直流电机的工作原理及特性课件.pptx

1、直流电机的工作原理及特性一切电机都是以电磁感应定律作为主要依据设计而成的。它的基本功能是实现机电能量的相互转换。直流电机电动机发电机将直流电能转换成机械能。将机械能转换成直流电能。.直流电机v 直流电机外形直流电机的用途及优缺点一、用途作励磁机用作励磁机用一般小于一般小于10万万kW的单机同步发电机要用直流发电机作为励机。的单机同步发电机要用直流发电机作为励机。作电源用作电源用:直流发电机将机械能转化为直流电能直流发电机将机械能转化为直流电能 信号传递信号传递:直流测速发电机将机械信号转换为电信号直流测速发电机将机械信号转换为电信号 作动力用作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能直流电动机

2、将直流电能转化为机械能；信号传递信号传递-直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。直流伺服电动机将控制信号转换为机械信号。二、优缺点v直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的直流发电机的电势波形较好，受电磁干扰的影响小。影响小。v直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑直流电动机的调速范围宽广，调速特性平滑。v直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩直流电动机过载能力较强，起动和制动转矩较大。较大。v由于存在换向器，其制造复杂，触点之间会由于存在换向器，其制造复杂，触点之间会产生火花腐蚀，制造成本高。产生火花腐蚀，制造成本高。31 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 一、直流电

3、机的基本结构一、直流电机的基本结构 直流电机的结构图如图所示：直流电机的结构图如图所示：直流电机的主要结构部件直流电机直流电机定子定子转子转子主磁极主磁极换向极换向极机座机座电刷装置电刷装置电枢铁心电枢铁心电枢绕组电枢绕组换向器换向器.直流电机的结构图直流电机的结构图剖面图：电枢剖面图：电枢1；主磁极主磁极2；换向；换向 极极4；机座；机座6电枢铁心冲片电枢铁心冲片换向器：换向片换向器：换向片3；连接片连接片4；云母环；云母环2直流电机的结构部件 根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为根据电机的工作原理，直流电机的组成可分为定子定子、转子转子和和换换向器向器三大部分。三大部分。定子部分定子部

4、分主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。主要由定子铁心和绕在上面的励磁绕组两部分组成。转子部分转子部分主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。主要由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。换向器换向器由换向片和电刷组成，电刷固定在定子上，换向片与电由换向片和电刷组成，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。枢绕组相连，换向片与电刷保持滑动接触。二、基本的工作原理二、基本的工作原理 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电机具有一对主磁极，电枢绕组只是一个线圈，线圈两端分别联为电机具有一对主磁极，电枢绕组

5、只是一个线圈，线圈两端分别联在两个换向片上，换向片上压着电刷在两个换向片上，换向片上压着电刷A和和B。如图所示：如图所示：1 主磁极主磁极：励磁绕组上加上直：励磁绕组上加上直流电压，励磁绕组上有励磁电流流电压，励磁绕组上有励磁电流通过，使定子铁心产生固定磁场，通过，使定子铁心产生固定磁场，即即定子的主要作用是产生主磁场定子的主要作用是产生主磁场。2电枢绕组电枢绕组：在固定的磁场中：在固定的磁场中旋转，主要作用是旋转，主要作用是产生感应电动产生感应电动势势或产生机械或产生机械转矩转矩，实现能量的，实现能量的转换。转换。3、4换向器换向器：电刷固定不动，换向片与电枢绕组一起旋转，：电刷固定不动，换

6、向片与电枢绕组一起旋转，主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电主要作用对发电机而言是将电枢绕组内感应的交流电势转换成电刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为刷间的直流电势。对电动机而言，则是将外加的直流电流转换为电枢绕组的交变电流，并保证每一磁极下，电枢导体的电流的方电枢绕组的交变电流，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。向不变，以产生恒定的电磁转矩。3电刷电刷4换向片换向片 1发电机原理：发电机原理：将机械能转换为电能。直流发电机工作原理将机械能转换为电能。直流发电机工作原理图图如图所示如图所示：电枢由原动机驱动而在磁场中旋转

7、，在电枢线圈的两根有效边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ab和和cd（切割磁力线的导体部分）中便感应出电动势（切割磁力线的导体部分）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极下是一个方极下是一个方向，当它转到向，当它转到S极下时是另一个方向。但是，由于电刷极下时是另一个方向。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换向片接触，而电刷极下的有效边相联的换向片接触，而电刷B总是同与总是同与S极下的有效边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性不变的电动势相联的换向片接触，因此，在电刷间

8、就出现一个极性不变的电动势或电压，当电刷之间接有负载时，在电动势的作用下就在电路中产或电压，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。生一定方向的电流。注意：电刷固定在空间不动，而半圆铜片与导体一起旋转。直流发电机原理示意图（1）直流发电机原理示意图（2）线圈电动势波形tea刷间电动势波形tEa.结论：在电枢线圈内的感应电动势及电流都是交流的。通过换向片及电刷的整流作用才变成从外部看的两电刷间的直流电动势。虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，N极与S极下的电枢电流的方向是不变的。因此，由电枢电流所产生的磁场从空间上看也是一个恒定不变的磁场.电

9、枢线圈中的感应电动势与其电流的方向始终一致。当接上负载时，电枢绕组中就有电流，此电流与磁场相互作用产生电磁力，该电磁力使转轴受到一个力矩，称之为电磁转矩，其方向是与转子的转向相反的，是制动性质。.2电动机原理电动机原理：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图：将电能转换为机械能。直流电动机工作原理图如图所示如图所示：直流电源接在电刷之间而使电流通入电枢线圈。电流方向应该直流电源接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：是这样的：N极下的有效边中的电流总是一个方向，而极下的有效边中的电流总是一个方向，而S极下的有效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力

10、的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力的方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从方向一致，电枢因而转动。因此，当线圈的有效边从N（S）极下转）极下转到到S（N）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向）极下时，其中电流的方向必须同时改变，使电磁力的方向不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以不变，即电磁转矩的方向不变而使转子以n的转速旋转。的转速旋转。将电刷出线端的负载改成外施直流电源，且将轴上的将电刷出线端的负载改成外施直流电源，且将轴上的原动机卸掉，换成生产机械。原动机卸掉，换成生产机械。Bilf 结论：虽然外施电压及电流都是直流，但在电枢绕组内部，电虽然外

11、施电压及电流都是直流，但在电枢绕组内部，电枢电流和电枢电动势都是交流。这是通过换向片及电刷的枢电流和电枢电动势都是交流。这是通过换向片及电刷的逆变作用，将外部直流变成内部的交流。逆变作用，将外部直流变成内部的交流。虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但虽然电枢线圈是旋转的且电枢线圈中的电流是交变的，但从空间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一个恒定不变的从空间上看，由电枢电流所产生的磁场仍是一个恒定不变的磁场。磁场。当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。其当电枢旋转时，电枢导体切割磁力线也会感应电动势。其方向与电枢电流的方向始终相反，故称之为方向与电枢电流的方向始终相反，故

12、称之为反电势反电势。转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方向是与转子的转向一致，是向是与转子的转向一致，是驱动驱动性质的。此时，电动机从电性质的。此时，电动机从电源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出而带动源输入电能，通过电磁感应转换成机械能从轴上输出而带动生产机械转动。生产机械转动。.对于同一台电机，在不同的外部条件下，即可作发电机运行，也可作电动机运行原理，称为电机的可逆原理。电机的可逆原理，是电机理论中的普遍原理。它不仅适用于直流电机，而且也适用于交流电机。电机的可逆原理三、电动势和电磁转矩三、电动势和电磁转矩 1.电

13、动势电动势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感应电动势（感应电动势（V）；）；对磁极的磁通（对磁极的磁通（Wb）；）；n电枢转速（电枢转速（r/min）；）；Ke与电机结构有关的常数。与电机结构有关的常数。直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为直流发电机中，电动势的方向总是与电流的方向相同，被称为电源电动势。电源电动势。直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为直流电动机中，电动势的方向总是与电流的方向相反，被称为反电动势。反电动势。2电磁转矩电磁转矩TM 电枢绕组中的电流和磁通相互作用，产生

14、电磁力和电磁转矩，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：其大小可用如下公式表示：atM IKT式中：式中：TM电磁转矩（电磁转矩（Nm）；）；对磁极的磁通（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，Kt=9.55 Ke 直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。直流发电机和直流电动机的电磁转矩的作用是不同的。发电机的电磁转矩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。因此，在等速转动时，原动机的转矩驱动转矩的方向相反

15、。因此，在等速转动时，原动机的转矩T1必须必须与发电机的电磁转矩与发电机的电磁转矩TM及空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。电动机的电磁转矩电动机的电磁转矩是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机是驱动转矩，它使电枢转动。因此，电动机的电磁转矩的电磁转矩TM必须与机械负载转矩必须与机械负载转矩TL及空载损耗转矩及空载损耗转矩T0相平衡。相平衡。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，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，但二者的作用正好相反，见表，但二者的作用正好相反，见表 电机运行电机运行方式方式

16、E与与I的方的方向向E的作用的作用TM的性质的性质转矩之间的转矩之间的关系关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+T0四、直流电动机的分类四、直流电动机的分类 直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为直流电动机按定子励磁绕组的励磁方式不同可分为四类四类：1.他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大他励电动机：励磁绕组由外加电源单独供电，励磁电流的大小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（小与电枢两端电压或电枢电流的大小无关。如图（a）所示。）所示。2.并励电动机：励磁绕组与电枢绕

17、组并联连接，由外部电源一并励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（起供电。如图（b）所示。）所示。3.串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。如图（起供电。如图（c）所示）所示 4.复励电动机：励磁绕组分为两部分，一部分与电枢绕组并联复励电动机：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并联连接。如图（连接，另一部分与电枢绕组并联连接。如图（d）所示）所示他励电动机：他励电动机：励磁线圈与转子电枢的电源分开。励磁线圈与转子电枢的电源分开。并励电动机：并励电动机：励磁线圈与转子电

18、枢并联到同一电源上励磁线圈与转子电枢并联到同一电源上。串励电动机：串励电动机：励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上励磁线圈与转子电枢串联接到同一电源上。复励电动机：复励电动机：励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在励磁线圈与转子电枢的联接有串有并，接在 同一电源上。同一电源上。M他励他励UfIfIaUM并励并励UIfM串励串励UM复励复励U 描述直流发电机运行特性的物理量端电压U电枢电流Ia或输出电流I励磁电流If发电机的运行特性当I=0时，称为空载特性。负载特性constIfIfU 调节特性 constUfIfI 外特性 constRfIfU.3.2 3.2 直流发电机直流发电机3.2.13

19、.2.1他励发电机他励发电机1.1.电原理图电原理图 由于独立由于独立U Uf f,I,If f所以负载电流所以负载电流I I等于电枢电流等于电枢电流IaIaIaIRfIfEGUR+-2.2.空载特性空载特性 当发电机空载（当发电机空载（Ia=0Ia=0）及转速（及转速（n n）不变时，输出电势与励磁）不变时，输出电势与励磁电流的关系曲线电流的关系曲线当当I If f 小时直线（不饱和）小时直线（不饱和）I If f 大时，大时，弯曲（开始饱和）弯曲（开始饱和）I If f 更大，更大，平直（饱和，平直（饱和，不变）不变）EEoUoIf3.3.外特性曲线外特性曲线 当发电机转速当发电机转速（n

20、 n）和励磁和励磁（）不变时，输出电压不变时，输出电压（U U）与负载电流与负载电流(I)(I)之间的关系曲线之间的关系曲线注：注：当当Ia RaIa U=E-IaRaIa RaIa U=E-IaRa调节 R L 使负载电流达 I N 值，同时调节 R f（分压器）使端电压达 U N 此时的 R f 不能再改变。曲线随电流增加下降的原因：（1）电枢电阻压降的存在；（2）电枢反应去磁作用。UIUoUNoIN3.2.23.2.2并励发电机并励发电机 1.电原理图：电原理图：由于由于If10 （3）软特性）软特性 10%100dd nTnT 当当 T 时时n ，但由于他励电但由于他励电动机的电枢电阻

21、动机的电枢电阻Ra很小很小，所以在负载变化时所以在负载变化时，转速转速 n 的变化不大的变化不大，属硬机械，属硬机械特性。特性。机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，机械特性指的是电机的电磁转矩和转速间的关系，下边以他励和并励电机为例说明下边以他励和并励电机为例说明。他励电动机和并励电动机的特性一样。他励电动机和并励电动机的特性一样。他励他励MUfIfIaUfRstRMIfIafRstRU并励并励I二、固有机械特性二、固有机械特性 直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压UN和额定磁通和额定磁通 N)下和电枢电路内不外接

22、任何电阻时的下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T)即即:TKKRKUn2NteaNeN是一条直线。是一条直线。直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出出(0,n0)和和(TN,nN)即可绘出固有的机械特性。即可绘出固有的机械特性。通常直流电动机铭牌上给出额定功率通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN、额定电压、额定电压 UN、额、额定电流定电流IN和额定转速和额定转速 nN。即即：TKKRnETa2EKUn 0nnn0其中其中，TKKRKUnETaE2aTEaaIKTnKERIEUn0：理想空载转速理想空载转速,即即T

23、 T=0=0时的转速。（实际工作时的转速。（实际工作时时,由于有空载损耗，电机的由于有空载损耗，电机的T T不会为不会为0 0。）。）(1)估算电枢电阻估算电枢电阻Ra 依据：电动机在额定负载下的铜耗依据：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%75%。NNIURIIUIUIUPIUP)1)(75.05.0()1(Na2aNNNNNNNNNNNN 输入功率输出功率输入功率输出功率式中：式中：NNNNIUP 是额定运行条件下电动机的效率，且此时是额定运行条件下电动机的效率，且此时 NaII 故得故得 NNNNNa)1)(75.05.0(IUIUPR 固有机械特性的计

24、算步骤如下：固有机械特性的计算步骤如下：(2)求求 Ne K 额定运行条件下的反电势为：额定运行条件下的反电势为：aNNNe RIUnKEN 故故 NaNNNenRIUK (3)求理想空载转速求理想空载转速:NeN0 KUn 得得 00 n,(4)求额定转矩求额定转矩:NNNNN55.9nPPT 得得 NN,nT根据根据 、00 n,NN,nT两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线 。Tfn 三、人为机械特性三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁和励磁磁通通的大小

25、以及电枢回路串接附加电阻的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。所得到的机械特性。1.电枢回路中串接附加电阻时的人为特性电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 NN,UU电压平衡方程式为：电压平衡方程式为：)(adaaNRRIEU 得到的人为机械特性方程式为：得到的人为机械特性方程式为：TKKRRKUn2NteadaNeNTKKRKUn2NteaNeN把TKKRRKUn2NteadaNeN与 特性变软特性变软v空载速度不变；空载速度不变；v随着电阻的增加，转速降落增加；随着电阻的增加，转速降落增加；2.改变电枢电压改变电枢电压U时的人为特性时的人为特性 0,adN R 由于电动机电枢

26、绕组绝缘由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。在固有特性曲线之下。TKKRKUn2NteaNeN把TKKRKUn2NteaNe与v空载速度随着空载速度随着U的减小而减小；的减小而减小；v转速降落不变；转速降落不变；特性硬度不变特性硬度不变速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图所示。3改变磁通 时的人为特性作动力用:直流电动机将直流电能转化为机械能；而把改变电枢电动

27、势E的方向所产生的反接制动称为倒拉反接制动。转子是在电磁转矩的作用下才能旋转，所以电磁转矩的方向是与转子的转向一致，是驱动性质的。串励电动机：励磁绕组与电枢绕组并联连接，由外部电源一起供电。2电枢电压突然下降时的反馈制动直线1为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，直线2为电动机的固有机械特性。可知：改变串入电枢回路的电阻Rad；n0，IaE1电车走下坡路时的反馈制动直流电机的工作原理及特性 3改变磁通改变磁通 时的人为特性时的人为特性 0,adN RUUv转速降随磁通的改变而变化。转速降随磁通的改变而变化。v理想空载转速随磁通的改变而变化；理想空载转速随磁通的改变而变化；TKKRKUn2N

28、teaNeN把TKKRKUn2teaeN与 特性变软特性变软v由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节；和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节；v 当磁通过分削弱后：当磁通过分削弱后：（2）当）当 0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，通常，通常称为称为“飞车飞车”；当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，电枢电流为电枢电流为Ist，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。，长时间

29、的大电流会烧坏电枢绕组。因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程在运转过程中中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动机在使用中，一般都设有机在使用中，一般都设有“失磁失磁”保护。保护。（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载；v 例3-1 一台他励直流电动机在稳态下运行时，电枢反电势EE1，如负载转矩TL=常数，外加电压和电枢电路中的电阻均不变，问减弱励磁使转速上升到新的稳态值后，电枢反电势将如

30、何变化?是大于、小于还是等于E1?解 两个已知条件，一个是负载转矩TL常数；一个是从一个稳态到另一个稳态(而不涉及瞬态过程)，电枢反电势是稳态值。aatLICIKTT1EEEICRURIUEaaaa注意：从 不能判断E是如何变化的nKEev例3-2 一台他励直流电动机，v功率PN=5.5KW,UN=220V,IN=31A,nN=1500r/min,忽略损耗，认为额定运行时的电磁转矩近似等于输出转矩，试绘制电机近似的固有机械特性。v解：n=f(TL)是一条直线，故只要两点，理想空载点（0，n0）(TN,nN)NNNNNeNeNnRIUKKUn/0(1)估算Ra71.031220105.515.0

31、15.03NNNNNaIUIUPR1min/132.01500/71.031220/rVnRIUKNNNNNe(2)求n0min/1667132.0/220/0rKUnNeN(3)求TNmNnPTNNN351500105.555.955.93atdRUKKnT0也可求v对起动的基本要求：对起动的基本要求：v1、足够大的起动转矩、足够大的起动转矩Tst；v2、起动电流限制在允许范围内；、起动电流限制在允许范围内；v3、起动时间短；、起动时间短；v4、起动设备简单、经济、可靠。、起动设备简单、经济、可靠。v常用的起动方法：常用的起动方法：v1、直接起动；适用于小容量电机。、直接起动；适用于小容量电

32、机。v2、电枢串电阻器起动；损耗大。、电枢串电阻器起动；损耗大。v3、降压起动；须有专用电源。损耗小，起动平稳。、降压起动；须有专用电源。损耗小，起动平稳。34 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性 一、启动特性一、启动特性 电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达电动机的启动就是施电于电动机，使电动机转子转动起来，达到要求转速的这一过程。到要求转速的这一过程。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=0,E=0,而而Ra一般很小。一般很小。当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流为：a

33、Nst/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（1020）倍。）倍。过大的启动电流危害很大：过大的启动电流危害很大：（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，烧坏整流子；使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏整流子；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；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；（2）对机械系统的影响：对机械系统的影响：与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩很大，与启动电流成正比例的启动转矩使运动系统的动态转矩很大，过大的动态转矩会在机械系统和

34、传动机构中产生过大的动态转矩冲过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转矩冲击，使机械传动部件损坏；击，使机械传动部件损坏；（3）对供电电网的影响：）对供电电网的影响：过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成事故，或者过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启动时必须设法限制电枢电流，例如普通的限制电枢电流，例如普通的Z2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

35、不得大于额定电流的不得大于额定电流的1.52倍。倍。二、启动方法二、启动方法 限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电枢回路串电限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电枢回路串电阻启动两种方式。阻启动两种方式。1.降压启动：降压启动：所谓降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的所谓降压启动即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速的升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，升高，反电势增大，再逐步提高供电电压，最后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。电动机达到所要求的转速。2.电枢回路串电阻启动电枢回路串电阻启动 启动时，电枢回路串接启动电阻启动时，电枢回路

36、串接启动电阻Rst,此时启动电流此时启动电流Ist=UN/(Ra+Rst)将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步将受外加启动电阻的限制。随着转速的升高，反电势增大，再逐步切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。切除外加电阻直到全部切除，电动机达到所要求的转速。电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示：电枢回路串电阻启动时电动机电枢电路和启动特性如图所示：直线直线1为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，直线为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，直线2为电动机的固有机械特性。启动电阻的大小就是保证启动电流为为电动机的固有机械特性。启动电阻的大小就是

37、保证启动电流为额定值的两倍。额定值的两倍。电枢回路接入电网时，电枢回路接入电网时，KM断开，电动机工作在特性断开，电动机工作在特性1上，在动上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到a点时，点时，KM闭合，闭合，电动机的机械特性变为电动机的机械特性变为2。由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作。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，即电动机的工作点从工作点从a点切换到点切换到b点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续点，在动态转矩的作用下，电动

38、机的速度继续上升直到稳定点上升直到稳定点c。演示演示 从图中不难看出：当电动机的工作点从从图中不难看出：当电动机的工作点从a点切换到点切换到b点时，冲击点时，冲击电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用逐级电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用逐级切除启动电阻切除启动电阻的方的方法来实现。图所示为具有三段启动电阻的原理电路和启动特性。法来实现。图所示为具有三段启动电阻的原理电路和启动特性。图中：图中：1T尖峰（最大）转矩；尖峰（最大）转矩；2T换接（最小）转矩换接（最小）转矩 (1)电枢接入电网时，电枢接入电网时，KM1、KM2和和KM3均断开，电枢回路均断开，电枢回路串接外加电阻串接外加电阻R

39、ad3=R1+R2+R3，此时，电动机工作在特性曲线，此时，电动机工作在特性曲线a，在，在转矩转矩 T1的作用下，转速沿曲线的作用下，转速沿曲线a上升；上升；(2)当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达2时，时，KM1闭合，即切除电阻闭合，即切除电阻R3，此时电枢回路串外加电阻此时电枢回路串外加电阻Rad2=R1+R2，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。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由2切换切换到到3，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线b继续上升；继续上升；(3)当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点

40、到达4时，时，KM1、KM2同时闭合，即同时闭合，即切除电阻切除电阻 R2、R3，此时电枢回路串外加电阻此时电枢回路串外加电阻 Rad1=R1，电动机的机，电动机的机械特性变为曲线械特性变为曲线c。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由工作点由4切换到切换到5，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线c继续上升；继续上升；(4)当速度上升使工作点到达当速度上升使工作点到达6时，时，KM1、KM2、KM3同时闭同时闭合，即切除电阻合，即切除电阻R1、R2、R3，此时电枢回路无外加电阻，电动机，此时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的

41、机械特性变为固有特性曲线d，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，工作点由转速不能突变，工作点由6切换到切换到7，速度又沿着曲线，速度又沿着曲线d继续上升到继续上升到8，继续上升直到稳定工作点继续上升直到稳定工作点9。演示演示 由上可见，启动级数愈多，由上可见，启动级数愈多，T1、T2愈与平均转矩愈与平均转矩 221avTTT 接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生接近，启动过程快而平稳，但所需的控制设备也就愈多。我国生产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为产的标准控制柜都是按快速启动原则设计的，一般启动电阻为（34）段。）段

42、。多级启动时，多级启动时，T1、T2的数值需按照电动机的具体启动条件决的数值需按照电动机的具体启动条件决定，一般原则是保持每一级的最大转矩定，一般原则是保持每一级的最大转矩 T1（或最大电流（或最大电流I1）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 T2（或最小电流（或最小电流I2）也基本）也基本相同，一般选择：相同，一般选择：N126.1TT N22.11.1TT 34 直流他励电动机的调速特性直流他励电动机的调速特性 一、速度调节和速度变化一、速度调节和速度变化 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不同的概念是两个

43、完全不同的概念 电动机的电动机的调速调速是在一定的负载条件下，人为地改变电动机的电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，如图所示。路参数，以改变电动机的稳定转速，如图所示。转速的变化是转速的变化是人为改变人为改变（或调节）电枢回路的电（或调节）电枢回路的电阻大小所造成的，故称阻大小所造成的，故称调调速或速度调节速或速度调节。速度变化速度变化是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）是指由于电动机的负载转矩发生变化（增大与减小）或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图或其它不可预见因数引起电动机转速的变化（下降或上升），如图所示。所示。总

44、之，速度变化是在某总之，速度变化是在某条机械特性上，由于负载改条机械特性上，由于负载改变而引起的变而引起的(一条机械特性一条机械特性)；而速度调节则是在某一特定而速度调节则是在某一特定的负载下，靠人为改变机械的负载下，靠人为改变机械特性而得到的特性而得到的(两条机械特两条机械特性性)。二、调速方法二、调速方法下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。下面仅就他励直流电动机的调速方法作一般性的介绍。从直流他励电动机机械特性方程式从直流他励电动机机械特性方程式 TKKRRKUn2teadae 可知：可知：改变串入电枢回路的电阻改变串入电枢回路的电阻Rad；改变；改变电枢供电电压电枢供电电压U

45、或或主磁通主磁通，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可，都可以得到不同的人为机械特性，从而在负载不变时可以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速以改变电动机的转速，以达到速度调节的要求，故直流电动机调速的方法有以下三种。的方法有以下三种。1、改变电枢电路外串电阻、改变电枢电路外串电阻 adR 直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到如图所示的一簇机直流电动机电枢回路串接电阻后，可以得到如图所示的一簇机械特性。械特性。从特性可看出，在一定的负从特性可看出，在一定的负载转矩载转矩TL下，串入不同的电阻可下，串入不同的电阻可以得到不同的转速。如在电阻分以得到不同的转速。如

46、在电阻分别为别为 Ra、R1、R2、R3、的情况下，、的情况下，可以分别得到稳定工作点可以分别得到稳定工作点A、C、D和和E，对应的转速为，对应的转速为nA、nB、nC、nD。改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：改变电枢回路串接电阻的大小调速存在如下问题：机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；机械特性较软，电阻愈大则特性愈软，稳定度愈低；在空载或轻载时，调速范围不大；在空载或轻载时，调速范围不大；实现无级调速困难；实现无级调速困难；在调速电阻上消耗大量电能等。在调速电阻上消耗大量电能等。正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有些起重机、卷扬机正因为缺点不少，目前已很少采用，仅在有

47、些起重机、卷扬机等低速运转时间不长的传动系统中采用。等低速运转时间不长的传动系统中采用。2改变电动机电枢供电电压改变电动机电枢供电电压U 如图所示特性为改变电枢供电电压如图所示特性为改变电枢供电电压U调速的特性：调速的特性：从特性可看出，在一定的负从特性可看出，在一定的负载转矩载转矩TL下，电枢外加不同电压下，电枢外加不同电压可以得到不同的转速。如在电压可以得到不同的转速。如在电压分别为分别为 UN、U1、U2、U3的情的情况下，可以分别得到稳定工作点况下，可以分别得到稳定工作点a、b、c和和d，对应的转速为，对应的转速为na、nb、nc、nd。即改变电枢电压。即改变电枢电压可以达到调速的目的

48、。可以达到调速的目的。改变电枢外加电压调速有如下特点：改变电枢外加电压调速有如下特点：1）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，一般一般只能在额定转速以下调节；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，机械特性硬度不变，调速）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；的稳定度较高，调速范围较大；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=N，转矩，转矩T=Kt N Ia不变。不变。调速过程中，电动机输出转矩不变的调速特性称为恒转矩调调速过程中，电动机输出转矩不变的

49、调速特性称为恒转矩调速速。具有恒转矩调速特性的调速方法适合于对恒转矩型负载进行。具有恒转矩调速特性的调速方法适合于对恒转矩型负载进行调速；调速；4）可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。）可以靠调节电枢电压来启动电机，而不用其他启动设备。3改变电动机主磁通改变电动机主磁通 如图所示曲线为改变电动机主磁通如图所示曲线为改变电动机主磁通 调速的特性：调速的特性：从特性可看出，在一定的负载功率从特性可看出，在一定的负载功率PL下，下，不同的主磁通不同的主磁通 N、1、2、，可以得、，可以得到不同的转速到不同的转速na、nb、nc。即改变主磁通即改变主磁通 可以达到调可以达到调速的目的。速

50、的目的。改变电动机主磁通特点：改变电动机主磁通特点：1）可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上）可以平滑无级调速，但只能弱磁调速，即在额定转速以上调节；调节；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，倍，所以，调速范围不大，若使用特殊制造的调速范围不大，若使用特殊制造的“调速电动机调速电动机”，调速范围可以，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料都比普通电动机大增加，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