電機(jī)與拖動(dòng)基礎(chǔ)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的四象限運(yùn)行

到此為止，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)四個(gè)象限的運(yùn)行狀態(tài)全部討論過，現(xiàn)將四個(gè)象限運(yùn)行的機(jī)械特性畫在一起，如右圖所示?？梢姡妱?dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)分成兩大類，T與n同方向時(shí)為電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，T與n反方向時(shí)為制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)——利用晶閘管的可控電源技術(shù)，調(diào)節(jié)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓，達(dá)到調(diào)速目的分析系統(tǒng)的機(jī)械特性和調(diào)速性能三相半波零式晶閘管—電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的主電路負(fù)載為電動(dòng)機(jī)時(shí)的整流電壓波形晶閘管－直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

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

理想空載轉(zhuǎn)速反并聯(lián)連接的兩組晶閘管裝置向直流電動(dòng)機(jī)供電晶閘管—直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)為：改變控制角，即可調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓或勵(lì)磁電流，從而達(dá)到平滑調(diào)速的目的。其技術(shù)與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)較高；調(diào)速范圍大，平滑性高，質(zhì)量小，占地面積小，運(yùn)行效率高，設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用都較低，而且快速響應(yīng)控制準(zhǔn)確。其缺點(diǎn)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(dòng)機(jī)效率下降。2）當(dāng)調(diào)速范圍較大時(shí)，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(diào)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(diào)的直流電壓，從而方便地實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)的平滑調(diào)速以及四象限運(yùn)行。由于采用全控型器件（如IGBT、MOSFET、GTR），其開關(guān)頻率高，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，調(diào)速范圍寬（可達(dá)1:20000），綜合指標(biāo)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(jié)構(gòu)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(shè)斬波器的導(dǎo)通時(shí)間為，關(guān)斷時(shí)間為，則開關(guān)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(diào)寬法：即保持開關(guān)頻率不變，而僅改變導(dǎo)通時(shí)間；定寬調(diào)頻法：即保持導(dǎo)通時(shí)間不變，僅改變開關(guān)頻率。

斬波器多采用定頻調(diào)寬法即PWM進(jìn)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(yùn)行功能的直流PWM變換器如下圖所示。

具有四象限運(yùn)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(yùn)行情況分別討論如下：第I象限運(yùn)行：

第I象限對應(yīng)于直流電機(jī)處于正向電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，此時(shí)，電樞電流和轉(zhuǎn)速（或反電勢）的方向均為正。

圖a給出了第I象限運(yùn)行時(shí)主回路的電路圖。此時(shí)，主開關(guān)和同時(shí)導(dǎo)通。

第I象限運(yùn)行的直流PWM變換器

假定關(guān)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(shí)電樞回路處于短路狀態(tài)，相應(yīng)的主電路如圖b所示。下頁圖a、b給出了第象限運(yùn)行時(shí)電樞兩端的電壓和電樞電流的波形。I第I象限運(yùn)行時(shí)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(shí)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(guān)斷的不僅僅是主開關(guān)，而是和同時(shí)關(guān)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(dǎo)通。此時(shí)，電樞兩端的電壓為，直流電機(jī)將工作在反接制動(dòng)狀態(tài)。第II象限運(yùn)行：

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

假定系統(tǒng)剛開始運(yùn)行在第I象限，一旦發(fā)出制動(dòng)命令，則和關(guān)斷，和首先導(dǎo)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(dǎo)通。在反電勢的作用下，電流將通過和構(gòu)成回路，并將電樞回路短路。在此階段，直流電機(jī)進(jìn)入能耗制動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)電流達(dá)到上限值時(shí)，控制關(guān)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(shí)，直流電機(jī)進(jìn)入回饋制動(dòng)階段。第II象限運(yùn)行的直流PWM變換器

下圖給出了第II象限運(yùn)行時(shí)的電樞電壓和電流的波形。第II象限運(yùn)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(fù)，表明電功率由直流電機(jī)流向電源。第III象限運(yùn)行：

第III象限對應(yīng)于直流電機(jī)處于反向電動(dòng)機(jī)狀態(tài)，此時(shí)，轉(zhuǎn)速（或反電勢）與電樞電流均反向。

下圖a給出了第III象限運(yùn)行時(shí)主回路的電路圖。圖中，主開關(guān)和同時(shí)導(dǎo)通，電流增加。若關(guān)斷，則電樞回路通過短路，如圖b所示。

第III象限運(yùn)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(shí)的電樞電壓和電流波形。

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

第IV象限對應(yīng)于直流電機(jī)處于反向發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)，轉(zhuǎn)速（或反電勢）保持反向不變，電樞電流變?yōu)檎?，電?dòng)機(jī)儲存的動(dòng)能便會通過變流器回饋至直流電源。

假定系統(tǒng)剛開始運(yùn)行在第III象限，一旦發(fā)出制動(dòng)命令，則和斷開，和導(dǎo)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(dǎo)通。在反電勢的作用下，電流將通過和構(gòu)成回路，并將電樞回路短路。在此階段，直流電機(jī)進(jìn)入能耗制動(dòng)狀態(tài)，電流將增加。

當(dāng)電流達(dá)到上限值時(shí)，控制關(guān)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(shí)，直流電機(jī)進(jìn)入回饋制動(dòng)階段。第IV象限運(yùn)行的直流PWM變換器

圖給出了第IV象限運(yùn)行時(shí)的電樞電壓和電流的波形。

第IV象限運(yùn)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(fù)，而平均電樞電流為正，表明電功率由直流電機(jī)流向電源。他勵(lì)電動(dòng)機(jī)過渡過程的能量損耗電力拖動(dòng)系統(tǒng)過渡過程中，內(nèi)部有一定的能量損耗?？赡苡绊戨妱?dòng)機(jī)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(dòng)的能量損耗電樞回路損耗電阻起動(dòng)時(shí)，電樞電路中的功率則有他勵(lì)電動(dòng)機(jī)過渡過程的能量損耗將能量用T和Ω來表達(dá)，則有能量損耗為起動(dòng)時(shí)，得到可見，電源輸入電動(dòng)機(jī)兩倍于系統(tǒng)儲存動(dòng)能的能量，其中一半為拖動(dòng)系統(tǒng)儲存的動(dòng)能，另一半為起動(dòng)損耗他勵(lì)電動(dòng)機(jī)過渡過程的能量損耗二、空載能耗制動(dòng)的能量損耗空載時(shí)能耗，空載能耗制動(dòng)的能量損耗損耗等于拖動(dòng)系統(tǒng)所儲存的動(dòng)能他勵(lì)電動(dòng)機(jī)過渡過程的能量損耗三、空載反接制動(dòng)的能量損耗空載反接制動(dòng)時(shí)，能量損耗電源向電動(dòng)機(jī)輸入的能量AT空載反接時(shí)的能量損耗等于拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能儲存量的三倍。期中二倍為電源輸入電動(dòng)機(jī)能量，另外由拖動(dòng)系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)放出的動(dòng)能供給他勵(lì)電動(dòng)機(jī)過渡過程的能量損耗四、空載反轉(zhuǎn)過程的能量損耗反轉(zhuǎn)過程，先反接制動(dòng)，轉(zhuǎn)速到零速，再反向起動(dòng)反接過程的能量損耗空載反轉(zhuǎn)過程的能量損耗等于拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能儲存量的四倍而反接制動(dòng)時(shí)的能量損耗等于拖動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)能儲存量的三倍，另外部分為反向起動(dòng)的能量損耗他勵(lì)電動(dòng)機(jī)過渡過程的能量損耗五、減少他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)過渡過程能量損耗的方法（一）減少拖動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)能儲存量1、通常設(shè)計(jì)成細(xì)而長的形狀。2、也可采用雙電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，它由兩臺一半功率的電動(dòng)機(jī)組成，這時(shí)即相當(dāng)于電樞的等效長度增加，而直徑減?。ǘ┖侠磉x擇電動(dòng)機(jī)的起、制動(dòng)方式比較二級與一級起動(dòng)時(shí)的損耗可見，前者僅為后者的一半。同理，他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)m

級改變電壓起動(dòng)（如發(fā)電機(jī)一電動(dòng)機(jī)組）時(shí)，能量損耗可大大減小，為一級起動(dòng)時(shí)的1/m他勵(lì)電動(dòng)機(jī)過渡過程的能量損耗二電動(dòng)機(jī)不同聯(lián)接時(shí)的起動(dòng)對比兩臺電動(dòng)機(jī)串并聯(lián)兩級起動(dòng)兩臺電動(dòng)機(jī)一級起動(dòng)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁回路和電樞回路串聯(lián)，勵(lì)磁回路磁通是電樞電流的函數(shù)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路圖串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)一、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性電樞電流等于勵(lì)磁電流，也等于總電流，即Ia=If=I,U=Ua+Uf+IR，若電動(dòng)機(jī)在磁通未飽和狀態(tài)，每極磁通應(yīng)與電路電流成線性正比當(dāng)電動(dòng)機(jī)帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞電流是變化的，這將引起串勵(lì)電動(dòng)機(jī)磁通的變化，此時(shí)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式為當(dāng)Ia及T較大時(shí)，磁路飽和，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)與他勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性相似，機(jī)械特性接近于直線串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)圖示出串勵(lì)電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性和串聯(lián)電阻時(shí)的機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)串聯(lián)電阻時(shí)的人為機(jī)械特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)，當(dāng)電動(dòng)機(jī)電流趨于零時(shí)，電動(dòng)機(jī)尚存剩磁，理想空載轉(zhuǎn)速不會無窮大，但轉(zhuǎn)速還是很高的，所以一般串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許空載運(yùn)行串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)降低電源電壓的機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)降壓時(shí)的人為機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)繞組并聯(lián)分路電阻的電路圖勵(lì)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(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)繞組并聯(lián)分路電阻的機(jī)械特性串電阻時(shí)的人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性勵(lì)磁繞組并分路電阻時(shí)的人為特性電樞并分路電阻時(shí)的人為特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)二、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)狀態(tài)由于電動(dòng)機(jī)的反電勢Ea無法超過U，因此在串勵(lì)電動(dòng)機(jī)中不能得到回饋制動(dòng)，可以有能耗制動(dòng)和反接制動(dòng)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)直接反接電樞的電路圖轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)反接制動(dòng)特性曲線反接電樞的反接制動(dòng)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電力拖動(dòng)能耗制動(dòng)的方法，是把電樞由電源斷開，接到制動(dòng)電阻上。此時(shí)勵(lì)磁常用他勵(lì)。必須使勵(lì)磁電流方向與能耗制動(dòng)前相同，否則不能產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于串勵(lì)繞組電阻很小，當(dāng)接成他勵(lì)時(shí)，必須在勵(lì)磁電路內(nèi)串入較大的電阻，以限制電流復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的