1、第一篇 直流機第1章 直流機概述第2章 直流機的電樞繞組第3章 直流機原理第4章 直流機特性第5章 直流電動機的起調制各章簡稱：概述、繞組、原理、特性、三項（電動機三項）。第5章 直流電動機起調制5.1 起動5.2 調速5.3 制動5.1 直流電動機的起動5.1.0 起動概述5.1.1 直接起動5.1.2 串變阻器起動5.1.3 降壓起動5.1.0 直流電動機起動概述1 起動定義2 對起動的要求3 起動方法和根本原則1 起動定義 直流電動機接通電源以后，從靜止到穩態轉速的過程，稱為起動。 對起動的研究包括：起動的動態過程、的起動過程的要求、起動方法。 本節研究要求、方法。動態放到第七篇專門研究

2、。 2 對起動的要求 四個方面：機、電、時、設1）機械方面。電磁轉矩足以克服風摩轉矩、負載轉矩（帶載時）。一般起動轉矩Tst=(1.22) TN。2 續1： 電2）電路方面。電樞電流不超過允許值。剛起動時，n0，Ea=Cen0，電源電壓加在Ra上，Ra很小，故IstU/Ra很大，使繞組發熱并且受到很大的電磁力沖擊，還會引起電網電壓突然降低，影響其他設備的正常運行。但從電磁轉矩Te=CTIa來看，減小Ist將使Tst隨之減小。這兩方面互相矛盾，故需綜合考慮。一般Ist =(1.52.5)IN。2 續2： 時、設3）時間方面。起動時間要盡量短，符合技術要求。4）設備方面。起動設備要盡量簡單、經濟、

3、可靠、操作方便 。 3 起動方法和根本原則 三種方法、兩個原則 1）直接起動；2）串變阻器起動；3）降壓起動。 無論哪種方法，根本原則是：1）提高電磁轉矩；2）降低起動電流。 為此，起動過程中，勵磁回路的調節電阻應置零值，確保磁通最大，以使同樣電樞電流下的電磁轉矩最大。 5.1.1 直流電動機的直接起動1 直接起動的操作步驟2 直接起動的電流、轉速波形3 直接起動的優缺點、應用1 直接起動的操作步驟先合上勵磁開關Q1，并調If到最大；合上電樞開關Q2。2 直接起動的電流、轉速波形這里僅給出波形。求解過程請見動態分析一篇。3 直接起動法的優缺點和應用 優點：操作簡單，無需其他起動設備。 缺點：起

4、動時沖擊電流較大，可達(1020)IN，造成換向困難，出現強烈火花。 應用：此法只用于小型電動機的起動，可適用于各種勵磁方式。 5.1.2 直流電動機的串變阻器起動原理：將起動電阻Rst串入電樞回路。適當選擇Rst的值，可將Ist限制在允許范圍之內。待轉速上升后逐步切除Rst。Rst采用變阻器。操作：1）Rf調到最小、Rst調到最大；2）合上開關Q；3）逐步調小Rst ，直到零。 5.1.3 直流電動機的降壓起動壓，并控制Ist在一定范圍內。 降壓起動所需專用電源有兩種：直流發電機、晶閘管整流電源。為使勵磁不受電源電壓的影響，電動機應采用他勵。因此這種方法只適用于他勵直流電動機。 降壓起動的優

5、點： Ist小，起動過程平滑，能量損耗少； 降壓起動的缺點：成本較高。開始起動時，給電樞加很低的端壓來限制Ist。n上升后，逐步增高端5.2 直流電動機的調速5.2.0 調速概述5.2.1 調勵調速5.2.2 調壓調速5.2.3 調阻調速5.2 直流電動機的調速5.2.0 調速概述5.2.1 調勵調速5.2.2 調壓調速5.2.3 調阻調速5.2.0 直流電動機調速概述1 調速定義2 調速性能3 調速方法1 調速定義 在指定負載下，人為改變電動機速度稱為調速。 2 調速性能 調速性能包括：1）調速范圍的寬窄；2）速度能否平滑調節；3）調速方法的實現是否方便-是否簡單、經濟。 很幸運，直流電動機

6、調速，性能優越：1）調速范圍寬、2）速度能平滑調節、3）調速方法簡單、經濟。3 調速方法1）變-調If ；2）變U-調專用發電機的勵磁；3）變Ra-調串入電樞回路的電阻。方法1）稱為場控，方法2）、3）稱為樞控。5.2.1 調勵調速1 調速原理2 調速過程3 調速效率4 調速實現5 調速特點1 調速原理 不計飽和：=KfIf 推導：不同的If對應不同的機械特性。看圖： If1If2IfN,nf2nf1nN:弱磁升速2 調速過程If、下降時，因慣性，n來不及變，Ea=Ce n立降。Ia大增，TeT2，n增加，Ea隨之升，Ia和Te減，當Te=T2時，n穩定于Q。 從電壓方程U=Ea+IaRa可知

7、，若不考慮IaRa，因U不變，則調勵前后Ea基本不變，即Ce1n1 Ce2n2。由此可得調速前、后穩態轉速的關系為：3 調速效率 若負載轉矩不變，則：轉速上升時，輸出功率T2上升；減小If（）又使Ia增加，輸入功率也要增加。故：調勵調速前后，效率基本不變。 串勵電動機，有兩種方法來改變If ，如圖所示：1）在勵磁繞組的兩端并聯可變電阻Rjf ；2）在電樞繞組的兩端并聯可變電阻Rja 。 Rja0時，電樞被短路，If最大。If減小時，n升高；（弱磁升速）If增大時，n降低。（強磁降速）圖見下頁。4 調勵調速實現：他勵、并勵、復勵電動機，由調節串接于勵磁繞組回路的可變電阻來改變勵磁電流If。曲線1

8、為自然機械特性。曲線2、3為弱磁升速。曲線4、5為強磁降速。 受飽和限制，轉速有一最低值。深度飽和后基本不變，從而n亦不再降低。4 續1：串勵電動機調勵調速 If減小時，n升高；（弱磁升速） If增大時，n降低。（強磁降速） 調勵調速優點：1）設備簡單；2）能損小；3）調節方便；4）調速范圍寬，可達6：1。 調勵調速缺點： 調節電阻為零時，轉速最低。因此，只能升速（弱磁升速），不能降速。5 調勵調速特點5.2.2 調壓調速1 調速原理2 調速特點不計飽和時，若調U，機械特性為一組平行直線。計及飽和時，若調U，機械特性為一組平行曲線。UNU1U2，nNn1n2。升壓升速。他勵與并勵相同。下面看串

9、勵。 1 調速原理并勵電動機：1續1串勵調壓調U時，G、H不變，串勵機的機械特性為一簇雙曲線。圖見下頁。UNU1U2，nNn1n2。降壓降速。1續2串勵電動機調壓調速的圖象2 調壓調速的特點 調壓調速的優點： 1）過程平滑； 2）范圍寬廣，可達25：1； 3）硬度不變； 4）效率較高。 調壓調速的缺點： 不經濟。（投資較高。） 5.2.3 調阻調速1 調速原理2 調速特點不計飽和時，若U不變，則截距不變斜率變。R增加時，B增大，交點下移，轉速下降。 計及飽和時，截距、斜率都變。圖象從略。R2 R 1，n1n2。增阻減速。復勵機也適用此法。下面看串勵。 1 調速原理他勵、并勵調阻：1續1串勵調阻

10、調R時，H變大，機械特性下移。圖見下頁。R2 R 1n1n2。增阻降速。1續2 串勵電動機調阻調速的圖象2 調阻調速的特點調阻調速的優點：1）簡單易行。調阻調速的缺點： 1）效率低。調節電阻使銅耗增加。 2）特性軟。即機械特性變軟。 3）當調節電阻為零時，轉速最高。因此，只能降速，不能升速。 4）調節電阻R只能分段調節。因此，調速不平滑。 5）輕載時調速范圍小。請見下頁圖。2 續1：輕載 調速范圍窄 重載 調速范圍寬5.3 直流電動機的電磁制動5.3.0 制動概述5.3.1 能耗制動5.3.2 反接制動5.3.3 回饋制動5.3.4 電磁制動小結5.3.0 直流電動機制動概述1 制動定義2 制

11、動目的2 電磁制動的方法1 制動定義轉矩若是機械轉矩，則稱之為機械制動；若是電磁轉矩，則稱之為電磁制動。電磁制動沒有機械磨損。 制動定義：在電動機軸上施加與其旋轉方向相反轉矩稱為制動。該相反2 制動目的 由制動定義可知，制動只是轉矩與轉速相反。 制動包括：停機式制動、運行式制動。 停機式制動的目的（用途）是停機。 運行式制動的目的（用途）是短暫運行：反向運行、限速運行。3 制動用途 制動用途：1）盡快使電機停轉；（最常用）2）使電機反轉運行；（起重機下放重物）3）防電機速度過快。（電力機車下坡限速）2 電磁制動的方法 電磁制動的方法有三種：1）能耗制動2）反接制動3）回饋制動5.3.1 直流電

12、動機的能耗制動1 能耗制動：原理2 能耗制動：速矩觀3 能耗制動：能量觀4 能耗制動：伏安觀5 能耗制動：特點和用途6 能耗制動：串勵機1 能耗制動原理 接線圖、機械特性推導1 續1：機械特性的圖象： 機械特性：截距為零，過原點的直線。由于n、Te異號，該直線位于二、四（若為勢能負載）象限。 斜率隨RL的增大而變大。改變RL可調節電樞電流和電磁轉矩，得到不同的停轉時間。 忽略空載制動轉矩T0。下同。2 能耗制動的速矩觀：制動方面 由B到0、由0到C（若為勢能負載），都是能耗制動。 因為n、Te異號，Te成為制動轉矩。3 能耗制動的能量觀：能耗方面 從A到B，電流、電磁轉矩都變了方向，電機由電動

13、變為發電。從B到0，機組的動能變為電能；從0到C（若為勢能負載），負載的勢能變為電能。電能大部分都被制動電阻RL消耗。 從B到0，Te為制動轉矩，慣性轉矩為驅動轉矩。從0到C,(若為勢能負載)Te為制動轉矩，負載轉矩為驅動轉矩。4 能耗制動的伏安觀：發電方面 在轉速漸降的過程中，發電機的外特性愈來愈低。發電機的工作點，從而電樞電流、制動轉矩，也愈來愈低。 當轉速低于n1時，交點太低，以至于失去制動能力。此時，若要快速停機，須采用機械制動。5 能耗制動的特點和用途特點：1）優點：能耗制動操作簡便；2）優點：不需要電網提供電能，經濟性好。3）缺點：低速時制動轉矩很小，停轉較慢。為加快停轉，可與機械

14、制動閘配合使用。 用途：他勵、并勵和復勵電動機。 6 串勵機的能耗制動-前面討論的是他勵、并勵、復勵。 對于串勵電動機，要實行能耗制動，勵磁繞組必須適當改接。Q1分閘、Q1下、Q2上 為電動；Q1上、Q2下、 Q1合閘為制動。 6 續1：串勵機能耗制動的速矩觀 串勵電動機的機械特性（即速矩關系）為雙曲線。請回憶第4章內容。 右圖與他、并勵機唯一的不同，就是串勵機的機械特性是雙曲線，而他、并勵機的機械特性是與縱軸有交點的下行線。6 續2：串勵機能耗制動的能耗觀 與他、并勵機相同。 6 續3：串勵機能耗制動的伏安觀 曲線1、2、3為電機的外特性（即伏安特性），直線4為制動電阻（即負載）RL的伏安特

15、性。當轉速低于n1時，因電流太小，失去制動能力，可采用機械制動。 5.3.2 直流電動機的反接制動1 電壓反接制動：原理2 電壓反接制動：速矩觀3 電壓反接制動：能量觀4 電壓反接制動：伏安觀5 電壓反接制動：特點6 電勢反接制動：原理7 電勢反接制動：用途8 反接制動的共同特點1 電壓反接制動原理 接線圖、機械特性推導（他、并勵） RL-限制制動電流。1續1：電壓反接制動機械特性圖象： 機械特性：縱軸截距為-n0，不過原點、在第2象限的直線。 若為非勢能負載，該直線將延伸到第3象限。 若為勢能負載，該直線將延伸到第3、4象限。2 電壓反接制動的速矩觀 B到C是減速。C點停轉。 若不切電源，非

16、勢能負載將從C到D反向加速，穩定于D點。 若不切電源，勢能負載將從C到G反向加速，穩定于G點。 從B到C是制動（ nTe異號）, 從C到F是電動（ nTe同號）, 從F到G是制動（ nTe異號）。1）B到C是降速制動。消耗電能-UIa +動能-EaIa。二者均用來降速，故U反接制動比能耗制動降速快。2）C到F是電動。3）F到G是升速制動。消耗電能-UIa +動能-EaIa。二者均變成熱能消耗在電阻上。 2、4象限制動時，電機都在用動能發電，發出的電能都被電阻消耗。3 電壓反接制動的能量觀 能耗制動時，電機表現為純粹的發電機。 電壓反接制動則不同：電機在用機械能發電，同時又在從電網收電（不是電動

17、！）。端壓被電網固定。電流Ia則隨n降低而減小，因Ia=(-U-Ea)/(Ra+RL),從而轉矩亦降低。但由于電網電壓作用，就算轉速為零，電流仍然夠大，制動轉矩仍然夠大。無須采用機械制動。4 電壓反接制動的伏安觀5 電壓反接制動的特點優點：1）制動轉矩大，能很快地使電動機停轉。缺點：1）電樞電流大，對電機產生沖擊，引起電網電壓降低。因此，反接時必須串入足夠的限流電阻RL，使電樞電流Ia限制在允許值之內（一般2IN）。 6 電勢反接制動的原理電動機在電樞回路串電阻R調速過程中，當R增大到一定程度時，工作點將出現在第四象限，速度為負值，電機反轉，電磁轉矩為制動性質，如圖。此時，電勢反向。故稱之為電

18、勢反接制動。 7 電勢反接制動的用途 電勢反接制動常用于起重設備低速下放重物的場合。 提升重物時，電機在A點運行。若下放重物，則在電樞回路串入R。初瞬，從A到 B；然后由B到C。此時Te小于負載轉矩。電機反轉。電勢變反。但Ia和Te方向不變。nTe異號，Te變為制動性質。工作點下移到D。改變R，起重設備可以以不同的速度下放重物。 8 反接制動的共同特點 電壓反接制動，電勢反接制動，無論是哪一種反接制動，制動時電網都要向電機提供電能，而負載向電機提供機械能（電壓反接時表現為動能或勢能，電勢反接時表現為勢能），這些能量全部消耗在電樞回路的電阻上。很不經濟。 5.3.3 直流電動機的回饋制動1 回饋

19、制動：原理2 回饋制動：實例3 回饋制動：機械特性4 回饋制動：速矩觀5 回饋制動：能量觀6 回饋制動：伏安觀7 回饋制動：特點1 回饋制動原理 設磁通不變。想象一下，有沒有可能存在外力使電機轉速n增加，從而電勢Ea增加，并超過電壓U呢？ 如果有，那么電樞電流Ia將反向，電磁轉矩Te也將反向，電機進入制動狀態。 這種制動下，電流逆著電源電壓U而行，相當于給電源充電。故稱之為回饋制動。2 回饋制動實例他、并勵電力機車下坡時，重力將使機車加速至EaU。電機進入發電狀態。此時電磁轉矩起制動作用，限制轉速繼續上升。機車位能變為電能而回饋電網。經濟性很好。串勵電力機車回饋制動時，要改為并勵或他勵，以保證勵磁不變。 Q1分閘、Q1下、Q2上 為電動；Q1上、Q2下、 Q1合閘為制動。 3 回饋制動的機械特性4 回饋制動的速矩觀 A到B是增速。 從A到縱軸是電動（ nTe同號）； 從縱軸到B是制動（ nTe異號）。 5 回饋制動的能量觀 從A到縱軸是電動：電能變成機械能； 從縱軸到B是制動，發電式制動：失去的位能變成電能，回饋電網。很經濟。 6 回饋制動的伏安觀 從A到B：電源電壓不變，電勢超過電源電壓，電樞電流反向。7