1、第五篇 直流电机,上海交通大学 周顺荣,第二十三章 直流电动机,第一节 直流电动机的基本方程式,以并励直流电机为例,一、 电势平衡方程式,I = Ia + If,（23-1）,U = E + IaRa,（23-2）,二、功率平衡方程式,电源输入电动机的电功率,（23-3）,电磁功率,空载损耗,并励电动机总损耗,（23-4）,（23-5）,（23-6）,电磁功率=,输出功率 +,三、转矩平衡方程式,电动机的电磁驱动转矩,（23-7）,由于，在直流电动机和被它拖动的机械负载所组成的机组中往往需要变速，变速时电动机的转子本身及被它拖动的机械负载均具有转动惯量。于是，转矩平衡方程式则为,（23-8）,
2、J 机组旋转部分的转动惯量,TC 机组总负载制动转矩(简化总制动转矩),Tj 惯性转矩,四、效率,（23-9）,第二节 直流电动机的工作特性,一、并励和他励电动机的工作特性,1速率特性n = f ( Ia ),（23-10）,电动机空载时，Ia = 0，其转速为 ，称电动机空载转速。,电动机的转速调整率,（23-11）,并励电动机运行时，励磁绕组不能断路。重载下励磁绕组断开，将导致Tem减小，电动机停转，反电势为零，电枢电流非常大，电机过热以致烧毁；若在轻负载下发生励磁绕组断开，将导致电动机“飞速”，可能损坏电机。,2转矩特性Tem = f ( Ia ),当Ia比较小时，电枢反应去磁作用影响较
3、小， 气隙磁通 近似不变，Tem = f ( Ia ) 呈线性关系； 当Ia比较大时，电枢反应去磁作用增大，故Tem = f ( Ia ) 较原直线要向下弯曲。,3. 效率特性 = f ( Ia ),4. 机械特性n = f (Tem ),在并励电动机中，U = 常值且励磁回路电阻不变时，If不变。如果忽略 电枢反应的影响，则为常值。故n = f (Tem ) 为一条直线。由于，通常 Ra CE CT 2 ，故并励电动机的自然机械特性很接近水平线。这时，因 Tem增加而引起n的下降并不多。这种特性称为硬特性。人工机械特性较自然 机械特性软 ( 即在同一电磁转矩时转速较低 ) 。这因为人工机械特
4、性是在 电枢回路内串入了电阻Rj的原故。由于电阻上压降增加，实际加于电枢两端 的电压减小。因此，同一电磁转矩 ( 电枢电流 )下的转速必然降低。,（23-12）,二、串励电动机的工作特性,1速率特性 n = ( Ia ),串励电动机速率特性表达式与并励电动机 (他励电动机) 的相同，即,当电机磁路饱和时，随Ia上升变缓，故n随Ia的增加而下降程度变小。,当电机磁路线性时，Ia与呈线性关系， n与Ia成反比关系，即n=f (Ia )为一条双曲线。,可见，串励电动机的一个特点是转速随负载的增加而下降得很快。,转速调整率,由于串励电动机在空载或轻载时，If = Ia很小，随之也很 小。由式(23-1
5、0)可见，将导致转速非常高，俗称“飞车”(危险)。 这种情况可从物理过程来分析：由于很小，根据关系式 E= CEn，电枢必须以非常高的转速才能产生足够的反电势， 从而来与电网电压相平衡。因此，串励电动机不允许空载运行。,（23-13）,由于串励电动机不允许空载运行，按GB755-87规定，串励电动机转速调整率定义为,式中，n1/4 电动机负载P2 =PN 4时的转速。,2转矩特性Tem = ( Ia ),电磁转矩Tem将随Ia的增加而很快上升是串励电动 机的又一个特点。在串励电动机中，由于If = Ia ，当 负载转矩增加时，P1和Ia随之增加，若磁路未饱和，磁通 Ia，Tem = Ia ；若
6、 磁路高度饱和，则基本不变，Tem Ia。,电磁转矩Tem将随Ia的增加而很快上升是串励电动机的又一个特点,串励电动机具有较大的起动转矩。并且当发生过载时，转速n会自动下降，电动机的输出功率P2= T2因此变化不大，从而避免电动机受损。当负载减轻时，转速又会自动上升。串励电动机的这些特点特别适用于电力机车等场合。,3. 机械特性n = f ( Tem),当电机磁路线性时，= CIa，则,（23-14）,代入上式（23-14）得,（23-15）,式中,当电机磁路饱和时， CIa ，则,（23-15）,三、复励电动机的工作特性,由于复励电动机同时具 有并励绕组和串励绕组，故 其工作特性介于并励和串
7、励 电动机两者之间。为避免运 行时产生不稳定现象，通常 采用积复励。,在复励电动机中，若并励绕组起主要作用时，其工作特性接近于并励电动机。但当电枢反应的去磁作用较强时，仍能获得下降的速率特性，以保证电动机的稳定运行。此时，称串励绕组为“稳定绕组”；若串联绕组起主要作用时，其工作特性接近于串励电动机。但空载时不会出现“飞车”危险。,第三节 直流电动机的起动,一、直接起动,（23-17）,以并励电动机为例,图23-11 并励电动机直接起动时电枢电流和转速的变化过程,Tst = CTIst,（23-18）,二、电枢回路串接变阻器起动,（23-19）,图23-12 三点起动器,自动起动器,随着转速的上
8、升，感应电势也增大，则电枢电流随之减小。当电枢电流等于设定值时，接通接触器1。,随着转速进一步的上升，逐级接通接触器2、3，电枢电流重复上述过程在与之间变化，直至稳态,三、降压起动, 降压起动是通过降低电动机的电枢端电压来限制起动电流。 采用降压起动的电动机应选用他励，以使起动时电动机的 励磁电流不受端电压变化的影响，保证足够的起动转矩。 降压起动需要有专用直流电源。起动时，电源电压由小增 大，电动机转速以规定的加速度上升，避免了大的冲击电流。 以前采用直流发电机作为专用直流电源，近代常采用可控硅整 流电源，称整流器-电动机组。 降压起动的优点是：起动电流很小、起动过程中能量损耗 少，且可实现
9、正、反转。缺点是机组投资较大。因此，该方法 只在需要经常起动或调速的大容量直流电动机中采用。,第四节 直流电动机的调速,一、改变励磁电流调速,（23-20）,调速方法：改变励磁电流；改变电枢端电压 ；改变串入电枢回路电阻Rj,若仅减小励磁电流If 使主磁通 减少，则电机转速n上升；反之，转速n 则下降。,当负载转矩不变时,因为E U = 常值,（23-21）,（23-22）,（23-23）,二、改变电枢端电压调速,若仅升高电枢端电压U，则电机转速n上升；反之，则电机转速n下降。,对于恒转矩调速，Tem = 1 =2。若励磁保持不变，1 =2， 则,（23-24）,因而,（23-25）,即,三、
10、改变串入电枢回路电阻Rj 调速,以E1= CE1 n1、E2= CE2 n2代入上式，且1=2,若仅增加电枢回路电阻Rj，则电机转速下降；反之，电机转速n升高。,对于恒转矩调速，Tem = 1 =2。若励磁保持不变，1 =2， 则,（23-26）,又,即,（23-27）,第五节 直流电动机的制动,制动时，保持 励磁电流不变,这时，电机仍有磁场，电枢因转子惯性继续旋转。 电动机变成他励发电机，其产生的电磁转矩的方向与 转子转向相反，起制动作用。这时，转子的动能转换 成电能，消耗在制动电阻及机组本体上，直至机组停 转。,一、能耗制动,二、反接制动,在保持励磁电流不变的条件下，利用反向开关把电枢两端
11、串入后反接到 电网上。这时，电网电压反过来与原来作为电动机运行时的反电势同方向， 仍按电动机的正方向规定时，电枢电流Ia = - (U +E ) /（Ra+ RL）很大，并 与原来电枢电流方向相反，随之产生很大的与电枢旋转方向相反的电磁转矩， 起强烈的制动作用。反接制动的优点是能很快地使机组停转。缺点是电枢电流可能很大，对 电机产生冲击，引起电网电压降低。为此，反接时必须串入足够的限流电阻 RL，使Ia = - (U + E ) / (Ra + RL ) 限制在允许值之下。这样，制动时电网所供给 的功率与机组的动能全部消耗在电枢回路电阻及限流电阻上，很不经济。应 当注意的是，当转速达到零值时，
12、须及时切断电源，否则电动机将反转。,三、回馈制动,接在电网上的电动机因转速过高而使电机进入发 电机运行状态。这时，电磁转矩起制动作用，所发出 的电能回馈至电网。这种制动方法称回馈制动。例如 串励电动机拖动的电车或电力机车下坡时， 如果不加 以制动，则机车速度会越来越高以致达到危险数值。 如果在这时，把串励改为并励或他励，以保证有适当 的励磁电流，电枢仍接在电网上，则当转速高到某一 数值时，电动机的反电势E U，电枢电流反向，电机 进入发电机状态。这时，转矩起制动作用，限制转速 继续上升，把下坡时机车的位能转换为电能而回馈给 电网。,第六节 整流电源供电对直流电动机的影响,由于晶闸管整流电源比直流发电机经济、高效、方便，因此已广泛用于 对直流电动机的供电。晶闸管整流电源一般是通过单相、三相或多相整流获 得，尽管采用了滤波等措施，在它的输出电压、电流中除直流分量外，还存 在着一定的交流分量。特别对于单相整流电路供电的直流电源，其输出的交 流分量较大。 电源中的交流分量将使电机损耗和温升增加、效率降低、换向困难、噪 声增大、振动加剧等。交流分量的大小与整流电路的形式以及控制角的大小 有关。,(a) 单相全波整流输出的电压波形,(b) 三相全波整流输出的电压波形,
