機(jī)車直流電機(jī)的電力拖動-直流牽引電動機(jī)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(jī)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(lì)電動機(jī)磁通減弱時(shí)的機(jī)械特性。在某一負(fù)載下磁通越弱，轉(zhuǎn)速越高。一般電機(jī)的額定磁通已設(shè)計(jì)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(lì)磁繞組的兩端并聯(lián)電阻，一般電動機(jī)勵(lì)磁功率只有電機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速，是直流牽引電動機(jī)常用的調(diào)速方法之一。直流牽引電動機(jī)，為擴(kuò)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(jī)車和內(nèi)燃機(jī)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(jī)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(lì)電動機(jī)電壓降低時(shí)的機(jī)械特性。在某一負(fù)載下，電壓越低，轉(zhuǎn)速也越低。為保證電機(jī)安全運(yùn)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(diǎn)是電源電壓如能平滑調(diào)節(jié)，就可實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速；調(diào)速中無附加能量損耗。缺點(diǎn)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(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動直流牽引電動機(jī)的調(diào)速在電動機(jī)機(jī)械負(fù)載不變的條件下，用人為方法調(diào)節(jié)電動機(jī)轉(zhuǎn)速叫作調(diào)速。直流電動機(jī)的調(diào)速可以采用機(jī)械調(diào)速、電氣調(diào)速或二者配合調(diào)速。通過改變傳動機(jī)構(gòu)速比進(jìn)行調(diào)速的方法稱為機(jī)械調(diào)速；人為改變電動機(jī)的參數(shù)（如端電壓、勵(lì)磁電流或電樞回路電阻），使同一機(jī)械負(fù)載得到不同轉(zhuǎn)速，稱為電氣調(diào)速。電動機(jī)驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械，對電動機(jī)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(jì)。直流牽引電動機(jī)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(lì)磁調(diào)速；直流牽引電動機(jī)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(lì)電動機(jī)電樞串接電阻時(shí)的機(jī)械特性。在某一負(fù)載下，電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。

這種調(diào)速方法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是能耗較大，經(jīng)濟(jì)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(jī)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(fù)載）電樞反接（用于反抗性負(fù)載）（電動勢反向）（電壓反向）回饋制動直流牽引電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動回饋制動電機(jī)作電動機(jī)運(yùn)行時(shí)，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(dāng)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(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)向相反起制動作用，發(fā)電機(jī)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(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動電力機(jī)車下坡時(shí)，重力加速度的作用使車速增高，牽引電機(jī)感應(yīng)電勢Ea隨之增大，若Ea=U，則Ia=0，牽引電機(jī)就不需要從電網(wǎng)輸入電能，電力機(jī)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(jī)自動轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)，電力機(jī)車下坡的位能，通過電機(jī)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(jī)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(shí)的位能產(chǎn)生的動力轉(zhuǎn)矩與牽引電機(jī)的制動轉(zhuǎn)矩和摩擦轉(zhuǎn)矩相平衡時(shí)，電力機(jī)車將恒速穩(wěn)定運(yùn)行(b點(diǎn))。他勵(lì)和復(fù)勵(lì)牽引電動機(jī)回饋制動時(shí)，需要保持勵(lì)磁電流方向不變，電樞回路的接線不變。串勵(lì)牽引電動機(jī)進(jìn)行回饋制動時(shí)，由于串勵(lì)發(fā)電機(jī)在許可范圍內(nèi)工作不穩(wěn)定，需要將串勵(lì)繞組改接為他勵(lì)，由較低的電壓供電以得到所需要的勵(lì)磁電流。能耗制動直流牽引電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動直流牽引電動機(jī)的制動機(jī)車運(yùn)行過程中，有時(shí)需要盡快使?fàn)恳妱訖C(jī)停轉(zhuǎn)或從高速運(yùn)行轉(zhuǎn)換到低速運(yùn)行；下坡時(shí)，需要限制牽引電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，以控制機(jī)車的速度。這就需要在牽引電動機(jī)軸上加一個(gè)與轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩(稱制動轉(zhuǎn)矩)來實(shí)現(xiàn)，稱為牽引電動機(jī)的制動。制動轉(zhuǎn)矩是由機(jī)械制動閘產(chǎn)生的摩擦轉(zhuǎn)矩，稱為機(jī)械制動；制動轉(zhuǎn)矩是牽引電動機(jī)本身產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，稱為電氣制動。直流牽引電動機(jī)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(jī)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(jī)械制動電氣制動自由停車直流牽引電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動能耗制動圖示為串勵(lì)牽引電動機(jī)采用能耗制動的電路。電氣制動時(shí)，勵(lì)磁繞組由單獨(dú)的勵(lì)磁電源供電，并保持勵(lì)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(gè)制動電阻RL上。這時(shí)電樞繞組外加電壓U=0，而電機(jī)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(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速很快下降。直流牽引電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動在制動過程中，電機(jī)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(lì)發(fā)電機(jī)，把機(jī)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(jī)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(lì)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(jī)的轉(zhuǎn)速越高，制動轉(zhuǎn)矩越大，制動的效果越好；而低速時(shí)，制動轉(zhuǎn)矩相應(yīng)變小，需要配用機(jī)械制動，使電機(jī)迅速停轉(zhuǎn)。電力機(jī)車上多采用串勵(lì)牽引電動機(jī)，在電氣制動時(shí)，由于串勵(lì)發(fā)電機(jī)特性不穩(wěn)定，需要將勵(lì)磁繞組改為他勵(lì)。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?yàn)楫?dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n較小時(shí)，Ea較小，Ia也較小，使制動轉(zhuǎn)矩相應(yīng)減小。此時(shí)，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(jī)的降壓啟動直流牽引電動機(jī)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(jī)加較低的直流電壓，隨著電動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，電樞電勢逐漸增加，同時(shí)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(jī)端電壓上升到額定值，電動機(jī)起動完畢。采用降低電源電壓方法起動并勵(lì)電動機(jī)時(shí)必須注意：起動時(shí)必須加上額定勵(lì)磁電壓，使磁通一開始就有額定值，否則電動機(jī)起動電流雖然比較大，但起動轉(zhuǎn)矩卻較小，電動機(jī)仍無法起動。直流牽引電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動降壓起動的優(yōu)點(diǎn)是在起動過程中無電阻損耗，并可達(dá)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(jī)。在采用直流電動機(jī)作為牽引動力的機(jī)車上，電源由專門的發(fā)電機(jī)或變壓器供給，通過調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)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(jī)車和內(nèi)燃機(jī)車中。直流牽引電動機(jī)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(jī)在電樞回路串人適當(dāng)?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(jī)起動完畢，達(dá)到額定轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)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(jī)，如工礦機(jī)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(jī)。直流牽引電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動直流牽引電動機(jī)的啟動問題直流牽引電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動直流牽引電動機(jī)的啟動電動機(jī)由靜止?fàn)顟B(tài)達(dá)到正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的過程稱為起動過程。直流電動機(jī)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(jī)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(dá)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(jī)換向惡化，產(chǎn)生嚴(yán)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(jī)構(gòu)和生產(chǎn)機(jī)械受到強(qiáng)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(shí)必須設(shè)法限制起動電流。直流牽引電動機(jī)的直接啟動直流牽引電動機(jī)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(dá)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(jī)換向惡化，產(chǎn)生嚴(yán)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(jī)構(gòu)和生產(chǎn)機(jī)械受到強(qiáng)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(shí)必須設(shè)法限制起動電流。一般直流電動機(jī)不允許直接起動。直流牽引電動機(jī)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(jī)的磁通達(dá)到最大值，因?yàn)樵谕瑯悠饎与娏飨?，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(jī)的轉(zhuǎn)向直流牽引電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)、調(diào)速和制動改變直流牽引電動機(jī)轉(zhuǎn)向的方法直流電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向取決于