直流電機的工作原理及特性

1、第三章第三章 直流電機的工作原理及特性直流電機的工作原理及特性直流電動機的直流電動機的構造構造較較復雜復雜，價格價格也比交流電動也比交流電動機機昂貴昂貴,維護維護維修維修也較也較困難困難。 近年來，由于變頻近年來，由于變頻調速技術的發(fā)展，在中小功率的電動機調速領調速技術的發(fā)展，在中小功率的電動機調速領域中，域中，交流電動機交流電動機正正逐步逐步取代直流電動機取代直流電動機。 盡盡管如此，由于直流電動機具有轉速穩(wěn)定、便于管如此，由于直流電動機具有轉速穩(wěn)定、便于大范圍平滑調速、起動轉矩較大等優(yōu)點。大范圍平滑調速、起動轉矩較大等優(yōu)點。 因此，因此，廣泛用于要求進行平滑、穩(wěn)定、大范圍的調速廣泛用于要求

2、進行平滑、穩(wěn)定、大范圍的調速或需頻繁正、反轉和啟、停，多單元同步協調或需頻繁正、反轉和啟、停，多單元同步協調運轉的生產機械等。運轉的生產機械等。3.1 直流電機的基本結構和工作原理直流電機的基本結構和工作原理一、一、 直流電機的基本結構直流電機的基本結構直流電機包括靜止的和轉動的兩大部分，直流電機包括靜止的和轉動的兩大部分，靜止部分稱為靜止部分稱為定子定子，轉動部分就是，轉動部分就是轉子轉子，靜止和轉動部分之間要有一定大小的間隙靜止和轉動部分之間要有一定大小的間隙(以后稱為氣隙以后稱為氣隙)。定子定子的主要作用是產生磁場，由的主要作用是產生磁場，由主磁極主磁極、換向極換向極、機座機座和和電刷裝

3、置電刷裝置等組成。等組成。轉子轉子(通常稱為電樞通常稱為電樞)的作用是產生電磁轉的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢，由矩和感應電動勢，由電樞鐵心電樞鐵心和和電樞繞組電樞繞組、換向器換向器、軸軸和和風扇風扇等組成。等組成。直流電機的剖面直流電機的剖面主磁極主磁極勵磁繞組勵磁繞組機座機座換向極換向極換向極繞組換向極繞組電樞繞組電樞繞組電樞鐵心電樞鐵心主磁極的作用是建立主磁主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數直流電機的場。絕大多數直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。流來建立磁場。1. 主磁極主磁極主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上

4、的勵磁繞組構成。主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為極掌主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為極掌，它它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場分布，并使勵磁繞組容易固定。使勵磁繞組容易固定。主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿固定在機主磁極上裝有勵磁繞組，整個主磁極用螺桿固定在機座上。主磁極的個數一定是偶數，勵磁繞組的連接必座上。主磁極的個數一定是偶數，勵磁繞組的連接必須使得須使得相鄰主磁極的極性按相鄰主磁極的極性按 N，S 極交替出現極交替出現。 2. 換向極換向極換向極，又稱附加極或間極，是安

5、裝在兩相鄰主磁極換向極，又稱附加極或間極，是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向之間的一個小磁極，它的作用是改善直流電機的換向性能。換向極結構和主磁極類似。換向極的個數一般性能。換向極結構和主磁極類似。換向極的個數一般與主磁極的極數相等，在功率很小的直流電機中，也與主磁極的極數相等，在功率很小的直流電機中，也有不裝換向極的。換向極繞組與電樞繞組串聯。有不裝換向極的。換向極繞組與電樞繞組串聯。換向極繞組換向極繞組換向極鐵心換向極鐵心3機座機座 機座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。機座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。它有兩個作用：它有兩個作用：一個是用來固定主磁極、換向極和端蓋；一個是

6、用來固定主磁極、換向極和端蓋；另一個作用是作為磁路的一部分。機座另一個作用是作為磁路的一部分。機座中有磁通經過的部分稱為磁軛。中有磁通經過的部分稱為磁軛。4. 電樞鐵心電樞鐵心電樞鐵心既是主磁通的組成部分，電樞鐵心既是主磁通的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內。為減少就嵌放在電樞鐵心的槽內。為減少電樞鐵心內的渦流損耗，鐵心一般電樞鐵心內的渦流損耗，鐵心一般用硅鋼片疊壓夾緊而成。用硅鋼片疊壓夾緊而成。直流電機電樞直流電機電樞 5. 換向器換向器換向器是由若干彼此間用云母片絕緣的銅片換向器是由若干彼此間用云母片絕緣的銅片(即換向片即換向片)

7、組成，如圖所示組成，如圖所示。換向器的作用：換向器的作用：對于直流電動對于直流電動機，它將外加機，它將外加的直流電動勢的直流電動勢逆變成電樞繞逆變成電樞繞組的交流電流，組的交流電流，以產生恒定的以產生恒定的電磁轉矩。電磁轉矩。6電刷裝置電刷裝置 電刷裝置是把直流電壓、直流電電刷裝置是把直流電壓、直流電流引入或引出的裝置。電刷由石墨制成，放在流引入或引出的裝置。電刷由石墨制成，放在刷握內，用彈簧壓緊在換向器上，刷握固定在刷握內，用彈簧壓緊在換向器上，刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷架上，彼此之間都絕緣。刷桿上，刷桿裝在刷架上，彼此之間都絕緣。刷架裝在端蓋或軸承內蓋上，調整位置以后，刷架裝在端蓋或軸承

8、內蓋上，調整位置以后，將它固定。將它固定?，F將國產直流電動機系列簡介如下現將國產直流電動機系列簡介如下: 一一.Z型系列型系列 Z為直流電機的漢語拼音第一個字母。這種系列是通風保護式為直流電機的漢語拼音第一個字母。這種系列是通風保護式的。適用于調速范圍不大的機械拖動，少灰塵，少腐蝕及溫度的。適用于調速范圍不大的機械拖動，少灰塵，少腐蝕及溫度低的場所。低的場所。 二二.Z2型系列型系列 它是它是Z型系列的改進型型系列的改進型,也上保護式。調速范圍可達也上保護式。調速范圍可達3比比1，即可，即可超過額定轉速的一倍。超過額定轉速的一倍。 三三.ZO型系列型系列 這種電機是封閉式的，用于多灰塵但無腐蝕

9、性氣體的場所。這種電機是封閉式的，用于多灰塵但無腐蝕性氣體的場所。 四四.ZD型系列型系列 主要用于需要廣泛調速，具有較大的過載能力的場所。如大型主要用于需要廣泛調速，具有較大的過載能力的場所。如大型機床、卷揚機、起重設備。機床、卷揚機、起重設備。 五五.ZQD型系列型系列 它是直流牽引電動機，用于牽引車輛。它是直流牽引電動機，用于牽引車輛。直流電動機的型號直流電動機的型號以以Z2-31Z2-31型電機為例：型電機為例： Z2系列是一般用途的中小型直流電動機，共分系列是一般用途的中小型直流電動機，共分11個機個機座號，每個機座號有二種鐵心長度，功率范圍為座號，每個機座號有二種鐵心長度，功率范圍

10、為0.4200kW；轉速范圍轉速范圍6003000r/min。直流電機的額定值主要有：直流電機的額定值主要有： 1. 額定功率額定功率 PN：指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)指電機在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率，以下運行時，電機的輸出功率，以W為量綱單位。為量綱單位。若大于若大于 1KW 或或 1MW 時時,則用則用 KW 或或 MW 表示。表示。 2. 額定電壓額定電壓 UN： 指額定狀態(tài)下電樞出線端的指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以電壓，以 V為量綱單位。為量綱單位。 3. 額定電流額定電流 IN： 指電機在額定電壓、額定功率指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，以時的電樞電流

11、值，以 A為量綱單位。為量綱單位。 4. 額定轉速額定轉速 nN： 指額定狀態(tài)下運行時轉子的指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速，以轉速，以r/min為量綱單位。為量綱單位。5. 額定勵磁電流額定勵磁電流 If： 指電機在額定狀態(tài)時的勵指電機在額定狀態(tài)時的勵磁電流值。磁電流值。注意注意: 對于直流發(fā)電機，對于直流發(fā)電機，PN是指輸出的電功率，它等是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積，即于額定電壓和額定電流的乘積，即PNUN IN二、直流電機的基本工作原理二、直流電機的基本工作原理 為了討論直流電機的工作原理，可把復雜的直流電機結構簡化為了討論直流電機的工作原理，可把復雜的直流電機結構簡化為

12、電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯為電機具有一對主磁極，電樞繞組只是一個線圈，線圈兩端分別聯在兩個換向片上，換向片上壓著電刷在兩個換向片上，換向片上壓著電刷A和和B。1 主磁極主磁極：勵磁：勵磁繞組上加上直流電繞組上加上直流電壓，勵磁繞組上有壓，勵磁繞組上有勵磁電流通過，使勵磁電流通過，使定子鐵心產生固定定子鐵心產生固定磁場，即定子的主磁場，即定子的主要作用是產生主磁要作用是產生主磁場。場。 2電樞繞組電樞繞組：在：在固定的磁場中旋轉，固定的磁場中旋轉，主要作用是產生感主要作用是產生感應電動勢或產生機應電動勢或產生機械轉矩，實現能量械轉矩，實現能量的轉換。的轉換。5換向器

13、換向器：電刷固定不動，換向片與電樞繞組一起旋轉，主要：電刷固定不動，換向片與電樞繞組一起旋轉，主要作用對發(fā)電機而言是將電樞繞組內感應的交流電勢轉換成電刷間作用對發(fā)電機而言是將電樞繞組內感應的交流電勢轉換成電刷間的直流電勢。對電動機而言，則是將外加的直流電流轉換為電樞的直流電勢。對電動機而言，則是將外加的直流電流轉換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導體的電流的方向不繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導體的電流的方向不變，以產生恒定的電磁轉矩。變，以產生恒定的電磁轉矩。3電刷電刷4換向片換向片發(fā)電機原理：發(fā)電機原理：將機械能轉換為電能。將機械能轉換為電能。 電樞由原動機驅動而在磁場

14、中旋轉，在電樞線圈電樞由原動機驅動而在磁場中旋轉，在電樞線圈的兩根有效邊的兩根有效邊（切割磁力線的導體部分）中便感應出切割磁力線的導體部分）中便感應出電動勢電動勢e。 顯然，每一有效邊中的電動勢是交變的，即在顯然，每一有效邊中的電動勢是交變的，即在N極極下是一個方向，當它轉到下是一個方向，當它轉到S極下時是另一個方向。但是，極下時是另一個方向。但是，由于電刷由于電刷A總是同與總是同與N極下的有效邊相聯的換向片接觸，極下的有效邊相聯的換向片接觸，而電刷而電刷B總是同與總是同與S極下的有效邊相聯的換向片接觸，極下的有效邊相聯的換向片接觸，因此，在電刷間就出現一個極性不變的電動勢或電壓，因此，在電刷

15、間就出現一個極性不變的電動勢或電壓，當電刷之間接有負載時，在電動勢的作用下就在電路當電刷之間接有負載時，在電動勢的作用下就在電路中產生一定方向的電流。中產生一定方向的電流。直流發(fā)電機和直流電動機的電磁轉矩的作用是不同的直流發(fā)電機和直流電動機的電磁轉矩的作用是不同的發(fā)電機的電磁轉矩發(fā)電機的電磁轉矩是阻轉矩，它與電樞轉動的方向或是阻轉矩，它與電樞轉動的方向或原動機的驅動轉矩的方向相反。因此，在等速轉動時，原動機的驅動轉矩的方向相反。因此，在等速轉動時，原動機的轉矩原動機的轉矩T1必須與發(fā)電機的電磁轉矩必須與發(fā)電機的電磁轉矩T及空載損耗及空載損耗轉矩轉矩T0相平衡。相平衡。電動機的電磁轉矩電動機的電

16、磁轉矩是驅動轉矩，它使電樞轉動。因此，是驅動轉矩，它使電樞轉動。因此，電動機的電磁轉矩電動機的電磁轉矩TM必須與機械負載轉矩必須與機械負載轉矩TL及空載損及空載損耗轉矩耗轉矩T0相平衡。相平衡。三、電動勢和電磁轉矩三、電動勢和電磁轉矩 1. 電動勢電動勢E 根據電磁學原理，兩電刷間的感應電動勢為根據電磁學原理，兩電刷間的感應電動勢為:nKE e 式中：式中：E感應電動勢（感應電動勢（V）；）； 一對磁極的磁通（一對磁極的磁通（Wb）；）； n電樞轉速（電樞轉速（r/min）；）； Ke與電機結構有關的常數。與電機結構有關的常數。 直流發(fā)電機中，電動勢的方向總是與電流的方向直流發(fā)電機中，電動勢的

17、方向總是與電流的方向相同，被稱為電源電動勢。相同，被稱為電源電動勢。 直流電動機中，電動勢的方向總是與電流的方向直流電動機中，電動勢的方向總是與電流的方向相反，被稱為反電動勢。相反，被稱為反電動勢。 2電磁轉矩電磁轉矩TM 電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產生電磁力和電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產生電磁力和電磁轉矩，其大小可用如下公式表示：電磁轉矩，其大小可用如下公式表示： at IKT式中：式中：T電磁轉矩（電磁轉矩（Nm）；）； 對磁極的磁通（對磁極的磁通（Wb）；）； Ia電樞電流（電樞電流（A）；）； Kt與電機結構有關的常數，與電機結構有關的常數，Kt=9.55 Ke3.2 直流

18、他勵電動機的機械特性直流他勵電動機的機械特性 一、機械特性的一般形式一、機械特性的一般形式 電動機的電動機的機械特性機械特性指的是指的是轉速與電磁轉矩轉速與電磁轉矩之間的關系。之間的關系。 不同勵磁方式的電動機，其運行特性也不盡相同，不同勵磁方式的電動機，其運行特性也不盡相同，下面主要介紹在調速系統中應用的較廣泛的他勵電動機下面主要介紹在調速系統中應用的較廣泛的他勵電動機的機械特性。的機械特性。 如圖所示為直流他勵電動機的原理電路圖。如圖所示為直流他勵電動機的原理電路圖。 MEIaRaUfIfRfT nUIaaRIEU 式中式中: U外加電樞電壓（外加電樞電壓（V）；）； E感應電勢（感應電勢

19、（V）；）；aI電樞電流（電樞電流（A）；）；aR電樞回路內阻（電樞回路內阻（） 電樞回路部分電樞回路部分勵磁回路部分勵磁回路部分MEIaRaUfIfRfT nUI、nKE e at IKT aae RInKU 即：即： aeaeIKRKUn 轉速特性轉速特性TKKRKUn2teae 機械特性機械特性 由他勵電動機的特性可知：由他勵電動機的特性可知：勵磁電流勵磁電流If的大小與電樞電流的大小與電樞電流 Ia的大小無關，它的大小只取的大小無關，它的大小只取決于決于 Rf、 Uf的大小，當的大小，當 Rf、 Uf的大小一定時的大小一定時, If為定值，即磁為定值，即磁通通 為定值。為定值。nnn0

20、0nNTNTT1. 理想空載轉速：理想空載轉速： T=0 0時的轉速稱為理想空時的轉速稱為理想空載轉速，用載轉速，用n0表示。表示。 根據機械特性可知：根據機械特性可知：eKUn02. 機械特性硬度機械特性硬度 為了衡量機械特性的平直程度，引進一個機械特性為了衡量機械特性的平直程度，引進一個機械特性硬度的概念，其定義為：硬度的概念，其定義為： %100dd nTnT 理想空載點理想空載點nnn00nNTNTT 即轉矩變化與所引起的即轉矩變化與所引起的轉速變化的比值，稱為機械轉速變化的比值，稱為機械特性的硬度。特性的硬度。 根據根據 值的不同，可將值的不同，可將電動機機械特性分為三類。電動機機械

21、特性分為三類。 （1）絕對硬特性）絕對硬特性 （2）硬特性）硬特性 10 （3）軟特性）軟特性 10 %100dd nTnT nnn00nNTNTT二、固有機械特性二、固有機械特性 直流他勵電動機的固有機械特性指的是在額定條件直流他勵電動機的固有機械特性指的是在額定條件（額定電壓（額定電壓UN和額定磁通和額定磁通 N )下和電樞電路內不外接任下和電樞電路內不外接任何電阻時的何電阻時的 n=f(T)即即: TKKRKUn2NteaNeN是一條直線。是一條直線。 直流他勵電動機固有機械特性曲線可根據電動機的銘直流他勵電動機固有機械特性曲線可根據電動機的銘牌數據求出牌數據求出(0,n0 )和和(TN

22、, nN)即可繪出固有的機械特性。即可繪出固有的機械特性。 通常直流電動機銘牌上給出額定功率通常直流電動機銘牌上給出額定功率PN 、額定電壓額定電壓 UN 、額定電流額定電流IN和額定轉速和額定轉速 nN。 直流電動機的固有機械特性的計算直流電動機的固有機械特性的計算 分析分析： （1）已知）已知PN、UN、IN、nN,機械特性是一條直線機械特性是一條直線（2）只需知道直線上兩點）只需知道直線上兩點(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具體計算步驟如下：具體計算步驟如

23、下：(1) 估算電樞電阻估算電樞電阻Ra 依據：電動機在額定負載下的銅耗依據：電動機在額定負載下的銅耗Ia2Ra約占總損約占總損耗耗 PN的的50%75%。NNIURIIUIUIUPIUP)1)(75. 05 . 0()1(Na2aNNNNNNNNNNNN 輸入功率輸出功率輸入功率輸出功率式中：式中： NNNNIUP 是額定運行條件下電動機的效率，且此時是額定運行條件下電動機的效率，且此時NaII 故得故得 NNNNNa)1)(75. 05 . 0(IUIUPR (2) 求求 Ne K 額定運行條件下的反電勢為：額定運行條件下的反電勢為： aNNNe RIUnKEN 故故 NaNNNenRIU

24、K (3) 求理想空載轉速求理想空載轉速: NeN0 KUn 得得 00 n, (4) 求額定轉矩求額定轉矩: NNNNN55. 9nPPT 得得 NN,nT根據根據 、00 n, NN,nT兩點，就可作出他勵直流電動機近似是機械特性曲線兩點，就可作出他勵直流電動機近似是機械特性曲線 。Tfn 三、人為機械特性三、人為機械特性 人為機械特性是指人為地改變電動機電樞外加電壓人為機械特性是指人為地改變電動機電樞外加電壓U和勵磁磁和勵磁磁通通的大小以及電樞回路串接附加電阻的大小以及電樞回路串接附加電阻Rad所得到的機械特性。所得到的機械特性。 1. 電樞回路中串接附加電阻時的人為特性電樞回路中串接附

25、加電阻時的人為特性 NN, UU電壓平衡方程式為：電壓平衡方程式為： )(adaaNRRIEU 得到的人為機械特性方程式為：得到的人為機械特性方程式為： TKKRRKUn2NteadaNeNMEIaRaUIfUfRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1 Rad2TKKRKUn2NteaNeN把對比與TKKRRKUn2NteadaNeN 特性變軟特性變軟空載速度不變；空載速度不變；隨著電阻的增加，轉速降落增加；隨著電阻的增加，轉速降落增加；MEIaRaUIfUfRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1 U1 U2 U3n01U1n02U2n03U3 3改變磁通改變磁通 時的人

26、為特性時的人為特性 0,adN RUU轉速降隨磁通的改變而變化。轉速降隨磁通的改變而變化。理想空載轉速隨磁通的改變而變化；理想空載轉速隨磁通的改變而變化；TKKRKUn2NteaNeN把TKKRKUn2teaeN與 特性變軟特性變軟n0Tn0N 1 2 3n01n02n03Tst3N123Tst2Tst1Tst由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流由于勵磁線圈發(fā)熱和電動機磁飽和的限制，電動機的勵磁電流和它對應的磁通只能在低于其額定值的范圍內調節(jié)；和它對應的磁通只能在低于其額定值的范圍內調節(jié)； 當磁通過分削弱后：當磁通過分削弱后： （2）當）當 0時，從理論上說，空載時電動機速度

27、趨近時，從理論上說，空載時電動機速度趨近 ，通常，通常稱為稱為“飛車飛車”； 當電動機軸上的負載轉矩大于電磁轉矩時，電動機不能啟動，當電動機軸上的負載轉矩大于電磁轉矩時，電動機不能啟動，電樞電流為電樞電流為Ist ，長時間的大電流會燒壞電樞繞組。長時間的大電流會燒壞電樞繞組。 因此，直流他勵電動機啟動前必須先加勵磁電流，在運轉過程因此，直流他勵電動機啟動前必須先加勵磁電流，在運轉過程中，決不允許勵磁電路斷開或勵磁電流為零，為此，直流他勵電動中，決不允許勵磁電路斷開或勵磁電流為零，為此，直流他勵電動機在使用中，一般都設有機在使用中，一般都設有“失磁失磁”保護。保護。 （1）如果負載轉矩不變，將使

28、電動機電流大大增加而嚴重過載；）如果負載轉矩不變，將使電動機電流大大增加而嚴重過載；33 直流他勵電動機的啟動特性直流他勵電動機的啟動特性 一、啟動特性一、啟動特性 電動機的啟動就是施電于電動機，使電動機轉子轉動起來，達電動機的啟動就是施電于電動機，使電動機轉子轉動起來，達到要求轉速的這一過程。到要求轉速的這一過程。 對直流電動機而言，在未啟動之前對直流電動機而言，在未啟動之前n=0 , E=0, 而而Ra一般很小。一般很小。當將電動機直接接入電網并施加額定電壓時，啟動電流為：當將電動機直接接入電網并施加額定電壓時，啟動電流為：aNst/ RUI 這個電流很大，一般情況下能達到其額定電流的（這

29、個電流很大，一般情況下能達到其額定電流的（1020）倍。過大的啟動電流危害很大：倍。過大的啟動電流危害很大： （1） 對電動機本身的影響：對電動機本身的影響： 使電動機在換向過程中產生危險的火花，燒壞整流子；使電動機在換向過程中產生危險的火花，燒壞整流子； 過大的電樞電流產生過大的電動應力，可能引起繞組的損壞；過大的電樞電流產生過大的電動應力，可能引起繞組的損壞； （2） 對機械系統的影響：對機械系統的影響： 與啟動電流成正比例的啟動轉矩使運動系統的動態(tài)轉矩很大，與啟動電流成正比例的啟動轉矩使運動系統的動態(tài)轉矩很大，過大的動態(tài)轉矩會在機械系統和傳動機構中產生過大的動態(tài)轉矩沖過大的動態(tài)轉矩會在機

30、械系統和傳動機構中產生過大的動態(tài)轉矩沖擊，使機械傳動部件損壞；擊，使機械傳動部件損壞； （3）對供電電網的影響：）對供電電網的影響： 過大的啟動電流將使保護裝置動作，切斷電源造成事故，或者過大的啟動電流將使保護裝置動作，切斷電源造成事故，或者引起電網電壓的下降，影響其他負載的正常運行。引起電網電壓的下降，影響其他負載的正常運行。 因此，直流電動機是不允許直接啟動的，即在啟動時必須設法因此，直流電動機是不允許直接啟動的，即在啟動時必須設法限制電樞電流，例如普通的限制電樞電流，例如普通的Z2型直流電動機，規(guī)定電樞的瞬時電流型直流電動機，規(guī)定電樞的瞬時電流不得大于額定電流的不得大于額定電流的1.52

31、倍。倍。二、啟動方法二、啟動方法 限制直流電動機的啟動電流，一般有降壓啟動和電限制直流電動機的啟動電流，一般有降壓啟動和電樞回路串電阻啟動兩種方式。樞回路串電阻啟動兩種方式。 1. 降壓啟動：降壓啟動： 所謂降壓啟動即在啟動瞬間，降低供電電源電壓，所謂降壓啟動即在啟動瞬間，降低供電電源電壓，隨著轉速的升高，反電勢增大，再逐步提高供電電壓，最隨著轉速的升高，反電勢增大，再逐步提高供電電壓，最后達到額定電壓時，電動機達到所要求的轉速。后達到額定電壓時，電動機達到所要求的轉速。 2. 電樞回路串電阻啟動電樞回路串電阻啟動 啟動時，電樞回路串接啟動電阻啟動時，電樞回路串接啟動電阻Rst,此時啟動電流此

32、時啟動電流Ist=UN/(Ra+Rst)將受外加啟動電阻的限制。隨著轉速的升將受外加啟動電阻的限制。隨著轉速的升高，反電勢增大，再逐步切除外加電阻直到全部切除，電高，反電勢增大，再逐步切除外加電阻直到全部切除，電動機達到所要求的轉速。動機達到所要求的轉速。 電樞回路串電阻啟動時電動機電樞電路和啟動特性電樞回路串電阻啟動時電動機電樞電路和啟動特性如圖所示：如圖所示： 直線直線1為電動機電樞回路串接啟動電阻時的機械為電動機電樞回路串接啟動電阻時的機械特性，直線特性，直線2為電動機的固有機械特性。啟動電阻的為電動機的固有機械特性。啟動電阻的大小就是保證啟動電流為額定值的兩倍。大小就是保證啟動電流為額

33、定值的兩倍。 電樞回路接入電網時，電樞回路接入電網時，KM斷開，電動機工作在特性斷開，電動機工作在特性1上，在動上，在動態(tài)轉矩的作用下，電動機速度上升。當速度上升到態(tài)轉矩的作用下，電動機速度上升。當速度上升到a點時，點時，KM閉合，閉合，電動機的機械特性變?yōu)殡妱訖C的機械特性變?yōu)?。由于在切換電阻的瞬間，機械慣性的作。由于在切換電阻的瞬間，機械慣性的作用使電動機的轉速不能突變，在此瞬間速度維持不變，即電動機的用使電動機的轉速不能突變，在此瞬間速度維持不變，即電動機的工作點從工作點從a點切換到點切換到b點，在動態(tài)轉矩的作用下，電動機的速度繼續(xù)點，在動態(tài)轉矩的作用下，電動機的速度繼續(xù)上升直到穩(wěn)定點上

34、升直到穩(wěn)定點c。 從圖中不難看出：當電動機的工作點從從圖中不難看出：當電動機的工作點從a點切換到點切換到b點時，沖擊電流仍很大，為了解決這種現象，通常采用點時，沖擊電流仍很大，為了解決這種現象，通常采用逐級逐級切除啟動電阻切除啟動電阻的方法來實現。圖所示為具有三段啟的方法來實現。圖所示為具有三段啟動電阻的原理電路和啟動特性。動電阻的原理電路和啟動特性。 圖中：圖中： 1T尖峰（最大）轉矩；尖峰（最大）轉矩； 2T換接（最小）轉矩換接（最?。┺D矩 (1) 電樞接入電網時，電樞接入電網時，KM1、KM2和和KM3均斷開，均斷開，電樞回路串接外加電阻電樞回路串接外加電阻Rad3=R1+R2+R3，此

35、時，電動機此時，電動機工作在特性曲線工作在特性曲線a，在轉矩在轉矩 T1的作用下，轉速沿曲線的作用下，轉速沿曲線a上升；上升； (2) 當速度上升使工作點到達當速度上升使工作點到達2時，時，KM1閉合，即閉合，即切除電阻切除電阻R3 ，此時電樞回路串外加電阻此時電樞回路串外加電阻Rad2=R1+R2，電動機的機械特性變?yōu)榍€電動機的機械特性變?yōu)榍€b。由于機械慣性的作用，由于機械慣性的作用，電動機的轉速不能突變，工作點由電動機的轉速不能突變，工作點由2切換到切換到3，速度又，速度又沿著曲線沿著曲線b繼續(xù)上升；繼續(xù)上升； (3) 當速度上升使工作點到達當速度上升使工作點到達4時，時，KM1、KM

36、2同同時閉合，即切除電阻時閉合，即切除電阻 R2、R3， 此時電樞回路串外加電此時電樞回路串外加電阻阻 Rad1=R1，電動機的機械特性變?yōu)榍€電動機的機械特性變?yōu)榍€c。由于機械慣由于機械慣性的作用，電動機的轉速不能突變，工作點由性的作用，電動機的轉速不能突變，工作點由4切換到切換到5，速度又沿著曲線速度又沿著曲線c繼續(xù)上升；繼續(xù)上升； (4) 當速度上升使工作點到達當速度上升使工作點到達6時，時，KM1、KM2、KM3同時閉同時閉合，即切除電阻合，即切除電阻R1、 R2 、 R3，此時電樞回路無外加電阻，電動機此時電樞回路無外加電阻，電動機的機械特性變?yōu)楣逃刑匦郧€的機械特性變?yōu)楣逃刑匦郧?/p>

37、線d，由于機械慣性的作用，電動機的由于機械慣性的作用，電動機的轉速不能突變，工作點由轉速不能突變，工作點由6切換到切換到7，速度又沿著曲線，速度又沿著曲線d繼續(xù)上升直繼續(xù)上升直到穩(wěn)定工作點到穩(wěn)定工作點8。 由上可見，啟動級數愈多，由上可見，啟動級數愈多， T1、 T2愈與平均轉矩愈與平均轉矩 221avTTT 接近，啟動過程快而平穩(wěn)，但所需的控制設備也就愈多。我國生接近，啟動過程快而平穩(wěn)，但所需的控制設備也就愈多。我國生產的標準控制柜都是按快速啟動原則設計的，一般啟動電阻為產的標準控制柜都是按快速啟動原則設計的，一般啟動電阻為（34）段。）段。 多級啟動時，多級啟動時， T1、 T2的數值需按

38、照電動機的具體啟動條件決的數值需按照電動機的具體啟動條件決定，一般原則是保持每一級的最大轉矩定，一般原則是保持每一級的最大轉矩 T1（或最大電流或最大電流I1 ）不超過不超過電動機的允許值，而每次切換電阻時的電動機的允許值，而每次切換電阻時的 T2（或最小電流或最小電流I2 ）也基本也基本相同，一般選擇：相同，一般選擇： N126 . 1TT N22 . 11 . 1TT 34 直流他勵電動機的調速特性直流他勵電動機的調速特性 一、速度調節(jié)和速度變化一、速度調節(jié)和速度變化 調速調速（又稱速度調節(jié)）與（又稱速度調節(jié)）與速度變化速度變化是兩個完全不同的概念是兩個完全不同的概念 電動機的電動機的調速

39、調速是在一定的負載條件下，人為地改變電動機的電是在一定的負載條件下，人為地改變電動機的電路參數，以改變電動機的穩(wěn)定轉速，如圖所示。路參數，以改變電動機的穩(wěn)定轉速，如圖所示。 轉速的改變是轉速的改變是人為改變人為改變（或調節(jié)）電樞回路的電（或調節(jié)）電樞回路的電阻大小所造成的，故稱阻大小所造成的，故稱調調速或速度調節(jié)速或速度調節(jié)。 速度變化速度變化是指由于電動機的負載轉矩發(fā)生變化（增大與減?。┦侵赣捎陔妱訖C的負載轉矩發(fā)生變化（增大與減小）或其它不可預見因數引起電動機轉速的變化（下降或上升），如圖或其它不可預見因數引起電動機轉速的變化（下降或上升），如圖所示。所示。 總之，速度變化是在某總之，速度變

40、化是在某條機械特性上，由于負載改條機械特性上，由于負載改變而引起的；而速度調節(jié)則變而引起的；而速度調節(jié)則是在某一特定的負載下，靠是在某一特定的負載下，靠人為改變機械特性而得到的。人為改變機械特性而得到的。二、調速方法二、調速方法下面僅就他勵直流電動機的調速方法作一般性的介紹。下面僅就他勵直流電動機的調速方法作一般性的介紹。 從直流他勵電動機機械特性方程式從直流他勵電動機機械特性方程式 TKKRRKUn2teadae 可知：可知：改變串入電樞回路的電阻改變串入電樞回路的電阻Rad ；改變改變電樞供電電壓電樞供電電壓U或或主磁通主磁通 ，都可以得到不同的人為機械特性，從而在負載不變時可，都可以得到

41、不同的人為機械特性，從而在負載不變時可以改變電動機的轉速，以達到速度調節(jié)的要求，故直流電動機調速以改變電動機的轉速，以達到速度調節(jié)的要求，故直流電動機調速的方法有以下三種。的方法有以下三種。 1、改變電樞電路外串電阻、改變電樞電路外串電阻 adR 直流電動機電樞回路串接電阻后，可以得到如圖所示的一簇機直流電動機電樞回路串接電阻后，可以得到如圖所示的一簇機械特性。械特性。 從特性可看出，在一定的負從特性可看出，在一定的負載轉矩載轉矩TL下，串入不同的電阻可下，串入不同的電阻可以得到不同的轉速。如在電阻分以得到不同的轉速。如在電阻分別為別為 Ra、R1、R2、R3、的情況下，的情況下，可以分別得到

42、穩(wěn)定工作點可以分別得到穩(wěn)定工作點A、C、D和和E，對應的轉速為對應的轉速為nA、 nB、 nC、 nD。 改變電樞回路串接電阻的大小調速存在如下問題：改變電樞回路串接電阻的大小調速存在如下問題： 機械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩(wěn)定度愈低；機械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩(wěn)定度愈低； 在空載或輕載時，調速范圍不大；在空載或輕載時，調速范圍不大； 實現無級調速困難；實現無級調速困難； 在調速電阻上消耗大量電能等。在調速電阻上消耗大量電能等。 正因為缺點不少，目前已很少采用，僅在有些起重機、卷揚機正因為缺點不少，目前已很少采用，僅在有些起重機、卷揚機等低速運轉時間不長的傳動系統中采用。等低速運

43、轉時間不長的傳動系統中采用。2改變電動機電樞供電電壓改變電動機電樞供電電壓U 如圖所示特性為改變電樞供電電壓如圖所示特性為改變電樞供電電壓U調速的特性：調速的特性： 從特性可看出，在一定的負從特性可看出，在一定的負載轉矩載轉矩TL下，電樞外加不同電壓下，電樞外加不同電壓可以得到不同的轉速。如在電壓可以得到不同的轉速。如在電壓分別為分別為 UN、 U1、 U2、 U3的情的情況下，可以分別得到穩(wěn)定工作點況下，可以分別得到穩(wěn)定工作點a、b、c和和d，對應的轉速為對應的轉速為na、 nb、 nc、 nd。即改變電樞電壓即改變電樞電壓可以達到調速的目的。可以達到調速的目的。 改變電樞外加電壓調速有如下

44、特點：改變電樞外加電壓調速有如下特點： 1）當電源電壓連續(xù)變化時，轉速可以平滑無級調節(jié)，）當電源電壓連續(xù)變化時，轉速可以平滑無級調節(jié)， 一般一般只能在額定轉速以下調節(jié)；只能在額定轉速以下調節(jié)； 2）調速特性與固有特性互相平行，機械特性硬度不變，調速）調速特性與固有特性互相平行，機械特性硬度不變，調速的穩(wěn)定度較高，調速范圍較大；的穩(wěn)定度較高，調速范圍較大； 3）調速時，因電樞電流與電壓）調速時，因電樞電流與電壓U無關，且無關，且 = N，轉矩轉矩T=Kt N Ia不變，屬于有恒轉矩調速。不變，屬于有恒轉矩調速。 調速過程中，電動機輸出轉矩不變的調速特性稱為恒轉矩調調速過程中，電動機輸出轉矩不變的

45、調速特性稱為恒轉矩調速速。具有恒轉矩調速特性的調速方法適合于對恒轉矩型負載進行。具有恒轉矩調速特性的調速方法適合于對恒轉矩型負載進行調速；調速； 4）可以靠調節(jié)電樞電壓來啟動電機，而不用其他啟動設備。）可以靠調節(jié)電樞電壓來啟動電機，而不用其他啟動設備。3改變電動機主磁通改變電動機主磁通 如圖所示曲線為改變電動機主磁通如圖所示曲線為改變電動機主磁通 調速的特性：調速的特性： 從特性可看出，在一定的負載功率從特性可看出，在一定的負載功率PL下，不同的主磁通下，不同的主磁通 N、 1、 2、 ，可以得到不同的轉速可以得到不同的轉速na、 nb、 nc。即改變主磁通即改變主磁通 可以達到調可以達到調速

46、的目的。速的目的。 改變電動機主磁通特點：改變電動機主磁通特點： 1）可以平滑無級調速，但只能弱磁調速，即在額定轉速以上）可以平滑無級調速，但只能弱磁調速，即在額定轉速以上調節(jié)；調節(jié)； 2）調速特性較軟，且受電動機換向條件等的限制。）調速特性較軟，且受電動機換向條件等的限制。 普通他勵電動機的最高轉速不得超過額定轉速的普通他勵電動機的最高轉速不得超過額定轉速的1.2倍，所以，倍，所以，調速范圍不大，若使用特殊制造的調速范圍不大，若使用特殊制造的“調速電動機調速電動機”，調速范圍可以，調速范圍可以增加，但這種調速電動機的體積和所消耗的材料都比普通電動機大增加，但這種調速電動機的體積和所消耗的材料

47、都比普通電動機大得多；得多； 3）調速時維持電樞電壓）調速時維持電樞電壓U和電樞電流和電樞電流Ia不變時，電動機的輸出不變時，電動機的輸出功率功率P=UIa電動機的輸出功率不變。電動機的輸出功率不變。 在在調速過程中，輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調速，調速過程中，輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調速，這這種調速適合于對恒功率型負載進行調速。種調速適合于對恒功率型負載進行調速。35 直流他勵電動機的制動特性直流他勵電動機的制動特性 1制動與啟動制動與啟動 啟動：施電于電動機使電動機速度啟動：施電于電動機使電動機速度從靜止加速到某一穩(wěn)定轉速從靜止加速到某一穩(wěn)定轉速的一種運動狀態(tài)；的一種運動狀態(tài)

48、； 制動：制動：從某一穩(wěn)定轉速開始減速到停止從某一穩(wěn)定轉速開始減速到停止或是或是限制位能負載下降限制位能負載下降速度速度的一種運轉狀態(tài)。的一種運轉狀態(tài)。 2. . 制動與自然停車制動與自然停車 1）自然停車：電動機脫離電網，）自然停車：電動機脫離電網，靠很小的摩擦阻轉矩消耗機靠很小的摩擦阻轉矩消耗機械能使轉速慢慢下降械能使轉速慢慢下降，直到轉速為零而停車。這種停車過程需時較，直到轉速為零而停車。這種停車過程需時較長，不能滿足生產機械快速停車的要求；長，不能滿足生產機械快速停車的要求； 2）制動：）制動：外加阻力轉矩使電動機迅速停車外加阻力轉矩使電動機迅速停車。為了提高生產效率。為了提高生產效率，保證產品質量，需要加快停車過程，實現準確停車等，要求電動，保證產品質量，需要加快停車過程，實現準確停車等，要求電動機運行在制動狀態(tài)，常簡稱為電動機的制動。機運行在制動狀態(tài)，常簡稱為電動機的制動。3. . 電動機的兩種工作狀態(tài)電動機的兩種工作狀態(tài) 1) 電動狀態(tài)：電動狀態(tài)：，0LM TTMT 為拖動轉矩為拖動轉矩 LT為阻轉矩為阻轉矩 電動機的作用是將電動機的作用是將電能轉換機械能。故稱電能轉換機械能。故稱這種狀態(tài)為這種狀態(tài)為電動狀態(tài)電動狀態(tài)。 2）制動狀態(tài)：）制動狀態(tài)：，0)