在他励直流电动机四象限运行的实验中训练工科学生的工程综合能力

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　　摘 要 本文论述了在他励直流电动机四象限运行的实验中训练工科学生的工程综合能力的问题，给出了他励直流电动机在各种运行状态下的电磁转矩T、转速n、电枢电流Ia、电势E、电压平衡方程式及符号的确定和应用场合比较表，就电机在各象限运行时对学生能力的考察阐明了自己的观点。
　　关键词 他励 直流电动机 四象限 综合能力
　　中图分类号：G642 文献标识码：A
　　0引言
　　他励直流电机机械特性的四象限运行实验，是高校自动化专业、电气工程专业、机电专业、测量与控制等专业的本科生对应的《电机学》和《电机与电力拖动基础》课程的一次大型综合性实验，是对学生在电机拖动的动手能力上的一次大检阅，要求实验者能综合的运用电机与拖动方面的理论知识完成实际操作，并通过实验进一步加深对所学理论知识的理解和掌握。同时，在实验的基本方法和综合技能上得到全方位的锻炼，最终达到利用所学知识解决较复杂的工程实际问题能力。
　　（1）什么是他励直流电机四象限运行的机械特性？如何运用直流电机机械特性所在的四个象限分析和判断电机的运行状态？
　　接触过直流电机的一般都知道，直流电机的工作原理是以导体在磁场中运动产生感应电动势和载流导体在磁场中受力为基础来实现机电能量转换的。同一台直流电机之所以既可作直流发电机运行（将机械能转换为电能），也可作直流电动机运行（将电能转换为机械能），是因为直流电机具有换向器这个特殊结构。又因为根据励磁方式的不同，直流电机可分为：串励、并励、他励和复励四种形式（当然，复励又可分为分积复励和差复励）。所谓他励直流电动机，是指直流电动机的励磁回路由独立的直流电源供电。而他励直流电机的机械特性是根据转矩、电势、电压平衡方程式推导出来的，其机械特性方程式一般形式为：，在平面坐标系中，如果用X轴代表转矩（），Y轴代表电机转速（），电磁转矩（）与转速（）的关系就是电机的机械特性。他励直流电机机械特性曲线所在的四象限分别代表直流电机的4种不同运行状态，如图1：第Ⅰ、Ⅲ象限分别代表电机的正、反向电动运行状态;第Ⅱ、Ⅳ象限分别代表电机的正、反向回馈制动状态。
　　机械特性如果从第Ⅱ象限运行到第象Ⅲ限则代表电机处于电源反接的制动状态，如果从第Ⅱ象限运行到第Ⅳ象限穿过坐标原点，必为能耗制动状态。如果从第Ⅰ象限运行到第Ⅳ象限，则电机从正向电动运行过渡到电势反接（倒拉反接）的制动运行状态。
　　（2）他励直流电动机在各种运行状态下的电磁转矩T、转速n、电枢电流Ia、电势E、电压平衡方程式及符号的确定和应用场合比较如表1如示。
　　（3）他励直流电动机在各象限运行时对学生工程能力的综合考察。
　　①他励直流电动机在第Ⅰ、Ⅲ象限运行时对学生工程能力的考察。
　　第Ⅰ、Ⅲ象限代表电动机的正、反向电动运行状态。
　　直流电动机（无论他励还是并励）在第Ⅰ、Ⅲ象限运行时，主要考察学生对直流电动机正、反向的启动和调速方法的掌握及自然机械特性、人为机械特性曲线（电阻特性）的求取。
　　直流电动机启动方法的考察。直流电动机的启动方法是工科机电类专业学生必须掌握的基本技能。直流电动机是不允许直接启动的，因为启动的瞬间，n=0，E=0，加上电动机电枢绕组的固有电阻很小，因而启动电流Ist会很大，这既对电网不利，也会使电动机换向器火花增大，如果直接启动，电动机的电枢绕组几乎处于短路状态，瞬间烧毁电机。所以，启动前电枢回路必须串接电阻（也就是说，启动前，须将电枢回路所串接的启动电阻调至最大，而不应该将它调至最小），启动时必须限制它的启动电流在额定电流范围内。
　　与此同时，直流电动机必须满磁启动，启动前，必须确保电动机的励磁回路接通励磁电源，且励磁回路处于满磁状态，之所以这样，是为了防止电机启动后转速过高，造成飞车。为达到此目的，可以在启动前，在励磁回路中串接一个量程较少直流电流表（一般用毫安表）来观察励磁回路是否满磁，如果在启动前，励磁回路处于开路状态（断线），励磁电流毫安表的读数为零，电机是启动不了的，但是一旦启动起来后，由于某种原因造成励磁回路开路，也就是说励磁电流为零，理论讲，电机转速将趋于无穷大（飞车事故），现实中的感受是：电机的转速将非常非常高，会让人毛骨悚然，极其恐怖，会让人感觉世界末日将要来临。严重的飞车，会导致甩膛事故发生。
　　所以，直流电动机在启动之前，必须作好充分准备：满磁启动，且电枢回路中必须串电阻启动。这是实验者必须掌握的最基本也是最重要的知识点和和必备的操作能力。
　　调速方法和机械特性测试能力的考察。直流电动机具有良好的调速性能，其调速方式有：调压调速，串电阻调速和弱磁升速三种。由于调压调速可以在额定转速范围内实现平滑无级调速，调压时机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大，恒转矩调速，所以应用最广。而弱磁调速是在额定转速以上的平滑无级调速（升速），其调速范围不大，因为普通他励直流电动机的高转速不得超过额定转速的1.2倍，所以，弱磁调速很少单独采用，但有时为了扩大调速范围，就将它和调压调速配合使用，即在额定转速以下，用降压调速，而在额定转速以上，用弱磁调速。因为电枢回路中串电阻调速需外接大功率电阻，功率损耗大、电阻器体积也大、笨重，低速运行时稳定性又较差，不能实现无级调速等诸多缺点，所以，在大功率电机的调速中现已很少采用串电阻调速这种方式。
　　直流电动机的调速与直流电动机机械特性有着密切的联系。直流电动机的机械特性有自然的（固有的）机械特性和人為（串电阻）的机械特性两种，前者是反映在电枢回路中不串电阻情况下所测得的特性，体现的是随着负载的变化（电磁转矩的变化），转速的变化情况，但直流电机在启动时是必须要串接电阻的，只不过启动起来后，须将电枢回路中的电阻全部切除（调为零），才算启动完毕。在此之后，所测得数据才是自然机械特性数据。要测取人为的特性曲线，必须在电枢回路中串接电阻，所以，其机械特性又叫电阻特性，是一簇通过理想空载转速点直线，串入的电阻越大，机械特性越软。以上是对实验者调速方法和机械特性的能力考察。 　　②他励直流电动机在第Ⅱ、Ⅳ象限运行时对学生工程能力的考察。
　　在第Ⅱ、Ⅳ象限运行的直流电动机，其机械特性反映了它的制动运行状态，主要考察学生对各种制动方法的掌握及各种方法优缺点和应用场所的理解。
　　所谓制动，是指在电动机的轴上加一个与旋转方向相反的转矩，以达到机组快速停转，或限制机组的转速在一定的数值内，如电车下坡、重物下放等。在他励直流电动机中，因磁通的方向恒定不变，从可知，可以用改变电枢电流的方向来改变电磁转矩的方向。因为，所以，有三种方法可以改变的方向。
　　切除电源电压，电枢经外电阻短路，即：，即为能耗制动。由于能耗制动时，，，这时的机械特性方程式变为：，电流和电磁转矩都与原来电动机运行状态时的方向相反，即转速方向未变，电流和电磁转矩的方向为负，故机械特性在第二象限为过原点的一条直线。
　　如果，则， 即，称为回馈制动，回馈制动又叫再生制动，如电车下坡时，其位能驅使电机升速，当时，，此时的电枢电流改变方向，电磁转矩反向起制动作用，限制转速上升。此时电机转变为发电机状态，将电车下坡时失去的位能转变为电能回馈给电网，如上图1所示，回馈制动的机械特性为穿过理想空载转速点的直线。
　　将电源电压改变方向，并串入限流电阻，即，此仍反接制动。
　　当电源经过反向开关反接时，加到电枢两端的电压极性与电动机运行时相反。由于磁场和转向不变（），电势方向未变，所以和方向相同，此时变为负值，电磁转矩改变方向成为制动转矩。电机的转速从n1下降至零，电机停转。机械特性曲线会在第二象限出现。当工作机械为阻力负载时，电动机反转，机械特性曲线进入第三象限，其稳定转速为-n1。即：电源反接过程的机械特性位于第二象限，反接的瞬间，电枢两端电压为，所以必须串入限流电阻，以限制电枢电流，通常限制电枢电流小于两倍额定电流，即：这是实验过程中必须注意的地方。还有要值得注意的地方就是：电源反接与倒拉反接不同，前者的特点是，U改变方向和Ea方向相同，然后电流Ia和转矩T的方向改变（第二象限）。而调速中因位能性负载所引起的倒拉反接制动的特点是，电势Ea改变方向和U方向相同，而电流Ia和T的方向未变，但转向改变。机械特性位于第四象限，这是因为电枢回路串入电阻较大，此时转速降故转速n为负值。
　　电动机的反转。在电力拖动装置工作过程中，根据生产的要求，常常需要改变电动机的转向。改变电动机转矩方向的方法有两种：一是将电枢绕组反接，其二是将励磁绕组反接，由于励磁绕组匝数较多，电感较大，反向励磁的建立过程缓慢，从而使反接过程不能迅速进行，所以通常采用反接电枢绕组的方法使电机反转。如果电动机正转，转矩和转速的方向为正，那么反转时，转矩和转速应为负，因此他励直流电动机反转电动状态的机械特性位于第三象限内，反转回馈制动状态的机械特性应该在第四象限内。
　　结论
　　四象限运行是电流、电势的换向过程和电动机的电动、制动过程的转换;电动机在各种
　　运行状态下的电磁转矩、负载转矩、转速、电枢电流和电势等符号的确定是考察实验者综合能力的一个重要方面。回馈制动、反接制动的能量传递关系，电动势平衡方程式的表示，直流电动机启动、调速和制动的各种方法的掌握及各种方法优缺点和应用场所的理解等，都是重要的考察内容。实验过程中，要求实验者一气呵成，将电机四个象限的特性曲线通过实验测试并正确地绘制出来。
　　
　　参考文献
　　[1] 彭鸿才.电机原理及拖动（第3版）[M].机械工业出版社，2017.
　　[2] 李发海.电机学（第五版）[M].科学出版社，2019.
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