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1、1,四象限直流电动机,四象限直流电动机,2,概念,什么是单象限和四象限？,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。,3,4,直流电动机,8,10,
2、13,5,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。,6,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ab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
3、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。,7,直流发电机,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(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
4、，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直流电能。这就是直流发电机的基本工作原理。,9,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
5、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
6、电能，向电网送电而达到回收能量的效果。,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。,11,反接制动,反接制动分为电枢电压反向反接制动和倒拉反接制动,a)电枢电压反向反接制动,12,13,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,14,b 电势反接制动（倒拉反转运行）,15,16,对于单象限的调速器，当电机需要反转时，要
7、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，当一组停止输出时，另一组正好可以给电机释放能量。,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。,17,四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
8、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，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。,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
9、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。,19,无刷电动机各组成部分发展状况,1、电动机本体 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。,20,2、电子换相电路
10、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、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
11、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。,21,3、转子位置检测电路 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尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；更降低了系统的可靠性。 为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果。,
