电气传动自动控制系统第章

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1、第2章直流电机传动基础2.3直流他励电动机的各种工作状态与四象限运行2.3.1引言电动机的工作状态可分为两大类：电动工作状态(Motoring)：电机把电网的电能转变成机械能，并且发出与系统运动方向一致的转矩。制动工作状态(Braking)：电机把系统的机械能转变成电能，并且发出与系统运动方向相反的转矩。电力拖动系统之所以需要工作在制动状态，是工作机械提出的要求，主要有下列三种情况：①迅速、准确、平稳地停车或迅速反转；②由高速迅速降至低速；③位能负载为获得稳定的下放速度。因此，制动工作状态在生产实际中经常用到，研究它有很重要的意义。制

2、动分为机械制动和电气制动两种，这里研究的是电气制动，有以下3种电气制动方法：①回馈制动(RegenerativeBraking)：把电机轴上的机械能或传动系统储存的动能，变成电能回馈给电网；②反接制动(CountercurrentBraking)：电机同时吸收机械能和电能，把这些能量消耗在电枢或转子回路的电阻上；③能耗制动(DynamicBraking)：把机械能变成电能，并把这些能量消耗在电枢或转子回路的电阻上。为了研究电机的各种工作状态，常常把电机的机械特性和负载的转矩特性画在转矩—转速的象限图上进行分析和解释。这种方法非常直观清

3、楚。从前面各章节的分析中，可知：①电动机的稳态工作点是指满足稳定运行条件的那些电动机的机械特性与负载转矩特性的交点，电动机在稳定工作点恒速运行。②电动机运行在工作点之外的机械特性上时，电动机的电磁转矩与负载转矩不相等，则动态转矩存在，系统处于加速或减速运行的过渡过程。③直流他励电动机的固有机械特性与各种人工机械特性分布在机械特性的四个象限内。④生产机械的负载转矩特性有：反抗性恒转矩负载、位能性恒转矩负载、通风机类型负载等典型负载转矩特性。也有几种典型负载同时存在的各种负载转矩特性，它们也分布在四个象限内。综上可知，直流他励电动机拖动各

4、种类型负载运行时，若改变其电源电压、磁通及电枢回路串接的电阻，电动机的机械特性和工作点就会分布在四个象限之内，也就是说电动机会在四个象限内运行（Four-quadrantoperation）（包括稳态与过渡过程），即处于各种不同的工作状态。由于电动机在四个象限上运行，则转矩、转速有正有负，为此，这里有必要明确一下转速、转矩的正负符号的规定：首先，规定某一方向为正方向。对起重设备的位能负载，以重物提升的运动方向为正方向；对一般的机器以“前进”方向为正方向；对能正反转的系统可规定某一方向为正方向。系统的转速与正方向一致为正，否则为负。电动

5、机的转矩与正方向一致为正，否则为负。负载转矩与正方向一致为负，否则为正。—37—第2章直流电机传动基础则在转矩-转速四象限运行图2-11上，第I、III象限为电动工作状态；而第II、IV象限为制动工作状态。功率是转矩和转速(实际是角速度)的乘积。在第I象限，功率是正的，因此电机作为电动机运行，发出机械功率，称为正向电动状态；在第II象限，功率是负的，电机正方向运行并发出阻碍系统运动的转矩，称为正向制动状态；类似的，第III、IV象限分别称为反向电动和反向制动状态。图2-11四象限运行图下面，就研究电动机在四个象限上的各种工作状态（包括

6、电动和制动）。为了说明象限图中四个象限的物理意义，首先以起重设备(HoistLoad)的位能性恒转矩负载为例来说明。然后，再扩展到其它负载的情况。2.3.2电动工作状态1.提升重物——正向电动运行状态位能性恒转矩负载提升重物的工作情况如图2-12中第I象限所示。平衡锤质量为m0，货笼中有重物，重物连同货笼的总质量为m，m>m0。因为要提升重物，转速n的方向如图2-12所示，其方向使重物向上运动。按规定，该转速n为正。为了达到提升重物的目的，电动机必须发出与转速方向相同的拖动性质的转矩T，如图2-12所示，按规定，该电动机转矩T为正。因

7、为m>m0，所以负载转矩TL的方向如图2-12所示，按规定，该负载转矩TL为正。电动机在这种情况下，称之为电枢按正方向接到电网，即所谓正向接线（假定励磁绕组接线固定不变）。此时，如图2-12所示，电动机产生正方向转矩T，从而克服负载转矩TL使重物提升。电动机转矩T为正（T>0），转速n为正（n>0），则机械特性位于第I象限，如图2-13所示。负载转矩TL为正，且为恒转矩负载，其负载转矩特性也位于第I象限，如图2-13所示。电动机机械特性与负载转矩特性交于A点，电动机转矩与负载转矩平衡（T=TL），且为稳定工作点，系统以稳定的速度nA提

8、升重物。此时nA