cha21直流電動(dòng)機(jī)課件

第二十一章直流電動(dòng)機(jī)主要內(nèi)容直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)是直流發(fā)電機(jī)的一種逆運(yùn)行狀態(tài)，將電能變?yōu)闄C(jī)械能。由于表征機(jī)械能的參數(shù)為轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速，所以直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行特性最重要的是機(jī)械特性和工作特性。因直流電動(dòng)機(jī)運(yùn)行性能因勵(lì)磁方式不同而有很大差異。下面介紹并勵(lì)、串勵(lì)和復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性。第一節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性一、并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性（一）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性直流電動(dòng)機(jī)工作特性是指在U=UN，If=IfN，電樞回路不外串電阻的條件下，轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率與輸出功率P2之間的關(guān)系曲線。實(shí)際運(yùn)行中，電樞電流Ia是隨P2增大而增大，又便于測(cè)量，故也可把轉(zhuǎn)速n、轉(zhuǎn)矩T、效率與電樞電流Ia之間的關(guān)系曲線稱為工作特性。工作特性可以利用實(shí)驗(yàn)獲得，試驗(yàn)接線如圖21-1，工作特性曲線如圖21-2。圖21-1并勵(lì)電動(dòng)機(jī)試驗(yàn)接線圖圖21-2并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性1.轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻RΩ=0時(shí)，n=?(Ia)關(guān)系。根據(jù)電勢(shì)方程式Ea=CeΦ·n和電壓方程式可得可知影響電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的兩個(gè)因素：電樞回路的電阻壓降；電樞反應(yīng)的去磁作用。隨著電樞電流的增加，電樞回路的電阻壓降使轉(zhuǎn)速下降，而電樞反應(yīng)的去磁作用會(huì)使n趨于上升。為保證電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，在電機(jī)結(jié)構(gòu)上采取一些措施，使并勵(lì)電動(dòng)機(jī)具有略微下降的轉(zhuǎn)速特性。采用轉(zhuǎn)速調(diào)整率衡量轉(zhuǎn)速下降的程度，轉(zhuǎn)速調(diào)整率為并勵(lì)電動(dòng)機(jī)負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速變化很小，他勵(lì)（或并勵(lì)）電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能斷開。若勵(lì)磁繞組斷開，If=0，電樞電流迅速增大，若負(fù)載較小，則會(huì)造成“飛車”事故。2.轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻Rpa=0時(shí)，T=?(Ia)關(guān)系。轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖21-2。

根據(jù)轉(zhuǎn)矩公式忽略電樞反應(yīng)，轉(zhuǎn)矩特性是一條過原點(diǎn)的直線。計(jì)飽和時(shí)，Ia較大時(shí)，電樞反應(yīng)的去磁作用，使曲線偏離直線。3.效率特性效率特性是指當(dāng)U=UN，If=IfN，電樞回路外串電阻Rpa=0時(shí)，=?(Ia)關(guān)系。式中p不變與負(fù)載電流變化無(wú)關(guān)，為直流電機(jī)的不變損耗，p可變隨負(fù)載電流平方倍變化為直流電機(jī)的可變損耗，各種電機(jī)的效率曲線具有相同的形狀。因?yàn)樾实亩x相同，損耗的性質(zhì)也相同，當(dāng)負(fù)載電流從零逐漸增大時(shí)，效率也隨之增大，當(dāng)負(fù)載電流增大到一定程度，效率達(dá)最大，之后隨負(fù)載電流的繼續(xù)增大，效率反而減小。如果不變損耗等于可變損耗時(shí)，效率最高，效率特性的這個(gè)特點(diǎn)，對(duì)其它電機(jī)、變壓器也適用，具有普遍意義。一般直流電機(jī)的額定效率等于75％85％。(二）并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性并勵(lì)電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)負(fù)載運(yùn)行，歸根結(jié)底就是向負(fù)載發(fā)出一定的轉(zhuǎn)距，并使之得到一定的轉(zhuǎn)速。T和n是生產(chǎn)機(jī)械對(duì)電動(dòng)機(jī)提出的兩項(xiàng)要求。在電機(jī)內(nèi)部T和n不是相互獨(dú)立的，它們之間存在著確定的關(guān)系，這種關(guān)系稱為機(jī)械特性。其中R=Ra+Rpa，Ra+為電樞電阻，Rpa為電樞回路外串電阻，所以

由于如不計(jì)磁飽和效應(yīng)（忽略電樞反應(yīng)影響），則磁通為常數(shù)，當(dāng)外串電阻Rpa為零時(shí)，并勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性為一稍微下降的直線，如圖21-3，成為故有機(jī)械特性。若外串電阻不為零，稱為串電阻人為機(jī)械特性，同理還有弱磁人為機(jī)械特性和降壓人為機(jī)械特性。圖21-3并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性機(jī)械特性具有特點(diǎn)：稱為理想空載轉(zhuǎn)速；時(shí)，特性為一斜率為的稍微向下傾斜的直線，這種特性稱為硬特性；電樞反應(yīng)的影響如考慮磁飽和，交軸電樞反應(yīng)呈去磁作用，可見，由于磁通減小，轉(zhuǎn)速上升，機(jī)械特性的下降減小，或水平，或上翹。為避免上翹，采取一些措施，可加串勵(lì)繞組，其磁勢(shì)抵消電樞反應(yīng)的去磁作用。二、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于交通運(yùn)輸中，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)是氣隙主磁通隨電樞電流的變化而變化，其接線圖21-4所示。圖21-4串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)接線（一）串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性（1）轉(zhuǎn)速特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性指電樞回路外串電阻Rpa為0，由則串勵(lì)的轉(zhuǎn)速特性與并勵(lì)截然不同，它隨負(fù)載增加迅速降低，變化很大，如圖21-5。圖21-5串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性當(dāng)負(fù)載很小時(shí)，所以轉(zhuǎn)速達(dá)到危險(xiǎn)的高速，稱“飛車”現(xiàn)象，因此串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不允許在空載或負(fù)載很小的情況下運(yùn)行。轉(zhuǎn)速特性與縱軸無(wú)交點(diǎn)。其轉(zhuǎn)速調(diào)整率定義為：為輸出功率等于PN時(shí)的轉(zhuǎn)速。當(dāng)負(fù)載較大，則T較大，這時(shí)磁路飽和，主磁通基本上為一常數(shù)，即Φ=k，得可見，轉(zhuǎn)速n隨電磁轉(zhuǎn)矩T增大而下降，是條略微向下傾斜的直線。（2)轉(zhuǎn)矩特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性指電樞回路外串電阻為0，因?yàn)楫?dāng)磁路不飽和時(shí)，當(dāng)磁路飽和時(shí)，一般T按大于一次方的比例增加，如圖21-5。它對(duì)起動(dòng)和過載能力有重要意義，在同樣大小的起動(dòng)電流下能得到比并勵(lì)電動(dòng)機(jī)更大的起動(dòng)轉(zhuǎn)距，所以常用于用于電氣牽引。（二）串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性指電樞回路外串電阻為0，因?yàn)樗詎反比于T，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加迅速下降，如圖21-6，這種特性稱為軟特性。圖21-6串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性圖21-7復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性三、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)通常接成積復(fù)勵(lì)，即有并勵(lì)繞組，又有串勵(lì)繞組，故其特性介于并勵(lì)與串勵(lì)之間。若勵(lì)磁繞組以并勵(lì)為主，則其特性接近于并勵(lì)電動(dòng)機(jī)。但由于有串勵(lì)磁勢(shì)的存在，補(bǔ)償電樞反應(yīng)的去磁作用，不致使轉(zhuǎn)速特性上翹。若勵(lì)磁繞組中串勵(lì)磁動(dòng)勢(shì)起主要作用，則特性接近于串勵(lì)電動(dòng)機(jī)，由于有并勵(lì)磁勢(shì)存在，不會(huì)使電動(dòng)機(jī)空載時(shí)出現(xiàn)“飛車”現(xiàn)象。當(dāng)負(fù)載增大時(shí)，電樞電流增大，總磁通隨之增大，使轉(zhuǎn)速比并勵(lì)下降更多，如圖21-7所示。第二節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)電動(dòng)機(jī)接到規(guī)定電源后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧闵仙椒€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速的過程稱為起動(dòng)過程。這里分析穩(wěn)態(tài)起動(dòng)，即n=0，Ea=0的瞬間，起動(dòng)電流將很大。起動(dòng)問題是評(píng)價(jià)電動(dòng)機(jī)性能的重要方面之一，這是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程。但這里只介紹穩(wěn)態(tài)情況，即在電動(dòng)機(jī)接入電源瞬間，轉(zhuǎn)子待轉(zhuǎn)而未轉(zhuǎn)動(dòng)這一瞬間的狀態(tài)。系統(tǒng)要求起動(dòng)電流要小，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大的原因是要保證電源供電質(zhì)量和起動(dòng)時(shí)間要短。直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)的基本要求是：（1）起動(dòng)轉(zhuǎn)矩要大；（2）起動(dòng)電流要小，限制在安全范圍之內(nèi)；（3）起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠。直流電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，Ia可突增至額定電流的十多倍，故此必須加以限制，在保證產(chǎn)生足夠的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下（盡量減小起動(dòng)電流，一般直流電動(dòng)機(jī)瞬時(shí)過載電流不得超過（1.5~2）IN。直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方法有：直接起動(dòng)，電樞回路串電阻起動(dòng)和降壓起動(dòng)，下面以并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)為例分別說明。一、直接起動(dòng)（即全壓起動(dòng)）操作方法簡(jiǎn)便，不需任何起動(dòng)設(shè)備，只需兩個(gè)開關(guān)（勵(lì)磁開關(guān)K1和電樞開關(guān)K2）如圖21-6。

起動(dòng)時(shí)，先合上K1，給電機(jī)加勵(lì)磁并調(diào)勵(lì)磁電阻Rpf，使If最大，確定磁場(chǎng)已建立后，合上K2，在電樞繞組上直接加額定電壓。起動(dòng)時(shí)沖擊電流很大，可達(dá)（1020）IN，從而沖擊電源電壓，影響同一電源的其他設(shè)備正常運(yùn)行。還對(duì)電機(jī)本身造成換向困難引起較大火花。故全壓起動(dòng)僅用于微小型電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)。圖21-6直接起動(dòng)接線圖二、電樞回路串變阻器起動(dòng)為限制起動(dòng)電流，在起動(dòng)時(shí)將起動(dòng)電阻串入電樞回路，待轉(zhuǎn)速上升后，再逐級(jí)將起動(dòng)電阻切除，如圖21-7圖21-7電樞回路串電阻起動(dòng)電樞回路串電阻起動(dòng)的工作原理是：對(duì)應(yīng)于起動(dòng)電流Is1的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩為Ts1，因Ts1＞TL，電動(dòng)機(jī)開始起動(dòng)。起動(dòng)過程的機(jī)械特性如圖21-7（b）所示，工作點(diǎn)由起動(dòng)點(diǎn)Q沿電樞總電阻為Rs1的人為特性上升，電樞電動(dòng)勢(shì)隨之增大，電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩則隨之減小。當(dāng)轉(zhuǎn)速升至n1時(shí)，起動(dòng)電流和起動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降至Is2和Ts2(圖217（b）中A點(diǎn))，為了保持起動(dòng)過程中電流和轉(zhuǎn)矩有較大的值，以加速起動(dòng)過程。此時(shí)閉合KM1，切除r1。此時(shí)的電流Is2稱為切換電流。當(dāng)r1被斷掉后，電樞回路總電阻變?yōu)镽s2=Ra+r2+r3。由于機(jī)械慣性，轉(zhuǎn)速和電樞電動(dòng)勢(shì)不能突變，電樞電阻減小將使電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩增大，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性由圖21-6（b）中曲線1上的A點(diǎn)平移到曲線2上的B點(diǎn)。再依此切除起動(dòng)電阻r2、r3，電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)就從B點(diǎn)到D點(diǎn)，最后穩(wěn)定運(yùn)行在自然機(jī)械特性的G點(diǎn)，電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程結(jié)束。只要RSt選擇適當(dāng)，能將起動(dòng)電流限制在允許范圍內(nèi)，隨n的上升可切除一段電阻。采用分段切除電阻，可使電機(jī)在起動(dòng)過程中獲較大加速，且加速均勻，緩和有害沖擊。電樞回路串變阻器起動(dòng)優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。缺點(diǎn)：電能損耗大，設(shè)備笨重。串入變阻器時(shí)的起動(dòng)電流為三、降壓起動(dòng)當(dāng)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電樞回路由專用的可調(diào)壓直流電源供電時(shí)，可以采用降壓起動(dòng)的方法。起動(dòng)電流將隨電樞電壓降低的程度成正比地減小。起動(dòng)前先調(diào)好勵(lì)磁，然后把電源電壓由低向高調(diào)節(jié)，最低電壓所對(duì)應(yīng)的人為特性上的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩Ts1>TL時(shí)，電動(dòng)機(jī)就開始起動(dòng)。起動(dòng)后，隨著轉(zhuǎn)速上升，可相應(yīng)提高電壓，以獲得需要的加速轉(zhuǎn)矩，起動(dòng)過程的機(jī)械特性如圖21-8所示。圖21-8降壓起動(dòng)過程的機(jī)械特性開始起動(dòng)時(shí)將低電壓，則并使Ia限制在一定范圍內(nèi)。采用降壓起動(dòng)時(shí)，需專用調(diào)壓電源，直流發(fā)電機(jī)，或可控硅整流電源。用發(fā)電機(jī)，調(diào)節(jié)勵(lì)磁達(dá)到調(diào)壓；用可控硅整流電源，用觸發(fā)號(hào)控制輸出電壓。優(yōu)點(diǎn)：沒有起動(dòng)電阻，起動(dòng)過程平滑，起動(dòng)過程中能量損耗少。缺點(diǎn)：專用降壓設(shè)備，成本較高。值得注意的是，并勵(lì)（或他勵(lì)）電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)，為了限制起動(dòng)電流，電樞回路的外串電阻Rst應(yīng)置于最大阻值位置；為了增大起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，勵(lì)磁回路的外串電阻Rf應(yīng)置于最小阻值位置。對(duì)串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，不允許空載（或輕載）起動(dòng)，否則起動(dòng)后將造成"飛車"事故。第三節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速許多生產(chǎn)機(jī)械需要調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，直流電動(dòng)機(jī)具有在寬廣的范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)的調(diào)速的性能。因此在調(diào)速要求較高的生產(chǎn)機(jī)械上得到廣泛應(yīng)用。調(diào)速及其指標(biāo)調(diào)速范圍（D）是指電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)額定負(fù)載時(shí)，所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速與最小轉(zhuǎn)速之比。靜差率（又稱相對(duì)穩(wěn)定性）（δ）是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨之變化的程度。調(diào)速的平滑性在一定的調(diào)速范圍內(nèi)，調(diào)速的級(jí)數(shù)越多越平滑，相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速之比稱為平滑系數(shù)（）。值越接近1則平滑性越好。調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性是指調(diào)速所需設(shè)備投資和調(diào)速過程中的能量損耗。調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的容許輸出是指在電動(dòng)機(jī)得到充分利用的情況下，在調(diào)速過程中所能輸出的最大功率和轉(zhuǎn)矩。調(diào)速是人為的改變電氣參數(shù)，從而改變機(jī)械特性，使得在某一負(fù)載下得到不同的轉(zhuǎn)速，從直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式可知，在某一負(fù)載下（Ia不變），其中Ｕ、Ra、中均可調(diào)節(jié)，所以可有三種調(diào)速方法：電樞串電阻調(diào)速；降低電樞電壓調(diào)速；減弱磁通調(diào)速。一、電樞串電阻調(diào)速由串阻的機(jī)械特性如圖21-9可知，所串電阻越大，斜率越大，轉(zhuǎn)速越低。電樞串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便。缺點(diǎn)：屬有級(jí)調(diào)速，輕載幾乎沒有調(diào)節(jié)作用，低速時(shí)電能損耗大，接入電阻后特性變軟，負(fù)載變化時(shí)轉(zhuǎn)速變化大（即動(dòng)態(tài)精度差）只能下調(diào)。此種調(diào)速方法一般用于調(diào)速性能要求不高的設(shè)備上，如電車，吊車，起重機(jī)等。圖21-9直流電動(dòng)機(jī)串電阻的機(jī)械特性（Rj為外串電阻）二、調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速應(yīng)用此方法，電樞回路應(yīng)用直流電源單獨(dú)供電，勵(lì)磁繞組用另一電源他勵(lì)。目前用得最多的可調(diào)直流電源是可控硅整流裝置（SCR），對(duì)容量數(shù)千千瓦以上的采用交流電動(dòng)機(jī)直流發(fā)電機(jī)機(jī)組。在很廣的范圍內(nèi)平滑調(diào)速，且電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性硬度保持不變?？捎糜诖畡?lì)電動(dòng)機(jī)調(diào)速。在電力牽引機(jī)車中，常把兩臺(tái)串勵(lì)電動(dòng)機(jī)從并聯(lián)運(yùn)行改為串聯(lián)運(yùn)行，使每臺(tái)電動(dòng)機(jī)的端電壓從全壓降為半壓。調(diào)節(jié)電樞電壓調(diào)速的缺點(diǎn)：調(diào)壓電源設(shè)備復(fù)雜，一般下調(diào)轉(zhuǎn)速。優(yōu)點(diǎn)：硬度一樣，可平滑調(diào)速，且電能損耗不大。從以上兩種方法屬電樞控制。勵(lì)磁恒定時(shí)，改變電壓達(dá)到調(diào)速的目的。三、弱磁調(diào)速改變的調(diào)速，增大可能性不大，因電機(jī)磁路設(shè)計(jì)在飽和段。所以只有減弱磁通。可在勵(lì)磁回路中串阻實(shí)現(xiàn)。由設(shè)負(fù)載轉(zhuǎn)距不變，則。

又因U不變，所以則減少磁通可使轉(zhuǎn)速上升。弱磁調(diào)速缺點(diǎn)：調(diào)速范圍小，只能上調(diào)，磁通越弱，越大，使換向變壞。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，控制方便。調(diào)速平滑，效率幾乎不變，調(diào)節(jié)電阻上功率損耗不大。以上方法適用于他勵(lì)和并勵(lì)電動(dòng)機(jī)，也適用于復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)。第四節(jié)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)一臺(tái)生產(chǎn)機(jī)械工作完畢就需要停車，因此需要對(duì)電機(jī)進(jìn)行制動(dòng)。最簡(jiǎn)單的停車方法是斷開電源，靠摩擦損耗轉(zhuǎn)矩消耗掉電能，使之逐漸停下來，這叫做自由停車法。自由停車一般較慢，特別是空載自由停車，更需較長(zhǎng)的時(shí)間，如希望快速停車，可使用電磁制動(dòng)器，俗稱“抱閘”。也可使用電氣制動(dòng)方法，分三種，