機車直流電機的電力拖動-直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動

變磁通調(diào)速直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動改變主磁通調(diào)速圖示為串勵電動機磁通減弱時的機械特性。在某一負載下磁通越弱，轉(zhuǎn)速越高。一般電機的額定磁通已設(shè)計得使鐵心接近飽和，因此，改變磁通只能在額定磁通下減弱磁通，所以又稱為削弱磁場調(diào)速。削弱磁場需要在勵磁繞組的兩端并聯(lián)電阻，一般電動機勵磁功率只有電機容量的1%～5%，因此用于削弱磁場的并聯(lián)電阻容量也很小。這種調(diào)速方法設(shè)備簡單，控制方便，功率損耗小，可以提高電機的轉(zhuǎn)速，是直流牽引電動機常用的調(diào)速方法之一。直流牽引電動機，為擴大調(diào)速范圍，常把幾種方法配合使用。如地鐵電動車組，常采用電樞串接電阻和弱磁調(diào)速；電力機車和內(nèi)燃機車，常采用改變電壓和弱磁調(diào)速。變電壓調(diào)速直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動改變電源電壓調(diào)速圖示為串勵電動機電壓降低時的機械特性。在某一負載下，電壓越低，轉(zhuǎn)速也越低。為保證電機安全運行，電壓只能以額定電壓為上限下調(diào)，也稱降壓調(diào)速。

這種調(diào)速方法的優(yōu)點是電源電壓如能平滑調(diào)節(jié)，就可實現(xiàn)無級調(diào)速；調(diào)速中無附加能量損耗。缺點是需要專用的調(diào)壓電源，成本較高；轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，不能調(diào)高。串電阻調(diào)速直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動直流牽引電動機的調(diào)速在電動機機械負載不變的條件下，用人為方法調(diào)節(jié)電動機轉(zhuǎn)速叫作調(diào)速。直流電動機的調(diào)速可以采用機械調(diào)速、電氣調(diào)速或二者配合調(diào)速。通過改變傳動機構(gòu)速比進行調(diào)速的方法稱為機械調(diào)速；人為改變電動機的參數(shù)（如端電壓、勵磁電流或電樞回路電阻），使同一機械負載得到不同轉(zhuǎn)速，稱為電氣調(diào)速。電動機驅(qū)動生產(chǎn)機械，對電動機的轉(zhuǎn)速不僅要能調(diào)節(jié)，而且要求調(diào)節(jié)的范圍寬廣、過程平滑、調(diào)節(jié)的方法簡單、經(jīng)濟。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動分析：（1）改變電樞電壓調(diào)速；（2）電樞電路串附加電阻調(diào)速；（3）改變勵磁調(diào)速；直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動電樞回路串接電阻調(diào)速圖示為串勵電動機電樞串接電阻時的機械特性。在某一負載下，電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。

這種調(diào)速方法的優(yōu)點是只需增設(shè)電阻和切換開關(guān)，設(shè)備簡單，控制方便。缺點是能耗較大，經(jīng)濟性差；速度調(diào)節(jié)是有級的，調(diào)速平滑性差。反接制動直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動反接制動反接制動轉(zhuǎn)速反向（用于位能負載）電樞反接（用于反抗性負載）（電動勢反向）（電壓反向）回饋制動直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動回饋制動電機作電動機運行時，電源電壓U大于反電勢Ea，電樞電流方向與U同方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向與轉(zhuǎn)向相同。若保持磁通方向不變，當轉(zhuǎn)速升高到一定數(shù)值后，感應(yīng)電勢Ea大于電源電壓U，電樞電流方向與Ea同方向，電機作發(fā)電機運行，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反起制動作用，發(fā)電機產(chǎn)生的電能送回到電網(wǎng)。這種制動方法稱為回饋制動。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動電力機車下坡時，重力加速度的作用使車速增高，牽引電機感應(yīng)電勢Ea隨之增大，若Ea=U，則Ia=0，牽引電機就不需要從電網(wǎng)輸入電能，電力機車由本身的位能自動滑行并繼續(xù)加速。轉(zhuǎn)速繼續(xù)升高，將使Ea>U，則Ia反向，牽引電機自動轉(zhuǎn)換為發(fā)電機運行狀態(tài)。此時，電力機車下坡的位能，通過電機轉(zhuǎn)換成電能，回饋給電網(wǎng)。由于電樞電流Ia反向，電磁轉(zhuǎn)矩也隨之反向，起到制動作用，車速越高，制動轉(zhuǎn)矩越大，如圖所示。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動轉(zhuǎn)速增高到一定程度，下坡時的位能產(chǎn)生的動力轉(zhuǎn)矩與牽引電機的制動轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩相平衡時，電力機車將恒速穩(wěn)定運行(b點)。他勵和復(fù)勵牽引電動機回饋制動時，需要保持勵磁電流方向不變，電樞回路的接線不變。串勵牽引電動機進行回饋制動時，由于串勵發(fā)電機在許可范圍內(nèi)工作不穩(wěn)定，需要將串勵繞組改接為他勵，由較低的電壓供電以得到所需要的勵磁電流。能耗制動直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動直流牽引電動機的制動機車運行過程中，有時需要盡快使牽引電動機停轉(zhuǎn)或從高速運行轉(zhuǎn)換到低速運行；下坡時，需要限制牽引電動機的轉(zhuǎn)速，以控制機車的速度。這就需要在牽引電動機軸上加一個與轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩(稱制動轉(zhuǎn)矩)來實現(xiàn)，稱為牽引電動機的制動。制動轉(zhuǎn)矩是由機械制動閘產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩，稱為機械制動；制動轉(zhuǎn)矩是牽引電動機本身產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為電氣制動。直流牽引電動機的電氣制動可分為能耗制動和回饋制動兩種。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動斷開電源抱閘能耗制動反接制動回饋制動機械制動電氣制動自由停車直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動能耗制動圖示為串勵牽引電動機采用能耗制動的電路。電氣制動時，勵磁繞組由單獨的勵磁電源供電，并保持勵磁電流方向不變(磁通方向不變)，將電樞繞組從電源上斷開并立即接到一個制動電阻RL上。這時電樞繞組外加電壓U=0，而電機轉(zhuǎn)子靠慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，切割方向未變的磁通，所感應(yīng)的電勢仍存在且方向不變，因此，產(chǎn)生的電樞電流(制動電流)為：直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動能耗制動電樞電流Ia改變了方向，而磁通ф的方向未變，電磁轉(zhuǎn)矩則改變了方向。因此，T與n的方向相反，T成為制動轉(zhuǎn)矩，使電機轉(zhuǎn)速很快下降。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動在制動過程中，電機靠慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，在磁場不變情況下，產(chǎn)生感應(yīng)電勢方向不變并輸出電流，變成一臺他勵發(fā)電機，把機車的動能轉(zhuǎn)換成電能，消耗在制動電阻上，故稱為能耗制動。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動調(diào)節(jié)制動電阻RL或調(diào)節(jié)勵磁電流改變磁通的大小，都可以改變制動電流的大小，以調(diào)節(jié)制動轉(zhuǎn)矩的大小。另外，電機的轉(zhuǎn)速越高，制動轉(zhuǎn)矩越大，制動的效果越好；而低速時，制動轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變小，需要配用機械制動，使電機迅速停轉(zhuǎn)。電力機車上多采用串勵牽引電動機，在電氣制動時，由于串勵發(fā)電機特性不穩(wěn)定，需要將勵磁繞組改為他勵。能耗制動所需設(shè)備簡單，成本低，操作方便。不足之處是列車的動能轉(zhuǎn)換為電能后消耗在制動電阻上，變成熱能散發(fā)到大氣中，沒有被利用；不易迅速制停，因為當電機轉(zhuǎn)速n較小時，Ea較小，Ia也較小，使制動轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。此時，應(yīng)采用減小制動電阻RL來增大電樞電流Ia以提高低速區(qū)的制動轉(zhuǎn)矩。直流牽引電動機的降壓啟動直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動降低電源電壓起動(降壓起動)在起動瞬間，給電動機加較低的直流電壓，隨著電動機轉(zhuǎn)速的升高，電樞電勢逐漸增加，同時端電壓U也人為地不斷增加，U與Ea的差值使起動過程中電樞電流保持在允許范圍內(nèi)，直到電動機端電壓上升到額定值，電動機起動完畢。采用降低電源電壓方法起動并勵電動機時必須注意：起動時必須加上額定勵磁電壓，使磁通一開始就有額定值，否則電動機起動電流雖然比較大，但起動轉(zhuǎn)矩卻較小，電動機仍無法起動。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動降壓起動的優(yōu)點是在起動過程中無電阻損耗，并可達到平穩(wěn)升速，但需要專用電源設(shè)備，多用于要求經(jīng)常起動的大中型直流電動機。在采用直流電動機作為牽引動力的機車上，電源由專門的發(fā)電機或變壓器供給，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機的勵磁和變壓器的抽頭很容易改變其輸出電壓。因此，降壓起動廣泛應(yīng)用于電力機車和內(nèi)燃機車中。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動2.電樞回路串電阻起動(變阻起動)直流電動機在電樞回路串人適當?shù)膯与娮鑂st，按照把起動電流Ist限制在1.5～2.5IN的范圍內(nèi)來選擇啟動電阻的大小。在啟動過程中，隨著轉(zhuǎn)速n的升高，電樞電勢Ea也升高，電樞電流相應(yīng)地減小。為了保持一定的轉(zhuǎn)矩，應(yīng)逐漸將起動電阻切除，直到起動電阻全部切除，電動機起動完畢，達到額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運行。變阻起動能有效的限制啟動電流，所需啟動設(shè)備簡單，廣泛應(yīng)用于各種中小型直流牽引電動機，如工礦機車，城市電車上多采用電阻起動。但變阻起動過程中能量消耗大，不適用于經(jīng)常起動的大中型直流牽引電動機。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動直流牽引電動機的啟動問題直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動直流牽引電動機的啟動電動機由靜止狀態(tài)達到正常運轉(zhuǎn)狀態(tài)的過程稱為起動過程。直流電動機在起動過程中不僅轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，而且轉(zhuǎn)矩、電流等也發(fā)生變化。

直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動由于電樞繞組電阻Ra很小，如果直接加額定電壓起動，起動電流Ist很大，可達到額定電流的十幾倍。這樣大的起動電流將帶來以下不良影響：(1)使電動機換向惡化，產(chǎn)生嚴重的火花，導(dǎo)致電刷和換向器表面燒損；(2)產(chǎn)生很大的電磁轉(zhuǎn)矩，使傳動機構(gòu)和生產(chǎn)機械受到強烈沖擊而損壞；(3)使電網(wǎng)電壓波動，影響供電的穩(wěn)定性。為此，在起動時必須設(shè)法限制起動電流。直流牽引電動機的直接啟動直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動直接啟動由于電樞繞組電阻Ra很小，如果直接加額定電壓起動，起動電流Ist很大，可達到額定電流的十幾倍。這樣大的起動電流將帶來以下不良影響：(1)使電動機換向惡化，產(chǎn)生嚴重的火花，導(dǎo)致電刷和換向器表面燒損；(2)產(chǎn)生很大的電磁轉(zhuǎn)矩，使傳動機構(gòu)和生產(chǎn)機械受到強烈沖擊而損壞；(3)使電網(wǎng)電壓波動，影響供電的穩(wěn)定性。為此，在起動時必須設(shè)法限制起動電流。一般直流電動機不允許直接起動。直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動限流措施：分析：（2）電樞回路串接附加起動電阻（1）降低電樞電壓兩種方法中，從電磁轉(zhuǎn)矩角度考慮都需要保持電動機的磁通達到最大值，因為在同樣起動電流下，磁通大則電磁轉(zhuǎn)矩大；而在同樣的起動轉(zhuǎn)矩下，磁通大則起動電流可以小些。直流牽引電動機的轉(zhuǎn)向直流牽引電動機的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動改變直流牽引電動機轉(zhuǎn)向的方法直流電動機的旋轉(zhuǎn)方向取決于