清华大学课件电力拖动

1、13.4.3 他励直流电机的四象限运行小结前述内容中与本节有关的内容： 电动机稳态工作点是指满足3.2节所述的稳定运行条件的那些电动机机械特性与负载转矩特性的交点，电动机在稳定工作点恒速运行； 电动机运行在工作点之外的机械特性上时，电磁转矩与负载转矩不相等，系统处于加速或减速的过渡过程； 他励直流电动机固有机械特性与各种人为机械特性，分布在机械特性的四个象限内； 生产机械的负载转矩特性，有反抗性恒转矩、位能性转矩、泵类等典型负载转矩特性，也有由几种典型负载同时存在的各种负载转矩特性，它们分布在四个象限之内。2022/8/121GD p2下面将具体分析采用典型调速方式的他励直流电动机拖动典型负载

2、时、在各个象限内不同的稳态运行以及过渡过程。下列小标题中的“运行”是指上述的稳定工作点稳速运行、“过程”是指上述中电动机从一个稳定工作点变化到另一个稳定工作点时变速的过渡过程。此外，“制动”（brake）一词是表示在电动机惯例下、电动机在、象限（电磁转矩和转速不同方向）的运行现象。此时，电动机处于发电状态。3752UI aTeTLE anE1R CT Cf ( I f )I f2022/8/122I a aR31: 固有机械特性；2: 降压人为机械特性3: UN (或 U ):固有或降压人为机械特性Te图 3.4.6 电动运行（以反抗性恒转矩为例）表 3.4.1 他励电机正向（反向）电动运行下

3、的功率关系输入电功率 P1电枢回路总损耗PCua电磁功率（电? 机）PM电动机空载损耗 p0输出机械功率 P22UIa+Ea IaT =+T0 +T2 +1 正向电动运行和反向电动运行2022/8/123GD p图 3.4.11 (a) 正向回馈制动过程原来电动机运行在固有机械特性曲线的 A 点上，电压降为U1后，电动机运行点从 ABCD，最后稳定运行在 D 点。在这一降速过渡过程中，从 BC 这一阶段，电动机的转速 n 0 ，而电磁转矩Te 0 ，Te 与 n 的方向相反，Te 是制动性转矩，是一种正向回馈制动过程。“回馈”指电动机把功率回馈电源。46 正向回馈制动过程和运行（1）正向回馈制

4、动过程3752UI aTeTLE anE1R CT Cf ( I f )I f2022/8/124I a a +RGD dn5输入电功率 P1电枢回路总损耗 PCua电磁功率（电? 机） PM电动机空载损耗 p0输出机械功率 P22Ea IaT =U N Ia =+T0 +T222375 dt) 0 。下坡时小车受到的总负载转矩为TL 2 ， TL 2 0 。所以，负载机械特性为曲线 1 和曲线 2。平路时电动机则运行在正向电动运行状态，工作点为固有机械特性与曲线 12022/8/126GD2 ，图 3.4.6-2 能耗制动过程375曲线 2 n =(Te TL )dt对吗(1：固有机械特性；

5、2：电枢电压为零的人为特性)拖动反抗性恒转矩。在 B 点，用于制动的电磁转矩TeB 0 ，并且TB TL = TB TL 0 ，系统减速。在整个过程中，电动机的电磁转矩Te 0 ， Te 与 n 是反方向的，Te 始终是起制动作用的，是制动运行状态的一种，称之为能耗制动过程。72 能耗制动过程2022/8/127Ia ( Ra + R) +GD dn8用于制动的电磁转矩TB 0 ，并且TB TL = TB TL 0 ，系统减速。在整个过程中，电动机的电磁转矩Te 0 ，Te 与 n 是反方向的，Te 始终是起制动作用的，是制动运行状态的一种，称之为能耗制动过程。表 3.4.2 能耗制动时的功率

6、关系输 入电功率P1UIa0电枢回路总损耗PCua2+电磁功率（电 机）PMEa IaTe =电动机空载损耗 p0T0+输 出机械功率P2T222375 dt) 0，转速0，Te为制动性转矩，这种稳态运行状况称为能耗制动运行。能耗制动运行Te图 3.4.6-3Te1: 固有机械特性；2、3: 电压为零的人为机械特性在这种运行状态下， TL 2 方向与系统转速 n 同方向，为拖动性转矩。能耗制动运行时电动机电枢回路串入的制动电阻不同时，运行转速也不同。制动电阻 R 越大，由于用于制动的电磁转矩Te 越小，转速绝对值 n 越高，如图（b）所示。102022/8/1210114 反接制动过程能耗制动

7、过程的一个实例是反接制动停车。它是把正向运行的他励直流电动机的电源电压突然反接，同时在电枢回路串入限流的反接制动电阻R来实现的。拖动反抗性恒转矩负载、C) 时，其机械特性如图所示。(a)(b)图 3.4.9 反接制动过程R反向电源反接制动停车 (B正向电源IaM1: 固有机械特性；2: U = U n ，电枢串电阻的机械特性D2022/8/1211I a ( Ra + R ) +GD dn12表 3.4.3 反接制动过程中的功率关系电动机空载损耗p0输出机械功率P2输入电功率P1U N Ia =电枢回路总损耗 PCua2电磁功率（电?机） PMEa IaTe =+T0 +T222375 dtP

8、 = T2 = (TL T0 +) 0 ，减少的动能2022/8/1212反向电源IaTeB正向电源nARM对于采用可调节电压源的电力拖动系统，常常采用先降压减速（避免接限流电阻）、再反接低电压从而反接制动停车并接着反向（或正向）起动的运行方式，达到迅速制动并反转（正转）的目的。132022/8/1213145 倒拉反转运行(不讲)图 3.4.10 倒拉反转运行1: 固有特性2: 电枢串电阻人为特性他励直流电动机如果拖动位能性负载运行，电枢回路串入电阻时，转速 n 下降，但是如果电阻值大到一定程度后，如图3.4.6-5 所示，就会使转速 n 0 ，与 n 方向相反，是一种制动运行状态，称为倒拉

9、反转运行或限速反转运行。2022/8/1214图 3.4.6-7反向回馈制动运行如果他励直流电动机拖动位能性负载，当电源电压反接时，工作点在第 4 限，见图（a）中的 B 点，这时电磁转矩Te 0 ，转速 n 0 ，Te 与 n 反方向，称为反向回馈制动运行。157 反向回馈制动运行（不讲）2022/8/121516他励直流电动机如果拖动位能性负载进行反接制动，当转速下降到 n = 0 时，如果不及时切除电源，也不抱闸抱住电动机轴，那么由于电磁转矩与负载转矩不相等，系统不能维持 n = 0 的恒速，而继续减速即反转，如图（b）所示直到达到反接制动机械特性与负载机械特性交点 C，方才稳定。电动机

10、在 C 点的运行状态也是反向回馈制动运行状态。2022/8/121617图 3.4.4 他励直流电机的四象限运行各种运行状态和功率流程图3.4.3 小结2022/8/121718例题：例3.4-2 Word 文档2022/8/1218例3.4-3典型的电梯的机械结构如图3.4.14所示、分为定滑轮、载物轿箱和配重（图中用黑框表示）。此外，还在定滑轮上设置了抱闸装置用于停车时将定滑轮抱死以保证可靠停车。配重的重量一般为载物轿箱满载重量的一半，于是轿箱空载时负载转矩的方向为拖动轿箱上升的方向，轿箱满载时负载转矩的方向为拖动轿箱下降的方向。试分析采用调压调速的直流电机拖动电梯轿箱作四象限运行的基本运

11、行状态。nTe0下降nTLTLnTeTen0Te下降TLnTLnTe提升提升设定： TL 逆时针为正，顺时针为负； n 下降为正，上升为负；电压 U 右正时为加正电压，右负时为加反电压。图 3.4.14 电梯的四象限运行示意192022/8/1219nTe0下降nTLTLnTeTen0Te下降TLnTLnTe提升提升设定：TL 逆时针为正，顺时针为负；n 下降为正，上升为负；电压 U 右正时为加正电压，右负时为加反电压。图 3.4.14 电梯的四象限运行示意20解：首先按电动机惯例设定各个物理量的正方向如图3.4.14中的说明。注意：若不假定正方向，则无法讨论. 其次,由于是稳态运行，电磁转矩

12、和负载转矩的方向相反。2022/8/1220nTe0下降nTLTLnTen0Te提升下降TLnTLnTe设定：TL 逆时针为正，顺时针为负；n 下降为正，上升为负；电压 U 右正时为加正电压，右负时为加反电压。图 3.4.14 电梯的四象限运行示意21TeIa提升EaUIaEaUIaEaUIaU电枢回路的作图：人为规定电压U右正时为加正电压，右负时为加反电压。2022/8/1221nTe0提升TLn在减速停车时，有可能进入象限nTeTeTL在加速时，有可能进入? 象限tnn下降AB图 3.4.15 轿箱空载下降并降压停车和加速上升（正方向同图 3.4.14）222022/8/122223本节(4.3)小结：本节定性分析了他激直流电机的调速方法以及相对应的电机输出的转矩或功率的特性。讨论中不考虑电枢回路的动态，只定性考虑动转矩（Te TL ）的影响。（1）有三种调速方法，其中降压调速优点突出、应用最为普遍。（2）调速系统是否经济、调速方法是否合适，还取决于负载转矩特性和调速方法转矩特性的匹配关系。电枢串电阻调速和降压调速方法具有恒转矩特性，调速范围为额定转速以下；弱磁调速是恒功率调速，一般地调速范围为额定转速以上。