直流电机4阎治安

1、2021/6/161第第 4 章章 直流电动机直流电动机 DC Motor 本章介绍直流电动机的启动、调速和制动方面的知识本章介绍直流电动机的启动、调速和制动方面的知识, ,同时涉及特性。同时涉及特性。 4-1 直流电动机的起动直流电动机的起动 (Starting)一、起动过程及其要求一、起动过程及其要求 v电动机绕组加电源后，转速从电动机绕组加电源后，转速从0上升到稳态转速的过程称为起动过程。上升到稳态转速的过程称为起动过程。 v合闸瞬间的启动电流很大，可达合闸瞬间的启动电流很大，可达 (1020)IN ,因为因为v这样大的启动电流会引起电机换向困难，并使供电线路产生很大的压这样大的启动电流

2、会引起电机换向困难，并使供电线路产生很大的压降。因此必须采取适当的措施限制启动电流。降。因此必须采取适当的措施限制启动电流。 系统对启动的要求：系统对启动的要求：（1）启动电流要限制在安全范围内；）启动电流要限制在安全范围内；（2）启动转矩足够大；）启动转矩足够大；（3）启动设备要简单便可靠。）启动设备要简单便可靠。 0, 0, aaestaaUEUnECnIRR 2021/6/162二、直流电动机的起动方法二、直流电动机的起动方法 1. 电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动 v最初起动电流：最初起动电流：Ist =U / ( Ra+ Rst )v最初起动转矩：最初起动转矩：Tst=CT Is

3、t v为了在限定的电流为了在限定的电流Ist下获得较大的启动转矩下获得较大的启动转矩Tst，应该使磁通，应该使磁通尽可能大尽可能大些，因此启动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。些，因此启动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。v有了一定的转速有了一定的转速n后，电势后，电势Ea不再为不再为0，电流，电流 Ist 会逐步减小，转矩会逐步减小，转矩Tst也也会逐步减小。会逐步减小。v为了在启动过程中始终保持足够大的启动转矩，一般将起动器设计为多为了在启动过程中始终保持足够大的启动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速级，随着转速n的增大，串在电枢回路的启动电阻的增大，串在电枢回路的启动电阻Rst逐级切

4、除，进入稳态逐级切除，进入稳态后全部切除。启动电阻后全部切除。启动电阻Rst一般设计为短时运行方式。一般设计为短时运行方式。2021/6/1632. 他励电动机降压起动他励电动机降压起动 v对他励电动机，可采用专门设备降低电枢回路的电压以减小启动电流。对他励电动机，可采用专门设备降低电枢回路的电压以减小启动电流。v串励与复励电动机串励与复励电动机起动方法起动方法基本上与并励电动机相同，即采用电枢回路基本上与并励电动机相同，即采用电枢回路 串电阻的方法减小启动电流。串电阻的方法减小启动电流。串励电动机绝对不允许空载启动串励电动机绝对不允许空载启动。（下）。（下）v串电阻启动设备简单，投资小，但启

5、动电阻上要消耗能量；电枢降压启串电阻启动设备简单，投资小，但启动电阻上要消耗能量；电枢降压启动设备投资较大，但动设备投资较大，但起动过程起动过程节能。节能。2021/6/1644-2 4-2 他励直流电动机工作特性他励直流电动机工作特性 工作特性定义：工作特性定义：U=UN ，If = IfN ，电枢回路不串电阻的情况下，负载电枢回路不串电阻的情况下，负载P P2 2变化时，变化时，电机的转速电机的转速n、转矩、转矩T、效率、效率分别随输出功率分别随输出功率 P2 变化的关系曲线。变化的关系曲线。 一、转速特性一、转速特性 n = f (P2) 影响转速影响转速 n 的因素有二：（的因素有二：

6、（1）电流）电流Ia增大时电枢电阻压将增大时电枢电阻压将IaRa也增大，使也增大，使转速趋于下降；（转速趋于下降；（2）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通下降，下降，使转速趋于上升。使转速趋于上升。 222aaaseaassaaaaeeeUEI RUCnI RUUUI RUI RnCCC 2021/6/165一般电阻压降的影响较大，所以随着一般电阻压降的影响较大，所以随着电流的增大，电动机转速降低。由于电流的增大，电动机转速降低。由于电阻电阻Ra的值很小，所以转速下降比较的值很小，所以转速下降比较平缓。电流增大，电压恒定时意味着平缓。电流增大，电压恒

7、定时意味着P2增大，所以增大，所以n = f(P2)是一条较平的下是一条较平的下降曲线（硬特性）。降曲线（硬特性）。 n2PO0nNnNP二、转矩特性二、转矩特性 T = f ( P2 )v他励直流电动机在负载变化时，他励直流电动机在负载变化时，转速变化很小，可以近似认为转速变化很小，可以近似认为T0 = 常数。常数。 22220= 260PPTTTTn ；n2P0n0T2TTO2021/6/166v如果不考虑转速的变化，则如果不考虑转速的变化，则T = f (P2)为一条直线，考虑到转速略有下降，为一条直线，考虑到转速略有下降，所以所以T =f (P2) 为一条略微上翘的曲线。为一条略微上翘

8、的曲线。 三、效率特性三、效率特性 = f ( P2 ) v可以根据本教材可以根据本教材2.3.2小节介绍的方小节介绍的方法计算。法计算。 122222aaasaaaaasaMabmFfeabPUIEI RUIE II RU IPppPppppppPp 22 100 %PPpp 不不变变可可变变n2P0n0T2TTO2021/6/1674-3 他励直流电动机机械特性他励直流电动机机械特性 机械特性定义：机械特性定义：n = f ( T )是指是指U=UN，If = IfN 时，改变负载的过程时，改变负载的过程中，转速中，转速n随电磁转矩随电磁转矩T 变化的函数关系。变化的函数关系。 一、机械特

9、性方程式一、机械特性方程式 n=f ( T ) v用电枢回路总电阻考虑电刷接触压降。用电枢回路总电阻考虑电刷接触压降。 v n0L =U/(Ce) 为理想空载转速，为理想空载转速，v = (Ra+Rp ) / (CeCT2) 为斜率。为斜率。 02,apaaeTapLeeTURRITnICCRRUnTnTCC CnTO0LnNTNn2021/6/168二、固有机械特性二、固有机械特性 n = f ( T ) vU =UN , =N , Rp= 0 时的时的机械特性机械特性 称为称为 固有机械特性。其方程为固有机械特性。其方程为 由于由于Ra很小，转矩很小，转矩T增大时，增大时，n下降很小，他励

10、电动机的固有机械特性是一条比较平下降很小，他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。（即属硬特性）的下降曲线。（即属硬特性） 2aeeTRUCCnTC三、人为（人工）机械特性三、人为（人工）机械特性 n n = = f f ( (T T ) )v改变三个量改变三个量U、Rp之一而其他量不变之一而其他量不变 时可以得到人为机械特性。时可以得到人为机械特性。 （1）电枢回路串电阻时的人为机械特性）电枢回路串电阻时的人为机械特性 对应于不同的对应于不同的Rp可以得到一簇斜率不同的曲线。可以得到一簇斜率不同的曲线。 2eTpaeRCCnRUCTnTO0 LnaR1apRR2apRR3apRR20

11、21/6/169（2）改变电枢电压）改变电枢电压(U d T / d n ；若不稳定运行则若不稳定运行则 v一、判断稳定的原则是：一、判断稳定的原则是： v 1 1、直流电动机的机械特性（、直流电动机的机械特性（ (1)(1)下降曲线时可稳定运行；下降曲线时可稳定运行； (2)(2)上翘曲线时则上翘曲线时则不稳定运行！用下图分析不稳定运行！用下图分析）v 2 2、机械负载的机械特性（、机械负载的机械特性（恒转矩或变转矩负载？恒转矩或变转矩负载？） CTnTn nTO0LnaBCananannnnTObbn0Lnbnbn TnCT T LT n2021/6/16154-8 直流电动机调速方法直流

12、电动机调速方法 02()aatjatjLeeeTUIRRRRUnCCC CnTTv对应于三种人为机械特性，他励直流电动机的调速方法有三种对应于三种人为机械特性，他励直流电动机的调速方法有三种: （1）改变电枢电压）改变电枢电压U； （2）改变励磁电流即改变磁通）改变励磁电流即改变磁通； （3）电枢串入电阻）电枢串入电阻Rt j。一、改变电枢电压调速（适用于他励式）一、改变电枢电压调速（适用于他励式） v如图设TL 不变，其物理过程不变，其物理过程。v优点优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。便于计算机控制。 v缺点缺点：需要专门设备，成本较高。需要专门设备，成本较高。（可控硅可控硅

13、调压调速系统）调压调速系统） nTO0Ln1A2A3A4A1B2B3B2021/6/1616三、改变励磁电流调速（调节励磁电阻）三、改变励磁电流调速（调节励磁电阻） v减少励磁电流时，电动机机械特性的斜率增大。减少励磁电流时，电动机机械特性的斜率增大。如图设TL 不变，其物理过程不变，其物理过程。v优点：优点：励磁回路电流小约为励磁回路电流小约为( 1( 1 3 )% I3 )% IN N , , 损耗损耗 小，连续调速，易控制。小，连续调速，易控制。 v缺点缺点：只能上调，最高转速受机械强度的限制，只能上调，最高转速受机械强度的限制， 负载转矩大时调速范围小。负载转矩大时调速范围小。 nTO

14、0Ln1A2A3A4A1B2B3BnT0Ln1A2A3A4A1B2B3BO二、在电枢回路外串调节电阻调速二、在电枢回路外串调节电阻调速 v调节电阻Rp 达到调速目的。如图设TL 、 不不变，其物理过程变，其物理过程。v优点优点：设备简单、操作方便。设备简单、操作方便。 v缺点：缺点：只能降速，低速时变化率较大，电枢只能降速，低速时变化率较大，电枢电流较大，有损耗。电流较大，有损耗。2021/6/1617四、改变电动机转向的方法四、改变电动机转向的方法 v要改变电动机转向，就必须改变电磁转矩的方向。要改变电动机转向，就必须改变电磁转矩的方向。 T = CT Iav根据电动机的工作原理，单独改变磁

15、场极性（即通过改变励磁绕组连接）根据电动机的工作原理，单独改变磁场极性（即通过改变励磁绕组连接）或者单独改变电枢电流的方向，均可以改变电磁转矩的方向。故改变转向或者单独改变电枢电流的方向，均可以改变电磁转矩的方向。故改变转向的方法：的方法：v（1 1）对于并励电动机，单独将励磁绕组引出端接线对调；）对于并励电动机，单独将励磁绕组引出端接线对调；v（2 2）单独将电枢绕组引出端接线对调。）单独将电枢绕组引出端接线对调。 对于复励电动机，应将电枢引出端对调或者同时将并励绕组和串励绕组引出段分别对调（维持加复励状态）。 nTO0LnA2021/6/16184-9 直流电动机的制动直流电动机的制动 (

16、Retardation) 制动问题：在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，制动问题：在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者从某高速降到某低速运转，或者限制位能性负载在某一转速下稳定运或者从某高速降到某低速运转，或者限制位能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动问题。转，这就是电动机的制动问题。实现制动有两种方法，机械制动和电磁实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。制动。 电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩转矩, ,其特点是制动转矩大其特点是制动转矩大, ,操作控制方便。直

17、流电动机的电磁制动类型有操作控制方便。直流电动机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。能耗制动、反接制动和回馈制动。一、能耗制动一、能耗制动 （1 1）能耗制动过程）能耗制动过程B-OB-O 电机：直流电动机；电机：直流电动机；负载：反抗性恒转矩负载负载：反抗性恒转矩负载 UfRKLRstR2021/6/1619v制动时电机处于发电状态，转子制动时电机处于发电状态，转子动能转化为电能消耗在制动电阻上。动能转化为电能消耗在制动电阻上。所以称为能耗制动。所以称为能耗制动。 v制动电阻越小，制动开始时产生的制动制动电阻越小，制动开始时产生的制动 转矩就越大。转矩就越大。 v高速时能耗制动作用

18、较大，低速时应配高速时能耗制动作用较大，低速时应配 合机械制动装置使系统停掉。合机械制动装置使系统停掉。 （2）能耗制动运行）能耗制动运行O-C 负载：势能性恒转矩负载负载：势能性恒转矩负载 2aLeeTRRUCC CnTT nTO0LnABZTZT2021/6/1620v采用采用能耗制动能耗制动时，工作点从时，工作点从ABO,BOABO,BO是能耗是能耗制动过程，到了制动过程，到了O O点后，如不采取其他制动措施，点后，如不采取其他制动措施，则系统会在负载转矩的作用下反转，工作点沿着能则系统会在负载转矩的作用下反转，工作点沿着能耗制动曲线到达耗制动曲线到达C C后才稳定运行。在后才稳定运行。

19、在C C点，电磁转矩点，电磁转矩为负，与转速方向相反是制动转矩。在为负，与转速方向相反是制动转矩。在C C点的运行点的运行方式称为能耗制动运行。方式称为能耗制动运行。 二、反接制动二、反接制动 v他励电动机拖动反抗性恒转他励电动机拖动反抗性恒转矩负载运行。矩负载运行。v通过反接闸刀把电源突然反通过反接闸刀把电源突然反接，同时在电枢支路串入接，同时在电枢支路串入限流限流电阻电阻R3 。 302aLeeTRRUnCCnCTTUfRK3RstRnT00LnABZTCcn2021/6/1621v如图所示，工作点如图所示，工作点ABC，在，在C点时，点时，n=0。这时应将电源切掉。在。这时应将电源切掉。

20、在BC的过程中转速为正，电磁转矩为负，起的过程中转速为正，电磁转矩为负，起制动制动作用。作用。v如果在如果在C点时，电动机的转矩大于负载转矩点时，电动机的转矩大于负载转矩(绝对值绝对值)而没有切除电源，则电而没有切除电源，则电动机在电磁转矩作用下将反向起动，作为反转的电动机运行。如图中的动机在电磁转矩作用下将反向起动，作为反转的电动机运行。如图中的D点。点。v对于频繁正反转的电力拖动系统，常采用这种先反接制动停车，再反向起对于频繁正反转的电力拖动系统，常采用这种先反接制动停车，再反向起动的运行方式，达到迅速制动并反转的目的。对于要求准确停车的系统，采动的运行方式，达到迅速制动并反转的目的。对于

21、要求准确停车的系统，采用能耗制动较为方便。用能耗制动较为方便。 电枢电流式为：电枢电流式为：(2)电势反接制动（倒拉反转运行）电势反接制动（倒拉反转运行） nTO0LnABZTZTC0nDnTO0LnABZTZTC0nEDnTO0LnABZTDDnC33aaaaaUEUEIRRRR 2021/6/1622 他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。电枢支路突然他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。电枢支路突然串入串入较大的电较大的电阻，则工作点阻，则工作点ABCDABCD，D D点位于第点位于第iviv象限，转速为负，电磁转矩为正，象限，转速为负，电磁转矩为正，属于制动运行。在属于制动运行。在C C点

22、后，负载转矩大于电磁转矩，转速反向，感应电势点后，负载转矩大于电磁转矩，转速反向，感应电势也反向，所以称为电势反接制动。这种运行方式通常用在起重设备低速下也反向，所以称为电势反接制动。这种运行方式通常用在起重设备低速下放物体的场合。放物体的场合。三、回馈制动三、回馈制动 (1) (1) 正向回馈制动正向回馈制动 v直流电动机通过降低电压减速时，会使得工作点经过第直流电动机通过降低电压减速时，会使得工作点经过第IIII象限，如图中象限，如图中的的BCBC段段，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。电压下降，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。电压下降，使得使得 E Ea a U

23、 U , ,电流方向改变，电能回馈到电源。电流方向改变，电能回馈到电源。v在在电车下坡时，电车下坡时，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，E Ea a增大，增大， E Ea a U ,U ,即即超过超过U U 以后，电流反向，进入正向回馈制动状态。以后，电流反向，进入正向回馈制动状态。v当当电车电车下坡的位能下坡的位能等于等于电车供给电网电车供给电网的电能（加损耗）时的电能（加损耗）时n n = c= c 。2021/6/1623(2) 反向回馈制动反向回馈制动 他励电动机拖动势能性恒转矩负载运行。他励电动机拖动势能性恒转矩负载运行。反接

24、电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第iv象限。象限。在在D点，电动机的转速高于理想空载转速，点，电动机的转速高于理想空载转速，EaU，电流流向电源，属于，电流流向电源，属于反向回馈制动。反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。反向回馈制动。反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。本章作业：本章作业：p65 题题4-2，3，4，5，6，7nTO0nABZTZTC0nEDnTO0nABZTCD2021/6/16244-10 4-10 直流电机的换向直流电机的换向 旋转着的电枢某元件旋转着的电枢某元件( (线圈线圈)

25、 ) 从一个支路转换到另外一个支路时元件从一个支路转换到另外一个支路时元件中电流变化的过渡过程称为中电流变化的过渡过程称为换向过程换向过程。一、换向过程分析一、换向过程分析 v电刷是支路的分界线。电刷是支路的分界线。v换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为+ia（右右左）；左）；v处于换向过程时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；处于换向过程时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；v换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经变为-ia（左左右）。右）。2021/6/1625v一个元件换

26、向过程所需的时间就称为一个元件换向过程所需的时间就称为换向周期换向周期Th，即一个换向片通过即一个换向片通过电刷所用的时间。即电流从电刷所用的时间。即电流从+ +i ia a变到变到- -i ia a所用的时间即为一个所用的时间即为一个 换向周期换向周期 Th= 0.00050.002秒秒 换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火化。当换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火化。当火花大到一定程度时可能损坏电机。火花大到一定程度时可能损坏电机。v产生火花的原因除电磁原因外，还有电化学、电热等因素，至今尚无产生火花的原因除电磁原因外，还有电化学、电热等因素，至今尚无很成熟

27、的理论。很成熟的理论。60 ( )hTsKn2021/6/1626二、换向元件中的电势二、换向元件中的电势 1电抗电势电抗电势 ex v一般，换向周期非常短暂，电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感一般，换向周期非常短暂，电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势，两者的合成电势称为电抗电势，用电势，两者的合成电势称为电抗电势，用ex表示。表示。 v电抗电势的性质电抗电势的性质 总是阻碍线圈中电流的变化，亦即总是阻碍线圈中电流的变化，亦即ex的方向（据楞次定的方向（据楞次定律）必然律）必然力图与换向前的电流方向相同力图与换向前的电流方向相同。或者说电抗电势是阻碍换向的。或者说电抗电势是阻碍换向

28、的。 v电抗电势大小反比于换向周期：电抗电势大小反比于换向周期： 2切割电势切割电势 ea v换向元件切割电枢反应磁场，从而产生的切割电势。其性质也是阻碍换换向元件切割电枢反应磁场，从而产生的切割电势。其性质也是阻碍换向的，即向的，即力图与换向前的电流方向相同力图与换向前的电流方向相同。v其大小为其大小为: ea= 2WyBa l va()xd iLMd te 2()ahxpjiELMT 2021/6/16273 3换向极电势换向极电势 ek换向元件切割换向极磁场，产生的换向元件切割换向极磁场，产生的切割电势。其性质也是帮助换向的，切割电势。其性质也是帮助换向的，即即力图与换向后的电流方向相同

29、力图与换向后的电流方向相同。NS1122334456657788991110101112121313141415151616+ .ek 的方向Nn (发电机)换向极4、三种换向情况曲线1 直线换向；曲线2 延迟换向；曲线3 加速换向；Tht01Thti+ ia ia23t21延迟换向时经换向片1的电流密度为：将使后刷边的火花大。延迟换向时经换向片2的电流密度为：*# 若加速换向则使前刷边的火花大。11111 hitgTjSti221222 itgtijjS21jj2021/6/1628三、影响换向的因素三、影响换向的因素 v电磁因素电磁因素：电抗电势和切：电抗电势和切割电势阻碍换向割电势阻碍换向.v机械、化学、材料机械、化学、材料等原因等原因v机械方面的原因机械方面的原因如：换向如：换向器偏心；片间绝缘凸出，某器偏心；片间绝缘凸出，某个换向片凸出；电刷与换向个换向片凸出；电刷与换向器表面接触