第3章直流电机的工作原理与特性

1、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重点掌握：重点掌握：了解直流电机的基本结构及工作原理；了解直流电机的基本结构及工作原理；掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握直流电动机启动、调速和制动等各种特性；掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及掌握实现直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及它们的使用场所。它们的使用场所。电机分交流和直流两种。电机分交流和直流两种。直流电机直流电机工作电压或输出的电压为直流；工作电压或输出的电压为直流；交流电机交流电机工作电压为交流。工作电压为交流。直流电机分直流电动机和直

2、流发电机两种。直流电机分直流电动机和直流发电机两种。直流电动机直流电动机将电能转换为机械能；将电能转换为机械能；直流发电机直流发电机将机械能转换为电能。将机械能转换为电能。3.2直流发电机直流发电机3.3直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性3.4直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性3.5直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性3.6直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性章节内容：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31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、直流电机的基本结构一、直流电机的基本结构根据电机的

3、工作原理，直流电机的组成可分三个部分：根据电机的工作原理，直流电机的组成可分三个部分：主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。定定子：子：转转子：子：换向器：换向器：二、基本的工作原理二、基本的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

4、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。主磁极主磁极(1)：励磁绕组上加上：励磁绕组上加上直流电压，就有励磁电流通过，直流电压，就有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，即定使定子铁心产生固定磁场，即定子的主要作用是产生主磁场。子的主要作用是产生主磁场。电枢绕组电枢绕组(2)：在固定的磁场：在固定的磁场中旋转，主要作用是产生感应电中旋转，主要作用是产生感应电动势或产生机械转矩，实现能量动势或产生机械转矩，实现能量的转换。的转换。换向器换向器

5、(3、4)：电刷固定不动，换：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转。作用：向片与电枢绕组一起旋转。作用：发电机：发电机：将电枢绕组内感应的交将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。流电势转换成电刷间的直流电势。电动机：电动机：将外加的直流电流转换将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。以产生恒定的电磁转矩。1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。电枢由原动机驱动电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电而在磁场中旋转，在电枢线圈的

6、两根有效边中枢线圈的两根有效边中便感应出电动势便感应出电动势e。每一有效边中的电动势是交变的，即在每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，极下是一个方向，当它转到当它转到S极下时是另一个方向。极下时是另一个方向。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，而电极下的有效边相联的换向片接触，而电刷刷B总是同与总是同与S极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间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，当电刷之间接有负载时，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中产生一定方向的电流。在

7、电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。c3-1.swf2电动机原理电动机原理：将电能转换为机械能。将电能转换为机械能。直流电源接在电直流电源接在电刷之间而使电流通入刷之间而使电流通入电枢线圈。电枢线圈。当线圈的有效边从当线圈的有效边从N（S）极下转到）极下转到S（N）极下时，其中电）极下时，其中电流的方向必须同时改变。流的方向必须同时改变。N极下的有效边中的电流总是一个方向，而极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效边极下的有效边中的电流总是另一个方向。这样使两个边上受到的电磁力的方中的电流总是另一个方向。这样使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。向一致，电枢因而转动。

8、C3-2.swf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，两电刷间的有感应电动势。根据电磁学原理，两电刷间的有感应电动势。nKEe 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。方向方向:直流发电机直流发电机总是与电流的方向相同，常称为总是与电流的方向相同，常称为电源电动势电源电动势。直流电动机直流电动机总是与电流的方向相反，常称为总是与电流的方向相反，常称为反电动势。反电动势。大小大小:2电磁转矩电磁转矩TM电枢绕组中的电

9、流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。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。amMIKT 式中：式中：TM电磁转矩（电磁转矩（Nm）；）；一对磁极的磁通（一对磁极的磁通（Wb）；）；Ia电枢电流（电枢电流（A）；）；Km与电机结构有关的常数，与电机结构有关的常数，Km=9.55 Ke大小：大小：发电机：发电机：阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反。方向相反。在等速转动时，原动机的转矩在等速转动时，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TM及及空载损耗转矩空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。电动机

10、：电动机：驱动转矩，它与电枢转动的方向相同，使电枢转动。驱动转矩，它与电枢转动的方向相同，使电枢转动。在等速转动时，电动机的电磁转矩在等速转动时，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及及空载损耗转矩空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。作用：作用：从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势虽然都产生电动势E和电磁转矩和电磁转矩T，但二者的作用正好相反。，但二者的作用正好相反。电机运行方电机运行方式式E与与I的方向的方向E的作用的作用TM的性质的性质转矩之间的关转矩之间的关系系发电机发电机相同相同

11、电源电动势电源电动势阻转矩阻转矩T1=TM+T0电动机电动机相反相反反电动势反电动势驱动转矩驱动转矩TM=TL+T0四、直流电动机的分类四、直流电动机的分类按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类：1他励电动机：励磁他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。电压或电枢电流的大小无关。2.并励电动机：励磁绕组并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。电源一起供电。3串励电动机：励磁绕串励电动机：励磁绕组与电枢绕组串联连接

12、，由组与电枢绕组串联连接，由外部电源一起供电。外部电源一起供电。4复励电动机：励磁绕复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢组分为两部分，一部分与电枢绕组串联连接，另一部分与电绕组串联连接，另一部分与电枢绕组并联连接。枢绕组并联连接。3.2直流发电机直流发电机一、他励发电机一、他励发电机外电源外电源UfIf E n原动机原动机电枢电枢Ua1.空载运行空载运行励磁电路：励磁电路：If =UfRf励磁电路励磁电路总电阻总电阻电枢电路：电枢电路： Ia = 0，Ua = U0 = E调节调节RfIf 可变可变 可变可变 E 可变可变 Ua可变。可变。+UaGIf+UfEIaU0 = E = f

13、(If)空载特性空载特性OIfU0Er剩磁感应剩磁感应电动势电动势2.负载运行负载运行输出电压输出电压:U = Ua输出电流输出电流:I = Ia 电压平衡方程式电压平衡方程式 U = Ua = ERaIa当当Ia Ra Ia E (电枢反应电枢反应)Ua 外特性外特性U = f (I )n =nNIa =0OIUn = nNIf = IfNINUNU0n =nNIf =常数常数空载特性空载特性外特性外特性电压调整率电压调整率VR=U0UNUN100% (5%10%)调整特性调整特性当当n= nN，U = UN时：时： If = f (I )OI If IfNIN调整特性调整特性二、并励发电机

14、二、并励发电机Ua E ? E ?1.自励条件自励条件(1)主磁极必须有剩磁主磁极必须有剩磁r：rErIfrEEr与与r方向相同方向相同EEr与与r方向相反方向相反(2)励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：励磁电流产生的磁通必须与剩磁同方向：rErIfrEErIfIfr E E 与与If 既应满足空载特性又应满足欧姆定律。既应满足空载特性又应满足欧姆定律。GEIfIaI当当Rf Rk时，时， E Er，能够自励。能够自励。当当Rf=Rk时，时， E不确定，不能自励。不确定，不能自励。当当Rf Rk时，时， EEr，不能自励。，不能自励。(3)励磁电路的电阻必须小于临界电阻。励磁电路的电阻必须小

15、于临界电阻。If=ERaRfOIfEErQIfrIf1If2If场阻线：场阻线：场阻线的斜率：场阻线的斜率：= RaRftan =EIfOIfEErRf =RkRf RkRfRk2.运行分析运行分析I = Ia IfU = Ua = UfUa = E RaIaI Ia RaIa E ( (电枢反应电枢反应) )Uf Ua外特性外特性 U = f (I )n =nNRf =常数常数OIUU0他励他励并励并励(1)负载增加时，负载增加时，U 下降较快。下降较快。VR20%EUaIfIaIG三、复励发电机三、复励发电机1.分为积复励和差复励分为积复励和差复励2.对于积复励发电机对于积复励发电机(1)

16、平复励发电机平复励发电机当当I = IN时的时的UN = U0。(2)过复励发电机过复励发电机当当I = IN时的时的UNU0。(3)欠复励发电机欠复励发电机当当I = IN时的时的UN U0。他励他励并励并励过复励过复励IN平复励平复励欠复励欠复励差复励差复励OIUUNGIIaIf+U33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机械特性指的是电动机的机械特性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。不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介绍在调速系统

17、中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。直流他励电动机和并励电动机的原理电路图。直流他励电动机和并励电动机的原理电路图。式中式中:U外加电枢电压（外加电枢电压（V）E感应电势（感应电势（V）aI电枢电流（电枢电流（A）aR电枢回路内阻（电枢回路内阻（）电枢回路励磁回路aaRIEU 电压平衡方程式：、nKEe amIKT aaeRInKU 即：即：aeaeIKRKUn 转速特性转速特性TKKRKUn2meae 机械特性机械特性他励电动机的励磁电流他励电动机的励磁电流If的大的大小与电枢电流小与电枢电流Ia的大小无关，它的大小无关，它的大小只取决于的

18、大小只取决于Rf、 Uf的大小，的大小，当当Rf、 Uf的大小一定时的大小一定时,If为定值，为定值，即磁通即磁通 为定值。为定值。aaRIEU 例：一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电例：一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势势E=E1，如负载转矩，如负载转矩TL=常数，外加电压和电枢电路常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等值后，电枢反电势将如何变化？是大于、小于还是等于于E1？1.理想空载转速：理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转时的转速称为理想

19、空载转速，用速，用n0表示。表示。 e0KUn 2.转速降落转速降落TKKRnnn2mea0 3.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，引进一个机械特性硬度的概念，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：其定义为：%100dd nTnT 理想空载点理想空载点TKKRKUn2meae 即转矩变化与所引起的转速变即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。化的比值，称为机械特性的硬度。根据根据 值的不同，可将电值的不同，可将电动机机械特性分为三类。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

20、10%100dd nTnT 二、固有机械特性二、固有机械特性固有机械特性指的是在额定条件（额定电压固有机械特性指的是在额定条件（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电阻时下和电枢电路内不外接任何电阻时的的 n=f(T)即即:TKKRKUn2NmeaNeN 是一条直线。是一条直线。可根据电动机的铭牌数据求出可根据电动机的铭牌数据求出(0,n0)和和(TN,nN)得到：得到：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、额定电流定电流IN和额定转速和额定转速nN计算步骤：计算步骤：(1)估算电枢电阻估算电枢电阻Ra

21、 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约占总损耗约占总损耗PN的的50%75%。NNIURIIUIUIUPIUP)1)(75. 05 . 0()1(Na2aNNNNNNNNNNNN 输输入入功功率率输输出出功功率率式中：式中：NNNNIUP 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NaII 故得故得NNNNNa)1)(75. 05 . 0(IUIUPR (2)求求Ne K额定运行条件下的反电势为：额定运行条件下的反电势为：aNNNeRIUnKEN 故故NaNNNenRIUK (3)求理想空载转速求理想空载转速:NeN0 KUn

22、得得 00 n,(4)求额定转矩求额定转矩:NNNNN55. 9nPPT 得得 NN,nT根据根据 、00 n, NN,nT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 。Tfn 3)举例 (1)一台Z2-51型直流他激电动机,已知额定功率5.5kW,额定电压220V,额定电流31A,额定转速1500r/min,忽略损耗,求自然机械特性. 解:分析 只要求出理想空载点和额定运行点,就可绘出机械特性. 0 500 751NNaNNNpURU II =0.71NNaeNNUI RKn=0.132NoeNUnK=1667r/min9 55NNNPTn=

23、35Nm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的参数所得到的机械特性：人为机械特性是指人为地改变电动机的参数所得到的机械特性：电动机电枢外加电压电动机电枢外加电压U励磁磁通励磁磁通的大小的大小电枢回路串接附加电阻电枢回路串接附加电阻Rad1.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 NN, UU电压平衡方程式为：电压平衡方程式为：)(adaaNRRIEU 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：TKKRRKUn2NmeadaNeN TKKRKUn2NmeaNeN 把把TKKRRKUn2NmeadaNeN 与与特性变软特性变软

24、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，转速降落增加人为机械特性固有机械特性2.改变电枢电压改变电枢电压U时的人为特性时的人为特性 0,adN R TKKRKUn2NmeaNeN 把把TKKRKUn2NmeaNe 与与空载速度随着空载速度随着U的减小而减小；的减小而减小；转速降落不变；转速降落不变；特性硬度不变特性硬度不变人为机械特性固有机械特性?人为特性曲人为特性曲线都在固有特线都在固有特性曲线之下性曲线之下电动机电枢绕组绝缘耐压强度电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只允许在其的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节。额定值以下调节。3改变磁通改变磁通 时

25、的人为特性时的人为特性 0,adN RUU转速降随磁通的减转速降随磁通的减小而增大小而增大理想空载转速随磁理想空载转速随磁通通减小而增加减小而增加TKKRKUn2NmeaNeN 把把TKKRKUn2meaeN 与与特性变软特性变软人为机械特性固有机械特性?磁通只能减小磁通只能减小励磁线圈发热和电动机磁饱和的励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，励磁电流只能在低于其额限制，励磁电流只能在低于其额定值的范围内调节定值的范围内调节弱磁弱磁调节。调节。当磁通过分削弱后：当磁通过分削弱后：（2）当）当 0时：时：空载或轻载时速度空载或轻载时速度n ，通常称为，通常称为“飞车飞车”；当电动机轴上的负载转矩大于

26、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，通常称为通常称为“堵转堵转”。堵转时电枢电流为。堵转时电枢电流为Ist，长时间的大电流会烧，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。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

27、大大增加而严重过载； 【例2】 一台他励直流电动机， PN = 10 kW，UaN = 220 V，IaN = 210 A，nN = 750 r/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 ，则509.55210= = 2.426 TNIaNKT = 2200.254= r/min = 866.25 r/min 602PNnNTN =606.2840103750= Nm = 509.55 Nm 260KE = CT 6.2860= 2.426 = 0.254 UaNKE n0 = 连接 n0 和 N ( TN，nN ) 两点即可得到固有特

28、性。(2) 固有特性的斜率和硬度 E = KE nN UaNE IaNRa = 0.254750 V = 190.5 V = 1 RaKEKT2 = 220190.5 210= = 0.14 0.14 2.4260.254 = 0.228 10.228= = 4.39 34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、固有启动特性一、固有启动特性启动：启动：就是施电于电动就是施电于电动机，使电动机转子转动机，使电动机转子转动起来，达到要求转速的起来，达到要求转速的这一过程。这一过程。aNst/ RUI 这个电流能达到其额定电流的（这个电流能达到其额定电流的（1020）倍。过大的启动电）倍

29、。过大的启动电流危害很大：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，烧坏换向器；使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏换向器；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；启动电流：启动电流：当将电动机直接接入当将电动机直接接入电网并施加额定电压的瞬间电网并施加额定电压的瞬间n=0、E=0、而而Ra一般很小，此时的电一般很小，此时的电流称为启动电流：流称为启动电流：（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与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩

30、很大，过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，机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏；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：过大的启动电流将使保过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成护装置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的事故，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常下降，影响其他负载的正常运行。运行。因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如普通的必须设法限制电枢电流，例如普通的Z2型

31、直流电动机，规型直流电动机，规定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的定电枢的瞬时电流不得大于额定电流的1.52倍。倍。二、启动方法二、启动方法 降压启动降压启动 电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动1.降压启动：降压启动：降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。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，

32、此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势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，电动机达到所要求的转增大，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。速。启动过程启动过程c3-3.swf当速度上升到当速度上升到a点时，点时，KM闭合，电动机的机械特性变为固有特闭合，电动机的机械特性变为固有特性。性。电枢回路串电阻等效电路电枢回路串电阻时的机械特性串接的启动电阻串接的启动电阻固有特性固有特性串电阻特性串电阻特性启动电阻的大小保证启动电流为所要求的值，如额定电流启动电阻的大小保证启动电流为所要求

33、的值，如额定电流的两倍。的两倍。电枢回路接入电网时，电枢回路接入电网时，KM断开，电动机工作在串电阻特性断开，电动机工作在串电阻特性上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上升直到稳定点在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上升直到稳定点c。在切换电阻的瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在切换电阻的瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的工作点从在此瞬间速度维持不变，即电动机的工作点从a点切换到点切换到b点。点。当电动机的工作点从当电动机的工作点从a点切点切换到换到b点时，冲

34、击电流可能很点时，冲击电流可能很大，为了解决这种现象，通常大，为了解决这种现象，通常采用逐级采用逐级切除启动电阻切除启动电阻的方法的方法来实现。来实现。1T尖峰（最大）转矩尖峰（最大）转矩2T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，电枢回路均断开，电枢回路串接外加电阻串接外加电阻Rad3=R1+R2+R3，此时，电动机工作在特性曲线，此时，电动机工作在特性曲线a，在，在转矩转矩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，即切除电阻闭合，即切除电阻R

35、3，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，电动机的转速不能突变，工作点由。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由2切换切换到到3，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线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同时闭合，即同时闭合，即切除电阻切除电阻R2、R3，此时电枢回路串外加电阻此时电枢回路串外加电阻Rad1=R1，电动机的机，电动机的机械特性变为曲线械特性变为曲线c。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，。由于机械惯性的作用，

36、电动机的转速不能突变，工作点由工作点由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；启动过程启动过程c3-4.swf(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同时闭合，即切除同时闭合，即切除电阻电阻R1、R2、R3，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，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曲线d，由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由，由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由6切换到切换到7，速，速度又沿着曲线度又沿着曲线d继续上升直到稳定工作点继续上升直到稳定工作点9。启

37、动级数愈多，启动级数愈多，T1、T2愈与平均转矩愈与平均转矩221avTTT 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的数值需按照电动机的具体启动条件决定。定。 N126 . 1TT N22 . 11 . 1TT 原则：原则：保持每一级的最大转矩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机

38、的允许值每次切换电阻时的每次切换电阻时的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）：电动机的（又称速度调节）：电动机的调速调速是在一定负载的是在一定负载的条件下，条件下，人为地人为地改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定改变电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速为目的。转速为目的。转速的变化是转速的变化是人为改变人为改变（或调节）电枢回路的电（或调节）电枢回路的电阻大小所造成的，故称阻大小所造成的，故称调调速或速度调节速或速度调节。速度变化：速度变化：由于电

39、动机所驱动的负载转矩发生变化（增大与减由于电动机所驱动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）。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）。转速的变化是由于负载增转速的变化是由于负载增加减小所造成的，故称加减小所造成的，故称速速度变化度变化。调速为满足负载对速度的不同要求；速度变化影响质量。调速为满足负载对速度的不同要求；速度变化影响质量。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。TKKRRKUn2meadae 改变改变串入电枢回路的电阻串入电枢回路的电阻Ra

40、d改变改变电枢供电电压电枢供电电压U 改变改变主磁通主磁通 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，故直流电动机调速的方电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速的方法有三种。法有三种。 1、改变电枢电路外串电阻、改变电枢电路外串电阻adR电枢回路串接电阻的一簇机械特性在一定的负载转矩在一定的负载转矩TL下，串入不同下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。的电阻可以得到不同的转速。电阻为电阻为Ra：nA（稳定工作点（稳定工作点A）电阻为电阻为 R1：nB （稳定工作点（稳定工作点C）电阻

41、为电阻为 R2： nC （稳定工作点（稳定工作点D）电阻为电阻为 R3： nD（稳定工作点（稳定工作点E）存在的问题：存在的问题：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。正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬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。 【例1】 一台他励电动机， PN = 4 k

42、W，UaN = 160 V，IaN = 34.4 A，nN = 1 450 r/min ，用它拖动通风机负载运行。现采用改变电枢电路电阻调速。试问要使转速降低至 1 200 r/min，需在电枢电路串联多大的电阻 Rr ？ 解： 电枢电阻 116.31 1 450= = 0.080 2 KE = EnN Ra =UaN IaN PN IaN= = 1.27 160 34.4 4 000 34.4额定运行时 E = UaNRa IaN = (1601.2734.4) V = 116.31 V KT = 9.55 KE = 9.550.080 2 = 0.766 602PNnNTN =606.28

43、4 0001 450= Nm = 26.36 Nm 对于通风机负载 T n2， 当 n = 1 200 r/min 时 n = n0n = (1 9951 200) r/min = 795 r/min由于 nnNT = TN21 2001 450= 26.36 Nm = 18.05 Nm 2UaN KE n0 =1600.080 2 = r/min = 1 995 r/min RaRr KEKT2 n = T由此求得 n TRr = KEKT2 Ra 795 18.05= 0.080 20.766 1.27 = 1.436 2改变电动机电枢供电电压改变电动机电枢供电电压U在一定的负载转矩在一定

44、的负载转矩TL下，电枢外下，电枢外加不同电压可以得到不同的转速。加不同电压可以得到不同的转速。电压为电压为UN：na（稳定工作点（稳定工作点a）电压为电压为 U1：nb（稳定工作点（稳定工作点b）电压为电压为 U2：nc（稳定工作点（稳定工作点c）电压为电压为 U3：nd（稳定工作点（稳定工作点d）改变电枢供电电压U的一簇机械特性特点：特点：1）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，）当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般一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

45、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=Km N Ia不变。不变。调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调速速。这种调速方法适合于恒转矩型负载；。这种调速方法适合于恒转矩型负载；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。 【例2】 例 1 中的他励电动机，拖动恒转矩负载运行，TL = TN。现采用改变电枢电压调速。试问要使转速降低至 1 000 r/min，

46、电枢电压应降低到多少 ？ 解： 已知 Ra = 1.27 ， KE = 0.080 2，KT = 0.766，TN = 26.36 Nm 。 = 544.94 r/minn0 = nn = (1 000544.94) r/min = 1 544.94 r/min Ua = KE n0 = 0.080 21 544.94 V = 123.9 VRa KEKT2 n = T1.27 0.080 20.766 = 26.36 r/min 3改变电动机主磁通改变电动机主磁通 在一定的负载功率在一定的负载功率PL下，不同的主下，不同的主磁通可以得到不同的转速。磁通可以得到不同的转速。磁通为磁通为 N ：

47、na（稳定工作点（稳定工作点a）磁通为磁通为 1 ：nb（稳定工作点（稳定工作点b）磁通为磁通为 2 ：nc（稳定工作点（稳定工作点c）改变主磁通一簇机械特性特性特点：特点：1）可以平滑无级调速，只能弱磁调速，即在额定转速以上调）可以平滑无级调速，只能弱磁调速，即在额定转速以上调节；节；2）调速特性较软；）调速特性较软；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；调速范围不大；3）调速时维持电枢电压）调速时维持电枢电压U和电枢电流和电枢电流Ia不变时，电动机的输出不变时，电动机的输出功率功率P=UIa电动机的输出功

48、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，这这种调速适合于恒功率型负载。种调速适合于恒功率型负载。 【例3】 例 1 中的他励电动机，拖动恒功率负载运行，现采用改变励磁电流调速。试问要使转速增加至 1 800 r/min， KE 应等于多少 ？ 解： 已知 Ra = 1.27 ，TN = 26.36 Nm 。对于恒功率负载 T 1/ n ，若忽略 T0 ，则将已知数据代入机械特性方程，得 整理，得 1 800 (KE) 2160 KE 2.82 = 0 nN nT = TN1 450 1 800 = 2

49、6.36 Nm = 21.23 Nm 1 800 = 21.23 160 KE 1.27 KEKT2 KE =160 1602 41 8002.82 21 800 = 0.064 7 或 0.024 2 两个答案是否都合理？ 为什么出现两个答案？ 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 1制动与启动制动与启动 启动：施电于电动机使电启动：施电于电动机使电动机速度动机速度从静止加速到某一稳从静止加速到某一稳定转速定转速的一种运动状态；的一种运动状态；制动：电动机脱离电网使制动：电动机脱离电网使电动机速度电动机速度从某一稳定转速开从某一稳定转速开始减速到停止始减速到停止或是或是限

50、制位能负限制位能负载下降速度载下降速度的一种运转状态。的一种运转状态。2. 2. 制动与自然停车制动与自然停车1）自然停车：电动机脱离）自然停车：电动机脱离电网，电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降机械能使转速慢慢下降，直到转，直到转速为零而停车。速为零而停车。特点：特点：停车过程需时较长，停车过程需时较长，不能满足生产机械快速停车的要不能满足生产机械快速停车的要求；求；2）制动：电动机脱离）制动：电动机脱离电网，电网，外加阻力转矩使电动外加阻力转矩使电动机速度迅速下降机速度迅速下降，直到转速，直到转速为零而停车。为零而停车。目的：目的：加快停车过程，提高生加

51、快停车过程，提高生产效率；产效率； 实现准确停车等。实现准确停车等。3. . 电动机的两种工作状态电动机的两种工作状态0LM TTMT拖动转矩拖动转矩LT阻转矩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。0)(LM TTMT阻转矩阻转矩LT拖动转矩拖动转矩电动机的作用是吸收或电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称电动消耗重物的机械能。故称电动机的这种工作状态为机的这种工作状态为制动状态制动状态。电动状态电动状态制动状态制动状态4. . 电动机工作在制动状态下的两种情况电动机工作在制动状态下的两种情况1）使转速迅速减速到

52、停止，电动机的转速不变）使转速迅速减速到停止，电动机的转速不变2）限制位能负载的下降速度，电动机的转速改变）限制位能负载的下降速度，电动机的转速改变u特点特点:电动机的转矩电动机的转矩T与转速与转速n方向相反方向相反,电机处于发电工作状态电机处于发电工作状态.u制动形式制动形式:稳定的制动状态稳定的制动状态;过渡的制动状态过渡的制动状态.u制动方法制动方法:反馈制动反馈制动;反接制动反接制动;能耗制动能耗制动3.5他励直流电动机的制动他励直流电动机的制动目的：快速停车、匀速下放重物等。目的：快速停车、匀速下放重物等。制动方法：制动方法：机械制动、电气制动。机械制动、电气制动。一、能耗制动一、能

53、耗制动电动状态电动状态Tn制动状态制动状态能耗制动时：能耗制动时：动能转换成电能，动能转换成电能， 被电阻消耗掉。被电阻消耗掉。nTEUaIaUfMUfMRbIaE制动前：制动前：特性特性1。制动开始后：制动开始后： Ua = 0，n0 = 0特性特性2n = RaRbCECT2T制动过程制动过程bOTn1n0TLaTL1.能耗制动过程能耗制动过程迅速停机迅速停机a 点点b 点，点，Ia 反向反向(Ia0)制动开始制动开始n = 0，E = 0 na = nb，Ea = Eb T 反向反向(T0)，T 和和TL的共同作用的共同作用Ia= 0，T = 0，n O 点点自动停车。自动停车。 2 T

54、bTb制动效果制动效果Rb 2(Rb大大)bOTn1TLa2 (Rb小小)bIa |Tb | 制动快，停车迅速。制动快，停车迅速。Ia =Eb RaRbIamax切换点（切换点（b 点）点） Rb 的选择的选择RaRb EbIamaxUfRbIaTnEM2.能耗制动运行能耗制动运行下放重物下放重物bOTn1n0TLa2ca 点点b 点点O点点T = 0，TL0n 反向起动反向起动(n0)E 反向反向(E0) Ia再次反向再次反向(Ia0)T 再次反向再次反向(T0)， n T 反向起动反向起动制动过程制动过程能耗制能耗制动运行动运行E Ia T = TL(c 点点)。Tn制动过程制动过程电动状

55、态电动状态TL反向起动反向起动Tn能耗制动运行能耗制动运行nTMEUaIaUfTLUf RbMEIaUf RbTLMEIanLnL2bOTn1TLac制动效果制动效果2 (Rb小小)bTT Rb 特性特性2斜率斜率 下放速度下放速度|nL | 。 Rb 的选择的选择（各量取绝对值）（各量取绝对值）RaRb =EcIac= CE nLT /CT校验校验RaRb Eb Iamax= CE CT2 nLTc(Rb大大)= CE CT2 nLTLT0稳定运行稳定运行c 点点的的E 和和Ia（对切换点（对切换点b 点电流的限制）点电流的限制） 【例例1】一台他励电动机，一台他励电动机，PN=22kW，U

56、aN=440V，IaN=65.3A，nN=600r/min，Iamax=2IaN，T0忽略忽略不计。不计。试求：试求：(1)拖动拖动TL=0.8TN的反抗性恒转矩负载，采用能耗的反抗性恒转矩负载，采用能耗制动实现迅速停机，电枢电路至少应串联多大的制动电阻？制动实现迅速停机，电枢电路至少应串联多大的制动电阻？(2)拖动拖动TL=0.8TN的位能性恒转矩负载，采用能耗制动以的位能性恒转矩负载，采用能耗制动以300r/min的速度下放重物，电枢电路应串联多大的制动电的速度下放重物，电枢电路应串联多大的制动电阻？阻？解：解：由额定数据求得由额定数据求得 PN IaNE=2210365.3=V=336.

57、91VRa=UaNIaN PNIaN=1.5844065.3 2210334.4(1)迅速停机时迅速停机时TL=0.8TN=0.8350.32Nm=280.256NmCT =9.55CE =9.550.562=5.365602 PNnNTN=606.2822103600=Nm=350.32Nm336.91600= =0.562CE =EnN280.2565.365= A =52.24AIa =TL CT E=UaNRaIa=(4401.5852.24)V=357.46V（切换点（切换点b 点的点的Eb） RbRa Eb Iamax(2)下放重物时下放重物时357.46 265.3=1.58=1

58、.16Rb=Ra CE CT2 nLTL=0.5625.365300 280.2561.58=1.65该值大于该值大于1.16，故满足，故满足Iamax的要求。的要求。二、反接制动二、反接制动反接制动具有如下特点：反接制动具有如下特点：1）电动机的外加电枢电压）电动机的外加电枢电压U与感应电动势与感应电动势E的方向在外界的作的方向在外界的作用下由相反变为相同：用下由相反变为相同：2）电动机的输出转矩）电动机的输出转矩TM与转速与转速n的方向相反。的方向相反。在反接制动中，把在反接制动中，把改变电枢电压改变电枢电压U的方向的方向所产生的反接制动称所产生的反接制动称为为电源反接制动电源反接制动；而

59、把；而把改变电枢电动势改变电枢电动势E的方向的方向所产生的反接制动所产生的反接制动称为称为倒拉反接制动倒拉反接制动。二、反接制动二、反接制动1.电源反接制动电源反接制动迅速停机迅速停机电动状态电动状态Tn制动状态制动状态Ua电枢反接时：电枢反接时：动能、电源电能均被动能、电源电能均被Rb 消耗掉。消耗掉。TL作用？作用？限制限制IamaxIa的方向的方向？T的方向的方向？nTEUaIaUfTLMUfMEIaRb1电源反接制动电源反接制动当电压的实际方向与参考当电压的实际方向与参考方向相同时，电动机的机械特方向相同时，电动机的机械特性为性为TKKRKUn2meae 当电压的实际方向与参考当电压的

60、实际方向与参考方向相反时，电动机的机械特方向相反时，电动机的机械特性为性为TKKRRKUn2meadae 2n0OTn1n0TL制动前：制动前：特性特性1n =Ua CE Ra CECT2T制动开始后：制动开始后： 特性特性2制动过程制动过程TLn =Ua CE RaRb CECT2Tbacda 点点b 点点，Ia 反向反向(Ia0)T 和和TL的共同作用的共同作用n = 0，T 0， na= nb，Ea = Eb，T 反向反向(T0)，n立刻断电，立刻断电，未断电，反向起动未断电，反向起动制动开始；制动开始；c 点点停机。停机。d 点，反向电动运行。点，反向电动运行。立刻立刻断电断电a点点：