在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)中訓(xùn)練工科學(xué)生的工程綜合能力

黎群輝 王擊

摘 要 本文論述了在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)四象限運(yùn)行的實(shí)驗(yàn)中訓(xùn)練工科學(xué)生的工程綜合能力的問(wèn)題，給出了他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在各種運(yùn)行狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速n、電樞電流Ia、電勢(shì)E、電壓平衡方程式及符號(hào)的確定和應(yīng)用場(chǎng)合比較表，就電機(jī)在各象限運(yùn)行時(shí)對(duì)學(xué)生能力的考察闡明了自己的觀點(diǎn)。

關(guān)鍵詞 他勵(lì) 直流電動(dòng)機(jī) 四象限 綜合能力

中圖分類(lèi)號(hào)：G642文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0引言

他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特性的四象限運(yùn)行實(shí)驗(yàn)，是高校自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)、電氣工程專(zhuān)業(yè)、機(jī)電專(zhuān)業(yè)、測(cè)量與控制等專(zhuān)業(yè)的本科生對(duì)應(yīng)的《電機(jī)學(xué)》和《電機(jī)與電力拖動(dòng)基礎(chǔ)》課程的一次大型綜合性實(shí)驗(yàn)，是對(duì)學(xué)生在電機(jī)拖動(dòng)的動(dòng)手能力上的一次大檢閱，要求實(shí)驗(yàn)者能綜合的運(yùn)用電機(jī)與拖動(dòng)方面的理論知識(shí)完成實(shí)際操作，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步加深對(duì)所學(xué)理論知識(shí)的理解和掌握。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)的基本方法和綜合技能上得到全方位的鍛煉，最終達(dá)到利用所學(xué)知識(shí)解決較復(fù)雜的工程實(shí)際問(wèn)題能力。

（1）什么是他勵(lì)直流電機(jī)四象限運(yùn)行的機(jī)械特性？如何運(yùn)用直流電機(jī)機(jī)械特性所在的四個(gè)象限分析和判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)？

接觸過(guò)直流電機(jī)的一般都知道，直流電機(jī)的工作原理是以導(dǎo)體在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和載流導(dǎo)體在磁場(chǎng)中受力為基礎(chǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的。同一臺(tái)直流電機(jī)之所以既可作直流發(fā)電機(jī)運(yùn)行（將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能），也可作直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行（將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能），是因?yàn)橹绷麟姍C(jī)具有換向器這個(gè)特殊結(jié)構(gòu)。又因?yàn)楦鶕?jù)勵(lì)磁方式的不同，直流電機(jī)可分為：串勵(lì)、并勵(lì)、他勵(lì)和復(fù)勵(lì)四種形式（當(dāng)然，復(fù)勵(lì)又可分為分積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)）。所謂他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，是指直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路由獨(dú)立的直流電源供電。而他勵(lì)直流電機(jī)的機(jī)械特性是根據(jù)轉(zhuǎn)矩、電勢(shì)、電壓平衡方程式推導(dǎo)出來(lái)的，其機(jī)械特性方程式一般形式為：，在平面坐標(biāo)系中，如果用X軸代表轉(zhuǎn)矩（），Y軸代表電機(jī)轉(zhuǎn)速（），電磁轉(zhuǎn)矩（）與轉(zhuǎn)速（）的關(guān)系就是電機(jī)的機(jī)械特性。他勵(lì)直流電機(jī)機(jī)械特性曲線所在的四象限分別代表直流電機(jī)的4種不同運(yùn)行狀態(tài)，如圖1：第Ⅰ、Ⅲ象限分別代表電機(jī)的正、反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài);第Ⅱ、Ⅳ象限分別代表電機(jī)的正、反向回饋制動(dòng)狀態(tài)。

機(jī)械特性如果從第Ⅱ象限運(yùn)行到第象Ⅲ限則代表電機(jī)處于電源反接的制動(dòng)狀態(tài)，如果從第Ⅱ象限運(yùn)行到第Ⅳ象限穿過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，必為能耗制動(dòng)狀態(tài)。如果從第Ⅰ象限運(yùn)行到第Ⅳ象限，則電機(jī)從正向電動(dòng)運(yùn)行過(guò)渡到電勢(shì)反接（倒拉反接）的制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

（2）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在各種運(yùn)行狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩T、轉(zhuǎn)速n、電樞電流Ia、電勢(shì)E、電壓平衡方程式及符號(hào)的確定和應(yīng)用場(chǎng)合比較如表1如示。

（3）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在各象限運(yùn)行時(shí)對(duì)學(xué)生工程能力的綜合考察。

①他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在第Ⅰ、Ⅲ象限運(yùn)行時(shí)對(duì)學(xué)生工程能力的考察。

第Ⅰ、Ⅲ象限代表電動(dòng)機(jī)的正、反向電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)。

直流電動(dòng)機(jī)（無(wú)論他勵(lì)還是并勵(lì)）在第Ⅰ、Ⅲ象限運(yùn)行時(shí)，主要考察學(xué)生對(duì)直流電動(dòng)機(jī)正、反向的啟動(dòng)和調(diào)速方法的掌握及自然機(jī)械特性、人為機(jī)械特性曲線（電阻特性）的求取。

直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)方法的考察。直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)方法是工科機(jī)電類(lèi)專(zhuān)業(yè)學(xué)生必須掌握的基本技能。直流電動(dòng)機(jī)是不允許直接啟動(dòng)的，因?yàn)閱?dòng)的瞬間，n=0，E=0，加上電動(dòng)機(jī)電樞繞組的固有電阻很小，因而啟動(dòng)電流Ist會(huì)很大，這既對(duì)電網(wǎng)不利，也會(huì)使電動(dòng)機(jī)換向器火花增大，如果直接啟動(dòng)，電動(dòng)機(jī)的電樞繞組幾乎處于短路狀態(tài)，瞬間燒毀電機(jī)。所以，啟動(dòng)前電樞回路必須串接電阻（也就是說(shuō)，啟動(dòng)前，須將電樞回路所串接的啟動(dòng)電阻調(diào)至最大，而不應(yīng)該將它調(diào)至最小），啟動(dòng)時(shí)必須限制它的啟動(dòng)電流在額定電流范圍內(nèi)。

與此同時(shí)，直流電動(dòng)機(jī)必須滿磁啟動(dòng)，啟動(dòng)前，必須確保電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁回路接通勵(lì)磁電源，且勵(lì)磁回路處于滿磁狀態(tài)，之所以這樣，是為了防止電機(jī)啟動(dòng)后轉(zhuǎn)速過(guò)高，造成飛車(chē)。為達(dá)到此目的，可以在啟動(dòng)前，在勵(lì)磁回路中串接一個(gè)量程較少直流電流表（一般用毫安表）來(lái)觀察勵(lì)磁回路是否滿磁，如果在啟動(dòng)前，勵(lì)磁回路處于開(kāi)路狀態(tài)（斷線），勵(lì)磁電流毫安表的讀數(shù)為零，電機(jī)是啟動(dòng)不了的，但是一旦啟動(dòng)起來(lái)后，由于某種原因造成勵(lì)磁回路開(kāi)路，也就是說(shuō)勵(lì)磁電流為零，理論講，電機(jī)轉(zhuǎn)速將趨于無(wú)窮大（飛車(chē)事故），現(xiàn)實(shí)中的感受是：電機(jī)的轉(zhuǎn)速將非常非常高，會(huì)讓人毛骨悚然，極其恐怖，會(huì)讓人感覺(jué)世界末日將要來(lái)臨。嚴(yán)重的飛車(chē)，會(huì)導(dǎo)致甩膛事故發(fā)生。

所以，直流電動(dòng)機(jī)在啟動(dòng)之前，必須作好充分準(zhǔn)備：滿磁啟動(dòng)，且電樞回路中必須串電阻啟動(dòng)。這是實(shí)驗(yàn)者必須掌握的最基本也是最重要的知識(shí)點(diǎn)和和必備的操作能力。

調(diào)速方法和機(jī)械特性測(cè)試能力的考察。直流電動(dòng)機(jī)具有良好的調(diào)速性能，其調(diào)速方式有：調(diào)壓調(diào)速，串電阻調(diào)速和弱磁升速三種。由于調(diào)壓調(diào)速可以在額定轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)平滑無(wú)級(jí)調(diào)速，調(diào)壓時(shí)機(jī)械特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)定度較高，調(diào)速范圍較大，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，所以應(yīng)用最廣。而弱磁調(diào)速是在額定轉(zhuǎn)速以上的平滑無(wú)級(jí)調(diào)速（升速），其調(diào)速范圍不大，因?yàn)槠胀ㄋ麆?lì)直流電動(dòng)機(jī)的高轉(zhuǎn)速不得超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，所以，弱磁調(diào)速很少單獨(dú)采用，但有時(shí)為了擴(kuò)大調(diào)速范圍，就將它和調(diào)壓調(diào)速配合使用，即在額定轉(zhuǎn)速以下，用降壓調(diào)速，而在額定轉(zhuǎn)速以上，用弱磁調(diào)速。因?yàn)殡姌谢芈分写娮枵{(diào)速需外接大功率電阻，功率損耗大、電阻器體積也大、笨重，低速運(yùn)行時(shí)穩(wěn)定性又較差，不能實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速等諸多缺點(diǎn)，所以，在大功率電機(jī)的調(diào)速中現(xiàn)已很少采用串電阻調(diào)速這種方式。

直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速與直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性有著密切的聯(lián)系。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性有自然的（固有的）機(jī)械特性和人為（串電阻）的機(jī)械特性?xún)煞N，前者是反映在電樞回路中不串電阻情況下所測(cè)得的特性，體現(xiàn)的是隨著負(fù)載的變化（電磁轉(zhuǎn)矩的變化），轉(zhuǎn)速的變化情況，但直流電機(jī)在啟動(dòng)時(shí)是必須要串接電阻的，只不過(guò)啟動(dòng)起來(lái)后，須將電樞回路中的電阻全部切除（調(diào)為零），才算啟動(dòng)完畢。在此之后，所測(cè)得數(shù)據(jù)才是自然機(jī)械特性數(shù)據(jù)。要測(cè)取人為的特性曲線，必須在電樞回路中串接電阻，所以，其機(jī)械特性又叫電阻特性，是一簇通過(guò)理想空載轉(zhuǎn)速點(diǎn)直線，串入的電阻越大，機(jī)械特性越軟。以上是對(duì)實(shí)驗(yàn)者調(diào)速方法和機(jī)械特性的能力考察。

②他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在第Ⅱ、Ⅳ象限運(yùn)行時(shí)對(duì)學(xué)生工程能力的考察。

在第Ⅱ、Ⅳ象限運(yùn)行的直流電動(dòng)機(jī)，其機(jī)械特性反映了它的制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)，主要考察學(xué)生對(duì)各種制動(dòng)方法的掌握及各種方法優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)所的理解。

所謂制動(dòng)，是指在電動(dòng)機(jī)的軸上加一個(gè)與旋轉(zhuǎn)方向相反的轉(zhuǎn)矩，以達(dá)到機(jī)組快速停轉(zhuǎn)，或限制機(jī)組的轉(zhuǎn)速在一定的數(shù)值內(nèi)，如電車(chē)下坡、重物下放等。在他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)中，因磁通的方向恒定不變，從可知，可以用改變電樞電流的方向來(lái)改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向。因?yàn)椋裕腥N方法可以改變的方向。

切除電源電壓，電樞經(jīng)外電阻短路，即：，即為能耗制動(dòng)。由于能耗制動(dòng)時(shí)，，，這時(shí)的機(jī)械特性方程式變?yōu)椋海娏骱碗姶呸D(zhuǎn)矩都與原來(lái)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的方向相反，即轉(zhuǎn)速方向未變，電流和電磁轉(zhuǎn)矩的方向?yàn)樨?fù)，故機(jī)械特性在第二象限為過(guò)原點(diǎn)的一條直線。

如果，則， 即，稱(chēng)為回饋制動(dòng)，回饋制動(dòng)又叫再生制動(dòng)，如電車(chē)下坡時(shí)，其位能驅(qū)使電機(jī)升速，當(dāng)時(shí)，，此時(shí)的電樞電流改變方向，電磁轉(zhuǎn)矩反向起制動(dòng)作用，限制轉(zhuǎn)速上升。此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，將電車(chē)下坡時(shí)失去的位能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞伣o電網(wǎng)，如上圖1所示，回饋制動(dòng)的機(jī)械特性為穿過(guò)理想空載轉(zhuǎn)速點(diǎn)的直線。

將電源電壓改變方向，并串入限流電阻，即，此仍反接制動(dòng)。

當(dāng)電源經(jīng)過(guò)反向開(kāi)關(guān)反接時(shí)，加到電樞兩端的電壓極性與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)相反。由于磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)向不變（），電勢(shì)方向未變，所以和方向相同，此時(shí)變?yōu)樨?fù)值，電磁轉(zhuǎn)矩改變方向成為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。電機(jī)的轉(zhuǎn)速?gòu)膎1下降至零，電機(jī)停轉(zhuǎn)。機(jī)械特性曲線會(huì)在第二象限出現(xiàn)。當(dāng)工作機(jī)械為阻力負(fù)載時(shí)，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，機(jī)械特性曲線進(jìn)入第三象限，其穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為-n1。即：電源反接過(guò)程的機(jī)械特性位于第二象限，反接的瞬間，電樞兩端電壓為，所以必須串入限流電阻，以限制電樞電流，通常限制電樞電流小于兩倍額定電流，即：這是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中必須注意的地方。還有要值得注意的地方就是：電源反接與倒拉反接不同，前者的特點(diǎn)是，U改變方向和Ea方向相同，然后電流Ia和轉(zhuǎn)矩T的方向改變（第二象限）。而調(diào)速中因位能性負(fù)載所引起的倒拉反接制動(dòng)的特點(diǎn)是，電勢(shì)Ea改變方向和U方向相同，而電流Ia和T的方向未變，但轉(zhuǎn)向改變。機(jī)械特性位于第四象限，這是因?yàn)殡姌谢芈反腚娮栎^大，此時(shí)轉(zhuǎn)速降故轉(zhuǎn)速n為負(fù)值。

電動(dòng)機(jī)的反轉(zhuǎn)。在電力拖動(dòng)裝置工作過(guò)程中，根據(jù)生產(chǎn)的要求，常常需要改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩方向的方法有兩種：一是將電樞繞組反接，其二是將勵(lì)磁繞組反接，由于勵(lì)磁繞組匝數(shù)較多，電感較大，反向勵(lì)磁的建立過(guò)程緩慢，從而使反接過(guò)程不能迅速進(jìn)行，所以通常采用反接電樞繞組的方法使電機(jī)反轉(zhuǎn)。如果電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的方向?yàn)檎敲捶崔D(zhuǎn)時(shí)，轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速應(yīng)為負(fù)，因此他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)電動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性位于第三象限內(nèi)，反轉(zhuǎn)回饋制動(dòng)狀態(tài)的機(jī)械特性應(yīng)該在第四象限內(nèi)。

結(jié)論

四象限運(yùn)行是電流、電勢(shì)的換向過(guò)程和電動(dòng)機(jī)的電動(dòng)、制動(dòng)過(guò)程的轉(zhuǎn)換;電動(dòng)機(jī)在各種

運(yùn)行狀態(tài)下的電磁轉(zhuǎn)矩、負(fù)載轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速、電樞電流和電勢(shì)等符號(hào)的確定是考察實(shí)驗(yàn)者綜合能力的一個(gè)重要方面。回饋制動(dòng)、反接制動(dòng)的能量傳遞關(guān)系，電動(dòng)勢(shì)平衡方程式的表示，直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的各種方法的掌握及各種方法優(yōu)缺點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)所的理解等，都是重要的考察內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要求實(shí)驗(yàn)者一氣呵成，將電機(jī)四個(gè)象限的特性曲線通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試并正確地繪制出來(lái)。

參考文獻(xiàn)

[1] 彭鴻才.電機(jī)原理及拖動(dòng)（第3版）[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2017.

[2] 李發(fā)海.電機(jī)學(xué)（第五版）[M].科學(xué)出版社，2019.