1、變流器供電下直流電機(jī)的機(jī)械特性,內(nèi)容簡(jiǎn)介,相控變流器供電下直流電機(jī)的機(jī)械特性及其四象限運(yùn)行分析； 直流斬波器供電下直流電機(jī)的機(jī)械特性及其四象限運(yùn)行分析；,4.1 相控方式下直流電機(jī)的機(jī)械特性,相控變流器與直流電機(jī)組成的拖動(dòng)系統(tǒng)簡(jiǎn)稱為T-D系統(tǒng)，它廣泛應(yīng)用于大、中小各種容量的直流拖動(dòng)系統(tǒng)中。,對(duì)T-D系統(tǒng)而言，相控變流器具有兩種運(yùn)行狀態(tài)：整流和有源逆變。若相控變流器工作在整流狀態(tài)，則直流電機(jī)處在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)；反之，若相控變流器工作在逆變狀態(tài)，則直流電機(jī)處在發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)。,下面就上述兩種運(yùn)行狀態(tài)下T-D系統(tǒng)的機(jī)械特性分別進(jìn)行討論：,A、整流狀態(tài)下直流電機(jī)的機(jī)械特性,考慮到T-D系統(tǒng)中直流電動(dòng)機(jī)存

2、在電樞電流連續(xù)和斷續(xù)兩種情況，而這兩種情況下的機(jī)械特性又有明顯的差異，故此分別討論如下：,a、電流連續(xù)時(shí)的機(jī)械特性,當(dāng)電流連續(xù)且控制角為 時(shí)，相控整流器輸出直流電壓平均值的一般表達(dá)式為：,(4-1),其中， ， 為時(shí)整流電壓波形的峰值；m為交流電源一個(gè)周期內(nèi)整流 電壓的脈波數(shù)。 對(duì)單相全波整流器， 、 ；對(duì)三相半波整流器， 、 對(duì)三相全控橋整流器， 、 。,對(duì)于相控整流器供電的直流電機(jī)，忽略晶閘管的管壓降，則由KVL得整流回路直流電壓的平衡方程式為：,(4-2),式中， 為整流回路的總電阻，包括整流變壓器折合到二次側(cè)的等效電阻 、直流電機(jī)的電樞電阻 以及相控變流器換流壓降所對(duì)應(yīng)的等效電阻 ，

3、為變壓器折合到二次側(cè)的等效漏抗。,根據(jù)式（4-2）和轉(zhuǎn)矩表達(dá)式，得T-D系統(tǒng)下直流電機(jī)的機(jī)械特性為：,(4-3),根據(jù)上式繪出電流連續(xù)時(shí)不同控制角 下直流電機(jī)的典型機(jī)械特性如圖4.1所示。,圖4.1 電流連續(xù)時(shí)T-D系統(tǒng)下直流電機(jī)的機(jī)械特性,結(jié)論： 當(dāng)電流連續(xù)時(shí)，相控整流器供電下直流電機(jī)的機(jī)械特性與直流發(fā)電機(jī)組供電時(shí)的機(jī)械特性類似。通過改變控制角 ，便可獲得一組平行的機(jī)械特性，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的速度調(diào)節(jié)。,b、電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性,由于相控整流器輸出為一脈動(dòng)直流電壓，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，平波電抗器的電感儲(chǔ)能也較小，致使晶閘管難以維持到下一個(gè)晶閘管導(dǎo)通時(shí)刻，電流出現(xiàn)斷續(xù)，此時(shí)直流電機(jī)的機(jī)械特性將發(fā)生變化，而

4、不是如圖4.1中的虛線所示?，F(xiàn)分析如下：,當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，T-D系統(tǒng)中直流電機(jī)的電樞回路可用圖4.2所示一相等效電路來描述。,圖4.2 T-D系統(tǒng)中直流電機(jī)電樞回路的等效電路,當(dāng)電流斷續(xù)時(shí)，T-D系統(tǒng)中直流電機(jī)的電樞電壓與電樞電流波形如圖4.3所示。,圖4.3 電流斷續(xù)時(shí)直流電機(jī)的電樞電壓與電樞電流波形,解上述微分方程得：,為了簡(jiǎn)化計(jì)算，先忽略整流回路的總電阻的影響。于是得回路的電壓平衡方程式為：,（4-4）,式中， 為積分常數(shù)，可通過邊界條件求得。,考慮到電流是斷續(xù)的，在晶閘管導(dǎo)通的瞬間 時(shí)， （見圖4.3），于是有：,（4-5）,將式（4-5）代入式（4-4）得：,（4-6）,由于電流是斷續(xù)

5、的，電流僅在一定時(shí)間內(nèi)導(dǎo)通，設(shè)晶閘管的導(dǎo)通角為 ，將終值條件： 時(shí)， （見圖4.3）代入式（4-6），并整理得：,（4-7）,由于 ，于是得電機(jī)的轉(zhuǎn)速表達(dá)式為：,（4-8）,上式反映了轉(zhuǎn)速n 與導(dǎo)通角 之間的關(guān)系。考慮到導(dǎo)通角 與電樞電流 的大小有關(guān)，故式（4-8）間接給出了T-D系統(tǒng)電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性。,至于要真正計(jì)算系統(tǒng)的機(jī)械特性，還需通過式（4-6）求出電樞電流的平均值與導(dǎo)通角 之間的關(guān)系。利用圖4.3并根據(jù)式（4-6）、（4-7）得：,（4-9）,聯(lián)立式（4-8）、（4-9），以消去參變量 ，便可得到不同控制角 下轉(zhuǎn)速n與電樞電流 （或平均電磁轉(zhuǎn)矩 ）之間的關(guān)系，從而求得電流斷續(xù)時(shí)電

6、動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，如圖4.4中的實(shí)線所示。,圖4.4 電流斷續(xù)時(shí)T-D系統(tǒng)的機(jī)械特性,結(jié)論： 電流斷續(xù)時(shí)T-D系統(tǒng)的機(jī)械特性具有如下兩個(gè)特點(diǎn)： 理想空載轉(zhuǎn)速要比假定電流連續(xù)時(shí)計(jì)算出的理想空載 轉(zhuǎn)速升高； 機(jī)械特性變軟。,為了減小電樞電流的斷續(xù)對(duì)系統(tǒng)所產(chǎn)生的不利影響，對(duì)性能要求較高的拖動(dòng)系統(tǒng)，一般在電樞回路中串入一定電感量的平波電抗器，以減小電流斷續(xù)的區(qū)域。在選擇平波電抗器時(shí)，首先應(yīng)確保最小負(fù)載電流 時(shí)電流連續(xù)。,為確保最小負(fù)載電流下電流連續(xù)，即導(dǎo)通角 達(dá)到 ，則由式（4-9）可得：,由此可求得確保電流連續(xù)所需的電感量為：,（4-10）,B、逆變狀態(tài)下直流電機(jī)的機(jī)械特性,a、電流連續(xù)時(shí)的機(jī)械特性,

7、對(duì)T-D系統(tǒng)而言，當(dāng)電流連續(xù)時(shí)相控變流器直流側(cè)的電壓與式（4-1）相同，僅需將控制角 用逆變角 代替即可?？刂平?和逆變角 之間滿足： 。 將其代入式（4-1）得：,（4-11）,將式（4-11）代入式（4-2），得直流電機(jī)的機(jī)械特性為：,（4-12）,根據(jù)上式便可繪出逆變狀態(tài)下電流連續(xù)時(shí)直流電機(jī)的機(jī)械特性如圖4.5所示。,圖4.5 電流連續(xù)時(shí)T-D系統(tǒng)下直流電機(jī)的機(jī)械特性,b、電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性,對(duì)于T-D系統(tǒng)逆變狀態(tài)下電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性，同樣可以用整流狀態(tài)下電流斷續(xù)時(shí)的機(jī)械特性式（4-8）和（4-9）來描述，僅需將其中的控制角 用逆變角 代替即可。,根據(jù)式（4-8）和（4-9）可繪出直

8、流電機(jī)逆變狀態(tài)下電流斷續(xù)時(shí)典型的機(jī)械特性如圖4.5左邊的部分所示。,結(jié)論： 同整流狀態(tài)十分相似，T-D系統(tǒng)電流斷續(xù)時(shí)，逆變狀態(tài)下直流電機(jī)的機(jī)械特性變軟、理想空載轉(zhuǎn)速上升。,C、相控變流器供電下直流電機(jī)的四象限運(yùn)行分析,四象限運(yùn)行功能： 對(duì)于能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)并具有快速起、制動(dòng)功能的拖動(dòng)系統(tǒng)，由于其對(duì)應(yīng)電機(jī)的機(jī)械特性位于四個(gè)象限，因而稱為具有四象限運(yùn)行的電力拖動(dòng)系統(tǒng)（或可逆電力拖動(dòng)系統(tǒng)）。,圖4.6a、b分別給出了四象限運(yùn)行時(shí)T-D系統(tǒng)的機(jī)械特性和結(jié)構(gòu)示意圖。,圖4.6 四象限運(yùn)行的T-D系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,現(xiàn)對(duì)T-D系統(tǒng)四象限運(yùn)行情況分別如下：,第I象限運(yùn)行：,直流電機(jī)作正轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，相控變

9、流器1 工作在整流狀態(tài)，相應(yīng)的控制角 。,第II象限運(yùn)行：,直流電機(jī)作正轉(zhuǎn)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行，相控變流器2 工作在逆變狀態(tài)，相應(yīng)的控制角 （或逆變角 ）。,第III象限運(yùn)行：,直流電機(jī)作反轉(zhuǎn)、電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，相控變流器2 工作在整流狀態(tài)，相應(yīng)的控制角 。,第IV象限運(yùn)行：,直流電機(jī)作正轉(zhuǎn)、發(fā)電機(jī)運(yùn)行，相控變流器2 工作在逆變狀態(tài)，相應(yīng)的控制角 （或逆變角 ）。,由于相控變流器所采用晶閘管器件的單向?qū)щ娦?，僅靠一組相控變流器直流電機(jī)不可能完成由電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)到發(fā)電制動(dòng)狀態(tài)運(yùn)行的轉(zhuǎn)換。只有通過一組變流器工作在整流狀態(tài)，另一組變流器工作在逆變狀態(tài)下才能實(shí)現(xiàn)上述狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，這是相控變流器的不足之一。,4.2 斬

10、控方式下直流電機(jī)的機(jī)械特性,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。,A、直流PWM變換器的基本原理、電路結(jié)構(gòu)與工作狀態(tài),a、斬波器的基本工作原理,圖4.7a、b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。,圖4.7 直流PWM變換器的原理圖與其電壓波形,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：,(4-13),定義其占

11、空比為：,(4-14),則輸出電壓的平均值為：,(4-15),由式（4-15）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。,b、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變換器如圖4.8所示。,圖4.8 具有四象限運(yùn)行的H橋直流PWM變換器,下面對(duì)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(duì)應(yīng)于直流電機(jī)處于正向電動(dòng)機(jī)運(yùn)行

12、狀態(tài)，此時(shí)，電樞電流和轉(zhuǎn)速（或反電勢(shì)）的方向均為正。,圖4.9a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。,圖4.9 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(shì)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4.9b所示。圖4.10a、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,圖4.10 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

13、，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(duì)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(shì)）方向保持正向不變，而電樞電流反向，轉(zhuǎn)子儲(chǔ)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(shì)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

14、直流電源，如圖4.11所示。此時(shí)，直流電機(jī)進(jìn)入回饋制動(dòng)階段。,圖4.11 第II象限運(yùn)行的直流PWM變換器,圖4.12給出了第II象限運(yùn)行時(shí)的電樞電壓和電流的波形。,圖4.12 第II象限運(yùn)行直流PWM變換器的輸出電壓和電流波形,由圖4.12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(duì)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(shì)）與電樞電流均反向。,圖4.13a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，則電樞回路短路，如圖4.13b所示。,圖4.13 第III象限運(yùn)行的

15、直流PWM變換器,圖4.14a、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。,圖4.14 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(duì)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(shì)）保持反向不變，電樞電流變?yōu)檎?，電?dòng)機(jī)儲(chǔ)存的動(dòng)能便會(huì)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(shì)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

16、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4.15所示。此時(shí)，直流電機(jī)進(jìn)入回饋制動(dòng)階段。,圖4.16給出了第IV象限運(yùn)行時(shí)的電樞電壓和電流的波形。,圖4.15 第IV象限運(yùn)行的直流PWM變換器,圖4.16 第IV象限運(yùn)行直流PWM變換器的輸出電壓和電流波形,由圖4.16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。,c、其它形式的直流PWM變換器電路,圖4.17a、b、c給出了幾種常用的直流PWM變換器，它們分別是圖4.8所示變流器的變種。其中，圖4.17a為單象限直流PWM變換器；圖4.17

17、b、c均為兩象限直流PWM變換器。,圖4.17 單象限和兩象限直流PWM變換器,B、PWM變換器供電下直流電機(jī)的機(jī)械特性分析,為了分析直流PWM變換器供電直流電機(jī)的穩(wěn)態(tài)性能，通常采用如下兩種方法：一是忽略諧波的平均值分析法；二是考慮諧波的瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)計(jì)算方法。,假定直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速恒定，定子采用他勵(lì)勵(lì)磁方式，且激磁磁通保持額定值不變。在這一條件下，分別采用上述兩種方法對(duì)直流電機(jī)的機(jī)械特性討論如下：,a、平均值分析法,平均值分析法： 平均值分析法是一種將直流電機(jī)的機(jī)械特性用平均轉(zhuǎn)速和平均電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系來描述的方法，它描述的實(shí)際上是一種準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)下的機(jī)械特性。,當(dāng)電樞電流連續(xù)時(shí)，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電樞電流

18、的平均值為 ，電樞電流的平均值為 ，平均電磁轉(zhuǎn)矩為 ，則直流PWM變換器供電下直流電機(jī)的機(jī)械特性為：,（4-16）,式中，理想空載轉(zhuǎn)速 ，它與占空比 成正比。,根據(jù)上式繪出直流PWM變換器供電下直流電機(jī)在第I、II象限內(nèi)的機(jī)械特性如圖4.18所示。,圖4.18 直流PWM變換器供電下直流電機(jī)的機(jī)械特性,b、穩(wěn)態(tài)下瞬時(shí)電樞電流的計(jì)算方法,圖4.19a、b 分別給出了電流連續(xù)和斷續(xù)時(shí)外加電樞電壓和電流的典型波形。,圖4.19 斬控方式下直流電機(jī)電樞電壓和電流的波形,下面對(duì)上述兩種情況下的瞬時(shí)穩(wěn)態(tài)電樞電流或電磁轉(zhuǎn)矩的計(jì)算方法分別介紹如下：,（1）電流連續(xù)時(shí)：,參考圖4. 8和圖4.19a，直流PWM變換器導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)電樞回路的瞬時(shí)電壓平衡方程式可分別表示為：,方程（4-17）的解為：,（4-17）,（4-18）,（4-19）,其中，電樞回路的時(shí)間常數(shù)為 。,同樣，方程（4-18）的解為：,（4-20）,式中， 。,由圖4.19a的周期性可以得邊界條件為：,（4-21）,利用上述邊界條件，可求出 和 分別為：,（4-22）,（4-23）,將 和 分別代入式（4-19）和（4-20）便可求出穩(wěn)態(tài)時(shí)的瞬時(shí)電樞電流。,直流PWM變換器使電流連續(xù)的最小占空比 被稱為臨界占空比。臨界占空比可以通過使 求出，其具體表達(dá)式為：,（4-24）