第3章直流电机的工作原理及特性

1、20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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。20222022年年3 3月月

2、1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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。20222022年年3 3月

4、月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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。

5、两部分组成。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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5 520222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6 620222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课

6、件教学课件7 720222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件8 820222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件9 920222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件101020222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件111120222022年年

7、3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件121220222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件131320222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件141420222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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

8、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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大

9、学机电学院武汉理工大学机电学院机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

10、接有负载时， 在电动势的作用下就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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件171720222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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

11、有效 边中的电流总是另一个方向，这样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 的方向通过换向器和电刷改变，的方向通过换向器和电刷改变， 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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教

12、学课件教学课件1919电动势电动势E 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（电动势常数）（电动势常数）。 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

13、流的方向相反，被称为被称为反电动势反电动势。 （重点）（重点）20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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

14、电机结构有关的常数，K Kt t=9.55=9.55 K Ke e（重点）（重点）20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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

15、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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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

16、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+ T020222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件23233.2 3.2 直流发电机直流发电机 直流发电机通常按励磁方法分为：他励、并励、直流发电机通常按励磁方法分为：他励、并励、 串励和

17、复励。串励和复励。 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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件2424自学各种发电机的机械特性。自学各种发电机的机械特性。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件25253.3 3.3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性直流电动机

18、按定子励磁绕组的励磁方式分为四类：直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式分为四类：1 1、他励电动机他励电动机：励磁绕组：励磁绕组 由外加电源单独供电，由外加电源单独供电， 励磁电流的大小与电枢励磁电流的大小与电枢 两端电压或电枢电流的两端电压或电枢电流的 大小无关。大小无关。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件26262 2、并励电动机并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，：励磁绕组与电枢绕组并联连接， 由外部电源一起供电。由外部电源一起供电。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四

19、武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件27273 3、串励电动机串励电动机：励磁绕组与电枢绕组串联连接，：励磁绕组与电枢绕组串联连接， 由外部电源一起供电。由外部电源一起供电。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件28284 4、复励电动机复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电：励磁绕组分为两部分，一部分与电 枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组串联连接。枢绕组并联连接，另一部分与电枢绕组串联连接。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉

20、理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件29293.3.1 3.3.1 他励电动机的机械特性他励电动机的机械特性 首先回顾一下什么是机械特性？首先回顾一下什么是机械特性？ 我们把我们把同一轴上同一轴上负载负载转矩转矩与与转速转速之间的之间的函数关系函数关系 称为机电传动系统的称为机电传动系统的负载特性负载特性。（。（P.10.- 2.3 P.10.- 2.3 节）节） 就是生产机械的负载特性，有时也称为生产机械的就是生产机械的负载特性，有时也称为生产机械的 机械特性机械特性。 因此，因此，我们研究的目标对象就是我们研究的目标对象就是负载负载转矩转矩与与转速转

21、速 之间的之间的函数关系函数关系。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3030 若我们约定：若我们约定： I Ia a 电枢电流；电枢电流； R Ra a 电枢电阻；电枢电阻； E E 电枢电动势；电枢电动势； U U 电机端电压；电机端电压； U Uf f 励磁绕组端电压；励磁绕组端电压； R Rf f 励磁调节电阻；励磁调节电阻； I If f 励磁绕组电流。励磁绕组电流。 由电磁学理论很容易由电磁学理论很容易 推得：推得：nnTKKRKUnteae 02 直流电机机械特性直流电机机械特性一般

22、表达式一般表达式重点重点20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3131 由由P.18.P.18.式式3.23.2知：知：atIKT 即，即，磁通磁通随随I Ia a和和T T 变化的规律变化的规律随电机的随电机的励磁方式励磁方式 的不同而的不同而不同不同。 所以，不同所以，不同励磁方式励磁方式下，电机的特性曲线就有差异。下，电机的特性曲线就有差异。 他励电动机的机械特性如图他励电动机的机械特性如图3.163.16所示。所示。 对于他励和并励电动机而言，对于他励和并励电动机而言， 当当U Uf f和和

23、U U同属于一个电源，且不同属于一个电源，且不 考虑供电电源内阻时，这两种电机考虑供电电源内阻时，这两种电机 的的I If f或或的大小均与的大小均与I Ia a无关，因此无关，因此 它们的机械特性是一样的。它们的机械特性是一样的。atM IKT 20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3232 图图3.163.16中的中的n n0 0是是理想空载转速理想空载转速。 是当是当T=0T=0时，电机应达到的转速。时，电机应达到的转速。 但实际上，电机总存在空载但实际上，电机总存在空载 制动转矩，因此，仅靠

24、电机自身制动转矩，因此，仅靠电机自身 的作用是永远无法达到这个的作用是永远无法达到这个 转速的。转速的。 理想空载转速是电机机械特性的一个理想空载转速是电机机械特性的一个重要特征点重要特征点。重点重点20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3333 在实际应用中，我们最关心的是在实际应用中，我们最关心的是 转矩的变化对转速的影响转矩的变化对转速的影响。 为了衡量这个变化的影响，引进为了衡量这个变化的影响，引进 机械特性硬度机械特性硬度这个概念：这个概念：%100 nTdndT 即转矩变化即转矩变化dT

25、dT与所引起的转速变化与所引起的转速变化dndn的比，称为：的比，称为： 机械特性的硬度机械特性的硬度。 根据根据值的不同，可将电机特性分为三类：值的不同，可将电机特性分为三类： 绝对硬特性、硬特性、软特性绝对硬特性、硬特性、软特性。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3434 机电系统稳定运行的充分必要条件的表述中：机电系统稳定运行的充分必要条件的表述中：电动机的机械特性电动机的机械特性n= f（Tm） 与负载特性与负载特性n= f（TL）有交点；）有交点；dndTdndTLM 电机的机械特性硬

26、度电机的机械特性硬度应小于负载的应小于负载的20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件35351 1、固有机械特性、固有机械特性 电机的机械特性有电机的机械特性有固有特性固有特性和和人为特性人为特性之分。之分。 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。（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

27、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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3636（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

28、矩：求额定转矩：min/55. 9rNWNNmNNnPPT 重点重点20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3737 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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件3838 人为机

29、械特性是指公式人为机械特性是指公式 中的供电电压中的供电电压U U 或磁通或磁通 不是额定值、电枢电路中不是额定值、电枢电路中 接有外加电阻接有外加电阻R Radad时的机械特性。（三种）时的机械特性。（三种）nnTKKRKUnteae 02 2 2、人为机械特性、人为机械特性（1 1）电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性；电枢回路中串接附加电阻时的人为机械特性；重点重点（2 2）改变电枢电压改变电枢电压U U 时的人为机械特性；时的人为机械特性；（3 3）改变磁通改变磁通时的人为机械特性。时的人为机械特性。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大

30、学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件39393.3.2 3.3.2 串励电动机的机械特性串励电动机的机械特性 串励电机的励磁电流就是它的串励电机的励磁电流就是它的 电枢电流，其电枢电流，其每极磁通每极磁通就是就是 电枢电流的函数电枢电流的函数，也是电机，也是电机 转矩的函数转矩的函数。 所以它的机械特性曲线可分为所以它的机械特性曲线可分为 两段。两段。 第一段，电机负载较轻，电枢第一段，电机负载较轻，电枢 电流较小，电机磁路的磁饱和度不高，可近似地认电流较小，电机磁路的磁饱和度不高，可近似地认 为为每极磁通每极磁通和和电枢电流电枢电流I Ia a成正比成正比。类双曲线。类双曲线。

31、 第二段，电机负载较重，电枢电流较大，电机磁路第二段，电机负载较重，电枢电流较大，电机磁路 趋于磁饱，可近似地认为趋于磁饱，可近似地认为每极磁通每极磁通为为常数常数。 此时，近似一条直线。此时，近似一条直线。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4040 串励电机的机械特性的硬度串励电机的机械特性的硬度 比他励电机小得多，即为比他励电机小得多，即为 软特性。也就是说负载的软特性。也就是说负载的 大小对电机的转速大小对电机的转速影响很大影响很大。由图可见：由图可见： 当负载转矩较大时，电机当负载转矩较

32、大时，电机 转速较低，当负载较轻时，转速较低，当负载较轻时， 电机转速又能很快上升，这电机转速又能很快上升，这 很适合于运输机械的拖动。很适合于运输机械的拖动。 当启动电流一定时，串励电机的启动转矩大于他励当启动电流一定时，串励电机的启动转矩大于他励 电机的启动转矩，所以，串励电机多用于起重、电机的启动转矩，所以，串励电机多用于起重、 运输机械的拖动。运输机械的拖动。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4141使用串励电动机的注意事项使用串励电动机的注意事项 串励电机绝不允许空载运行，因为此时转速

33、极高，串励电机绝不允许空载运行，因为此时转速极高， 所产生的离心力足以将电枢绕组元件甩出槽外。所产生的离心力足以将电枢绕组元件甩出槽外。 串励电机虽然可以反转，但不能直接改变电源极性，串励电机虽然可以反转，但不能直接改变电源极性， 只能通过专门的开关控制电路改变电枢或励磁绕组只能通过专门的开关控制电路改变电枢或励磁绕组 的电源极性来实现反转。的电源极性来实现反转。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件42423.3.3 3.3.3 复励电动机的机械特性复励电动机的机械特性 复复励电机具有他励和串励两

34、个励电机具有他励和串励两个 绕组，工业上常用的是积复励绕组，工业上常用的是积复励 电机，即电机，即他励和串励绕组所产他励和串励绕组所产 生的磁通方向一致生的磁通方向一致。 它的机械特性介于他励电机和它的机械特性介于他励电机和 串励电机之间。串励电机之间。 它的机械特性依串励磁通所占的比重不同而不同。它的机械特性依串励磁通所占的比重不同而不同。 串励磁通所占的比重大，则机械特性就较软。串励磁通所占的比重大，则机械特性就较软。 一般一般串励磁通在额定负载时，占全部磁通串励磁通在额定负载时，占全部磁通30%30%左右。左右。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武

35、汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件43433.4 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

36、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20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4444 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。 20222022

37、年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4545（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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制

38、机电传动控制教学课件教学课件4646（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

39、。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件47473.4.2 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

40、，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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件48482. 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，

41、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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件4949 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

42、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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5050电枢回路接入电网时，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

43、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稳定点c c。 很大的冲很大的冲击电流击电流20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5151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

44、 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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5252 图中：图中：T T1 1 尖峰（最大允许电流）转矩；尖峰（最大允许电流）转矩； T T2 2 换接（最小）转矩。换接（最小）转矩。 20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5353 图中：图中：T T1

45、 1 尖峰（最大允许电流）转矩；尖峰（最大允许电流）转矩； T T2 2 换接（最小）转矩。换接（最小）转矩。 (1)(1)电枢接入电网时，电枢接入电网时，KMKM1 1、KMKM2 2和和KMKM3 3均断开，均断开， 电枢回路串接外加电阻电枢回路串接外加电阻R Rad3ad3= =R R1 1+ +R R2 2+ +R R3 3，此时，此时， 电动机工作在特性曲线电动机工作在特性曲线a a，在转矩，在转矩 T T1 1的作用下，的作用下， 转速沿曲线转速沿曲线a a上升；上升；20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动

46、控制教学课件教学课件5454 (2)(2)当转速上升使工作点到达当转速上升使工作点到达2 2时，时，KMKM1 1闭合，即切除闭合，即切除 电阻电阻R R3 3 ，此时电枢回路串接外加电阻，此时电枢回路串接外加电阻R Rad2ad2= =R R1 1+ +R R2 2， 电动机的机械特性变为曲线电动机的机械特性变为曲线b b。由于机械惯性的。由于机械惯性的 作用，电动机的转速不能突变，工作点由作用，电动机的转速不能突变，工作点由2 2切换切换 到到3 3，然后，转速又沿着曲线，然后，转速又沿着曲线b b继续上升到继续上升到4 4；20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大

47、学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5555 (3)(3)当转速上升使工作点到达当转速上升使工作点到达4 4时，时，KMKM1 1、KMKM2 2同时闭合，同时闭合， 即切除电阻即切除电阻 R R2 2、R R3 3，此时电枢回路串接外加，此时电枢回路串接外加 电阻电阻 R Rad1ad1= =R R1 1，电动机的机械特性变为曲线，电动机的机械特性变为曲线c c。 由于机械惯性的作用，电动机的由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变转速不能突变， 工作点由工作点由4 4切换到切换到5 5，然后，转速又沿着曲线，然后，转速又沿着曲线c c 继续上升到继续上升到

48、6 6；20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5656 (4)(4)当转速上升使工作点到达当转速上升使工作点到达6 6时，时，KMKM1 1、KMKM2 2、KMKM3 3 同时闭合，即切除电阻同时闭合，即切除电阻R R1 1、R R2 2 、R R3 3，此时，此时 电枢回路无外加电阻，电动机的机械特性变为电枢回路无外加电阻，电动机的机械特性变为 固有特性曲线固有特性曲线d d，由于机械惯性的作用，电动机，由于机械惯性的作用，电动机 的转速不能突变，工作点由的转速不能突变，工作点由6 6切换到切换

49、到7 7，随后，随后， 转速又沿着曲线转速又沿着曲线d d继续上升直到稳定工作点继续上升直到稳定工作点8 8、9 9。 20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5757 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

50、 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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件5858 一般原则是：一般原则是： 保持每一级的最大转矩保持每一级的最大转矩 T T1 1（或最大电流（或最大电流I I1 1 ）不超过）不超过 电动机的允许值，而每次切换电阻时的电动机的允许值，而每次切换电阻时的 T T2 2（或最小（或最小 电流电流I I2 2 ）也基本相同，）也基本相同， 一般选择：一般选择：

51、N126 . 1TT N22 . 11 . 1TT 20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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

52、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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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

53、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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电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

54、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。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件62623.5.1 3.5.1 改变电枢电路外串电阻改变电枢电路外串电阻R Radad 从特性方程可看出，在一从特性方程可看出，在一 定的负载转矩定的负载转矩T T

55、L L下，串入下，串入 不同的电阻可以得到不同不同的电阻可以得到不同 的转速。的转速。 在电阻分别为在电阻分别为R Ra a、R R1 1、R R2 2、 R R3 3的情况下，可以分别的情况下，可以分别 得到稳定工作点得到稳定工作点A A、C C、D D和和E E，对应的转速为，对应的转速为 n nA A、n nB B、n nC C、n nD D。（。（ R Ra a R R1 1 R R2 2 U U1 1 U U2 2 U U3 3 ） 当当 = =N N、R Rad ad =0=0、改变电枢电压、改变电枢电压U U 时，理想空载时，理想空载 转速转速n n0 0将随电枢电压将随电枢电压

56、U U 的变化而变化，但的变化而变化，但转速降转速降 n n却不变。却不变。 所以，在不同的电枢电压所以，在不同的电枢电压U U 下，下， 可得一组平行于固有机械特性可得一组平行于固有机械特性 曲线的人为机械特性曲线。曲线的人为机械特性曲线。重点重点 由于电机绝缘材料耐压条件由于电机绝缘材料耐压条件 的限制，这种电压调速方法的限制，这种电压调速方法 只能在额定电压值以下调节。只能在额定电压值以下调节。 是一种电机是一种电机降速调速法降速调速法。特点：特点：nnTKKRRKUnNteaadNeN 02 20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院

57、机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6767例：将电机电枢供电电压由例：将电机电枢供电电压由U U1 1升到升到U UN N。 电压为电压为U U1 1时，电机工作在时，电机工作在U U1 1 特性的特性的b b点；此时，稳定转速点；此时，稳定转速 为为n nb b。 当电压突然上升到当电压突然上升到U UN N时，由于时，由于 机械系统的惯性作用，转速机械系统的惯性作用，转速n n 不变，相应的反电动势也不变，不变，相应的反电动势也不变， 仍分别为仍分别为n nb b和和E Eb b。 但当不考虑电枢电路的电感时，电枢电流将由但当不考虑电枢电路的电感时，电枢电流将由 突然上升至突然上升至

58、 ；abNgREUI abLREUI 120222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6868 电机转矩也由电机转矩也由 突然升至突然升至 ；LtLIKT gtgIKT 此时，电机的工作点虽然由此时，电机的工作点虽然由 b b点过渡到点过渡到g g点，但由于有点，但由于有 T Tg gTTL L，所以，所以，系统开始加速系统开始加速。 反电动势反电动势E E也会随着转速也会随着转速n n的的 上升而增大，电枢电流则逐渐减少，电机转矩也上升而增大，电枢电流则逐渐减少，电机转矩也 相应地减少，电机的工作点沿相应

59、地减少，电机的工作点沿U UN N由由g g点移动到点移动到a a点，点， 电机转矩又回到电机转矩又回到T TL L。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件6969特点：特点： 当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节，当电源电压连续变化时，转速可以平滑无级调节， 但一般只能在额定转速以下调节；但一般只能在额定转速以下调节； 调速特性与固有特性互相平行，机械特性硬度不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；变，调速的稳定度较高，调速范围较大； 调速时，因电枢

60、电流调速时，因电枢电流I Ia a与电压与电压U U 无关，且无关，且 = = N N， 故电机转矩故电机转矩T T = =K Kt t N NI Ia a不变，属于不变，属于恒转矩调速恒转矩调速，适，适 用于对恒转矩型的负载进行调速；用于对恒转矩型的负载进行调速； 可以靠调节电枢电压来启动电机，无需其他启动可以靠调节电枢电压来启动电机，无需其他启动 设备。设备。20222022年年3 3月月1010日星期四日星期四武汉理工大学机电学院武汉理工大学机电学院机电传动控制机电传动控制教学课件教学课件7070 当当U U = =U UN N、R Rad ad =0=0、而改变磁通、而改变磁通 时，时