直流电机的工作原理及特性课件

第三章第三章 直流直流电机的工作原理及特性机的工作原理及特性直流直流电动机的机的构造构造较复复杂，价格价格也比交流也比交流电动机机昂昂贵,维护维修修也也较困困难。近年来，由于近年来，由于变频调速技速技术的的发展，在中小功率的展，在中小功率的电动机机调速速领域中，域中，交流交流电动机机正正逐步逐步取代直流取代直流电动机机。尽尽管如此，由于直流管如此，由于直流电动机具有机具有转速速稳定、便于定、便于大范大范围平滑平滑调速、起速、起动转矩矩较大等大等优点。点。因此，因此，广泛用于要求广泛用于要求进行平滑、行平滑、稳定、大范定、大范围的的调速速或需或需频繁正、反繁正、反转和启、停，多和启、停，多单元同步元同步协调运运转的生的生产机械等。机械等。1a3.1 直流直流电机的基本机的基本结构和工作原理构和工作原理一、一、直流直流电机的基本机的基本结构构直流直流电机包括静止的和机包括静止的和转动的两大部分，的两大部分，静止部分称静止部分称为定子定子，转动部分就是部分就是转子子，静止和静止和转动部分之部分之间要有一定大小的要有一定大小的间隙隙(以后称以后称为气隙气隙)。定子定子的主要作用是的主要作用是产生磁生磁场，由，由主磁极主磁极、换向极向极、机座机座和和电刷装置刷装置等等组成。成。转子子(通常称通常称为电枢枢)的作用是的作用是产生生电磁磁转矩和感矩和感应电动势，由，由电枢枢铁心心和和电枢枢绕组、换向器向器、轴和和风扇扇等等组成。成。2a直流直流电机的剖面机的剖面主磁极主磁极励磁励磁绕组机座机座换向极向极换向极向极绕组电枢枢绕组电枢枢铁心心3a主磁极的作用是建立主磁主磁极的作用是建立主磁场。绝大多数直流大多数直流电机的机的主磁极不是用永久磁主磁极不是用永久磁铁而而是由励磁是由励磁绕组通以直流通以直流电流来建立磁流来建立磁场。1.主磁极主磁极主磁极由主磁极主磁极由主磁极铁心和套装在心和套装在铁心上的励磁心上的励磁绕组构成。构成。主磁极主磁极铁心靠近心靠近转子一端的子一端的扩大的部分称大的部分称为极掌极掌，它它的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁的作用是使气隙磁阻减小，改善主磁极磁场分布，并分布，并使励磁使励磁绕组容易固定。容易固定。主磁极上装有励磁主磁极上装有励磁绕组，整个主磁极用螺杆固定在机，整个主磁极用螺杆固定在机座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁座上。主磁极的个数一定是偶数，励磁绕组的的连接必接必须使得使得相相邻主磁极的极性按主磁极的极性按 N，S 极交替出极交替出现。4a2.换向极向极换向极，又称附加极或向极，又称附加极或间极，是安装在两相极，是安装在两相邻主磁极主磁极之之间的一个小磁极，它的作用是改善直流的一个小磁极，它的作用是改善直流电机的机的换向向性能。性能。换向极向极结构和主磁极构和主磁极类似。似。换向极的个数一般向极的个数一般与主磁极的极数相等，在功率很小的直流与主磁极的极数相等，在功率很小的直流电机中，也机中，也有不装有不装换向极的。向极的。换向极向极绕组与与电枢枢绕组串串联。换向极向极绕组换向极向极铁心心5a6a3机座机座 机座通常由机座通常由铸钢或厚或厚钢板板焊成。成。它有两个作用：它有两个作用：一个是用来固定主磁极、一个是用来固定主磁极、换向极和端盖；向极和端盖；另一个作用是作另一个作用是作为磁路的一部分。机座磁路的一部分。机座中有磁通中有磁通经过的部分称的部分称为磁磁轭。7a4.电枢枢铁心心电枢枢铁心既是主磁通的心既是主磁通的组成部分，又成部分，又是是电枢枢绕组支撑部分；支撑部分；电枢枢绕组就嵌就嵌放在放在电枢枢铁心的槽内。心的槽内。为减少减少电枢枢铁心内的心内的涡流流损耗，耗，铁心一般用硅心一般用硅钢片片叠叠压夹紧而成。而成。8a直流直流电机机电枢枢9a10a 5.换向器向器换向器是由若干彼此向器是由若干彼此间用云母片用云母片绝缘的的铜片片(即即换向片向片)组成，如成，如图所示所示。换向器的作用：向器的作用：对于直流于直流电动机，它将外加机，它将外加的直流的直流电动势逆逆变成成电枢枢绕组的交流的交流电流，流，以以产生恒定的生恒定的电磁磁转矩。矩。11a6电刷装置刷装置 电刷装置是把直流刷装置是把直流电压、直流、直流电流引入或引出的装置。流引入或引出的装置。电刷由石墨制成，放在刷由石墨制成，放在刷握内，用刷握内，用弹簧簧压紧在在换向器上，刷握固定在向器上，刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷架上，彼此之刷杆上，刷杆装在刷架上，彼此之间都都绝缘。刷架装在端盖或刷架装在端盖或轴承内盖上，承内盖上，调整位置以后，整位置以后，将它固定。将它固定。12a现将国将国产直流直流电动机系列机系列简介如下介如下:一一.Z型系列型系列 Z为直流直流电机的机的汉语拼音第一个字母。拼音第一个字母。这种系列是通种系列是通风保保护式式的。适用于的。适用于调速范速范围不大的机械拖不大的机械拖动，少灰，少灰尘，少腐，少腐蚀及温度及温度低的低的场所。所。二二.Z2型系列型系列 它是它是Z型系列的改型系列的改进型型,也上保也上保护式。式。调速范速范围可达可达3比比1，即可，即可超超过额定定转速的一倍。速的一倍。三三.ZO型系列型系列 这种种电机是封机是封闭式的，用于多灰式的，用于多灰尘但无腐但无腐蚀性气体的性气体的场所。所。四四.ZD型系列型系列 主要用于需要广泛主要用于需要广泛调速，具有速，具有较大的大的过载能力的能力的场所。如大型所。如大型机床、卷机床、卷扬机、起重机、起重设备。五五.ZQD型系列型系列 它是直流它是直流牵引引电动机，用于机，用于牵引引车辆。13a直流直流电动机的型号机的型号以以Z2-31Z2-31型型电机机为例：例：Z2系列是一般用途的中小型直流系列是一般用途的中小型直流电动机，共分机，共分11个机个机座号，每个机座号有二种座号，每个机座号有二种铁心心长度，功率范度，功率范围为0.4200kW；转速范速范围6003000r/min。14a直流直流电机的机的额定定值主要有：主要有：1.额定功率定功率 PN：指指电机在机在铭牌牌规定的定的额定状定状态下运行下运行时，电机的机的输出功率，以出功率，以W为量量纲单位。位。若大于若大于 1KW 或或 1MW 时,则用用 KW 或或 MW 表表示。示。2.额定定电压 UN：指指额定状定状态下下电枢出枢出线端的端的电压，以，以 V为量量纲单位。位。3.额定定电流流 IN：指指电机在机在额定定电压、额定功率定功率时的的电枢枢电流流值，以，以 A为量量纲单位。位。15a4.额定定转速速 nN：指指额定状定状态下运行下运行时转子的子的转速，以速，以r/min为量量纲单位。位。5.额定励磁定励磁电流流 If：指指电机在机在额定状定状态时的励的励磁磁电流流值。注意注意:对于直流于直流发电机，机，PN是指是指输出的出的电功率，它等功率，它等于于额定定电压和和额定定电流的乘流的乘积，即，即PNUN IN16a二、直流二、直流电机的基本工作原理机的基本工作原理 为了了讨论直流直流电机的工作原理，可把复机的工作原理，可把复杂的直流的直流电机机结构构简化化为电机具有一机具有一对主磁极，主磁极，电枢枢绕组只是一个只是一个线圈，圈，线圈两端分圈两端分别联在两个在两个换向片上，向片上，换向片上向片上压着着电刷刷A和和B。1 主磁极主磁极：励磁：励磁绕组上加上直流上加上直流电压，励磁，励磁绕组上有上有励磁励磁电流通流通过，使，使定子定子铁心心产生固定生固定磁磁场，即定子的主，即定子的主要作用是要作用是产生主磁生主磁场。17a2电枢枢绕组：在在固固定定的的磁磁场中中旋旋转，主主要要作作用用是是产生生感感应电动势或或产生生机机械械转矩矩，实现能能量量的的转换。5换向向器器：电刷刷固固定定不不动，换向向片片与与电枢枢绕组一一起起旋旋转，主主要要作作用用对发电机机而而言言是是将将电枢枢绕组内内感感应的的交交流流电势转换成成电刷刷间的的直直流流电势。对电动机机而而言言，则是是将将外外加加的的直直流流电流流转换为电枢枢绕组的的交交变电流流，并并保保证每每一一磁磁极极下下，电枢枢导体体的的电流流的的方方向向不不变，以，以产生恒定的生恒定的电磁磁转矩。矩。3电刷刷4换向片向片18a发电机原理：机原理：将机械能将机械能转换为电能。能。电枢枢由由原原动机机驱动而而在在磁磁场中中旋旋转，在在电枢枢线圈圈的的两两根根有有效效边（切切割割磁磁力力线的的导体体部部分分）中中便便感感应出出电动势e。显然，每一有效然，每一有效边中的中的电动势是交是交变的，即在的，即在N极极下是一个方向，当它下是一个方向，当它转到到S极下极下时是另一个方向。但是，是另一个方向。但是，由于由于电刷刷A总是同与是同与N极下的有效极下的有效边相相联的的换向片接触，向片接触，而而电刷刷B总是同与是同与S极下的有效极下的有效边相相联的的换向片接触，向片接触，因此，在因此，在电刷刷间就出就出现一个极性不一个极性不变的的电动势或或电压，当当电刷之刷之间接有接有负载时，在，在电动势的作用下就在的作用下就在电路路中中产生一定方向的生一定方向的电流。流。19a直流直流发电机和直流机和直流电动机的机的电磁磁转矩的作用是不同的矩的作用是不同的发电机的机的电磁磁转矩矩是阻是阻转矩，它与矩，它与电枢枢转动的方向或的方向或原原动机的机的驱动转矩的方向相反。因此，在等速矩的方向相反。因此，在等速转动时，原原动机的机的转矩矩T1必必须与与发电机的机的电磁磁转矩矩T及空及空载损耗耗转矩矩T0相平衡。相平衡。电动机的机的电磁磁转矩矩是是驱动转矩，它使矩，它使电枢枢转动。因此，。因此，电动机的机的电磁磁转矩矩TM必必须与机械与机械负载转矩矩TL及空及空载损耗耗转矩矩T0相平衡。相平衡。20a三、三、电动势和和电磁磁转矩矩 1.电动势E 根据根据电磁学原理，两磁学原理，两电刷刷间的感的感应电动势为:式中：式中：E感感应电动势（V）；）；一一对磁极的磁通（磁极的磁通（Wb）；）；n电枢枢转速（速（r/min）；）；Ke与与电机机结构有关的常数。构有关的常数。直流直流发电机中，机中，电动势的方向的方向总是与是与电流的方向流的方向相同，被称相同，被称为电源源电动势。直流直流电动机中，机中，电动势的方向的方向总是与是与电流的方向流的方向相反，被称相反，被称为反反电动势。21a 2电磁磁转矩矩TM 电枢枢绕组中的中的电流和磁通相互作用，流和磁通相互作用，产生生电磁力和磁力和电磁磁转矩，其大小可用如下公式表示：矩，其大小可用如下公式表示：式中：式中：T电磁磁转矩（矩（Nm）；）；对磁极的磁通（磁极的磁通（Wb）；）；Ia电枢枢电流（流（A）；）；Kt与与电机机结构有关的常数，构有关的常数，Kt=9.55 Ke22a3.2 直流他励直流他励电动机的机械特性机的机械特性 一、机械特性的一般形式一、机械特性的一般形式 电动机的机的机械特性机械特性指的是指的是转速与速与电磁磁转矩矩之之间的关系。的关系。不不同同励励磁磁方方式式的的电动机机，其其运运行行特特性性也也不不尽尽相相同同，下下面面主主要要介介绍在在调速速系系统中中应用用的的较广广泛泛的的他他励励电动机机的机械特性。的机械特性。如如图所示所示为直流他励直流他励电动机的原理机的原理电路路图。MEIaRaUfIfRfT nUI23a 式中式中:外加外加电枢枢电压（V）；）；感感应电势（V）；）；电枢枢电流（流（A）；）；电枢回路内阻（枢回路内阻（）电枢回路部分枢回路部分励磁回路部分励磁回路部分MEIaRaUfIfRfT nUI24a 即：即：转速特性速特性 机械特性机械特性 由他励由他励电动机的特性可知：机的特性可知：励磁励磁电流流If的大小与的大小与电枢枢电流流 Ia的大小无关，它的大小只取的大小无关，它的大小只取决于决于 Rf、Uf的大小，当的大小，当 Rf、Uf的大小一定的大小一定时,If为定定值，即磁，即磁通通 为定定值。nnn00nNTNTT25a1.理想空理想空载转速：速：T=0 0时的的转速称速称为理想空理想空载转速，用速，用n0表示。表示。根据机械特性可知：根据机械特性可知：2.机械特性硬度机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性一个机械特性硬度的概念，其定硬度的概念，其定义为：理想空理想空载点点nnn00nNTNTT26a 即即转矩矩变化与所引起的化与所引起的转速速变化的比化的比值，称，称为机械机械特性的硬度。特性的硬度。根据根据 值的不同，可将的不同，可将电动机机械特性分机机械特性分为三三类。（1）绝对硬特性硬特性 （2）硬特性）硬特性 10 （3）软特性特性 10 nnn00nNTNTT27a二、固有机械特性二、固有机械特性 直流他励直流他励电动机的固有机械特性指的是在机的固有机械特性指的是在额定条件定条件（额定定电压UN和和额定磁通定磁通 N)下和下和电枢枢电路内不外接任何路内不外接任何电阻阻时的的 n=f(T)即即:是一条直是一条直线。直流他励直流他励电动机固有机械特性曲机固有机械特性曲线可根据可根据电动机的机的铭牌数据求出牌数据求出(0,n0)和和(TN,nN)即可即可绘出固有的机械特性。出固有的机械特性。通常直流通常直流电动机机铭牌上牌上给出出额定功率定功率PN、额定定电压 UN、额定定电流流IN和和额定定转速速 nN。28a 直流直流电动机的固有机械特性的机的固有机械特性的计算算 分析分析：（1）已知）已知PN、UN、IN、nN,机械特性是一条直机械特性是一条直线（2）只需知道直）只需知道直线上两点上两点(0,n0)、(TN,nN)（3）因此只需求出）因此只需求出 n0和和TN（4）因）因n0UN/(KeN)，所以需求出所以需求出KeN（5）TN9.55PN/nN具体具体计算步算步骤如下：如下：29a(1)估算估算电枢枢电阻阻Ra 依据：依据：电动机在机在额定定负载下的下的铜耗耗Ia2Ra约占占总损耗耗 PN的的50%75%。式中：式中：是是额定运行条件下定运行条件下电动机的效率，且此机的效率，且此时故得故得 30a (2)求求 额定运行条件下的反定运行条件下的反电势为：故故 (3)求理想空求理想空载转速速:得得 (4)求求额定定转矩矩:得得 根据根据 两点，就可作出他励直流两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲机近似是机械特性曲线 31a三、人三、人为机械特性机械特性 人人为机械特性是指人机械特性是指人为地改地改变电动机机电枢外加枢外加电压U和励磁磁和励磁磁通通的大小以及的大小以及电枢回路串接附加枢回路串接附加电阻阻Rad所得到的机械特性。所得到的机械特性。1.电枢回路中串接附加枢回路中串接附加电阻阻时的人的人为特性特性 电压平衡方程式平衡方程式为：得到的人得到的人为机械特性方程式机械特性方程式为：MEIaRaUIfUfRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1 Rad232a 特性特性变软空空载速度不速度不变；随着随着电阻的增加，阻的增加，转速降落增加；速降落增加；MEIaRaUIfUfRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1 U1 U2 U3n01U1n02U2n03U334a 3改改变磁通磁通 时的人的人为特性特性 转速降随磁通的改速降随磁通的改变而而变化。化。理想空理想空载转速随磁通的改速随磁通的改变而而变化；化；特性特性变软n0Tn0N 1 2 3n01n02n03Tst3N123Tst2Tst1Tst35a由于励磁由于励磁线圈圈发热和和电动机磁机磁饱和的限制，和的限制，电动机的励磁机的励磁电流流和它和它对应的磁通只能在低于其的磁通只能在低于其额定定值的范的范围内内调节；当磁通当磁通过分削弱后：分削弱后：（2）当）当 0时，从理，从理论上上说，空，空载时电动机速度机速度趋近近 ，通常，通常称称为“飞车”；当当电动机机轴上的上的负载转矩大于矩大于电磁磁转矩矩时，电动机不能启机不能启动，电枢枢电流流为Ist，长时间的大的大电流会流会烧坏坏电枢枢绕组。因此，直流他励因此，直流他励电动机启机启动前必前必须先加励磁先加励磁电流，在运流，在运转过程程中，决不允中，决不允许励磁励磁电路断开或励磁路断开或励磁电流流为零，零，为此，直流他励此，直流他励电动机在使用中，一般都机在使用中，一般都设有有“失磁失磁”保保护。（1）如果）如果负载转矩不矩不变，将使，将使电动机机电流大大增加而流大大增加而严重重过载；36a33 直流他励直流他励电动机的启机的启动特性特性 一、启一、启动特性特性 电动机的启机的启动就是施就是施电于于电动机，使机，使电动机机转子子转动起来，达起来，达到要求到要求转速的速的这一一过程。程。对直流直流电动机而言，在未启机而言，在未启动之前之前n=0,E=0,而而Ra一般很小。一般很小。当将当将电动机直接接入机直接接入电网并施加网并施加额定定电压时，启，启动电流流为：这个个电流流很很大大，一一般般情情况况下下能能达达到到其其额定定电流流的的（1020）倍。倍。过大的启大的启动电流危害很大：流危害很大：（1）对电动机本身的影响：机本身的影响：使使电动机在机在换向向过程中程中产生危生危险的火花，的火花，烧坏整流子；坏整流子；过大的大的电枢枢电流流产生生过大的大的电动应力，可能引起力，可能引起绕组的的损坏；坏；37a （2）对机械系机械系统的影响：的影响：与启与启动电流成正比例的启流成正比例的启动转矩使运矩使运动系系统的的动态转矩很大，矩很大，过大的大的动态转矩会在机械系矩会在机械系统和和传动机构中机构中产生生过大的大的动态转矩冲矩冲击，使机械，使机械传动部件部件损坏；坏；（3）对供供电电网的影响：网的影响：过大大的的启启动电流流将将使使保保护装装置置动作作，切切断断电源源造造成成事事故故，或或者者引起引起电网网电压的下降，影响其他的下降，影响其他负载的正常运行。的正常运行。因因此此，直直流流电动机机是是不不允允许直直接接启启动的的，即即在在启启动时必必须设法法限限制制电枢枢电流流，例例如如普普通通的的Z2型型直直流流电动机机，规定定电枢枢的的瞬瞬时电流流不得大于不得大于额定定电流的流的1.52倍。倍。38a二、启二、启动方法方法 限限制制直直流流电动机机的的启启动电流流，一一般般有有降降压启启动和和电枢回路串枢回路串电阻启阻启动两种方式。两种方式。1.降降压启启动：所所谓降降压启启动即即在在启启动瞬瞬间，降降低低供供电电源源电压，随随着着转速速的的升升高高，反反电势增增大大，再再逐逐步步提提高高供供电电压，最最后达到后达到额定定电压时，电动机达到所要求的机达到所要求的转速。速。2.电枢回路串枢回路串电阻启阻启动 启启动时，电枢回路串接启枢回路串接启动电阻阻Rst,此此时启启动电流流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启将受外加启动电阻的限制。随着阻的限制。随着转速的升速的升高，反高，反电势增大，再逐步切除外加增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，阻直到全部切除，电动机达到所要求的机达到所要求的转速。速。39a 电枢回路串枢回路串电阻启阻启动时电动机机电枢枢电路和启路和启动特性特性如如图所示：所示：直直线1为电动机机电枢枢回回路路串串接接启启动电阻阻时的的机机械械特特性性，直直线2为电动机机的的固固有有机机械械特特性性。启启动电阻阻的的大大小小就是保就是保证启启动电流流为额定定值的两倍。的两倍。40a 电枢枢回回路路接接入入电网网时，KM断断开开，电动机机工工作作在在特特性性1上上，在在动态转矩矩的的作作用用下下，电动机机速速度度上上升升。当当速速度度上上升升到到a点点时，KM闭合合，电动机机的的机机械械特特性性变为2。由由于于在在切切换电阻阻的的瞬瞬间，机机械械惯性性的的作作用用使使电动机机的的转速速不不能能突突变，在在此此瞬瞬间速速度度维持持不不变，即即电动机机的的工工作作点点从从a点点切切换到到b点点，在在动态转矩矩的的作作用用下下，电动机机的的速速度度继续上升直到上升直到稳定点定点c。41a 从从图中中不不难看看出出：当当电动机机的的工工作作点点从从a点点切切换到到b点点时，冲冲击电流流仍仍很很大大，为了了解解决决这种种现象象，通通常常采采用用逐逐级切切除除启启动电阻阻的的方方法法来来实现。图所所示示为具具有有三三段段启启动电阻的原理阻的原理电路和启路和启动特性。特性。图中：中：尖峰（最大）尖峰（最大）转矩；矩；换接（最小）接（最小）转矩矩 42a (1)电枢接入枢接入电网网时，KM1、KM2和和KM3均断开，均断开，电枢回路串接外加枢回路串接外加电阻阻Rad3=R1+R2+R3，此此时，电动机机工作在特性曲工作在特性曲线a，在在转矩矩 T1的作用下，的作用下，转速沿曲速沿曲线a上升；上升；43a (2)当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达2时，KM1闭合，即合，即切除切除电阻阻R3，此此时电枢回路串外加枢回路串外加电阻阻Rad2=R1+R2，电动机的机械特性机的机械特性变为曲曲线b。由于机械由于机械惯性的作用，性的作用，电动机的机的转速不能突速不能突变，工作点由，工作点由2切切换到到3，速度又，速度又沿着曲沿着曲线b继续上升；上升；44a (3)当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达4时，KM1、KM2同同时闭合，即切除合，即切除电阻阻 R2、R3，此此时电枢回路串外加枢回路串外加电阻阻 Rad1=R1，电动机的机械特性机的机械特性变为曲曲线c。由于机械由于机械惯性性的作用，的作用，电动机的机的转速不能突速不能突变，工作点由，工作点由4切切换到到5，速度又沿着曲速度又沿着曲线c继续上升；上升；45a (4)当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达6时，KM1、KM2、KM3同同时闭合，即切除合，即切除电阻阻R1、R2、R3，此此时电枢回路无外加枢回路无外加电阻，阻，电动机机的机械特性的机械特性变为固有特性曲固有特性曲线d，由于机械由于机械惯性的作用，性的作用，电动机的机的转速不能突速不能突变，工作点由，工作点由6切切换到到7，速度又沿着曲，速度又沿着曲线d继续上升直上升直到到稳定工作点定工作点8。46a 由上可由上可见，启，启动级数愈多，数愈多，T1、T2愈与平均愈与平均转矩矩 接近，启接近，启动过程快而平程快而平稳，但所需的控制，但所需的控制设备也就愈多。我国生也就愈多。我国生产的的标准控制柜都是按快速启准控制柜都是按快速启动原原则设计的，一般启的，一般启动电阻阻为（34）段。）段。多多级启启动时，T1、T2的数的数值需按照需按照电动机的具体启机的具体启动条件决定，条件决定，一般原一般原则是保持每一是保持每一级的最大的最大转矩矩 T1（或最大或最大电流流I1）不超不超过电动机的允机的允许值，而每次切，而每次切换电阻阻时的的 T2（或最小或最小电流流I2）也基本相同，也基本相同，一般一般选择：47a34 直流他励直流他励电动机的机的调速特性速特性 一、速度一、速度调节和速度和速度变化化 调速速（又称速度（又称速度调节）与）与速度速度变化化是两个完全不同的概念是两个完全不同的概念 电动机的机的调速速是在一定的是在一定的负载条件下，人条件下，人为地改地改变电动机的机的电路参数，以改路参数，以改变电动机的机的稳定定转速，如速，如图所示。所示。转速速的的改改变是是人人为改改变（或或调节）电枢枢回回路路的的电阻阻大大小小所所造造成成的的，故故称称调速或速度速或速度调节。48a 速度速度变化化是指由于是指由于电动机的机的负载转矩矩发生生变化（增大与减小）化（增大与减小）或其它不可或其它不可预见因数引起因数引起电动机机转速的速的变化（下降或上升），如化（下降或上升），如图所示。所示。总之之，速速度度变化化是是在在某某条条机机械械特特性性上上，由由于于负载改改变而而引引起起的的；而而速速度度调节则是是在在某某一一特特定定的的负载下下，靠靠人人为改改变机械特性而得到的。机械特性而得到的。49a二、二、调速方法速方法下面下面仅就他励直流就他励直流电动机的机的调速方法作一般性的介速方法作一般性的介绍。从直流他励从直流他励电动机机械特性方程式机机械特性方程式 可知：可知：改改变串入串入电枢回路的枢回路的电阻阻Rad；改改变电枢供枢供电电压U或或主磁通主磁通，都可以得到不同的人，都可以得到不同的人为机械特性，从而在机械特性，从而在负载不不变时可可以改以改变电动机的机的转速，以达到速度速，以达到速度调节的要求，故直流的要求，故直流电动机机调速速的方法有以下三种。的方法有以下三种。50a1、改、改变电枢枢电路外串路外串电阻阻 直直流流电动机机电枢枢回回路路串串接接电阻阻后后，可可以以得得到到如如图所所示示的的一一簇簇机机械特性。械特性。从特性可看出，在一定的从特性可看出，在一定的负载转矩矩TL下，串入不同的下，串入不同的电阻可阻可以得到不同的以得到不同的转速。如在速。如在电阻分阻分别为 Ra、R1、R2、R3、的情况下，的情况下，可以分可以分别得到得到稳定工作点定工作点A、C、D和和E，对应的的转速速为nA、nB、nC、nD。51a 改改变电枢回路串接枢回路串接电阻的大小阻的大小调速存在如下速存在如下问题：机械特性机械特性较软，电阻愈大阻愈大则特性愈特性愈软，稳定度愈低；定度愈低；在空在空载或或轻载时，调速范速范围不大；不大；实现无无级调速困速困难；在在调速速电阻上消耗大量阻上消耗大量电能等。能等。正正因因为缺缺点点不不少少，目目前前已已很很少少采采用用，仅在在有有些些起起重重机机、卷卷扬机机等低速运等低速运转时间不不长的的传动系系统中采用。中采用。52a2改改变电动机机电枢供枢供电电压U 如如图所示特性所示特性为改改变电枢供枢供电电压U调速的特性：速的特性：从特性可看出，在一定的从特性可看出，在一定的负载转矩矩TL下，下，电枢外加不同枢外加不同电压可以得到不同的可以得到不同的转速。如在速。如在电压分分别为 UN、U1、U2、U3的情的情况下，可以分况下，可以分别得到得到稳定工作点定工作点a、b、c和和d，对应的的转速速为na、nb、nc、nd。即改即改变电枢枢电压可以达到可以达到调速的目的。速的目的。53a 改改变电枢外加枢外加电压调速有如下特点：速有如下特点：1）当当电源源电压连续变化化时，转速速可可以以平平滑滑无无级调节，一一般般只能在只能在额定定转速以下速以下调节；2）调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速速的的稳定度定度较高，高，调速范速范围较大；大；3）调速速时，因，因电枢枢电流与流与电压U无关，且无关，且=N，转矩矩T=Kt N Ia不不变，属于有恒，属于有恒转矩矩调速。速。调速速过程程中中，电动机机输出出转矩矩不不变的的调速速特特性性称称为恒恒转矩矩调速速。具具有有恒恒转矩矩调速速特特性性的的调速速方方法法适适合合于于对恒恒转矩矩型型负载进行行调速；速；4）可以靠）可以靠调节电枢枢电压来启来启动电机，而不用其他启机，而不用其他启动设备。54a3改改变电动机主磁通机主磁通 如如图所示曲所示曲线为改改变电动机主磁通机主磁通 调速的特性：速的特性：从特性可看出，在一定的从特性可看出，在一定的负载功率功率PL下，不同的主磁通下，不同的主磁通 N、1、2、，可以得到不同的可以得到不同的转速速na、nb、nc。即即改改变主主磁磁通通 可可以以达达到到调速的目的。速的目的。55a 改改变电动机主磁通特点：机主磁通特点：1）可可以以平平滑滑无无级调速速，但但只只能能弱弱磁磁调速速，即即在在额定定转速速以以上上调节；2）调速特性速特性较软，且受，且受电动机机换向条件等的限制。向条件等的限制。普通他励普通他励电动机的最高机的最高转速不得超速不得超过额定定转速的速的1.2倍，所以，倍，所以，调速范速范围不大，若使用特殊制造的不大，若使用特殊制造的“调速速电动机机”，调速范速范围可以可以增加，但增加，但这种种调速速电动机的体机的体积和所消耗的材料都比普通和所消耗的材料都比普通电动机大机大得多；得多；3）调速速时维持持电枢枢电压U和和电枢枢电流流Ia不不变时，电动机机的的输出出功率功率P=UIa电动机的机的输出功率不出功率不变。在在调速速过程中，程中，输出功率不出功率不变的的这种特性称种特性称为恒功率恒功率调速，速，这种种调速适合于速适合于对恒功率型恒功率型负载进行行调速。速。56a35 直流他励直流他励电动机的制机的制动特性特性 1制制动与启与启动 启启动：施：施电于于电动机使机使电动机速度机速度从静止加速到某一从静止加速到某一稳定定转速速的一种运的一种运动状状态；制制动：从从某某一一稳定定转速速开开始始减减速速到到停停止止或或是是限限制制位位能能负载下下降降速度速度的一种运的一种运转状状态。2.制制动与自然停与自然停车 1）自自然然停停车：电动机机脱脱离离电网网，靠靠很很小小的的摩摩擦擦阻阻转矩矩消消耗耗机机械械能能使使转速速慢慢慢慢下下降降，直直到到转速速为零零而而停停车。这种种停停车过程程需需时较长，不能不能满足生足生产机械快速停机械快速停车的要求；的要求；2）制）制动：外加阻力外加阻力转矩使矩使电动机迅速停机迅速停车。为了提高生了提高生产效率，效率，保保证产品品质量，需要加快停量，需要加快停车过程，程，实现准确停准确停车等，要求等，要求电动机机运行在制运行在制动状状态，常，常简称称为电动机的制机的制动。57a3.电动机的两种工作状机的两种工作状态 1)电动状状态：为拖拖动转矩矩 为阻阻转矩矩 电动机的作用是将机的作用是将电能能转换机械能。故称机械能。故称这种状种状态为电动状状态。2）制）制动状状态：为阻阻转矩矩 为拖拖动转矩矩 电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称电动机的机的这种种工作状工作状态为制制动状状态。MGUfTVnUMGUfTVnU58a一、反一、反馈制制动 特点：特点：1）在外部条件的作用下，）在外部条件的作用下，实际转速大于理想空速大于理想空载转速；速；2）电动机机输出出转矩的作用方向与矩的作用方向与n的方向相反。的方向相反。1电车走下坡路走下坡路时的反的反馈制制动 设电车与地面的摩擦与地面的摩擦转矩矩为Tr，阻阻转矩；下坡矩；下坡时电车所所产生生的位能的位能转矩矩为Tp，拖拖动转矩；且矩；且 TpTr ，前前进时速度速度n 为正。正。电车由由直直流流电动机机拖拖动，机械特性如机械特性如图所示：所示：59a 匀匀速速走走平平路路时（a点点）：输出出转矩矩TM用用来克服来克服负载转矩矩Tr。在在an0段：段：TM与与n的方向相同，故的方向相同，故为电动状状态。在在n0b段段：TM与与n的的方方向向相相反反，且且电机机转速速大大于理想空于理想空载转速，故速，故电动机工作在反机工作在反馈制制动状状态。60a2电枢枢电压突然下降突然下降时的反的反馈制制动 设当当电动机机的的电枢枢外外加加电压为U1和和U2，且且 U1U2时的的机机械械特特性性如如图所示：所示：若若电动机机工工作作在在A点点时将将电枢枢电压突突然然降降低低为U2，电动机机的的机机械械特特性性变为曲曲线2，由由于于机机械械惯性性，工工作作点点由由A转换到到B点点。此此时-TM-TL0，Tm0，Tm0电动状状态65a 注意注意:由于在反接制由于在反接制动期期间，电枢感枢感应电动势和和电源源电压是串是串联相加的，因此，相加的，因此，为了限制了限制电枢枢电流流，电动机的机的电枢枢电路中必路中必须串接足串接足够大的限流大的限流电阻。阻。电源反接制源反接制动一般一般应用在生用在生产机械要求迅速减速、机械要求迅速减速、停停车和反向的和反向的场合以及要求合以及要求经常正反常正反转的机械上。的机械上。66a 2倒拉反接制倒拉反接制动 电动机固有机械特性和机固有机械特性和电枢回路串接枢回路串接电阻和曲阻和曲线2所示。所示。现电动机机驱动位能位能负载转矩，机械特性如矩，机械特性如图（b）中的曲中的曲线3所示。所示。67aa点点：重物匀速上升。：重物匀速上升。Tm0，n0，电动机工作在机工作在电动状状态。cd段段：Tm0，n0，电动机工作在机工作在电动状状态。由于由于电动机的机的输出出转矩小于矩小于负载转矩，矩，转速沿着曲速沿着曲线2下降。下降。68a db段段：当当转速速下下降降到到0时，由由于于电动机机的的输出出转矩矩TM仍仍然然小小于于负载转矩矩TL，所所以以，在在位位能能负载的的作作用用下下，电动机机反反向向启启动，直直到平衡点到平衡点b而而稳定运行。定运行。电动机匀速下放重物。机匀速下放重物。电动机在机在db段：段：Tm0，n0，电动机工作在制机工作在制动状状态。常称常称这种制种制动状状态为倒拉制倒拉制动状状态。69a三、能耗制三、能耗制动 电阻越小，阻越小，产生的反向生的反向电流越大，制流越大，制动越快。越快。当切断当切断电源接入源接入电阻后，工作点由阻后，工作点由a点点转到到b点。点。bo段：段：Tm0，能耗制能耗制动。70a