第三章

直流電機(jī)的工作原理及特性重點(diǎn)掌握：

?

了解直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；

?

掌握直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性；

?

掌握直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)等各種特性；

?

掌握實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)的各種方法以及它們的使用場所。

電機(jī)分交流和直流兩種。

直流電機(jī)—工作電壓或輸出的電壓為直流；

交流電機(jī)—工作電壓為交流。

直流電機(jī)分直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩種。

直流電動(dòng)機(jī)—將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；

直流發(fā)電機(jī)—將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。3.2直流發(fā)電機(jī)

3.3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

3.4直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性

3.5直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性

3.6直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性

章節(jié)內(nèi)容：3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

3．1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理

一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)

根據(jù)電機(jī)的工作原理，直流電機(jī)的組成可分三個(gè)部分：主要由定子鐵心和繞在上面的勵(lì)磁繞組兩部分組成。主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動(dòng)接觸。定子：轉(zhuǎn)子：換向器：二、基本的工作原理

為了討論直流電機(jī)的工作原理，可把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡化為電機(jī)具有一對(duì)主磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷A和B。

主磁極(1)：勵(lì)磁繞組上加上直流電壓，就有勵(lì)磁電流通過，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場，即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場。

電樞繞組(2)：在固定的磁場中旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。

換向器(3、4)：電刷固定不動(dòng)，換向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)。作用：

發(fā)電機(jī)：將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電勢轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢。

電動(dòng)機(jī)：將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。

1．發(fā)電機(jī)原理：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。

電樞由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而在磁場中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的兩根有效邊中便感應(yīng)出電動(dòng)勢e。

每一有效邊中的電動(dòng)勢是交變的，即在N極下是一個(gè)方向，當(dāng)它轉(zhuǎn)到S極下時(shí)是另一個(gè)方向。

由于電刷A總是同與N極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，而電刷B總是同與S極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，因此，在電刷間就出現(xiàn)一個(gè)極性不變的電動(dòng)勢或電壓，當(dāng)電刷之間接有負(fù)載時(shí)，在電動(dòng)勢的作用下就在電路中產(chǎn)生一定方向的電流。c3-1.swf

2．電動(dòng)機(jī)原理：將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。

直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。

當(dāng)線圈的有效邊從N（S）極下轉(zhuǎn)到S（N）極下時(shí)，其中電流的方向必須同時(shí)改變。

N極下的有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而S極下的有效邊中的電流總是另一個(gè)方向。這樣使兩個(gè)邊上受到的電磁力的方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。

C3-2.swf三、電動(dòng)勢和電磁轉(zhuǎn)矩1.電動(dòng)勢E

根據(jù)電磁學(xué)原理，兩電刷間的有感應(yīng)電動(dòng)勢。式中：E—感應(yīng)電動(dòng)勢（V）；

Φ—一對(duì)磁極的磁通（Wb）；

n—電樞轉(zhuǎn)速（r/min）；

Ke—與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。

方向:

直流發(fā)電機(jī)——總是與電流的方向相同，常稱為電源電動(dòng)勢。直流電動(dòng)機(jī)——總是與電流的方向相反，常稱為反電動(dòng)勢。

大小:2．電磁轉(zhuǎn)矩TM

電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩。式中：TM——電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；

Φ——一對(duì)磁極的磁通（Wb）；

Ia——電樞電流（A）；

Km——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Km=9.55Ke大?。?/p>

發(fā)電機(jī)：阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向或原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反。在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1必須與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。

電動(dòng)機(jī)：驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向相同，使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。作用：

從以上分析可知，直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然都產(chǎn)生電動(dòng)勢E和電磁轉(zhuǎn)矩T，但二者的作用正好相反。電機(jī)運(yùn)行方式E與I的方向E的作用TM的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系發(fā)電機(jī)相同電源電動(dòng)勢阻轉(zhuǎn)矩T1=TM+T0電動(dòng)機(jī)相反反電動(dòng)勢驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩TM=TL+T0四、直流電動(dòng)機(jī)的分類

按定子勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式不同可分為四類：

1．他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組由外加電源單獨(dú)供電，勵(lì)磁電流的大小與電樞兩端電壓或電樞電流的大小無關(guān)。

2.并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)連接，由外部電源一起供電。3．串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)連接，由外部電源一起供電。4．復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組分為兩部分，一部分與電樞繞組串聯(lián)連接，另一部分與電樞繞組并聯(lián)連接。3.2直流發(fā)電機(jī)一、他勵(lì)發(fā)電機(jī)外電源Uf→If→ΦE→n原動(dòng)機(jī)→電樞→Ua1.空載運(yùn)行勵(lì)磁電路：If

=UfRf勵(lì)磁電路總電阻電樞電路：

Ia

=0，Ua

=U0

=E調(diào)節(jié)Rf→If

可變→Φ可變→E可變→Ua可變。+Ua－GIf+Uf－EIa

U0

=E=f(If)

空載特性O(shè)IfU0Er剩磁感應(yīng)電動(dòng)勢2.負(fù)載運(yùn)行

輸出電壓:U

=Ua

輸出電流:I

=Ia

電壓平衡方程式

U

=Ua

=E－RaIa當(dāng)IaRaIaE

(電樞反應(yīng))Ua

外特性

U=f(I)n=nNIa

=0OIUn=nNIf

=IfNINUNU0n=nNIf

=常數(shù)空載特性外特性

電壓調(diào)整率VR

=U0－UNUN×100%(5%~10%)

調(diào)整特性當(dāng)n

=nN，U=UN時(shí)：

If=f(I)OI

If

IfNIN調(diào)整特性二、并勵(lì)發(fā)電機(jī)＋Ua－

E

→Φ

?Φ→

E

?

1.自勵(lì)條件(1)主磁極必須有剩磁Φr

：Φr→Er→Ifr→Φ→E＞ErΦ與Φr方向相同→E＜ErΦ與Φr方向相反(2)

勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁通必須與剩磁同方向：Φr→Er→Ifr→E＞Er→If＞Ifr→Φ→E

···※E與If

既應(yīng)滿足空載特性又應(yīng)滿足歐姆定律。GEIfIaI當(dāng)Rf

Rk

時(shí)，

EEr，能夠自勵(lì)。當(dāng)Rf=Rk

時(shí)，

E不確定，不能自勵(lì)。當(dāng)Rf

Rk

時(shí)，

E≈Er，不能自勵(lì)。(3)勵(lì)磁電路的電阻必須小于臨界電阻。If=ERa＋RfOIfEErQIfrIf1If2If場阻線：場阻線的斜率：=Ra＋Rftan=EIfOIfEErRf

=RkRf

＜RkRf＞Rk2.運(yùn)行分析I

=Ia－IfU

=Ua

=UfUa

=E－RaIaI→IaRaIaE(電樞反應(yīng))Uf

→ΦUa

外特性

U=f(I

)n=nNRf

=常數(shù)OIUU0他勵(lì)并勵(lì)(1)負(fù)載增加時(shí)，U下降較快。

VR

≈20%E＋Ua－IfIaIG三、復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)1.

分為積復(fù)勵(lì)和差復(fù)勵(lì)2.對(duì)于積復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)(1)平復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)當(dāng)I

=IN時(shí)的UN

=

U0。(2)過復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)當(dāng)I

=IN時(shí)的UN＞U0。(3)

欠復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)當(dāng)I

=IN時(shí)的UN

＜U0。他勵(lì)并勵(lì)過復(fù)勵(lì)I(lǐng)N平復(fù)勵(lì)欠復(fù)勵(lì)差復(fù)勵(lì)OIUUNGIIaIf+U－3．3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

一、機(jī)械特性的一般形式

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性指的是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。

不同勵(lì)磁方式的電動(dòng)機(jī)，其運(yùn)行特性也不盡相同，下面主要介紹在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的較廣泛的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。

直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)和并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的原理電路圖。

式中:——外加電樞電壓（V）——感應(yīng)電勢（V）——電樞電流（A）——電樞回路內(nèi)阻（Ω）電樞回路勵(lì)磁回路電壓平衡方程式：∵∴

即：……轉(zhuǎn)速特性……機(jī)械特性

他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If的大小與電樞電流Ia的大小無關(guān)，它的大小只取決于Rf、Uf的大小，當(dāng)Rf、Uf的大小一定時(shí),If為定值，即磁通為定值。例：一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)在穩(wěn)態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電樞反電勢E=E1，如負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL=常數(shù)，外加電壓和電樞電路中的電阻均不變，問減弱勵(lì)磁使轉(zhuǎn)速上升到新的穩(wěn)態(tài)值后，電樞反電勢將如何變化？是大于、小于還是等于E1？1.理想空載轉(zhuǎn)速：T=0時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)速，用n0表示。2.轉(zhuǎn)速降落3.機(jī)械特性硬度

為了衡量機(jī)械特性的平直程度，引進(jìn)一個(gè)機(jī)械特性硬度的概念，其定義為：理想空載點(diǎn)

即轉(zhuǎn)矩變化與所引起的轉(zhuǎn)速變化的比值，稱為機(jī)械特性的硬度。

根據(jù)值的不同，可將電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性分為三類。

（1）絕對(duì)硬特性

（2）硬特性>10

（3）軟特性<10

二、固有機(jī)械特性

固有機(jī)械特性指的是在額定條件（額定電壓UN和額定磁通N

)下和電樞電路內(nèi)不外接任何電阻時(shí)的n=f(T)

即:是一條直線。

可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)求出(0,n0)和(TN,nN)得到：

通常直流電動(dòng)機(jī)銘牌上給出額定功率PN

、額定電壓UN

、額定電流IN和額定轉(zhuǎn)速nN

計(jì)算步驟：(1)估算電樞電阻Ra

依據(jù)：電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的銅耗Ia2Ra約占總損耗

PN的50%～75%。式中：是額定運(yùn)行條件下電動(dòng)機(jī)的效率，且此時(shí)故得(2)求

額定運(yùn)行條件下的反電勢為：故(3)求理想空載轉(zhuǎn)速:得(4)求額定轉(zhuǎn)矩:得根據(jù)兩點(diǎn)，就可作出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)近似是機(jī)械特性曲線3)舉例(1)一臺(tái)Z2-51型直流他激電動(dòng)機(jī),已知額定功率5.5kW,額定電壓220V,額定電流31A,額定轉(zhuǎn)速1500r/min,忽略損耗,求自然機(jī)械特性.解:分析只要求出理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行點(diǎn),就可繪出機(jī)械特性.

=0.71=0.132=1667r/min=35Nm三、人為機(jī)械特性

人為機(jī)械特性是指人為地改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)所得到的機(jī)械特性：◆電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓U◆勵(lì)磁磁通Φ的大小◆電樞回路串接附加電阻Rad

1.電樞回路中串接附加電阻時(shí)的人為特性電壓平衡方程式為：

得到的人為機(jī)械特性方程式為：

特性變軟空載速度不變隨著電阻的增加，轉(zhuǎn)速降落增加人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性2.改變電樞電壓U時(shí)的人為特性空載速度隨著U的減小而減?。晦D(zhuǎn)速降落不變；特性硬度不變?nèi)藶闄C(jī)械特性固有機(jī)械特性?人為特性曲線都在固有特性曲線之下電動(dòng)機(jī)電樞繞組絕緣耐壓強(qiáng)度的限制，電樞電壓只允許在其額定值以下調(diào)節(jié)。3．改變磁通時(shí)的人為特性轉(zhuǎn)速降隨磁通的減小而增大理想空載轉(zhuǎn)速隨磁通減小而增加

特性變軟人為機(jī)械特性固有機(jī)械特性?磁通只能減小

勵(lì)磁線圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，勵(lì)磁電流只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)—弱磁調(diào)節(jié)。

當(dāng)磁通過分削弱后：

（2）當(dāng)→0時(shí)：

◆空載或輕載時(shí)速度n→

，通常稱為“飛車”；◆當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)，通常稱為“堵轉(zhuǎn)”。堵轉(zhuǎn)時(shí)電樞電流為Ist

，長時(shí)間的大電流會(huì)燒壞電樞繞組。

因此，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前必須先加勵(lì)磁電流，在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，決不允許勵(lì)磁電路斷開或勵(lì)磁電流為零，為此，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)在使用中，一般都設(shè)有“失磁”保護(hù)。

（1）如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，將使電動(dòng)機(jī)電流大大增加而嚴(yán)重過載；【例2】一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，PN=10kW，UaN=220V，IaN=210A，nN=750r/min，求(1)固有特性；(2)固有特性的斜率和硬度

。解：(1)固有特性忽略T0

，則509.55210=

=2.426TNIaNKTΦ

=

2200.254=

r/min=866.25r/min602PNnNTN=606.2840×103750=×N·m=509.55N·m260KEΦ=CTΦ6.2860=

×2.426

=0.254UaNKEΦ

n0=連接n0和N(TN，nN)兩點(diǎn)即可得到固有特性。(2)固有特性的斜率和硬度

E=KEΦ

nN

UaN－EIaNRa

==0.254×750V=190.5Vβ

=

1

γ

RaKEKTΦ2γ

=220－190.5210=Ω=0.14Ω0.142.426×0.254==0.22810.228=

=4.393．4直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性

一、固有啟動(dòng)特性啟動(dòng)：就是施電于電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來，達(dá)到要求轉(zhuǎn)速的這一過程。

這個(gè)電流能達(dá)到其額定電流的（10～20）倍。過大的啟動(dòng)電流危害很大：

（1）對(duì)電動(dòng)機(jī)本身的影響：

?

使電動(dòng)機(jī)在換向過程中產(chǎn)生危險(xiǎn)的火花，燒壞換向器；

?

過大的電樞電流產(chǎn)生過大的電動(dòng)應(yīng)力，可能引起繞組的損壞；啟動(dòng)電流：當(dāng)將電動(dòng)機(jī)直接接入電網(wǎng)并施加額定電壓的瞬間n=0、E=0、而Ra一般很小，此時(shí)的電流稱為啟動(dòng)電流：

（2）對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響：

與啟動(dòng)電流成正比例的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，過大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩會(huì)在機(jī)械系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生過大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩沖擊，使機(jī)械傳動(dòng)部件損壞；

（3）對(duì)供電電網(wǎng)的影響：

過大的啟動(dòng)電流將使保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷電源造成事故，或者引起電網(wǎng)電壓的下降，影響其他負(fù)載的正常運(yùn)行。

因此，直流電動(dòng)機(jī)是不允許直接啟動(dòng)的，即在啟動(dòng)時(shí)必須設(shè)法限制電樞電流，例如普通的Z2型直流電動(dòng)機(jī)，規(guī)定電樞的瞬時(shí)電流不得大于額定電流的1.5～2倍。二、啟動(dòng)方法

⊙降壓啟動(dòng)

⊙電樞回路串電阻啟動(dòng)

1.降壓啟動(dòng)：

降壓啟動(dòng)即在啟動(dòng)瞬間，降低供電電源電壓，隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電勢增大，再逐步提高供電電壓，最后達(dá)到額定電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速。

2.電樞回路串電阻啟動(dòng)

啟動(dòng)時(shí)，電樞回路串接啟動(dòng)電阻Rst，此時(shí)啟動(dòng)電流Ist=UN/(Ra+Rst)將受外加啟動(dòng)電阻的限制。隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電勢增大，再逐步切除外加電阻直到全部切除，電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速。

啟動(dòng)過程c3-3.swf

當(dāng)速度上升到a點(diǎn)時(shí)，KM閉合，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)楣逃刑匦?。電樞回路串電阻等效電路電樞回路串電阻時(shí)的機(jī)械特性串接的啟動(dòng)電阻固有特性串電阻特性

啟動(dòng)電阻的大小保證啟動(dòng)電流為所要求的值，如額定電流的兩倍。

電樞回路接入電網(wǎng)時(shí)，KM斷開，電動(dòng)機(jī)工作在串電阻特性上，在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)速度上升。

在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)的速度繼續(xù)上升直到穩(wěn)定點(diǎn)c。

在切換電阻的瞬間，機(jī)械慣性的作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，在此瞬間速度維持不變，即電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)從a點(diǎn)切換到b點(diǎn)。

當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)從a點(diǎn)切換到b點(diǎn)時(shí)，沖擊電流可能很大，為了解決這種現(xiàn)象，通常采用逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻的方法來實(shí)現(xiàn)。－尖峰（最大）轉(zhuǎn)矩－換接（最小）轉(zhuǎn)矩

(1)電樞接入電網(wǎng)時(shí)，KM1、KM2和KM3均斷開，電樞回路串接外加電阻Rad3=R1+R2+R3，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在特性曲線a，在轉(zhuǎn)矩T1的作用下，轉(zhuǎn)速沿曲線a上升；

(2)當(dāng)速度上升使工作點(diǎn)到達(dá)2時(shí)，KM1閉合，即切除電阻R3

，此時(shí)電樞回路串外加電阻Rad2=R1+R2，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)榍€b。由于機(jī)械慣性的作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由2切換到3，速度又沿著曲線b繼續(xù)上升；

(3)當(dāng)速度上升使工作點(diǎn)到達(dá)4時(shí)，KM1、KM2同時(shí)閉合，即切除電阻R2、R3，此時(shí)電樞回路串外加電阻Rad1=R1，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)榍€c。由于機(jī)械慣性的作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由4切換到5，速度又沿著曲線c繼續(xù)上升；啟動(dòng)過程c3-4.swf

(4)當(dāng)速度上升使工作點(diǎn)到達(dá)6時(shí)，KM1、KM2、KM3同時(shí)閉合，即切除電阻R1、

R2、

R3，此時(shí)電樞回路無外加電阻，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)楣逃刑匦郧€d，由于機(jī)械慣性的作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由6切換到7，速度又沿著曲線d繼續(xù)上升直到穩(wěn)定工作點(diǎn)9。

啟動(dòng)級(jí)數(shù)愈多，T1、T2愈與平均轉(zhuǎn)矩

接近，啟動(dòng)過程快而平穩(wěn)，但所需的控制設(shè)備也就愈多。我國生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)控制柜都是按快速啟動(dòng)原則設(shè)計(jì)的，一般啟動(dòng)電阻為（3～4）段。

多級(jí)啟動(dòng)時(shí)，T1、T2的數(shù)值需按照電動(dòng)機(jī)的具體啟動(dòng)條件決定。原則：

☆保持每一級(jí)的最大轉(zhuǎn)矩T1（或最大電流I1）不超過電動(dòng)機(jī)的允許值

☆每次切換電阻時(shí)的T2（或最小電流I2）也基本相同3．4直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性

一、速度調(diào)節(jié)和速度變化

調(diào)速（又稱速度調(diào)節(jié)）：電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是在一定負(fù)載的條件下，人為地改變電動(dòng)機(jī)的電路參數(shù)，以改變電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速為目的。轉(zhuǎn)速的變化是人為改變（或調(diào)節(jié)）電樞回路的電阻大小所造成的，故稱調(diào)速或速度調(diào)節(jié)。

速度變化：由于電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化（增大與減小）或其它不可預(yù)見因數(shù)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化（下降或上升）。轉(zhuǎn)速的變化是由于負(fù)載增加減小所造成的，故稱速度變化。

調(diào)速為滿足負(fù)載對(duì)速度的不同要求；速度變化影響質(zhì)量。二、調(diào)速方法下面僅就他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法作一般性的介紹。

改變串入電樞回路的電阻Rad

改變電樞供電電壓U

改變主磁通

可以得到不同的人為機(jī)械特性，從而在負(fù)載不變時(shí)可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到速度調(diào)節(jié)的要求，故直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有三種。

1、改變電樞電路外串電阻電樞回路串接電阻的一簇機(jī)械特性

在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，串入不同的電阻可以得到不同的轉(zhuǎn)速。電阻為Ra：nA（穩(wěn)定工作點(diǎn)A）電阻為

R1：nB

（穩(wěn)定工作點(diǎn)C）電阻為

R2：

nC

（穩(wěn)定工作點(diǎn)D）電阻為

R3：

nD（穩(wěn)定工作點(diǎn)E）

存在的問題：

?

機(jī)械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩(wěn)定度愈低；?

在空載或輕載時(shí)，調(diào)速范圍不大；?

實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速困難；

?

在調(diào)速電阻上消耗大量電能等。

正因?yàn)槿秉c(diǎn)不少，目前已很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)等低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。【例1】一臺(tái)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，PN=4kW，UaN=160V，IaN=34.4A，nN=1450r/min，用它拖動(dòng)通風(fēng)機(jī)負(fù)載運(yùn)行。現(xiàn)采用改變電樞電路電阻調(diào)速。試問要使轉(zhuǎn)速降低至1200r/min，需在電樞電路串聯(lián)多大的電阻Rr？解：電樞電阻116.311450=

=0.0802KEΦ=EnN

Ra=UaN－

IaNPNIaN=Ω=1.27Ω160－

34.4

4000

34.4額定運(yùn)行時(shí)

E=UaN－Ra

IaN

=(160－1.27×34.4)V=116.31VKTΦ=9.55KEΦ=9.55×0.0802=0.766602PNnNTN=606.2840001450=×N·m=26.36N·m對(duì)于通風(fēng)機(jī)負(fù)載T∝n2，

當(dāng)n=

1200r/min時(shí)n=n0－n

=(1995－1200)r/min=795r/min由于nnNT

=TN212001450=×26.36N·m=18.05N·m2UaNKEΦn0=1600.0802

=r/min=1995r/minRa＋RrKEKTΦ2n

=T由此求得nTRr=KEKTΦ2

－Ra

795

18.05=×0.0802×0.766－1.27Ω=1.436Ω2．改變電動(dòng)機(jī)電樞供電電壓U

在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，電樞外加不同電壓可以得到不同的轉(zhuǎn)速。電壓為UN：na（穩(wěn)定工作點(diǎn)a）

電壓為

U1：nb（穩(wěn)定工作點(diǎn)b）

電壓為

U2：nc（穩(wěn)定工作點(diǎn)c）

電壓為

U3：nd（穩(wěn)定工作點(diǎn)d）改變電樞供電電壓U的一簇機(jī)械特性特點(diǎn)：

1）當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時(shí)，轉(zhuǎn)速可以平滑無級(jí)調(diào)節(jié)，一般只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)；

2）調(diào)速特性與固有特性互相平行，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；

3）調(diào)速時(shí)，因電樞電流與電壓U無關(guān)，且=

N，轉(zhuǎn)矩T=Km

N

Ia不變。

調(diào)速過程中，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速特性稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。這種調(diào)速方法適合于恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載；

4）可以靠調(diào)節(jié)電樞電壓來啟動(dòng)電機(jī)，而不用其他啟動(dòng)設(shè)備?！纠?】例1中的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載運(yùn)行，TL=TN?，F(xiàn)采用改變電樞電壓調(diào)速。試問要使轉(zhuǎn)速降低至1000r/min，電樞電壓應(yīng)降低到多少

？解：已知Ra=1.27Ω，KEΦ=0.0802，KTΦ=0.766，TN=26.36N·m。=544.94r/minn0

=n＋n

=(1000＋544.94)r/min=1544.94r/minUa

=KEΦn0

=0.0802×1544.94V=123.9VRaKEKTΦ2n

=T1.27

0.0802×0.766

=×26.36r/min3．改變電動(dòng)機(jī)主磁通

在一定的負(fù)載功率PL下，不同的主磁通可以得到不同的轉(zhuǎn)速。

磁通為

N

：na（穩(wěn)定工作點(diǎn)a）磁通為

1

：nb（穩(wěn)定工作點(diǎn)b）磁通為

2

：nc（穩(wěn)定工作點(diǎn)c）

改變主磁通一簇機(jī)械特性特性特點(diǎn)：

1）可以平滑無級(jí)調(diào)速，只能弱磁調(diào)速，即在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)；2）調(diào)速特性較軟；

普通他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，所以，調(diào)速范圍不大；3）調(diào)速時(shí)維持電樞電壓U和電樞電流Ia不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率P=UIa電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。

在調(diào)速過程中，輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調(diào)速，這種調(diào)速適合于恒功率型負(fù)載?！纠?】例1中的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，拖動(dòng)恒功率負(fù)載運(yùn)行，現(xiàn)采用改變勵(lì)磁電流調(diào)速。試問要使轉(zhuǎn)速增加至1800r/min，

KEΦ應(yīng)等于多少

？解：已知Ra=1.27Ω，TN=26.36N·m。對(duì)于恒功率負(fù)載T∝1/n，若忽略T0

，則將已知數(shù)據(jù)代入機(jī)械特性方程，得

整理，得

1800(KEΦ)2－160KEΦ

＋2.82=0nNnT

=TN1450

1800

=×26.36N·m=21.23N·m1800

=

－×21.23160KEΦ

1.27KEKTΦ2KEΦ=160±1602－4×1800×2.822×1800=0.0647或0.0242

兩個(gè)答案是否都合理？為什么出現(xiàn)兩個(gè)答案？3．5直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性

1．制動(dòng)與啟動(dòng)

啟動(dòng)：施電于電動(dòng)機(jī)使電動(dòng)機(jī)速度從靜止加速到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；

制動(dòng)：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)使電動(dòng)機(jī)速度從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或是限制位能負(fù)載下降速度的一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

2.制動(dòng)與自然停車

1）自然停車：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，靠很小的摩擦阻轉(zhuǎn)矩消耗機(jī)械能使轉(zhuǎn)速慢慢下降，直到轉(zhuǎn)速為零而停車。特點(diǎn)：停車過程需時(shí)較長，不能滿足生產(chǎn)機(jī)械快速停車的要求；2）制動(dòng)：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，外加阻力轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)速度迅速下降，直到轉(zhuǎn)速為零而停車。目的：

加快停車過程，提高生產(chǎn)效率；實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車等。3.電動(dòng)機(jī)的兩種工作狀態(tài)—拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩—阻轉(zhuǎn)矩

電動(dòng)機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能。故稱這種狀態(tài)為電動(dòng)狀態(tài)?！柁D(zhuǎn)矩—拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩

電動(dòng)機(jī)的作用是吸收或消耗重物的機(jī)械能。故稱電動(dòng)機(jī)的這種工作狀態(tài)為制動(dòng)狀態(tài)。電動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)狀態(tài)4.電動(dòng)機(jī)工作在制動(dòng)狀態(tài)下的兩種情況1）使轉(zhuǎn)速迅速減速到停止，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不變2）限制位能負(fù)載的下降速度，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速改變

特點(diǎn):電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T與轉(zhuǎn)速n方向相反,

電機(jī)處于發(fā)電工作狀態(tài).

制動(dòng)形式:穩(wěn)定的制動(dòng)狀態(tài);

過渡的制動(dòng)狀態(tài).制動(dòng)方法:

反饋制動(dòng);

反接制動(dòng);

能耗制動(dòng)3.5他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)目的：快速停車、勻速下放重物等。制動(dòng)方法：機(jī)械制動(dòng)、電氣制動(dòng)。一、能耗制動(dòng)電動(dòng)狀態(tài)Tn制動(dòng)狀態(tài)能耗制動(dòng)時(shí)：動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能，被電阻消耗掉。nTE＋Ua－Ia＋Uf－M＋Uf－MRbIaE制動(dòng)前：特性1。制動(dòng)開始后：

Ua

=0，n0=0

特性2n=－Ra＋Rb

CECTΦ2T制動(dòng)過程bOTn1n0TLaTL1.能耗制動(dòng)過程

——迅速停機(jī)a點(diǎn)→b點(diǎn)，→Ia

反向(Ia＜0)制動(dòng)開始→n=0，E=0na=nb，Ea=Eb→T反向(T＜0)，→T和TL的共同作用→Ia=0，T=0，→n↓→O點(diǎn)自動(dòng)停車。

2Tb

Tb'

制動(dòng)效果Rb

2(Rb大)bOTn1TLa2'(Rb小)b'→Ia

→|Tb

|

↑→制動(dòng)快，停車迅速。Ia

=EbRa＋Rb≤

Iamax

切換點(diǎn)（b點(diǎn)）Rb

的選擇Ra＋Rb

≥EbIamax＋Uf－RbIaTnEM2.能耗制動(dòng)運(yùn)行——下放重物bOTn1n0TLa2ca點(diǎn)→b點(diǎn)→O

點(diǎn)→T

=0，TL≠0→n

反向起動(dòng)(n＜0)→E反向(E＜0)→Ia再次反向(Ia＞0)→T再次反向(T＞0)，→n

→T

反向起動(dòng)制動(dòng)過程能耗制動(dòng)運(yùn)行→E

→Ia

→T=TL(c點(diǎn))。Tn制動(dòng)過程電動(dòng)狀態(tài)TL反向起動(dòng)Tn能耗制動(dòng)運(yùn)行nTME＋Ua－Ia＋Uf－TL＋Uf－RbMEIa＋Uf－RbTLMEIanLnL'2bOTn1TLac

制動(dòng)效果2'(Rb小)b'TT'Rb

→特性2斜率→下放速度|

nL

|

。Rb

的選擇（各量取絕對(duì)值）

Ra＋Rb

=EcIac=CEΦ

nL

T

/

CTΦ

校驗(yàn)Ra＋Rb

≥EbIamax=CECTΦ2nL

Tc'(Rb大)=CECTΦ2

nL

TL－T0穩(wěn)定運(yùn)行c點(diǎn)的E和Ia（對(duì)切換點(diǎn)b點(diǎn)電流的限制）【例1】

一臺(tái)他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，PN=22kW，UaN=440V，IaN=65.3A，nN=600r/min，Iamax=2IaN，T0忽略不計(jì)。試求：(1)拖動(dòng)TL=0.8TN的反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，采用能耗制動(dòng)實(shí)現(xiàn)迅速停機(jī)，電樞電路至少應(yīng)串聯(lián)多大的制動(dòng)電阻？(2)拖動(dòng)TL=0.8TN的位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，采用能耗制動(dòng)以300r/min的速度下放重物，電樞電路應(yīng)串聯(lián)多大的制動(dòng)電阻？解：由額定數(shù)據(jù)求得PNIaNE

=22×10365.3

=V=336.91VRa=UaN－

IaNPNIaN=Ω=1.58Ω440－

65.3

22×103

34.4(1)迅速停機(jī)時(shí)

TL=0.8TN=0.8×350.32N·m=280.256N·mCTΦ=9.55CEΦ=9.55×0.562=5.365602PNnNTN=606.2822×103

600=×N·m=350.32N·m336.91600=

=0.562CEΦ=EnN

280.2565.365=

A

=52.24AIa

=TLCTΦ

E

=UaN－RaIa=(440－1.58×52.24)V=357.46V（切換點(diǎn)b點(diǎn)的Eb

）

Rb≥－Ra

EbIamax(2)下放重物時(shí)357.46

2×65.3=－1.58Ω=1.16ΩRb=－Ra

CECTΦ2nL

TL=0.562×5.365×300

280.256－1.58Ω=1.65Ω該值大于1.16Ω，故滿足Iamax的要求。二、反接制動(dòng)

反接制動(dòng)具有如下特點(diǎn)：1）電動(dòng)機(jī)的外加電樞電壓U與感應(yīng)電動(dòng)勢E的方向在外界的作用下由相反變?yōu)橄嗤?）電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩TM與轉(zhuǎn)速n的方向相反。

在反接制動(dòng)中，把改變電樞電壓U的方向所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱為電源反接制動(dòng)；而把改變電樞電動(dòng)勢E的方向所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱為倒拉反接制動(dòng)。二、反接制動(dòng)1.電源反接制動(dòng)——迅速停機(jī)電動(dòng)狀態(tài)Tn制動(dòng)狀態(tài)－Ua＋電樞反接時(shí)：動(dòng)能、電源電能均被Rb

消耗掉。TL

作用？

限制IamaxIa的方向？T

的方向？nTE＋Ua－Ia＋Uf－TLM＋Uf－MEIaRb1．電源反接制動(dòng)

當(dāng)電壓的實(shí)際方向與參考方向相同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為

當(dāng)電壓的實(shí)際方向與參考方向相反時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為2－n0OTn1n0TL制動(dòng)前：特性1

n=UaCEΦ－RaCECTΦ2

T制動(dòng)開始后：特性2

制動(dòng)過程－TLn=－UaCEΦ－Ra＋RbCECTΦ2

Tbacda點(diǎn)→b點(diǎn)，→Ia

反向(Ia＜0)→T和TL的共同作用→n=0，T≠

0，na=nb，Ea

=Eb，

→T反向(T＜0)，→n↓

立刻斷電，未斷電，反向起動(dòng)

制動(dòng)開始；↓→c點(diǎn)停機(jī)。→d點(diǎn)，反向電動(dòng)運(yùn)行。

立刻斷電

a點(diǎn)：

b—c段：

反接制動(dòng)狀態(tài)。

注意:由于在反接制動(dòng)期間，電樞感應(yīng)電動(dòng)勢和電源電壓是串聯(lián)相加的，因此，為了限制電樞電流，電動(dòng)機(jī)的電樞電路中必須串接足夠大的限流電阻

電源反接制動(dòng)一般應(yīng)用在生產(chǎn)機(jī)械要求迅速減速、停車和反向的場合以及要求經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的機(jī)械上。電動(dòng)狀態(tài)制動(dòng)瞬間b點(diǎn)的ERa＋Rb≥Ua＋Eb

Iamax

制動(dòng)效果2'(Rb小)b'TT'Rb

→特性2斜率→制動(dòng)轉(zhuǎn)矩

→制動(dòng)快。Rb

的選擇（各量取絕對(duì)值）2(Rb大)n0－n0bOTn1TLa＋Uf－RbIaE－Ua＋M2.倒拉反接制動(dòng)——下放重物電動(dòng)狀態(tài)T制動(dòng)狀態(tài)電樞接入Rb瞬間→Ia

→T→T＜TL→n

E→Ia

T

,T＜TLn

=0，T＜TL→反向起動(dòng)→

n＜0

→|

n|

→|

E

|

→Ia

→T

→T=TL。nIa的方向？T

的方向？nTE＋Ua－Ia＋Uf－TLM＋Uf－＋Ua－TLMRbIaEOTn1n0TLa2c

制動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)制動(dòng)前：特性1

n=UaCEΦ－RaCECTΦ2

T制動(dòng)開始后：特性2n=UaCEΦ－Ra＋RbCECTΦ2

Tbd※

Ia和T始終沒有改變方向。2dn0bOTn1TLa

制動(dòng)效果Rb

→特性2斜率

→下放速度

。

2'(Rb大)d'nLnL'(Rb小)Ua＋Ed

IadRa＋Rb

=Rb

的選擇(各量取絕對(duì)值)

=Ua＋CEΦnL

T

/

CTΦ=(Ua＋CEΦ

nL)

CTΦ

TL－T0＋Uf－＋Ua－RbIaEM穩(wěn)定運(yùn)行d點(diǎn)的E和Ia【例2】

例1中的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)，迅速停機(jī)和下放重物的要求不變，但改用反接制動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，試求電樞電路應(yīng)串聯(lián)的制動(dòng)電阻值。解：(1)

迅速停機(jī)在例8.4.1中已求得切換點(diǎn)的電動(dòng)勢，由公式可得Rb≥－RaUa＋EbIamax440＋357.46

2×65.3=－1.58Ω=4.526Ω(2)下放重物時(shí)（忽略T0

）Rb=(Ua＋CEΦn)

－RaCTΦ

TL5.365

280.256=(440＋0.562×300

)－1.58Ω=10.07Ω

平地或上坡行駛時(shí)工作在a點(diǎn)。下坡行駛時(shí)

TL反向→TL2→n＞n0→E＞Ua→Ia＜0→T＜0→b點(diǎn)（TL2=T

）。

n

＞

n0

→電動(dòng)機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)，→動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能回饋電網(wǎng)。三、回饋制動(dòng)

特點(diǎn)：

→E＞UaOTn1n01.正向回饋制動(dòng)——電車下坡TL12TL23→n

→n

ab電動(dòng)狀態(tài)下坡n→E