第26章 直流电动机,按励磁方式分，直流电动机可以分为：他励电动机（包括永磁电动机）、并励电动机、串励电动机和复励电动机。励磁方式不同，运行特性也不同。 直流电动机的基本方程 直流电动机的运行特性 直流电动机稳定运行条件,26-1 直流电动机的基本方程,电压平衡方程 以并励电动机为例，其稳态运行时的等效电路如图26-1所示。在直流电动机中，感应电动势与电枢电流方向相反，因此也称为反电动势。 图26-1 并励直流电动机的等效电路,电枢回路的电压方程为 励磁回路的电压方程为 电流方程为,功率平衡方程 把电枢回路的电压方程两边都乘以 ，得 考虑到 有 即 式中， 是从电源输入的电功率，其它符号的含义与直流发电机相同。,从上式可以看出，从电源吸收的功率，除了一小部分转换为电损耗外，大部分为电磁功率。电磁功率扣除铁心损耗、机械损耗和杂散损耗，剩下的才是电动机轴上输出的机械功率 ， 即 综合以上两式，得到直流电动机的功率平衡方程式 图26-2直流电动机的功率图,转矩平衡方程 方程 两边同除以机械角速度 ，得 即 其中： 为电磁转矩， 为输出转矩， 为由机械损耗、铁心损耗和杂 散损耗引起的制动转矩。,直流电动机的运行特性主要包括转速特性、转矩特性、转速转矩特性（即机械特性）、效率特性，它们与励磁方式直接相关。由于直流电动机的效率特性与直流发电机类似，此处不再论述。 他励直流电动机的运行特性 并励直流电动机的运行特性 串励直流电动机的运行特性 复励直流电动机的运行特性,26-2 直流电动机的运行特性,转速特性 他励直流电动机的转速特性是指外加电压和励磁电流为额定值时，电动机的转速 与电枢电流 之间的关系 。 由 和 可得： 当电枢电流 增加时，若气隙磁通 不变，则转速 将随 的增加而线性下降。由于电枢绕组电阻压降很小，因此转速下降不多。如果考虑电枢反应的去磁作用， 随电枢电流的增大而略有减小，转速下降会更小些，甚至会上升。,他励直流电动机的运行特性,为保证电动机稳定运行，通常将电机设计为图26-3所示的稍微下降的转速特性 图26-3 他励直流电动机的转速特性和转矩特性,需要指出的是，他励直流电动机在运行过程中励磁回路绝对不能断开。当励磁回路断开时，气隙磁通骤然下降到剩磁磁通，感应电动势很小，由于机械惯性的作用，转速不能突然改变，电枢电流急剧增大，会出现两种情况： 1）若电动机重载，所产生的电磁转矩小于负载转矩，转速下降，电动机减速直至停转，停转时，电枢电流为起动电流，引起绕组过热将电机烧毁； 2）电机轻载，所产生的电磁转矩远大于负载转矩，使电动机迅速加速，造成“飞车”。这两种情况都是非常危险的,转矩特性 他励直流电动机的转矩特性是指外加电压和励磁电流为额定值时，电磁转矩与电枢电流 之间的关系 。 根据直流电动机的电磁转矩表达式 可知，磁路不饱和时，气隙磁通 不变，电磁转矩与电枢电流成正比，转矩特性为一条直线；当磁路饱和时，气隙磁通随电枢电流的增加而略有减小，转矩特性略微向下弯曲，如图26-4中的虚线所示。 图26-4 他励直流电动机的转速特性和转矩特性,机械特性 他励直流电动机的机械特性是指当电动机加上一定的电压 和一定的励磁电流 时，转速与电磁转矩之间的关系，即 ，是电动机的一个重要特性。 由 和 可得： 式中， 是理想空载转速， 是机械特性的 斜率。如图26-5所示，机械特性是一条略向下倾斜的直线。,26-3 直流电动机的机械特性,若直流电动机转速随负载转矩变化不大，我们称其机械特性为硬特性，反之称为软特性。转速的变化可用转速调整率表征，定义为 式中， 为额定转速； 为额定励磁电流时的空载转速。 图26-5 他励直流电动机的机械特性,他励直流电动机的机械特性,串励直流电动机的运行特性,串励直流电动机的励磁绕组与电枢回路串联，如图26-6所示，电枢电流等于励磁电流，因而气隙磁通 随电枢电流 的变化很大，是其主要特点。 图26-6 串励直流电动机接线图,转速特性 串励电动机的转速特性是指外加额定电压、串励绕组电阻为常数时，转速和电枢电流之间的关系 。 串励电动机的转速为 式中 。可见，串励电动机的转速特性为双曲线，转速与电枢电流成反比。当负载增大时，电枢电流和励磁电流都增大，导致电阻压降增大、气隙磁通增大，转速迅速下降。如图26-7所示。,串励电动机不允许空载运行，所以转速调整率定义为 式中: 为1/4额定负载时的转速。 图26-7 串励直流电动机特性曲线,转矩特性 串励电动机的转矩特性是指外加额定电压、串励绕组的电阻为常数时，电磁转矩和电枢电流之间的关系 。 当电机轻载时，励磁电流很小，电机的磁路不饱和，串励电动机的电磁转矩为 随着负载的增加，励磁电流逐渐增大，磁路饱和，磁通不再与励磁电流成正比。当磁路非常饱和时，磁通可认为是常值，电磁转矩为 串励电动机的转矩特性如图26-7所示。,机械特性 串励电动机的机械特性是指外加额定电压、串励绕组电阻为常数时，转速和电磁转矩之间的关系 。 整理转速公式 得：,图26-8画出了串励电动机的机械特性曲线。串励电动机的机械特性是软特性。随着电磁转矩的增大，转速下降很快。当电磁转矩较小时，由于气隙磁通的减小，转速迅速增大。电磁转矩为零时，理想空载转速为无穷大。因此，串励直流电动机不允许空载运行，也不能带很轻的负载运行。 安全起见，串励电动机不能用皮带传动方式带负载，因为如果皮带不慎脱落，可能导致电动机转速过高。因此串励电动机和所驱动的机械负载必须直接耦合。 图26-8 串励直流电动机的机械特性,复励直流电动机的机械特性,并励直流电动机的机械特性很硬，串励直流电动机的特性很软且不能空载运行。复励直流电动机则可折中两者的特性，其接线图如图26-9所示。如果串励绕组的磁动势与并励绕组的磁动势方向相同，称为积复励直流电动机；方向相反时，称为差复励直流电动机。后者使用时，容易发生不稳定现象，通常不用。 图26-10中，曲线1是电枢反应较强的并励直流电动机的机械特性。为了得到下降的机械特性，加上一个串励绕组（稳定绕组），以补偿电枢反应的去磁作用，其机械特性如图中曲线2所示。曲线3是以串励为主、并励为辅时的机械特性，曲线4是纯串励时的机械特性。,图26-10 复励直流电动机 图26-11 不同复励直流电动机的机械特性,直流电动机稳定运行条件,电动机工作过程中能否稳定运行与其机械特性和负载特性密切相关。 电动机的机械特性用 曲线表示，负载的机械特性用 曲线表示，二者的交点就是运行工作点，如图26-12所示。图26-12(a)、(b)画出了直流电动机带负载运行的两种情况。 (a)不稳定运行 (b)稳定运行 图26-12 电动机运行稳定的条件,对于图26-12(a)所示的情况，设初始工作点为 ，由于某种扰动，电动机转速有一增量 ，转速由 变化到 ，由于负载转矩小于电磁转矩，即使扰动消失，电机也将继续加速，不能恢复到初始工作点 ； 反之，由于某种原因，电动机转速降低，转速由 变化到 ，负载转矩大于电磁转矩，电机继续减速，也不能恢复到初始工作点 。因此图26-12(a)所示为不稳定运行的情况。不稳定运行的条件是,对于图26-12 (b)所示的情况，设初始工作点为 ，由于某种扰动，电动机转速有一增量 ，转速由 变化到 ，此时负载转矩大于电磁转矩，扰动消失后，电机将减速，恢复到初始工作点 ；反之，由于某种原因，电动机转速降低，转速由 变化到 ，负载转矩小于电磁转矩，电机加速，也能恢复到稳定工作点 。因此图26-12 (b)所示为稳定运行的情况。稳定运行的条件是 若负载为恒转矩负载，则负载转矩不随转速变化，上式变为 即电动机稳定运行的条件是其机械特性必须是下降的。,26-4 直流电动机的起动和调速,一、直流电动机的起动 电动机由静止的状态，接通电源，加速至稳定的工作转速，称为起动。直流电动机起动时，必须满足以下两个要求：（1）有足够的起动转矩；（2）应把起动电流限定在安全范围内。常用的起动方法有三种：直接起动、电枢串电阻起动和降压起动，下面分别进行介绍。 1 直接起动 所谓直接起动，就是直接在电动机上施加额定电压进行起动。这种方法无限流措施，起动电流很大，可达额定电流的几十倍，对电机的换向、温升以及机械可靠性都很不利，所以只有容量很小的直流电动机才可以直接起动。,如果是并励电动机，由于励磁回路电感较大，在直接起动时，必须先把励磁绕组接入电源，然后再给电枢回路通电。 2 电枢回路串电阻起动 如图26-13所示，在他励电动机的电枢回路里串入起动电阻，可以限制起动电流的大小。一般直流电动机的起动电流限制在22.5倍额定电流范围内。 当电动机串电阻起动时，随着转速的上升，电枢电流减小，转子加速趋缓，势必延长起动时间。如果要求起动过程短，可将所串联的起动电阻分为几级，起动中逐级切除。当电动机的转速上升到某一转速时，将图26-13中的触头 C1闭合，切除电阻 ,于是电枢电流又增大，,起动加速。之后，先后闭合C2、C3触头，最后将电阻全部切除。 图26-13直流电动机电枢回路串电阻起动,当电动机容量较大而又起动比较频繁时，电枢回路串电阻起动就很不经济。这时可以采用降低电源电压的办法起动。用专用发电机或可控整流器控制电机的端电压，开始时端电压很低，随着转速的升高，逐渐增大电枢端电压，使电枢电流控制在一定范围内。 对于并励电动机，如采用降压起动，励磁绕组的电压不能降低，否则起动转矩减小，对起动不利。 降压起动的优点是：起动电流小，起动过程平滑，能量消耗少。缺点是调压设备投资大。,3 降压起动,二、直流电动机的调速 直流电动机具有良好的调速性能，能够很好地满足调速范围宽广、转速连续可调、经济性好等要求。由直流电动机的转速表达式 可以看出，直流电动机的调速方法有三种：（1）调节每极磁通；（2）调节电枢端电压；（2）电枢回路串电阻。 图26-14中，曲线1是他励直流电动机的固有机械特性。在此基础上，分别改变上式中的电枢回路电阻、气隙磁通以及端电压的大小，观察电动机的机械特性如何变化。为了简便起见，忽略了电枢反应的影响。,1 电枢回路串电阻调速 在外加电压和每极磁通不变的条件下，在电枢回路中串入电阻 ，理想空载转速 不受影响，仍为 ，而机械特性的斜率增大。而当 时，对应的机械特性曲线分别如图26-14中的曲线4、3、2、1所示。如果电动机带恒转矩负载，其机械特性如图26-14中的AB线所示。 如果希望工作转速由高速的a点变为低速的b点，只要在电枢回路里串入电阻 即可。这种调速方法只能使转速往下调。如果所串电阻 能够连续变化，电动机转速能平滑调节。至于调速范围，从图26-14可以看出，当负载转矩较小时，例如CD线，调速范围很小。可见，在串联同样电阻的情况下，电动机的调速范围随负载转矩的大小而变化。,电枢回路串联电阻调速方法最主要的缺点是调速时电机的效率低。对于AB线所示的负载特性，调速前后电枢电流不变，电磁转矩不变，从电源输入的电功率也不变。由于转速降低，电磁功率成正比降低，因此效率降低了，能量大多消耗在所串联的电阻上。而且，要求电阻箱能长时间运行，其体积是巨大的，也不可能做到连续调节。在大容量直流电动机中，一般不用这个方法。 2 减小气隙磁通调速 当电枢端电压和电枢回路电阻都保持不变时，改变气隙磁通也