直流电机(机电传动控制)3

1、20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件1 1第第3 3章章 直流电机的工作原理及特性直流电机的工作原理及特性本章重点：本章重点： 了解直流电机的基本结构及工作原理；了解直流电机的基本结构及工作原理； 掌握直流电动机的机械特性；掌握直流电动机的机械特性； 掌握直流电动机启动、掌握直流电动机启动、 调速和制动等各种特性；调速和制动等各种特性； 掌握实现直流电动机启动、掌握实现直流电动机启动、 调速和制动的各种方法以调速和制动的各种方法以 及它们的使用场所。及它们的使用场所。20212021年年1212月月

2、1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2 2 电机分交流电机和直流电机两种：电机分交流电机和直流电机两种：直流电机直流电机工作电压为直流；工作电压为直流；交流电机交流电机工作电压为交流。工作电压为交流。 直流电机分直流电动机和直流发电机两种：直流电机分直流电动机和直流发电机两种：直流电动机直流电动机将电能转换为机械能；将电能转换为机械能；直流发电机直流发电机将机械能转换为电能。将机械能转换为电能。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3 3

3、直流电机与交流电机的比较直流电机与交流电机的比较 交流电机较直流电机的结构简单、制造容易、交流电机较直流电机的结构简单、制造容易、 维护方便、运行可靠；维护方便、运行可靠； 直流电机有交流电机不能比拟的直流电机有交流电机不能比拟的启动启动和和调速调速性能；性能； 直流电机更适合于调速要求高、正反转、启动和直流电机更适合于调速要求高、正反转、启动和 制动频繁的场合；制动频繁的场合； 直流电机即可作电动机使用，亦可作发电机使用；直流电机即可作电动机使用，亦可作发电机使用； 交流电机的正反转和调速需借助于复杂的控制电路。交流电机的正反转和调速需借助于复杂的控制电路。20212021年年1212月月1

4、414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4 43.1 3.1 直流电机的基本结构和工作原理直流电机的基本结构和工作原理3.1.1 3.1.1 直流电机的基本结构直流电机的基本结构如图所示：如图所示：直流电机结构包括定子和转子两大部分。直流电机结构包括定子和转子两大部分。也有分成三大部分的：定子、转子和换向器。也有分成三大部分的：定子、转子和换向器。定子部分定子部分主要由主要由定子铁心定子铁心和绕在上面的和绕在上面的励磁绕组励磁绕组两部分组成。两部分组成。转子部分转子部分主要由主要由电枢铁心电枢铁心和和电枢绕组电枢绕组两部分组成。两部分组

5、成。换向器换向器由由换向片换向片和和电刷电刷组成，电刷固定在定子上，组成，电刷固定在定子上，换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。换向片与电枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5 520212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6 620212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件7

6、720212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件8 820212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件9 920212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件101020212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件111120212021年年1212月月1414日

7、星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件121220212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件131320212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件141420212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件15153.1.1 3.1.1 直流电机的基本工作原理直流电机的基本工作原理 任何电机的工

8、作原理都是建立在电磁力和电磁感应任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应 这个基础上的。这个基础上的。 为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流电 机结构简化为图机结构简化为图3.53.5、图、图3.63.6所示的简单结构。此时，所示的简单结构。此时， 电机具仅有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，电机具仅有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈， 线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着 电刷电刷A A和和B B。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机

9、电传动控制机电传动控制教学课件教学课件1616发电机原理：发电机原理： 电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的电枢由原动机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的 两根有效边两根有效边abab和和cdcd（切割磁力线的导体部分）中便（切割磁力线的导体部分）中便 感应出电动势感应出电动势e e。 显然，每一有效边中的电动势是交变的。显然，每一有效边中的电动势是交变的。 但是，由于电刷但是，由于电刷A A、B B的位置的位置 不变，因此，在电刷间就出现不变，因此，在电刷间就出现 一个极性不变的电动势或电压，一个极性不变的电动势或电压， 当电刷之间接有负载时，当电刷之间接有负载时， 在电动势的作用下就

10、在电路中在电动势的作用下就在电路中 产生一恒定方向的电流。产生一恒定方向的电流。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件171720212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件1818电动机原理：电动机原理： 直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。 N N极下有效边中的电流总是一个方向，而极下有效边中的电流总是一个方向，而S S极上有效极上有效 边中的电流总是另一个方向，这样

11、就能使两个边上边中的电流总是另一个方向，这样就能使两个边上 受到的电磁力矩的方向一致，电枢因而转动。受到的电磁力矩的方向一致，电枢因而转动。 当线圈的有效边从当线圈的有效边从N N（S S）极下）极下 转到转到S S（N N）极上时，其中电流）极上时，其中电流 的方向通过换下器和电刷改变，的方向通过换下器和电刷改变， 使电磁力的方向保持不变。使电磁力的方向保持不变。 注意注意：此时，电枢线圈将产生：此时，电枢线圈将产生 反电动势。反电动势。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件1919电动势电动势E

12、E 根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为根据电磁学原理，两电刷间的感应电动势为: :nKE e 式中：式中：E E 感应电动势（感应电动势（V V）；）； 对磁极的磁通（对磁极的磁通（WbWb）；）； n n 电枢转速（电枢转速（r/minr/min）；）； K Ke e 与电机结构有关的常数。与电机结构有关的常数。 直流直流发电机发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为被称为电源电动势电源电动势。 直流直流电动机电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为被称为反电动势反电动势。 （重点）（重点）2

13、0212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2020电磁转矩电磁转矩T TM M 电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩，其大小可用如下公式表示：和电磁转矩，其大小可用如下公式表示： atM IKT 式中：式中：T TM M电磁转矩（电磁转矩（NmNm）；）； 对磁极的磁通（对磁极的磁通（WbWb）；）； I Ia a电枢电流（电枢电流（A A）；）； K Kt t与电机结构有关的常数，与电机结构有关的常数，K Kt t=9.55=9.55 K Ke e

14、（重点）（重点）20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2121 直流发电机和直流电机的电磁转矩的作用不同。直流发电机和直流电机的电磁转矩的作用不同。 发电机的发电机的电磁转矩是电磁转矩是阻转矩阻转矩，它与电枢，它与电枢转动的方向转动的方向 或原动机的或原动机的驱动转矩的方向驱动转矩的方向相反相反。 因此，在等速转动时，原动机的转矩因此，在等速转动时，原动机的转矩T T1 1必须与发电必须与发电 机的电磁转矩机的电磁转矩T TM M及空载损耗转矩及空载损耗转矩T T0 0相平衡。相平衡。 电动机的电动机

15、的电磁转矩是电磁转矩是驱动转矩驱动转矩，它使电枢转动。，它使电枢转动。 因此，电动机的电磁转矩因此，电动机的电磁转矩T TM M必须与机械负载转矩必须与机械负载转矩T TL L 及空载损耗转矩及空载损耗转矩T T0 0相平衡。相平衡。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2222 从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机从以上分析可知，直流电机作发电机运行和作电动机运行时，虽然都产生电动势运行时，虽然都产生电动势E和电磁转矩和电磁转矩T，但二者的作，但二者的作用正好相反，见用正好相反，见P.19

16、表表 3.1：电机运行方式电机运行方式E与与I的方向的方向E的作用的作用TM的性质的性质转矩之间的关转矩之间的关系系发电机发电机相同相同电源电动势电源电动势阻转矩阻转矩T1=TM+ T0电动机电动机相反相反反电动势反电动势驱动转矩驱动转矩TM= TL+ T020212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件23233.23.2直流发电机和电动机的基本方程直流发电机和电动机的基本方程3.2.13.2.1直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式根据励磁绕组的励磁方法来分类，直流电机可根据励磁绕组的励磁方法来分类，直流电机

17、可分为他励和自励两类。分为他励和自励两类。他励：他励：励磁电流是由另外的直流电源单独供电励磁电流是由另外的直流电源单独供电的。的。自励：自励：励磁电流是由电机电枢提供，它又可分励磁电流是由电机电枢提供，它又可分为三类：并励、串励和复励为三类：并励、串励和复励。 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2424a) 他励，其励磁绕组与电枢绕组无连接关系，由他励，其励磁绕组与电枢绕组无连接关系，由其他电源对励磁绕组供电；其他电源对励磁绕组供电；b) 并励，其励磁绕组与电枢绕组相并联；、并励，其励磁绕组与电枢

18、绕组相并联；、c) 串励，其励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于串励，其励磁绕组与电枢绕组串联后，再接于直流电源直流电源d)所示为复励，有并励和串励两个励磁绕组所示为复励，有并励和串励两个励磁绕组 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2525 其余三种其余三种 发电机的发电机的 励磁绕组中的励磁绕组中的 励磁电流均为励磁电流均为 电枢电流或电枢电流或 电枢电流的电枢电流的 一部分一部分故故 称自励发电机。称自励发电机。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门

19、工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件26263.2.2 3.2.2 直流发电机的基本方程直流发电机的基本方程 电压平衡方程 转矩平衡方程 aaUEI R10TTT0eUEKn20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件27273.2.3 3.2.3 直流电动机的基本方程式直流电动机的基本方程式 电压平衡方程 转矩平衡方程 功率平衡方程 aaUEI R0LTTT12PPP 1eCuaPPP0mfePPP02ePPP20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门

20、工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2828 直流电动机的机械特性：直流电动机的机械特性： 在电动机电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻在电动机电枢电压、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，转速为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，转速与电磁转矩之间的关系：与电磁转矩之间的关系： nf（T） 以直流他励电动机为例，说明：以直流他励电动机为例，说明： 直流他励电动机的机械特性直流他励电动机的机械特性 直流他励电动机的直流他励电动机的机械特性机械特性 直流他励电动机的直流他励电动机的机械特性机械特性 3.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性2021

21、2021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2929直流电动机的基本方程式：直流电动机的基本方程式：(1) (1) 转矩转矩方程式方程式 T KtIa(2)(2) 电势方程式电势方程式 E Ke n (3)(3) 电压平衡方程式电压平衡方程式 UEIaRannTKKRKUnteae 023.3.1 3.3.1 机械特性方程的一般表达式机械特性方程的一般表达式20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3030nnTKKRKUnt

22、eae 02 大的为大的为特性，倾斜程度特性，倾斜程度， 小的为小的为特性，倾斜程度特性，倾斜程度。ateRKKnTdndT2100 )(2teaKKR 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3131nnTKKRKUnteae 02（见第（见第4 4章）章）电动机运行时转速的电动机运行时转速的稳定程度的技术指标稳定程度的技术指标 大的为大的为特性，倾斜程度特性，倾斜程度， 小的为小的为特性，倾斜程度特性，倾斜程度。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工

23、学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件32323.3.2 直流电机的额定数据直流电机的额定数据 直流电机按照国家标准及电机设计和实验数直流电机按照国家标准及电机设计和实验数据规定的电机运行条件和运行状态运行时，其据规定的电机运行条件和运行状态运行时，其运转工况称为电机的运转工况称为电机的额定运转工况额定运转工况。 在额定运行条件下，电机各物理量的保证值在额定运行条件下，电机各物理量的保证值称为电机的额定数据或称为电机的额定数据或额定值额定值。 在额定情况下电机的在额定情况下电机的工作性能工作性能、安全性能安全性能都都比较好。比较好。 电机的额定数据一般都标在电机铭牌上，有电机的额定数据一

24、般都标在电机铭牌上，有以下几项：以下几项：20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件33331.电机轴上输出的机械功率。电机轴上输出的机械功率。2.额定工作情况下的电枢上加额定工作情况下的电枢上加 的直流电压。（例：的直流电压。（例：24V，110V） 3.额定电压下轴上输出额定功额定电压下轴上输出额定功 率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。率时的电流（并励包括励磁和电枢电流）。 （ ：效率）效率）20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机

25、电传动控制教学课件教学课件34345、额定转矩、额定转矩4.额定转速额定转速nN: 在在PN , UN , IN 时的转速。时的转速。 直流电机的转速一般在直流电机的转速一般在500500r/min 以上。特以上。特 殊的直流电机转速可以做到很低（如每分殊的直流电机转速可以做到很低（如每分 钟几转）或很高（每分钟钟几转）或很高（每分钟30003000转以上）。转以上）。调速时对于没有调速要求的电机，最大转速调速时对于没有调速要求的电机，最大转速 不能超过不能超过1.2nN 。 。NNNNnPPT955010320212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门

26、工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3535YZ08、YZ08A YZ08、YZ08A直流电动机，是为石油电传动钻机开发研制的大功率串励直流电动机。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件363620212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件373720212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3838 电枢电路电阻电枢电路

27、电阻 RRa ，( (附加附加Rad0) ) 电枢电压电枢电压 UUN， 磁通磁通 N 时的机械特性称为时的机械特性称为 由于由于Ra 很小，很小， 转矩转矩T 增大时，增大时，n 下降很小，所以下降很小，所以TKKRKUnNteaNeN2 1 1、固有机械特性、固有机械特性3.3.33.3.3、机械特性的计算、机械特性的计算 固有特性固有特性又称又称自然特性自然特性，是指在额定条件下的，是指在额定条件下的n = n = f f( (T T) )曲线。曲线。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件393

28、9（1 1）估算电枢电阻估算电枢电阻R Ra a：NNNNNaIUIUPR)1)(75. 050. 0( 根据根据电机铭牌电机铭牌可以计算出关键点而绘出该电机可以计算出关键点而绘出该电机 在额定条件下的在额定条件下的 n = n = f f( (T T) ) 特性曲线。特性曲线。重点重点 即即根据根据电机铭牌电机铭牌计算出计算出理想空载点理想空载点和和额定运行点额定运行点 的坐标，再据此近似地画出的坐标，再据此近似地画出 n = n = f f( (T T) ) 特性曲线。特性曲线。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动

29、控制教学课件教学课件4040（2 2）求求K Ke eN N：NaNNNenRIUK （3 3）求理想空载转速：求理想空载转速：NeNKUn 0（4 4）求额定转矩：求额定转矩：NNNNnPPT9550103重点重点20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4141 根据（根据（0,n0,n0 0）和（）和（T Tn n,n,nN N）两点就可以作出他励电动机）两点就可以作出他励电动机 的机械特性曲线。的机械特性曲线。 正转时，在第一象限；正转时，在第一象限； 反转时，在第三象限。反转时，在第三象限。20

30、212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4242 例3-1 一台Z2-51型他励电动机，已知额定功率PN = 5.5kW，额定电压UN = 220V，额定电流IN = 31A，额定转速nN = 1500r/min，若忽略损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于额定输出转矩，电动机在额定负载下的铜耗电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗约占总损耗 PN的的50%，试绘出这台电动机近似的固有机械特性。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电

31、传动控制教学课件教学课件4343 解 (1) 估算出电枢电阻Ra (2) 求KeN (3) 求理想空载转速n0 (4) 求额定转矩TN 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4444人为地改变三个量人为地改变三个量U、Ra之一而其他量不变时，之一而其他量不变时，可以改变特性曲线形状，得到的机械特性称人为机械特性。可以改变特性曲线形状，得到的机械特性称人为机械特性。 时的人为机械特性时的人为机械特性 时的人为机械特性时的人为机械特性 时的人为机械特性时的人为机械特性 电动机启动、调速、制动的方法就是利用

32、人为机械特性。电动机启动、调速、制动的方法就是利用人为机械特性。 改变外加电压和励磁电流的方向都可改变电动机的转向。改变外加电压和励磁电流的方向都可改变电动机的转向。TKKRKUnteae2 根据机械特性表达式根据机械特性表达式: :20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4545 电枢串电阻时的人为机械特性电枢串电阻时的人为机械特性保持保持UUN、N不变，不变，只在电枢回路中只在电枢回路中串入电阻串入电阻Rad的人为特性：的人为特性：特点：特点：（1）n0 不变，不变，变小；变小；（2）Rad 越大，

33、特性越软。越大，特性越软。( (Rad1Rad2) )TKKRRKUnNteadaNeN2 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4646 降低电枢电压时的人为机械特性降低电枢电压时的人为机械特性特点：（特点：（1）n0 随随 U 变化；变化； （2）U 不同，曲线不同，曲线 是一组平行线。是一组平行线。保持保持RRa、N不变，不变，只改变电枢电压只改变电枢电压U的人为特性：的人为特性： ( (UNU1U2) )TKKRKUnNteaNe2 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨

34、大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4747( (N12) ) 减弱励磁磁通时的人为机械特性减弱励磁磁通时的人为机械特性保持保持RRa、 UUN不变，不变，只改变励磁回路调节电阻只改变励磁回路调节电阻Rf的人为特性。的人为特性。 增大励磁电阻增大励磁电阻, , 即减少励磁电流时，即减少励磁电流时， 使磁通使磁通减少。减少。 特点：（特点：（1）弱磁，）弱磁，n0 增大；增大； （2）减小。减小。TKKRKUnteaeN2 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件484

35、8TKKRKUnNteaNeN2 三种人为机械特性的比较三种人为机械特性的比较 Rad1Rad2电枢串电阻电枢串电阻 UNU1U2降低电枢电压降低电枢电压 N12减弱励磁磁通减弱励磁磁通TKKRKUnteaeN2 TKKRKUnNteaNe2 TKKRRKUnNteadaNeN2 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件49493.4 3.4 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性 启动电动机就是施电于电动机，使电动机转子转动启动电动机就是施电于电动机，使电动机转子转动 起来，达到要求转速的过

36、程。起来，达到要求转速的过程。 对直流电动机而言，在未启动之前对直流电动机而言，在未启动之前n n =0=0、E E =0=0， 而而R Ra a一般很小。一般很小。 所以，当电动机被直接接入电网并施加额定电压时，所以，当电动机被直接接入电网并施加额定电压时， 启动电流为：启动电流为：aNst/ RUI 这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的这个电流很大，一般情况下能达到其额定电流的 （10102020）倍。）倍。3.4.1 3.4.1 启动特性启动特性20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件505

37、0 过大的启动电流危害很大：过大的启动电流危害很大：（1 1） 对电动机本身的影响：对电动机本身的影响： 使电动机在换向过程中产生危险的火花，使电动机在换向过程中产生危险的火花， 烧坏整流子（换向器）；烧坏整流子（换向器）； 过大的电枢电流产生过大的电动应力，过大的电枢电流产生过大的电动应力， 可能引起绕组的损坏。可能引起绕组的损坏。 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5151（2 2） 对机械系统的影响：对机械系统的影响： 启动转矩启动转矩与启动电流成与启动电流成正比正比例；例； 巨大的巨大的启

38、动转矩启动转矩在运动系统中产生很大的在运动系统中产生很大的 动态转矩动态转矩； 过大的过大的动态转矩动态转矩会在机械系统和传动机构中产生会在机械系统和传动机构中产生 过大的过大的动态转矩冲击动态转矩冲击，使机械传动部件损坏。，使机械传动部件损坏。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5252（3 3）对供电电网的影响：）对供电电网的影响： 过大的启动电流可能会导致保护装置过大的启动电流可能会导致保护装置动作动作， 导致切断电源，导致切断电源，造成事故造成事故； 或者引起或者引起电网电压的下降电网电压的

39、下降，影响其他负载的，影响其他负载的 正常运行。正常运行。因此，因此， 直流电动机是不允许直接启动的直流电动机是不允许直接启动的若要启动，必须设法限制电枢电流！若要启动，必须设法限制电枢电流！例如：普通的例如：普通的Z2Z2型直流电动机，规定电枢的瞬时电流型直流电动机，规定电枢的瞬时电流 不得大于额定电流的不得大于额定电流的1.51.52 2倍。倍。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件53533.4.2 3.4.2 限流启动方法限流启动方法 限制直流电动机的启动电流，有两种方法：限制直流电动机的启动

40、电流，有两种方法： 降压启动降压启动和和在电枢回路中串接电阻在电枢回路中串接电阻。1. 1. 降压启动：降压启动：即在启动瞬间，降低供电电源电压。即在启动瞬间，降低供电电源电压。随着电机转速的升高，反电势增大，此时随着电机转速的升高，反电势增大，此时逐步逐步提高供提高供电电压；电电压；最后达到额定电压时，电机也达到了要求的转速。最后达到额定电压时，电机也达到了要求的转速。现代工业控制，多用电力电子技术来实现降压启动。现代工业控制，多用电力电子技术来实现降压启动。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5

41、4542. 2. 在电枢回路中串接电阻在电枢回路中串接电阻 启动时，电枢回路中串接启动电阻启动时，电枢回路中串接启动电阻R Rstst，此时，此时 启动电流为：启动电流为： Ist=UN/(Ra+Rst)。 该电流的大小将受到外加启动电阻的限制。该电流的大小将受到外加启动电阻的限制。 随着转速的升高，反电势增大，既可逐步切除外加随着转速的升高，反电势增大，既可逐步切除外加 电阻，直到切除全部外加电阻，电动机逐步达到所电阻，直到切除全部外加电阻，电动机逐步达到所 要求的工作转速。要求的工作转速。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控

42、制机电传动控制教学课件教学课件5555 P.29.P.29.图图3.233.23所示为所示为一段一段启动电阻的他励电机原理及启动电阻的他励电机原理及 启动特性。启动特性。 直线直线1 1为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性；为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性； 直线直线2 2为电动机的固有机械特性。为电动机的固有机械特性。 启动电阻的大小就是保证最大启动电流为：启动电阻的大小就是保证最大启动电流为： 额定值的两倍额定值的两倍。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5656电枢回路接入电网时，

43、电枢回路接入电网时，KMKM断开，电动机工作在特性断开，电动机工作在特性1 1上，在动态转上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到a a点时，点时，KMKM闭合，电闭合，电动机的机械特性变为动机的机械特性变为2 2。由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作用。由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的工使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的工作点从作点从a a点切换到点切换到b b点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上升直到稳定点升直到

44、稳定点c c。 很大的冲很大的冲击电流击电流20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5757图图3.243.24为为三段三段启动电阻的他励电机启动特性和原理图。启动电阻的他励电机启动特性和原理图。上述电机从工作点上述电机从工作点a a切换到切换到b b点时，冲击电流仍很大，点时，冲击电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用为了解决这种现象，通常采用逐级逐级切除启动电阻切除启动电阻的方的方法来实现。法来实现。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动

45、控制机电传动控制教学课件教学课件5858 由上可见，启动级数愈多，由上可见，启动级数愈多，T T1 1、T T2 2愈接近平均转矩：愈接近平均转矩：221avTTT 启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。 国产标准控制柜都是按快速启动原则设计的，国产标准控制柜都是按快速启动原则设计的， 一般启动电阻为（一般启动电阻为（3 34 4）段。）段。 多级启动时，多级启动时，T T1 1、T T2 2的数值需按照电动机的的数值需按照电动机的 具体启动条件决定。具体启动条件决定。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华

46、侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件59593.5 3.5 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性 调速调速（又称速度调节）与（又称速度调节）与速度变化速度变化是两个完全是两个完全 不同的概念不同的概念。 电动机的电动机的调速调速是在一定的负载条件下，人为地改变是在一定的负载条件下，人为地改变 电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。电动机的电路参数，以改变电动机的稳定转速。 如图所示：如图所示：人为地改变人为地改变（或（或 调节）电枢回路的电阻大小调节）电枢回路的电阻大小 造成转速下降，故这种人为造成转速下降，故这种人为 改变某些参数而造成速度的改变某些参数而

47、造成速度的 变化，称变化，称调速调速或或速度调节速度调节。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6060 速度变化速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（是指由于电动机的负载转矩发生变化（ 增大与减小）或其它不可预见因素引起的电动机增大与减小）或其它不可预见因素引起的电动机 转速的变化（下降或上升），如图所示。转速的变化（下降或上升），如图所示。 总之，速度变化是在某条总之，速度变化是在某条 机械特性曲线上，由于负载机械特性曲线上，由于负载 改变而引起的；改变而引起的； 而速度调节则是在某一特定的而

48、速度调节则是在某一特定的 负载下，靠人为改变机械特性负载下，靠人为改变机械特性 而得到的。而得到的。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6161TKKRRKUnteadae2 由直流他励电机机械特性方程：由直流他励电机机械特性方程：知：知： 可通过改变串入电枢回路的电阻可通过改变串入电枢回路的电阻R Radad、电枢供电、电枢供电 电压电压U U或主磁通或主磁通得到不同的得到不同的人为机械特性人为机械特性，从而从而 在在负载不变的情况下负载不变的情况下，改变改变电机电机转速转速。 因此，直流电机调速

49、方法有因此，直流电机调速方法有三种三种： 改变电枢电外串电阻改变电枢电外串电阻R Radad； 改变电枢供电电压改变电枢供电电压U U； 改变电机主磁通改变电机主磁通。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6262 3.5.1 改变电枢电路外串改变电枢电路外串电阻调速电阻调速 调速方法的特点是简单，但调速方法的特点是简单，但缺点是机械特性较软，速度缺点是机械特性较软，速度的稳定性差；空载或轻载时的稳定性差；空载或轻载时调速范围不大；在调速电阻调速范围不大；在调速电阻上耗能多。上耗能多。因此目前应用很因

50、此目前应用很少，仅在起重机、卷扬机等少，仅在起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系低速运转时间不长的传动系统中使用统中使用。 nnTKKRRKUnNteaadNeN 02 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件63633.5.2 改变电动机电枢供电电压调速改变电动机电枢供电电压调速 可实现无级调速，由于机可实现无级调速，由于机械特性硬度不变，所以调械特性硬度不变，所以调速的稳定性高，调速范围速的稳定性高，调速范围较大，是直流传动系统中较大，是直流传动系统中应用最广泛的调速方法。应用最广泛的调速方法。

51、但受电枢材料绝缘性能的但受电枢材料绝缘性能的限制，电枢电压必须在低限制，电枢电压必须在低于额定电压范围内变化，于额定电压范围内变化，故该调速方法故该调速方法只能在额定只能在额定转速以下调节转速以下调节。 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6464 3.5.3 改变电动机主磁通调速改变电动机主磁通调速 可实现无级调速，但只能可实现无级调速，但只能采用弱磁升速的方法，即采用弱磁升速的方法，即在额定转速以上调节。在额定转速以上调节。由由于调速特性较软，且受电于调速特性较软，且受电动机换向条件和机械强度动

52、机换向条件和机械强度的限制，最高转速不得超的限制，最高转速不得超过额定转速的过额定转速的1.21.2倍，所倍，所以以调速范围不大。一般与调速范围不大。一般与调压调速配合使用调压调速配合使用, ,即在即在额定转速以下，采用降压额定转速以下，采用降压调速，而在额定转速以上调速，而在额定转速以上，则采用弱磁调速。，则采用弱磁调速。 20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6565当磁通过分消弱后，如果负载转矩不变，电机电流当磁通过分消弱后，如果负载转矩不变，电机电流将大大增加，从而产生过载现象。将大大增加，从

53、而产生过载现象。 必须注意的是：必须注意的是：当当=0=0时，电机转速将升到机械强度不允许的程度。时，电机转速将升到机械强度不允许的程度。因此，直流他励电机因此，直流他励电机启动前启动前必须必须先加励磁电流先加励磁电流，且在运转中决不允许励磁电流为零。且在运转中决不允许励磁电流为零。为此，直流他励电机在使用中，一般都设有为此，直流他励电机在使用中，一般都设有“失磁失磁”保护措施。保护措施。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6666 改变电机主磁通改变电机主磁通 的调速机械特性如图的调速机械特性如图

54、3.293.29所示：所示： 即改变主磁通即改变主磁通 可以达到调速的目的。可以达到调速的目的。 降速时沿降速时沿c-d-bc-d-b进行，升速时沿进行，升速时沿b-e-cb-e-c进行。进行。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件67673.6 3.6 直流他励电动机的制动特性直流他励电动机的制动特性电动机的两种工作状态电动机的两种工作状态 从能量转换来看，电动机有从能量转换来看，电动机有2 2种工作状态：种工作状态： 电动状态电动状态和和制动状态制动状态。1) 1) 电动状态电动状态基本状态基本状

55、态，0LM TTT TM M为拖动转矩，为拖动转矩，T TL L为阻转矩为阻转矩 。此时，电动机的作用是将电能转换机械能，此时，电动机的作用是将电能转换机械能， 故称这种状态为故称这种状态为电动状态电动状态。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件68682 2）制动状态：）制动状态：，0)(LM TTT TM M为阻转矩，为阻转矩，T TL L为拖动转矩为拖动转矩 。 电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称电动机的作用是吸收或消耗重物的机械能。故称 电动机的这种工作状态为电动机的这种工作状态为制动

56、状态制动状态。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6969电机制动状态分为两种：电机制动状态分为两种：1 1、稳定制动状态、稳定制动状态 例如卷扬机放下重物时，为了限制位能负载的例如卷扬机放下重物时，为了限制位能负载的 运动速度，电机转速保持不变，以保证重物的运动速度，电机转速保持不变，以保证重物的 匀速下降。匀速下降。2 2、过度制动状态、过度制动状态 例如在降速或停车制动时，电机转速是变化的。例如在降速或停车制动时，电机转速是变化的。区别在于转速是否变化！区别在于转速是否变化！根据直流他励电机制

57、动时的根据直流他励电机制动时的外部条件外部条件和和能量传递情况能量传递情况，制动状态分为：制动状态分为：反馈制动反馈制动、反接制动反接制动和和能耗制动能耗制动。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件70703.6.1 3.6.1 反馈制动反馈制动 电机正常接线时，在外部电机正常接线时，在外部 条件作用下，电机的条件作用下，电机的实际实际 转速转速n n大于大于其其理想空载转速理想空载转速 n n0 0，此时，电机即运行于，此时，电机即运行于 反馈制动状态。反馈制动状态。例：例：电车，走平路时，其电机工

58、作在电车，走平路时，其电机工作在 电动状态下，电磁转矩电动状态下，电磁转矩T T 克服克服 摩擦性负载转矩摩擦性负载转矩T Tr r，即，即T=TT=Tr r， 以转速以转速n na a稳定在工作点稳定在工作点a a。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件7171 故故，电枢中电流，电枢中电流I Ia a的方向便的方向便 与电动状态时相反，转矩也相反，与电动状态时相反，转矩也相反， 直到直到T TP P = T + T = T + Tr r，即，即T = TT = TP P- T- Tr r， 此时，

59、电机以此时，电机以n nb b的稳定转速控制的稳定转速控制 电车下坡。电车下坡。 当电车下坡时，电车位能性当电车下坡时，电车位能性 负载转矩负载转矩T TP P使电车加速，使电车加速， 转速转速n n增加，超过增加，超过n n0 0，感应，感应 电动势电动势E E大于电源电压大于电源电压U U， 故故，其机械特性是第一象限中电动状态下的机械，其机械特性是第一象限中电动状态下的机械 特性曲线在第二象限内的延伸。特性曲线在第二象限内的延伸。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件7272 卷扬机卷扬机下放重

60、物时，也能产生反馈制动。下放重物时，也能产生反馈制动。 从而保持重物匀速下降。从而保持重物匀速下降。 设电机正转时提升重物。设电机正转时提升重物。 机械特性曲线在第一象限。机械特性曲线在第一象限。 若改变加在电机电枢上的电压极性，若改变加在电机电枢上的电压极性， 则电机反转，其理想空载转矩为则电机反转，其理想空载转矩为 -n -n0 0，机械特性曲线在第三象限。，机械特性曲线在第三象限。20212021年年1212月月1414日星期二日星期二华侨大学厦门工学院华侨大学厦门工学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件7373 电机反转，在电磁转矩电机反转，在电磁转矩T T与负载与负载 转矩转矩