電機與拖動基礎9

電機與拖動基礎直流電動機的電力拖動直流電動機的四象限運行

到此為止，他勵直流電動機四個象限的運行狀態(tài)全部討論過，現(xiàn)將四個象限運行的機械特性畫在一起，如右圖所示。可見，電動機運行狀態(tài)分成兩大類，T與n同方向時為電動運行狀態(tài)，T與n反方向時為制動運行狀態(tài)。晶閘管－直流電動機系統(tǒng)晶閘管－直流電動機系統(tǒng)——利用晶閘管的可控電源技術，調節(jié)直流電動機電樞電壓，達到調速目的分析系統(tǒng)的機械特性和調速性能三相半波零式晶閘管—電動機系統(tǒng)的主電路負載為電動機時的整流電壓波形晶閘管－直流電動機系統(tǒng)

電流連續(xù)時的整流電壓的平均值降低電源電壓調速時的機械特性控制角α變化時的機械特性晶閘管－直流電動機系統(tǒng)當T為負值，回饋制動時系統(tǒng)的機械特性方程式，對于零式整流電路，有β—逆變角負載很小時，電樞電流很小。電流波形將出現(xiàn)不連續(xù)現(xiàn)象，將對機械特性影響很大電流不連續(xù)時整流電壓與電流波形晶閘管－直流電動機系統(tǒng)電流連續(xù)時，三相晶閘管有一個導通，整流電壓波形與電源電壓波形相同電流中斷時，三相晶閘管都不導通，整流電壓波形與E相同。將導致轉速上升，機械特性變軟電流不連續(xù)時的機械特性

理想空載轉速反并聯(lián)連接的兩組晶閘管裝置向直流電動機供電晶閘管—直流電動機系統(tǒng)的優(yōu)點為：改變控制角，即可調節(jié)電動機的電樞端電壓或勵磁電流，從而達到平滑調速的目的。其技術與經(jīng)濟指標較高；調速范圍大，平滑性高，質量小，占地面積小，運行效率高，設備投資和運行費用都較低，而且快速響應控制準確。其缺點是：1）由于電樞電流為脈沖波，電流的有效值較高，增加電樞的銅耗，引起電動機效率下降。2）當調速范圍較大時，功率因數(shù)較低。3）晶閘管整流裝置整流變壓器一次電流中的諧波成分會造成種種不良影響。斬控方式下直流電的調速

斬控式PWM變換器（又稱為斬波器）可以將恒定的直流電源電壓變換為大小和極性均可調的直流電壓，從而方便地實現(xiàn)直流電動機的平滑調速以及四象限運行。由于采用全控型器件（如IGBT、MOSFET、GTR），其開關頻率高，系統(tǒng)的動態(tài)響應快，調速范圍寬（可達1:20000），綜合指標明顯優(yōu)于相控式變流器。

分別給出了直流斬波器的原理圖以及控制與輸出電壓的波形圖。

直流PWM變換器的原理圖與其電壓波形

直流PWM變換器的基本原理、電路結構與工作狀態(tài)斬波器的基本工作原理定義其占空比為：

則輸出電壓的平均值為：

設斬波器的導通時間為，關斷時間為，則開關頻率為：

由式可見，改變占空比便可以改變電樞兩端電壓的平均值。

占空比可以通過下列兩種方式改變：定頻調寬法：即保持開關頻率不變，而僅改變導通時間；定寬調頻法：即保持導通時間不變，僅改變開關頻率。

斬波器多采用定頻調寬法即PWM進行控制，故這種控制方式的斬波器又稱為直流PWM變換器。

四象限可逆式直流PWM變換器

具有四象限運行功能的直流PWM變換器如下圖所示。

具有四象限運行的H橋直流PWM變換器

下面對直流PWM變換器在四象限的運行情況分別討論如下：第I象限運行：

第I象限對應于直流電機處于正向電動機運行狀態(tài)，此時，電樞電流和轉速（或反電勢）的方向均為正。

圖a給出了第I象限運行時主回路的電路圖。此時，主開關和同時導通。

第I象限運行的直流PWM變換器

假定關斷，則電樞回路中的電流將減小。在電樞電感的自感電勢作用下，電樞電流將通過二極管和續(xù)流，此時電樞回路處于短路狀態(tài)，相應的主電路如圖b所示。下頁圖a、b給出了第象限運行時電樞兩端的電壓和電樞電流的波形。I第I象限運行時直流PWM變換器的輸出電壓和電流波形

同樣，電樞電壓的改變也可以采用另一方案實現(xiàn)?，F(xiàn)介紹如下：

假若電樞電流連續(xù)，在上述方案中，如果關斷的不僅僅是主開關，而是和同時關斷，則在電樞電感的作用下，電樞電流將沿二極管和組成的回路導通。此時，電樞兩端的電壓為，直流電機將工作在反接制動狀態(tài)。第II象限運行：

第II象限對應于直流電機處于正向發(fā)電制動狀態(tài)，此時，轉速（或反電勢）方向保持正向不變，而電樞電流反向，轉子儲存的動能將通過變流器回饋至直流電源。

假定系統(tǒng)剛開始運行在第I象限，一旦發(fā)出制動命令，則和關斷，和首先導通，則電樞電流將流向直流電源并迅速降為零。為了使電流反向，控制導通。在反電勢的作用下，電流將通過和構成回路，并將電樞回路短路。在此階段，直流電機進入能耗制動狀態(tài)。當電流達到上限值時，控制關斷。在電樞電感的作用下，電樞電流將通過流回直流電源，如下圖所示。此時，直流電機進入回饋制動階段。第II象限運行的直流PWM變換器

下圖給出了第II象限運行時的電樞電壓和電流的波形。第II象限運行直流PWM變換器的輸出電壓和電流波形

由上圖可見，電樞兩端的平均電壓為正，而平均電樞電流為負，表明電功率由直流電機流向電源。第III象限運行：

第III象限對應于直流電機處于反向電動機狀態(tài)，此時，轉速（或反電勢）與電樞電流均反向。

下圖a給出了第III象限運行時主回路的電路圖。圖中，主開關和同時導通，電流增加。若關斷，則電樞回路通過短路，如圖b所示。

第III象限運行的直流PWM變換器a、b分別給出了電流連續(xù)和斷續(xù)時的電樞電壓和電流波形。

第III象限運行直流PWM變換器的輸出電壓和電流波形第III象限時系統(tǒng)的運行情況與第I象限類似。第IV象限運行：

第IV象限對應于直流電機處于反向發(fā)電制動狀態(tài)，此時，轉速（或反電勢）保持反向不變，電樞電流變?yōu)檎颍妱訖C儲存的動能便會通過變流器回饋至直流電源。

假定系統(tǒng)剛開始運行在第III象限，一旦發(fā)出制動命令，則和斷開，和導通，則電樞電流將流向直流電源，并迅速降為零。為了使電流改變方向，控制導通。在反電勢的作用下，電流將通過和構成回路，并將電樞回路短路。在此階段，直流電機進入能耗制動狀態(tài)，電流將增加。

當電流達到上限值時，控制關斷。在電樞電感的作用下，電樞電流將通過流回直流電源，如圖所示。此時，直流電機進入回饋制動階段。第IV象限運行的直流PWM變換器

圖給出了第IV象限運行時的電樞電壓和電流的波形。

第IV象限運行直流PWM變換器的輸出電壓和電流波形

由上圖可見，電樞兩端的平均電壓為負，而平均電樞電流為正，表明電功率由直流電機流向電源。他勵電動機過渡過程的能量損耗電力拖動系統(tǒng)過渡過程中，內部有一定的能量損耗?？赡苡绊戨妱訖C的工作過渡過程的能量損耗主要是銅耗。其他損耗很小，略去一、空載起動的能量損耗電樞回路損耗電阻起動時，電樞電路中的功率則有他勵電動機過渡過程的能量損耗將能量用T和Ω來表達，則有能量損耗為起動時，得到可見，電源輸入電動機兩倍于系統(tǒng)儲存動能的能量，其中一半為拖動系統(tǒng)儲存的動能，另一半為起動損耗他勵電動機過渡過程的能量損耗二、空載能耗制動的能量損耗空載時能耗，空載能耗制動的能量損耗損耗等于拖動系統(tǒng)所儲存的動能他勵電動機過渡過程的能量損耗三、空載反接制動的能量損耗空載反接制動時，能量損耗電源向電動機輸入的能量AT空載反接時的能量損耗等于拖動系統(tǒng)動能儲存量的三倍。期中二倍為電源輸入電動機能量，另外由拖動系統(tǒng)制動時放出的動能供給他勵電動機過渡過程的能量損耗四、空載反轉過程的能量損耗反轉過程，先反接制動，轉速到零速，再反向起動反接過程的能量損耗空載反轉過程的能量損耗等于拖動系統(tǒng)動能儲存量的四倍而反接制動時的能量損耗等于拖動系統(tǒng)動能儲存量的三倍，另外部分為反向起動的能量損耗他勵電動機過渡過程的能量損耗五、減少他勵直流電動機過渡過程能量損耗的方法（一）減少拖動系統(tǒng)的動能儲存量1、通常設計成細而長的形狀。2、也可采用雙電動機拖動，它由兩臺一半功率的電動機組成，這時即相當于電樞的等效長度增加，而直徑減?。ǘ┖侠磉x擇電動機的起、制動方式比較二級與一級起動時的損耗可見，前者僅為后者的一半。同理，他勵直流電動機m

級改變電壓起動（如發(fā)電機一電動機組）時，能量損耗可大大減小，為一級起動時的1/m他勵電動機過渡過程的能量損耗二電動機不同聯(lián)接時的起動對比兩臺電動機串并聯(lián)兩級起動兩臺電動機一級起動串勵直流電動機的電力拖動串勵電動機勵磁回路和電樞回路串聯(lián)，勵磁回路磁通是電樞電流的函數(shù)串勵直流電動機的電路圖串勵直流電動機的電力拖動一、串勵電動機的機械特性電樞電流等于勵磁電流，也等于總電流，即Ia=If=I,U=Ua+Uf+IR，若電動機在磁通未飽和狀態(tài)，每極磁通應與電路電流成線性正比當電動機帶負載運行時，電樞電流是變化的，這將引起串勵電動機磁通的變化，此時串勵電動機的轉速公式為當Ia及T較大時，磁路飽和，串勵電動機與他勵電動機機械特性相似，機械特性接近于直線串勵直流電動機的電力拖動圖示出串勵電動機固有機械特性和串聯(lián)電阻時的機械特性串勵直流電動機固有機械特性串勵直流電動機串聯(lián)電阻時的人為機械特性串勵電動機實際運行時，當電動機電流趨于零時，電動機尚存剩磁，理想空載轉速不會無窮大，但轉速還是很高的，所以一般串勵電動機不允許空載運行串勵直流電動機的電力拖動降低電源電壓的機械特性串勵直流電動機降壓時的人為機械特性串勵直流電動機的電力拖動繞組并聯(lián)分路電阻的電路圖勵磁繞組并分路電阻的電路圖電樞并分路電阻的電路圖串勵直流電動機的電力拖動繞組并聯(lián)分路電阻的機械特性串電阻時的人為機械特性固有機械特性勵磁繞組并分路電阻時的人為特性電樞并分路電阻時的人為特性串勵直流電動機的電力拖動二、串勵電動機的制動狀態(tài)由于電動機的反電勢Ea無法超過U，因此在串勵電動機中不能得到回饋制動，可以有能耗制動和反接制動串勵電動機直接反接電樞的電路圖轉速反向的反接制動串勵電動機反接制動特性曲線反接電樞的反接制動串勵直流電動機的電力拖動能耗制動的方法，是把電樞由電源斷開，接到制動電阻上。此時勵磁常用他勵。必須使勵磁電流方向與能耗制動前相同，否則不能產(chǎn)生制動轉矩。由于串勵繞組電阻很小，當接成他勵時，必須在勵磁電路內串入較大的電阻，以限制電流復勵直流電動機的