第三章第三章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性直流电动机的直流电动机的构造构造较较复杂复杂，价格价格也比交流电动也比交流电动机机昂贵昂贵,维护维护维修维修也较也较困难困难。 近年来，由于变频近年来，由于变频调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领调速技术的发展，在中小功率的电动机调速领域中，域中，交流电动机交流电动机正正逐步逐步取代直流电动机取代直流电动机。 尽尽管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于管如此，由于直流电动机具有转速稳定、便于大范围平滑调速、起动转矩较大等优点。大范围平滑调速、起动转矩较大等优点。 因此，因此，广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速广泛用于要求进行平滑、稳定、大范围的调速或需频繁正、反转和启、停，多单元同步协调或需频繁正、反转和启、停，多单元同步协调运转的生产机械等。运转的生产机械等。3.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理一、一、 直流电机的基本结构直流电机的基本结构直流电机包括静止的和转动的两大部分，直流电机包括静止的和转动的两大部分，静止部分称为静止部分称为定子定子，转动部分就是，转动部分就是转子转子，静止和转动部分之间要有一定大小的间隙静止和转动部分之间要有一定大小的间隙(以后称为气隙以后称为气隙)。定子定子的主要作用是产生磁场，由的主要作用是产生磁场，由主磁极主磁极、换向极换向极、机座机座和和电刷装置电刷装置等组成。等组成。转子转子(通常称为电枢通常称为电枢)的作用是产生电磁转的作用是产生电磁转矩和感应电动势，由矩和感应电动势，由电枢铁心电枢铁心和和电枢绕组电枢绕组、换向器换向器、轴轴和和风扇风扇等组成。等组成。直流电机的剖面直流电机的剖面主磁极主磁极励磁绕组励磁绕组机座机座换向极换向极换向极绕组换向极绕组电枢绕组电枢绕组电枢铁心电枢铁心主磁极的作用是建立主磁主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流电机的场。绝大多数直流电机的主磁极不是用永久磁铁而主磁极不是用永久磁铁而是由励磁绕组通以直流电是由励磁绕组通以直流电流来建立磁场。流来建立磁场。1. 主磁极主磁极主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极由主磁极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极掌主磁极铁心靠近转子一端的扩大的部分称为极掌，它它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并使励磁绕组容易固定。使励磁绕组容易固定。主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的连接必须使得须使得相邻主磁极的极性按相邻主磁极的极性按 N，S 极交替出现极交替出现。 2. 换向极换向极换向极，又称附加极或间极，是安装在两相邻主磁极换向极，又称附加极或间极，是安装在两相邻主磁极之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向之间的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的换向性能。换向极结构和主磁极类似。换向极的个数一般性能。换向极结构和主磁极类似。换向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也有不装换向极的。换向极绕组与电枢绕组串联。有不装换向极的。换向极绕组与电枢绕组串联。换向极绕组换向极绕组换向极铁心换向极铁心3机座机座 机座通常由铸钢或厚钢板焊成。机座通常由铸钢或厚钢板焊成。它有两个作用：它有两个作用：一个是用来固定主磁极、换向极和端盖；一个是用来固定主磁极、换向极和端盖；另一个作用是作为磁路的一部分。机座另一个作用是作为磁路的一部分。机座中有磁通经过的部分称为磁轭。中有磁通经过的部分称为磁轭。4. 电枢铁心电枢铁心电枢铁心既是主磁通的组成部分，又电枢铁心既是主磁通的组成部分，又是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌是电枢绕组支撑部分；电枢绕组就嵌放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁放在电枢铁心的槽内。为减少电枢铁心内的涡流损耗，铁心一般用硅钢片心内的涡流损耗，铁心一般用硅钢片叠压夹紧而成。叠压夹紧而成。直流电机电枢直流电机电枢 5. 换向器换向器换向器是由若干彼此间用云母片绝缘的铜片换向器是由若干彼此间用云母片绝缘的铜片(即换向片即换向片)组成，如图所示组成，如图所示。换向器的作用：换向器的作用：对于直流电动对于直流电动机，它将外加机，它将外加的直流电动势的直流电动势逆变成电枢绕逆变成电枢绕组的交流电流，组的交流电流，以产生恒定的以产生恒定的电磁转矩。电磁转矩。6电刷装置电刷装置 电刷装置是把直流电压、直流电电刷装置是把直流电压、直流电流引入或引出的装置。电刷由石墨制成，放在流引入或引出的装置。电刷由石墨制成，放在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷握内，用弹簧压紧在换向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷架上，彼此之间都绝缘。刷杆上，刷杆装在刷架上，彼此之间都绝缘。刷架装在端盖或轴承内盖上，调整位置以后，刷架装在端盖或轴承内盖上，调整位置以后，将它固定。将它固定。现将国产直流电动机系列简介如下现将国产直流电动机系列简介如下: 一一.Z型系列型系列 Z为直流电机的汉语拼音第一个字母。这种系列是通风保护式为直流电机的汉语拼音第一个字母。这种系列是通风保护式的。适用于调速范围不大的机械拖动，少灰尘，少腐蚀及温度的。适用于调速范围不大的机械拖动，少灰尘，少腐蚀及温度低的场所。低的场所。 二二.Z2型系列型系列 它是它是Z型系列的改进型型系列的改进型,也上保护式。调速范围可达也上保护式。调速范围可达3比比1，即可，即可超过额定转速的一倍。超过额定转速的一倍。 三三.ZO型系列型系列 这种电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。这种电机是封闭式的，用于多灰尘但无腐蚀性气体的场所。 四四.ZD型系列型系列 主要用于需要广泛调速，具有较大的过载能力的场所。如大型主要用于需要广泛调速，具有较大的过载能力的场所。如大型机床、卷扬机、起重设备。机床、卷扬机、起重设备。 五五.ZQD型系列型系列 它是直流牵引电动机，用于牵引车辆。它是直流牵引电动机，用于牵引车辆。直流电动机的型号直流电动机的型号以以Z2-31Z2-31型电机为例：型电机为例： Z2系列是一般用途的中小型直流电动机，共分系列是一般用途的中小型直流电动机，共分11个机个机座号，每个机座号有二种铁心长度，功率范围为座号，每个机座号有二种铁心长度，功率范围为0.4200kW；转速范围转速范围6003000r/min。直流电机的额定值主要有：直流电机的额定值主要有： 1. 额定功率额定功率 PN：指电机在铭牌规定的额定状态指电机在铭牌规定的额定状态下运行时，电机的输出功率，以下运行时，电机的输出功率，以W为量纲单位。为量纲单位。若大于若大于 1KW 或或 1MW 时时,则用则用 KW 或或 MW 表表示。示。 2. 额定电压额定电压 UN： 指额定状态下电枢出线端的指额定状态下电枢出线端的电压，以电压，以 V为量纲单位。为量纲单位。 3. 额定电流额定电流 IN： 指电机在额定电压、额定功率指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，以时的电枢电流值，以 A为量纲单位。为量纲单位。 4. 额定转速额定转速 nN： 指额定状态下运行时转子的转指额定状态下运行时转子的转速，以速，以r/min为量纲单位。为量纲单位。5. 额定励磁电流额定励磁电流 If： 指电机在额定状态时的励指电机在额定状态时的励磁电流值。磁电流值。注意注意: 对于直流发电机，对于直流发电机，PN是指输出的电功率，它等是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积，即于额定电压和额定电流的乘积，即PNUN IN二、直流电机的基本工作原理二、直流电机的基本工作原理 为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电机结构简化为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联为电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷在两个换向片上，换向片上压着电刷A和和B。1 主磁极主磁极：励磁：励磁绕组上加上直流电绕组上加上直流电压，励磁绕组上有压，励磁绕组上有励磁电流通过，使励磁电流通过，使定子铁心产生固定定子铁心产生固定磁场，即定子的主磁场，即定子的主要作用是产生主磁要作用是产生主磁场。场。 2电电枢枢绕绕组组：在在固固定定的的磁磁场场中中旋旋转转，主主要要作作用用是是产产生生感感应应电电动动势势或或产产生生机机械械转转矩矩，实实现现能能量量的转换。的转换。5换换向向器器：电电刷刷固固定定不不动动，换换向向片片与与电电枢枢绕绕组组一一起起旋旋转转，主主要要作作用用对对发发电电机机而而言言是是将将电电枢枢绕绕组组内内感感应应的的交交流流电电势势转转换换成成电电刷刷间间的的直直流流电电势势。对对电电动动机机而而言言，则则是是将将外外加加的的直直流流电电流流转转换换为为电电枢枢绕绕组组的的交交变变电电流流，并并保保证证每每一一磁磁极极下下，电电枢枢导导体体的的电电流流的的方方向向不不变，以产生恒定的电磁转矩。变，以产生恒定的电磁转矩。3电刷电刷4换向片换向片发电机原理：发电机原理：将机械能转换为电能。将机械能转换为电能。 电电枢枢由由原原动动机机驱驱动动而而在在磁磁场场中中旋旋转转，在在电电枢枢线线圈圈的的两两根根有有效效边边（切切割割磁磁力力线线的的导导体体部部分分）中中便便感感应应出出电动势电动势e。 显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极极下是一个方向，当它转到下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，极下时是另一个方向。但是，由于电刷由于电刷A总是同与总是同与N极下的有效边相联的换向片接触，极下的有效边相联的换向片接触，而电刷而电刷B总是同与总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，因此，在电刷间就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。中产生一定方向的电流。直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的发电机的电磁转矩发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速转动时，原动机的转矩原动机的转矩T1必须与发电机的电磁转矩必须与发电机的电磁转矩T及空载损耗及空载损耗转矩转矩T0相平衡。相平衡。电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩TM必须与机械负载转矩必须与机械负载转矩TL及空载损及空载损耗转矩耗转矩T0相平衡。相平衡。三、电动势和电磁转矩三、电动势和电磁转矩 1. 电动势电动势E 根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为:式中：式中：E感应电动势（感应电动势（V）；）； 一对磁极的磁通（一对磁极的磁通（Wb）；）； n电枢转速（电枢转速（r/min）；）； Ke与电机结构有关的常数。与电机结构有关的常数。 直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。相同，被称为电源电动势。 直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。相反，被称为反电动势。 2电磁转矩电磁转矩TM 电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：电磁转矩，其大小可用如下公式表示： 式中：式中：T电磁转矩（电磁转矩（Nm）；）； 对磁极的磁通（对磁极的磁通（Wb）；）； Ia电枢电流（电枢电流（A）；）； Kt与电机结构有关的常数，与电机结构有关的常数，Kt=9.55 Ke3.2 直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性 一、机械特性的一般形式一、机械特性的一般形式 电动机的电动机的机械特性机械特性指的是指的是转速与电磁转矩转速与电磁转矩之间的关系。之间的关系。 不不同同励励磁磁方方式式的的电电动动机机，其其运运行行特特性性也也不不尽尽相相同同，下下面面主主要要介介绍绍在在调调速速系系统统中中应应用用的的较较广广泛泛的的他他励励电电动动机机的机械特性。的机械特性。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。如图所示为直流他励电动机的原理电路图。 MEIaRaUfIfRfT nUI 式中式中: 外加电枢电压（外加电枢电压（V）；）； 感应电势（感应电势（V）；）；电枢电流（电枢电流（A）；）；电枢回路内阻（电枢回路内阻（） 电枢回路部分电枢回路部分励磁回路部分励磁回路部分MEIaRaUfIfRfT nUI 即：即： 转速特性转速特性 机械特性机械特性 由他励电动机的特性可知：由他励电动机的特性可知：励磁电流励磁电流If的大小与电枢电流的大小与电枢电流 Ia的大小无关，它的大小只取的大小无关，它的大小只取决于决于 Rf、 Uf的大小，当的大小，当 Rf、 Uf的大小一定时的大小一定时, If为定值，即磁为定值，即磁通通 为定值。为定值。nnn00nNTNTT1. 理想空载转速：理想空载转速： T=0 0时的转速称为理想空时的转速称为理想空载转速，用载转速，用n0表示。表示。 根据机械特性可知：根据机械特性可知：2. 机械特性硬度机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：硬度的概念，其定义为： 理想空载点理想空载点nnn00nNTNTT 即转矩变化与所引起的即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械转速变化的比值，称为机械特性的硬度。特性的硬度。 根据根据 值的不同，可将值的不同，可将电动机机械特性分为三类。电动机机械特性分为三类。 （1）绝对硬特性）绝对硬特性 （2）硬特性）硬特性 10 （3）软特性）软特性 10 nnn00nNTNTT二、固有机械特性二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压（额定电压UN和额定磁通和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接任何下和电枢电路内不外接任何电阻时的电阻时的 n=f(T)即即: 是一条直线。是一条直线。 直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出牌数据求出(0,n0 )和和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。即可绘出固有的机械特性。 通常直流电动机铭牌上给出额定功率通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压额定电压 UN 、额定电流额定电流IN和额定转速和额定转速 nN。 直流电动机的固有机械特性的计算直流电动机的固有机械特性的计算 分析分析： （1）已知）已知PN、UN、IN、nN,机械特性是一条直线机械特性是一条直线（2）只需知道直线上两点）只需知道直线上两点(0, n0)、(TN, nN)（3）因此只需求出）因此只需求出 n0和和TN（4）因）因n0UN/(KeN)，所以需求出所以需求出KeN（5）TN9.55PN/nN具体计算步骤如下：具体计算步骤如下：(1) 估算电枢电阻估算电枢电阻Ra 依据：电动机在额定负载下的铜耗依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损约占总损耗耗 PN的的50%75%。式中：式中： 是额定运行条件下电动机的效率，且此时是额定运行条件下电动机的效率，且此时故得故得 (2) 求求 额定运行条件下的反电势为：额定运行条件下的反电势为： 故故 (3) 求理想空载转速求理想空载转速: 得得 (4) 求额定转矩求额定转矩: 得得 根据根据 两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线 三、人为机械特性三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁和励磁磁通通的大小以及电枢回路串接附加电阻的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。所得到的机械特性。 1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 电压平衡方程式为：电压平衡方程式为： 得到的人为机械特性方程式为：得到的人为机械特性方程式为： MEIaRaUIfUfRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1 Rad2 特性变软特性变软空载速度不变；空载速度不变；随着电阻的增加，转速降落增加；随着电阻的增加，转速降落增加；MEIaRaUIfUfRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1 U1 U2 U3n01U1n02U2n03U3 3改变磁通改变磁通 时的人为特性时的人为特性 转速降随磁通的改变而变化。转速降随磁通的改变而变化。理想空载转速随磁通的改变而变化；理想空载转速随磁通的改变而变化； 特性变软特性变软n0Tn0N 1 2 3n01n02n03Tst3N123Tst2Tst1Tst由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节；和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节； 当磁通过分削弱后：当磁通过分削弱后： （2）当）当 0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，通常，通常称为称为“飞车飞车”； 当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为电枢电流为Ist ，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。长时间的大电流会烧坏电枢绕组。 因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有机在使用中，一般都设有“失磁失磁”保护。保护。 （1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；33 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性 一、启动特性一、启动特性 电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到要求转速的这一过程。到要求转速的这一过程。 对直流电动机而言，在未启动之前对直流电动机而言，在未启动之前n=0 , E=0, 而而Ra一般很小。一般很小。当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为： 这这个个电电流流很很大大，一一般般情情况况下下能能达达到到其其额额定定电电流流的的（1020）倍。过大的启动电流危害很大：倍。过大的启动电流危害很大： （1） 对电动机本身的影响：对电动机本身的影响： 使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子；使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子； 过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏；过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引起绕组的损坏； （2） 对机械系统的影响：对机械系统的影响： 与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩很大，与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩很大，过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏；击，使机械传动部件损坏； （3）对供电电网的影响：）对供电电网的影响： 过过大大的的启启动动电电流流将将使使保保护护装装置置动动作作，切切断断电电源源造造成成事事故故，或或者者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。 因因此此，直直流流电电动动机机是是不不允允许许直直接接启启动动的的，即即在在启启动动时时必必须须设设法法限限制制电电枢枢电电流流，例例如如普普通通的的Z2型型直直流流电电动动机机，规规定定电电枢枢的的瞬瞬时时电电流流不得大于额定电流的不得大于额定电流的1.52倍。倍。二、启动方法二、启动方法 限限制制直直流流电电动动机机的的启启动动电电流流，一一般般有有降降压压启启动动和和电电枢回路串电阻启动两种方式。枢回路串电阻启动两种方式。 1. 降压启动：降压启动： 所所谓谓降降压压启启动动即即在在启启动动瞬瞬间间，降降低低供供电电电电源源电电压压，随随着着转转速速的的升升高高，反反电电势势增增大大，再再逐逐步步提提高高供供电电电电压压，最最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。 2. 电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动 启动时，电枢回路串接启动电阻启动时，电枢回路串接启动电阻Rst,此时启动电流此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。动机达到所要求的转速。 电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示：如图所示： 直直线线1为为电电动动机机电电枢枢回回路路串串接接启启动动电电阻阻时时的的机机械械特特性性，直直线线2为为电电动动机机的的固固有有机机械械特特性性。启启动动电电阻阻的的大大小小就是保证启动电流为额定值的两倍。就是保证启动电流为额定值的两倍。 电电枢枢回回路路接接入入电电网网时时，KM断断开开，电电动动机机工工作作在在特特性性1上上，在在动动态态转转矩矩的的作作用用下下，电电动动机机速速度度上上升升。当当速速度度上上升升到到a点点时时，KM闭闭合合，电电动动机机的的机机械械特特性性变变为为2。由由于于在在切切换换电电阻阻的的瞬瞬间间，机机械械惯惯性性的的作作用用使使电电动动机机的的转转速速不不能能突突变变，在在此此瞬瞬间间速速度度维维持持不不变变，即即电电动动机机的的工工作作点点从从a点点切切换换到到b点点，在在动动态态转转矩矩的的作作用用下下，电电动动机机的的速速度度继继续续上升直到稳定点上升直到稳定点c。 从从图图中中不不难难看看出出：当当电电动动机机的的工工作作点点从从a点点切切换换到到b点点时时，冲冲击击电电流流仍仍很很大大，为为了了解解决决这这种种现现象象，通通常常采采用用逐逐级级切切除除启启动动电电阻阻的的方方法法来来实实现现。图图所所示示为为具具有有三三段段启启动电阻的原理电路和启动特性。动电阻的原理电路和启动特性。 图中：图中： 尖峰（最大）转矩；尖峰（最大）转矩； 换接（最小）转矩换接（最小）转矩 (1) 电枢接入电网时，电枢接入电网时，KM1、KM2和和KM3均断开，均断开，电枢回路串接外加电阻电枢回路串接外加电阻Rad3=R1+R2+R3，此时，电动机此时，电动机工作在特性曲线工作在特性曲线a，在转矩在转矩 T1的作用下，转速沿曲线的作用下，转速沿曲线a上升；上升； (2) 当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达2时，时，KM1闭合，即闭合，即切除电阻切除电阻R3 ，此时电枢回路串外加电阻此时电枢回路串外加电阻Rad2=R1+R2，电动机的机械特性变为曲线电动机的机械特性变为曲线b。由于机械惯性的作用，由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由电动机的转速不能突变，工作点由2切换到切换到3，速度又，速度又沿着曲线沿着曲线b继续上升；继续上升； (3) 当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达4时，时，KM1、KM2同同时闭合，即切除电阻时闭合，即切除电阻 R2、R3， 此时电枢回路串外加电此时电枢回路串外加电阻阻 Rad1=R1，电动机的机械特性变为曲线电动机的机械特性变为曲线c。由于机械惯由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由4切换到切换到5，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线c继续上升；继续上升； (4) 当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达6时，时，KM1、KM2、KM3同时闭同时闭合，即切除电阻合，即切除电阻R1、 R2 、 R3，此时电枢回路无外加电阻，电动机此时电枢回路无外加电阻，电动机的机械特性变为固有特性曲线的机械特性变为固有特性曲线d，由于机械惯性的作用，电动机的由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由转速不能突变，工作点由6切换到切换到7，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线d继续上升直继续上升直到稳定工作点到稳定工作点8。 由上可见，启动级数愈多，由上可见，启动级数愈多， T1、 T2愈与平均转矩愈与平均转矩 接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（34）段。）段。 多级启动时，多级启动时， T1、 T2的数值需按照电动机的具体启动条件决定，的数值需按照电动机的具体启动条件决定，一般原则是保持每一级的最大转矩一般原则是保持每一级的最大转矩 T1（或最大电流或最大电流I1 ）不超过电动不超过电动机的允许值，而每次切换电阻时的机的允许值，而每次切换电阻时的 T2（或最小电流或最小电流I2 ）也基本相同，也基本相同，一般选择：一般选择： 34 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性 一、速度调节和速度变化一、速度调节和速度变化 调速调速（又称速度调节）与（又称速度调节）与速度变化速度变化是两个完全不同的概念是两个完全不同的概念 电动机的电动机的调速调速是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速，如图所示。路参数，以改变电动机的稳定转速，如图所示。 转转速速的的改改变变是是人人为为改改变变（或或调调节节）电电枢枢回回路路的的电电阻阻大大小小所所造造成成的的，故故称称调调速或速度调节速或速度调节。 速度变化速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图所示。所示。 总总之之，速速度度变变化化是是在在某某条条机机械械特特性性上上，由由于于负负载载改改变变而而引引起起的的；而而速速度度调调节节则则是是在在某某一一特特定定的的负负载载下下，靠靠人为改变机械特性而得到的。人为改变机械特性而得到的。二、调速方法二、调速方法下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。 从直流他励电动机机械特性方程式从直流他励电动机机械特性方程式 可知：可知：改变串入电枢回路的电阻改变串入电枢回路的电阻Rad ；改变改变电枢供电电压电枢供电电压U或或主磁通主磁通 ，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速的方法有以下三种。的方法有以下三种。 1、改变电枢电路外串电阻、改变电枢电路外串电阻 直直流流电电动动机机电电枢枢回回路路串串接接电电阻阻后后，可可以以得得到到如如图图所所示示的的一一簇簇机机械特性。械特性。 从特性可看出，在一定的负从特性可看出，在一定的负载转矩载转矩TL下，串入不同的电阻可下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻分以得到不同的转速。如在电阻分别为别为 Ra、R1、R2、R3、的情况下，的情况下，可以分别得到稳定工作点可以分别得到稳定工作点A、C、D和和E，对应的转速为对应的转速为nA、 nB、 nC、 nD。 改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题： 机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低； 在空载或轻载时，调速范围不大；在空载或轻载时，调速范围不大； 实现无级调速困难；实现无级调速困难； 在调速电阻上消耗大量电能等。在调速电阻上消耗大量电能等。 正正因因为为缺缺点点不不少少，目目前前已已很很少少采采用用，仅仅在在有有些些起起重重机机、卷卷扬扬机机等低速运转时间不长的传动系统中采用。等低速运转时间不长的传动系统中采用。2改变电动机电枢供电电压改变电动机电枢供电电压U 如图所示特性为改变电枢供电电压如图所示特性为改变电枢供电电压U调速的特性：调速的特性： 从特性可看出，在一定的负从特性可看出，在一定的负载转矩载转矩TL下，电枢外加不同电压下，电枢外加不同电压可以得到不同的转速。如在电压可以得到不同的转速。如在电压分别为分别为 UN、 U1、 U2、 U3的情的情况下，可以分别得到稳定工作点况下，可以分别得到稳定工作点a、b、c和和d，对应的转速为对应的转速为na、 nb、 nc、 nd。即改变电枢电压即改变电枢电压可以达到调速的目的。可以达到调速的目的。 改变电枢外加电压调速有如下特点：改变电枢外加电压调速有如下特点： 1）当当电电源源电电压压连连续续变变化化时时，转转速速可可以以平平滑滑无无级级调调节节， 一一般般只能在额定转速以下调节；只能在额定转速以下调节； 2）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；的稳定度较高，调速范围较大； 3）调速时，因电枢电流与电压）调速时，因电枢电流与电压U无关，且无关，且 = N，转矩转矩T=Kt N Ia不变，属于有恒转矩调速。不变，属于有恒转矩调速。 调调速速过过程程中中，电电动动机机输输出出转转矩矩不不变变的的调调速速特特性性称称为为恒恒转转矩矩调调速速。具具有有恒恒转转矩矩调调速速特特性性的的调调速速方方法法适适合合于于对对恒恒转转矩矩型型负负载载进进行行调速；调速； 4）可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。）可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。3改变电动机主磁通改变电动机主磁通 如图所示曲线为改变电动机主磁通如图所示曲线为改变电动机主磁通 调速的特性：调速的特性： 从特性可看出，在一定的负载功率从特性可看出，在一定的负载功率PL下，不同的主磁通下，不同的主磁通 N、 1、 2、 ，可以得到不同的转速可以得到不同的转速na、 nb、 nc。即即改改变变主主磁磁通通 可可以以达达到到调调速的目的。速的目的。 改变电动机主磁通特点：改变电动机主磁通特点： 1）可可以以平平滑滑无无级级调调速速，但但只只能能弱弱磁磁调调速速，即即在在额额定定转转速速以以上上调节；调节； 2）调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制。）调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制。 普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的1.2倍，所以，倍，所以，调速范围不大，若使用特殊制造的调速范围不大，若使用特殊制造的“调速电动机调速电动机”，调速范围可以，调速范围可以增加，但这种调速电动机的体积和所消耗的材料都比普通电动机大增加，但这种调速电动机的体积和所消耗的材料都比普通电动机大得多；得多； 3）调调速速时时维维持持电电枢枢电电压压U和和电电枢枢电电流流Ia不不变变时时，电电动动机机的的输输出出功率功率P=UIa电动机的输出功率不变。电动机的输出功率不变。 在在调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率调速，调速过程中，输出功率不变的这种特性称为恒功率调速，这这种调速适合于对恒功率型负载进行调速。种调速适合于对恒功率型负载进行调速。35 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性 1制动与启动制动与启动 启动：施电于电动机使电动机速度启动：施电于电动机使电动机速度从静止加速到某一稳定转速从静止加速到某一稳定转速的一种运动状态；的一种运动状态； 制制动动：从从某某一一稳稳定定转转速速开开始始减减速速到到停停止止或或是是限限制制位位能能负负载载下下降降速度速度的一种运转状态。的一种运转状态。 2. . 制动与自然停车制动与自然停车 1）自自然然停停车车：电电动动机机脱脱离离电电网网，靠靠很很小小的的摩摩擦擦阻阻转转矩矩消消耗耗机机械械能能使使转转速速慢慢慢慢下下降降，直直到到转转速速为为零零而而停停车车。这这种种停停车车过过程程需需时时较较长长，不能满足生产机械快速停车的要求；不能满足生产机械快速停车的要求； 2）制动：）制动：外加阻力转矩使电动机迅速停车外加阻力转矩使电动机迅速停车。为了提高生产效率，。为了提高生产效率，保证产品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机保证产品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态，常简称为电动机的制动。运行在制动状态，常简称为电动机的制动。3. . 电动机的两种工作状态电动机的两种工作状态 1) 电动状态：电动状态： 为拖动转矩为拖动转矩 为阻转矩为阻转矩 电动机的作用是将电动机的作用是将电能转换机械能。故称电能转换机械能。故称这种状态为这种状态为电动状态电动状态。 2）制动状态：）制动状态：为阻转矩为阻转矩 为拖动转矩为拖动转矩 电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称电动机的这种电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称电动机的这种工作状态为工作状态为制动状态制动状态。MGUfTVnUMGUfTVnU一、反馈制动一、反馈制动 特点：特点： 1）在外部条件的作用下，实际转速大于理想空载转速；）在外部条件的作用下，实际转速大于理想空载转速； 2）电动机输出转矩的作用方向与）电动机输出转矩的作用方向与n的方向相反。的方向相反。 1电车走下坡路时的反馈制动电车走下坡路时的反馈制动 设电车与地面的摩擦转矩为设电车与地面的摩擦转矩为Tr ，阻转矩；下坡时电车所产生阻转矩；下坡时电车所产生的位能转矩为的位能转矩为Tp，拖动转矩；且拖动转矩；且 TpTr ，前进时速度前进时速度n 为正。为正。 电电车车由由直直流流电电动动机机拖拖动动，机械特性如图所示：机械特性如图所示： 匀匀速速走走平平路路时时（a点点）：输输出出转转矩矩TM用用来克服负载转矩来克服负载转矩Tr 。 在在an0段：段：TM与与n的方向相同，故为电动状态。的方向相同，故为电动状态。在在n0b段段：TM与与n的的方方向向相相反反，且且电电机机转转速速大大于理想空载转速，故电动机工作在反馈制动状态。于理想空载转速，故电动机工作在反馈制动状态。2电枢电压突然下降时的反馈制动电枢电压突然下降时的反馈制动 设设当当电电动动机机的的电电枢枢外外加加电电压压为为U1和和U2，且且 U1U2时时的的机机械械特特性性如图所示：如图所示： 若若电电动动机机工工作作在在A点点时时将将电电枢枢电电压压突突然然降降低低为为U2，电电动动机机的的机机械械特特性性变变为为曲曲线线2，由由于于机机械械惯惯性性，工工作作点点由由A转转换换到到B点点。此此时时-TM-TL0，Tm0，Tm0电动状态电动状态 注意注意:由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电由于在反接制动期间，电枢感应电动势和电源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流源电压是串联相加的，因此，为了限制电枢电流 ，电，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻。 电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。 2倒拉反接制动倒拉反接制动 电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线电动机固有机械特性和电枢回路串接电阻和曲线2所示。所示。 现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（现电动机驱动位能负载转矩，机械特性如图（b）中的曲线中的曲线3所示。所示。 a点点：重物匀速上升。：重物匀速上升。 Tm0，n0，电动机工作在电动状态电动机工作在电动状态。 cd段段：Tm0，n0，电动机工作在电动机工作在电动状态电动状态。由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线由于电动机的输出转矩小于负载转矩，转速沿着曲线2下降。下降。 db段段：当当转转速速下下降降到到0时时，由由于于电电动动机机的的输输出出转转矩矩TM仍仍然然小小于于负负载载转转矩矩TL，所所以以，在在位位能能负负载载的的作作用用下下，电电动动机机反反向向启启动动，直直到平衡点到平衡点b而稳定运行。电动机匀速下放重物。而稳定运行。电动机匀速下放重物。 电动机在电动机在db段：段： Tm0，n0，电动机工作在制动状态。电动机工作在制动状态。 常称这种制动状态为常称这种制动状态为倒拉制动状态。倒拉制动状态。三、能耗制动三、能耗制动 电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。电阻越小，产生的反向电流越大，制动越快。 当切断电源接入电阻后，工作点由当切断电源接入电阻后，工作点由a点转到点转到b点。点。 bo段：段：Tm0，能耗制动。能耗制动。