《电工电子技术》-第十一章

11.1直流电动机概述

直流电机是电能和机械能相互转换的旋转电机之一。将机械能转换为电能的是直流发电机，将电能转换为机械能的是直流电动机。与交流电动机相比，直流电机结构复杂，成本高，运行维护较困难。但直流电动机具有良好的调速性能、较大的启动转矩和较大的过载能力等很多优点，在启动和调速要求较高的生产机械中，如龙门刨、轧钢机、电力机车、起重机、造纸及纺织行业等机械中，仍得到广泛的应用。下一页返回11.1直流电动机概述11.1.1直流电机的分类直流电动机在工作时，电枢绕组通过电刷外接直流电枢电源，用以产生电枢电流;励磁绕组也要通入直流励磁电源，用以产生主磁场，这两个方面协调工作，使得电枢获得一个电磁转矩转动起来。电枢绕组和励磁绕组可以共用一个电源，也可以采用两个电源单独供电。即使是采用一个电源供电，也有不同的连接方式。励磁绕组与电源的连接方式被称为励磁方式。按照不同的励磁方式，直流电动机可以分为他励、并励、串励和复励四种。上一页下一页返回11.1直流电动机概述1.他励直流电机励磁绕组与电枢绕组采用两个电源供电，各有各的电源开关，没有直接的电联系，如图11-1所示，电枢电流Ia由电枢端电压U决定，而励磁电流If由励磁绕组端电压决定。

2.并励直流电机励磁绕组和电枢绕组并联，采用同一个电源U供电，由一个开关控制，如图11-2所示。其特点是励磁绕组的电压即为电枢电压，电源电流为电枢电流Ia与励磁电流If之和。为了降低损耗，并励直流电动机的励磁电流一般较小，约为电枢电流的5%;为保证足够的磁通，励磁绕组一般导线较细，匝数多，电阻大。上一页下一页返回11.1直流电动机概述3.串励直流电机励磁绕组与电枢绕组串联之后，外接一个直流电源，由一个开关控制，如图11-3所示。其特点是励磁电流If与电枢电流Ia相同，这个电流一般较大，所以串励直流电动机的励磁绕组导线较粗，匝数少，电阻小。

4.复励直流电机这种电动机中既有串励又有并励，一部分励磁绕组与电枢绕组串联，另一部分励磁绕组再与电枢绕组并联，如图11-4所示。其特点是电动机的主磁通由这两个励磁绕组共同产生。

不同励磁方式的直流电机有着不同的特性。一般情况下，直流电动机的主要励磁方式是并励式、串励式和复励式，直流发电机的主要励磁方式是他励式、并励式和复励式。上一页下一页返回11.1直流电动机概述在一些小型直流电机中，也有用永磁铁产生磁场的，这种电机称为永磁式电机。由于体积小、结构简单、损耗低、可靠性高等特点，因而应用越来越广泛，例如兆欧表中的手摇发电机和测速发电机、汽车用永磁电机等。11.1.2直流电机的系列所谓电机系列，就是在应用范围、结构形式、性能水平、生产工艺等方面具有共同性，功率按某一规定递增的一系列电机。系列化生产的目的是为了产品的标准化和通用化。我国直流电机的主要有以下系列。上一页下一页返回11.1直流电动机概述Z2系列:一般用途的中、小型直流电机。

Z和ZF系列:一般用途的大、中型直流电机，其中Z为直流电动机系列，ZF为直流发电机系列。

ZT系列:用于恒功率且调速范围较宽的调速直流电动机。

ZJ系列:用于精密机床的直流电动机。

ZTD系列:用于电梯的直流电动机。

ZZJ系列:冶金辅助拖动用的冶金起重直流电动机，它具有快速启动和承受较大过载能力的特性。

ZQ系列:电力机车、工矿电机车和蓄电池供电的电瓶车用的直流牵引电动机。上一页下一页返回11.1直流电动机概述Z-H系列:船舶上各种辅机用的船用直流电动机。

ZA系列:用于矿井和易爆气体场合的防爆安全型直流电动机。

ZU系列:用于龙门刨床的直流电动机。ZW系列:是无槽直流电动机，在快速响应的伺服系统中作执行组件用。ZLJ系列:是力矩直流电动机，在伺服系统中作执行组件用。上一页返回11.2直流电动机结构与工作原理11.2.1直流电机的结构直流电动机主要由定子和转子两大部分组成，定子与转子之间有很小的气隙。其结构如图11-5所示。

1.定子定子，直流电机的静止部分，由机座、主磁极、换向磁极、端盖和电刷装置等部分构成，如图11-6所示。

(1)机座机座用来放置主磁极和换向磁极，同时它也是磁路的一部分，起导磁作用，用铸铁或铸钢制成。机座的两边各有一个端盖，端盖的中心是空的，用以装转轴。下一页返回11.2直流电动机结构与工作原理(2)主磁极主磁极由磁极铁心和励磁绕组组成，可以是一对、两对、三对等。当励磁绕组通以直流电时，产生恒定的磁场，改变电源电流的极性即可改变磁场的方向。主磁极铁心一般都采用电磁铁，由直流电流来励磁。只有小直流电机的主磁极才用永久磁铁，这种电机称为永磁直流电机。

(3)换向磁极换向磁极由换向磁极铁心和绕组构成，与主磁极交替放置。它的作用是产生附加磁场，改善换向性能。1kW以下的直流电机一般换向磁极的个数较少或不装换向磁极，超过1kW的直流电动机都装换向磁极。上一页下一页返回11.2直流电动机结构与工作原理(4)电刷装置电刷装置的作用是把转子电路与外电路连接起来，由电刷、刷盒、铜丝辫、压紧弹簧等构成。电刷架装在端盖上，可以移动，用以调整电刷的位置。

2.转子直流电机的转子习惯上称为电枢，如图11-7所示，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、转轴和风扇等组成。

(1)电枢铁心电枢铁心与交流电动机一样，也是用硅钢冲压成片叠成的，冲片之间要相互绝缘，表面有许多均匀分布的槽，用来嵌放电枢绕组。电枢铁心是整个磁路的一部分。上一页下一页返回11.2直流电动机结构与工作原理(2)电枢绕组电枢绕组由多个线圈按一定的规律连接起来，嵌放在电枢铁心的槽内，线圈的两端与换向器按规律连接。电枢绕组是直流电机的电路部分，用来产生感应电动势、感应电流和电磁转矩。

(3)换向器换向器是直流电机一个比较重要的部件，装在转轴的一端，它与电刷一起将外加的直流电变换成交流电，提供给转子电路。换向器由许多铜质换向片叠成圆柱体，每个换向片套在云母绝缘套筒中，所有套有云母绝缘套的换向片嵌放在金属套筒中，固定成一个整体后浇铸成型。上一页下一页返回11.2直流电动机结构与工作原理3.气隙气隙是电机磁路的重要组成部分。转子要旋转，定子与转子之间必须要有气隙，称为工作气隙。气隙路径虽短(一般小型电机气隙为0.5~5mm，大型电机为5~10mm)，但由于气隙磁阻远大于铁心磁阻，对电机性能有很大影响。因此在组装时应特别注意。11.2.2直流电机的工作原理

1.直流电动机的工作原理直流电动机是基于电磁感应的原理，使得转轴受到一个力的作用旋转起来。以最简单的电动机模型来说明电动机的工作原理。如图11-8所示，N和S为一对主磁极，通过直流电源励磁产生恒定磁场，励磁绕组未画出。电枢绕组只画了一个线圈，1和2为两个换向片，与电枢绕组相连，A和B两个电刷与外电路相连。上一页下一页返回11.2直流电动机结构与工作原理

通电线圈在磁场中要受到磁场力的作用。假设电刷A与电源的正极相连，电刷B与电源的负极相连，电流经A-a-b-c-b-B形成回路。根据左手定则，线圈ab受力向左，线圈cd受力向右。这样就形成一个转矩，使电枢逆时针方向旋转，如图11-8(a)所示。当电枢转过90。时，此时通电线圈虽受到电磁力的作用，但转矩为零。由于电枢机械惯性的作用，电枢也能转过一定的角度。这时线圈中电流的方向也改变了。当电枢转过180“时，这时电流经A-d-c-b-a-B形成回路，线圈内部电流的方向发生了改变，根据左手定则，线圈ab受力向右，线圈。d受力向左。仍然形成一个逆时针转动的转矩，电枢按同一方向继续旋转。这样电动机就可以连续旋转。如图11-8(b)所示。上一页下一页返回11.2直流电动机结构与工作原理2.直流发电机的工作原理如图11-9所示是一台简单的直流发电机的原理图。两个磁极用来建立恒定磁场，磁极中间有圆拄形铁心，铁心上固定着线圈abcd，其基本结构和电动机完全相同。

当电枢逆时针旋转时，用右手定则可以判定，线圈ab和。d边切割磁力线产个的感应电动势e的方向，其方向为d->c->b->a，如图11-9(a)所示，在负载与线圈构成的回路中产生电流Ia，其方向与电动势方向相同，电流由电刷A流出，由电刷B流回。上一页下一页返回11.2直流电动机结构与工作原理当电枢转到图11-9(b)所示位置时，ab边转到了S极，cd边转到了N极。这时线圈中感应电动势的方向发生了改变，变成了a->b->c->d，但由于换向器随同一起旋转，使得电刷A总是接触N极下的导线。而电刷B总是接触S极下的导线，电流la仍内A流出B流回，方向不变。电枢线圈每转过一圈其电动势的方向就改变一次，但两电刷之间的电动势方向不变，大小在零与最大值之间变化。用这种直流发电机获得的直流电大小是变化的，而且波动很大，其电动势波形如图11-10所示。要获得方向和量值均恒定的电动势，就应增加电枢铁心上的槽数和线圈匝数，同时也要增加换向器上的换向片数。实际应用的直流发电机中有很多线圈，磁极也不止一对，可以使电动势的波动很小。上一页下一页返回11.2直流电动机结构与工作原理11.2.3直流电机的铭牌每台直流电动机的机座上都有一个铭牌，上面标有电机型号和各项额定值，用以表示电机的主要性能和使用条件，表11-1为某台直流电动机的铭牌。

1.电机型号型号表明电机的系列及主要特点。知道了电机的型号，便可以从相关手册及资料中查出该电机的有关技术数据。

2.额定功率PN

是指电机在额定运行时的输出功率，对发电机是指明输出电功率PN=UNIN;对电动机是指明输出的机械功率。上一页下一页返回11.2直流电动机结构与工作原理3.额定电压UN

是指额定运行状况下，直流发电机的输出电压或直流电动机的输入电压。4.额定电流IN是指额定电压和额定负载时允许电机长期输入(电动机)或输出(发电机)的电流。5.额定转速nN是指电动机在额定电压和额定负载时的旋转速度。6.电动机额定效率是指直流电动机额定输出功率PN、与电动机额定输入功率P1，比值的百分数。此外，铭牌上还标有励磁方式、励磁电压、励磁电流和绝缘等级等参数。上一页返回11.3直流电动机的运行特性直流电动机的运行特性分为机械特性和工作特性，用于揭示电动机的外在的参数关系。可通过查阅有关手册或实验的方法，获得有关参数及关系曲线，用以指导选用电动机和生产过程的有关操作及运行状态的分析。在介绍运行特性之前，先了解直流电动机的基本方程式。11.3.1基本方程式直流电动机的基本方程式是指直流电动机稳定运行时电路系统的电动势平衡方程式，机械系统的转矩平衡方程式和能量转换过程中的功率平衡方程式。这些方程式反映了直流电动机内部的电磁过程，也表达了电动机内外的机电能量转换，说明了直流电动机的运行原理。下一页返回11.3直流电动机的运行特性1.电动势平衡方程式当电枢电压为U时，电枢电流为Ia，电枢绕组产生感应电动势Ea。根据电动机的工作原理，电枢电流方向和电源电压一致，感应电动势Ea和电枢电流是反向的，所以Ea称为反电动势，则直流电动机的电动势平衡方程为: U=E+RIa+2ΔUb (11.1)

其中:U为电枢电压(V);Ia为电枢电流;Ea为电枢绕组产生感应电动势，也称反电动势;R为电枢回路总电阻，包括电枢电阻R和电枢串联附加电阻R’;2ΔUb为一对电刷上的接触压降，一般为0.6~1.2V。在一般定性分析中，可以将电刷接触压降计入电枢回路压降中去，所以电动势平衡方程简化为: U=E+RIa (11.2)上一页下一页返回11.3直流电动机的运行特性2.转矩平衡方程式电动机的电磁转矩T是一个驱动转矩，当电动机恒速运行时，它必须与轴上的负载制动转矩T2和空载制动转矩T0平衡，故

T=T2+T0 (11.3)

由于空载转矩T0的数值仅为电动机额定转矩的2%~5%，因此在重载和额定负载下常忽略不计，即。

3.功率平衡方程式直流电动机是把电能转换为机械能，在由电能转换为机械能的过程中，不可避免地存在铁耗、铜耗和空载转矩损耗。依能量守恒原理，得到它们的功率平衡方程式: P1=PM+PCU (11.4)上一页下一页返回11.3直流电动机的运行特性

其中:P1为电动机总输入功率，P1=UI;PM为电磁功率，PM=EaIa;PCU为折算的总损耗功率。11.3.2机械特性直流电动机的机械特性是在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即n=f(T)。机械特性是电动机的主要特性，是分析电动机启动、调速、制动的重要工具。由直流电动机的电动势平衡方程式U=Ea+RaIa和式，可得

(11.15)上一页下一页返回11.3直流电动机的运行特性再由，得，最终可得机械特性方程: (11.6)

当U,R,数值不变时，转速n与电磁转矩T为线性关系，其机械特性曲线如图11-11所示。由图可知，式(11.6)还可以写成: (11.7)其中:n0为电磁转矩T=0时的转速，称为理想空载转速。

电动机实际上空载运行时，由于T=To0，所以实际空载转速成略小于理想空载转速n0。上一页下一页返回11.3直流电动机的运行特性

为机械特性斜率，。在同一n0下，值较小时，转速随电磁转矩的变化较小称此特性为硬特性，值越大，表明直线倾斜越厉害，机械特性为软特性。Δn为转速降，。

当电动机负载变化时，如TL增大，则电动机转速下降，电动机的电磁转矩T也随之增大，直至新的稳定工作点，此时转速降为△n0且斜率越大，转速下降越快。上一页下一页返回11.3直流电动机的运行特性11.3.3工作特性对于不同励磁方式的直流电动机，他们的工作特性定义和变化规律有一定差别，下面以他励直流电动机为例作简单介绍。

1.转速特性定义:当U=UN,If=IfN时，n=f(la)。如图11-12中的曲线n所示。它反映电动机转速随负载变化而变化的曲线。

2.转矩特性定义:当U=UN,If=IfN时，Tem=f(a)。如图11-12中的刀曲线所示。负载增大时，电磁转矩随之上升，使两者平衡，稳定运行于新的转速。上一页下一页返回11.3直流电动机的运行特性3.效率特性定义:当U=UN,If=IfN时，=f(a)。如图11-12中的曲线T所示。因电动机的损耗中含有随负载电流变化的可变铜耗和不随负载电流变化的不变铁耗，为了揭示电动机的效率随负载变化而变化的规律，用图解的方法，画出非常直观的曲线便于分析。上一页返回11.4他励直流电动机的控制11.4.1他励直流电动机的启动电动机要工作时，转子总是从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的，由静止状态到稳定运行状态的过程称为启动过程或简称启动。电动机在启动过程中，电枢电流Ia、电磁转矩T,转速n都随时间变化，是一个过度过程。开始启动的一瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为启动电流，用Ist，表示;对应的电磁转矩称为启动转矩，用Tst表示。生产机械对直流电动机的启动有下列要求:(1)启动转矩足够大(Tst>TL，电动机才能顺利启动)。(2)启动电流不可太大。下一页返回11.4他励直流电动机的控制(3)启动设备操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉。他励直流电动机的启动方法有:全压启动、减压启动、电枢回路串电阻启动。1.全压启动全压启动就是将直流电动机的电枢上直接加以额定电压的启动方式。启动开始瞬间，由于机械惯性的影响，电动机转速n=0，电枢绕组感应电动势，由电动势平衡方程式U=Ea+RaIa可知启动电流 Ist=UN/Ra (11.8)启动转矩 (11.9)上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制

由于电枢电阻R阻值很小，额定电压下直接启动的启动电流很大，通常可达额定电流的(10~20)倍。启动转矩也很大，过大的启动电流将引起电网电压的下跌，影响其他用电设备的正常工作，而对电动机自身的换向器也将产生剧烈的火花。同时很大的启动转矩可能会使轴上受到的直流电动机一般不允许的机械冲击，严重时将损坏电力拖动系统中的传动装置。所以全压启动只限用于容量很小的直流电动机。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制2.减压启动减压启动即启动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小启动电流Ist。为了获得足够的启动转矩(Tst>TL)，启动时电流通常限制在(1.5~2)IN内，则启动电压应为

Ust=IstRa=(1.5~2)INRa (11.10)随着转速n的上升，电动势Ea也逐渐增大，Ia相应减小，启动转矩也减小。为使Ist保持在(1.5~2)IN范围内，即保证有足够大的启动转矩，启动过程中的电压U必须不断升高，直到电压升到的额定电压UN，电动机进人稳定运行状态，启动过程结束。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制3.电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动时，电源电压为额定值且恒定不变，在电枢回路中串接一启动电阻，Rst以达到限制启动电流的目的。此时Ist为

Ist=UN/(Ra+Rst) (11.11)

启动过程中，由于转速n上升，电枢电动势E。上升，启动电流入，下降，启动转矩双t下降，电动机的加速作用逐渐减小，致使转速上升缓慢，启动过程延长。要想在启动过程中保持加速度不变，必须要求电动机的电枢电流和电磁转矩在启动过程中不变，即随着转速上升，启动电阻Rs应平滑均匀的减小。这样做比较困难。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制通常把启动电阻分成若干段(一般2~4段)，逐级切除(称为分级启动)。图11-13所示是他励直流电动机电枢回路串电阻3级启动的接线图。图中Rst1,Rst2和Rst3为各级串入的启动电阻，KM及KM1,KM2,KM3分别是各接触器的常开触点，可以通过时间继电器控制它们按要求依次闭合。启动过程如图11-14机械特性所示。当电动机励磁绕组接通后，再接通KM，其他接触器触点断开，将电动机接上额定电压，此时电枢电路接入全部电阻启动，启动电流Ist1=UN/R3(R3为电枢回路启动总电阻，R3=Ra+Rst1+Rst2+Rst3，产生的启动转矩大于TL(设TL=TN)。电动机从。点开始启动，转速沿曲线ab上升至b点，启动转矩减小至Tst2。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制这时KM1接通，切除第一级启动电阻Rsa，电动机由R:的机械特性切换到R2(R2=Ra+Rst1+Rst2)的机械特性。切换瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，电动势Ea保持不变，电枢电流突然增大，转矩也成比例突然增大，恰当地选择电阻，使其增加至Tst1，电动机运行点从b点跳变到。点。从。点继续加速到d点，KM2接通，切除第二级电阻Rst2，电动机运行点从d点跳变到e点，电动机沿ef曲线加速，如此周而复始，依次接通KM1,KM2和KM3使电动机由a点经b、c、d、e、f点到达g点。此时所有启动电阻均被切除，电动机进入固有机械特性曲线运行并继续加速至h点。在h点T=TN，电动机轴上转矩平衡且稳定运行，启动过程结束。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制从上述分析可知，为了使电动机在启动过程中有均匀的加速度，减少机械冲击，故选择各级启动电阻时，要使每一级的切换转矩Tst1和Tst2数值相同。通常，取启动转矩Tst1=(1.2~2)TN;Tst2=(1.1~1.3)TN。11.4.2他励直流电动机的反转要使电动机反转，必须改变电磁转矩的方向，而电磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流的方向决定，所以，只要将磁通中和1a任意一个参数改变方向，电磁转矩即改变方向。在自动控制中，通常直流电动机的反转实施方法有两种。

1.改变励磁电流方向保持电枢两端电压极性不变，把励磁绕组反接，励磁电流方向改变，电动机反转。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制2.改变电枢电流方向保持励磁绕组电流方向不变，将电枢绕组反接，使电枢电流改变方向，电动机反转。若两电流方向同时改变，电动机旋转方向不变。由于他励直流电动机的励磁绕组匝数多，电感大，励磁电流从正向额定值变到负向额定值的时间长，反向过程缓慢，而且在励磁绕组反接断开瞬间，绕组中将产生很大的自感电动势，可能造成绝缘击穿，所以实际应用中大多采用改变电枢电压极性的方法来实现电动机的反转。但在电动机容量很大，对反转速度要求不高的场合，则因励磁电路的电流和功率小，为了减小控制电器的容量，可采用改变励磁绕组极性的方法实现电动机的反转。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制11.4.3他励直流电动机的调速在工业生产中，有大量的生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度，例如金属切削机床，由于工件的材料和精度的要求不同，工作速度也就不同。又如轧钢机，因轧制不同品种和不同厚度的钢材，要采取不同的最佳速度。这种人为地改变电动机的速度以满足生产工艺要求，通常称为调速。调速可用机械方法、电气方法和机电结合的方法，本节只讨论电气调速方法。电气调速是人为地改变电动机的参数，使电力拖动系统运行于不同的人为机械特性上，从而在相同的负载下，得到不同的运行速度。这不同由于负载变化，使电动机在同一条特性上，发生的转速变化。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制根据机械特性方程式

人为地改变电枢电压U、电枢回路总电阻R和主磁通都可以改变转速n。所以，调速的方法有:电枢回路串电阻调速、降压调速和弱磁调速三种。

1.调速指标

(1)调速范围:是指电动机拖动额定负载时，可能运行的最大转速nmax与最小转速nmin之比。通常用D表示，即

D=nmax/nmin (11.12)上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制

不同的生产机械要求的调速范围是不同的，如车床要求20~100,，龙门刨床要求10~40，轧钢机要求3~120。

(2)相对稳定性(静差率):是指负载变化时，转速变化的程度。若转速变化小。则相对稳定性好。用表示，n0为理想空载转速，nN为额定负载转速，即

(11.13)

(3)调速的平滑性:是指在一定的调速范围内，调速的级数越多，调速就越平滑，相邻两级转速之比称为平滑性系数，用表示，即

(11.14)上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制

值越接近1，则平滑性越好，=1时，称为无级调速。

(4)调速的经济性:是指调速所需的设备和调速过程中的能量损耗，以及电动机在调速时能否得到充分利用。

2.电枢回路串联电阻调速电枢回路串电阻调速:对于他励电动机，在电源电压和励磁磁通不变的情况下，改变电枢回路中的电阻，达到调速的目的。电枢回路串电阻调速机械特性如图11-15所示。图中RT和R‘T为电枢回路串接的电阻，且RT>R’T。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制从图中可以看出，串入的电阻越大，曲线的斜率越大，机械特性越软。设电枢未串接电阻RT时，电动机稳定运行在固有机械特性的a点上，当电阻RT串接入电枢电路瞬间，因转速不能突变，工作点从a点跳至人为机械特性的b点，这时，电枢电流减小，电磁转矩减小，T<TL，电动机减速，电枢电动势减小，电流回升，T增大，直到T=TL，电动机在低速的。点稳定运行。

电枢串电阻调速的特点。

(1)串入电阻后转速只能降低，由于机械特性变软，静差率变大，特别是低速运行时，负载稍有变动，电动机转速波动大，因此调速范围受到限制。一般D=1~3。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制(2)调速的平滑性不高。

(3)由于电枢电流大，调速电阻消耗的能量较多，不够经济。

(4)调速方法简单，设备投资少。这种调速方法适用于小容量电动机的调速，例如起重机设备和运输牵引装置。应该注意:调速电阻不能用启动变阻器代替，因为启动变阻器是暂时使用，而调速变阻器是连续工作的。

3.降压调速根据直流电动机机械特性方程式(11.6)可以知道，改变电枢的端电压，也可以实现调节直流电动机转速的目的。由于电动机的工作电压不允许超过额定电压，因此电枢电压只能在额定电压以下进行调节。降压调速机械特性曲线如图11-16所示。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制

当电动机在额定电压下稳定运行于固有机械特性的a点时，转速为na，电磁转矩Ta=TN。将电枢电压降至U1，因机械惯性，转速na不能突变，则Ea不能突变，电动机运行状态由a点移动到人为机械特性的b点。此时Tb<TN

，电动机开始减速，随着转速的减小，Ea减小，Ia和Tb增大，工作点沿曲线由b点移动到c点，达到新的平衡，电动机以较低的转速稳定运行。

降低电源电压调速的特点。

(1)电源电压便于平滑调节，调速平滑性好，可实现无级调速。

(2)调速前后机械特性斜率不变，机械特性硬度高，速度稳定性好，调速范围广。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制(3)降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，故调速时损耗减小，调速经济性好。

(4)要有电压可调的直流电源，设备多，较复杂，现在一般采用晶间管整流装置。降低电源电压调速多用在对调速要求较高的生产机械上，如机床，造纸机等。

4.弱磁调速根据机械特性方程式(11.6)可以知道，当U为恒定值时，调节励磁磁通，也可以调节电动机的转速。额定运行的电动机，其磁路已基本饱和，因此改变磁通只能从额定值往下调，调节磁通是在励磁电路中接入调速变阻器RC，通过改变励磁电流If来改变磁通进行调速。弱磁调速机械特性曲线如图11-17所示。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制

当电动机拖动恒转矩负载八运行在特性曲线上的a点，此时转速为na，磁通为，电动机稳定运行。调节电阻RC，使励磁电流If减小，磁通减弱到。在磁通减弱的瞬间，转速不能突变，但电动势Ea随少而减小，于是电枢电流Ia增大。电动机由a点移动到b点运行。在b点电磁转矩Tb>TN，电动机加速，此时转速增加，Ea也增加，从而使电枢电流和电磁转矩减小，工作点由b点移动到C点。当TC=TN时，电动机以较高的转速稳定运行。

弱磁调速的特点。

(1)调速平滑，可实现无级调速。

(2)励磁电流小能量损耗少，调速前后电动机的效率基本不变，经济性比较好。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制(3)机械特性较硬，转速稳定。

(4)弱磁调速的缺点是转速只能调高，但同时又受到换向能力和机械强度的限制，因此调速范围不大，一般D<=2。为了得到较大的调速范围，常常把降压调速和弱磁调速两种方法结合起来，在额定转速以下采用降低电源电压调速，在额定转速以上采用弱磁调速。11.4.4他励直流电动机的制动许多生产机械，为了提高生产效率和产品质量，保证设备、人身安全，要求电动机能迅速、准确地停车或迅速反向;有些设备要求限制电动机的转速在一定的数值以内，例如起重机放下重物，电车下坡等。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制这时电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，阻碍电动机转动，这就是电动机的制动。在制动过程中，要求电动机制动迅速、平滑。可靠、能量损耗少。电动机的电动状态和制动状态的区别在于:电动状态—电动机产生的电磁转矩T与转速n的方向相同，机械特性在第一、第三象限内;制动状态—电动机产生的电磁转矩T与转速n的方向相反，机械特性在第二、第四象限内。常用的电气制动方法有能耗制动、反接制动和回馈制动三种，下面分别进行分析讨论。

上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制1.能耗制动能耗制动是把正在作电动运行的他励直流电动机的电枢从电网上切除，并接到一个外加的制动电阻RB上构成闭合回路。控制电路如图11-18所示。制动时，把电枢绕组从电源端切断，迅速打向制动电阻侧，开始能耗制动。电机的励磁电流不变，由于惯性，电机继续旋转，电枢绕组仍然切割磁力线，电动机处于发电状态，仍产生感应电动势，其方向如图11-18所示，该感生电动势将削减原来的电枢电流(当然，电流不能突变)，使电枢电流迅速减弱到零并反向(反向后的Ia如图中虚线箭头所标示的方向)。能耗制动的线路比较简单，制动过程中不需吸收电功率，比较经济，安全可靠，但制动时间较长，通常与电磁抱闸配合使用。上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制电动机制动开始瞬间，由于惯性作用，转速n仍保持与原电动状态相同的方向和大小，因此电枢电动势Ea的方向和大小亦与电动状态时相同，根据电动势平衡方程

Ia=(U-Ea)/(Ra+RB)显然U=0时，则

Ia=-Ea/(Ra+RB) (11.15)上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制

电枢电流为负值，说明其方向与电动状态时的方向相反，称为制动电流IaB。因此，电磁转矩T反向，与转速方向相反，反抗由于惯性而继续维持的运动，起制动作用，使电动机迅速停转。在制动过程中，电动机把拖动系统的动能转换为电能并消耗在电枢回路的电阻上，因此称为能耗制动。把U=0,R=Ra+RB代入式(11.6)，便得到能耗制动的机械特性方程

(11.16)上一页下一页返回11.4他励直流电动机的控制能耗制动机械特性曲线是一条过坐标原点，位于第二象限的直线，如图11-19所示。在制动过程中，假设原来电动机拖动反抗性恒转矩负载运行于电动状态(A点)，制动切换瞬间，由于转速n不能突变，电动机的工作点从A点跳变至B点，此时，电磁转矩反向，与负载转矩同向，在它们的共