cha21直流电动机课件

第二十一章直流电动机主要内容直流电动机的运行特性直流电动机的起动直流电动机的调速直流电动机的制动直流电动机是直流发电机的一种逆运行状态，将电能变为机械能。由于表征机械能的参数为转距和转速，所以直流电动机稳定运行特性最重要的是机械特性和工作特性。因直流电动机运行性能因励磁方式不同而有很大差异。下面介绍并励、串励和复励直流电动机的运行特性。第一节直流电动机的运行特性一、并励直流电动机的运行特性（一）并励直流电动机的工作特性直流电动机工作特性是指在U=UN，If=IfN，电枢回路不外串电阻的条件下，转速n、转矩T、效率与输出功率P2之间的关系曲线。实际运行中，电枢电流Ia是随P2增大而增大，又便于测量，故也可把转速n、转矩T、效率与电枢电流Ia之间的关系曲线称为工作特性。工作特性可以利用实验获得，试验接线如图21-1，工作特性曲线如图21-2。图21-1并励电动机试验接线图图21-2并励电动机的工作特性1.转速特性转速特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻RΩ=0时，n=ƒ(Ia)关系。根据电势方程式Ea=CeΦ·n和电压方程式可得可知影响电动机转速的两个因素：电枢回路的电阻压降；电枢反应的去磁作用。随着电枢电流的增加，电枢回路的电阻压降使转速下降，而电枢反应的去磁作用会使n趋于上升。为保证电机稳定运行，在电机结构上采取一些措施，使并励电动机具有略微下降的转速特性。采用转速调整率衡量转速下降的程度，转速调整率为并励电动机负载变化时，转速变化很小，他励（或并励）电动机在运行时，励磁绕组绝对不能断开。若励磁绕组断开，If=0，电枢电流迅速增大，若负载较小，则会造成“飞车”事故。2.转矩特性转矩特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻Rpa=0时，T=ƒ(Ia)关系。转矩特性曲线如图21-2。

根据转矩公式忽略电枢反应，转矩特性是一条过原点的直线。计饱和时，Ia较大时，电枢反应的去磁作用，使曲线偏离直线。3.效率特性效率特性是指当U=UN，If=IfN，电枢回路外串电阻Rpa=0时，=ƒ(Ia)关系。式中p不变与负载电流变化无关，为直流电机的不变损耗，p可变随负载电流平方倍变化为直流电机的可变损耗，各种电机的效率曲线具有相同的形状。因为效率的定义相同，损耗的性质也相同，当负载电流从零逐渐增大时，效率也随之增大，当负载电流增大到一定程度，效率达最大，之后随负载电流的继续增大，效率反而减小。如果不变损耗等于可变损耗时，效率最高，效率特性的这个特点，对其它电机、变压器也适用，具有普遍意义。一般直流电机的额定效率等于75％85％。(二）并励直流电动机的机械特性并励电动机带动负载运行，归根结底就是向负载发出一定的转距，并使之得到一定的转速。T和n是生产机械对电动机提出的两项要求。在电机内部T和n不是相互独立的，它们之间存在着确定的关系，这种关系称为机械特性。其中R=Ra+Rpa，Ra+为电枢电阻，Rpa为电枢回路外串电阻，所以

由于如不计磁饱和效应（忽略电枢反应影响），则磁通为常数，当外串电阻Rpa为零时，并励电动机机械特性为一稍微下降的直线，如图21-3，成为故有机械特性。若外串电阻不为零，称为串电阻人为机械特性，同理还有弱磁人为机械特性和降压人为机械特性。图21-3并励直流电动机的机械特性机械特性具有特点：称为理想空载转速；时，特性为一斜率为的稍微向下倾斜的直线，这种特性称为硬特性；电枢反应的影响如考虑磁饱和，交轴电枢反应呈去磁作用，可见，由于磁通减小，转速上升，机械特性的下降减小，或水平，或上翘。为避免上翘，采取一些措施，可加串励绕组，其磁势抵消电枢反应的去磁作用。二、串励电动机的运行特性串励直流电动机广泛应用于交通运输中，串励电动机的特点是气隙主磁通随电枢电流的变化而变化，其接线图21-4所示。图21-4串励直流电动机接线（一）串励电动机的工作特性（1）转速特性串励直流电动机的转速特性指电枢回路外串电阻Rpa为0，由则串励的转速特性与并励截然不同，它随负载增加迅速降低，变化很大，如图21-5。图21-5串励直流电动机的工作特性当负载很小时，所以转速达到危险的高速，称“飞车”现象，因此串励电动机不允许在空载或负载很小的情况下运行。转速特性与纵轴无交点。其转速调整率定义为：为输出功率等于PN时的转速。当负载较大，则T较大，这时磁路饱和，主磁通基本上为一常数，即Φ=k，得可见，转速n随电磁转矩T增大而下降，是条略微向下倾斜的直线。（2)转矩特性串励直流电动机的转矩特性指电枢回路外串电阻为0，因为当磁路不饱和时，当磁路饱和时，一般T按大于一次方的比例增加，如图21-5。它对起动和过载能力有重要意义，在同样大小的起动电流下能得到比并励电动机更大的起动转距，所以常用于用于电气牵引。（二）串励电动机的机械特性串励直流电动机的转矩特性指电枢回路外串电阻为0，因为所以n反比于T，转速随转矩的增加迅速下降，如图21-6，这种特性称为软特性。图21-6串励电动机的机械特性图21-7复励直流电动机机械特性三、复励电动机的运行特性复励电动机通常接成积复励，即有并励绕组，又有串励绕组，故其特性介于并励与串励之间。若励磁绕组以并励为主，则其特性接近于并励电动机。但由于有串励磁势的存在，补偿电枢反应的去磁作用，不致使转速特性上翘。若励磁绕组中串励磁动势起主要作用，则特性接近于串励电动机，由于有并励磁势存在，不会使电动机空载时出现“飞车”现象。当负载增大时，电枢电流增大，总磁通随之增大，使转速比并励下降更多，如图21-7所示。第二节直流电动机的起动电动机接到规定电源后，转速从零上升到稳态转速的过程称为起动过程。这里分析稳态起动，即n=0，Ea=0的瞬间，起动电流将很大。起动问题是评价电动机性能的重要方面之一，这是一个动态过程。但这里只介绍稳态情况，即在电动机接入电源瞬间，转子待转而未转动这一瞬间的状态。系统要求起动电流要小，起动转矩要大的原因是要保证电源供电质量和起动时间要短。直流电动机起动的基本要求是：（1）起动转矩要大；（2）起动电流要小，限制在安全范围之内；（3）起动设备简单、经济、可靠。直流电机在起动时，Ia可突增至额定电流的十多倍，故此必须加以限制，在保证产生足够的起动转矩下（尽量减小起动电流，一般直流电动机瞬时过载电流不得超过（1.5~2）IN。直流电动机的起动方法有：直接起动，电枢回路串电阻起动和降压起动，下面以并励直流电动机为例分别说明。一、直接起动（即全压起动）操作方法简便，不需任何起动设备，只需两个开关（励磁开关K1和电枢开关K2）如图21-6。

起动时，先合上K1，给电机加励磁并调励磁电阻Rpf，使If最大，确定磁场已建立后，合上K2，在电枢绕组上直接加额定电压。起动时冲击电流很大，可达（1020）IN，从而冲击电源电压，影响同一电源的其他设备正常运行。还对电机本身造成换向困难引起较大火花。故全压起动仅用于微小型电动机的起动。图21-6直接起动接线图二、电枢回路串变阻器起动为限制起动电流，在起动时将起动电阻串入电枢回路，待转速上升后，再逐级将起动电阻切除，如图21-7图21-7电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动的工作原理是：对应于起动电流Is1的起动转矩为Ts1，因Ts1＞TL，电动机开始起动。起动过程的机械特性如图21-7（b）所示，工作点由起动点Q沿电枢总电阻为Rs1的人为特性上升，电枢电动势随之增大，电枢电流和电磁转矩则随之减小。当转速升至n1时，起动电流和起动转矩下降至Is2和Ts2(图217（b）中A点)，为了保持起动过程中电流和转矩有较大的值，以加速起动过程。此时闭合KM1，切除r1。此时的电流Is2称为切换电流。当r1被断掉后，电枢回路总电阻变为Rs2=Ra+r2+r3。由于机械惯性，转速和电枢电动势不能突变，电枢电阻减小将使电枢电流和电磁转矩增大，电动机的机械特性由图21-6（b）中曲线1上的A点平移到曲线2上的B点。再依此切除起动电阻r2、r3，电动机的工作点就从B点到D点，最后稳定运行在自然机械特性的G点，电动机的起动过程结束。只要RSt选择适当，能将起动电流限制在允许范围内，随n的上升可切除一段电阻。采用分段切除电阻，可使电机在起动过程中获较大加速，且加速均匀，缓和有害冲击。电枢回路串变阻器起动优点：起动设备简单，操作方便。缺点：电能损耗大，设备笨重。串入变阻器时的起动电流为三、降压起动当他励直流电动机的电枢回路由专用的可调压直流电源供电时，可以采用降压起动的方法。起动电流将随电枢电压降低的程度成正比地减小。起动前先调好励磁，然后把电源电压由低向高调节，最低电压所对应的人为特性上的起动转矩Ts1>TL时，电动机就开始起动。起动后，随着转速上升，可相应提高电压，以获得需要的加速转矩，起动过程的机械特性如图21-8所示。图21-8降压起动过程的机械特性开始起动时将低电压，则并使Ia限制在一定范围内。采用降压起动时，需专用调压电源，直流发电机，或可控硅整流电源。用发电机，调节励磁达到调压；用可控硅整流电源，用触发号控制输出电压。优点：没有起动电阻，起动过程平滑，起动过程中能量损耗少。缺点：专用降压设备，成本较高。值得注意的是，并励（或他励）电动机起动时，为了限制起动电流，电枢回路的外串电阻Rst应置于最大阻值位置；为了增大起动转矩，励磁回路的外串电阻Rf应置于最小阻值位置。对串励直流电动机，不允许空载（或轻载）起动，否则起动后将造成"飞车"事故。第三节直流电动机的调速许多生产机械需要调节转速，直流电动机具有在宽广的范围内平滑而经济的调速的性能。因此在调速要求较高的生产机械上得到广泛应用。调速及其指标调速范围（D）是指电动机拖动额定负载时，所能达到的最大转速与最小转速之比。静差率（又称相对稳定性）（δ）是指负载转矩变化时，电动机的转速随之变化的程度。调速的平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多越平滑，相邻两级转速之比称为平滑系数（）。值越接近1则平滑性越好。调速的经济性是指调速所需设备投资和调速过程中的能量损耗。调速时电动机的容许输出是指在电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的最大功率和转矩。调速是人为的改变电气参数，从而改变机械特性，使得在某一负载下得到不同的转速，从直流电动机的转速公式可知，在某一负载下（Ia不变），其中Ｕ、Ra、中均可调节，所以可有三种调速方法：电枢串电阻调速；降低电枢电压调速；减弱磁通调速。一、电枢串电阻调速由串阻的机械特性如图21-9可知，所串电阻越大，斜率越大，转速越低。电枢串电阻调速优点：设备简单，操作方便。缺点：属有级调速，轻载几乎没有调节作用，低速时电能损耗大，接入电阻后特性变软，负载变化时转速变化大（即动态精度差）只能下调。此种调速方法一般用于调速性能要求不高的设备上，如电车，吊车，起重机等。图21-9直流电动机串电阻的机械特性（Rj为外串电阻）二、调节电枢电压调速应用此方法，电枢回路应用直流电源单独供电，励磁绕组用另一电源他励。目前用得最多的可调直流电源是可控硅整流装置（SCR），对容量数千千瓦以上的采用交流电动机直流发电机机组。在很广的范围内平滑调速，且电动机的机械特性硬度保持不变。可用于串励电动机调速。在电力牵引机车中，常把两台串励电动机从并联运行改为串联运行，使每台电动机的端电压从全压降为半压。调节电枢电压调速的缺点：调压电源设备复杂，一般下调转速。优点：硬度一样，可平滑调速，且电能损耗不大。从以上两种方法属电枢控制。励磁恒定时，改变电压达到调速的目的。三、弱磁调速改变的调速，增大可能性不大，因电机磁路设计在饱和段。所以只有减弱磁通。可在励磁回路中串阻实现。由设负载转距不变，则。

又因U不变，所以则减少磁通可使转速上升。弱磁调速缺点：调速范围小，只能上调，磁通越弱，越大，使换向变坏。优点：设备简单，控制方便。调速平滑，效率几乎不变，调节电阻上功率损耗不大。以上方法适用于他励和并励电动机，也适用于复励电动机。第四节直流电动机的制动一台生产机械工作完毕就需要停车，因此需要对电机进行制动。最简单的停车方法是断开电源，靠摩擦损耗转矩消耗掉电能，使之逐渐停下来，这叫做自由停车法。自由停车一般较慢，特别是空载自由停车，更需较长的时间，如希望快速停车，可使用电磁制动器，俗称“抱闸”。也可使用电气制动方法，分三种，