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1、电子与信息工程学院电子与信息工程学院 电机与拖动基础电机与拖动基础 直流电动机的电力拖动直流电动机的电力拖动 直流电动机的四象限运行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 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，调节直流电动机电枢电压，达到调速目的 分析系统
2、的机械特性和调速性能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 变化 时的机 械特性 晶闸管直流电动机系统晶闸管直流电动机系统 当当T T为负值，回馈制动时系统的机械特性方程式，对于为负值，回馈制动时系统的机械特性方程式，对于 零式整流电路，有零式整流电路，有 逆变角逆变角 负载很小时，电枢电流很小。电流波形将出现不连续负载很小时，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现象，将对机械特性影响很大 电
3、流不连续时整流 电压与电流波形 晶闸管直流电动机系统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，整流电压波形与电流中断时，三相晶闸管都不导通，整流电压波形与E E相相 同。将导致转速上升，机械特性变软同。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
4、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
5、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： n 定频调宽法：即保持开关频率不变，而仅改变导通时间； n 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
6、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
7、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，
8、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
9、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
10、 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
11、量损耗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一、空载起动的能量损耗 电枢回路损耗电枢回路损耗 电阻起动时，电枢电路中的功率电阻起动时，电枢电路中的功率 则有则有 他励电动机过渡过程的能量损耗他励电动机过渡过程的能量损耗 将能量用将能量用T T和和来表达，则有来表达，则有 能量损耗为能量损耗为 起动时，起动时， 得到得到 可见，电源输入电动机两倍于系统
12、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二、空载能耗制动的能量损耗 空载时能耗，空载时能耗， 空载能耗制动的能量损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三、空载反接制动的能量损耗 空载反接制动时，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
13、过渡过程的能量损耗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
14、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 枢电流的函数枢电流的函数 串励直流电动 机的
15、电路图 串励直流电动机的电力拖动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 当当Ia Ia 及及T T较大时，磁路饱和，串励电动机与他励电动机机较大时，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
