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1、变流器供电下直流电机的 机械特性内容简介相控变流器供电下直流电机的机械特性及 其四象限运行分析；直流斩波器供电下直流电机的机械特性及 其四象限运行分析； 4.1 相控方式下直流电机的机械特性相控变流器与直流电机组成的拖动系统简称为T-D系统，它广泛 应用于大、中小各种容量的直流拖动系统中。对T-D系统而言，相控变流器具有两种运行状态：整流和有源逆 变。若相控变流器工作在整流状态，则直流电机处在电动机运行状 态；反之，若相控变流器工作在逆变状态，则直流电机处在发电制 动状态。 下面就上述两种运行状态下T-D系统的机械特性分别进行讨论：A、整流状态下直流电机的机械特性考虑到T-D系统中直流电动机存
2、在电枢电流连续和断续两种情况，而这两种情况下的机 械特性又有明显的差异，故此分别讨论如下：a、电流连续时的机械特性当电流连续且控制角为 时，相控整流器输出直流电压平均值的一般表达式为：(4-1)其中， ， 为时整流电压波形的峰值；m为交流电源一个周期内整流电压的脉波数。对单相全波整流器， 、 ；对三相半波整流器， 、 对三相全控桥整流器， 、 。对于相控整流器供电的直流电机，忽略晶闸管的管压降，则由KVL得整流回路直流电压 的平衡方程式为：(4-2)式中， 为整流回路的总电阻，包括整流变压器折合到二次侧的等效 电阻 、直流电机的电枢电阻 以及相控变流器换流压降所对应的等效电阻， 为变压器折合到
3、二次侧的等效漏抗。根据式（4-2）和转矩表达式，得T-D系统下直流电机的机械特性为：(4-3)根据上式绘出电流连续时不同控制角 下直流电机的典型机械特性如图4.1所示。 图4.1 电流连续时T-D系统下直流电机的机械特性结论：当电流连续时，相控整流器供电下直流电机的机械特性 与直流发电机组供电时的机械特性类似。通过改变控制角 ，便可获得一组平行的机械特性，实现电动机的速度调 节。b、电流断续时的机械特性由于相控整流器输出为一脉动直流电压，当负载较轻时，平波电抗器的电感储能也较 小，致使晶闸管难以维持到下一个晶闸管导通时刻，电流出现断续，此时直流电机的机械 特性将发生变化，而不是如图4.1中的虚
4、线所示。现分析如下：当电流断续时，T-D系统中直流电机的电枢回路可用图4.2所示一相等效电路来描述。图4.2 T-D系统中直流电机电枢回路的等效电路当电流断续时，T-D系统中直流电机的电枢电压与电枢电流波形如图4.3所示。 图4.3 电流断续时直流电机的电枢电压与电枢电流波形解上述微分方程得：为了简化计算，先忽略整流回路的总电阻的影响。于是得回路的电压平衡方程式为：（4-4）式中， 为积分常数，可通过边界条件求得。考虑到电流是断续的，在晶闸管导通的瞬间 时， （见图4.3），于 是有： （4-5）将式（4-5）代入式（4-4）得：（4-6）由于电流是断续的，电流仅在一定时间内导通，设晶闸管的导
5、通角为 ，将终值条件 ： 时， （见图4.3）代入式（4-6），并整理得： （4-7）由于 ，于是得电机的转速表达式为：（4-8）上式反映了转速n 与导通角 之间的关系。考虑到导通角 与电枢电流 的大小有关 ，故式（4-8）间接给出了T-D系统电流断续时的机械特性。至于要真正计算系统的机械特性，还需通过式（4-6）求出电枢电流的平均值与导通角 之间的关系。利用图4.3并根据式（4-6）、（4-7）得：（4-9）联立式（4-8）、（4-9），以消去参变量 ，便可得到不同控制角 下转速n与电枢 电流 （或平均电磁转矩 ）之间的关系，从而求得电流断续时电动机的机械特性， 如图4.4中的实线所示。 图
6、4.4 电流断续时T-D系统的机械特性结论：电流断续时T-D系统的机械特性具有如下两个特点： u 理想空载转速要比假定电流连续时计算出的理想空载转速升高； u 机械特性变软。为了减小电枢电流的断续对系统所产生的不利影响，对性能要求较高的拖动系统，一 般在电枢回路中串入一定电感量的平波电抗器，以减小电流断续的区域。在选择平波电抗 器时，首先应确保最小负载电流 时电流连续。为确保最小负载电流下电流连续，即导通角 达到 ，则由式（4-9）可得：由此可求得确保电流连续所需的电感量为：（4-10）B、逆变状态下直流电机的机械特性a、电流连续时的机械特性对T-D系统而言，当电流连续时相控变流器直流侧的电压
7、与式（4-1）相同，仅需将控 制角 用逆变角 代替即可。控制角 和逆变角 之间满足： 。将其代入式（4-1）得：（4-11）将式（4-11）代入式（4-2），得直流电机的机械特性为：（4-12）根据上式便可绘出逆变状态下电流连续时直流电机的机械特性如图4.5所示。 图4.5 电流连续时T-D系统下直流电机的机械特性b、电流断续时的机械特性对于T-D系统逆变状态下电流断续时的机械特性，同样可以用整流状态下电流断续时 的机械特性式（4-8）和（4-9）来描述，仅需将其中的控制角 用逆变角 代替即可。根据式（4-8）和（4-9）可绘出直流电机逆变状态下电流断续时典型的机械特性如图 4.5左边的部分所
8、示。结论：同整流状态十分相似，T-D系统电流断续时，逆变状 态下直流电机的机械特性变软、理想空载转速上升。 C、相控变流器供电下直流电机的四象限运 行分析四象限运行功能：对于能够实现电机正、反转并具有快速起、制动功能的拖动系统 ，由于其对应电机的机械特性位于四个象限，因而称为具有四象限 运行的电力拖动系统（或可逆电力拖动系统）。图4.6a、b分别给出了四象限运行时T-D系统的机械特性和结构示意图。 图4.6 四象限运行的T-D系统结构示意图现对T-D系统四象限运行情况分别如下： 第I象限运行： 直流电机作正转、电动机运行，相控变流器1 工作在整流状态， 相应的控制角 。第II象限运行： 直流电
9、机作正转、发电机运行，相控变流器2 工作在逆变状态， 相应的控制角 （或逆变角 ）。第III象限运行： 直流电机作反转、电动机运行，相控变流器2 工作在整流状态， 相应的控制角 。第IV象限运行： 直流电机作正转、发电机运行，相控变流器2 工作在逆变状态， 相应的控制角 （或逆变角 ）。由于相控变流器所采用晶闸管器件的单向导电性，仅靠一组相 控变流器直流电机不可能完成由电动机运行状态到发电制动状态运 行的转换。只有通过一组变流器工作在整流状态，另一组变流器工 作在逆变状态下才能实现上述状态的转换，这是相控变流器的不足 之一。4.2 斩控方式下直流电机的机械特性斩控式PWM变换器（又称为斩波器）
10、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。A、直流PWM变换器的基本原理、电路结构 与工作状态a、斩波器的基本工作原理图4.7a、b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。 图4.7 直流PWM变换器的原理图与其电压波形 设斩波器的导通时间为 ，关断时间为 ，则开关频率为：(4-13)定义其占空比为： (4-14)则输出电压的平均值为：(4-15)由式（4-
11、15）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，故这种控制方式的斩波器又称为直流 PWM变换器。 b、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变换器如图4.8所示。 图4.8 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4.9a给
12、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。 图4.9 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4.9b所 示。图4.10a、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图4.10 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
13、， 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，如图4.11所示。此时，直流电机进入回馈制动阶段
14、。 图4.11 第II象限运行的直流PWM变换器图4.12给出了第II象限运行时的电枢电压和电流的波形。图4.12 第II象限运行直流PWM变换器的输出电压和电流波形由图4.12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。 图4.13a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，则电枢回路短路，如图4.13b所示。 图4.13 第III象限运行的直流PWM变换器图4.14a、b分别给出了电流连续和断续时的电枢电压和电流波形。 图4.14 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
