直流電機(jī)的工作原理及特性

關(guān)于直流電機(jī)的工作原理及特性3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理一、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)包括靜止的和轉(zhuǎn)動(dòng)的兩大部分，靜止部分稱為定子，轉(zhuǎn)動(dòng)部分就是轉(zhuǎn)子，靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)部分之間要有一定大小的間隙(以后稱為氣隙)。定子的主要作用是產(chǎn)生磁場(chǎng)，由主磁極、換向極、機(jī)座和電刷裝置等組成。轉(zhuǎn)子(通常稱為電樞)的作用是產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、軸和風(fēng)扇等組成。第2頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流電機(jī)的剖面主磁極勵(lì)磁繞組機(jī)座換向極換向極繞組電樞繞組電樞鐵心第3頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天主磁極的作用是建立主磁場(chǎng)。絕大多數(shù)直流電機(jī)的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵(lì)磁繞組通以直流電流來(lái)建立磁場(chǎng)。1.主磁極主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵(lì)磁繞組構(gòu)成。主磁極鐵心靠近轉(zhuǎn)子一端的擴(kuò)大的部分稱為極掌，它的作用是使氣隙磁阻減小，改善主磁極磁場(chǎng)分布，并使勵(lì)磁繞組容易固定。主磁極上裝有勵(lì)磁繞組，整個(gè)主磁極用螺桿固定在機(jī)座上。主磁極的個(gè)數(shù)一定是偶數(shù)，勵(lì)磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按

N，S極交替出現(xiàn)。

第4頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.換向極換向極，又稱附加極或間極，是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個(gè)小磁極，它的作用是改善直流電機(jī)的換向性能。換向極結(jié)構(gòu)和主磁極類似。換向極的個(gè)數(shù)一般與主磁極的極數(shù)相等，在功率很小的直流電機(jī)中，也有不裝換向極的。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。換向極繞組換向極鐵心第5頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天第6頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．機(jī)座機(jī)座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。它有兩個(gè)作用：一個(gè)是用來(lái)固定主磁極、換向極和端蓋；另一個(gè)作用是作為磁路的一部分。機(jī)座中有磁通經(jīng)過(guò)的部分稱為磁軛。第7頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.電樞鐵心電樞鐵心既是主磁通的組成部分，又是電樞繞組支撐部分；電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內(nèi)。為減少電樞鐵心內(nèi)的渦流損耗，鐵心一般用硅鋼片疊壓夾緊而成。第8頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流電機(jī)電樞第9頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天第10頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天5.換向器換向器是由若干彼此間用云母片絕緣的銅片(即換向片)組成，如圖所示。換向器的作用：對(duì)于直流電動(dòng)機(jī)，它將外加的直流電動(dòng)勢(shì)逆變成電樞繞組的交流電流，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。第11頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天6．電刷裝置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，放在刷握內(nèi)，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。刷架裝在端蓋或軸承內(nèi)蓋上，調(diào)整位置以后，將它固定。第12頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天現(xiàn)將國(guó)產(chǎn)直流電動(dòng)機(jī)系列簡(jiǎn)介如下:一.Z型系列

Z為直流電機(jī)的漢語(yǔ)拼音第一個(gè)字母。這種系列是通風(fēng)保護(hù)式的。適用于調(diào)速范圍不大的機(jī)械拖動(dòng)，少灰塵，少腐蝕及溫度低的場(chǎng)所。二.Z2型系列

它是Z型系列的改進(jìn)型,也上保護(hù)式。調(diào)速范圍可達(dá)3比1，即可超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的一倍。三.ZO型系列這種電機(jī)是封閉式的，用于多灰塵但無(wú)腐蝕性氣體的場(chǎng)所。四.ZD型系列

主要用于需要廣泛調(diào)速，具有較大的過(guò)載能力的場(chǎng)所。如大型機(jī)床、卷?yè)P(yáng)機(jī)、起重設(shè)備。五.ZQD型系列

它是直流牽引電動(dòng)機(jī)，用于牽引車輛。第13頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流電動(dòng)機(jī)的型號(hào)以Z2-31型電機(jī)為例：

Z2系列是一般用途的中小型直流電動(dòng)機(jī)，共分11個(gè)機(jī)座號(hào)，每個(gè)機(jī)座號(hào)有二種鐵心長(zhǎng)度，功率范圍為0.4～200kW；轉(zhuǎn)速范圍600～3000r/min。第14頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流電機(jī)的額定值主要有：

1.額定功率PN：指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，電機(jī)的輸出功率，以W為量綱單位。若大于1KW或1MW時(shí),則用KW或MW表示。2.額定電壓UN：指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，以V為量綱單位。3.額定電流IN：指電機(jī)在額定電壓、額定功率時(shí)的電樞電流值，以A為量綱單位。第15頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天4.額定轉(zhuǎn)速nN：指額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，以r/min為量綱單位。5.額定勵(lì)磁電流If：指電機(jī)在額定狀態(tài)時(shí)的勵(lì)磁電流值。注意:對(duì)于直流發(fā)電機(jī)，PN是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積，即PN＝μUN×IN第16頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、直流電機(jī)的基本工作原理為了討論直流電機(jī)的工作原理，可把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為電機(jī)具有一對(duì)主磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，線圈兩端分別聯(lián)在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著電刷A和B。1—主磁極：勵(lì)磁繞組上加上直流電壓，勵(lì)磁繞組上有勵(lì)磁電流通過(guò)，使定子鐵心產(chǎn)生固定磁場(chǎng)，即定子的主要作用是產(chǎn)生主磁場(chǎng)。第17頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天2—電樞繞組：在固定的磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，主要作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)或產(chǎn)生機(jī)械轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)換。5—換向器：電刷固定不動(dòng)，換向片與電樞繞組一起旋轉(zhuǎn)，主要作用對(duì)發(fā)電機(jī)而言是將電樞繞組內(nèi)感應(yīng)的交流電勢(shì)轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電勢(shì)。對(duì)電動(dòng)機(jī)而言，則是將外加的直流電流轉(zhuǎn)換為電樞繞組的交變電流，并保證每一磁極下，電樞導(dǎo)體的電流的方向不變，以產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩。3—電刷4—換向片第18頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天發(fā)電機(jī)原理：將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。電樞由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的兩根有效邊（切割磁力線的導(dǎo)體部分）中便感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)e。顯然，每一有效邊中的電動(dòng)勢(shì)是交變的，即在N極下是一個(gè)方向，當(dāng)它轉(zhuǎn)到S極下時(shí)是另一個(gè)方向。但是，由于電刷A總是同與N極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，而電刷B總是同與S極下的有效邊相聯(lián)的換向片接觸，因此，在電刷間就出現(xiàn)一個(gè)極性不變的電動(dòng)勢(shì)或電壓，當(dāng)電刷之間接有負(fù)載時(shí)，在電動(dòng)勢(shì)的作用下就在電路中產(chǎn)生一定方向的電流。第19頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流發(fā)電機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用是不同的發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向或原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反。因此，在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1必須與發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩T及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。因此，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。第20頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩1.電動(dòng)勢(shì)E

根據(jù)電磁學(xué)原理，兩電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:式中：E——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）；

Φ——一對(duì)磁極的磁通（Wb）；

n——電樞轉(zhuǎn)速（r/min）；

Ke——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)。直流發(fā)電機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相同，被稱為電源電動(dòng)勢(shì)。直流電動(dòng)機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相反，被稱為反電動(dòng)勢(shì)。第21頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．電磁轉(zhuǎn)矩TM

電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，其大小可用如下公式表示：式中：T——電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；

Φ——對(duì)磁極的磁通（Wb）；

Ia——電樞電流（A）；

Kt——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Kt=9.55Ke第22頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.2直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

一、機(jī)械特性的一般形式

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性指的是轉(zhuǎn)速與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。不同勵(lì)磁方式的電動(dòng)機(jī)，其運(yùn)行特性也不盡相同，下面主要介紹在調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用的較廣泛的他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性。如圖所示為直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的原理電路圖。MEIaRaUfIfRfTnUI第23頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天式中:——外加電樞電壓（V）；——感應(yīng)電勢(shì)（V）；——電樞電流（A）；——電樞回路內(nèi)阻（Ω）電樞回路部分勵(lì)磁回路部分MEIaRaUfIfRfTnUI第24頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天∵∴即：

……轉(zhuǎn)速特性……機(jī)械特性由他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的特性可知：勵(lì)磁電流If的大小與電樞電流Ia的大小無(wú)關(guān)，它的大小只取決于Rf、Uf的大小，當(dāng)Rf、Uf的大小一定時(shí),If為定值，即磁通

為定值?！鱪nn00nNTN△TT第25頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天1.理想空載轉(zhuǎn)速：

T=0時(shí)的轉(zhuǎn)速稱為理想空載轉(zhuǎn)速，用n0表示。根據(jù)機(jī)械特性可知：2.機(jī)械特性硬度為了衡量機(jī)械特性的平直程度，引進(jìn)一個(gè)機(jī)械特性硬度的概念，其定義為：理想空載點(diǎn)△nnn00nNTN△TT第26頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天即轉(zhuǎn)矩變化與所引起的轉(zhuǎn)速變化的比值，稱為機(jī)械特性的硬度。根據(jù)

值的不同，可將電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性分為三類。（1）絕對(duì)硬特性

（2）硬特性

>10（3）軟特性

<10

△nnn00nNTN△TT第27頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、固有機(jī)械特性直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性指的是在額定條件（額定電壓UN和額定磁通

N

)下和電樞電路內(nèi)不外接任何電阻時(shí)的

n=f(T)即:是一條直線。直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性曲線可根據(jù)電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)求出(0,n0)和(TN,nN)即可繪出固有的機(jī)械特性。通常直流電動(dòng)機(jī)銘牌上給出額定功率PN

、額定電壓UN

、額定電流IN和額定轉(zhuǎn)速nN。第28頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性的計(jì)算分析：（1）已知PN、UN、IN、nN,機(jī)械特性是一條直線（2）只需知道直線上兩點(diǎn)(0,n0)、(TN,nN)（3）因此只需求出n0和TN（4）因n0＝UN/(KeΦN)，所以需求出KeΦN（5）TN＝9.55PN/nN具體計(jì)算步驟如下：第29頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)估算電樞電阻Ra

依據(jù)：電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載下的銅耗Ia2Ra約占總損耗

PN的50%～75%。式中：是額定運(yùn)行條件下電動(dòng)機(jī)的效率，且此時(shí)故得第30頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)求額定運(yùn)行條件下的反電勢(shì)為：故(3)求理想空載轉(zhuǎn)速:得(4)求額定轉(zhuǎn)矩:得根據(jù)兩點(diǎn)，就可作出他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)近似是機(jī)械特性曲線第31頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天三、人為機(jī)械特性人為機(jī)械特性是指人為地改變電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓U和勵(lì)磁磁通Φ的大小以及電樞回路串接附加電阻Rad所得到的機(jī)械特性。1.電樞回路中串接附加電阻時(shí)的人為特性電壓平衡方程式為：得到的人為機(jī)械特性方程式為：MEIaRaUIfUfФRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1<Rad2第32頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天

特性變軟空載速度不變；隨著電阻的增加，轉(zhuǎn)速降落增加；MEIaRaUIfUfФRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1<Rad1第33頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天2.改變電樞電壓U時(shí)的人為特性由于電動(dòng)機(jī)電樞繞組絕緣耐壓強(qiáng)度的限制，電樞電壓只允許在其額定值以下調(diào)節(jié)，所以，不同值的人為特性曲線均在固有特性曲線之下。空載速度隨著U的減小而減?。晦D(zhuǎn)速降落不變；

特性硬度不變0Tn0nUNUN>

U1>

U2>

U3n01U1n02U2n03U3第34頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．改變磁通

時(shí)的人為特性轉(zhuǎn)速降隨磁通的改變而變化。理想空載轉(zhuǎn)速隨磁通的改變而變化；

特性變軟n0Tn0ФN>Ф1>Ф2>Ф3n01n02n03Tst3ФNФ1Ф2Ф3Tst2Tst1Tst第35頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天由于勵(lì)磁線圈發(fā)熱和電動(dòng)機(jī)磁飽和的限制，電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流和它對(duì)應(yīng)的磁通只能在低于其額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)；當(dāng)磁通過(guò)分削弱后：（2）當(dāng)＝0時(shí)，從理論上說(shuō)，空載時(shí)電動(dòng)機(jī)速度趨近

，通常稱為“飛車”；當(dāng)電動(dòng)機(jī)軸上的負(fù)載轉(zhuǎn)矩大于電磁轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)不能啟動(dòng)，電樞電流為Ist，長(zhǎng)時(shí)間的大電流會(huì)燒壞電樞繞組。因此，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)前必須先加勵(lì)磁電流，在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，決不允許勵(lì)磁電路斷開或勵(lì)磁電流為零，為此，直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)在使用中，一般都設(shè)有“失磁”保護(hù)。（1）如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，將使電動(dòng)機(jī)電流大大增加而嚴(yán)重過(guò)載；第36頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．3直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性

一、啟動(dòng)特性電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)就是施電于電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái)，達(dá)到要求轉(zhuǎn)速的這一過(guò)程。對(duì)直流電動(dòng)機(jī)而言，在未啟動(dòng)之前n=0,E=0,而Ra一般很小。當(dāng)將電動(dòng)機(jī)直接接入電網(wǎng)并施加額定電壓時(shí)，啟動(dòng)電流為：這個(gè)電流很大，一般情況下能達(dá)到其額定電流的（10～20）倍。過(guò)大的啟動(dòng)電流危害很大：

（1）對(duì)電動(dòng)機(jī)本身的影響：

?使電動(dòng)機(jī)在換向過(guò)程中產(chǎn)生危險(xiǎn)的火花，燒壞整流子；

?過(guò)大的電樞電流產(chǎn)生過(guò)大的電動(dòng)應(yīng)力，可能引起繞組的損壞；第37頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天（2）對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響：與啟動(dòng)電流成正比例的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩使運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩很大，過(guò)大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩會(huì)在機(jī)械系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生過(guò)大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩沖擊，使機(jī)械傳動(dòng)部件損壞；（3）對(duì)供電電網(wǎng)的影響：

過(guò)大的啟動(dòng)電流將使保護(hù)裝置動(dòng)作，切斷電源造成事故，或者引起電網(wǎng)電壓的下降，影響其他負(fù)載的正常運(yùn)行。因此，直流電動(dòng)機(jī)是不允許直接啟動(dòng)的，即在啟動(dòng)時(shí)必須設(shè)法限制電樞電流，例如普通的Z2型直流電動(dòng)機(jī)，規(guī)定電樞的瞬時(shí)電流不得大于額定電流的1.5～2倍。第38頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、啟動(dòng)方法

限制直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，一般有降壓?jiǎn)?dòng)和電樞回路串電阻啟動(dòng)兩種方式。1.降壓?jiǎn)?dòng)：所謂降壓?jiǎn)?dòng)即在啟動(dòng)瞬間，降低供電電源電壓，隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電勢(shì)增大，再逐步提高供電電壓，最后達(dá)到額定電壓時(shí)，電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速。2.電樞回路串電阻啟動(dòng)啟動(dòng)時(shí)，電樞回路串接啟動(dòng)電阻Rst,此時(shí)啟動(dòng)電流Ist=UN/(Ra+Rst)將受外加啟動(dòng)電阻的限制。隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電勢(shì)增大，再逐步切除外加電阻直到全部切除，電動(dòng)機(jī)達(dá)到所要求的轉(zhuǎn)速。第39頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天電樞回路串電阻啟動(dòng)時(shí)電動(dòng)機(jī)電樞電路和啟動(dòng)特性如圖所示：直線1為電動(dòng)機(jī)電樞回路串接啟動(dòng)電阻時(shí)的機(jī)械特性，直線2為電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。啟動(dòng)電阻的大小就是保證啟動(dòng)電流為額定值的兩倍。第40頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天電樞回路接入電網(wǎng)時(shí)，KM斷開，電動(dòng)機(jī)工作在特性1上，在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)速度上升。當(dāng)速度上升到a點(diǎn)時(shí)，KM閉合，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)?。由于在切換電阻的瞬間，機(jī)械慣性的作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，在此瞬間速度維持不變，即電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)從a點(diǎn)切換到b點(diǎn)，在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)的速度繼續(xù)上升直到穩(wěn)定點(diǎn)c。第41頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天從圖中不難看出：當(dāng)電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)從a點(diǎn)切換到b點(diǎn)時(shí)，沖擊電流仍很大，為了解決這種現(xiàn)象，通常采用逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。圖所示為具有三段啟動(dòng)電阻的原理電路和啟動(dòng)特性。圖中：－尖峰（最大）轉(zhuǎn)矩；－換接（最小）轉(zhuǎn)矩第42頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天(1)電樞接入電網(wǎng)時(shí)，KM1、KM2和KM3均斷開，電樞回路串接外加電阻Rad3=R1+R2+R3，此時(shí)，電動(dòng)機(jī)工作在特性曲線a，在轉(zhuǎn)矩T1的作用下，轉(zhuǎn)速沿曲線a上升；第43頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天(2)當(dāng)速度上升使工作點(diǎn)到達(dá)2時(shí)，KM1閉合，即切除電阻R3，此時(shí)電樞回路串外加電阻Rad2=R1+R2，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)榍€b。由于機(jī)械慣性的作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由2切換到3，速度又沿著曲線b繼續(xù)上升；第44頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天(3)當(dāng)速度上升使工作點(diǎn)到達(dá)4時(shí)，KM1、KM2同時(shí)閉合，即切除電阻R2、R3，此時(shí)電樞回路串外加電阻Rad1=R1，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)榍€c。由于機(jī)械慣性的作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由4切換到5，速度又沿著曲線c繼續(xù)上升；第45頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天(4)當(dāng)速度上升使工作點(diǎn)到達(dá)6時(shí)，KM1、KM2、KM3同時(shí)閉合，即切除電阻R1、

R2、

R3，此時(shí)電樞回路無(wú)外加電阻，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)楣逃刑匦郧€d，由于機(jī)械慣性的作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由6切換到7，速度又沿著曲線d繼續(xù)上升直到穩(wěn)定工作點(diǎn)8。第46頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天由上可見(jiàn)，啟動(dòng)級(jí)數(shù)愈多，T1、T2愈與平均轉(zhuǎn)矩接近，啟動(dòng)過(guò)程快而平穩(wěn)，但所需的控制設(shè)備也就愈多。我國(guó)生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)控制柜都是按快速啟動(dòng)原則設(shè)計(jì)的，一般啟動(dòng)電阻為（3～4）段。多級(jí)啟動(dòng)時(shí)，T1、T2的數(shù)值需按照電動(dòng)機(jī)的具體啟動(dòng)條件決定，一般原則是保持每一級(jí)的最大轉(zhuǎn)矩T1（或最大電流I1）不超過(guò)電動(dòng)機(jī)的允許值，而每次切換電阻時(shí)的T2（或最小電流I2）也基本相同，一般選擇：第47頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．4直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性

一、速度調(diào)節(jié)和速度變化

調(diào)速（又稱速度調(diào)節(jié)）與速度變化是兩個(gè)完全不同的概念電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是在一定的負(fù)載條件下，人為地改變電動(dòng)機(jī)的電路參數(shù)，以改變電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速，如圖所示。轉(zhuǎn)速的改變是人為改變（或調(diào)節(jié)）電樞回路的電阻大小所造成的，故稱調(diào)速或速度調(diào)節(jié)。第48頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天速度變化是指由于電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化（增大與減小）或其它不可預(yù)見(jiàn)因數(shù)引起電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的變化（下降或上升），如圖所示?？傊?，速度變化是在某條機(jī)械特性上，由于負(fù)載改變而引起的；而速度調(diào)節(jié)則是在某一特定的負(fù)載下，靠人為改變機(jī)械特性而得到的。第49頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天二、調(diào)速方法下面僅就他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速方法作一般性的介紹。從直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性方程式可知：改變串入電樞回路的電阻Rad；改變電樞供電電壓U或主磁通

，都可以得到不同的人為機(jī)械特性，從而在負(fù)載不變時(shí)可以改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到速度調(diào)節(jié)的要求，故直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法有以下三種。

第50頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天1、改變電樞電路外串電阻直流電動(dòng)機(jī)電樞回路串接電阻后，可以得到如圖所示的一簇機(jī)械特性。從特性可看出，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，串入不同的電阻可以得到不同的轉(zhuǎn)速。如在電阻分別為Ra、R1、R2、R3、的情況下，可以分別得到穩(wěn)定工作點(diǎn)A、C、D和E，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為nA、nB、nC、nD。第51頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天改變電樞回路串接電阻的大小調(diào)速存在如下問(wèn)題：?機(jī)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(shí)，調(diào)速范圍不大；?實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速困難；?在調(diào)速電阻上消耗大量電能等。正因?yàn)槿秉c(diǎn)不少，目前已很少采用，僅在有些起重機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。第52頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．改變電動(dòng)機(jī)電樞供電電壓U如圖所示特性為改變電樞供電電壓U調(diào)速的特性：從特性可看出，在一定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，電樞外加不同電壓可以得到不同的轉(zhuǎn)速。如在電壓分別為UN、U1、U2、U3的情況下，可以分別得到穩(wěn)定工作點(diǎn)a、b、c和d，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為na、nb、nc、nd。即改變電樞電壓可以達(dá)到調(diào)速的目的。第53頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天改變電樞外加電壓調(diào)速有如下特點(diǎn)：1）當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時(shí)，轉(zhuǎn)速可以平滑無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，一般只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)；2）調(diào)速特性與固有特性互相平行，機(jī)械特性硬度不變，調(diào)速的穩(wěn)定度較高，調(diào)速范圍較大；3）調(diào)速時(shí)，因電樞電流與電壓U無(wú)關(guān)，且=

N，轉(zhuǎn)矩T=Kt

N

Ia不變，屬于有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。調(diào)速過(guò)程中，電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩不變的調(diào)速特性稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。具有恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速特性的調(diào)速方法適合于對(duì)恒轉(zhuǎn)矩型負(fù)載進(jìn)行調(diào)速；4）可以靠調(diào)節(jié)電樞電壓來(lái)啟動(dòng)電機(jī)，而不用其他啟動(dòng)設(shè)備。第54頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．改變電動(dòng)機(jī)主磁通

如圖所示曲線為改變電動(dòng)機(jī)主磁通

調(diào)速的特性：從特性可看出，在一定的負(fù)載功率PL下，不同的主磁通

N、

1、

2、，可以得到不同的轉(zhuǎn)速na、nb、nc。即改變主磁通

可以達(dá)到調(diào)速的目的。第55頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天改變電動(dòng)機(jī)主磁通特點(diǎn)：1）可以平滑無(wú)級(jí)調(diào)速，但只能弱磁調(diào)速，即在額定轉(zhuǎn)速以上調(diào)節(jié)；2）調(diào)速特性較軟，且受電動(dòng)機(jī)換向條件等的限制。普通他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不得超過(guò)額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，所以，調(diào)速范圍不大，若使用特殊制造的“調(diào)速電動(dòng)機(jī)”，調(diào)速范圍可以增加，但這種調(diào)速電動(dòng)機(jī)的體積和所消耗的材料都比普通電動(dòng)機(jī)大得多；3）調(diào)速時(shí)維持電樞電壓U和電樞電流Ia不變時(shí)，電動(dòng)機(jī)的輸出功率P=UIa電動(dòng)機(jī)的輸出功率不變。在調(diào)速過(guò)程中，輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調(diào)速，這種調(diào)速適合于對(duì)恒功率型負(fù)載進(jìn)行調(diào)速。第56頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天3．5直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性

1．制動(dòng)與啟動(dòng)啟動(dòng)：施電于電動(dòng)機(jī)使電動(dòng)機(jī)速度從靜止加速到某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)；制動(dòng)：從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或是限制位能負(fù)載下降速度的一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。2.制動(dòng)與自然停車1）自然停車：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，靠很小的摩擦阻轉(zhuǎn)矩消耗機(jī)械能使轉(zhuǎn)速慢慢下降，直到轉(zhuǎn)速為零而停車。這種停車過(guò)程需時(shí)較長(zhǎng)，不能滿足生產(chǎn)機(jī)械快速停車的要求；2）制動(dòng)：外加阻力轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)迅速停車。為了提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品質(zhì)量，需要加快停車過(guò)程，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車等，要求電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)，常簡(jiǎn)稱為電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)。第57頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天3.電動(dòng)機(jī)的兩種工作狀態(tài)1)電動(dòng)狀態(tài)：為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩為阻轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能。故稱這種狀態(tài)為電動(dòng)狀態(tài)。

2）制動(dòng)狀態(tài)：為阻轉(zhuǎn)矩為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩電動(dòng)機(jī)的作用是吸收或消耗重物的機(jī)械能。故稱電動(dòng)機(jī)的這種工作狀態(tài)為制動(dòng)狀態(tài)。MGUfTVnUMGUfTVnU第58頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天一、反饋制動(dòng)

特點(diǎn)：1）在外部條件的作用下，實(shí)際轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速；2）電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的作用方向與n的方向相反。1．電車走下坡路時(shí)的反饋制動(dòng)設(shè)電車與地面的摩擦轉(zhuǎn)矩為Tr，阻轉(zhuǎn)矩；下坡時(shí)電車所產(chǎn)生的位能轉(zhuǎn)矩為Tp，拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩；且Tp>Tr，前進(jìn)時(shí)速度n為正。電車由直流電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)，機(jī)械特性如圖所示：第59頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天勻速走平路時(shí)（a點(diǎn)）：輸出轉(zhuǎn)矩TM用來(lái)克服負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tr。在a—n0段：TM與n的方向相同，故為電動(dòng)狀態(tài)。在n0—b段：TM與n的方向相反，且電機(jī)轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速，故電動(dòng)機(jī)工作在反饋制動(dòng)狀態(tài)。第60頁(yè),共70頁(yè)，2024年2月25日，星期天2．電樞電壓突然下降時(shí)的反饋制動(dòng)設(shè)當(dāng)電動(dòng)機(jī)的電樞外加電壓為U1和U2，且U1>U2時(shí)的機(jī)械特性如圖所示：若電動(dòng)機(jī)工作在A點(diǎn)時(shí)將電樞電壓突然降低為U2，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)榍€2，由于機(jī)械慣性，工作點(diǎn)由A轉(zhuǎn)換到B點(diǎn)。此時(shí)-TM-TL<0，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在TM、TL的共同的作用下