第六章直流电机及拖动

普通电工学欢迎学习授课教师：王晓宇炉峪口煤矿机电部1第六章直流电动机及其拖动

直流电机是利用电磁感应原理实现直流电能和机械能相互转换的电磁装置，将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，反之则称为直流发电机。直流电动机具有调速范围广且平滑，起动、制动转矩大，过载能力强，易于控制的优点，常用于对调速要求较高的场合。2直流电机的用途：作电源用:直流发电机，将机械能转化为直流电能；作动力用:直流电动机，将直流电能转化为机械能；信号传递:直流测速发电机，将机械信号转换为电信号；直流伺服电动机，将控制信号转换为机械信号；作励磁机用:一般小于10万KW的单机同步发电机要用直流发电机作为励磁机。

3直流发电机电势波形较好，对电磁干扰影响小。直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。存在换向器，制造复杂，价格较高。直流电机的优缺点4第六章直流电动机及其拖动第一节直流电动机的工作原理及结构一、直流电机的工作原理（一）直流电动机的工作原理载流导体在磁场中受到的力B

—磁场的磁感应强度(Wb/m2)i

—导体中的电流(A)l

—导体的有效长度(m)5当线圈ax中通入直流电流时，线圈边a和x上均受到电磁力，根据左手定则确定力的方向。这一对电磁力形成了作用于电枢的电磁转矩。6安装换向器以后，将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，使得线圈边只要处在N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向；而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。就使电动机能够连续地旋转。7（二）直流发电机的工作原理用原动机拖动电枢逆时针方向恒速转动，线圈边ab和cd就分别切割不同极性磁极下的磁场，线圈中产生了交变的电动势。由于换向器配合电刷对电流的换向作用，在电刷A、B端的电动势却是直流电动势。8

一台直流电机:作为电动机运行——在直流电机的两电刷端上加上直流电压，电枢旋转，拖动生产机械旋转，输出机械能；作为发动机运行——用原动机拖动直流电机的电枢，电刷端引出直流电动势，作为直流电源，输出电能。9（三）结论（1）直流电机线圈内电流是交变的，原理为：电动机，左手定则，皮萨定律，发电机，右手定则，电磁感应定律,（2）换向器作用是变流：电动机，外输入直流——内变交流发电机，内是交流——外输出直流（3）直流电机可作发电机——输入机械能输出电能，也可作电动机——输入电能输出机械能。(可逆原理)10二、直流电机的结构直流电机的主要结构主磁极换向磁极电刷装置机座端盖定子转子电枢铁心电枢绕组换向器转轴轴承11二、直流电机的结构直流电机剖面图1—换向器2—电刷装置3—机座4—主磁极5—换向极6—端盖7—风扇8—电枢绕组9—电枢铁心1213直流电机结构简图电刷电枢绕组主磁极换向器14（一）直流电机的静止部分1、主磁极1—主磁极铁心2—励磁绕组3—机座15（一）直流电机的静止部分2、换向极1—换向极铁心2—换向极绕组3、机座用来固定主磁极、换向极和端盖；另外，又作为磁路的一部分。

164、电刷装置1—刷握2—电刷3—压紧弹簧4—铜丝辫（一）直流电机的静止部分17（二）直流电机的转动部分1、电枢铁心a)—电枢铁心冲片b)—电枢铁心182、电枢绕组1—槽楔2—线圈绝缘3—导体4—层间绝缘5—槽绝缘6—槽底绝缘电枢槽内的绝缘由许多按一定规律连接的线圈组成。（二）直流电机的转动部分193、换向器由许多换向片组成，换向片之间用云母绝缘。1—换向片2—连接片（二）直流电机的转动部分20三、直流电动机的铭牌直流电机的额定值：1、额定功率PN(kW)2、额定电压UN(V)3、额定电流IN(A)4、额定转速nN(r/min)5、额定励磁电压UfN(V)6、励磁方式2122额定条件下电机所能提供的功率指电刷间输出的额定电功率发电机指轴上输出的机械功率电动机发电机：指输出额定电压；电动机：指输入额定电压。在额定工况下，电机出线端的平均电压在额定电压下，运行于额定功率时对应的电流23在额定电压、额定电流下，运行于额定功率时对应的转速对应于额定电压、额定电流、额定转速及额定功率时的励磁电流指直流电机的励磁线圈与电枢线圈的连接方式励磁方式24四、直流电机的励磁方式及磁场一、直流电机的励磁方式1、他励直流电机——由其它直流电源对励磁绕组供电。2、并励直流电机——励磁绕组与电枢绕组并联。3、串励直流电机——励磁绕组与电枢绕组串联。4、复励直流电机——两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联。25二、直流电机的空载磁场直流电机的空载磁场是指电枢电流等于零或者很小时，由励磁磁动势单独建立的磁场。四极直流电机空载磁场直流电机中，主磁通是主要的，它能在电枢绕组中感应电动势或产生电磁转矩，而漏磁通没有这个作用，它只是增加主磁极磁路的饱和程度。在数量上，漏磁通比主磁通小得多。26气隙中主磁场磁通密度分布

空载时，励磁磁动势主要消耗在气隙上。如果不计铁磁材料中的磁压降，则在气隙中各处所消耗的磁动势均为励磁磁动势。在极靴下，气隙小，气隙中沿电枢表面上各点磁密较大；在极靴范围外，气隙增加很多，磁密显著减小，至两极间的几何中性线处磁密为零。27电机磁化曲线直流电机的空载磁化特性

主磁通与励磁磁动势或励磁电流的关系，称为电机磁化曲线，如右图所示。电机的磁化曲线和铁磁材料B－H曲线很相似。考虑到电机的运行性能和经济性，直流电机额定运行磁通额定值的大小取在磁化曲线开始弯曲的地方,图中的a点。a28第二节直流电动机的电力拖动

本节主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法和物理过程。6.2.1电力拖动系统的运动方程式：电力拖动系统运动方程式描述了系统的运动状态，系统的运动状态取决于作用在原动机转轴上的各种转矩。根据如图给出的系统（忽略空载转矩），可写出拖动系统的运动方程式：其中为系统的惯性转矩。一、运动方程式29运动方程的实用形式：系统旋转运动的三种状态1)当或时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处于稳态。2)当或时,系统处于加速运行状态，即处于动态。3)当或时,系统处于减速运行状态，即处于动态。30首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向，然后规定：二、运动方程式中转矩正、负号的规定（1）电磁转矩与转速的正方向相同时为正，相反时为负。（2）负载转矩与转速的正方向相同时为负，相反时为正。（3）惯性转矩的大小和正负号由和的代数和决定。316.2.2负载的转矩特性一、恒转矩负载特性负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩与转速无关的特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。1.反抗性恒转矩负载TLn2.位能性恒转矩负载TLn32二、恒功率负载特性恒功率负载特点是：负载转矩与转速的乘积为一常数，即与成反比，特性曲线为一条双曲线。TLn三、泵与风机类负载特性负载的转矩基本上与转速的平方成正比。负载特性为一条抛物线。TLn12TL0336.2.3他励直流电动机的机械特性一、机械特性的表达式直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速与电磁转矩之间的关系：由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：称为理想空载转速。实际空载转速34二、固有机械特性和人为机械特性（一）固有机械特性当时的机械特性称为固有机械特性：由于电枢电阻很小，特性曲线斜率很小，所以固有机械特性是硬特性。当T=TN时，n=nN，此点为电动机额定工作点，转速差Δn=n0-nN，为额定转速差。当n=0时，即电动机起动时，电磁转矩Tem=Ts，称为起动转矩。351、电枢串电阻时的人为机械特性

保持不变,只在电枢回路中串入电阻的人为特性特点：1）不变，变大；2）越大，特性越软。（二）人为机械特性当改变或或得到的机械特性称为人为机械特性。故电枢串电阻的人为机械特性是通过理想空载点的一簇放射性直线。362、降低电枢电压时的人为机械特性

保持不变，只改变电枢电压时的人为特性：特点：1)

随变化,不变;2)不同,曲线是一组平行线。

因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线是一组平行于固有机械特性的直线。373、减弱励磁磁通时的人为特性

保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：特点：1）弱磁，

增大；2）弱磁，增大注：他励直流电动机起动和运行过程中，绝不允许励磁回路断开。386.2.4他励直流电动机的起动电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程。起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电阻或降低电枢电压起动。起动时由于转速，电枢电动势，而且电枢电阻很小，所以起动电流将达很大值。过大的起动电流将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动机不允许直接起动。39（一）起动过程一、电枢回路串电阻起动三级电阻起动时电动机的电路原理图和机械特性为40（二）分组起动电阻的计算

设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点c点d点e点f点g点比较以上各式得：

在已知起动电流比β和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:41（6）计算各级起动电阻。（1）估算或查出电枢电阻；（2）根据过载倍数选取最大转矩对应的最大电流；（3）选取起动级数；（4）计算起动电流比：取整数（5）计算转矩:，校验：如果不满足，应另选或值并重新计算，直到满足该条件为止。计算各级起动电阻的步骤：42降压起动当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。436.2.5他励直流电动机的制动一、概述1、制动的目的：1）使电动机减速或停车。2）限制电动机转速的升高。（如电车下坡）2、制动的方式：1）机械（抱闸）制动：利用电磁或电磁液压驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（得电松闸、失电抱闸）442）电磁制动：当电磁转矩Tem

与n的方向相同时，电磁转矩为驱动转矩，电机运行于电动状态，当Tem

与n方向相反时，电磁转矩为制动转矩，电机运行于电磁制动状态（本质）。能耗制动反接制动回馈（再生）制动注：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比较低的速度（接近零速），然后再机械抱闸制动，这样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。45能耗制动在电动状态（开关S打到电源上），电枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电磁转矩如图实线箭头所示。制动时将开关S打到制动电阻RB上，由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势Ea方向不变。由Ea产生的电枢电流IaB的方向与电动状态时Ia的方向相反,对应的电磁转矩TemB与Tem方向相反,为制动性质,电机处于能耗制动状态。电动制动P1=UIa=0P2=T2Ω=TemΩ<0（忽略空载转矩）能耗制动运行时，电动机靠将生产机械的机械能转换成电能，消耗在制动电阻上。46能耗制动时的机械特性方程为：电动机状态工作点制动瞬间工作点制动过程工作段电动机拖动反抗性负载，电机停转。若电动机带位能性负载,稳定工作点47

但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是能耗制动操作简单,制动平稳,随着电机转速的减小,制动转矩也不断减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。

改变制动电阻的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率,从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。越小,特性曲线的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。即其中为制动瞬间的电枢电动势。C’B’48反接制动电压反接制动时接线如图所示。1、电源反接制动电动制动开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。反接制动时，将开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻RB

后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：反向的电枢电流产生反向的电磁转矩，从而产生很强的制动作用——电源反接制动。49机械特性方程为：曲线如图中所示。工作点变化为：。制动过程中,、、均为负，而、为正。,表明电机从电源吸收电功率；,表明电机从轴上吸收机械功率;可见,反接制动时,从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起消耗在电枢回路制动电阻上。DE502、倒拉反转反接制动倒拉反转反接制动适用于低速下放重物。电枢回路串入较大电阻后特性曲线正向电动状态提升重物(A点)负载作用下电机反向旋转(下放重物)电机以稳定的转速下放重物D点制动时在电路串入一个大电阻。nT+-+-Ea+nT--Ea+51倒拉反转反接制动时的机械特性方程就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性方程。由于串入电阻很大，有倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串电阻时的人为特性在第四象限的部分（CD段）。倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。可以通过改变串入电阻值的大小来得到不同的下放速度。52回馈制动回馈制动时的机械特性方程与电动状态时相同。电动状态下运行的电动机，在某种条件下会出现n

>n0情况，此时Ea

>U，Ia反向，Tem

反向，由驱动变为制动。从能量方向看，电机处于发电状态——回馈制动状态（

P1=UIa<0、P2=TemΩ<0

）。稳定运行有两种情况:1）正向回馈2）反向回馈当电车下坡时，运行转速可能超过理想空载转速,进入第二象限电压反接制动带位能性负载进入第四象限53发生在调速过程中的回馈制动过程有以下两种情况1、降压调速时产生的回馈制动制动过程为段。2、增磁调速时产生的回馈制动制动过程为段。回馈制动时由于有功功率回馈到电网，因此与能耗和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。54一、调速指标：影响调速范围的因素:1）最高转速受电动机机械强度和换向等方面的制；2）最小转速受相对稳定性限制。

6.2.6他励直流电动机的调速1、调速范围:55

δ%越小，相对稳定性越好；δ%与机械特性硬度和n0有关。

2ΔnN2nmin1nTΔnN1n0nNTN2、调速的稳定性（相对稳定性）：指负载变化时，转速变化的程度，转速变化小，稳定性好。n0’ΔnN331）静差率：

看出低速机械特性的静差率大，稳定性差。一般以系统的最低转速时的静差率为准。2）D与δ%的关系：D与δ%相互制约:δ越小,D越小,相对稳定性越好;在保证一定的δ指标的前提下,要扩大D,须减少Δn,即提高机械特性的硬度。56

3、调速的平滑性

越接近1，平滑性越好，当时，称为无级调速，即转速可以连续调节。调速不连续时，级数有限，称为有级调速。4、调速的经济性

在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。相邻两级转速之比，为平滑系数：主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用以及调速过程中的电能损耗等。

57二、机械调速：改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速；改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速。三、电气调速：

改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，使工作点发生变化，转速发生变化。调速前后，电动机工作在不同的机械特性上，如果机械特性不变，因负载变化而引起转速的变化，则不能称为调速。电气调速方法：调压调速；电枢串电阻调速；调磁调速。调速方法：58四、调速方法1、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1未串电阻时的工作点串电阻Rs1后,工作点由A→A’→BB’CRa+Rs1+Rs21）原理：在电枢中串入电阻，n0不变，即电机的特性曲线变陡，使n、在相同力矩下，n。592）电枢电流和转速在调速过程中的变化曲线调速过程电流变化曲线调速前、后电流不变调速过程转速变化曲线tt=0n1nNIaNianian结论：带恒转矩负载时,串电阻越大,转速越低。603）特点：（1）串电阻后，转速只能降低。（3）串入电阻后机械特性变软，静差率变大,所以转速的相对稳定性差；（4）轻载时调速范围小，额定负载时调速范围为D=1-3受到限制。）（5）电阻上的功率损耗较大，效率低，不经济。（6）调速方法简单，设备投资少。（2）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；4）适应场合：这种调速方法适用于调速性能要求不高的中小型电机。612、降低电源电压调速TemTLAA’B调速压前工作点A降压瞬间工作点稳定后工作点

降压调速过程与电枢串电阻调速过程相似，调速过程中转速和电枢电流（或转矩）随时间变化的曲线也相似。1）原理:由机械特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。62（2）电源电压能平滑调节，调速平滑性好，可实现无级调速。（3）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，静差率小，调速稳定性好。（4）无论轻载还是满载，调速范围相同，可达D=2.5〜12，较广。

（5）降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，低速时，电能损耗较小，故调速经济性好。（6）调压电源设备较复杂。

2）特点：（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，而nU，所以调速只能向下调。633）适用场合：这种调速方法适用于对调速性能要求较高的设备，如造纸机、轧钢机等。643、减弱磁通调速A’B调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点A→A‘弱磁稳定后的工作点1）原理：TemTLA65２）减弱磁通调速在调速过程中的变化曲线减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0n注意：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。66３）特点：优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，能量损耗小;控制方便，设备简单;调速平滑性好,可以无级调速．

为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下采用降压调速。缺点：机械特性的斜率变大，特性变软；受换向条件和机械强度的限制，转速调高的幅度不大。一般D≤2．３）适应场合：弱磁调速只能在高于额定转速的范围内调节。67五、调速方式与负载类型的配合容许输出：指电动机在某一转速下长期可靠工作时所能输出的最大转矩和功率。充分利用：指在一定的转速下电动机的实际输出转矩和功率达到它的容许值，即电枢电流达到额定值