2.2 直线感应电机的四象限运行

与普通旋转交流感应电机相同，直线感应电机也可运行在两种不同的工作状态，即电动运行状态和制动运行状态^［1］。

2.2.1 电动运行状态

电动运行状态的特点是电动机推力的方向与电机的运动方向相同。在图2-2的第一象限和第三象限内表示的是在电动状态下电动机的机械特性。在第一象限的是电动机运行在正向电动状态，而在第三象限的是电动机运行在逆向的电动状态。在电动状态运行时，电动机由电网吸收电能，并把电能变换成机械能来驱动负载。

2.2.2 制动运行状态

直线感应电机可运行于回馈制动、反接制动和直流能耗制动三种制动状态，其共同的特点是电动机的推力与电动机的运动方向相反。此时，电动机吸收机械能，并把它转换为电能。

1.回馈制动状态

图2-3是直线感应电机等效电路图。其中，是次级感应电动势；分别为初级电流和次级电流；r₁、、jx₁、分别为初级电阻、次级电阻、初级漏抗和次级漏抗。当直线感应电机由于某种原因，如位能负载的作用，使其运行速度v高于同步速度v_s时，则转差率s=（v_s-v）/v_s＜0。这时，在直线感应电机次级的感应电动势sE₂将改变方向。

而次级电流的有功分量可表示为

次级电流的无功分量为

式（2-1）和式（2-2）说明，当转差率s由正变为负时，次级电流的有功分量将改变方向，其无功分量的方向则不变。其中在和之间的相位差角φ₁ ＞90°，因此初级的电功率

为负，即初级绕组将向电网回馈电能。另外，为负，也变为负，即推力F的方向与电机运动的方向相反。所以这时直线电机向电网回馈电能，电磁力表现为机械制动力，即在制动状态下运行。

在回馈制动时，直线感应电机输出的机械功率P₂为

因为F与v的方向相反，所以P₂是负值，表示直线感应电机吸收了机械功率。因为在回馈制动时F为负、v为正，并且v>v_s。所以，回馈制动时直线感应电机的机械特性将如图2-4中第四象限所示。当电机的制动力与负载阻力相等时，电机将稳定运行。例如，电机以v₁>v_s的速度稳定运行于图2-4所示的点A。

2.反接制动状态

实现直线感应电机反接制动有两种方法：一种是电机速度反向的反接制动；另一种是初级两相反接的反接制动。现分别讨论如下：

（1）电机速度反向的反接制动

直线感应电机速度反向的反接制动可用图2-5来说明，电机起动推力F_st的方向与负载阻力F_L的方向相反，并且F_st<F_L。在负载阻力的作用下，使直线电机运动的方向与起动推力所产生的运动方向相反，并在阻力方向加速。此时转差率s为

在图2-6中，第二象限的实线表示速度反向的反接制动机械特性。由图2-6可以看出，随着|-v|的增加，s和F都增大，直至电机的制动力F与负载力F_L相等时（图中的点A)，电机才稳定运行，其稳定运行速度为-v₁。

（2）初级两相反接的反制动

假设直线感应电机在电动状态下稳定运行，如稳定运行在图2-7的点A，现在要停机或反向，可以将初级任意两相反接。由于初级相序的改变，行波磁场的移动方向也随之改变，从而得到与原运行方向相反的机械特性，运行点由A转移到B，这时，次级导体切割磁场的方向与电动状态运行时切割的方向相反。于是，转差率为

由此可见，s>1是速度反向制动和两相反接制动的共同特点。在两相反接时，E₂、sE₂、I₂和F都与电动状态时的相应量方向相反。于是，电机的速度在-F和负载力的共同作用下，将迅速下降，这相当于图2-7机械特性的BC段。在速度为零（点C）时，如果切断电源，电动机将停止不动，这样就达到了制动的目的。如果电源不切断，电机将反向加速，进入反向的电动运行状态（相当于机械特性的CD段），加速到点D时，反向推力与负载力相等，电动机将稳定运行在点D。这时电动机就变成逆向运行了。

3.直流能耗制动状态

假设直线感应电机原来运行在图2-8b所示的点A，即相应于图2-8a电路图中的触点K1闭合、K2断开。为了迅速停机，应将触点进行换接，即当触点K1断开，电动机脱离电网时，立即将触点K2接通，并给初级两相绕组输入直流电流。这样，在电机气隙中将产生相对于初级不动的静止磁场。然而，初级由于惯性的原因仍在运动，所以这时直线感应电机相当于一台次级短路的同步发电机，它把初级（运动体）的机械惯性能转换为电能，最后以热的形式消耗在次级中，从而使电机得到制动。

直线感应电机的初级相当于同步发电机的转子，次级相当于同步发电机被短路的电枢，由于初级和次级之间有相对运动，所以在次级的导体中感应出电动势并产生电流，次级电流与气隙磁场相互作用产生制动力。因此，这种制动又称为动力制动或直流能耗制动。

直流能耗制动比较适合于要求把运动体可靠地制动到速度为零的应用场所，它不像两相反接制动那样，如果不及时切断电源（当运动体的速度已被制动为零时），就会产生反向加速的问题。另外，它消耗功率比较小，制动力的大小可以调节（改变直流电流的大小）。图2-8b中第四象限的曲线1~3是直流能耗制动时的机械特性。曲线1和曲线2是在次级电阻相同，但直流电流大小不一样（曲线2的大于曲线1的）时的机械特性。曲线3是保持直流电流与曲线1的相等，但是它们的次级电阻不一样（曲线3的比曲线1的大）。由此看出，当次级电阻不变，只增大直流电流时，产生最大制动力时的速度不变，但最大制动力将增大，如图2-8b中曲线1和曲线2所示；当直流电流不变，增大次级电阻时，产生最大制动力时的速度将增加，但最大制动力却保持不变。