四象限直流電動(dòng)機(jī)課件

1、1四象限直流電動(dòng)機(jī)四象限直流電動(dòng)機(jī)四象限直流電動(dòng)機(jī)2概念什么什么是單象限和四象限？是單象限和四象限？ 以電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)軸，以轉(zhuǎn)矩為橫坐標(biāo)軸建立的直角坐標(biāo)系，來(lái)描述電動(dòng)機(jī)的四種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，即正向電動(dòng)，回饋發(fā)電制動(dòng)，反接制動(dòng)，以及反向電動(dòng)四種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。每一種狀態(tài)的機(jī)械特性曲線分別在直角坐標(biāo)系的四個(gè)象限。如果裝置只能滿足電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，那么它就是單象限的。如果裝置驅(qū)動(dòng)在電動(dòng)狀態(tài)時(shí)，能夠從電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入第二象限運(yùn)行，也能從電動(dòng)狀態(tài)進(jìn)入第四象限運(yùn)行，那么裝置是四象限的。 單象限裝置只能正向電動(dòng)，或反向電動(dòng)，不能從電動(dòng)運(yùn)行進(jìn)入再生發(fā)電運(yùn)行。 電機(jī)的單象限運(yùn)行，指電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行。四象限指發(fā)電運(yùn)行。 四

2、象限直流電動(dòng)機(jī)3四象限直流電動(dòng)機(jī)4直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)81013四象限直流電動(dòng)機(jī)5 上圖是一臺(tái)直流電機(jī)的最簡(jiǎn)單模型。N和S是一對(duì)固定的磁極，可以是電磁鐵，也可以是永久磁鐵。磁極之間有一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的鐵質(zhì)圓柱體，稱為電樞鐵心。鐵心表面固定一個(gè)用絕緣導(dǎo)體構(gòu)成的電樞線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個(gè)半圓形銅片(換向片)上，它們的組合在一起稱為換向器，在每個(gè)半圓銅片上又分別放置一個(gè)固定不動(dòng)而與之滑動(dòng)接觸的電刷A和B，線圈abcd通過(guò)換向器和電刷接通外電路。四象限直流電動(dòng)機(jī)6直流電動(dòng)機(jī)工作原理直流電動(dòng)機(jī)工作原理 將外部直流電源加于電刷A(正極)和B(負(fù)極)上，則線圈abcd中流過(guò)電流，在導(dǎo)體a

3、b中，電流由a指向b，在導(dǎo)體cd中，電流由c指向d。導(dǎo)體ab和cd分別處于N、S極磁場(chǎng)中，受到電磁力的作用。用左手定則可知導(dǎo)體ab和cd均受到電磁力的作用，且形成的轉(zhuǎn)矩方向一致，這個(gè)轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩，為逆時(shí)針?lè)较颉＿@樣，電樞就順著逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，如圖8.1(a)所示。當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)180，導(dǎo)體cd轉(zhuǎn)到N極下，ab轉(zhuǎn)到S極下，如圖8.1(b)所示，由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛蒬流向c，而ab中的電流由b流向a，從電刷B流出，用左手定則判別可知，電磁轉(zhuǎn)矩的方向仍是逆時(shí)針?lè)酵?。四象限直流電?dòng)機(jī)7直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)四象限直流電動(dòng)機(jī)8 直流發(fā)電機(jī)的模型與直流電動(dòng)機(jī)模型相同，不同的是用原動(dòng)機(jī)

4、(如汽輪機(jī)等)拖動(dòng)電樞朝某一方向(例如逆時(shí)針?lè)较?旋轉(zhuǎn)，如圖8.2(a)所示。這時(shí)導(dǎo)體ab和cd分別切割N極和S極下的磁力線，感應(yīng)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)的方向用右手定則確定?？芍獙?dǎo)體ab中電動(dòng)勢(shì)的方向由b指向a，導(dǎo)體cd中電動(dòng)勢(shì)的方向由d指向c，在一個(gè)串聯(lián)回路中相互疊加的，形成電刷A為電源正極，電刷B為電源負(fù)極。電樞轉(zhuǎn)過(guò)180后，導(dǎo)體cd與導(dǎo)體ab交換位置，但電刷的正負(fù)極性不變，如圖8.2(b)所示?？梢?jiàn)，同直流電動(dòng)機(jī)一樣，直流發(fā)電機(jī)電樞線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的方向也是交變的，而通過(guò)換向器和電刷的整流作用，在電刷A、B上輸出的電動(dòng)勢(shì)是極性不變的直流電動(dòng)勢(shì)。在電刷A、B之間接上負(fù)載，發(fā)電機(jī)就能向負(fù)載供給

5、直流電能。這就是直流發(fā)電機(jī)的基本工作原理。四象限直流電動(dòng)機(jī)9回饋發(fā)電制動(dòng)回饋發(fā)電制動(dòng) 回饋制動(dòng)采用的是有源逆變技術(shù)，將再生電能逆變?yōu)榕c電網(wǎng)同頻率同相位的交流電回送電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)。 在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)的減速和停止都是通過(guò)逐漸減小運(yùn)行頻率來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在變頻器頻率減小的瞬間，電動(dòng)機(jī)的同 步轉(zhuǎn)速隨之下降，而由于機(jī)械慣性的原因，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速未變，或者說(shuō)，它的轉(zhuǎn)速變化是有一定時(shí)間滯后的，這時(shí)會(huì)出現(xiàn)實(shí)際轉(zhuǎn)速大于給定轉(zhuǎn)速，從而產(chǎn)生電動(dòng)機(jī)反電動(dòng)勢(shì)高于變頻器直流端電壓的情況，使EaU, 電樞電流 反向，電磁轉(zhuǎn)矩 也反向，電源輸入功率為負(fù)；而電磁功率亦小于零，表明電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，將電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械能變?yōu)?/p>

6、電能并回饋到電網(wǎng)，故稱回饋制動(dòng)。這時(shí)電動(dòng)機(jī)就變成發(fā)電機(jī)，非但不消耗電網(wǎng)電能，反而可以通過(guò)變頻器專用型能量回饋單元向電網(wǎng)送電，這樣既有良好的制動(dòng)效果，又將動(dòng)能轉(zhuǎn)變化為電能，向電網(wǎng)送電而達(dá)到回收能量的效果。四象限直流電動(dòng)機(jī)10上圖是帶位能負(fù)載下降時(shí)的回饋制動(dòng)機(jī)械特性，電動(dòng)機(jī)電動(dòng)運(yùn)行帶動(dòng)位能性負(fù)載下降，在電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩的共同驅(qū)動(dòng)下，轉(zhuǎn)速沿特性曲線1逐漸升高，進(jìn)入回饋制動(dòng)后將穩(wěn)定運(yùn)行在a點(diǎn)上。需要指出的是，此時(shí)電樞回路不允許串入電阻，否則將會(huì)穩(wěn)定運(yùn)行在很高轉(zhuǎn)速的b點(diǎn)上。 四象限直流電動(dòng)機(jī)11反接制動(dòng)反接制動(dòng)反接制動(dòng)分為電樞電壓反向反接制動(dòng)電樞電壓反向反接制動(dòng)和倒拉反接制動(dòng)倒拉反接制動(dòng)a)電樞電壓反

7、向反接制動(dòng)電樞電壓反向反接制動(dòng)四象限直流電動(dòng)機(jī)12四象限直流電動(dòng)機(jī)13 電樞電壓反向反接制動(dòng)機(jī)械特性是一條過(guò)（-n0）點(diǎn)并與電樞回路串入電阻RF的人為機(jī)械特性相平行的直線，如圖所示四象限直流電動(dòng)機(jī)14b 電勢(shì)電勢(shì)反接制動(dòng)（倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行反接制動(dòng)（倒拉反轉(zhuǎn)運(yùn)行） 四象限直流電動(dòng)機(jī)15四象限直流電動(dòng)機(jī)16 對(duì)于單象限的調(diào)速器，當(dāng)電機(jī)需要反轉(zhuǎn)時(shí)，要加時(shí)間繼電器。無(wú)論是改變勵(lì)磁方向還是改變電樞方向，都必須等待一段時(shí)間，就是說(shuō)不允許工作中突然換向。因?yàn)閯?lì)磁線圈和電樞線圈通的都是直流電，需要時(shí)間來(lái)釋放能量，如果換向太快將會(huì)把整流橋反向擊穿。而四象限的調(diào)速器不存在此問(wèn)題，因?yàn)閮山M整流橋方向相反，當(dāng)一組停止輸出

8、時(shí)，另一組正好可以給電機(jī)釋放能量。換向的時(shí)間問(wèn)題換向的時(shí)間問(wèn)題 第三象限和第一象限過(guò)程相同，只不過(guò)電動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向分別相反。而第四象限和第二象限過(guò)程相同，也只不過(guò)是電動(dòng)轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)方向分別相反。四象限直流電動(dòng)機(jī)17四象限直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用四象限直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用 直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，但普通的直流電動(dòng)機(jī)由于需要機(jī)械換相和電刷，可靠性差，需要經(jīng)常維護(hù)；換相時(shí)產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。為了克服機(jī)械換相帶來(lái)的缺點(diǎn)，以電子換相取代機(jī)械換相的無(wú)刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。 1978年的MAC經(jīng)典無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器的推出。之后，

9、國(guó)際上對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行了深入的研究，先后研制成方波無(wú)刷電機(jī)和正弦波直流無(wú)刷電機(jī)。四象限直流電動(dòng)機(jī)18 20多年以來(lái)，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)特別是大功率開(kāi)關(guān)器件的發(fā)展，無(wú)刷電動(dòng)機(jī)得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)不是專指具有電子換相的直流電機(jī)，而是泛指具有有刷直流電動(dòng)機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)不僅保持了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、易于控制。其應(yīng)用從最初的軍事工業(yè)，向航空航天、醫(yī)療、信息、家電以及工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域迅速發(fā)展。四象限直流電動(dòng)機(jī)19無(wú)刷電動(dòng)機(jī)各組成部分發(fā)展?fàn)顩r無(wú)刷電動(dòng)機(jī)各組成部分發(fā)展?fàn)顩r1、電動(dòng)機(jī)本體、電

10、動(dòng)機(jī)本體 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動(dòng)機(jī)基本一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子采用的重量、簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)、提高了性能，使其可靠性得以提高。 第三代永磁材料的應(yīng)用，進(jìn)一步減少了電機(jī)的用銅量，促使無(wú)刷電機(jī)向高效率、小型化、節(jié)能的方向發(fā)展。 目前，為提高電動(dòng)機(jī)的功率密度，出現(xiàn)了橫向磁場(chǎng)永磁電機(jī)，其定子齒槽與電樞線圈在空間位置上相互垂直，電機(jī)中的主磁通沿電機(jī)軸向流通，這種結(jié)構(gòu)提高了氣隙磁密，能夠提供比傳統(tǒng)電機(jī)大得多的輸出轉(zhuǎn)矩。四象限直流電動(dòng)機(jī)202、電子、電子換相電路換相電路 控制電路：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)通過(guò)控制驅(qū)動(dòng)電路中的功率開(kāi)關(guān)器件，來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)矩以及保護(hù)電機(jī)，包括過(guò)流、過(guò)壓、

11、過(guò)熱等保護(hù)。 目前，控制電路一般有專用集成電路、微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器等三種組成形式。對(duì)電機(jī)控制要求不高的場(chǎng)合，由專業(yè)集成電路組成控制電路是簡(jiǎn)單實(shí)用的方法。 驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)動(dòng)電路輸出電功率，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的電樞繞組，并受控于控制電路。驅(qū)動(dòng)電路由大功率開(kāi)關(guān)器件組成。隨著電力電子技術(shù)的飛速發(fā)展，出現(xiàn)了全控型的功率開(kāi)關(guān)器件，其中有可關(guān)斷晶體管（GTO）、電力場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）等。目前，全控型開(kāi)關(guān)器件正在逐漸取代線路復(fù)雜、體積龐大、功能指標(biāo)低的普通晶閘管，驅(qū)動(dòng)電路已從線性放大狀態(tài)轉(zhuǎn)換為脈寬調(diào)制的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，相應(yīng)的電路組成也由功率管分立電路轉(zhuǎn)成模塊化集成電路。四象限直流電動(dòng)機(jī)213、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路電路 永磁無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是一閉環(huán)的機(jī)電一體化系統(tǒng)，它是通過(guò)轉(zhuǎn)子磁極位置信號(hào)作為電子開(kāi)關(guān)線路的換相信號(hào)，因此，準(zhǔn)確檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子位置及時(shí)對(duì)功率器件進(jìn)行切換，是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行的關(guān)鍵。 一般將位置傳感器安裝于轉(zhuǎn)子的軸上，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)子位置的實(shí)時(shí)檢測(cè)。目前磁敏式的霍爾位置傳感器廣泛應(yīng)用于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中，另外還有光電式的位置傳感器。 但位置傳感器的存在，增加了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重量和結(jié)構(gòu)