给安装、维护等带来了方便，也更经济。

电流正反馈的作用

（1）扰动补偿、补偿负载电流I在电枢回路换向器上的压降

，使电动机转速N基本上保持平稳。

由于电流不纯粹是负载扰动，她是生产电磁力矩的内因，只能欠补偿，否则不稳定。

（2）加速启动、减速、换向、制动等过渡过程，提高生产效率加启动时为正前（反）馈正补偿，励磁作用力加速启动，而制动时，I反向正前（反）馈变成负前（反）馈补偿；去磁作用加上制动。

3.2.5电压微分负反馈

由于惯性，过渡过程易振荡致使转速不稳定，为抑制振荡，引入电压微分负反馈环节。

自动调速系统由于有了负反馈，能够进行自动调速，但是有时在过渡过程中可能出现振荡现象，这种现象是由于在调节过程中的超调而产生的，电压微分负反馈可以消除振荡，其电流由C5、RP5、R14组成。

例如在调节过程中，整流输出电压突然上升，就有一电流从微分电容C5经可调电阻RP5、R14流到电动机电源的负极，使三极管VT1的基极电流减小，触发脉冲相位后移，整流输出电压下降，控制了整流电压过快上升而产生的超调现象。

桥型稳定环节的作用

（1）当UAG上升时，由于电感的滞后作用，使得Uab=dUAG/dt>0加到Wc1负端，去磁，从而使UAG下降。

（2）当UAG下降时，则Uab<0,负反馈后，使UAG上升，可见，微分负反馈使系统阻尼增加，改善了系统稳定性。

3.2.6电流截止负反馈

在直流电动机启动、制动与反向等的过渡过程中、主回路电流很大。

为了保护整流元器件晶闸管和电动机，在线路中没有电流截止负反馈环节，如图3.2.3所示。

当主电路电流超过某一值时，RP7上的分压大于稳压管VZ2的稳定电压，VZ2被击穿，R8上的压降，使VT4饱和导通，将C1短接，C1向VT4迅速放电，图3.2.1中的单结晶体管VT3输出电压降低，触发脉冲后移，使整流器输出的电压迅速减小，以减小主电流使整流输出电压迅速下降，以抑制主电路电流。

主电路电流正常时稳压管截止，触发电流正常工作。

电流截止负反馈：

采用比较电压法，利用与电流成正比的信号与比较电压反馈串联后一经二极管截流反向加到电机控制绕组上，与它给定值作用相反

截止环节的导通条件：

I=

≥

电流截止负反馈主要作用：

（1）限流。

过载自动保护，使静特性变成挖土机特性。

（2）加速启动。

启动时限制启动电流，使其不超过允许值

，一旦

则负反馈其作用（降低启动速度）。

制动时电流反向负反馈变正反馈则降低制动速度，应加以避免（保持截流环节作用）。

为了解决调速系统启动和堵转时电流过大的问题，系统中必须设有自动限制电枢电流的环节。

根据反馈控制的基本概念，要维持某个物理量基本不变，只要引入该物理的负反馈就可以了。

所以，引入电流负反馈能够保持电流不变，使它不超过允许值。

但是，电流负反馈的引入会使系统的静特性变得很软，不能满足一般调速系统的要求，电流负反馈的限流作用只应在启动和堵转时存在，在正常运行时必须去掉，使电流能自由地随着负载增减。

这种当电流大到一定程度才起作用的电流负反馈叫做电流截止负反馈。

为了实现截止负反馈，必须在系统中引入电流负反馈截止环节。

电流负反馈截止环节的具体线路有不同的形式，但是无论哪种形式，其基本思想都是将电流反馈信号转换成电压信号，然后去和一个比较电压Ucom进行比肩。

电流负反馈信号的获得可以采用在交流侧的交流电流检测装置，也可以采用直流侧的直流电流

图3.2.3电流截止负反馈电路

3.2.7电动机

电动机的正反转

电动机的运转方向从正方向向反方向或从反方向向正方向的变化称为正反转的控制。

一般的电动机的运转方向设有特殊指定时从连接面的反面看顺时针方向视为正方向。

下面说明如何使电动正方向运行或反方向运行：

将电动机的U、V、W相与带能源的R、S、Y相对应相连，当R与V相，S与V相，T与W相相连时电动机正方向运转。

将电源的R、S、T中任一两相交换与电动机的定子线圈相连接，这样电动机将反方向运转。

直流电动机的用途：

直流电机分为直流发电机和直流电动机两种。

把机械能转变为直流电能的电机成为直流发电机，反之把直流电能转化为机械能的电机成为直流电动机。

目前使用直流电动机的场合很多，这是由于直流电动机具有以下突出优点：

（1）启动、制动和过载转矩大。

（2）调速范围广，且易于平滑调速。

（3）易于控制，可靠性高。

直流电动机的主要缺点是换向问题，换向不仅限制了直流电动机的极限容量，而且增加了制造成本和维护工作量。

电枢绕组是直流电动机的核心部分；电机中感应电动势的产生，机电能量的转换都是通过电枢绕组实现的。

当电枢在电机的磁场中旋转时，电枢绕组中会感应出电动势；当电枢绕组中有电流流过时会产生电磁转矩。

直流电动机工作原理：

直流电机的工作原理是基于电磁感应定律和电磁力定律的。

直流电动机是根据载流导体在磁场中受力这一基本原理工作的。

如图3.1.4。

首先要在励磁绕组上通入直流励磁电流，产生所需要的磁场，再通过电刷和换向器向电枢绕组通入直流电流，提供电能。

于是电枢电流在磁场的作用下产生电磁转矩，驱动电机转动。

直流电动几的结构:

电动机主要分为定子和转子部分。

1.定子部分

（1）主磁极：

其作用是产生恒定的主磁场，由主磁极铁心和套在铁心上的励磁绕组组成。

铁心的上部叫极身，下部叫磁靴。

磁靴的作用是减小气隙磁阻，使气隙磁通沿气隙均匀分布。

图3.2.4直流电动机结构原理图

（2）机座：

有两个作用，一是作为各磁极间的磁路，这部分称为定子的磁轭；二是作为电机的机械支撑。

（3）换向极：

换向极的作用是改善直流电机的换向性能，消除直流电机带负载时换向器产生的有害火花。

换向极的数目一般与主磁极数目相同，只有小功率的直流电机格不装换向极或装设只有主磁极数一半的换向极。

（4）电刷装置：

其作用有两个，一是使转子绕组与电机外部电路接通；二是与换向器配合，完成直流电机外部直流与内部交流的互换。

2.转子部分

转子是直流电机的重要部件。

由于感生电动势和电磁转矩都是在转子绕组中产生，是机械能和电磁能转换的枢纽，因此直流电机的转子也称为电枢。

3.2.5直流电机结构

3.2.8晶闸管

晶闸管是一种大功率的半导体器件，与大功率二极管外形相似,只是多了一个控制极。

它由PNPN四层半导体构成,中间形成三个PN结。

这种独特的结构，

晶闸管是在半导体二极管、三极管之后出现的一种新型的大功率半导体器件。

它是一种可控硅整流元件，亦称可控硅。

工作原理

当晶闸管的样机与阴极之间加反向电压时，这时不管控制极的信号情况如何，晶闸管都不会导通。

晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时若在控制极与阴极之间电压或加反向电压，晶闸管还是不会导通。

只有在晶闸管的阳极与阴极之间加正向电压时，在控制极与阴极之间加正向电压，晶闸管才会导通。

但晶闸管一旦导通，不管控制极有没有电压，只要阴极与阳极之间有维持电压，晶闸管就维持导通。

可把它看成是由PNP和NPN两个三极管组合而成，每一个三极管的基极与另一个三极管的集电极相连，在电路回路上形成正反馈，只要在控制极上加上适当的正向电压，晶闸管迅速触发导通。

图3.2.6晶闸管结构和符号

晶闸管的单向导电性：

当在晶闸管的阳极加上正电压，阴极加负电压，控制极不加电压，晶闸管处于截止状态；当在控制极上加触发信号后，晶闸管进入导通状态；导通后，控制极便失去控制作用，晶闸管的输出特性与二极管相似。

当在晶闸管的阳极、阴极加上相反的电压，无论怎样加触发信号，晶闸管仍处于截止状态。

4.设计总结

通过这次直流电动机正、反转调速控制电路的课程设计，使我加深了对直流电动机的工作原理和运行状态都有了进一步的了解，同时对电流、电压的反馈调节都有了充分的了解，对对整流环节和调速环节也有了充分的认识。

由于这次的课程设计使我对知识的掌握与实际的动手设计更加的紧密联系了起来，使我但对以前所学的知识有了一个全面的总结和充分的了解。

让我在以后的学习过程中都有了一个概括性的学习和有目的性的学习。

参考书目

（1）王兆安，黄俊.电力电子技术.机械工业出版社，2007.

（2）刘锦波，张承慧，等.电机与拖动.清华大学出版社，2006.

（3）陈伯时.电力拖动控制系统.机械工业出版社，2008.

（4）姚樵根，俞文根.电气自动控制.机械工业出版社，2005.

（5）郁建平.机电控制技术.科学出版社，2006

（6）赵永成，王丰，李明颖.机电传动控制.中国计量出版社，2003.