直流电机的运行

第4章他例直流电动机的运行

----起动、调速和制动

直流电动机的起动直流电动机的调速直流他励电动机的各种工作状态分析本章小结本章内容电动机的启动：施电于电动机，使电动机从静止状态加速到所要求的稳定转速时的过程。4.1直流电动机的启动STARTINGASEPARATELYEXCITEDMOTORstartingmethodsIfweapplyfullvoltagetoastationarymotor,thestartingcurrentinthearmaturewillbeveryhighandweruntheriskofa,burningoutthearmatureb,damagingthecommutatorandbrushes,duetoheavysparkingc,overloadingthefeederd,snappingofftheshaftduetomechanicalshocke,damagingthedrivenequipmentbecauseofthesuddenmechanicalhammerblowAlldcmotorsmust,therefore,beprovidedwithameanstolimitthestartingcurrenttoreasonablevalues,usuallybetween1.5andtwicefull-loadcurrent.依据系统运动方程式可知，要使电动机启动，必须要有T>TL，直流他励电动机启动时，为保证所通入的电枢电流能产生转矩，必须保证先有磁场，即先通励磁电流，后加电枢电压。限制Iast的措施：（1）启动时在电枢回路串电阻。（2）启动时降低电枢电压。全压启动（直接启动）直接启动时,n=0

Ea=0，若加入额定电压，则Is太大，会使换向器产生严重的火花，烧坏换向器。一般Iast限制在(2.5-1.8)IaN内。(1)若电动机原本静止，由于励磁转矩T=CT

Ia，

而

0

，电机将不能启动，因此，电枢电动势为零，电枢电流会很大，电枢绕组有被烧毁的危险。直流机在启动和工作时，励磁电路一定要接通，不能让它断开，而且启动时要满励磁。否则，磁路中只有很少的剩磁，可能产生以下事故：注意：（2）如果电动机在有载运行时磁路突然断开，

则E

，Ia

，T和

，可能不满足TL的要求，电动机必将减速或停转，使

Ia更大，也很危险。（3）如果电机空载运行，可能造成飞车。

E

Ia

T>>

T0

n

飞车Thesolutionistoconnectaresistanceinserieswiththearmature.Theresistanceisgraduallyreducedasthemotoracceleratesandiseventuallyeliminatedentirely，whenthemachinehasattainedfullspeed.

具有一段启动电阻的他励电动机的启动特性原理电路图启动特性4.1.2在电枢回路内串接外加电阻启动具有两段启动电阻的他励电动机的启动特性具有三段启动电阻的他励电动机的启动特性4.1.3降电压启动降压启动Reduced-voltagestartingThevoltagegraduallyrisesasthespeedincreases.

降压启动时，需要一个电压可调的直流电源。在启动过程中加上合适的电压值使Ia保持为所需的数值。由Ia＝（Ua－Ea）/Ra可知，为保持Ia不变，Ua－Ea应不变。启动初期Ea为零或很小，Ua也很小，当转速n逐步升高时，Ea在逐步增大，应使电枢电压Ua也同步增加，直至达到所需的转速。例4.1某他例直流电动机额定电压为96KW,额定电压为440V，额定电流为250A，额定转速为500r/min。电枢总电阻为0.078欧，拖动为额定大小的恒转矩负载运行，忽略空载转矩。求：

若采用电枢回路串电阻启动，启动电流为2IN，计算应串入的电阻值及启动转矩。若采用降压启动，条件同上，求电压应降至多少，及启动转矩。三种调速方法：降压调速；电枢回路串电阻调速；改变磁通调速，即弱磁调速。直流他励电动机调速SPEEDCONTROLMETHODS这种调速方法简单，但串联电阻不能太多，属有级调速，耗能较大，只用于小型直流机。一、电枢回路串电阻调速在电枢中串入电阻，使

、

n0不变，即电机的特性曲线变陡（斜率变大），在相同转矩下，n

nn0RaRa+

RT二、改变电源电压调速由转速特性方程知：调电枢电压U，n0变化，斜率不变，所以调速特性是一组平行曲线。这种调速方法是属于恒转矩调速，适于恒转矩负载的生产机械。特性曲线nn0"n0'n0电压降低T改变电源电压调速的特点（1）工作时电枢电压一定，电压调节时，不允许超过UN，，而n

U，所以调速只能向下调。（2）可得到平滑、无级调速。（3）特性硬度大，调速幅度较大，在冶金、机床、矿井提升以及造纸机等方面得到广泛应用。ReducingvoltagespeedcontrolIfthefluxperpoleΦiskeptconstant(permanentmagnetfieldorfieldwithfixedexcitation),thespeeddependsonlyuponthearmaturevoltageEa.ByraisingorloweringEa,themotorspeedwillriseandfallinproportion.

n和

有关，在U一定的情况下，改变

可改变n。在励磁回路中串上电阻Rf，改变Rf大小调节励磁电流，从而改变

的大小。三、改变磁通（调磁）（

减小）TLRf增加Tn

磁通减小以后特性上移，而且斜率增加。

Rf

If

n

，但在额定情况下，

已接近饱和，If再加大，对

影响不大，所以这种增加磁通的办法一般不用。

Rf

If

n

，减弱磁通是常用的调速方法。If的调节有两种情况：结论：改变磁通调速的方法—减小磁通，n只能上调。调速过程:

U一定,则Rf

E

Ia

T

n

Ia

E

最后达到新的平衡暂时T

>TL（1）调速平滑，可做到无级调速，但只能向上调，受机械本身强度所限，n不能太高。（2）调的是励磁电流（该电流比电枢电流小得多），调节控制方便。损耗功率极小，经济效果较高。因为电动机发热所允许的电枢电流不变，所以电动机的转矩随磁通Φ的减小而减小，故这种调速方法是恒功率调节，适于恒功率性质的负载。减小

调速的特点：例4-2某台他例直流电动机，额定功率为22KW,额定电压220V，额定电流115A，额定转速1500r/min，电枢回路总电阻0.1欧，忽略空载转矩。电动机带额定负载运行，要求把转速降到1000r/min.求采用电枢串电阻调速需串入多大电阻？采用降电压调速需要把电源电压降到多少？上述两种调速情况下，电动机的输入功率与输出功率（忽略励磁回路功率）。例：已知他励电动机的PN=1.2KW,UN=220V,IaN=11.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN时,

n=?（2）

=0.8

N时,

n=?解：（1）TL=0.5TN时例（2）

=0.8

N时恒转矩调速与恒功率调速恒转矩调速：不管转速是多少，如果保持其电枢电流和每极磁通都为额定值，即对应的电磁转矩为额定值。恒功率调速：保持电枢电流为额定值，采用弱磁升速。此时，电磁转矩减小，电机转速升高。此时电磁功率不变。例4-4例4-5

调速的基本概念

调速是指根据生产机械和生产工艺的要求，人为或自动改变拖动系统的转速，也称为速度调节。调速的目的：满足生产的需要，提高工作机械的生产率，保证产品质量和设备经济运行。

调速的实质：改变拖动系统的稳定运行点，即从某一稳定转速过渡到另一个稳定转速。4.2直流电动机的调速调速与转速变化是两个不同的概念速度变化是在某条特性下，由于负载变化所引起的；速度调节则是在同一负载下，人为改变电动机机械特性而得到的。调速范围D

在额定负载时，电动机最高工作转速与最低工作转速之比称为调速范围。一般用D来表示，即

调速范围越大越好调速范围D与静差率δ两项性能指标是相互制约的。最高转速nmax受电动机换向和系统机械强度的限制，而最低转速nmin受转速相对稳定性的限制，即静差率的限制。静差率δ静差率δ又称转速变化率，是指电动机由理想空载转速n0到额定负载时转速的变化率

在n0相同时，机械特性越硬，△n就越小，δ就越小，电动机的相对稳定性就越高。机械特性硬度相同时，n0越小，因为△n相同，δ就越大。不同机械特性下的静差率调速平滑系数调速的平滑性用平滑系数衡量，其定义是相邻两级转速之比

平滑系数越小调速越平滑。当i趋近无穷大，平滑系数趋近1时，为无级调速。调速的经济指标经济性主要考虑调速系统的初期投资、调速时的能量损耗以及设备的维护费用等。可用设备效率来说明

4.3直流他励电动机的电动与制动运行

电动机的制动是与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的运转状态；制动是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的运转状态。直流电动机的制动

BRAKINGASEPARATELYEXCITEDMOTOROnewaytobrakeamotorisbysimplemechanicalfriction,inthesamewaywestopacar.Amoreelegantmethodconsistsofcirculatingareversecurrentinthearmature,soastobreakthemotorelectrically.Thecommonbrakingmethodsare:DynamicbrakingReversingbrakingRegenerativebraking电动机的制动与自然停车是两个不同的概念。自然停车，指切断电源靠很小的摩擦转矩消耗机械能直至最后停车，需要时间较长；制动，指电动机工作在制动状态，快速停车或限制位能负载下降速度。电动：当电动机在外加电源的作用下，产生与系统运动方向一致的转矩，并通过传动机构拖动生产机械工作。（T与n方向一致）制动：指电动机从某一稳定的转速开始减速到停止或限制位能负载的下降速度时的一种运转过程。（T与n方向相反）直流他励电动机有两种基本的运行状态：电动运行状态和制动运行状态。电动运行：T与n同向正向电动运行：T>0,n>0反向电动运行:T<0，n<01）能耗制动Dynamicbraking

电枢断电后立即接入一个电阻。methodandprincipleletusclosetheswitchonthesecondsetofcontactssothatthearmatureissuddenlyconnectedtotheexternalresistor.voltageE0willimmediatelyproduceanarmaturecurrentI2.however,thiscurrentflowsintheoppositedirectiontotheoriginalcurrentI1.itfollowsthatareversetorqueisdevelopedwhosemagnitudedependsuponI1.thereversetorquebringsthemachinetoarapid,butverysmoothstop.4.3直流他励电动机的各种工作状态分析

MUUfIf+–R运行制动KMUUfIf+–R运行制动K停车时，电枢从电源断开,接到电阻上，这时：由于惯性电枢仍保持原方向运动，感应电动势方向也不变，电动机变成发电机，电枢电流的方向与感应电动势相同，从而电磁转矩与转向相反，起制动作用。4.3直流他励电动机的各种工作状态分析

能耗制动机械特性4.3直流他励电动机的各种工作状态分析

电动状态下，电动机的电磁转矩T为如图所示向上的方向，与转速n的方向相同，是拖动性质的转矩；而在能耗制动状态下，转矩的作用方向是向下的，与转速n的方向相反，是制动性质的转矩。此制动转矩同时受与转速方向相反的负载转矩共同作用，而使系统处于减速状态。系统工作于制动状态时，其机械特性为(a)正向电动状态(b)能耗制动状态(c)机械特性

图4.11直流他励电动机能耗制动示意图

能耗制动通常应用于拖动系统需要迅速而准确地停车及卷扬机重物的恒速下放的场合。2）反接制动

ReversingbrakingMUUfIf+–R运行制动电阻R的作用是限制电源反接制动时电枢的电流过大。(1)methodandprincipleLetusreversethearmaturecurrentbyreversingtheterminalsofthesourceandintroducearesisterinserieswiththereversingcircuit.VoltageE0willimmediatelyproduceanarmaturecurrentI2.however,thiscurrentflowsintheoppositedirectiontotheoriginalcurrentI1.itfollowsthatareversetorqueisdevelopedwhosemagnitudedependsuponI2.thereversetorquebringsthemachinetoarapid,butverysmoothstop.Note:

Assoonasthemotorstops,wemustimmediatelyopenthearmaturecircuit;otherwiseitwillbegintoruninreverse.什么是反接制动？他励电动机的电枢电压U在外部条件作用下改变方向，电动机则处于反接制动状态（第二象限）。电源反接制动应用场合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。4.3直流他励电动机的各种工作状态分析

由特性1上的nc由特性2上的nd由特性3上的ne，电动机停转。对位能负载而言，反接制动有两种情况：

(1)转速反向的反接制动。电动机正向电动运行，逐渐增加制动电阻Rk，电动机转速不断下降。正向电动状态

机械特性

4.3直流他励电动机的各种工作状态分析

电动机带不动负载，被负载(重物)带动反转，产生了“倒拉”现象，转速n反向，电动势反向，转速n与转矩T方向相反，此时电动机处于制动状态。如再增大Rk

，使起动转矩Tst<TL

转速反向的反接制动状态

机械特性

可以写出电枢回路的电压平衡方程式，即两端同乘以电流可得其功率平衡方程式式中——机械功率转换成的电磁功率(W)；

——电网向电枢输入的电功率(W)；

——电枢回路消耗的电功率(W)。4.3直流他励电动机的各种工作状态分析

转速反向的反接制动状态

机械特性

结论：从电网输入的电功率以及由机械功率转换成的电磁功率，两者都消耗在电枢回路的电阻上。由此可见，反接制动的能耗很大。4.3直流他励电动机的各种工作状态分析

(2)电枢电压反接的反接制动电动机正向电动运行电枢电流反向，电动机的转矩反向，与n方向相反，为制动转矩系统减速继续直到系统的转速为零，这时电动机反电动势也为零，但电路的电流不为零由于有电源电压U存在，系统会自行反转而进入反向电动状态。要停车，切断电源加上抱闸，负载停止运动，电压反接制动，转速为零。

同时在电枢回路中串个大的制动电阻若突然把电枢电压反接反电动势电路的电流电动机的制动转矩4.3直流他励电动机的各种工作状态分析

正向电动状态A点，在电枢电压反接瞬间，由于系统的机械惯性，转速n不变，Ea不变，电动机由A点到B点。电枢反接，所以U为负，电枢电流为在此反向电流的作用下，系统减速，由反接制动特性上的B点向C点变化。到C点如不切除电枢电源，系统会自行反转而进入反向电动状态，直到最终稳定在第四象限的E点。(a)正向电动状态

(c)机械特性

(b)电压反接的反接制动状态

图4.14直流他励电动机电压反接的反接制动示意图

4.3直流他励电动机的各种工作状态分析

电枢反接的反接制动的能量关系，从电枢电路的电压平衡方程式出发，有功率平衡方程式为

即从电网输入的电功率以及由机械功率转换成的电磁