第3章直流電機(jī)的工作原理及特性

第3章

直流電機(jī)的工作原理及特性本章重點(diǎn)：?了解直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)及工作原理；?掌握直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性；?掌握直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、

調(diào)速和制動(dòng)等各種特性；?掌握實(shí)現(xiàn)直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)、

調(diào)速和制動(dòng)的各種方法以

及它們的使用場(chǎng)所。?電機(jī)分交流電機(jī)和直流電機(jī)兩種：直流電機(jī)—工作電壓為直流；交流電機(jī)—工作電壓為交流。?直流電機(jī)分直流電動(dòng)機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩種：直流電動(dòng)機(jī)—將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能；直流發(fā)電機(jī)—將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。直流電機(jī)與交流電機(jī)的比較?交流電機(jī)較直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、

維護(hù)方便、運(yùn)行可靠；?直流電機(jī)有交流電機(jī)不能比擬的啟動(dòng)和調(diào)速性能；?直流電機(jī)更適合于調(diào)速要求高、正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和

制動(dòng)頻繁的場(chǎng)合；?直流電機(jī)即可作電動(dòng)機(jī)使用，亦可作發(fā)電機(jī)使用；?交流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和調(diào)速需借助于復(fù)雜的控制電路。3.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)和工作原理3.1.1直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)如圖所示：直流電機(jī)結(jié)構(gòu)包括定子和轉(zhuǎn)子兩大部分。也有分成三大部分的：定子、轉(zhuǎn)子和換向器。定子部分主要由定子鐵心和繞在上面的勵(lì)磁繞組兩部分組成。轉(zhuǎn)子部分主要由電樞鐵心和電樞繞組兩部分組成。換向器由換向片和電刷組成，電刷固定在定子上，換向片與電樞繞組相連，換向片與電刷保持滑動(dòng)接觸。3.1.1直流電機(jī)的基本工作原理?任何電機(jī)的工作原理都是建立在電磁力和電磁感應(yīng)

這個(gè)基礎(chǔ)上的。?為了討論直流電機(jī)的工作原理，可把復(fù)雜的直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為圖3.5、圖3.6所示的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。此時(shí)，

電機(jī)具僅有一對(duì)主磁極，電樞繞組只是一個(gè)線圈，

線圈兩端分別聯(lián)在兩個(gè)換向片上，換向片上壓著

電刷A和B。發(fā)電機(jī)原理：?電樞由原動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)而在磁場(chǎng)中旋轉(zhuǎn)，在電樞線圈的

兩根有效邊ab和cd（切割磁力線的導(dǎo)體部分）中便

感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)e。?顯然，每一有效邊中的電動(dòng)勢(shì)是交變的。?但是，由于電刷A、B的位置

不變，因此，在電刷間就出現(xiàn)

一個(gè)極性不變的電動(dòng)勢(shì)或電壓，

當(dāng)電刷之間接有負(fù)載時(shí)，

在電動(dòng)勢(shì)的作用下就在電路中

產(chǎn)生一恒定方向的電流。電動(dòng)機(jī)原理：?直流電源接在電刷之間而使電流通入電樞線圈。?N極下有效邊中的電流總是一個(gè)方向，而S極上有效

邊中的電流總是另一個(gè)方向，這樣就能使兩個(gè)邊上

受到的電磁力矩的方向一致，電樞因而轉(zhuǎn)動(dòng)。?當(dāng)線圈的有效邊從N（S）極下

轉(zhuǎn)到S（N）極上時(shí)，其中電流

的方向通過換向器和電刷改變，

使電磁力的方向保持不變。?注意：此時(shí)，電樞線圈將產(chǎn)生

反電動(dòng)勢(shì)。電動(dòng)勢(shì)E

根據(jù)電磁學(xué)原理，兩電刷間的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為:式中：E——感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)（V）；

Φ——對(duì)磁極的磁通（Wb）；

n——電樞轉(zhuǎn)速（r/min）；

Ke——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)（電動(dòng)勢(shì)常數(shù)）。

直流發(fā)電機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相同，被稱為電源電動(dòng)勢(shì)。直流電動(dòng)機(jī)中，電動(dòng)勢(shì)的方向總是與電流的方向相反，被稱為反電動(dòng)勢(shì)。（重點(diǎn)）電磁轉(zhuǎn)矩TM

電樞繞組中的電流和磁通相互作用，產(chǎn)生電磁力和電磁轉(zhuǎn)矩，其大小可用如下公式表示：式中：TM——電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；

Φ——對(duì)磁極的磁通（Wb）；

Ia——電樞電流（A）；

Kt——與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)，Kt=9.55Ke（重點(diǎn)）?直流發(fā)電機(jī)和直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用不同。?發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是阻轉(zhuǎn)矩，它與電樞轉(zhuǎn)動(dòng)的方向

或原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的方向相反。?因此，在等速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩T1必須與發(fā)電

機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。?電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，它使電樞轉(zhuǎn)動(dòng)。?因此，電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩TM必須與機(jī)械負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

及空載損耗轉(zhuǎn)矩T0相平衡。

從以上分析可知，直流電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行和作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，雖然都產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)E和電磁轉(zhuǎn)矩T，但二者的作用正好相反，見P.19表3.1：電機(jī)運(yùn)行方式E與I的方向E的作用TM的性質(zhì)轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系發(fā)電機(jī)相同電源電動(dòng)勢(shì)阻轉(zhuǎn)矩T1=TM+T0電動(dòng)機(jī)相反反電動(dòng)勢(shì)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩TM=TL+T03.2直流發(fā)電機(jī)?直流發(fā)電機(jī)通常按勵(lì)磁方法分為：他勵(lì)、并勵(lì)、

串勵(lì)和復(fù)勵(lì)。?其余三種

發(fā)電機(jī)的

勵(lì)磁繞組中的

勵(lì)磁電流均為

電樞電流或

電樞電流的

一部分——故

稱自勵(lì)發(fā)電機(jī)。自學(xué)各種發(fā)電機(jī)的機(jī)械特性。3.3直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)按定子勵(lì)磁繞組的勵(lì)磁方式分為四類：1、他勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組

由外加電源單獨(dú)供電，

勵(lì)磁電流的大小與電樞

兩端電壓或電樞電流的

大小無關(guān)。2、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)連接，

由外部電源一起供電。3、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)連接，

由外部電源一起供電。4、復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)：勵(lì)磁繞組分為兩部分，一部分與電

樞繞組并聯(lián)連接，另一部分與電樞繞組串聯(lián)連接。3.3.1他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性?首先回顧一下什么是機(jī)械特性？?我們把同一軸上負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速之間的函數(shù)關(guān)系

稱為機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)的負(fù)載特性。（P.10.-2.3節(jié)）?就是生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性，有時(shí)也稱為生產(chǎn)機(jī)械的

機(jī)械特性。?因此，我們研究的目標(biāo)對(duì)象就是負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速

之間的函數(shù)關(guān)系。?若我們約定：Ia——電樞電流；Ra——電樞電阻；E

——電樞電動(dòng)勢(shì)；U

——電機(jī)端電壓；Uf——?jiǎng)?lì)磁繞組端電壓；Rf——?jiǎng)?lì)磁調(diào)節(jié)電阻；If——?jiǎng)?lì)磁繞組電流。?由電磁學(xué)理論很容易

推得：直流電機(jī)機(jī)械特性一般表達(dá)式重點(diǎn)?由P.18.式3.2知：?即，磁通Φ隨Ia和T變化的規(guī)律隨電機(jī)的勵(lì)磁方式的不同而不同。?所以，不同勵(lì)磁方式下，電機(jī)的特性曲線就有差異。?他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性如圖3.16所示。?對(duì)于他勵(lì)和并勵(lì)電動(dòng)機(jī)而言，

當(dāng)Uf和U同屬于一個(gè)電源，且不

考慮供電電源內(nèi)阻時(shí)，這兩種電機(jī)

的If或Φ的大小均與Ia無關(guān)，因此

它們的機(jī)械特性是一樣的。?圖3.16中的n0是理想空載轉(zhuǎn)速。?是當(dāng)T=0時(shí)，電機(jī)應(yīng)達(dá)到的轉(zhuǎn)速。?但實(shí)際上，電機(jī)總存在空載

制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此，僅靠電機(jī)自身

的作用是永遠(yuǎn)無法達(dá)到這個(gè)

轉(zhuǎn)速的。?理想空載轉(zhuǎn)速是電機(jī)機(jī)械特性的一個(gè)重要特征點(diǎn)。重點(diǎn)?在實(shí)際應(yīng)用中，我們最關(guān)心的是

轉(zhuǎn)矩的變化對(duì)轉(zhuǎn)速的影響。?為了衡量這個(gè)變化的影響，引進(jìn)

機(jī)械特性硬度這個(gè)概念：?即轉(zhuǎn)矩變化dT與所引起的轉(zhuǎn)速變化dn的比，稱為：

機(jī)械特性的硬度。?根據(jù)β值的不同，可將電機(jī)特性分為三類：

絕對(duì)硬特性、硬特性、軟特性。

機(jī)電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的充分必要條件的表述中：①電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性n=f（Tm）

與負(fù)載特性n=f（TL）有交點(diǎn)；②電機(jī)的機(jī)械特性硬度應(yīng)小于負(fù)載的……1、固有機(jī)械特性?電機(jī)的機(jī)械特性有固有特性和人為特性之分。?固有特性又稱自然特性，是指在額定條件下的n=f(T)曲線。（1）估算電樞電阻Ra：?根據(jù)電機(jī)銘牌可以計(jì)算出關(guān)鍵點(diǎn)而繪出該電機(jī)

在額定條件下的n=f(T)特性曲線。重點(diǎn)?即根據(jù)電機(jī)銘牌計(jì)算出理想空載點(diǎn)和額定運(yùn)行點(diǎn)

的坐標(biāo)，再據(jù)此近似地畫出n=f(T)特性曲線。（2）求KeΦN：（3）求理想空載轉(zhuǎn)速：（4）求額定轉(zhuǎn)矩：重點(diǎn)?根據(jù)（0,n0）和（Tn,nN）兩點(diǎn)就可以作出他勵(lì)電動(dòng)機(jī)

的機(jī)械特性曲線。?正轉(zhuǎn)時(shí)，在第一象限；

反轉(zhuǎn)時(shí)，在第三象限。?人為機(jī)械特性是指公式

中的供電電壓U或磁通Φ

不是額定值、電樞電路中

接有外加電阻Rad時(shí)的機(jī)械特性。（三種）2、人為機(jī)械特性（1）電樞回路中串接附加電阻時(shí)的人為機(jī)械特性；重點(diǎn)（2）改變電樞電壓U時(shí)的人為機(jī)械特性；（3）改變磁通Φ時(shí)的人為機(jī)械特性。3.3.2串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性?串勵(lì)電機(jī)的勵(lì)磁電流就是它的

電樞電流，其每極磁通Φ就是

電樞電流的函數(shù)，也是電機(jī)

轉(zhuǎn)矩的函數(shù)。?所以它的機(jī)械特性曲線可分為

兩段。?第一段，電機(jī)負(fù)載較輕，電樞

電流較小，電機(jī)磁路的磁飽和度不高，可近似地認(rèn)

為每極磁通Φ和電樞電流Ia成正比。類雙曲線。?第二段，電機(jī)負(fù)載較重，電樞電流較大，電機(jī)磁路

趨于磁飽，可近似地認(rèn)為每極磁通Φ為常數(shù)。

此時(shí)，近似一條直線。?串勵(lì)電機(jī)的機(jī)械特性的硬度

比他勵(lì)電機(jī)小得多，即為

軟特性。也就是說負(fù)載的

大小對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速影響很大。由圖可見：?當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩較大時(shí)，電機(jī)

轉(zhuǎn)速較低，當(dāng)負(fù)載較輕時(shí)，

電機(jī)轉(zhuǎn)速又能很快上升，這

很適合于運(yùn)輸機(jī)械的拖動(dòng)。?當(dāng)啟動(dòng)電流一定時(shí)，串勵(lì)電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大于他勵(lì)

電機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩，所以，串勵(lì)電機(jī)多用于起重、

運(yùn)輸機(jī)械的拖動(dòng)。使用串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的注意事項(xiàng)?串勵(lì)電機(jī)絕不允許空載運(yùn)行，因?yàn)榇藭r(shí)轉(zhuǎn)速極高，

所產(chǎn)生的離心力足以將電樞繞組元件甩出槽外。?串勵(lì)電機(jī)雖然可以反轉(zhuǎn)，但不能直接改變電源極性，

只能通過專門的開關(guān)控制電路改變電樞或勵(lì)磁繞組

的電源極性來實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)。3.3.3復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性?復(fù)勵(lì)電機(jī)具有他勵(lì)和串勵(lì)兩個(gè)

繞組，工業(yè)上常用的是積復(fù)勵(lì)

電機(jī)，即他勵(lì)和串勵(lì)繞組所產(chǎn)

生的磁通方向一致。?它的機(jī)械特性介于他勵(lì)電機(jī)和

串勵(lì)電機(jī)之間。?它的機(jī)械特性依串勵(lì)磁通所占的比重不同而不同。?串勵(lì)磁通所占的比重大，則機(jī)械特性就較軟。?一般串勵(lì)磁通在額定負(fù)載時(shí)，占全部磁通30%左右。3.4直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)特性?啟動(dòng)電動(dòng)機(jī)就是施電于電動(dòng)機(jī)，使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)

起來，達(dá)到要求轉(zhuǎn)速的過程。?對(duì)直流電動(dòng)機(jī)而言，在未啟動(dòng)之前n=0、E=0，

而Ra一般很小。?

所以，當(dāng)電動(dòng)機(jī)被直接接入電網(wǎng)并施加額定電壓時(shí)，

啟動(dòng)電流為：?這個(gè)電流很大，一般情況下能達(dá)到其額定電流的

（10～20）倍。3.4.1啟動(dòng)特性?過大的啟動(dòng)電流危害很大：（1）對(duì)電動(dòng)機(jī)本身的影響：?使電動(dòng)機(jī)在換向過程中產(chǎn)生危險(xiǎn)的火花，

燒壞整流子（換向器）；?過大的電樞電流產(chǎn)生過大的電動(dòng)應(yīng)力，

可能引起繞組的損壞。（2）對(duì)機(jī)械系統(tǒng)的影響：?啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩與啟動(dòng)電流成正比例；?巨大的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩在運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)中產(chǎn)生很大的

動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩；?過大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩會(huì)在機(jī)械系統(tǒng)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中產(chǎn)生

過大的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩沖擊，使機(jī)械傳動(dòng)部件損壞。（3）對(duì)供電電網(wǎng)的影響：?過大的啟動(dòng)電流可能會(huì)導(dǎo)致保護(hù)裝置動(dòng)作，

導(dǎo)致切斷電源，造成事故；?或者引起電網(wǎng)電壓的下降，影響其他負(fù)載的

正常運(yùn)行。因此，直流電動(dòng)機(jī)是不允許直接啟動(dòng)的若要啟動(dòng)，必須設(shè)法限制電樞電流！例如：普通的Z2型直流電動(dòng)機(jī)，規(guī)定電樞的瞬時(shí)電流

不得大于額定電流的1.5～2倍。3.4.2限流啟動(dòng)方法?限制直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)電流，有兩種方法：

降壓?jiǎn)?dòng)和在電樞回路中串接電阻。1.降壓?jiǎn)?dòng)：即在啟動(dòng)瞬間，降低供電電源電壓。隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的升高，反電勢(shì)增大，此時(shí)逐步提高供電電壓；最后達(dá)到額定電壓時(shí)，電機(jī)也達(dá)到了要求的轉(zhuǎn)速?，F(xiàn)代工業(yè)控制，多用電力電子技術(shù)來實(shí)現(xiàn)降壓?jiǎn)?dòng)。2.在電樞回路中串接電阻?啟動(dòng)時(shí)，電樞回路中串接啟動(dòng)電阻Rst，此時(shí)

啟動(dòng)電流為：Ist=UN/(Ra+Rst)。?該電流的大小將受到外加啟動(dòng)電阻的限制。?隨著轉(zhuǎn)速的升高，反電勢(shì)增大，既可逐步切除外加

電阻，直到切除全部外加電阻，電動(dòng)機(jī)逐步達(dá)到所

要求的工作轉(zhuǎn)速。?P.29.圖3.23所示為一段啟動(dòng)電阻的他勵(lì)電機(jī)原理及

啟動(dòng)特性。?直線1為電動(dòng)機(jī)電樞回路串接啟動(dòng)電阻時(shí)的機(jī)械特性；?直線2為電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性。?啟動(dòng)電阻的大小就是保證最大啟動(dòng)電流為：

額定值的兩倍。電樞回路接入電網(wǎng)時(shí)，KM斷開，電動(dòng)機(jī)工作在特性1上，在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)速度上升。當(dāng)速度上升到a點(diǎn)時(shí)，KM閉合，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)?。由于在切換電阻的瞬間，機(jī)械慣性的作用使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，在此瞬間速度維持不變，即電動(dòng)機(jī)的工作點(diǎn)從a點(diǎn)切換到b點(diǎn)，在動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩的作用下，電動(dòng)機(jī)的速度繼續(xù)上升直到穩(wěn)定點(diǎn)c。很大的沖擊電流圖3.24為三段啟動(dòng)電阻的他勵(lì)電機(jī)啟動(dòng)特性和原理圖。上述電機(jī)從工作點(diǎn)a切換到b點(diǎn)時(shí)，沖擊電流仍很大，為了解決這種現(xiàn)象，通常采用逐級(jí)切除啟動(dòng)電阻的方法來實(shí)現(xiàn)。?圖中：T1

——尖峰（最大允許電流）轉(zhuǎn)矩；T2——換接（最?。┺D(zhuǎn)矩。?圖中：T1

——尖峰（最大允許電流）轉(zhuǎn)矩；T2——換接（最?。┺D(zhuǎn)矩。?(1)電樞接入電網(wǎng)時(shí)，KM1、KM2和KM3均斷開，

電樞回路串接外加電阻Rad3=R1+R2+R3，此時(shí)，

電動(dòng)機(jī)工作在特性曲線a，在轉(zhuǎn)矩T1的作用下，

轉(zhuǎn)速沿曲線a上升；?(2)當(dāng)轉(zhuǎn)速上升使工作點(diǎn)到達(dá)2時(shí)，KM1閉合，即切除

電阻R3

，此時(shí)電樞回路串接外加電阻Rad2=R1+R2，

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)榍€b。由于機(jī)械慣性的

作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由2切換

到3，然后，轉(zhuǎn)速又沿著曲線b繼續(xù)上升到4；?(3)當(dāng)轉(zhuǎn)速上升使工作點(diǎn)到達(dá)4時(shí)，KM1、KM2同時(shí)閉合，

即切除電阻R2、R3，此時(shí)電樞回路串接外加

電阻Rad1=R1，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)榍€c。

由于機(jī)械慣性的作用，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不能突變，

工作點(diǎn)由4切換到5，然后，轉(zhuǎn)速又沿著曲線c

繼續(xù)上升到6；?(4)當(dāng)轉(zhuǎn)速上升使工作點(diǎn)到達(dá)6時(shí)，KM1、KM2、KM3

同時(shí)閉合，即切除電阻R1、R2、R3，此時(shí)

電樞回路無外加電阻，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)?/p>

固有特性曲線d，由于機(jī)械慣性的作用，電動(dòng)機(jī)

的轉(zhuǎn)速不能突變，工作點(diǎn)由6切換到7，隨后，

轉(zhuǎn)速又沿著曲線d繼續(xù)上升直到穩(wěn)定工作點(diǎn)8、9。

?

由上可見，啟動(dòng)級(jí)數(shù)愈多，T1、T2愈接近平均轉(zhuǎn)矩：?jiǎn)?dòng)過程快而平穩(wěn)，但所需的控制設(shè)備也就愈多。?國(guó)產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)控制柜都是按快速啟動(dòng)原則設(shè)計(jì)的，

一般啟動(dòng)電阻為（3～4）段。?多級(jí)啟動(dòng)時(shí)，T1、T2的數(shù)值需按照電動(dòng)機(jī)的

具體啟動(dòng)條件決定。?一般原則是：

保持每一級(jí)的最大轉(zhuǎn)矩T1（或最大電流I1

）不超過

電動(dòng)機(jī)的允許值，而每次切換電阻時(shí)的T2（或最小

電流I2

）也基本相同，

一般選擇：3.5直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速特性?調(diào)速（又稱速度調(diào)節(jié)）與速度變化是兩個(gè)完全

不同的概念。?電動(dòng)機(jī)的調(diào)速是在一定的負(fù)載條件下，人為地改變

電動(dòng)機(jī)的電路參數(shù)，以改變電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。?如圖所示：人為地改變（或

調(diào)節(jié)）電樞回路的電阻大小

造成轉(zhuǎn)速下降，故這種人為

改變某些參數(shù)而造成速度的

變化，稱調(diào)速或速度調(diào)節(jié)。?速度變化是指由于電動(dòng)機(jī)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化（

增大與減?。┗蚱渌豢深A(yù)見因素引起的電動(dòng)機(jī)

轉(zhuǎn)速的變化（下降或上升），如圖所示。?總之，速度變化是在某條

機(jī)械特性曲線上，由于負(fù)載

改變而引起的；?而速度調(diào)節(jié)則是在某一特定的

負(fù)載下，靠人為改變機(jī)械特性

而得到的。?由直流他勵(lì)電機(jī)機(jī)械特性方程：知：?可通過改變串入電樞回路的電阻Rad、電樞供電

電壓U或主磁通Φ得到不同的人為機(jī)械特性，從而

在負(fù)載不變的情況下，改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。?因此，直流電機(jī)調(diào)速方法有三種：

改變電樞電外串電阻Rad；

改變電樞供電電壓U；

改變電機(jī)主磁通Φ。3.5.1改變電樞電路外串電阻Rad?從特性方程可看出，在一

定的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，串入

不同的電阻可以得到不同

的轉(zhuǎn)速。?在電阻分別為Ra、R1、R2、R3的情況下，可以分別

得到穩(wěn)定工作點(diǎn)A、C、D和E，對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為nA、nB、nC、nD。（Ra<R1<R2<R3

）?電樞回路串接附加電阻人為機(jī)械特性方程為：Rad越大，電機(jī)

特性越軟。重點(diǎn)?當(dāng)U和Φ都是額定值時(shí)，二者的理想空載轉(zhuǎn)速n0是

相同的，而轉(zhuǎn)速降Δn卻變大了，即機(jī)械特性變軟。?Rad越大，機(jī)械特性越軟。?由不同的Rad可得一族由同一點(diǎn)(0,n0)發(fā)出的人為機(jī)械特性

曲線。特點(diǎn)：改變電樞回路串接電阻的大小調(diào)速存在如下問題：?機(jī)械特性較軟，電阻愈大則特性愈軟，穩(wěn)定度愈低；?在空載或輕載時(shí)，調(diào)速范圍不大；?實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速困難；?在調(diào)速電阻上消耗大量電能等。?正因?yàn)槿秉c(diǎn)不少，目前已很少采用，僅在有些起重

機(jī)、卷?yè)P(yáng)機(jī)等低速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間不長(zhǎng)的傳動(dòng)系統(tǒng)中采用。3.5.2改變電機(jī)電樞供電電壓U?改變電樞供電電壓U可得如圖3.28所示的一組人為

機(jī)械特性曲線：?從特性曲線可看出，在一定

的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL下，電樞外加

不同電壓可得到不同的轉(zhuǎn)速。?在電壓分別為UN、U1、U2、

U3的情況下，可以分別得到

穩(wěn)定工作點(diǎn)a、b、c和d，

對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)速為na、nb、nc、nd。（UN>U1>U2>U3）?當(dāng)Φ=ΦN、Rad=0、改變電樞電壓U時(shí)，理想空載

轉(zhuǎn)速n0將隨電樞電壓U的變化而變化，但轉(zhuǎn)速降

Δn卻不變。?所以，在不同的電樞電壓U下，

可得一組平行于固有機(jī)械特性

曲線的人為機(jī)械特性曲線。重點(diǎn)?由于電機(jī)絕緣材料耐壓條件

的限制，這種電壓調(diào)速方法

只能在額定電壓值以下調(diào)節(jié)。?是一種電機(jī)降速調(diào)速法。特點(diǎn)：例：將電機(jī)電樞供電電壓由U1升到UN。?電壓為U1時(shí)，電機(jī)工作在U1

特性的b點(diǎn)；此時(shí)，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速

為nb。?當(dāng)電壓突然上升到UN時(shí)，由于

機(jī)械系統(tǒng)的慣性作用，轉(zhuǎn)速n

不變，相應(yīng)的反電動(dòng)勢(shì)也不變，

仍分別為nb和Eb。?但當(dāng)不考慮電樞電路的電感時(shí)，電樞電流將由

突然上升至；?電機(jī)轉(zhuǎn)矩也由

突然升至；?此時(shí)，電機(jī)的工作點(diǎn)雖然由b點(diǎn)過渡到g點(diǎn)，但由于有Tg>TL，所以，系統(tǒng)開始加速。?反電動(dòng)勢(shì)E也會(huì)隨著轉(zhuǎn)速n的

上升而增大，電樞電流則逐漸減少，電機(jī)轉(zhuǎn)矩也相應(yīng)地減少，電機(jī)的工作點(diǎn)沿UN由g點(diǎn)移動(dòng)到a點(diǎn)，

電機(jī)轉(zhuǎn)矩又回到TL。特點(diǎn)：?當(dāng)電源電壓連續(xù)變化時(shí)，轉(zhuǎn)速可以平滑無級(jí)調(diào)節(jié)，

但一般只能在額定轉(zhuǎn)速以下調(diào)節(jié)；?調(diào)速特性與固有特性互相平行，機(jī)械特性硬度不

變，調(diào)速的穩(wěn)定度較高，調(diào)速范圍較大；?調(diào)速時(shí)，因電樞電流Ia與電壓U無關(guān)，且=

N，

故電機(jī)轉(zhuǎn)矩T=KtNIa不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，適

用于對(duì)恒轉(zhuǎn)矩型的負(fù)載進(jìn)行調(diào)速；?可以靠調(diào)節(jié)電樞電壓來啟動(dòng)電機(jī)，無需其他啟動(dòng)

設(shè)備。?當(dāng)U=UN、Rad=0、而改變磁通Φ時(shí)，

理想空載轉(zhuǎn)速n0和轉(zhuǎn)速降Δn都要隨磁通Φ的變化

而變化。?由于磁通Φ只能在低于其

額定值的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，而

啟動(dòng)電流為常數(shù)，所以得到

的人為機(jī)械特性曲線如右

所示。是一種電機(jī)超速調(diào)速法。當(dāng)磁通過分消弱后，如果負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電機(jī)電流將大大增加，從而產(chǎn)生過載現(xiàn)象。?必須注意的是：當(dāng)Φ=0時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速將升到機(jī)械強(qiáng)度不允許的程度。因此，直流他勵(lì)電機(jī)啟動(dòng)前必須先加勵(lì)磁電流，且在運(yùn)轉(zhuǎn)中決不允許勵(lì)磁電流為零。為此，直流他勵(lì)電機(jī)在使用中，一般都設(shè)有“失磁”保護(hù)措施。3.5.3改變電機(jī)主磁通Φ?改變電機(jī)主磁通的調(diào)速機(jī)械特性如圖3.29所示：?即改變主磁通可以達(dá)到調(diào)速的目的。?降速時(shí)沿c-d-b進(jìn)行，升速時(shí)沿b-e-c進(jìn)行。?可平滑無級(jí)調(diào)速，但只能弱磁調(diào)速，即在額定轉(zhuǎn)

速以上調(diào)節(jié)；?調(diào)速特性較軟，且受電動(dòng)機(jī)換向條件等的限制；?調(diào)速時(shí)維持電樞電壓U和電樞電流Ia不變時(shí)，

電動(dòng)機(jī)的輸出功率P=UIa不變，屬恒功率調(diào)速。?普通他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的最高轉(zhuǎn)速不得超過額定轉(zhuǎn)速的1.2倍，所以，調(diào)速范圍不大。?所以，它往往和調(diào)壓調(diào)速配合使用，即在額定轉(zhuǎn)

速下用降壓調(diào)速；在額定轉(zhuǎn)速之上用弱磁調(diào)速。特點(diǎn)：3.6直流他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)特性1、制動(dòng)與啟動(dòng)的定義：?啟動(dòng)：施電于電動(dòng)機(jī)使電動(dòng)機(jī)速度從靜止加速到

某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的一種運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。?制動(dòng)：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，或使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速

從某一穩(wěn)定轉(zhuǎn)速開始減速到停止或是

限制位能負(fù)載下降速度的一種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。?注意：電動(dòng)的制動(dòng)與自然停車是兩個(gè)不同的概念。2、制動(dòng)與自然停車的區(qū)別：?自然停車：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，靠很小的摩擦阻轉(zhuǎn)矩

消耗機(jī)械能使轉(zhuǎn)速慢慢下降，直到轉(zhuǎn)速為零

而停車。這種停車過程需時(shí)較長(zhǎng)，不能滿足

生產(chǎn)機(jī)械快速停車的要求。?制動(dòng)：電動(dòng)機(jī)脫離電網(wǎng)，外加阻力轉(zhuǎn)矩使電動(dòng)機(jī)

迅速停車。為了提高生產(chǎn)效率，保證產(chǎn)品

質(zhì)量，需要加快停車過程，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確停車

等，要求電動(dòng)機(jī)運(yùn)行在制動(dòng)狀態(tài)，常簡(jiǎn)稱

為電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)。電動(dòng)機(jī)的兩種工作狀態(tài)?從能量轉(zhuǎn)換來看，電動(dòng)機(jī)有2種工作狀態(tài)：

電動(dòng)狀態(tài)和制動(dòng)狀態(tài)。1)電動(dòng)狀態(tài)——基本狀態(tài)TM為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩，TL為阻轉(zhuǎn)矩。此時(shí)，電動(dòng)機(jī)的作用是將電能轉(zhuǎn)換機(jī)械能，

故稱這種狀態(tài)為電動(dòng)狀態(tài)。2）制動(dòng)狀態(tài)：TM為阻轉(zhuǎn)矩，TL為拖動(dòng)轉(zhuǎn)矩。?電動(dòng)機(jī)的作用是吸收或消耗重物的機(jī)械能。故稱

電動(dòng)機(jī)的這種工作狀態(tài)為制動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)制動(dòng)狀態(tài)分為兩種：1、穩(wěn)定制動(dòng)狀態(tài)?例如卷?yè)P(yáng)機(jī)放下重物時(shí)，為了限制位能負(fù)載的

運(yùn)動(dòng)速度，電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，以保證重物的

勻速下降。2、過度制動(dòng)狀態(tài)?例如在降速或停車制動(dòng)時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速是變化的。區(qū)別在于轉(zhuǎn)速是否變化！共同點(diǎn)是TM與n方向相反，電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。根據(jù)直流他勵(lì)電機(jī)制動(dòng)時(shí)的外部條件和能量傳遞情況，制動(dòng)狀態(tài)分為：反饋制動(dòng)、反接制動(dòng)和能耗制動(dòng)。3.6.1反饋制動(dòng)?電機(jī)正常接線時(shí)，在外部

條件作用下，電機(jī)的實(shí)際

轉(zhuǎn)速n大于其理想空載轉(zhuǎn)速n0，此時(shí)，電機(jī)即運(yùn)行于

反饋制動(dòng)狀態(tài)。例：電車，走平路時(shí)，其電機(jī)工作在

電動(dòng)狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩T克服

摩擦性負(fù)載轉(zhuǎn)矩Tr，即T=Tr，

以轉(zhuǎn)速na穩(wěn)定在工作點(diǎn)a。故，電樞中電流Ia的方向便

與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，轉(zhuǎn)矩也相反，

直到TP=T+Tr，即T=TP-Tr，

此時(shí)，電機(jī)以nb的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速控制

電車下坡。當(dāng)電車下坡時(shí)，電車位能性

負(fù)載轉(zhuǎn)矩TP使電車加速，

轉(zhuǎn)速n增加，超過n0，感應(yīng)

電動(dòng)勢(shì)E大于電源電壓U，故，其機(jī)械特性是第一象限中電動(dòng)狀態(tài)下的機(jī)械

特性曲線在第二象限內(nèi)的延伸。?當(dāng)電樞電壓突然降低時(shí)，也會(huì)產(chǎn)生反饋制動(dòng)。例：原來電壓為U1，相應(yīng)的

機(jī)械特性曲線為曲線1，

在某一負(fù)載下，以轉(zhuǎn)速n1運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)的A點(diǎn)。若電樞電壓突然降低為U2，

電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性變?yōu)?/p>

曲線2，由于機(jī)械慣性，

工作點(diǎn)由A轉(zhuǎn)換到B點(diǎn)。此時(shí)-TM-TL<0，電動(dòng)機(jī)的

轉(zhuǎn)速在TM、TL的共同的作用下沿著曲線2下降直到

新的平衡點(diǎn)D。?這是因?yàn)?，B—C段，轉(zhuǎn)速n與轉(zhuǎn)矩TM的方向相反，

運(yùn)行速度大于空載轉(zhuǎn)速n02，故為反饋制動(dòng)狀態(tài)。?此時(shí)，電樞電壓突然由U1降為U2，電樞電流由

突然降至?當(dāng)n02<n1，即U2<E時(shí)，Ib為負(fù)值并產(chǎn)生制動(dòng)轉(zhuǎn)矩。?從B點(diǎn)到n02這段特性曲線

上，電機(jī)處于反饋制動(dòng)

狀態(tài)。?當(dāng)轉(zhuǎn)速下降至n02時(shí)，E=U2，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩下降至0。?反饋制動(dòng)過程結(jié)束，此時(shí)TM-TL<0。?此后，電機(jī)轉(zhuǎn)速在TL的作用下繼續(xù)下降，電磁轉(zhuǎn)矩

又變?yōu)檎担姍C(jī)又重新運(yùn)行在電動(dòng)狀態(tài)下，直到D點(diǎn)，T=TL，電機(jī)轉(zhuǎn)速為n2。?同理，大家還可以分析

一下，電機(jī)在弱磁狀態(tài)下，

通過增加磁通Φ的方法來

降速時(shí)的反饋制動(dòng)過程。?卷?yè)P(yáng)機(jī)下放重物時(shí)，也能產(chǎn)生反饋制動(dòng)。

從而保持重物勻速下降。?設(shè)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)提升重物。

機(jī)械特性曲線在第一象限。?若改變加在電機(jī)電樞上的電壓極性，

則電機(jī)反轉(zhuǎn)，其理想空載轉(zhuǎn)矩為-n0，機(jī)械特性曲線在第三象限。?電機(jī)反轉(zhuǎn)，在電磁轉(zhuǎn)矩T與負(fù)載

轉(zhuǎn)矩TL的共同作用下重物迅速

下降，且越來越快，電樞電動(dòng)勢(shì)

不斷增加，電樞電流逐漸下降，

電機(jī)轉(zhuǎn)矩T=KtφIa也減小，傳動(dòng)

系統(tǒng)的狀態(tài)沿其特性曲線由a點(diǎn)

向b點(diǎn)移動(dòng)。——加速過程。?過b點(diǎn)后，電機(jī)繼續(xù)加速，T變?yōu)檎担浞较蚺cTL

相反，電機(jī)轉(zhuǎn)速大于-n0，進(jìn)入反饋制動(dòng)狀態(tài)，系統(tǒng)

狀態(tài)沿機(jī)械特性曲線到達(dá)c點(diǎn)，此時(shí)T=TL，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定

下來，并使重物保持勻速下降。?若增大電樞的附加電阻，系統(tǒng)

的機(jī)械特性曲線將由bd取代。?顯然，附加電阻越大，此時(shí)，

重物勻速下降的速度越快。?為使重物下降的速度不致過高，

串接的附加電阻不宜過大。?但即使不串接任何附加電阻，

電機(jī)轉(zhuǎn)速仍將高于n0，如果重物較重，這種工作

狀態(tài)顯然很不安全。3.6.2反接制動(dòng)?當(dāng)他勵(lì)電機(jī)的電樞電壓U或電樞電動(dòng)勢(shì)E中的任一個(gè)

在外部條件作用下改變了方向時(shí)，電機(jī)將運(yùn)行于

反接制動(dòng)狀態(tài)。特點(diǎn)：1）電動(dòng)機(jī)的外加電樞電壓U與感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E的方向

在外界的作用下由相反變?yōu)橄嗤?）電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩TM與轉(zhuǎn)速n的方向相反。在反接制動(dòng)中，把改變電樞電壓U的方向所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱為電源反接制動(dòng)；而把改變電樞電動(dòng)勢(shì)E的方向所產(chǎn)生的反接制動(dòng)稱為倒拉反接制動(dòng)。1.電源反接制動(dòng)?設(shè)電動(dòng)機(jī)外加電樞電壓的參考方向?yàn)閳D中所示。?當(dāng)電壓的實(shí)際方向與參考方向相同時(shí)，電動(dòng)機(jī)的

機(jī)械特性為：?其特性曲線如圖（b）中的曲線1所示（正向）。?當(dāng)電樞電壓U突然反接時(shí)，電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為：?其特性曲線如圖（b）中的曲線2所示。?由于電源極性反接的瞬間，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速和電樞

電動(dòng)勢(shì)不能突變，若忽略電樞電感的作用，此時(shí)，

系統(tǒng)的狀態(tài)由a點(diǎn)變到b點(diǎn)，電機(jī)發(fā)出與n相反的

轉(zhuǎn)矩T，它與負(fù)載轉(zhuǎn)矩共同作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)速迅速

下降，制動(dòng)轉(zhuǎn)矩也隨之減小，系統(tǒng)狀態(tài)沿曲線2

由b點(diǎn)向c點(diǎn)移動(dòng)。?當(dāng)n下降到0時(shí)，反接制動(dòng)過程結(jié)束。?這時(shí)，若電樞還不斷電，電機(jī)將反向啟動(dòng)，并將

在d點(diǎn)（反抗性轉(zhuǎn)矩）或f點(diǎn)（位能性轉(zhuǎn)矩）建立

系統(tǒng)的穩(wěn)定平衡點(diǎn)。?

注意：由于在反接制動(dòng)期間，電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E和

電源電壓U是串聯(lián)相加的，因此，為了限制電樞

電流Ia，電機(jī)的電樞電路中必須串接足夠大的限流

電阻Rad。?

電源反接制動(dòng)一般應(yīng)用在生產(chǎn)機(jī)械要求迅速減速、

停車和反向的場(chǎng)合以及要求經(jīng)常正反轉(zhuǎn)的機(jī)械上。2.倒拉反接制動(dòng)?

設(shè)電機(jī)處于正向電動(dòng)狀態(tài)，以na轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，

提升重物。若用在電樞電路中串入附加限流電阻Rad