第23章直流电动机

1、第23章 直流电动机了解串励直流电动机的工作特性；了解直流电动机的起动和制动方法。了解串励直流电动机的工作特性；了解直流电动机的起动和制动方法。掌握直流电动机基本方程式和他励直流电动机的工作特性。掌握直流电动机基本方程式和他励直流电动机的工作特性。掌握直流电动机调速方法。掌握直流电动机调速方法。正方向的规定： 电枢电动势Ea与电流Ia方向相反 电磁转矩Tem与转速n方向一致aieemfnCEeaffjffaRIrrIU)(（1）电势平衡式电枢回路：ffjfffRIrrIU)(jabaaaaaRIUrIURjRIUE2)(励磁回路：EaU他励并励:faIII 一、基本方程式 一、基本方程式（2）

2、转矩平衡式（稳态）em 022：输出转矩; 0:空载制动转矩（3）功率平衡式02TTTemn602aTemICT方向与n同相aIemTemTaI电枢电流与主磁场作用产生电磁转矩磁场作用产生电磁转矩驱动电动机旋转驱动电动机旋转,与与n同向同向；电枢绕组感应电势电枢绕组感应电势Ea与电流与电流方向相反，称为反电势方向相反，称为反电势。 动态转矩平衡方程式动态转矩平衡方程式机组总负载制动转矩机组总负载制动转矩,亦可用亦可用Tz 表示。表示。jcemTTdtdJTTT0202TTTCJ J机组旋转部分的转动惯量；机组旋转部分的转动惯量； dtdJTj惯性转矩惯性转矩 时cemTT时cemTT0jT0j

3、T转子减速，转子减速，转子匀速，转子匀速，Tc为驱动转矩为驱动转矩；0jT转子加速转子加速，Tc为制动转矩为制动转矩；时cemTT稳定运行。稳定运行。Tc正方向：与转速正方向正方向：与转速正方向相反相反为为正正功率平衡式P1：输入电功率; Pem：电磁功率 这是电动机产生的总机械功率产生的总机械功率。电动机的电磁功率是指在能量转换过程中机械能与电能互相转换所对应电动机的电磁功率是指在能量转换过程中机械能与电能互相转换所对应的那部分功率的那部分功率。 ememTP是电源输入到电动机的电功率并被转换成机械功率输出是电源输入到电动机的电功率并被转换成机械功率输出,fafaUIUIIIUP)(1faa

4、aaUIIRIE)(faaaaUIRIIE2cufcuaemPPPP1Rj=0时且并励产生电磁转矩产生电磁转矩,使电动机电枢旋转，并拖动机械负载。使电动机电枢旋转，并拖动机械负载。 功率平衡式adFemecpppp0pmec：机械损耗; pFe: 铁心损耗；pad： 附加损耗adFemecCufCuappppppadFemecCufppppp0并励电动机 并励电动机总损耗 aacuaRIP2发电机电枢回路内电阻总损耗 p0：空载损耗功率;adFemecempppPP2他励电动机 功率和效率功率和效率adfecufcuapppppPPmec21功率平衡式：功率平衡式：并励时并励时效率：效率：%1

5、00)1 (%100112PpPP 直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性 一、他励电动机的工作特性一、他励电动机的工作特性1、速率特性、速率特性)(aIfn 当电动机端电压当电动机端电压电动机转速电动机转速的函数关系的函数关系NUU fInaI)(aIfn =常值，励磁电流常值，励磁电流与负载（通常用负载时电枢电流与负载（通常用负载时电枢电流称速率特性。称速率特性。为常值时为常值时，来表征来表征）eaaCRIUn0TemaCTI时0 TcTemeCUn 0称电动机的理想空载转速称电动机的理想空载转速 0nnaI0 naNINn0aIemTemNT0T他励或并励时他励或并励时eaaCRIUn

6、00TaCTI00020TTTem称电动机的实际空载转速实际空载转速 电动机空载时电动机空载时1、速率特性、速率特性他励并励他励并励转速调整率 %1000NNnnnn对于他励并励电动机，通常%4%3n基本上是一种恒速电动机 0nnaI0 naNINn0aIemTemNT0T一般来说，电枢回路电阻压降的影响较电枢反应一般来说，电枢回路电阻压降的影响较电枢反应的影响为大，故其速率特性曲线略向下倾斜。的影响为大，故其速率特性曲线略向下倾斜。 电枢反应去磁作用nRIITaaa2 n若在重负载下发生励磁绕组断开，将导致aTemICT减小，电动机停转，反电势为零，电枢电流非常大，电机过热以致烧毁；1、速率

7、特性、速率特性他励并励他励并励若在轻负载下发生励磁绕组断开，将导致电动机“飞速”，可能损坏电机。eaaCRIUn0电动机运行时，励磁绕组不能断路。电动机运行时，励磁绕组不能断路。电枢反应去磁作用增大 2、转矩特性、转矩特性他励并励他励并励emT电动机的电磁转矩与负载电动机的电磁转矩与负载 当电动机端电压的函数关系aI)(aemIfT（通常用负载时电枢电流称转矩特性。NUU fI=常值，励磁电流为常值时，来表征）aTemICTaI3、效率特性、效率特性他励并励他励并励nP357n可变损耗上升到等于不变损耗时，效率最高。n在效率最高时，对应的电流为额定电枢电流。 4、机械特性、机械特性他励他励电动

8、机的转速与电磁转矩的函数关系电动机的转速与电磁转矩的函数关系)(emTfn 称为直流电动机的称为直流电动机的机械特性机械特性。、aTemeajaaaICTnCERRIUE)(ememejaemejaeTnTCCRRnTCCRRCUnTT0202 4、机械特性、机械特性他励他励、02n01n0nnemNTemTNUU fNfII0jR或或时的机械特性 ，,NUU ,fNfII0jR且电枢回路不串调节电阻，称为自然机械特性自然机械特性或固有固有机械特性机械特性时的机械特性称为称为人工人工(人为人为)机械特性机械特性。ememejaemejaeTnTCCRRnTCCRRCUnTT0202 4、机械特

9、性、机械特性他励他励、02n01n0nnemNTemTemTn他并励电动机的自然机械特性很接近水平线。这时，因增加而引起的下降并不多。这种特性称为硬特性硬特性。串电阻、弱磁人工机械特性较自然机械特性变软串电阻、弱磁人工机械特性较自然机械特性变软 改变端电压的人工机械特性其硬度不变改变端电压的人工机械特性其硬度不变他励直流电动机的机械特性1）电枢串电阻时的人为特性 保持 不变，只在电枢回路中串入电阻 的人为特性：NNUU,jRememNTejaNeNTnTCCRRCUn02特点：（特点：（1 1）n n0 0不变，不变，变大；变大； （2 2）R Rj j越大，特性越软。越大，特性越软。Tem0

10、nnaRjaRR 他励直流电动机的机械特性2）降低电枢电压时的人为特性 保持 不变，只改变电枢电压 的人为特性：NaRR,UememNTeaNeTnTCCRCUn02特点：（特点：（1 1）n n0 0 随随 U U 变化变化, , 不变；不变； （2 2）U U 不同，曲线是一组不同，曲线是一组 平行线。平行线。Tem0nnNU1UNUU 101nNUU 他励直流电动机的机械特性3）减弱励磁磁通时的人为特性 保持 不变，只增加励磁回路调节电阻 的人为特性：NaUURR,）（rj弱磁减小 ,emTeaeNTCCRCUn2特点：（特点：（1 1）弱磁，）弱磁，n n0 0 增大；增大； （2 2

11、）弱磁，）弱磁，增大增大，特性变软。，特性变软。01nTK11202nTK2NTemnTK0nNaTkURCTemTn堵转转矩, 0二、串励电动机的工作特性二、串励电动机的工作特性naICaIaeaeICRCUnRj=0,If=Ia当电机磁路线性时，当电机磁路线性时，2aTaTaICCIC，TemICCCRICCUneaae0aI0n较大时，磁路饱和，磁通增加不较大时，磁路饱和，磁通增加不多，下降程度变小多，下降程度变小 aI双曲线双曲线但但1、串励电动机的串励电动机的速率特性速率特性nCERIUEeaaaa是 吗？aR很小CCTIITaof02002,0aoTaTICCICTT 时很大CCR

12、TCCUCneaeT00naI0aICCRTCCUCneaeT00将导致转速非常高，将导致转速非常高，从而引起危险，俗称从而引起危险，俗称“飞车飞车”。 串励电动机在空载或轻载时串励电动机在空载或轻载时 1、串励电动机的串励电动机的速率特性速率特性1、串励电动机的串励电动机的速率特性速率特性naI0aICCRTCCUCneaeT00串励电动机在空载或轻载时，磁通很小串励电动机在空载或轻载时，磁通很小，电枢必须以非常高的转速才能产生足够的电枢必须以非常高的转速才能产生足够的电势，来与电网电压相平衡。电势，来与电网电压相平衡。因此，串励电动机不允许空载运行。因此，串励电动机不允许空载运行。通常通常

13、规定规定串励电动机与生产机械连接时，不允许采用皮带等容易发生滑脱串励电动机与生产机械连接时，不允许采用皮带等容易发生滑脱的传动机构，应使用齿轮等传动。的传动机构，应使用齿轮等传动。%1004/1NNnnnn4/1n4/2NPP 电动机负载电动机负载时的转速时的转速 转速调整率转速调整率 从物理意义上分析从物理意义上分析：nCERIEUeaaaa2、串励电动机的串励电动机的转矩特性转矩特性 emTaI2aTaTemICCICT当电机磁路线性时当电机磁路线性时，aIC afII aemIT若磁路高度饱和若磁路高度饱和，则，则 基本不变基本不变， 在一般情况下，电磁转矩按大于电流一次方的比例增加。在

14、一般情况下，电磁转矩按大于电流一次方的比例增加。 n0aInemT串励电动机起动和过载时串励电动机起动和过载时Ia较大较大,电磁转矩较大电磁转矩较大,具有较大的起动转矩具有较大的起动转矩和过载能力和过载能力.当负载减轻时，转速又会自动上升。串励电动机的这些当负载减轻时，转速又会自动上升。串励电动机的这些特点特别适用于电力机车等场合。特点特别适用于电力机车等场合。 为了克服空载时发生为了克服空载时发生“飞车飞车”现象，又保持串励电动机的优点，通常采用复励电动机。现象，又保持串励电动机的优点，通常采用复励电动机。 3、串励电动机的串励电动机的机械特性机械特性 CCTIICTTemaaTem、CCR

15、RICCUICRRCUnejaaeaejae当电机磁路线性时，aIC )(11jaeemTeRRCCTUCCC)(21jaemRRCTUCn3、串励电动机的串励电动机的机械特性机械特性 、当电机磁路线性时当电机磁路线性时，aIC )(21jaemRRCTUCn这是一条双曲线。可见，当负载转矩增大时，转速下降很快。这是一条双曲线。可见，当负载转矩增大时，转速下降很快。故串励电动机的机械特性很软故串励电动机的机械特性很软aIC当电机磁路饱和时当电机磁路饱和时， TemejaeCTCRRCUn转速下降的程度减小，但其机械特性仍较软转速下降的程度减小，但其机械特性仍较软 nemT0TCCRRTCCUC

16、nejaeT00当电机磁路高度饱和时当电机磁路高度饱和时，常数机械特性变直线机械特性变直线三、复励电动机的工作特性三、复励电动机的工作特性复励电动机同时具有并励绕组和串励绕组，复励电动机同时具有并励绕组和串励绕组，其工作特性介于并励和串励电动机两者之间。其工作特性介于并励和串励电动机两者之间。为避免运行时产生不稳定现象，通常采用为避免运行时产生不稳定现象，通常采用积复励积复励。 并励绕组起主要作用时并励绕组起主要作用时，其工作特性接近于并励电动机。，其工作特性接近于并励电动机。 但当电枢反应的去磁作用较强时，仍能获得下降的速率特性，以但当电枢反应的去磁作用较强时，仍能获得下降的速率特性，以保证

17、电动机的稳定运行。此时，称串励绕组为保证电动机的稳定运行。此时，称串励绕组为“稳定绕组稳定绕组”。 串联绕组起主要作用时串联绕组起主要作用时，其工作特性接近于串励电动机。其工作特性接近于串励电动机。但空载时不会出现但空载时不会出现“飞车飞车”危险。危险。23.3 23.3 他励直流电动机的起动他励直流电动机的起动 电动机的电动机的起动起动是是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状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。态的过程。aNststTstRUIICT起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为起动瞬间，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

18、回路串电阻或降低电为了限制起动电流，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。枢电压起动。0n 起动时由于转速起动时由于转速 ， ，而且电枢电阻，而且电枢电阻 很小，所以起动电流很小，所以起动电流将达很大值。将达很大值。 过大的起动电流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；将引起电网电压下降、影响电网上其它用户的正常用电； 同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。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。一般直流电动机不允许直接起动。 0aEaR23.3 他励直流电动机的起动一、起动过程23.3.1 电枢回路串电阻起

19、动3321RRRRRstststaLLIT22IT11ITITem0nabn1221RRRRststa1ncd211RRRsta2nef3aRNngh3nMaRS1SU1stR2stR3stR2S3S二、分组起动电阻的计算23.3.1 电枢回路串电阻起动 设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：b点123aNEUIRc点112aNEUIRd点222aNEUIRe点211aNEUIRf点321aNEUIRg点31aNaEUIR比较以上各式得：2111223IIRRRRRRa 在已知起动电流比和电枢电阻Ra前提下，经推导可得各级串联电阻为:11223121)1()1()

20、1()1( stmamstmstaststastastRRRRRRRRRRR二、分组起动电阻的计算二、分组起动电阻的计算23.3.1 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动（6 6）计算各级起动电阻。）计算各级起动电阻。（1 1）估算或查出电枢电阻）估算或查出电枢电阻 ；aR1T1I（2 2）根据过载倍数选取最大转矩）根据过载倍数选取最大转矩 对应的最大电流对应的最大电流 ；m（3 3）选取起动级数）选取起动级数 ；（4 4）计算起动电流比：）计算起动电流比：maNRIU1 取整数取整数m（5 5）计算转矩）计算转矩: :12TT，校验：校验：LTT) 3 . 11 . 1 (2如果不满足，应另

21、选如果不满足，应另选 或或 值并重新计算，直到满足该条件为止。值并重新计算，直到满足该条件为止。1Tm计算各级起动电阻的步骤：计算各级起动电阻的步骤：23.3.2 降压起动降压起动 当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。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

22、速度升速。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。稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。23.3.2 电力电子技术电力电子技术PWM降压降压EETtEtttUonoffononoaaoaREUI脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（PWM）：T不变，改变不变，改变ton 为导通占空比为导通占空比aEaRaL电压平均值电压平均值23.4 23.4 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 电力拖动系统的调速可以采用机械调速、电气调速或二者配电力拖动系统的调速可以

23、采用机械调速、电气调速或二者配合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为合调速。通过改变传动机构速比进行调速的方法称为机械调速机械调速； 通过改变电动机参数进行调速的方法称为通过改变电动机参数进行调速的方法称为电气调速电气调速。他励直流电动机的转速为他励直流电动机的转速为ejaaCRRIUn)(电气调速方法：电气调速方法：1.1.调压调速；调压调速；2.2.电枢串电阻调速；电枢串电阻调速；3.3.调磁调速。调磁调速。 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作点发生变化，

24、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，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。则不能称为调速。23.4 他励直流电动机的调速一、电枢回路串电阻调速一、电枢回路串电阻调速nTemTLRan0nNA0ABn1Ra+Rj1未串电阻时的工作点串电阻Rj1后,工作点由AAB串电阻瞬时的工作点串电阻稳定的工作点转速不突变Ea不突变一、电枢回路串电阻调速一、电枢回路串电阻调速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，稳稳

25、定电流不变定电流不变。23.4 他励直流电动机的调速一、电枢回路串电阻调速一、电枢回路串电阻调速优点优点：电枢串电阻调速设备简单，操作方便。2）低速时特性曲线斜率大,所以转速的相对稳定性差， 有冲击时转速波动大； 3）轻载时调速范围小；4）损耗大，效率低，不经济。对恒转矩负载，调速前、后Tem和Ia不变，输入功率不变，输出功率却随转速的下降而下降，减少的部分被串联电阻消耗了。缺点缺点：1）由于电阻只能分段调节，所以调速的平滑性差；23.4 他励直流电动机的调速二、降低电源电压调速二、降低电源电压调速Tem0nnNUTLNnA1U01nAB1n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

26、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。23.4 他励直流电动机的调速转速不突变Ea不突变2.4 他励直流电动机的调速二、降低电源电压调速二、降低电源电压调速优点优点：1）电源电压能够平滑调节，可实现无级调速。 2）调速前后的机械特性的斜率不变，硬度较高，负载变化时稳定性好。3）无论轻载还是负载，调速范围相同， 调速比一般可达 D=2.512。 4）输入功率同步减小，电能损耗较小。缺点缺点： 需要一套电压可连续调节的直流电源。三、减弱磁通调速三、减弱磁通调速01n1A1nBNTemnTL0nANn调节磁场前工作点弱磁瞬间工作点AA弱磁稳定后的工作

27、点23.4 他励直流电动机的调速转速不突变，但Ea减小电流增大三、减弱磁通调速三、减弱磁通调速减弱磁通调速前、后转速变化曲线减弱磁通前、后的电枢电流变化曲线tt=0naNInNn1n1aIaiai结论结论：磁场越弱，转速越高。因此电机运行时励磁回路不能开路。23.4 他励直流电动机的调速增大TZaCTI123.4 23.4 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速三、减弱磁通调速三、减弱磁通调速优点优点：由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。弱磁升速后电枢电流增能量损耗小，设备简单，调速平滑性好。

28、弱磁升速后电枢电流增大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，大，电动机的输入功率增大，但由于转速升高，输出功率也增大，电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。电动机的效率基本不变，因此经济性是比较好。2 2）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范）转速的升高受到电动机换向能力和机械强度的限制，升速范围不可能很大，一般围不可能很大，一般 D2D2； 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

29、 调速。调速。缺点：缺点：1）机械特性的斜率变大，特性变软；机械特性的斜率变大，特性变软；23.5 他励直流电动机的制动 当 与 的方向相同时，电机运行于电动机状态， 当 与 方向相反时，电机运行于制动状态。 emTemTnn2.5.1 能耗制动 U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBT需要制动时,将开关S投向制动电阻 上即可。BR 由于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动势 方向不变。由 产生的电枢电流 的方向与电动状态时的 方向相反,对应的电磁转矩 与 方向相反,为制动性质,电机处于制动状态。aEaBIaIemBTemT 制动运行时，电机靠生产机械的惯性力的拖动而发电，将生产机

30、械储存的动能转换成电能，消耗在电阻上，直到电机停止转动。0emP0emP23.5.1 能耗制动能耗制动时的机械特性为：ememNTeBaTTCCRRn02BaRR CBn0naRA0LTemT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U电动MaEaInemTfIS制动BRaBIemBT23.5.1 能耗制动 但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是NBaaaBIIRREI)5 . 22(max 能耗制动操作简单,但随着转速下降,电动势减小,制动电流和制动转矩也随着减小,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。BRBR即：aNaBRIER)5 . 22(其中 为制动瞬间的电枢电动势。aE23.5.2 反接制动 电压反接制动时接线如图所示。一、电压反接制动 开关S投向“电动”侧时，电枢接正极电压，电机处于电动状态。进行制动时，开关投向“制动”侧，电枢回路串入制动电阻 后，接上极性相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：BRBaaBaaaBRREURREUI 反向的电枢电流产生反