电机学：直流机 5章 电动机三项

1、第一篇 直流机第1章 直流机概述第2章 直流机的电枢绕组第3章 直流机原理第4章 直流机特性第5章 直流电动机的起调制各章简称：概述、绕组、原理、特性、三项（电动机三项）。第5章 直流电动机起调制5.1 起动5.2 调速5.3 制动5.1 直流电动机的起动5.1.0 起动概述5.1.1 直接起动5.1.2 串变阻器起动5.1.3 降压起动5.1.0 直流电动机起动概述1 起动定义2 对起动的要求3 起动方法和根本原则1 起动定义 直流电动机接通电源以后，从静止到稳态转速的过程，称为起动。 对起动的研究包括：起动的动态过程、的起动过程的要求、起动方法。 本节研究要求、方法。动态放到第七篇专门研究

2、。 2 对起动的要求 四个方面：机、电、时、设1）机械方面。电磁转矩足以克服风摩转矩、负载转矩（带载时）。一般起动转矩Tst=(1.22) TN。2 续1： 电2）电路方面。电枢电流不超过允许值。刚起动时，n0，Ea=Cen0，电源电压加在Ra上，Ra很小，故IstU/Ra很大，使绕组发热并且受到很大的电磁力冲击，还会引起电网电压突然降低，影响其他设备的正常运行。但从电磁转矩Te=CTIa来看，减小Ist将使Tst随之减小。这两方面互相矛盾，故需综合考虑。一般Ist =(1.52.5)IN。2 续2： 时、设3）时间方面。起动时间要尽量短，符合技术要求。4）设备方面。起动设备要尽量简单、经济、

3、可靠、操作方便 。 3 起动方法和根本原则 三种方法、两个原则 1）直接起动；2）串变阻器起动；3）降压起动。 无论哪种方法，根本原则是：1）提高电磁转矩；2）降低起动电流。 为此，起动过程中，励磁回路的调节电阻应置零值，确保磁通最大，以使同样电枢电流下的电磁转矩最大。 5.1.1 直流电动机的直接起动1 直接起动的操作步骤2 直接起动的电流、转速波形3 直接起动的优缺点、应用1 直接起动的操作步骤先合上励磁开关Q1，并调If到最大；合上电枢开关Q2。2 直接起动的电流、转速波形这里仅给出波形。求解过程请见动态分析一篇。3 直接起动法的优缺点和应用 优点：操作简单，无需其他起动设备。 缺点：起

4、动时冲击电流较大，可达(1020)IN，造成换向困难，出现强烈火花。 应用：此法只用于小型电动机的起动，可适用于各种励磁方式。 5.1.2 直流电动机的串变阻器起动原理：将起动电阻Rst串入电枢回路。适当选择Rst的值，可将Ist限制在允许范围之内。待转速上升后逐步切除Rst。Rst采用变阻器。操作：1）Rf调到最小、Rst调到最大；2）合上开关Q；3）逐步调小Rst ，直到零。 5.1.3 直流电动机的降压起动压，并控制Ist在一定范围内。 降压起动所需专用电源有两种：直流发电机、晶闸管整流电源。为使励磁不受电源电压的影响，电动机应采用他励。因此这种方法只适用于他励直流电动机。 降压起动的优

5、点： Ist小，起动过程平滑，能量损耗少； 降压起动的缺点：成本较高。开始起动时，给电枢加很低的端压来限制Ist。n上升后，逐步增高端5.2 直流电动机的调速5.2.0 调速概述5.2.1 调励调速5.2.2 调压调速5.2.3 调阻调速5.2 直流电动机的调速5.2.0 调速概述5.2.1 调励调速5.2.2 调压调速5.2.3 调阻调速5.2.0 直流电动机调速概述1 调速定义2 调速性能3 调速方法1 调速定义 在指定负载下，人为改变电动机速度称为调速。 2 调速性能 调速性能包括：1）调速范围的宽窄；2）速度能否平滑调节；3）调速方法的实现是否方便-是否简单、经济。 很幸运，直流电动机

6、调速，性能优越：1）调速范围宽、2）速度能平滑调节、3）调速方法简单、经济。3 调速方法1）变-调If ；2）变U-调专用发电机的励磁；3）变Ra-调串入电枢回路的电阻。方法1）称为场控，方法2）、3）称为枢控。5.2.1 调励调速1 调速原理2 调速过程3 调速效率4 调速实现5 调速特点1 调速原理 不计饱和：=KfIf 推导：不同的If对应不同的机械特性。看图： If1If2IfN,nf2nf1nN:弱磁升速2 调速过程If、下降时，因惯性，n来不及变，Ea=Ce n立降。Ia大增，TeT2，n增加，Ea随之升，Ia和Te减，当Te=T2时，n稳定于Q。 从电压方程U=Ea+IaRa可知

7、，若不考虑IaRa，因U不变，则调励前后Ea基本不变，即Ce1n1 Ce2n2。由此可得调速前、后稳态转速的关系为：3 调速效率 若负载转矩不变，则：转速上升时，输出功率T2上升；减小If（）又使Ia增加，输入功率也要增加。故：调励调速前后，效率基本不变。 串励电动机，有两种方法来改变If ，如图所示：1）在励磁绕组的两端并联可变电阻Rjf ；2）在电枢绕组的两端并联可变电阻Rja 。 Rja0时，电枢被短路，If最大。If减小时，n升高；（弱磁升速）If增大时，n降低。（强磁降速）图见下页。4 调励调速实现：他励、并励、复励电动机，由调节串接于励磁绕组回路的可变电阻来改变励磁电流If。曲线1

8、为自然机械特性。曲线2、3为弱磁升速。曲线4、5为强磁降速。 受饱和限制，转速有一最低值。深度饱和后基本不变，从而n亦不再降低。4 续1：串励电动机调励调速 If减小时，n升高；（弱磁升速） If增大时，n降低。（强磁降速） 调励调速优点：1）设备简单；2）能损小；3）调节方便；4）调速范围宽，可达6：1。 调励调速缺点： 调节电阻为零时，转速最低。因此，只能升速（弱磁升速），不能降速。5 调励调速特点5.2.2 调压调速1 调速原理2 调速特点不计饱和时，若调U，机械特性为一组平行直线。计及饱和时，若调U，机械特性为一组平行曲线。UNU1U2，nNn1n2。升压升速。他励与并励相同。下面看串

9、励。 1 调速原理并励电动机：1续1串励调压调U时，G、H不变，串励机的机械特性为一簇双曲线。图见下页。UNU1U2，nNn1n2。降压降速。1续2串励电动机调压调速的图象2 调压调速的特点 调压调速的优点： 1）过程平滑； 2）范围宽广，可达25：1； 3）硬度不变； 4）效率较高。 调压调速的缺点： 不经济。（投资较高。） 5.2.3 调阻调速1 调速原理2 调速特点不计饱和时，若U不变，则截距不变斜率变。R增加时，B增大，交点下移，转速下降。 计及饱和时，截距、斜率都变。图象从略。R2 R 1，n1n2。增阻减速。复励机也适用此法。下面看串励。 1 调速原理他励、并励调阻：1续1串励调阻

10、调R时，H变大，机械特性下移。图见下页。R2 R 1n1n2。增阻降速。1续2 串励电动机调阻调速的图象2 调阻调速的特点调阻调速的优点：1）简单易行。调阻调速的缺点： 1）效率低。调节电阻使铜耗增加。 2）特性软。即机械特性变软。 3）当调节电阻为零时，转速最高。因此，只能降速，不能升速。 4）调节电阻R只能分段调节。因此，调速不平滑。 5）轻载时调速范围小。请见下页图。2 续1：轻载 调速范围窄 重载 调速范围宽5.3 直流电动机的电磁制动5.3.0 制动概述5.3.1 能耗制动5.3.2 反接制动5.3.3 回馈制动5.3.4 电磁制动小结5.3.0 直流电动机制动概述1 制动定义2 制

11、动目的2 电磁制动的方法1 制动定义转矩若是机械转矩，则称之为机械制动；若是电磁转矩，则称之为电磁制动。电磁制动没有机械磨损。 制动定义：在电动机轴上施加与其旋转方向相反转矩称为制动。该相反2 制动目的 由制动定义可知，制动只是转矩与转速相反。 制动包括：停机式制动、运行式制动。 停机式制动的目的（用途）是停机。 运行式制动的目的（用途）是短暂运行：反向运行、限速运行。3 制动用途 制动用途：1）尽快使电机停转；（最常用）2）使电机反转运行；（起重机下放重物）3）防电机速度过快。（电力机车下坡限速）2 电磁制动的方法 电磁制动的方法有三种：1）能耗制动2）反接制动3）回馈制动5.3.1 直流电

12、动机的能耗制动1 能耗制动：原理2 能耗制动：速矩观3 能耗制动：能量观4 能耗制动：伏安观5 能耗制动：特点和用途6 能耗制动：串励机1 能耗制动原理 接线图、机械特性推导1 续1：机械特性的图象： 机械特性：截距为零，过原点的直线。由于n、Te异号，该直线位于二、四（若为势能负载）象限。 斜率随RL的增大而变大。改变RL可调节电枢电流和电磁转矩，得到不同的停转时间。 忽略空载制动转矩T0。下同。2 能耗制动的速矩观：制动方面 由B到0、由0到C（若为势能负载），都是能耗制动。 因为n、Te异号，Te成为制动转矩。3 能耗制动的能量观：能耗方面 从A到B，电流、电磁转矩都变了方向，电机由电动

13、变为发电。从B到0，机组的动能变为电能；从0到C（若为势能负载），负载的势能变为电能。电能大部分都被制动电阻RL消耗。 从B到0，Te为制动转矩，惯性转矩为驱动转矩。从0到C,(若为势能负载)Te为制动转矩，负载转矩为驱动转矩。4 能耗制动的伏安观：发电方面 在转速渐降的过程中，发电机的外特性愈来愈低。发电机的工作点，从而电枢电流、制动转矩，也愈来愈低。 当转速低于n1时，交点太低，以至于失去制动能力。此时，若要快速停机，须采用机械制动。5 能耗制动的特点和用途特点：1）优点：能耗制动操作简便；2）优点：不需要电网提供电能，经济性好。3）缺点：低速时制动转矩很小，停转较慢。为加快停转，可与机械

14、制动闸配合使用。 用途：他励、并励和复励电动机。 6 串励机的能耗制动-前面讨论的是他励、并励、复励。 对于串励电动机，要实行能耗制动，励磁绕组必须适当改接。Q1分闸、Q1下、Q2上 为电动；Q1上、Q2下、 Q1合闸为制动。 6 续1：串励机能耗制动的速矩观 串励电动机的机械特性（即速矩关系）为双曲线。请回忆第4章内容。 右图与他、并励机唯一的不同，就是串励机的机械特性是双曲线，而他、并励机的机械特性是与纵轴有交点的下行线。6 续2：串励机能耗制动的能耗观 与他、并励机相同。 6 续3：串励机能耗制动的伏安观 曲线1、2、3为电机的外特性（即伏安特性），直线4为制动电阻（即负载）RL的伏安特

15、性。当转速低于n1时，因电流太小，失去制动能力，可采用机械制动。 5.3.2 直流电动机的反接制动1 电压反接制动：原理2 电压反接制动：速矩观3 电压反接制动：能量观4 电压反接制动：伏安观5 电压反接制动：特点6 电势反接制动：原理7 电势反接制动：用途8 反接制动的共同特点1 电压反接制动原理 接线图、机械特性推导（他、并励） RL-限制制动电流。1续1：电压反接制动机械特性图象： 机械特性：纵轴截距为-n0，不过原点、在第2象限的直线。 若为非势能负载，该直线将延伸到第3象限。 若为势能负载，该直线将延伸到第3、4象限。2 电压反接制动的速矩观 B到C是减速。C点停转。 若不切电源，非

16、势能负载将从C到D反向加速，稳定于D点。 若不切电源，势能负载将从C到G反向加速，稳定于G点。 从B到C是制动（ nTe异号）, 从C到F是电动（ nTe同号）, 从F到G是制动（ nTe异号）。1）B到C是降速制动。消耗电能-UIa +动能-EaIa。二者均用来降速，故U反接制动比能耗制动降速快。2）C到F是电动。3）F到G是升速制动。消耗电能-UIa +动能-EaIa。二者均变成热能消耗在电阻上。 2、4象限制动时，电机都在用动能发电，发出的电能都被电阻消耗。3 电压反接制动的能量观 能耗制动时，电机表现为纯粹的发电机。 电压反接制动则不同：电机在用机械能发电，同时又在从电网收电（不是电动

17、！）。端压被电网固定。电流Ia则随n降低而减小，因Ia=(-U-Ea)/(Ra+RL),从而转矩亦降低。但由于电网电压作用，就算转速为零，电流仍然够大，制动转矩仍然够大。无须采用机械制动。4 电压反接制动的伏安观5 电压反接制动的特点优点：1）制动转矩大，能很快地使电动机停转。缺点：1）电枢电流大，对电机产生冲击，引起电网电压降低。因此，反接时必须串入足够的限流电阻RL，使电枢电流Ia限制在允许值之内（一般2IN）。 6 电势反接制动的原理电动机在电枢回路串电阻R调速过程中，当R增大到一定程度时，工作点将出现在第四象限，速度为负值，电机反转，电磁转矩为制动性质，如图。此时，电势反向。故称之为电

18、势反接制动。 7 电势反接制动的用途 电势反接制动常用于起重设备低速下放重物的场合。 提升重物时，电机在A点运行。若下放重物，则在电枢回路串入R。初瞬，从A到 B；然后由B到C。此时Te小于负载转矩。电机反转。电势变反。但Ia和Te方向不变。nTe异号，Te变为制动性质。工作点下移到D。改变R，起重设备可以以不同的速度下放重物。 8 反接制动的共同特点 电压反接制动，电势反接制动，无论是哪一种反接制动，制动时电网都要向电机提供电能，而负载向电机提供机械能（电压反接时表现为动能或势能，电势反接时表现为势能），这些能量全部消耗在电枢回路的电阻上。很不经济。 5.3.3 直流电动机的回馈制动1 回馈

19、制动：原理2 回馈制动：实例3 回馈制动：机械特性4 回馈制动：速矩观5 回馈制动：能量观6 回馈制动：伏安观7 回馈制动：特点1 回馈制动原理 设磁通不变。想象一下，有没有可能存在外力使电机转速n增加，从而电势Ea增加，并超过电压U呢？ 如果有，那么电枢电流Ia将反向，电磁转矩Te也将反向，电机进入制动状态。 这种制动下，电流逆着电源电压U而行，相当于给电源充电。故称之为回馈制动。2 回馈制动实例他、并励电力机车下坡时，重力将使机车加速至EaU。电机进入发电状态。此时电磁转矩起制动作用，限制转速继续上升。机车位能变为电能而回馈电网。经济性很好。串励电力机车回馈制动时，要改为并励或他励，以保证励磁不变。 Q1分闸、Q1下、Q2上 为电动；Q1上、Q2下、 Q1合闸为制动。 3 回馈制动的机械特性4 回馈制动的速矩观 A到B是增速。 从A到纵轴是电动（ nTe同号）； 从纵轴到B是制动（ nTe异号）。 5 回馈制动的能量观 从A到纵轴是电动：电能变成机械能； 从纵轴到B是制动，发电式制动：失去的位能变成电能，回馈电网。很经济。 6 回馈制动的伏安观 从A到B：电源电压不变，电势超过电源电压，电枢电流反向。7