电机与拖动基础9

电机与拖动基础直流电动机的电力拖动直流电动机的四象限运行

到此为止，他励直流电动机四个象限的运行状态全部讨论过，现将四个象限运行的机械特性画在一起，如右图所示。可见，电动机运行状态分成两大类，T与n同方向时为电动运行状态，T与n反方向时为制动运行状态。晶闸管－直流电动机系统晶闸管－直流电动机系统——利用晶闸管的可控电源技术，调节直流电动机电枢电压，达到调速目的分析系统的机械特性和调速性能三相半波零式晶闸管—电动机系统的主电路负载为电动机时的整流电压波形晶闸管－直流电动机系统

电流连续时的整流电压的平均值降低电源电压调速时的机械特性控制角α变化时的机械特性晶闸管－直流电动机系统当T为负值，回馈制动时系统的机械特性方程式，对于零式整流电路，有β—逆变角负载很小时，电枢电流很小。电流波形将出现不连续现象，将对机械特性影响很大电流不连续时整流电压与电流波形晶闸管－直流电动机系统电流连续时，三相晶闸管有一个导通，整流电压波形与电源电压波形相同电流中断时，三相晶闸管都不导通，整流电压波形与E相同。将导致转速上升，机械特性变软电流不连续时的机械特性

理想空载转速反并联连接的两组晶闸管装置向直流电动机供电晶闸管—直流电动机系统的优点为：改变控制角，即可调节电动机的电枢端电压或励磁电流，从而达到平滑调速的目的。其技术与经济指标较高；调速范围大，平滑性高，质量小，占地面积小，运行效率高，设备投资和运行费用都较低，而且快速响应控制准确。其缺点是：1）由于电枢电流为脉冲波，电流的有效值较高，增加电枢的铜耗，引起电动机效率下降。2）当调速范围较大时，功率因数较低。3）晶闸管整流装置整流变压器一次电流中的谐波成分会造成种种不良影响。斩控方式下直流电的调速

斩控式PWM变换器（又称为斩波器）可以将恒定的直流电源电压变换为大小和极性均可调的直流电压，从而方便地实现直流电动机的平滑调速以及四象限运行。由于采用全控型器件（如IGBT、MOSFET、GTR），其开关频率高，系统的动态响应快，调速范围宽（可达1:20000），综合指标明显优于相控式变流器。

分别给出了直流斩波器的原理图以及控制与输出电压的波形图。

直流PWM变换器的原理图与其电压波形

直流PWM变换器的基本原理、电路结构与工作状态斩波器的基本工作原理定义其占空比为：

则输出电压的平均值为：

设斩波器的导通时间为，关断时间为，则开关频率为：

由式可见，改变占空比便可以改变电枢两端电压的平均值。

占空比可以通过下列两种方式改变：定频调宽法：即保持开关频率不变，而仅改变导通时间；定宽调频法：即保持导通时间不变，仅改变开关频率。

斩波器多采用定频调宽法即PWM进行控制，故这种控制方式的斩波器又称为直流PWM变换器。

四象限可逆式直流PWM变换器

具有四象限运行功能的直流PWM变换器如下图所示。

具有四象限运行的H桥直流PWM变换器

下面对直流PWM变换器在四象限的运行情况分别讨论如下：第I象限运行：

第I象限对应于直流电机处于正向电动机运行状态，此时，电枢电流和转速（或反电势）的方向均为正。

图a给出了第I象限运行时主回路的电路图。此时，主开关和同时导通。

第I象限运行的直流PWM变换器

假定关断，则电枢回路中的电流将减小。在电枢电感的自感电势作用下，电枢电流将通过二极管和续流，此时电枢回路处于短路状态，相应的主电路如图b所示。下页图a、b给出了第象限运行时电枢两端的电压和电枢电流的波形。I第I象限运行时直流PWM变换器的输出电压和电流波形

同样，电枢电压的改变也可以采用另一方案实现。现介绍如下：

假若电枢电流连续，在上述方案中，如果关断的不仅仅是主开关，而是和同时关断，则在电枢电感的作用下，电枢电流将沿二极管和组成的回路导通。此时，电枢两端的电压为，直流电机将工作在反接制动状态。第II象限运行：

第II象限对应于直流电机处于正向发电制动状态，此时，转速（或反电势）方向保持正向不变，而电枢电流反向，转子储存的动能将通过变流器回馈至直流电源。

假定系统刚开始运行在第I象限，一旦发出制动命令，则和关断，和首先导通，则电枢电流将流向直流电源并迅速降为零。为了使电流反向，控制导通。在反电势的作用下，电流将通过和构成回路，并将电枢回路短路。在此阶段，直流电机进入能耗制动状态。当电流达到上限值时，控制关断。在电枢电感的作用下，电枢电流将通过流回直流电源，如下图所示。此时，直流电机进入回馈制动阶段。第II象限运行的直流PWM变换器

下图给出了第II象限运行时的电枢电压和电流的波形。第II象限运行直流PWM变换器的输出电压和电流波形

由上图可见，电枢两端的平均电压为正，而平均电枢电流为负，表明电功率由直流电机流向电源。第III象限运行：

第III象限对应于直流电机处于反向电动机状态，此时，转速（或反电势）与电枢电流均反向。

下图a给出了第III象限运行时主回路的电路图。图中，主开关和同时导通，电流增加。若关断，则电枢回路通过短路，如图b所示。

第III象限运行的直流PWM变换器a、b分别给出了电流连续和断续时的电枢电压和电流波形。

第III象限运行直流PWM变换器的输出电压和电流波形第III象限时系统的运行情况与第I象限类似。第IV象限运行：

第IV象限对应于直流电机处于反向发电制动状态，此时，转速（或反电势）保持反向不变，电枢电流变为正向，电动机储存的动能便会通过变流器回馈至直流电源。

假定系统刚开始运行在第III象限，一旦发出制动命令，则和断开，和导通，则电枢电流将流向直流电源，并迅速降为零。为了使电流改变方向，控制导通。在反电势的作用下，电流将通过和构成回路，并将电枢回路短路。在此阶段，直流电机进入能耗制动状态，电流将增加。

当电流达到上限值时，控制关断。在电枢电感的作用下，电枢电流将通过流回直流电源，如图所示。此时，直流电机进入回馈制动阶段。第IV象限运行的直流PWM变换器

图给出了第IV象限运行时的电枢电压和电流的波形。

第IV象限运行直流PWM变换器的输出电压和电流波形

由上图可见，电枢两端的平均电压为负，而平均电枢电流为正，表明电功率由直流电机流向电源。他励电动机过渡过程的能量损耗电力拖动系统过渡过程中，内部有一定的能量损耗。可能影响电动机的工作过渡过程的能量损耗主要是铜耗。其他损耗很小，略去一、空载起动的能量损耗电枢回路损耗电阻起动时，电枢电路中的功率则有他励电动机过渡过程的能量损耗将能量用T和Ω来表达，则有能量损耗为起动时，得到可见，电源输入电动机两倍于系统储存动能的能量，其中一半为拖动系统储存的动能，另一半为起动损耗他励电动机过渡过程的能量损耗二、空载能耗制动的能量损耗空载时能耗，空载能耗制动的能量损耗损耗等于拖动系统所储存的动能他励电动机过渡过程的能量损耗三、空载反接制动的能量损耗空载反接制动时，能量损耗电源向电动机输入的能量AT空载反接时的能量损耗等于拖动系统动能储存量的三倍。期中二倍为电源输入电动机能量，另外由拖动系统制动时放出的动能供给他励电动机过渡过程的能量损耗四、空载反转过程的能量损耗反转过程，先反接制动，转速到零速，再反向起动反接过程的能量损耗空载反转过程的能量损耗等于拖动系统动能储存量的四倍而反接制动时的能量损耗等于拖动系统动能储存量的三倍，另外部分为反向起动的能量损耗他励电动机过渡过程的能量损耗五、减少他励直流电动机过渡过程能量损耗的方法（一）减少拖动系统的动能储存量1、通常设计成细而长的形状。2、也可采用双电动机拖动，它由两台一半功率的电动机组成，这时即相当于电枢的等效长度增加，而直径减小（二）合理选择电动机的起、制动方式比较二级与一级起动时的损耗可见，前者仅为后者的一半。同理，他励直流电动机m

级改变电压起动（如发电机一电动机组）时，能量损耗可大大减小，为一级起动时的1/m他励电动机过渡过程的能量损耗二电动机不同联接时的起动对比两台电动机串并联两级起动两台电动机一级起动串励直流电动机的电力拖动串励电动机励磁回路和电枢回路串联，励磁回路磁通是电枢电流的函数串励直流电动机的电路图串励直流电动机的电力拖动一、串励电动机的机械特性电枢电流等于励磁电流，也等于总电流，即Ia=If=I,U=Ua+Uf+IR，若电动机在磁通未饱和状态，每极磁通应与电路电流成线性正比当电动机带负载运行时，电枢电流是变化的，这将引起串励电动机磁通的变化，此时串励电动机的转速公式为当Ia及T较大时，磁路饱和，串励电动机与他励电动机机械特性相似，机械特性接近于直线串励直流电动机的电力拖动图示出串励电动机固有机械特性和串联电阻时的机械特性串励直流电动机固有机械特性串励直流电动机串联电阻时的人为机械特性串励电动机实际运行时，当电动机电流趋于零时，电动机尚存剩磁，理想空载转速不会无穷大，但转速还是很高的，所以一般串励电动机不允许空载运行串励直流电动机的电力拖动降低电源电压的机械特性串励直流电动机降压时的人为机械特性串励直流电动机的电力拖动绕组并联分路电阻的电路图励磁绕组并分路电阻的电路图电枢并分路电阻的电路图串励直流电动机的电力拖动绕组并联分路电阻的机械特性串电阻时的人为机械特性固有机械特性励磁绕组并分路电阻时的人为特性电枢并分路电阻时的人为特性串励直流电动机的电力拖动二、串励电动机的制动状态由于电动机的反电势Ea无法超过U，因此在串励电动机中不能得到回馈制动，可以有能耗制动和反接制动串励电动机直接反接电枢的电路图转速反向的反接制动串励电动机反接制动特性曲线反接电枢的反接制动串励直流电动机的电力拖动能耗制动的方法，是把电枢由电源断开，接到制动电阻上。此时励磁常用他励。必须使励磁电流方向与能耗制动前相同，否则不能产生制动转矩。由于串励绕组电阻很小，当接成他励时，必须在励磁电路内串入较大的电阻，以限制电流复励直流电动机的