電流截止負反饋自動調速控制電路設計

金軼鋒

(渭南師范學院物理與電氣工程學院，陜西渭南714000)

直流電動機調速控制系統有很多種，如轉速負反饋、電壓負反饋、電流正反饋和電動勢負反饋系統，這些控制系統其共同點是靜特性都比開環系統為硬，如圖1中曲線1.當電動機負載突然變得很大時，例如電動機堵轉，這將使主回路電流增長到危險的程度.從圖1中可以看出，閉環系統靜特性1比開環系統靜特性2的靜差度小，因而閉環系統電動機堵轉后電流比開環系統大得多，不僅電動機有損壞的可能，而且電動機與生產機械間傳動機構也會受到極大的過載轉矩而變形，影響生產機械的精度，嚴重時使機械部件遭到損壞.因此，一方面在主回路中裝設過電流繼電器進行保護;另一方面，設計時使靜特性適合系統的需求，即在其正常范圍內，系統有較硬的靜特性如圖1中曲線1的ab段稱為工作段，而在過載時系統有很軟的靜特性，如圖1中曲線1的bc段.b點稱為轉折點，c點稱為堵轉點.轉折電流Ib值因不同生產機械而異，堵轉電流Ic值的選定主要取決于機械傳動電動機容許的過載轉矩，我們把這種特性稱為挖土機特性.由于上述調速系統中都加快了動態響應速度，所以過渡過程中電流峰值是很大的，對電動機和系統都是不利的［1-2］.

圖1 挖土機特性

為了解決反饋控制單閉環調速系統起動和堵轉時電流過大的問題，采取在系統中設置自動限制電樞電流的環節.根據反饋控制的基本概念，要維持某個物理量基本不變，只要引入該物理的負反饋就可以了.但由于電流負反饋的引入會使系統的靜特性變得很軟，又不能滿足一般調速系統的要求.因此，我們在電路中設置了單獨的截流繞組，其目的是電流負反饋的限流作用只在起動和堵轉時存在，在正常運行時自動去掉，這樣就能使電流自由地隨著負載增減［3-4］.這種當電流大到一定程度時才起作用的電流負反饋我們稱它為電流截止負反饋，電路如圖2所示.

1 電流截止負反饋調速系統電路及工作原理

圖2中從RV引出反饋電壓UV(=αVUG)，而UV與給定電壓US是反向的，因而構成了電壓負反饋環節.在發電機、電動機換向繞組兩端并聯電阻R1，用以檢測主回路電流I，從R1取部分電壓作為電流正反饋信號加到擴大機控制繞組CII上，因ICIINCII與ICINCI磁動勢方向相同，故控制繞組CII和電流正反饋附加電阻RIa構成了電流正反饋環節［5］.由控制繞組CIII和電流負反饋附加電阻Rca組成電流負反饋.由比較電壓Ub、比較電壓電位器RP3的全電阻Rb及二極管組成截止環節.在正常工作電流范圍內，由于換向繞組壓降IRC(RC=RGCRMC)小于比較電壓Ub，二極管截止，因此電流截止負反饋環節不起作用，此時為電壓負反饋電流正反饋系統，其特性如圖1中曲線1的ab段.當IRC大于(Ub+UV)時，二極管導通，電流負反饋繞組流過電流ICIII，如圖2中虛線所示，其磁動勢方向與CI、CII繞組相反，因而限制了主回路電流的增長，形成了下垂特性.電流截止負反饋導通條件為：

圖2 具有單獨截流繞組調速系統電路圖

Ib為主回路轉折電流.忽略二極管壓降UV時

電流截止負反饋導通后的合成磁動勢為：

2 電流截止負反饋環節導通后靜態框圖

圖3 具有單獨截流繞組的系統靜態框圖

電壓負反饋、電流正反饋靜特性方程為

結合圖3可得具有單獨截流繞組的系統特性方程

(3)、(4)兩式相比，電流截止負反饋導通后其理想空載轉速及負載轉速降均增大了許多，如圖1中線所示.由于I＜Ib時，電流截止負反饋是不導通的，因而段用虛線表示.

式(4)中，當電動機堵轉時即n=0，其堵轉電流IL為

根據式(3)及式(6)可得單獨截流繞組時系統的轉速特性如圖4所示.

圖4 單獨截流繞組系統的轉速特性曲線圖

3 結論

從單獨截流繞組系統的轉速特性曲線可得如下結論：

(1)當比較電壓一定時(如Ub1)，在不同的理想空載轉速時(如n01、n02)，其轉折電流均為Ib1.如果降低比較電壓為Ub2，則其轉折電流均減為Ib2.

(2)給定電壓US越大，其堵轉電流越大，但由于US大時，給定電位器內阻亦增大，同時(∑R)CI亦增大，因而使堵轉電流增加得少一些.

(4)由于電流負反饋僅在主回路電流I＞Ib時能對主回路電流起調節作用，而在I＜Ib時，電流負反饋不起作用，因此電流負反饋持續時間僅占整個過渡過程的一小部分，主回路電流維持最大值的時間不長，即縮短了維持最大轉矩的時間，延長了起動時間.

［1］顧繩谷.電機及拖動基礎［M］.北京：機械工業出版社，2010.32－35.

［2］任志錦.電機與電氣控制［M］.北京：機械工業出版社，2005.125－128.

［3］楊斌文，胡浩.電機應用實用技術［M］.北京：電子工業出版社，2010.81－84.

［4］劉翠玲，孫曉榮.電機與電力拖動基礎［M］.北京：機械工業出版社，2010.54－59.

［5］王巍.實用工業電器與電動機控制［M］.北京：科學出版社，2010.135－139.