清華大學(xué)課件電力拖動(dòng)

1、13.4.3 他勵(lì)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行小結(jié)前述內(nèi)容中與本節(jié)有關(guān)的內(nèi)容： 電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)是指滿(mǎn)足3.2節(jié)所述的穩(wěn)定運(yùn)行條件的那些電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)定工作點(diǎn)恒速運(yùn)行； 電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在工作點(diǎn)之外的機(jī)械特性上時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩不相等，系統(tǒng)處于加速或減速的過(guò)渡過(guò)程； 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性與各種人為機(jī)械特性，分布在機(jī)械特性的四個(gè)象限內(nèi)； 生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，有反抗性恒轉(zhuǎn)矩、位能性轉(zhuǎn)矩、泵類(lèi)等典型負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，也有由幾種典型負(fù)載同時(shí)存在的各種負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性，它們分布在四個(gè)象限之內(nèi)。2022/8/121GD p2下面將具體分析采用典型調(diào)速方式的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)典型負(fù)載

2、時(shí)、在各個(gè)象限內(nèi)不同的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行以及過(guò)渡過(guò)程。下列小標(biāo)題中的“運(yùn)行”是指上述的穩(wěn)定工作點(diǎn)穩(wěn)速運(yùn)行、“過(guò)程”是指上述中電動(dòng)機(jī)從一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)變化到另一個(gè)穩(wěn)定工作點(diǎn)時(shí)變速的過(guò)渡過(guò)程。此外，“制動(dòng)”（brake）一詞是表示在電動(dòng)機(jī)慣例下、電動(dòng)機(jī)在、象限（電磁轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速不同方向）的運(yùn)行現(xiàn)象。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)。3752UI aTeTLE anE1R CT Cf ( I f )I f2022/8/122I a aR31: 固有機(jī)械特性；2: 降壓人為機(jī)械特性3: UN (或 U ):固有或降壓人為機(jī)械特性Te圖 3.4.6 電動(dòng)運(yùn)行（以反抗性恒轉(zhuǎn)矩為例）表 3.4.1 他勵(lì)電機(jī)正向（反向）電動(dòng)運(yùn)行下

3、的功率關(guān)系輸入電功率 P1電樞回路總損耗PCua電磁功率（電? 機(jī)）PM電動(dòng)機(jī)空載損耗 p0輸出機(jī)械功率 P22UIa+Ea IaT =+T0 +T2 +1 正向電動(dòng)運(yùn)行和反向電動(dòng)運(yùn)行2022/8/123GD p圖 3.4.11 (a) 正向回饋制動(dòng)過(guò)程原來(lái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在固有機(jī)械特性曲線的 A 點(diǎn)上，電壓降為U1后，電動(dòng)機(jī)運(yùn)行點(diǎn)從 ABCD，最后穩(wěn)定運(yùn)行在 D 點(diǎn)。在這一降速過(guò)渡過(guò)程中，從 BC 這一階段，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n 0 ，而電磁轉(zhuǎn)矩Te 0 ，Te 與 n 的方向相反，Te 是制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，是一種正向回饋制動(dòng)過(guò)程?！盎仞仭敝鸽妱?dòng)機(jī)把功率回饋電源。46 正向回饋制動(dòng)過(guò)程和運(yùn)行（1）正向回饋制

4、動(dòng)過(guò)程3752UI aTeTLE anE1R CT Cf ( I f )I f2022/8/124I a a +RGD dn5輸入電功率 P1電樞回路總損耗 PCua電磁功率（電? 機(jī)） PM電動(dòng)機(jī)空載損耗 p0輸出機(jī)械功率 P22Ea IaT =U N Ia =+T0 +T222375 dt) 0 。下坡時(shí)小車(chē)受到的總負(fù)載轉(zhuǎn)矩為T(mén)L 2 ， TL 2 0 。所以，負(fù)載機(jī)械特性為曲線 1 和曲線 2。平路時(shí)電動(dòng)機(jī)則運(yùn)行在正向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，工作點(diǎn)為固有機(jī)械特性與曲線 12022/8/126GD2 ，圖 3.4.6-2 能耗制動(dòng)過(guò)程375曲線 2 n =(Te TL )dt對(duì)嗎(1：固有機(jī)械特性；

5、2：電樞電壓為零的人為特性)拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩。在 B 點(diǎn)，用于制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩TeB 0 ，并且TB TL = TB TL 0 ，系統(tǒng)減速。在整個(gè)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te 0 ， Te 與 n 是反方向的，Te 始終是起制動(dòng)作用的，是制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的一種，稱(chēng)之為能耗制動(dòng)過(guò)程。72 能耗制動(dòng)過(guò)程2022/8/127Ia ( Ra + R) +GD dn8用于制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩TB 0 ，并且TB TL = TB TL 0 ，系統(tǒng)減速。在整個(gè)過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Te 0 ，Te 與 n 是反方向的，Te 始終是起制動(dòng)作用的，是制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)的一種，稱(chēng)之為能耗制動(dòng)過(guò)程。表 3.4.2 能耗制動(dòng)時(shí)的功率

6、關(guān)系輸 入電功率P1UIa0電樞回路總損耗PCua2+電磁功率（電 機(jī)）PMEa IaTe =電動(dòng)機(jī)空載損耗 p0T0+輸 出機(jī)械功率P2T222375 dt) 0，轉(zhuǎn)速0，Te為制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩，這種穩(wěn)態(tài)運(yùn)行狀況稱(chēng)為能耗制動(dòng)運(yùn)行。能耗制動(dòng)運(yùn)行Te圖 3.4.6-3Te1: 固有機(jī)械特性；2、3: 電壓為零的人為機(jī)械特性在這種運(yùn)行狀態(tài)下， TL 2 方向與系統(tǒng)轉(zhuǎn)速 n 同方向，為拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。能耗制動(dòng)運(yùn)行時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞回路串入的制動(dòng)電阻不同時(shí)，運(yùn)行轉(zhuǎn)速也不同。制動(dòng)電阻 R 越大，由于用于制動(dòng)的電磁轉(zhuǎn)矩Te 越小，轉(zhuǎn)速絕對(duì)值 n 越高，如圖（b）所示。102022/8/1210114 反接制動(dòng)過(guò)程能耗制動(dòng)

7、過(guò)程的一個(gè)實(shí)例是反接制動(dòng)停車(chē)。它是把正向運(yùn)行的他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電源電壓突然反接，同時(shí)在電樞回路串入限流的反接制動(dòng)電阻R來(lái)實(shí)現(xiàn)的。拖動(dòng)反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、C) 時(shí)，其機(jī)械特性如圖所示。(a)(b)圖 3.4.9 反接制動(dòng)過(guò)程R反向電源反接制動(dòng)停車(chē) (B正向電源IaM1: 固有機(jī)械特性；2: U = U n ，電樞串電阻的機(jī)械特性D2022/8/1211I a ( Ra + R ) +GD dn12表 3.4.3 反接制動(dòng)過(guò)程中的功率關(guān)系電動(dòng)機(jī)空載損耗p0輸出機(jī)械功率P2輸入電功率P1U N Ia =電樞回路總損耗 PCua2電磁功率（電?機(jī)） PMEa IaTe =+T0 +T222375 dtP

8、 = T2 = (TL T0 +) 0 ，減少的動(dòng)能2022/8/1212反向電源IaTeB正向電源nARM對(duì)于采用可調(diào)節(jié)電壓源的電力拖動(dòng)系統(tǒng)，常常采用先降壓減速（避免接限流電阻）、再反接低電壓從而反接制動(dòng)停車(chē)并接著反向（或正向）起動(dòng)的運(yùn)行方式，達(dá)到迅速制動(dòng)并反轉(zhuǎn)（正轉(zhuǎn)）的目的。132022/8/1213145 倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行(不講)圖 3.4.10 倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行1: 固有特性2: 電樞串電阻人為特性他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)如果拖動(dòng)位能性負(fù)載運(yùn)行，電樞回路串入電阻時(shí)，轉(zhuǎn)速 n 下降，但是如果電阻值大到一定程度后，如圖3.4.6-5 所示，就會(huì)使轉(zhuǎn)速 n 0 ，與 n 方向相反，是一種制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，稱(chēng)為倒拉

9、反轉(zhuǎn)運(yùn)行或限速反轉(zhuǎn)運(yùn)行。2022/8/1214圖 3.4.6-7反向回饋制動(dòng)運(yùn)行如果他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)位能性負(fù)載，當(dāng)電源電壓反接時(shí)，工作點(diǎn)在第 4 限，見(jiàn)圖（a）中的 B 點(diǎn)，這時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩Te 0 ，轉(zhuǎn)速 n 0 ，Te 與 n 反方向，稱(chēng)為反向回饋制動(dòng)運(yùn)行。157 反向回饋制動(dòng)運(yùn)行（不講）2022/8/121516他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)如果拖動(dòng)位能性負(fù)載進(jìn)行反接制動(dòng)，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到 n = 0 時(shí)，如果不及時(shí)切除電源，也不抱閘抱住電動(dòng)機(jī)軸，那么由于電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載轉(zhuǎn)矩不相等，系統(tǒng)不能維持 n = 0 的恒速，而繼續(xù)減速即反轉(zhuǎn)，如圖（b）所示直到達(dá)到反接制動(dòng)機(jī)械特性與負(fù)載機(jī)械特性交點(diǎn) C，方才穩(wěn)定。電動(dòng)機(jī)

10、在 C 點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)也是反向回饋制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。2022/8/121617圖 3.4.4 他勵(lì)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行各種運(yùn)行狀態(tài)和功率流程圖3.4.3 小結(jié)2022/8/121718例題：例3.4-2 Word 文檔2022/8/1218例3.4-3典型的電梯的機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3.4.14所示、分為定滑輪、載物轎箱和配重（圖中用黑框表示）。此外，還在定滑輪上設(shè)置了抱閘裝置用于停車(chē)時(shí)將定滑輪抱死以保證可靠停車(chē)。配重的重量一般為載物轎箱滿(mǎn)載重量的一半，于是轎箱空載時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)橥蟿?dòng)轎箱上升的方向，轎箱滿(mǎn)載時(shí)負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)橥蟿?dòng)轎箱下降的方向。試分析采用調(diào)壓調(diào)速的直流電機(jī)拖動(dòng)電梯轎箱作四象限運(yùn)行的基本運(yùn)

11、行狀態(tài)。nTe0下降nTLTLnTeTen0Te下降TLnTLnTe提升提升設(shè)定： TL 逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)； n 下降為正，上升為負(fù)；電壓 U 右正時(shí)為加正電壓，右負(fù)時(shí)為加反電壓。圖 3.4.14 電梯的四象限運(yùn)行示意192022/8/1219nTe0下降nTLTLnTeTen0Te下降TLnTLnTe提升提升設(shè)定：TL 逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)；n 下降為正，上升為負(fù)；電壓 U 右正時(shí)為加正電壓，右負(fù)時(shí)為加反電壓。圖 3.4.14 電梯的四象限運(yùn)行示意20解：首先按電動(dòng)機(jī)慣例設(shè)定各個(gè)物理量的正方向如圖3.4.14中的說(shuō)明。注意：若不假定正方向，則無(wú)法討論. 其次,由于是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩

12、和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的方向相反。2022/8/1220nTe0下降nTLTLnTen0Te提升下降TLnTLnTe設(shè)定：TL 逆時(shí)針為正，順時(shí)針為負(fù)；n 下降為正，上升為負(fù)；電壓 U 右正時(shí)為加正電壓，右負(fù)時(shí)為加反電壓。圖 3.4.14 電梯的四象限運(yùn)行示意21TeIa提升EaUIaEaUIaEaUIaU電樞回路的作圖：人為規(guī)定電壓U右正時(shí)為加正電壓，右負(fù)時(shí)為加反電壓。2022/8/1221nTe0提升TLn在減速停車(chē)時(shí)，有可能進(jìn)入象限nTeTeTL在加速時(shí)，有可能進(jìn)入? 象限tnn下降A(chǔ)B圖 3.4.15 轎箱空載下降并降壓停車(chē)和加速上升（正方向同圖 3.4.14）222022/8/122223本節(jié)(4.3)小結(jié)：本節(jié)定性分析了他激直流電機(jī)的調(diào)速方法以及相對(duì)應(yīng)的電機(jī)輸出的轉(zhuǎn)矩或功率的特性。討論中不考慮電樞回路的動(dòng)態(tài)，只定性考慮動(dòng)轉(zhuǎn)矩（Te TL ）的影響。（1）有三種調(diào)速方法，其中降壓調(diào)速優(yōu)點(diǎn)突出、應(yīng)用最為普遍。（2）調(diào)速系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)、調(diào)速方法是否合適，還取決于負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性和調(diào)速方法轉(zhuǎn)矩特性的匹配關(guān)系。電樞串電阻調(diào)速和降壓調(diào)速方法具有恒轉(zhuǎn)矩特性，調(diào)速范圍為額定轉(zhuǎn)速以下；弱磁調(diào)速是恒功率調(diào)速，一般地調(diào)速范圍為額定轉(zhuǎn)速以上。