电机与电气控制技术 课件 （冯凯） 项目5 直流电动机控制电路安装与调试

项目五直流电动机控制电路安装与调试目录任务一

直流电动机的认识与拆装任务二

直流电动机的机械特性任务三

直流电动机控制电路的安装与调试任务一直流电动机的认识与拆装任务描述

在电机发展历史上，直流电动机发明较早，它的电源是电池，后来才出现了交流电动机。当发明了三相交流电以后，交流电动机得到了迅速发展，但是直流电动机具有调速性能好，过载能力高、起动转矩大和易于控制等特点，在工业领域里仍然有使用。目录直流电动机的用途和分类直流电动机的结构直流电动机的原理直流电动机的铭牌直流电动机的用途由于直流电动机具有良好的起动和调速性能，常应用于对起动和调速有较高要求的场合，如大型可逆式轧钢机、矿井卷扬机、宾馆高速电梯、龙门刨床、电力机车、内燃机车、城市电车、地铁列车、电动自行车、造纸和印刷机械、船舶机械、大型机密机床和大型起重机等。

（a）地铁列车（b）龙门刨床

矿井卷扬机

造纸机

地铁列车

龙门刨床1.他励方式

直流电动机的分类-他励方式他励方式中，电枢绕组和励磁绕组电路相互独立，分别由两个不同的电源供电，电枢电压与励磁电压彼此无关，接线图如下图所示。他励直流电动机具有较硬的机械特性，励磁电流与转子电流无关，不受转子回路的影响。这种励磁方式的直流电动机一般用于大型和精密直流电动机控制系统中。

励磁方式是指励磁绕组中励磁电流获得的方式。直流电机按照励磁方式的不同可以分为他励、并励、串励和复励4种，其中复励又分为短复励和长复励。直流电机采用不同的励磁方式时，电机的运行性能差别很大。1.并励方式

直流电动机的分类-自励方式并励方式中，电枢绕组和励磁绕组由同一个电源供电，接线图如下图所示。并励直流电动机的特性与他励直流电动机的特性基本相同，但比他励直流电动机节省了一个电源。中、小型直流电动机多为并励。自励方式又分为并励方式、串励方式和复励方式。

2.串励方式

直流电动机的分类-自励方式串励方式中，电枢绕组和励磁绕组串联，接线图如下图所示。串励直流电动机具有很大的启动转矩，常用于启动转矩要求很大且转速有较大变化的负载，如电瓶车、起货机、起锚机、电车、电传动机车等。但其机械特性很软，空载时有极高的转速，因此禁止其空载或轻载运行。3.复励方式

直流电动机的分类-复励方式复励电动机的励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联，是主要部分；另一部分与电枢绕组串联，接线图如下图所示。当两部分励磁绕组产生的磁通方向相同时，称为积复励，反之称为差复励。直流电动机若按结构形式分类，还可分为开启式、防护式、封闭式和防爆式；按功率大小分类，可分为小型、中型和大型。

直流电动机的外观图直流电动机的结构直流电动机结构根据用途、环境等不同，种类多种多样，下面通过一个普通小型直流电动机的例子做简要分析，其装配结构如下图所示。

小型直流电机的装配结构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-电枢铁芯直流电动机的结构直流电机的结构是多种多样的，这里我们不能详细介绍，主要介绍一下它的主要结构。直流电动机主要由定子部分、转子部分、气隙、电刷装置和风扇等零部件组成。图1所示是一台常用的小型直流电机纵剖面示意图，图2所示是一台两极直流电机横剖面示意图。

小型直流电机纵剖面示意图两级直流电机横剖面示意图

直流电动机的结构--定子部分

直流电动机的定子主要用于安放磁极和电刷，并作为机械支撑，它包括机座、主磁极、换向磁极、电刷装置和端盖等。1.主磁极直流电机主磁极的结构如图所示。主磁极用来产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定波形沿空间分布。主磁极包括主磁极铁芯和励磁绕组。主磁极铁芯由1～1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。励磁绕组用圆形或矩形纯铜绝缘电磁线制成，各磁极的励磁绕组串联连接成一路，以保证各主磁极励磁绕组的电流相等。

主磁极的结构1-主磁极铁芯；2-励磁绕组；3-机座2.换向极

直流电动机的结构--定子部分换向极也称为附加极，用于改善直流电机的换向性能。换向极由换向极铁芯和换向极绕组组成。其铁芯一般也用1～1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。换向极绕组必须和电枢绕组相串联，由于要通过的电枢电流较大，通常采用较粗的矩形截面导体绕制而成。换向极安装在两相邻主磁极之间，其数目一般与主磁极数目相等。微型直流电动机一般不装换向极；大多数电动机容量超过1KW的小型或中、大型直流电动机装设换向极。3.机座

直流电动机的结构--定子部分直流电机的机座用来固定主磁极、换向极和端盖等，并借助底脚将电机固定在基础上。同时，直流电机的机座是磁极间的磁通路径（称为磁轭），用导磁性好、机械强度较高的铸钢或厚钢板制成，不能采用铸铁。把套有励磁绕组的主磁极用螺栓安装在机座内侧，有换向极的电机把换向极安装在两个主磁极之间。4.电刷装置

直流电动机的结构--定子部分电刷装置由电刷、刷握、压紧弹簧和刷辫等组成，如图所示。电刷放在刷握上的刷盒内，用弹簧将电刷压紧与换向器表面紧密接触，保证电枢转动时电刷与换向器表面有良好的接触。电刷装置与换向器配合和静止的外电路连通。1-刷握；2-电刷；3-压紧弹簧；4-刷辫5.端盖

直流电动机的结构--定子部分电动机中的端盖主要起支撑作用。端盖固定于机座上，其上放置轴承支撑直流电动机的转轴，使直流电动机能够旋转。电刷与端盖的连接安装

直流电动机的结构--转子部分

直流电动机的定子主要用于安放磁极和电刷，并作为机械支撑，它包括机座、主磁极、换向磁极、电刷装置和端盖等。1.主磁极直流电机主磁极的结构如图所示。主磁极用来产生气隙磁场，并使电枢表面的气隙磁通密度按一定波形沿空间分布。主磁极包括主磁极铁芯和励磁绕组。主磁极铁芯由1～1.5mm厚的低碳钢薄板冲片叠压而成。励磁绕组用圆形或矩形纯铜绝缘电磁线制成，各磁极的励磁绕组串联连接成一路，以保证各主磁极励磁绕组的电流相等。

主磁极的结构1-主磁极铁芯；2-励磁绕组；3-机座

直流电动机的结构--定子部分直流电动机的转子是电动机的转动部分，又称为电枢，由电枢铁芯、电枢绕组、换向器、电动机转轴和轴承等部分组成。

1.电枢铁芯电枢铁芯主要用来嵌放电枢绕组和作为直流电动机磁路的一部分。铁芯表面有均匀分布的齿和槽，槽中嵌放电枢绕组。由于转子在定子主磁极产生的恒定磁场内旋转，因此，电枢铁芯内的磁通是交变的，为减少涡流和磁滞损耗，通常用两面涂绝缘漆的0.5mm硅钢片叠压而成，冲片上有均匀分布的嵌放电枢绕组的槽和轴向通风孔。电枢冲片形状2.电枢绕组

直流电动机的结构--转子部分电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量转换的关键部件。容量较小的直流电机的电枢绕组用圆形电磁线绕制而成，而大多数直流电机的电枢绕组均用矩形绝缘导线绕制成定形线圈，然后嵌入电枢铁芯的槽中。2.电枢绕组

直流电动机的结构--转子部分在电动机中每一个线圈称为一个元件，多个元件有规律地连接起来形成电枢绕组。绕制好的绕组或成型绕组放置在电枢铁芯上的槽内，放置在铁芯槽内的直线部分在电动机运转时将产生感应电动势，称为元件的有效部分；在电枢槽两端把有效部分连接起来的部分称为端接部分，端接部分仅起连接作用，在电动机运行过程中不产生感应电动势。为便于嵌线，每个元件的一个元件边放在转子铁芯的某一个槽的上层（称为上层边），另一个元件边则放在转子铁芯的另一个槽的下层（称为下层边），如图所示。绘图时为了清楚，将上层边用实线表示，下层边用虚线表示。绕组元件边在槽中的位置2.电枢绕组

直流电动机的结构--转子部分直流电动机转子铁芯上实际开出的槽叫实槽。直流电动机转子绕组往往由较多的元件构成，但由于工艺等原因，转子铁芯开的槽数不能太多，通常在每个实槽内的上、下层并列嵌放若干个元件边，如图5-14所示。这样把每个实槽划分为μ个虚槽，而每个虚槽的上、下层有一个元件边，这样实槽数为Z，总虚槽数为Zi，则Zi=μZ。铁芯与线圈之间以及上、下层线圈之间都必须妥善绝缘。为了防止电枢旋转时离心力的作用，绕组在槽内部分用绝缘槽楔固定，而伸到槽外的端接部分则用非磁性钢丝扎紧在支架上。

实槽与虚槽3.换向器

直流电动机的结构--转子部分换向器又称为整流子。在直流电动机中，换向器配以电刷，能将外加直流电流转换为电枢线圈中的交变电流，使电磁转矩的方向恒定不变。在直流发电机中，换向器配以电刷，能将电枢线圈中感应产生的交变电动势转换为正、负电刷上引出的直流电动势。换向器是由许多换向片组成的圆柱体，换向片之间用云母片绝缘，换向器结构通常如图所示，换向片的下部做成鸽尾形，两端用钢制V形套筒和V形云母环固定，再用螺母锁紧。3.换向器

直流电动机的结构--转子部分把换向器安装在电枢转轴上，把电枢绕组的引出线按规律焊接在换向片上。气隙

直流电动机的结构--气隙和转轴转轴在转子旋转时起支撑作用，需要有一定的机械强度和刚度，一般用圆钢加工而成。为散去电机发出的热量，还要在电枢转轴上安装风扇，下图是一个完整的直流电机转子。转轴定、转子之间的气隙是主磁路的一部分，其大小直接影响运行性能。由于气隙磁场由直流励磁产生，因此，直流电机的气隙要比异步电动机大得多，小型直流电机为1～3mm，大型直流电机可达12mm。

直流电动机的工作原理--转动原理在直流电动机的转子线圈上加上直流电源，借助于换向器和电刷的作用，转子线圈中流过方向交变的电流，在定子产生的磁场中受电磁力，产生方向恒定不变的电磁转矩，使转子朝确定的方向连续旋转，这就是直流电动机的转动原理。以下图模型为例，N和S是一对固定的磁极，磁极之间有一个可以转动的线圈abcd，线圈的两端分别接到相互绝缘的两个称为换向片的弧形铜片上，在换向片上放置固定不动而与换向片滑动接触的电刷A和B，线圈abcd通过换向片和电刷接通外电路。

(a)时刻一

(b)时刻二

直流电动机的工作原理--转动原理此模型作为直流电动机运行时，电源加于电刷A和B。例如将直流电源正极加于电刷A，电源负极加于电刷B，如图（a）所示。线圈abcd中流过电流，在导体ab中，电流由a流向b；在导体cd中，电流由c流向d。导体ab和cd均处于N、S极之间的磁场当中，受电磁力作用，导体、换向片随转轴一起转动，电磁力的方向即直流电动机转向可用左手定则确定，经判定该转向为逆时针。

(a)时刻一

(b)时刻二

直流电动机的工作原理--转动原理线圈逆时针旋转180°，导体cd转到N极下，ab转到s极下，如图（b）所示。由于电流仍从电刷A流入，使cd中的电流变为由d流向c，而ab中的电流由b流向a、从电刷B流出，用左手定则判断，转向仍是逆时针。即：电磁力方向或直流电动机的转向可按左手定则判断。电磁力式中，F—作用在线圈导体上的电磁力；B—线圈导体所在位置的磁感应强度；—线圈导体在磁场中的长度；L一线圈导体中的电流。

(a)时刻一

(b)时刻二

直流电动机的工作原理--可逆原理直流发电机和电动机工作原理模型的结构完全相同，但工作原理又不同。（1）直流发电机。当发电机带负载以后，就有电流流过负载，同时也流过线圈，其方向与感应电动势方向相同。根据电磁力定律，载流导体ab和cd在磁场中会受力的作用，形成的电磁转矩方向为顺时针方向，与转速方向相反。这意味着，电磁转矩阻碍发电机旋转，是制动转矩。为此，原动机必须用足够大的拖动转矩来克服电磁转矩的制动作用，以维持发电机的稳定运行。此时发电机从原动机中吸取机械能，转换成电能向负载输出。

直流电动机的工作原理--可逆原理（2）直流电动机。当电动机旋转起来后，导体ab和cd切割磁力线，产生感应电动势，用右手定则判断出其方向与电流方向相反，这意味着，此电枢电动势是一个反电动势，它阻碍电流流入电动机。所以，直流电动机要正常工作，就必须施加直流电源以克服反电动势的阻碍作用，把电流送入电动机。此时，电动机从直流电源中吸取电能，转换成机械能输出。所以，直流电动机要正常工作，就必须施加直流电源以克服反电动势的阻碍作用，把电流送入电动机。此时，电动机从直流电源中吸取电能，转换成机械能输出。

直流电动机的铭牌直流电动机制造厂在每台直流电动机机座的显著位置钉有一块标牌，这块标牌就是直流电动机的铭牌，铭牌上标明了型号、额定数据等与直流电动机有关的一些信息，供用户选择和使用直流电动机时参考。1.型号直流电动机的型号一般用大写印刷体的汉语拼音字母和阿拉伯数字表示。其中汉语拼音字母是根据直流电动机的全名称选择有代表意义的汉字，再从该字的拼音中得到。以Z2—72为例说明。Z2—72

电枢铁芯长度代号，1号为短铁芯，2号为长铁芯机座号，共有12号，1号最小设计序号，表示第二次设计产品代号，Z表示直流电动机Z2—72

设计序号，表示第二次设计产品代号，Z表示直流电动机产品代号的含义为：Z系列，一般用途直流电动机，如Z2

、Z3

、Z4等系列；ZJ系列，精密机床用直流电动机；ZT系列，广调速直流电动机；ZQ系列，牵引直流电动机；ZH系列，船用直流电动机；ZA系列，防爆安全型直流电动机；ZKJ系列，挖掘机用直流电动机；ZZJ系列，冶金起重机用直流电动机。

直流电动机的额定值额定值是电机生产企业按国家标准对电机产品在指定工作条件下（即额定工作条件）所规定的一些量值。1.额定功率

（KW）也称额定容量。指电机额定状态下运行时，电机的输出功率。对于直流发电机，是指输出的电功率，它等于额定电压和额定电流的乘积。对于直流电动机，是指输出的机械功率。2.额定电压

（V）指额定状态下电枢出线端的电压。3.额定电流

（A）指额定状态下电枢出线端的电压。

直流电动机的额定值4.额定转速（r/min）指额定状态下运行时转子的转速。5.额定转矩

（N·m）指直流电动机带额定负载运行时，输出的机械功率与转子额定角速度的比值。6.额定效率指直流电动机带额定负载运行时，输出的机械功率与输入的电功率之比。7.额定励磁电流

（A）指直流电动机带额定负载运行时，励磁回路所允许的最大励磁电流。直流电动机的铭牌上还标有励磁方式、绝缘等级、防护等级、工作制、重量、出厂日期、出厂编号、生产单位等。谢谢观赏任务二直流电动机的机械特性任务描述

直流电动机的电动势、转矩和功率对于直流电动机的运行起着重要的作用。本任务主要学习直流电动机的电动势、转矩、功率及机械特性，在学习的过程中需要重点掌握直流电动机的电动势、转矩、功率的意义和直流电动机的电动势平衡方程、机械特性。目录常见生产机械的负载转矩特性直流电动机的机械特性常见生产机械的负载转矩特性不同生产机械的负载转矩随着转速变化的规律不同，对此，使用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速与负载转矩之间的关系。各种生产机械的负载转矩特性大致可分为以下三类。

常见生产机械的负载转矩特性恒转矩负载恒功率负载通风机型负载1.恒转矩负载特性

常见的生产机械的负载转矩特性恒转矩负载特性是指负载转矩的大小为一个恒定值，也就是常数，与转速大小无关，分为反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载。反抗性恒转矩负载的特性如图所示，负载转矩的大小不变，但负载转矩的方向始终与生产机械运动的方向相反。例如，电车在平地行驶中所受的负载转矩。1.恒转矩负载特性

常见的生产机械的负载转矩特性恒位能性恒转矩负载的特性如图所示，是指不论生产机械运动的方向是否发生变化，负载转矩的大小和方向始终不变。例如，起重机、提升机等提升设备在工作中重物所产生的负载转矩。2.恒功率负载特性

常见的生产机械的负载转矩特性恒功率负载特性是指当转速发生变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值，其负载特性曲线如图所示。在不同的转速下，负载转矩基本上与转速成反比，而机械功率为常数。例如，车床在切削金属过程中，粗加工时，切削量大，用低速；精加工时，切削量小，用高速。3.通风机型负载特性

常见的生产机械的负载转矩特性通风机型负载特性是指负载转矩的大小与转速n的平方成正比的生产机械，例如鼓风机、水泵和油泵等的叶片所受的阻转矩，其负载特性曲线如图所示。以上三类是典型的负载特性，但实际生产机械的负载特性常为集中类型负载的综合。例如，起重设备提升重物时，电动机除受到位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩，所以电动机轴上的负载转矩应是上述两种负载转矩之和。1.电枢电动势

直流电动机的机械特性--参数式中，

—电动势常数，仅与电动机的结构有关；

—气隙每极磁通(Wb)；

—直流电动机的转速(r/min)；

—电动机的电枢感应电动势(V)。直流电动机的磁场是由主磁极产生的励磁磁场和电枢绕组电流产生的电枢磁场合成的气隙磁场。当转子旋转时，转子导体切割气隙合成磁场，产生转子电动势Ea，在直流电机中，此电动势的方向与转子电流

的方向相反，称为反电动势。此感应电动势为：1.电枢电动势

直流电动机的机械特性--参数可见，对于已经制造好的直流电动机，其感应电动势大小正比于每极磁通和转速n。感应电动势的方向可由直流电动机转向和主磁场方向决定。在直流电动机中转子绕组产生的感应电动势相当于反电动势，与外电源电流方向相反。根据所设各量的正方向，对他励、井励直流电动机来说，电压平衡方程为：

式中，

—电枢回路的总电阻，其中包括电刷和换向器之间的接触电阻。2.直流电动机的功率

直流电动机的机械特性--参数是指输出功率占输入功率的百分比，即对于他励、并励直流电动机：

式中，

为电源给电动机提供的总功率，即输入功率

，

为电源给电动机提供的输入电流；

为励磁回路内部消耗的功率，即励磁回路的铜损耗，

为电枢回路的铜损耗。3.直流电动机的效率4.电磁转矩

直流电动机的机械特性--参数式中，

—转矩常数，仅与电动机的结构有关；

—气隙每极磁通(Wb)；

—电枢电流(A)；

—电磁转矩(N·m)。根据直流电动机的工作原理，由于电枢绕组中有电流流过，电枢电流与气隙磁场相互作用将产生电磁力，从而对转轴产生电磁转矩。4.电磁转矩

直流电动机的机械特性--参数电磁转矩与转子电动势同时存在于同一台直流电机中，转子电动势常数和转矩常数存在以下的关系：可见，对于已经制造好的直流电动机，其电磁转矩大小正比于每极磁通

和电枢电流

。电磁转矩的方向由主磁极磁场方向和转子电流方向决定，根据左手定则可以确定电磁转矩的方向。在直流电动机中电磁转矩的方向与直流电动机的转向相同，起驱动作用。直流电动机的机械特性表示电动机运行状态的两个主要物理量是转速和电磁转矩，电动机的机械特性就是研究电动机的转速n和电磁转矩

之间的关系，即

。机械特性曲线可分为固有机械特性和人为机械特性。

1.他励直流电动机的机械特性方程若他励直流电动机的转子回路的电阻为Ra，转子电压为U，磁通为

，则他励直流电动机的机械特性方程为：

式中，

—理想空载转速（r/min），

=

；Δn—转速降，

；—机械特性的斜率。1.固有机械特性

他励直流电动机的机械特性当转子两端加额定电压、气隙磁通为额定值、转子回路不串电阻时的机械特性称为固有机械特性。固有机械特性表达式为：固有机械特性曲线如图所示。1.固有机械特性

他励直流电动机的机械特性他励直流电动机固有机械特性具有如下特点：1)随着电磁转矩

的增大，转速

降低，其特性是略微下斜的直线。2)当

时，

为理想空载转速，因为

是不可能为0的，电动机要旋转起来，必须要克服一定的摩擦力，所以

是理想化的状态。3)机械特性斜率的值很小，特性较平，习惯称之为硬特性，若其值较大，则称为软特性。4)当

时，转速

，此点为电动机的额定工作点。此时，转速差

，称为额定转速差。一般

。5)当

，即电动机起动时，

，此时，电枢电流称为起动电流，此时的电磁转矩称为起动转矩，由于电枢电阻很小，起动电流和起动转矩都比额定值大很多（可达额定值的几十倍），这会给电机和传动机构带来危害。他励直流电动机的机械特性一台直流电动机只有一条固有机械特性，对于某一负载转矩，只有一个固定的转速，这显然无法达到实际拖动对转速变化的要求。为了满足生产机械加工工艺，例如起动、调速和制动等各种工作状态的要求，还需要人为地改变直流电动机的参数，如转子电压、转子回路串电阻和气隙磁通，相应地得到三种人为机械特性。他励直流电动机的机械特性1.转子回路串电阻的人为机械特性转子加额定电压，每极磁通为额定值，转子回路串入电阻

后的人为机械特性表达式为

转子串入不同电阻时的人为机械特性曲线如图所示。这种人为机械特性的特点：理想空载转速不变；特性斜率与转子回路串入的电阻有关，电阻越大，斜率越大。故转子回路串电阻的人为机械特性曲线是一组通过理想空载转速点的放射性直线。他励直流电动机的机械特性2.改变转子电压的人为机械特性保持每极磁通额定值不变，转子回路不串电阻，只改变转子电压大小和方向，其人为机械特性表达式为

改变转子电压的人为机械特性曲线如图所示。改变转子电压的人为机械特性的特点：理想空载转速与转子电压成正比，且为负值时，也为负值；特性斜率不变，与固有机械特性相同。因此改变转子电压的人为机械特性是一组平行于固有机械特性的直线。他励直流电动机的机械特性3.减弱磁通时的人为机械特性减弱磁通的人为机械特性是指转子电压为额定值不变，回路不串电阻，仅减弱磁通的人为机械特性。减弱磁通是通过减小励磁电流（如增大励磁回路的调节电阻）来实现的。其人为机械特性方程为：减弱磁通人为机械特性曲线如图所示。减弱磁通人为机械特性的特点：理想空载转速随磁通的减弱而上升；减弱磁通，机械特性变软；对于一般直流电动机，当

时，磁路已经饱和，再要增加磁通已不容易，所以人为机械特性一般只能在额定值的基础上减弱磁通。谢谢观赏任务三直流电动机控制电路的安装与调试任务描述

在电力拖动系统中，电动机是原动机，作为主要的拖动设备。直流电动机的起动、调速与制动特性是衡量电动机运行性能的重要性能指标。本次任务以他励直流电动机的控制电路为例，分析直流电动机的起动、调速和制动过程中电流和转矩的变化规律，从而掌握直流电动机的控制电路安装与调试方法。目录直流电动机的启动直流电动机的反转直流电动机的调速直流电动机的制动直流电动机的启动直流电动机的起动是指转子从静止状态加速到稳定运行状态的过程。为了使直流电动机在起动过程中达到最佳状态，应注意以下几点要求（要求同三相异步电动机）：为了提高生产率，尽量缩短起动时间，首先要求直流电动机有足够大的起动转矩。从

可知，要使转矩足够大，要求磁通和起动时的转子电流足够大，因此在起动时，应将励磁电路中外接的励磁调节电阻全部切除，使励磁电流达到最大值，保证磁通最大，但是如果起动电流过大，会使电网电压波动，造成换向恶化，甚至产生环火损坏电机；起动转矩过大也容易损坏直流电动机的传动机构，因此一般控制起动电流

,因而，

这样整个系统才能顺利起动。

直流电动机的启动对于他励式直流电动机，为了避免起动电流过大，可采用转子回路串电阻和降低电源电压起动两种方法。

1.转子回路串电阻起动转子回路串电阻起动就是在转子回路中串接附加电阻起动，起动结束后再将附加电阻切除。为了限制起动电流，起动时在转子回路内串入的起动电阻一般是一个多级切换的可变电阻，如图所示。一般在转速上升过程中逐级短接切除。下面以三级电阻启动为例说明起动过程。直流电动机的启动1.转子回路串电阻起动起动开始瞬间，串入全部起动电阻，使起动电流不超过允许值：式中，

为转子回路总电阻。

直流电动机的启动1.转子回路串电阻起动起动过程的机械特性如图所示。起动过程是工作点由起始点a沿转子总电阻为

的人为机械特性上升，转子电动势随之增大，而转子电流和电磁转矩随之减小至图中b点，起动电流和起动转矩下降至

和

，因

与

之差已经很小，加速已经很慢。为加速起动过程，应切除第一段起动电阻，此时电流称为切换电流。切换后，转子回路总电阻变为

。由于机械惯性的影响，电阻切换瞬间直流电动机转速和反电动势不能突变，转子回路总电阻减小，将使起动电流和起动转矩突增，拖动系统的工作点由b点过渡到转子总电阻为

的特性曲线的c点，再依次切除起动电阻

和

，直流电动机工作点最后稳定运行在h点，直流电动机起动结束。

直流电动机的启动1.转子回路串电阻起动

这种起动方法广泛应用于中、小型直流电动机。技术标准规定，额定功率小于2kW的直流电动机，允许采用一级启动电阻启动，功率大于2kW的，应采用多级电阻启动或降低转子电压启动。2.降低电源电压起动

降低转子电压起动，即起动前先调好励磁，将施加在直流电动机转子两端的电压降低，最低电压所对应的人为特性上的启动转矩

时，直流电动机就开始起动。直流电动机起动后，再逐渐提高转子电压，使起动电磁转矩维持在一定数值，保证直流电动机按需要的加速度升速，其接线原理图和启动工作特性如图所示。直流电动机的启动2.降低电源电压起动

较早的降压起动是采用直流发电机、直流电动机组(G-M)实现电压调节，现已逐步被晶闸管可控整流电源所取代。降低转子电压起动，需要专用电源，投资较大，但起动电流小，起动转矩容易控制，起动平稳，起动能耗小，多用于要求经常起动的场合和中、大型直流电动机的起动。在手动调节转子电压时应注意不能升得太快，否则会产生较大的冲击电流。在实际的拖动系统中，转子电压的升高是由自动控制环节自动调节的，它能保证电压连续升高，并在整个起动过程中保持转子电流为最大允许值，从而使系统在恒定的加速转矩下迅速起动，是一种比较理想的起动方法。直流电动机的反转

直流电机反转即改变电磁转矩的方向，由电磁转矩公式（

）可知，欲改变电磁转矩，只需改变励磁磁通方向或电枢电流方向即可。所以，改变直流电动机转向的方法有两个：（1）保持电枢绕组两端极性不变，将励磁绕组反接。（2）保持励磁绕组两端极性不变，将电枢绕组反接。直流电动机的调速许多生产机械的运行速度，随其具体工作情况不同而不同。例如，龙门刨床刨切时，道具切入和切出工件用较低的速度，而工作台返回时用高速。也就是说，人为地改变电动机的速度以满足生产工艺要求的操作过程，简称为调速。调速中通常有机械调速和电气调速两种，在电动机转速不变情况下，改变传动机械速度比的调速方法称为机械调速。通过改变电动机参数而改变系统运行转速的调速方法称为电气调速。在这里只介绍电气调速的相关方法。

直流电动机的调速--调速指标1.调速范围调速范围是指电动机在额定负载转矩

时，其最高转速与最低转速之比，用

表示，

时，

如车床要求20-100，龙门刨床要求10-140，轧钢机要求3-120。2.静差率又称相对稳定性，指电动机在某机械特性上运转时，由理想空载至满载时的转速差与理想空载转速的百分比，即：

越小，相对稳定性越好；

与机械特性硬度和

有关。

与

相互制约，

越小，

越小，相对稳定性越好；在保证一定

的指标的前提下，要扩大

，须减少转速降，即提高机械特性的硬度。直流电动机的调速--调速指标3.速度的平滑性在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速越平滑。高一级转速与低一级转速之比称为调速的平滑性，平滑系数为：

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.调速的经济性主要指调速设备的投资、运行效率及维修费用等。5.调速时电动机的容许输出是指电动机得到充分利用的情况下，在调速过程中所能输出的功率和转矩。直流电动机的调速根据直流电动机的转速公式

可知，当电枢电流

不变时，只要电枢电压

、电枢回路串入附加电阻

和励磁磁通

三个量中，任一个发生变化，都会引起转速变化。因此，他励直流电动机有3种调速方法，改变电枢端电压调速（降压调速）、改变串入电枢回路的电阻调速（串电阻调速）和改变励磁电流调速（弱磁调速）。

1.电枢回路串电阻调速电枢回路串入调节电阻后，新的机械特性变软，即速度下降。此外，调速前后负载转矩不变（设为恒转矩负载），因此，调速前后的电枢电流值亦保持不变，这也是串电阻调速的特点。1.电枢回路串电阻调速

直流电动机的调速

他励直流电机拖动负载运行时，保持电源电压及磁通为额定值不变，在电枢回路中串入不同的电阻时，电动机运行于不同的转速。如图所示，负载是恒转矩负载。比如，原来没有串入电阻时，工作点为A，转速为

，当电枢回路串入电阻Rsp1的瞬间，因转速和电动势不能突变，电枢电流相应的减小，工作点由A点过渡到

点。此时，

，系统应减速，工作点

沿串入电阻后的新的机械特性下移，转速也随着下降，直至稳定工作在B点。电枢回路串入的电阻若加大为Rsp2，工作点会稳定工作在C点上（过渡过程与上述分析类似）。1.电枢回路串电阻调速

直流电动机的调速

从以上的分析可知，转子回路串电阻调速时，串电阻越大，稳定运行转速越低，此方法只能在低于额定转速范围内调速，一般称为由基速（额定转速）向下调速。而且这种多级电阻调速的方法不能实现连续调节，所以这种方法主要用于对调速性能要求不高，且不经常调速的设备上，比如起重机、运输牵引机等。2.降压调速

直流电动机的调速

电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。降压调速过程如图所示。设电动机拖动恒转矩负载

在固有特性上A点运行，其转速为

。若电源电压

下降到

，达到新的稳态后，工作点将移到对应人为特性曲线上的B点，其转速下降为

。从图中可以看出，电压越低，稳态转速也越低。改变电源电压调速方法的调速范围也只能在额定转速与零转速之间。2.降压调速

直流电动机的调速

降压调速的优点是：当电枢电源电压连续调节时，转速变化也是连续的，故这种调节为无级调速；调速前后机械特性的斜率不变，机械特性硬度较高，负载变化时，速度稳定性好；无论轻载还是重载，调速范围相同，一般可达；降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，故调速时损耗减小，调速经济性好。降压调速的缺点是：需要一套电压可连续调节的直流电源，如晶闸管一电动机（简称SCR-M系统）。降压调速多用在对调速性能要求较高的生产机械上，如机床、造纸机等。3.弱磁调速

直流电动机的调速

保持他励直流电动机转子电压不变，转子回路电阻不变，减少直流电动机的励磁磁通，可使直流电动机的转速升高，这种方法称为减弱主磁通调速。额定运行的电动机，其磁路已基本饱和，即使励磁电流增加很多，磁通也增加很少，从电动机的性能考虑也不允许磁路过饱和。因此，改变磁通只能从额定值从下调。

减小主磁通调速的优点是设备简单，调节方便，运行效率高