四象限直流电动机

1、1四象限直流电动机四象限直流电动机四象限直流电动机2概念什么什么是单象限和四象限？是单象限和四象限？ 以电动机的转速为纵坐标轴，以转矩为横坐标轴建立的直角坐标系，来描述电动机的四种运转状态，即正向电动，回馈发电制动，反接制动，以及反向电动四种运转状态。每一种状态的机械特性曲线分别在直角坐标系的四个象限。如果装置只能满足电动机的电动运转状态，那么它就是单象限的。如果装置驱动在电动状态时，能够从电动状态进入第二象限运行，也能从电动状态进入第四象限运行，那么装置是四象限的。 单象限装置只能正向电动，或反向电动，不能从电动运行进入再生发电运行。 电机的单象限运行，指电机电动运行。四象限指发电运行。 四

2、象限直流电动机3四象限直流电动机4直流电动机直流电动机81013四象限直流电动机5 上图是一台直流电机的最简单模型。N和S是一对固定的磁极，可以是电磁铁，也可以是永久磁铁。磁极之间有一个可以转动的铁质圆柱体，称为电枢铁心。铁心表面固定一个用绝缘导体构成的电枢线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个半圆形铜片(换向片)上，它们的组合在一起称为换向器，在每个半圆铜片上又分别放置一个固定不动而与之滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向器和电刷接通外电路。四象限直流电动机6直流电动机工作原理直流电动机工作原理 将外部直流电源加于电刷A(正极)和B(负极)上，则线圈abcd中流过电流，在导体a

3、b中，电流由a指向b，在导体cd中，电流由c指向d。导体ab和cd分别处于N、S极磁场中，受到电磁力的作用。用左手定则可知导体ab和cd均受到电磁力的作用，且形成的转矩方向一致，这个转矩称为电磁转矩，为逆时针方向。这样，电枢就顺着逆时针方向旋转，如图8.1(a)所示。当电枢旋转180，导体cd转到N极下，ab转到S极下，如图8.1(b)所示，由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a，从电刷B流出，用左手定则判别可知，电磁转矩的方向仍是逆时针方同。四象限直流电动机7直流发电机直流发电机四象限直流电动机8 直流发电机的模型与直流电动机模型相同，不同的是用原动机

4、(如汽轮机等)拖动电枢朝某一方向(例如逆时针方向)旋转，如图8.2(a)所示。这时导体ab和cd分别切割N极和S极下的磁力线，感应产生电动势，电动势的方向用右手定则确定。可知导体ab中电动势的方向由b指向a，导体cd中电动势的方向由d指向c，在一个串联回路中相互叠加的，形成电刷A为电源正极，电刷B为电源负极。电枢转过180后，导体cd与导体ab交换位置，但电刷的正负极性不变，如图8.2(b)所示。可见，同直流电动机一样，直流发电机电枢线圈中的感应电动势的方向也是交变的，而通过换向器和电刷的整流作用，在电刷A、B上输出的电动势是极性不变的直流电动势。在电刷A、B之间接上负载，发电机就能向负载供给

5、直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。四象限直流电动机9回馈发电制动回馈发电制动 回馈制动采用的是有源逆变技术，将再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，从而实现制动。 在变频调速系统中，电动机的减速和停止都是通过逐渐减小运行频率来实现的，在变频器频率减小的瞬间，电动机的同 步转速随之下降，而由于机械惯性的原因，电动机的转子转速未变，或者说，它的转速变化是有一定时间滞后的，这时会出现实际转速大于给定转速，从而产生电动机反电动势高于变频器直流端电压的情况，使EaU, 电枢电流 反向，电磁转矩 也反向，电源输入功率为负；而电磁功率亦小于零，表明电机处于发电状态，将电枢转动的机械能变为

6、电能并回馈到电网，故称回馈制动。这时电动机就变成发电机，非但不消耗电网电能，反而可以通过变频器专用型能量回馈单元向电网送电，这样既有良好的制动效果，又将动能转变化为电能，向电网送电而达到回收能量的效果。四象限直流电动机10上图是带位能负载下降时的回馈制动机械特性，电动机电动运行带动位能性负载下降，在电磁转矩和负载转矩的共同驱动下，转速沿特性曲线1逐渐升高，进入回馈制动后将稳定运行在a点上。需要指出的是，此时电枢回路不允许串入电阻，否则将会稳定运行在很高转速的b点上。 四象限直流电动机11反接制动反接制动反接制动分为电枢电压反向反接制动电枢电压反向反接制动和倒拉反接制动倒拉反接制动a)电枢电压反

7、向反接制动电枢电压反向反接制动四象限直流电动机12四象限直流电动机13 电枢电压反向反接制动机械特性是一条过（-n0）点并与电枢回路串入电阻RF的人为机械特性相平行的直线，如图所示四象限直流电动机14b 电势电势反接制动（倒拉反转运行反接制动（倒拉反转运行） 四象限直流电动机15四象限直流电动机16 对于单象限的调速器，当电机需要反转时，要加时间继电器。无论是改变励磁方向还是改变电枢方向，都必须等待一段时间，就是说不允许工作中突然换向。因为励磁线圈和电枢线圈通的都是直流电，需要时间来释放能量，如果换向太快将会把整流桥反向击穿。而四象限的调速器不存在此问题，因为两组整流桥方向相反，当一组停止输出

8、时，另一组正好可以给电机释放能量。换向的时间问题换向的时间问题 第三象限和第一象限过程相同，只不过电动转矩和旋转方向分别相反。而第四象限和第二象限过程相同，也只不过是电动转矩和旋转方向分别相反。四象限直流电动机17四象限直流电动机的发展与应用四象限直流电动机的发展与应用 直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。 1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，

9、国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。四象限直流电动机18 20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机。无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。四象限直流电动机19无刷电动机各组成部分发展状况无刷电动机各组成部分发展状况1、电动机本体、电

10、动机本体 无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。 第三代永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。 目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。四象限直流电动机202、电子、电子换相电路换相电路 控制电路：无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、

11、过热等保护。 目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法。 驱动电路：驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路由大功率开关器件组成。随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）等。目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路。四象限直流电动机213、转子位置检测、转子位置检测电路电路 永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。 一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。 但位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构