直流电机的工作原理及特性

1、第三章第三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一、直流电动机一、直流电动机 本章要求掌握直流电机的基本工作原理及特性，本章要求掌握直流电机的基本工作原理及特性，特别是直流电动机的机械特性；特别是直流电动机的机械特性；掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以掌握直流电动机启动、调速和制动的各种方法以及各种方法的优缺点和应用场所。及各种方法的优缺点和应用场所。 一、直流电动机一、直流电动机 电动机有直流电动机和交流电动机两大类，电动机有直流电动机和交流电动机两大类，直流电动机虽不及交流电动机结构简单、制造容直流电动机虽不及交流电动机结构简单、制造容易、维护方便、运行可靠，易、维护方

2、便、运行可靠，但由于长期以来交流电动机的调速问题未能得到但由于长期以来交流电动机的调速问题未能得到满意的解决，在此之前，直流电动机具有交流电满意的解决，在此之前，直流电动机具有交流电动机所不能比拟的良好的启动性能和调速性能。动机所不能比拟的良好的启动性能和调速性能。一、直流电动机一、直流电动机 到目前为止，虽然交流电动机的调速问题已经解到目前为止，虽然交流电动机的调速问题已经解决，决，但是在速度调节要求较高，正、反转和启、制动但是在速度调节要求较高，正、反转和启、制动频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采频繁或多单元同步协调运转的生产机械上，仍采用直流电动机拖动。用直流电动机拖动。3.1

3、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直流电机的结构包括定子和转子两部分。定子和直流电机的结构包括定子和转子两部分。定子和转子之间由空气隙分开。定子的作用是产生主磁转子之间由空气隙分开。定子的作用是产生主磁场和在机械上支撑电机，场和在机械上支撑电机，它的组成部分有主磁极、换向极、机座、端盖和它的组成部分有主磁极、换向极、机座、端盖和轴承等，电刷也用电刷座固定在定子上。轴承等，电刷也用电刷座固定在定子上。转子的作用是产生感应电势或产生机械转矩以实转子的作用是产生感应电势或产生机械转矩以实现能量的转换，现能量的转换，3.1 直流电机的基本结构和工作

4、原理它的组成部分有电枢铁心、电枢绕组、换向器、它的组成部分有电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇等。图轴、风扇等。图3.1所示的为直流电机结构，所示的为直流电机结构，图图3. 2所示的为二极直流电机的剖瓦图。现分别介所示的为二极直流电机的剖瓦图。现分别介绍如下：转子的作用是产生感应电势或产生机械绍如下：转子的作用是产生感应电势或产生机械转矩以实现能量的转换，它的组成部分有电枢铁转矩以实现能量的转换，它的组成部分有电枢铁心、电枢绕组、换向器、轴、风扇等。图心、电枢绕组、换向器、轴、风扇等。图3 .1所示所示的为直流电机结构，图的为直流电机结构，图3. 2所示的为二极直流电机所示的为二极直流电机的

5、剖面图。现分别介绍如下：的剖面图。现分别介绍如下：3.1 直流电机的基本结构和工作原理3.1 直流电机的基本结构和工作原理3.1 直流电机的基本结构和工作原理1.主磁极主磁极主磁极包括主磁极铁心和套在上面的励磁绕组，主磁极包括主磁极铁心和套在上面的励磁绕组，其主要任务是产生主磁场。磁极下面扩大的部分其主要任务是产生主磁场。磁极下面扩大的部分称为极掌，称为极掌，它的作用是使通过空气隙中的磁通分布最为合适，它的作用是使通过空气隙中的磁通分布最为合适，并使励磁绕组能牢固地固定在铁心上。磁极是磁并使励磁绕组能牢固地固定在铁心上。磁极是磁路的一部分，采用路的一部分，采用1.01.5mm的钢片叠压制成。的

6、钢片叠压制成。励磁绕组用绝缘铜线绕成。励磁绕组用绝缘铜线绕成。3.1 直流电机的基本结构和工作原理2换向极换向极 换向极用来改善电抠电流的换向性能。它也是由换向极用来改善电抠电流的换向性能。它也是由铁心和绕组构成，用螺杆固定在定子的两个主磁铁心和绕组构成，用螺杆固定在定子的两个主磁极的中间。极的中间。 3. 机座机座 机座一方面用来固定主磁极，换向极和端盖等，机座一方面用来固定主磁极，换向极和端盖等，并作整个电机的支架用地脚螺钉将电机固定在基并作整个电机的支架用地脚螺钉将电机固定在基础上，另一方面也是电机磁路的一部分，故用铸础上，另一方面也是电机磁路的一部分，故用铸钢或者是钢板压成。钢或者是钢

7、板压成。3.1 直流电机的基本结构和工作原理4. 电枢铁心电枢铁心电枢铁心是主磁通磁路的一部分，用硅钢片叠成，电枢铁心是主磁通磁路的一部分，用硅钢片叠成，呈圆柱形，表面冲了槽，槽内嵌放电枢绕组。为呈圆柱形，表面冲了槽，槽内嵌放电枢绕组。为了加强铁心的冷却，电枢铁心上有轴向通风孔，了加强铁心的冷却，电枢铁心上有轴向通风孔，如图如图3. 3所示。所示。 5. 电枢绕组电枢绕组电枢绕组是直流电机产生感应电势及电磁转矩以电枢绕组是直流电机产生感应电势及电磁转矩以实现能量转换的关键部分。绕组一般由铜线绕成，实现能量转换的关键部分。绕组一般由铜线绕成，包上绝缘后嵌入电枢铁心的槽中，为了防止离心包上绝缘后嵌

8、入电枢铁心的槽中，为了防止离心力将绕组甩出槽外，用槽楔将绕组导体楔在槽内。力将绕组甩出槽外，用槽楔将绕组导体楔在槽内。 3.1 直流电机的基本结构和工作原理6. 换向器换向器 换向器的作用对发电机而言是将电枢绕组内感应换向器的作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流的交流c电动势转换成电刷间的直流电动势。对电电动势转换成电刷间的直流电动势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交流电流，并保证每一磁极下，电枢导体的组的交流电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。电流的方向不变，以产生恒定的电磁转矩。换向器由很

9、多彼此绝缘的铜片组合而成，这些铜换向器由很多彼此绝缘的铜片组合而成，这些铜片称为换向片，每个换向片都和电抠绕组连接。片称为换向片，每个换向片都和电抠绕组连接。图图3. 4所示的是换向器的结构图。所示的是换向器的结构图。3.1 直流电机的基本结构和工作原理7. 电刷装置电刷装置电刷装鬣包括电刷及电刷座，它们固定在电刷装鬣包括电刷及电刷座，它们固定在定子上，其电刷与换向器保持滑动接触，定子上，其电刷与换向器保持滑动接触，以便将电枢绕组和外电路接通。以便将电枢绕组和外电路接通。 3.1.2 直流电机的基本工作原理 任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感任何电机的工作原理都是建立在电磁力和电磁感应

10、这个基础上的，直流电机也是如此。应这个基础上的，直流电机也是如此。为了讨论直流电机的工作原理，可把复杂的直流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罔电机结构简化为罔3.5和图和图3. 6所示的工作原理图。所示的工作原理图。电机具有一对磁极，电枢绕组只是一个线圈，线电机具有一对磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷刷A和和B。3.1.2 直流电机的基本工作原理 3.1.2 直流电机的基本工作原理 直流电机作为发电机运行直流电机作为发电机运行(图图3. 5)时，电枢由原动时，电枢由原动机驱动而在磁场中旋

11、转，在电枢线圈的两根有效机驱动而在磁场中旋转，在电枢线圈的两根有效边边(切割磁力线的导体部分切割磁力线的导体部分)中便感应出电动势中便感应出电动势e。显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在显然，每一有效边中的电动势是交变的，即在N极下是一个方向，当它转到极下是一个方向，当它转到S极下时是另一个方极下时是另一个方向。向。3.1.2 直流电机的基本工作原理 但是，由于电刷但是，由于电刷A总是同与总是同与N极下的有效边相联的极下的有效边相联的换向片接触，而电刷换向片接触，而电刷B总是同与总是同与S极下的有效边相极下的有效边相联的换向片接触，因此，在电刷间就出现一个极联的换向片接触，因此，在电刷间就

12、出现一个极性不变的电动势或电压。性不变的电动势或电压。换向器的作用在于将发电机电枢绕组内的交流电换向器的作用在于将发电机电枢绕组内的交流电动势变换成电刷之间的极性不变的电动势。动势变换成电刷之间的极性不变的电动势。3.1.2 直流电机的基本工作原理当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产生一定方向的电流。电路中产生一定方向的电流。直流电机作电动机运行直流电机作电动机运行(图图3. 6)时，将直流电源接时，将直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该是这样的：电流方向应该是这样的：N极下的有效边中的电

13、极下的有效边中的电流总是一个方向，而流总是一个方向，而S极下的有效边中的电流总极下的有效边中的电流总是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁是另一个方向，这样才能使两个边上受到的电磁力的方向一致，电枢因而转动。力的方向一致，电枢因而转动。3.1.2 直流电机的基本工作原理当线圈的有效边从当线圈的有效边从N(S)极下转到极下转到S(N)极下时，其极下时，其中电流的方向必须同时改变，以使电磁力的方向中电流的方向必须同时改变，以使电磁力的方向不变，而这也必须通过换向器才得以实现。不变，而这也必须通过换向器才得以实现。电动机电枢线圈通电后在磁场中受力而转动，这电动机电枢线圈通电后在磁场中受力而转动，

14、这是问题的一个方面；是问题的一个方面；另外，当电枢在磁场中转动时，线圈中也要产生另外，当电枢在磁场中转动时，线圈中也要产生感应电动势感应电动势e，这个电动势的方向，这个电动势的方向(由右手定则确由右手定则确定定)与电流或外加电压的方向总是相反，称为反电与电流或外加电压的方向总是相反，称为反电势，它与发电机中电动势的作用是不同的。势，它与发电机中电动势的作用是不同的。3.1.2 直流电机的基本工作原理直流电机电刷间的电动势常用下式表示：直流电机电刷间的电动势常用下式表示： (3.1)式中，式中，E电动势电动势(V)；一对磁极的磁通一对磁极的磁通(Wb)； n 电枢转速电枢转速(rmin)； Ke

15、与电机结构有关的常数。与电机结构有关的常数。nKEe3.1.2 直流电机的基本工作原理直流电机电枢绕组中的电流与磁通相互作用，产生直流电机电枢绕组中的电流与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。直流电机的电磁转矩常用下式电磁力和电磁转矩。直流电机的电磁转矩常用下式表示：表示： (3. 2)式中，式中，T电磁转矩电磁转矩(Nm)；一对磁极的磁通一对磁极的磁通(Wb)； Ia电枢电流电枢电流(A)； Kt与电机结构有关的常数，与电机结构有关的常数，Kt9.55Ke 。atIKT3.1.2 直流电机的基本工作原理直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的

16、。的。发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向发电机的电磁转矩是阻转矩，它与电枢转动的方向或原动机的驱动转矩的方向相反，在图或原动机的驱动转矩的方向相反，在图3. 5中，应中，应用左手定则就可看出。用左手定则就可看出。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T1必须与发电必须与发电机的电磁转矩机的电磁转矩T及空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。3.1.2 直流电机的基本工作原理当发电机的负载当发电机的负载(即电枢电流即电枢电流)增加时，电磁转矩和增加时，电磁转矩和输出功率也随之增加，这时原动机的驱动转矩和所输出功率也随之增加，这时原动机的驱动转矩和所供给的

17、机械功率亦必须相应增加，以保持转矩之间供给的机械功率亦必须相应增加，以保持转矩之间及功率之间的平衡，而转速基本上不变。及功率之间的平衡，而转速基本上不变。电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。电电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。电动机的电磁转矩动机的电磁转矩T，必须与机械负载转矩，必须与机械负载转矩n及空载及空载损耗转矩损耗转矩T0相平衡。相平衡。3.1.2 直流电机的基本工作原理当轴上的机械负载发生变动时，则电动机的转速、当轴上的机械负载发生变动时，则电动机的转速、电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。负

18、载的变化，保持新的平衡。当负载增加，即阻转矩增加时，电动机的电磁转矩当负载增加，即阻转矩增加时，电动机的电磁转矩暂时小于阻转矩，转速开始下降，随着转速的下降，暂时小于阻转矩，转速开始下降，随着转速的下降，当磁通当磁通不变时，反电动势不变时，反电动势E必将减小，而电枢电必将减小，而电枢电流流 增加，于是电磁转矩也随着增加，增加，于是电磁转矩也随着增加，直到电磁转矩与阻转矩达到新的平衡后，转速不再直到电磁转矩与阻转矩达到新的平衡后，转速不再下降，而电动机以较原先为低的转速稳定运行。下降，而电动机以较原先为低的转速稳定运行。aaREUI/ )( 3.1.2 直流电机的基本工作原理这时的电枢电流已大于

19、原先的数值，也就是说从电这时的电枢电流已大于原先的数值，也就是说从电源输入的功率增加了。源输入的功率增加了。 (电源电压保持不变电源电压保持不变)。直流电机作发电机运行和作电动机运行刚，虽然都直流电机作发电机运行和作电动机运行刚，虽然都产生电动势产生电动势E和电磁转矩和电磁转矩T，但二者的作用正好相，但二者的作用正好相反，见表反，见表3. l。3.2 直流发电机直流发电机的运行情况受励磁绕组连接方法的影响，直流发电机的运行情况受励磁绕组连接方法的影响，因此，直流发电机通常按励磁方法来分类，分为他因此，直流发电机通常按励磁方法来分类，分为他励、并励、串励和复励发电机，图励、并励、串励和复励发电机

20、，图3. 7所示的是它所示的是它们的结构图。们的结构图。3.2 直流发电机他励发电机的励磁绕组是由外电源供电的，励磁电他励发电机的励磁绕组是由外电源供电的，励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。其余三种发流不受电枢端电压或电枢电流的影响。其余三种发电机的励磁电流即为电枢电流或为电枢电流的部分，电机的励磁电流即为电枢电流或为电枢电流的部分，也称为自励发电机。也称为自励发电机。并励绕组与电枢并联，它的导线较细而匝数较多，并励绕组与电枢并联，它的导线较细而匝数较多，因而电阻较大，其中通过的电流较小；因而电阻较大，其中通过的电流较小；串励绕组与电枢串联，其中通过较大的电枢电流，串励绕组与电枢串联，其

21、中通过较大的电枢电流，故它的导线较粗而匝数较少，电阻很小。故它的导线较粗而匝数较少，电阻很小。3.2.1 他励发电机在某些特殊设备中的直流发电机也有用永久在某些特殊设备中的直流发电机也有用永久磁铁来产生所需磁场的，这种直流发电机称磁铁来产生所需磁场的，这种直流发电机称为永磁式发电机。为永磁式发电机。3.2.1 他励发电机他励发电机他励发电机的原理电路图如图他励发电机的原理电路图如图3. 8所示。图中，所示。图中，R是负载电阻；是负载电阻；I是负载电流；是负载电流； 是励磁调节是励磁调节电阻；电阻；Ra是电枢电阻；是电枢电阻；Ia是电枢电流。是电枢电流。E和和U分别为发电机的电动势和端电压。分别

22、为发电机的电动势和端电压。 fR3.2.1 他励发电机3.2.1 他励发电机他他励发电机中，电压与电流间的关系可用下列各式励发电机中，电压与电流间的关系可用下列各式表示：表示： (3.3) (3.4) (3. 5)当发电机空载时，当发电机空载时， , 发电机的电动势等于其发电机的电动势等于其空载端电压空载端电压U0 ， aaRUEI/aaRIEUIIaRUI/0aInKEUe03.2.1 他励发电机磁通磁通的大小决定于励磁电流的大小决定于励磁电流If ，而，而If 是可以通过改是可以通过改变电阻变电阻Rf来调节的。来调节的。在发电机空载及转速为常数在发电机空载及转速为常数(额定值额定值)的条件

23、下，表示的条件下，表示电动势电动势E与励磁电流与励磁电流If之间关系的曲线称为空载特性之间关系的曲线称为空载特性曲线曲线因为因为E正比于正比于，而，而 是一条磁化曲线，是一条磁化曲线，所以，空载特性曲线与磁化曲线相似所以，空载特性曲线与磁化曲线相似(图图3.9)。)(fIfE )(fIf3.2.1 他励发电机由图由图3. 9可见，空载特性曲线不是从坐标原点开始，可见，空载特性曲线不是从坐标原点开始，当当 ，已有一个数值不大的电动势，已有一个数值不大的电动势E，(约约为额定电压的为额定电压的25)，它是由磁极的剩磁产生，它是由磁极的剩磁产生的。特性曲线的开始部分近于一条直线，因为这的。特性曲线的

24、开始部分近于一条直线，因为这时电机磁路尚未饱和时电机磁路尚未饱和 ；而后逐渐向横轴方向弯曲，；而后逐渐向横轴方向弯曲，最后又较平坦，这是由于发电机磁路渐趋饱和的最后又较平坦，这是由于发电机磁路渐趋饱和的缘故。缘故。0fI3.2.1 他励发电机空载特性曲线是发电机的基本运行特性之一，它表空载特性曲线是发电机的基本运行特性之一，它表明可利用改变励磁电流的方法来获得所需的电压。明可利用改变励磁电流的方法来获得所需的电压。通常发电机的工作点都在中段弯曲部分。通常发电机的工作点都在中段弯曲部分。保持发电机的转速保持发电机的转速n为额定值，调节励磁电流以获为额定值，调节励磁电流以获得所需的空载电压得所需的

25、空载电压U0 ，然后接上负载，当增加负，然后接上负载，当增加负载时，发电机的端电压逐渐下降。载时，发电机的端电压逐渐下降。3.2.1 他励发电机在发电机的转速在发电机的转速n和励磁电流和励磁电流If为常数的条件下，为常数的条件下，表示发电机端电压表示发电机端电压U与负载电流与负载电流I之间关系的曲线之间关系的曲线称为外特性曲线称为外特性曲线 如图如图3.10所示。所示。)(IfU 3.2.1 他励发电机由式由式(3. 3)可知，当他励发电机的负载电流增加时，可知，当他励发电机的负载电流增加时，电枢电压降电枢电压降IaRa增加，端电压增加，端电压U就下降。就下降。图图3.10中，中，UN和和IN

26、是发电机电压和电流的额定值。是发电机电压和电流的额定值。在他励发电机中，从空载到满载在他励发电机中，从空载到满载(额定负载额定负载)电压的电压的变化率大约为变化率大约为5%10% ，欲保持端电压不变，必，欲保持端电压不变，必须相应增加励磁电流。须相应增加励磁电流。 (3. 6)%1000NNUUUU3.2. 2 并励发电机并励发电机的原理电路如图并励发电机的原理电路如图3. 11所示，励磁绕组所示，励磁绕组与电枢并联。并励发电机的电压与电流间的关系与电枢并联。并励发电机的电压与电流间的关系可用下列各式表示：可用下列各式表示： (3.7) (3.8) (3.9) (3.10)aaRIEUaaRU

27、EI/ )(ffRUI/RUI/IIIIfa3.2. 2 并励发电机由于励磁电路的电由于励磁电路的电阻阻Rf(包括励磁绕包括励磁绕组的电阻和励磁调组的电阻和励磁调节电阻节电阻Rf通常是通常是几百几百，而电枢电，而电枢电路的电阻路的电阻Ra一般一般不到不到1, ,所以，励所以，励磁电流磁电流If较电枢电较电枢电流小得多，可认为，流小得多，可认为，IaI 。3.2. 2 并励发电机并励发电机与他励发电机的励磁方法不同，所以并励发电机与他励发电机的励磁方法不同，所以二者电压的建立也不同，他励发电机的励磁电流二者电压的建立也不同，他励发电机的励磁电流由外电源供给，电压的建立是容易理解的。由外电源供给，

28、电压的建立是容易理解的。并励发电机电压能建立的首要条件是发电机的磁并励发电机电压能建立的首要条件是发电机的磁极要有剩磁，发电机被原动机驱动而以恒定转速极要有剩磁，发电机被原动机驱动而以恒定转速转动时，电枢绕组切割剩磁磁力线而在其中产生转动时，电枢绕组切割剩磁磁力线而在其中产生一个很小的电动势一个很小的电动势E，在此电动势的作用下，励，在此电动势的作用下，励磁电路中产生一个小小的起始励磁电流，这就是磁电路中产生一个小小的起始励磁电流，这就是并并(自自)励发电机中励磁电流的由来。励发电机中励磁电流的由来。3.2. 2 并励发电机电压能建立的第二个条件是起始励磁电流所产生电压能建立的第二个条件是起始

29、励磁电流所产生的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同，这样，磁的磁场的方向与剩磁磁场的方向相同，这样，磁场才能加强，磁场的加强使电动势随之增大，电场才能加强，磁场的加强使电动势随之增大，电动势的增大进而使励磁电流增大，再次增大磁通动势的增大进而使励磁电流增大，再次增大磁通及电动势，如此反复增加下去。及电动势，如此反复增加下去。由于磁饱和现象，会使它们最终稳定下来。图由于磁饱和现象，会使它们最终稳定下来。图3.12中的曲线中的曲线E=f(If)是并励发电机的空载特性曲线，它是并励发电机的空载特性曲线，它符合磁化规律。符合磁化规律。3.2. 2 并励发电机由图由图3.12还可看出，还可看出，交点的位置与

30、电阻交点的位置与电阻Rf值有关，值有关， Rf增大时，增大时，直线斜率直线斜率tg也增大，也增大，建立起来的电压要低建立起来的电压要低些，当些，当Rf过大时，过大时，电电压就建立不起来。这压就建立不起来。这是电压能否建立的第是电压能否建立的第三个条件。三个条件。3.2. 2 并励发电机并励发电机与负载接并励发电机与负载接通后，在转速通后，在转速n及励及励磁电路的电阻磁电路的电阻Rf为常为常数的条件下，表示发数的条件下，表示发电机端电压电机端电压U与负载与负载电流电流I之间关系的之间关系的U=f(I) 曲线称为外特曲线称为外特性曲线，如图性曲线，如图3.13所所示。示。一、直流电动机一、直流电动

31、机 3.2. 2 并励发电机并励发电机的外特性曲线与他励发电机的外特性并励发电机的外特性曲线与他励发电机的外特性曲线基本上是一样的，但由于前者励磁电路的电曲线基本上是一样的，但由于前者励磁电路的电压就是电枢的端电压，其值随负载增大而减小。压就是电枢的端电压，其值随负载增大而减小。励磁电流电随负载的增大而减小。这样，发电机励磁电流电随负载的增大而减小。这样，发电机的端电压将下降得更多一些。的端电压将下降得更多一些。 3.2.3 复励发电机 如果在发电机磁极如果在发电机磁极上除绕上并励绕组外，上除绕上并励绕组外，再绕一个与电枢串联再绕一个与电枢串联的串励绕组，则为一的串励绕组，则为一复励发电机，其

32、原理复励发电机，其原理电路图如图电路图如图3.14所示。所示。在复励发电机的这两在复励发电机的这两个励磁绕组中通人电个励磁绕组中通人电流后，它们产生的磁流后，它们产生的磁场方向通常是相同的。场方向通常是相同的。3.2.3 复励发电机 在并励发电机中其端电压随着负载电流的增大在并励发电机中其端电压随着负载电流的增大而下降。但在复励发电机中，当负载电流增大时，而下降。但在复励发电机中，当负载电流增大时，串励绕组能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。串励绕组能自动增加磁通，以补偿端电压的下降。在复励发电机的正常运行范围内，其端电压变化在复励发电机的正常运行范围内，其端电压变化不大，这是它的优点。不大，

33、这是它的优点。 3.3.1 直流他励电动机的机械特性直流电动机也是按励磁方法分为他励、并励、串直流电动机也是按励磁方法分为他励、并励、串励和复励四类。励和复励四类。图图3. 15所示为直流他励电动机与直流并励电动机所示为直流他励电动机与直流并励电动机的原理电路图，电枢回路中的电压平衡方程式为的原理电路图，电枢回路中的电压平衡方程式为 (3. 11)以以 代入代入得得 (3. 12) 称为直流电动机的转速特性称为直流电动机的转速特性nf(Ia) 。因为。因为 Ia=T/(Kt) )aaRIEUnKEeaeaeIKRKUn3.3.1 直流他励电动机的机械特性3.3.1 直流他励电动机的机械特性再以

34、再以 Ia=T/(Kt)代入，代入，可得直流电动机机械特性的一般表达式为可得直流电动机机械特性的一般表达式为 (3.13)由于电动机的励磁方式不同，磁通由于电动机的励磁方式不同，磁通随随Ia和和T变化变化的规律也不同，所以在不同励磁方式下，式的规律也不同，所以在不同励磁方式下，式(3. 13)所表示的机械特性形状就有差异。所表示的机械特性形状就有差异。nnTKKRKUnteae023.3.1 直流他励电动机的机械特性对他励与并励而言，对他励与并励而言，当当Uf与与U同属一个电同属一个电源，且不考虑供电电源，且不考虑供电电源的内阻时，这两种源的内阻时，这两种电动机励磁电流电动机励磁电流If(或或

35、磁通磁通)的大小均与的大小均与电枢电流电枢电流Ia无关，因无关，因此，它们的机械特性此，它们的机械特性是一样的，如图是一样的，如图3. 16所示。所示。3.3.1 直流他励电动机的机械特性式式(3. 13)中，当中，当T=0时的转速时的转速 称为称为理理 想空载转速。实际上，电动机总存在空载制动想空载转速。实际上，电动机总存在空载制动转矩，靠电动机本身的作用是不可能使其转速上转矩，靠电动机本身的作用是不可能使其转速上升到升到n0的。的。 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，记作性硬度的概念，记作，其定义为，其定义为 eKUn03.3

36、.1 直流他励电动机的机械特性 (3. 1 4)即转矩变化即转矩变化dT与所引起的转速变化与所引起的转速变化dn的比值称的比值称为机械特性的硬度，根据为机械特性的硬度，根据值的不同，可将电动机值的不同，可将电动机机械特性分为三类。机械特性分为三类。(1)绝对硬特性绝对硬特性()：如交流同步电动机的机械：如交流同步电动机的机械特性。特性。(2)硬特性硬特性(10)：如直流他励电动机的机械特性，：如直流他励电动机的机械特性，交流异步电动机机械特性的上半部。交流异步电动机机械特性的上半部。 %100nTdndT3.3.1 直流他励电动机的机械特性(3)软特性软特性(TL，所以系统开始加速，反电势，所

37、以系统开始加速，反电势E也随转也随转速速n的上升而增加，电枢电流则逐渐减步，电动机的上升而增加，电枢电流则逐渐减步，电动机转矩也相应减少，电动机的工作点将沿转矩也相应减少，电动机的工作点将沿UN特性由特性由g点向点向a点移动，直到点移动，直到n=na时时T又下降到又下降到T=TL，此时，此时电动机已工作在一个新的稳定转速电动机已工作在一个新的稳定转速n。由于调压调速过程中由于调压调速过程中= =N N= =常数，所以，当常数，所以，当TL=常数时，稳定运行状态下的电枢电流常数时，稳定运行状态下的电枢电流Ia也是一个常也是一个常数，而与电枢电压数，而与电枢电压U的大小无关。的大小无关。3.5.2

38、 改变电动机电枢供电电压U这种调速方法的特点是：这种调速方法的特点是：(I)当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，一般只能在额定转速以下调节；节，一般只能在额定转速以下调节；(2)调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；不变，调速的稳定度较高，调速范围较大；3.5.2 改变电动机电枢供电电压U(3)调速时，因电枢电流与电压调速时，因电枢电流与电压U无关，且无关，且 电动机转矩电动机转矩T=KtN NI Ia a不变，属恒转矩调速，适合不变，属恒转矩调速，适合于对恒转矩型负

39、载进行调速；于对恒转矩型负载进行调速；(4)可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。启动设备。过去调压电源是用直流发电机组、电机放大机组、过去调压电源是用直流发电机组、电机放大机组、汞弧整流器、闸流管等，目前普遍采用晶闸管整汞弧整流器、闸流管等，目前普遍采用晶闸管整流装置，用晶体管脉宽调制放大器供电的系统已流装置，用晶体管脉宽调制放大器供电的系统已应用于工业生产中。应用于工业生产中。N3.5.3 改变电动机主磁通改变电动机主磁通改变电动机主磁通的机械特性示于图的机械特性示于图3. 29中，从特性可看中，从特性可看出在一定的负载功出在一定的负载功

40、率率Pt下，不同的主磁下，不同的主磁通通N N、1 1、2 2 ，可以得到不同的转速可以得到不同的转速na、nb、nc、，即，即改变主磁通可以达到改变主磁通可以达到调速的目的。调速的目的。 3.5.3 改变电动机主磁通在不考虑励磁电路的电感时，电动机调速时的机在不考虑励磁电路的电感时，电动机调速时的机电过程如图电过程如图3.29所示，降速时沿所示，降速时沿cdb进行即进行即从稳定转速从稳定转速nc降至稳定转速降至稳定转速nb；升速时沿；升速时沿bec进行，即从进行，即从nb升至升至nc。这种调速方法的特点是：这种调速方法的特点是：(1)可以平滑无级谰速，但只能弱磁调速，即在额可以平滑无级谰速，

41、但只能弱磁调速，即在额定转速以上调节；定转速以上调节；3.5.3 改变电动机主磁通(2)调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制,普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的普通他励电动机的最高转速不得超过额定转速的1. 2倍，所以，调速范围不大，倍，所以，调速范围不大，若使用特殊制造的若使用特殊制造的“调速电动机调速电动机”，调速范围可，调速范围可以增加，但这种调速电动机的体积和所消耗的材以增加，但这种调速电动机的体积和所消耗的材料都比普通电动机大得多；料都比普通电动机大得多；(3)调速时维持电枢电压调速时维持电枢电压U和电枢电流和电枢电流Ia不变，即功

42、不变，即功率率 P=UIa不变，属恒功率调速，不变，属恒功率调速，3.5.3 改变电动机主磁通这种调速适合于对恒功率型负载进行调速，在这这种调速适合于对恒功率型负载进行调速，在这种情况下电动机的转矩种情况下电动机的转矩T=KtI Ia a要随主磁通要随主磁通的的减小而减小。减小而减小。基于弱磁调速范围不大，它往往是和调压调速配基于弱磁调速范围不大，它往往是和调压调速配合使用，即在额定转速以下，用降压调速，而在合使用，即在额定转速以下，用降压调速，而在额定转速以上，则用弱磁调速。额定转速以上，则用弱磁调速。3.6 直流他励电动机的制动特性电动机的制动是与启动相对应的一种工作状态，电动机的制动是与

43、启动相对应的一种工作状态，启动是从静止加速到某一稳定转速，而制动则是启动是从静止加速到某一稳定转速，而制动则是从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负从某一稳定转速开始减速到停止或是限制位能负载下降速度的一种运转状态。载下降速度的一种运转状态。电动机的制动与自然停车是两个不同的概念，自电动机的制动与自然停车是两个不同的概念，自然停车是电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩然停车是电动机脱离电网，靠很小的摩擦阻转矩消耗机械能使转速慢慢下降，直到转速为零而停消耗机械能使转速慢慢下降，直到转速为零而停车，车，3.6 直流他励电动机的制动特性这种停车过程需时较长，不能满足生产机械的要这种停车过程需时较长

44、，不能满足生产机械的要求，为了提高生产效率，保证产品质量，需要加求，为了提高生产效率，保证产品质量，需要加快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行快停车过程，实现准确停车等，要求电动机运行在制动状态，常简称为电动机的制动。在制动状态，常简称为电动机的制动。就能量转换的观点而言，电动机有两种运转状态，就能量转换的观点而言，电动机有两种运转状态，即电动状态和制动状态。即电动状态和制动状态。3.6 直流他励电动机的制动特性电动状态是电动机最基本的工作状态，其特点是电动状态是电动机最基本的工作状态，其特点是电动机所发出的转矩电动机所发出的转矩T的方向与转速的方向与转速n的方向相同，的方向相同，如图如

45、图3. 30(a)所示所示, 当起重机提升重物时，电动机将当起重机提升重物时，电动机将电源输入的电能转换成机械能，使重物电源输入的电能转换成机械能，使重物G以速度以速度v上升；上升；但电动机也可工作在其发出的转矩但电动机也可工作在其发出的转矩T与转速与转速n方向方向相反的状态，如图相反的状态，如图3.30(b)所示，这就是电动机的所示，这就是电动机的制动状态。制动状态。3.6 直流他励电动机的制动特性3.6 直流他励电动机的制动特性此时，为使重物稳速下降，电动机必须发出与转此时，为使重物稳速下降，电动机必须发出与转速方向相反的转矩，以吸收或消耗重物的机械位速方向相反的转矩，以吸收或消耗重物的机

46、械位能，否则重物由于重力作用，其下降速度将愈来能，否则重物由于重力作用，其下降速度将愈来愈快愈快 。当生产机械要由高速运转迅速降到低速或者生产当生产机械要由高速运转迅速降到低速或者生产机械要求迅速停车时，也需要电动机发出与旋转机械要求迅速停车时，也需要电动机发出与旋转方向相反的转矩，来吸收或消耗机械能，使它迅方向相反的转矩，来吸收或消耗机械能，使它迅速制动。速制动。3.6 直流他励电动机的制动特性电动机的制动状态有两种形式：电动机的制动状态有两种形式： 一是在卷扬机下一是在卷扬机下放重物时为限制位能负载的运动速度，电动机的放重物时为限制位能负载的运动速度，电动机的转速不变，以保持重物的匀速下降

47、，这属于稳定转速不变，以保持重物的匀速下降，这属于稳定的制动状态；的制动状态；二是在降速或停车制动时，电动机的转速是变化二是在降速或停车制动时，电动机的转速是变化的，则属于过渡的制动状态。的，则属于过渡的制动状态。 3.6 直流他励电动机的制动特性两种制动状态的区别在于转速是否变化，它们的两种制动状态的区别在于转速是否变化，它们的共同点是，电动机发出的转矩共同点是，电动机发出的转矩T与转速与转速n方向相反，方向相反，电动机工作在发电机运行状态，电动机吸收或消电动机工作在发电机运行状态，电动机吸收或消耗机械能耗机械能(位能或动能位能或动能)，并将其转化为电能反馈回，并将其转化为电能反馈回电网或消

48、耗在电枢电路的电阻中。电网或消耗在电枢电路的电阻中。根据直流他励电动机处于制动状态时的外部条件根据直流他励电动机处于制动状态时的外部条件和能量传递情况，它的制动状态分为反馈制动、和能量传递情况，它的制动状态分为反馈制动、反接制动、能耗制动三种形式。反接制动、能耗制动三种形式。3.6.1 反馈制动电动机为正常接法时，在电动机为正常接法时，在外部条件作用下电动机的外部条件作用下电动机的实际转速大于其理想空载实际转速大于其理想空载转速转速n。 此时，电动机即此时，电动机即运行于反馈制动状态。如运行于反馈制动状态。如电车走平路时，电动机工电车走平路时，电动机工作在电动状态，电磁转矩作在电动状态，电磁转

49、矩T克服摩擦性负载转矩克服摩擦性负载转矩Tr并以并以na转速稳定在转速稳定在a点工点工作，作，3.6.1 反馈制动如图如图331所示，当电车下坡时，电车位能负载转矩所示，当电车下坡时，电车位能负载转矩n使电车加速，转速使电车加速，转速n增加，越过增加，越过no继续加速继续加速 ，使，使nn0 ，感应电势，感应电势E大于电源电压大于电源电压U，故电枢中电流，故电枢中电流Ia的方向便与电动状态相反，转矩的方向也由于电的方向便与电动状态相反，转矩的方向也由于电流方向的改变而变得与电动运转状态相反，直到流方向的改变而变得与电动运转状态相反，直到T=Tp+Tr时，电动机以时，电动机以nb的稳定转速控制电

50、车下的稳定转速控制电车下坡，坡，这时是电车的位能转矩带动电动机发电。把机械这时是电车的位能转矩带动电动机发电。把机械能转变成电能，向电源馈送，故称反馈制动，也能转变成电能，向电源馈送，故称反馈制动，也称再生制动或发电制动。称再生制动或发电制动。3.6.1 反馈制动 在反馈制动状态下电动机的机械特性表达式仍是在反馈制动状态下电动机的机械特性表达式仍是式式(3. 21)。所不同的仅是。所不同的仅是T改变了符号改变了符号(T为负值为负值)，而理想空载转速和特性的斜率均与电动状态下的而理想空载转速和特性的斜率均与电动状态下的一致，一致，电动机正转时，反馈制动状态下的机械特性是第电动机正转时，反馈制动状

51、态下的机械特性是第一象限中电动状态下的机械特性在第二象限内的一象限中电动状态下的机械特性在第二象限内的延伸。延伸。 3.6.1 反馈制动 在电动机电枢电压突然降低使电动机转速降低的在电动机电枢电压突然降低使电动机转速降低的 过程中，也会出现反馈制动状态，过程中，也会出现反馈制动状态， 例如原来电压为例如原来电压为U1，相应的机械特性为图，相应的机械特性为图3 .32中中的直线的直线1，在某一负载下以，在某一负载下以n1运行在电动状态，当运行在电动状态，当电枢电压由电枢电压由U1突降为突降为U2时，对应的理想空载转速时，对应的理想空载转速为为n02，机械特性变为直线，机械特性变为直线2。 但由于

52、电动机转速和由它所决定的电枢电势不能但由于电动机转速和由它所决定的电枢电势不能突变，若不考虑电枢电感的作用，则电枢电流将突变，若不考虑电枢电感的作用，则电枢电流将由由3.6.1 反馈制动当当n02 n1，即即U2-n0时，时，EU，Ia改变方向，改变方向，电动机转矩电动机转矩T变为正值，其方向与变为正值，其方向与TL相反，系统的状态进入第相反，系统的状态进入第四象限，电动机进人反馈制动状态，四象限，电动机进人反馈制动状态，3.6.1 反馈制动在在TL的作用下，状态由的作用下，状态由b点继续向点继续向c点移动，电枢点移动，电枢电流和它所建立的电磁制动转矩电流和它所建立的电磁制动转矩T随转速的上升

53、而随转速的上升而增大，直到增大，直到n=-nC ，T=TL时为止，时为止，此时系统的稳定平衡点在第四象限中的此时系统的稳定平衡点在第四象限中的c点，电动点，电动机以机以n=-nC 的转速在反馈制动状态下稳定运行，以的转速在反馈制动状态下稳定运行，以保持重物匀速下降。保持重物匀速下降。3.6.1 反馈制动若改变电枢电路中的附加电阻若改变电枢电路中的附加电阻Rad的大小，也可以的大小，也可以调节反馈制动状态下电动机的转速，但与电动状调节反馈制动状态下电动机的转速，但与电动状态下的情况相反。反馈制动状态下附加电阻越大，态下的情况相反。反馈制动状态下附加电阻越大，电动机转速越高，见图电动机转速越高，见

54、图3. 33(b)中所示的中所示的c、d两点。两点。为使重物下降速度不致过高，串接的附加电阻不为使重物下降速度不致过高，串接的附加电阻不宜过大。但即使不串接任何电阻，重物下放过程宜过大。但即使不串接任何电阻，重物下放过程中电动机的转速仍高于中电动机的转速仍高于n0，如果下放的工件较重，如果下放的工件较重，则采用这种制动方式运行是不太安全的。则采用这种制动方式运行是不太安全的。3.6.2 反接制动当他励电动机的电枢电压当他励电动机的电枢电压U或电枢电势或电枢电势E中的任一中的任一个在外部条件作用下改变了方向，即二者由方向个在外部条件作用下改变了方向，即二者由方向相反变为方向一致时，电动机即运行于

55、反接制动相反变为方向一致时，电动机即运行于反接制动状态。状态。把改变电枢电压把改变电枢电压U的方向所产生的反接制动称为电的方向所产生的反接制动称为电源反接制动；源反接制动；把改变电枢电势把改变电枢电势E的方向所产生的反接制动称为倒的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。拉反接制动。 3.6.2 反接制动1.电源反接制动电源反接制动如图如图3. 34所示，所示，若电动机原运若电动机原运行在正向电动行在正向电动状态，电动机状态，电动机电枢电压电枢电压U的极的极性如图性如图3.343.6.2 反接制动(a)中的虚线所示，此时电动机稳速运行在第一象中的虚线所示，此时电动机稳速运行在第一象限中特性曲线限

56、中特性曲线1的的a点，转速为点，转速为na。若电枢电压若电枢电压u的极性突然反接，如图的极性突然反接，如图3. 34(a)之实线之实线所示时，此时电势平衡方程式为所示时，此时电势平衡方程式为 E=-U-Ia(Ra +Rad) (3. 22)3.6.2 反接制动电势电势E、电枢电流、电枢电流Ia的方向为电动状态下假定的正的方向为电动状态下假定的正方向。以方向。以E=Ken n ，I Ia a=T=T/(K/(Kt t) )代人式代人式(3.22)，便可得到电源反接制动状态的机械，便可得到电源反接制动状态的机械特性表达式特性表达式TKKRRKUnteadae23.6.2 反接制动当理想空载转速当理

57、想空载转速n。变为。变为-n0=-U/(Ke) )时，电动机时，电动机的机械特性曲线为围的机械特性曲线为围3. 34(b)中的直线中的直线2，其反接制，其反接制动特性曲线在第二象限。动特性曲线在第二象限。由于在电源极性反接的瞬间，电动机的转速和它由于在电源极性反接的瞬间，电动机的转速和它所决定的电枢电势不能突变，若不考虑电枢电感所决定的电枢电势不能突变，若不考虑电枢电感的作用，此时系统的状态由直线的作用，此时系统的状态由直线l的的a点变到直线点变到直线2的的b点，电动机发出与转速点，电动机发出与转速n方向相反的转矩方向相反的转矩T(即即T为负值为负值)，3.6.2 反接制动它与负载转矩共同作用

58、，使电机转速迅速下降，它与负载转矩共同作用，使电机转速迅速下降，制动转矩将随制动转矩将随n的下降而减小，系统的状态沿直线的下降而减小，系统的状态沿直线2自自b点向点向c点移动。点移动。当当n下降到零时，反接制动过程结束。下降到零时，反接制动过程结束。这时若电枢还不从电源拉开，电动机将反向启动，这时若电枢还不从电源拉开，电动机将反向启动，并将在并将在d点点(TL为反抗转矩时为反抗转矩时)或或f点点(TL为位能转矩为位能转矩时时)建立系统的稳定平衡点。建立系统的稳定平衡点。 3.6.2 反接制动在反接制动期间，电枢电势在反接制动期间，电枢电势E和电源电压和电源电压U是串联是串联相加的，因此，为了限

59、制电枢电流相加的，因此，为了限制电枢电流Ia，电动机的电，电动机的电枢电路中必须串接足够大的限流电阻枢电路中必须串接足够大的限流电阻Rad 电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、电源反接制动一般应用在生产机械要求迅速减速、停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。停车和反向的场合以及要求经常正反转的机械上。3.6.2 反接制动2. 倒拉反接制动倒拉反接制动 如图如图3.35所示，在进行倒拉反所示，在进行倒拉反接制动以前，设电动机处于正向电动状态，以接制动以前，设电动机处于正向电动状态，以na转速稳定运转，提升重物。转速稳定运转，提升重物。3.6.2 反接制动若欲下放重物，则需在电枢电路

60、内串人附加电阻若欲下放重物，则需在电枢电路内串人附加电阻Rad ，这时电动机的运行状态将由自然特性曲线这时电动机的运行状态将由自然特性曲线1的的a点过渡到人为特性曲线点过渡到人为特性曲线2的的c点，电动机转矩点，电动机转矩T远远小于负载转矩小于负载转矩TL，传动系统转速下降传动系统转速下降(即提升重物上升的速度减慢即提升重物上升的速度减慢)，即沿着特性曲线即沿着特性曲线2向下移动。向下移动。3.6.2 反接制动由于转速下降，电势由于转速下降，电势E减小，电枢电流增大，则电减小，电枢电流增大，则电动机转矩动机转矩T相应增大，但仍比负载转矩相应增大，但仍比负载转矩TL小，小，系统速度继续下降，即重