電機(jī)學(xué)-直流電機(jī)部分2

電機(jī)學(xué)許加柱湖南大學(xué)第二章直流電機(jī)概述1直流電機(jī)的電樞繞組2直流電機(jī)的磁場(chǎng)3直流發(fā)電機(jī)的基本特性4直流電動(dòng)機(jī)的基本特性5直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)6直流電機(jī)的換向72.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性1.基本方程

1）電動(dòng)勢(shì)平衡方程

2）功率平衡方程

3）轉(zhuǎn)矩平衡方程2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性電動(dòng)勢(shì)平衡方程電樞回路：2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性電動(dòng)勢(shì)平衡方程勵(lì)磁回路：電流方程：2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性功率平衡方程電磁功率：2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性上式就是電樞回路功率平衡方程的標(biāo)準(zhǔn)形式，其中是輸出的電功率；是總銅耗，包括電樞銅耗和勵(lì)磁損耗。(可變損耗部分)功率平衡方程2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性電磁功率只是輸入機(jī)械功率轉(zhuǎn)換成電功率的那部分，那么直流發(fā)電機(jī)總的功率平衡方程還應(yīng)包括輸入功率與電磁功率之間的傳遞關(guān)系。由輸入功率傳遞到電磁功率過程中的損耗：1）機(jī)械損耗(Pmec)2）鐵心損耗(Pfe)3）雜散損耗(Pad)不變損耗部分，又稱空載損耗功率平衡方程2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性運(yùn)行效率什么時(shí)候效率最高呢？？2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性轉(zhuǎn)矩平衡方程2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性例：一臺(tái)四極并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)額定數(shù)據(jù)為：Pn=6kW,Un=230V,nN=1450r/min,電樞回路電阻ra=0.92Ω，勵(lì)磁回路電阻Rf=177Ω,2ΔUb=2V,空載損耗P0=355W。求額定負(fù)載下的電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩和效率2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性2.他勵(lì)發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性1）空載特性2）負(fù)載特性3）外特性4）調(diào)節(jié)特性可測(cè)得的物理量：n、U、I、If直流發(fā)電機(jī)一般由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)旋轉(zhuǎn)，因此可認(rèn)為n不變。2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性空載特性（n=常數(shù)、I=0時(shí)，U0=f(If)的關(guān)系曲線）Ur注：任何一種勵(lì)磁方式的直流電機(jī)，其空載特性曲線均由他勵(lì)接線方式測(cè)定！2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性負(fù)載特性（n=常數(shù)、I=常數(shù)時(shí)，U=f(If)的關(guān)系曲線）2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性調(diào)節(jié)RLI從零增至額定值IU1n不變If不變外特性（n=常數(shù)、If=常數(shù)時(shí)，U=f(I)的關(guān)系曲線）2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性

U0是空載時(shí)的端電壓，一般他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電壓變化率約為5％～10%。電壓調(diào)整率從空載到負(fù)載，電壓下降的程度由電壓變化率來表示。2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性IIf

轉(zhuǎn)速一定，負(fù)載電流變化時(shí)，為維持他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的端電壓不變，需要調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流。負(fù)載電流增大，勵(lì)磁電流也增大。INIfN調(diào)節(jié)特性（n=常數(shù)、U=常數(shù)時(shí)，If=f(I)的關(guān)系曲線）2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性3.并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件和外特性并勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流不需要另外的直流電源，而是取自發(fā)電機(jī)本身，因此也叫做自勵(lì)式發(fā)電機(jī)，應(yīng)用較為廣泛。與他勵(lì)發(fā)電機(jī)相比，運(yùn)行特性在自勵(lì)過程和外特性有些不同。2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性自勵(lì)過程穩(wěn)定在端電壓恰好與勵(lì)磁回路電壓降相等原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電樞轉(zhuǎn)動(dòng)電樞兩端產(chǎn)生一個(gè)小剩磁電壓剩磁電壓在勵(lì)磁繞組中產(chǎn)生勵(lì)磁電流勵(lì)磁電流增加主磁通主磁通增加導(dǎo)致端電壓增加端電壓增加又增強(qiáng)磁通2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性自勵(lì)條件1）電機(jī)中存在剩磁2）勵(lì)磁繞組連接正確3）勵(lì)磁回路電阻應(yīng)小于臨界電阻2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性臨界電阻：電阻線與空載特性線性段重合時(shí)對(duì)應(yīng)的電阻值2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性空載特性曲線正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，轉(zhuǎn)速降低曲線下移，臨界電阻也隨之變小。2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性外特性（n=常數(shù)、Rf=常數(shù)時(shí)，U=f(I)的關(guān)系曲線）1)并勵(lì)發(fā)電機(jī)端電壓下降的速度比他勵(lì)發(fā)電機(jī)端電壓下降得快2）負(fù)載電流有“拐彎”現(xiàn)象2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性為什么端電壓會(huì)下降的快？2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性為什么電流會(huì)“拐彎”？穩(wěn)態(tài)短路電流例：一臺(tái)四極82kW、230V、970r/min的并勵(lì)發(fā)電機(jī)，ra=0.0259Ω，并勵(lì)繞組每極78.5匝，rf=22.8Ω。額定負(fù)載時(shí)勵(lì)磁回路串入調(diào)節(jié)電阻Rj=3.7Ω,2ΔUb=2V，pmec+pfe=4.3kW，pad=0.005Pn，其空載特性數(shù)據(jù)如下表所示。求1）額定負(fù)載時(shí)的電樞電動(dòng)勢(shì)2）額定負(fù)載時(shí)的電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩、輸入功率及效率3）額定負(fù)載時(shí)的電壓調(diào)整率4）額定負(fù)載時(shí)電樞反應(yīng)的每極去磁磁動(dòng)勢(shì)If/A23.24.55.56.58.211.7U0/V1001501982262442602802.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性4.復(fù)勵(lì)發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)2.4直流發(fā)電機(jī)的基本特性積復(fù)勵(lì)：以并勵(lì)繞組為主，串勵(lì)繞組起補(bǔ)償電樞反應(yīng)去磁作用和電樞繞組電壓降的作用。差復(fù)勵(lì)：串勵(lì)繞組起去磁作用，使主磁通和電動(dòng)勢(shì)進(jìn)一步下降。(恒流源)平復(fù)勵(lì)過復(fù)勵(lì)欠復(fù)勵(lì)2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性1.基本方程電動(dòng)勢(shì)平衡方程電流方程2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性動(dòng)態(tài)方程2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性功率平衡方程輸入功率：2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性轉(zhuǎn)矩平衡方程2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性狀態(tài)方程2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性2.工作特性電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速n，電磁轉(zhuǎn)矩Tem和效率η與負(fù)載功率（輸出功率）P2的關(guān)系曲線稱為工作特性。2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性一、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性實(shí)驗(yàn)中保持：常數(shù)常數(shù)2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性1、速率特性并勵(lì)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁繞組絕對(duì)不能開路2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性2、轉(zhuǎn)矩特性3、效率特性2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性1、速率特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨著輸出功率的增大而迅速下降。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)絕對(duì)不允許空載運(yùn)行。2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性2、轉(zhuǎn)矩特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩隨著輸出功率的增加而迅速上升，這是串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的突出特點(diǎn)。2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性3.機(jī)械特性直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指：在U=Un=常數(shù)時(shí)，轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩Tem的關(guān)系曲線。2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性1、并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為硬特性2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性2、串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為軟特性2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性4.直流電動(dòng)機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行條件穩(wěn)定運(yùn)行的含義：設(shè)電機(jī)和生產(chǎn)機(jī)械組成的拖動(dòng)機(jī)組已運(yùn)行于某一轉(zhuǎn)速，若外界短時(shí)擾動(dòng)（如負(fù)載突變）使轉(zhuǎn)速產(chǎn)生的變化，在擾動(dòng)消失后能隨之消失，即機(jī)組能自行恢復(fù)到原來的速度，則稱機(jī)組運(yùn)行是穩(wěn)定的。2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性幾類典型負(fù)載的機(jī)械特性1.風(fēng)機(jī)、泵類：2.發(fā)電機(jī)負(fù)載：3.提升、牽引類負(fù)載：4.金屬切割機(jī)床負(fù)載：2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性穩(wěn)定性分析為電動(dòng)機(jī)機(jī)械特性為負(fù)載機(jī)械特性2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性2.5直流電動(dòng)機(jī)的基本特性直流電動(dòng)機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行條件1、電動(dòng)機(jī)具有下降的機(jī)械特性，對(duì)非下降性的機(jī)械負(fù)載都能滿足穩(wěn)定運(yùn)行的要求。2、當(dāng)電動(dòng)機(jī)和機(jī)械負(fù)載具有相同的單調(diào)性質(zhì)，則在滿足穩(wěn)定條件的某個(gè)運(yùn)行區(qū)域是穩(wěn)定的。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)一、直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)接到電源以后，轉(zhuǎn)速?gòu)牧氵_(dá)到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程，稱為起動(dòng)過程。研究起動(dòng)的方法是盡量緩解上述矛盾直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)要求起動(dòng)時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩要求大起動(dòng)時(shí)要限制起動(dòng)電流矛盾起動(dòng)設(shè)備要簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)、可靠2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)1、直接起動(dòng)（只適合對(duì)小容量的電動(dòng)機(jī)）直接起動(dòng)時(shí)，先合上勵(lì)磁繞組的開(Kf)，以確保在電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)磁場(chǎng)已經(jīng)建立。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)起動(dòng)電流：起動(dòng)轉(zhuǎn)矩：優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)單，無需另加設(shè)備缺點(diǎn)：沖擊電流大，引起換向困難，產(chǎn)生火花；電源會(huì)發(fā)生瞬時(shí)跌落。適用于容量很小的電動(dòng)機(jī)2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、電樞回路串電阻起動(dòng)

將起動(dòng)電阻串入電樞回路，待轉(zhuǎn)速上升后，逐步將起動(dòng)電阻切除。R1R2R3Tn0R1+R2+R3R1+R2R12.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、電樞回路串電阻起動(dòng)起動(dòng)電流將起動(dòng)電流限制在允許的范圍內(nèi)，選擇合適的Rst，其步驟:（1）根據(jù)電動(dòng)機(jī)銘牌數(shù)據(jù)，估算電動(dòng)機(jī)電樞回路電阻Ra（2）選取最大起動(dòng)電流I1，計(jì)算最大起動(dòng)電阻（3）決定起動(dòng)電阻級(jí)數(shù)（4）計(jì)算起動(dòng)電流比2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、電樞回路串電阻起動(dòng)變阻器十分笨重，經(jīng)常起動(dòng)時(shí)消耗很多電能。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)3、降壓起動(dòng)降壓起動(dòng)通過降低端電壓來限制起動(dòng)電流的一種起動(dòng)方式，對(duì)抑制起動(dòng)電流最有效，能量消耗也最小?，F(xiàn)在通常用可控硅整流電源，已廣泛運(yùn)用于直流電動(dòng)機(jī)和各類直流電力電子傳動(dòng)系統(tǒng)。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)3、降壓起動(dòng)開始時(shí)，降低端電壓，使Ia＝(1.5～

2.0)INTem=(1.5～2.0）TemN隨著轉(zhuǎn)速的上升，逐步提高電樞電壓，并使電樞電流限制在一定范圍內(nèi)。優(yōu)點(diǎn)：起動(dòng)電流小，起動(dòng)過程平滑、能量損耗少。缺點(diǎn)：需要一套專用的直流發(fā)電機(jī)或整流電源，投資費(fèi)用大。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)二、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速改變傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)比改變工作機(jī)構(gòu)的速度，稱為機(jī)械調(diào)速人為改變電動(dòng)機(jī)的參數(shù)（如端電壓、勵(lì)磁電流或電樞回路電阻），使同一機(jī)械負(fù)載得到不同轉(zhuǎn)速，稱為電氣調(diào)速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械，對(duì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速不僅要能調(diào)節(jié)，而且要求調(diào)節(jié)的范圍寬廣、過程平滑、調(diào)節(jié)的方法簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)二、直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速1、電樞回路串電阻調(diào)速2、改變勵(lì)磁電流調(diào)速3、改變端電壓調(diào)速直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速公式：2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)1、電樞回路串電阻調(diào)速

保持U＝UN且＝N不變，電樞回路中串入調(diào)速電阻Rc，使同一個(gè)負(fù)載得到不同轉(zhuǎn)速的方法，稱為電樞串電阻調(diào)速。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)1、電樞回路串電阻調(diào)速2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)1、電樞回路串電阻調(diào)速串入電樞回路的電阻越大，轉(zhuǎn)速越低。R2R1PQR1<R2<R3TemnR3電機(jī)運(yùn)行于固有機(jī)械特性上的轉(zhuǎn)速稱為基速。電樞回路串電阻調(diào)速的方法，只能從基速往下調(diào)。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)1、電樞回路串電阻調(diào)速串電阻調(diào)速前后由于負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，電樞電流不變，但串電阻后，輸出功率減小，電動(dòng)機(jī)的效率降低。特點(diǎn)：（1）設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便。（2）低速時(shí)，機(jī)械特性很軟，當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速波動(dòng)很大。靜態(tài)穩(wěn)定性差，調(diào)速范圍不大。（3）由于電阻的不連續(xù)調(diào)節(jié)，因此速度調(diào)節(jié)不平滑，屬有級(jí)調(diào)速。（4）電樞電流在Rj上消耗的能量大，調(diào)速時(shí)效率低。效率與轉(zhuǎn)速成正比。

2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、改變勵(lì)磁電流調(diào)速改變勵(lì)磁電流調(diào)速，實(shí)際上是減少勵(lì)磁電流的調(diào)速，所以又稱弱磁調(diào)速。

弱磁調(diào)速：保持U＝UN，Rj＝0，僅減小電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流If使主磁通減小，達(dá)到調(diào)速目的。TemnIf1PIf2QIf1>If2從兩個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)P、Q對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速說明減小勵(lì)磁可以使轉(zhuǎn)速升高。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、改變勵(lì)磁電流調(diào)速If減小瞬間速度不變減小機(jī)組加速nEaIaTemTem＝TZ新的平衡，新的Ia和n2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、改變勵(lì)磁電流調(diào)速調(diào)速前后的量：（1）假定負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，

(2)假定磁路不飽和，不計(jì)電樞反應(yīng)和IaRa的變化（3）恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，，基本不變2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、改變勵(lì)磁電流調(diào)速改變勵(lì)磁電流調(diào)速時(shí)，減小勵(lì)磁電流將使電機(jī)轉(zhuǎn)速升高，電機(jī)的輸出功率增加；與此同時(shí)，電樞電流增加，輸入功率也增加，電動(dòng)機(jī)的效率幾乎不變。優(yōu)點(diǎn)：設(shè)備簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)方便，能耗小缺點(diǎn)：?jiǎn)畏较蛘{(diào)節(jié)，轉(zhuǎn)速調(diào)得過高，勵(lì)磁過弱，電樞電流變大，換向變壞，出現(xiàn)不穩(wěn)定2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)3、改變端電壓調(diào)速電樞回路串電阻調(diào)速只能下調(diào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速；改變勵(lì)磁電流調(diào)速只能上調(diào)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。改變電壓調(diào)速是一種靈活的調(diào)速方式，轉(zhuǎn)速既可以上升也可以降低，配合勵(lì)磁調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)范圍可以更加廣泛。TemnU1U1>U2>U3U2U3PQ2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)3、改變端電壓調(diào)速（1）降壓的人為特性是一簇與固有特性平行的直線，無論是滿載、輕載還是空載都有明顯的調(diào)速效果（2）由于人為特性硬度不變，低速時(shí)由于負(fù)載變化引起的轉(zhuǎn)速波動(dòng)不大。靜態(tài)穩(wěn)定性好，調(diào)速范圍大（3）可平滑調(diào)節(jié)端電壓，使轉(zhuǎn)速平滑調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速（4）調(diào)節(jié)過程能量損耗小調(diào)壓調(diào)速的特點(diǎn)：2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)調(diào)速性能指標(biāo)（1）調(diào)速范圍：電動(dòng)機(jī)在額定負(fù)載轉(zhuǎn)矩下調(diào)速時(shí)，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。用D表示。（2）靜差率（相對(duì)穩(wěn)定性：也稱轉(zhuǎn)速變化率。指電動(dòng)機(jī)由理想空載到額定負(fù)載時(shí)轉(zhuǎn)速的變化率。靜差率越小，轉(zhuǎn)速的相對(duì)穩(wěn)定性越好。（3）調(diào)速的平滑性：無級(jí)調(diào)速平滑性最好，有級(jí)調(diào)速由相鄰兩級(jí)轉(zhuǎn)速中，高一級(jí)轉(zhuǎn)速與低一級(jí)轉(zhuǎn)速之比。（4）調(diào)速時(shí)電動(dòng)機(jī)的容許輸出：電動(dòng)機(jī)在不同轉(zhuǎn)速時(shí)軸上輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。不同的調(diào)速方法允許的輸出不同。（5）經(jīng)濟(jì)性2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)電動(dòng)機(jī)調(diào)速時(shí)的容許輸出在某轉(zhuǎn)速下，電機(jī)即能充分利用；又能安全運(yùn)行時(shí)輸出的功率和轉(zhuǎn)矩稱為，調(diào)速時(shí)的允許輸出功率和轉(zhuǎn)矩。(1)調(diào)壓調(diào)速的允許輸出降壓調(diào)速、電樞回路串電阻都是降低電樞兩端的電壓。在整個(gè)調(diào)速范圍允許輸出轉(zhuǎn)矩為常數(shù)，恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。允許輸出功率與轉(zhuǎn)速成正比。保持I不變2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)弱磁調(diào)速時(shí)，保持電流I＝IN弱磁調(diào)速時(shí)，在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的允許輸出功率為常數(shù)，是恒功率調(diào)速方式。

其允許輸出轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速成反比。(2)弱磁調(diào)速的允許輸出2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式：使電機(jī)在任何轉(zhuǎn)速下都滿載運(yùn)行，能得到充分利用。恒功率調(diào)速方式：在n＝nmin時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩及功率比負(fù)載需要的轉(zhuǎn)矩和負(fù)載大得多，電動(dòng)機(jī)沒充分利用，造成浪費(fèi)。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式弱磁控制負(fù)載類型與調(diào)速方式的配合2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)恒功率負(fù)載恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式：高速時(shí)電動(dòng)機(jī)需要輸出的轉(zhuǎn)矩小于額定轉(zhuǎn)矩，電流小于額定電流，電動(dòng)機(jī)沒有被充分利用。恒功率調(diào)速方法：在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)，做到額定轉(zhuǎn)矩輸出，電機(jī)安全且充分利用。恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式恒功率控制負(fù)載類型與調(diào)速方式的配合2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)三、直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)的兩種運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：（1）電動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相同，此時(shí)電網(wǎng)向電動(dòng)機(jī)輸入電能，并轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能帶動(dòng)負(fù)載。（2）制動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)：電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反，此時(shí)電動(dòng)機(jī)吸收機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋ｋ妱?dòng)機(jī)很快停車，或者由高速運(yùn)行很快進(jìn)入低速，要求制動(dòng)運(yùn)行。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)三、直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng)電動(dòng)機(jī)制動(dòng)的物理本質(zhì)是在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上施加一個(gè)與旋轉(zhuǎn)速度方向相反的轉(zhuǎn)矩，這個(gè)轉(zhuǎn)矩可以使機(jī)械的，也可以是電磁的。在電機(jī)學(xué)中講的主要是指電磁制動(dòng)。1）能耗制動(dòng)2）反接制動(dòng)3）回饋制動(dòng)斷開電源抱閘機(jī)械制動(dòng)自由停車2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)1、能耗制動(dòng)能耗制動(dòng)時(shí)，保持勵(lì)磁電流If的大小及方向不變,電動(dòng)機(jī)作為他勵(lì)發(fā)電機(jī)運(yùn)行，由于發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電樞旋轉(zhuǎn)的方向是相反的，因而產(chǎn)生制動(dòng)作用，使電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，直至電樞旋轉(zhuǎn)的動(dòng)能全部變?yōu)殡娔?，消耗在電阻上?.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)1、能耗制動(dòng)參數(shù)特點(diǎn)：＝N，U＝0，電樞回路總電阻R＝Ra＋RT能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性:能耗制動(dòng)的參數(shù)代入機(jī)械特性的一般表達(dá)式，得到能耗制動(dòng)時(shí)的機(jī)械特性：制動(dòng)過程：反抗性負(fù)載停車位能性負(fù)載穩(wěn)速下放2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)1、能耗制動(dòng)特點(diǎn):能耗制動(dòng)的特點(diǎn)：（1）操作簡(jiǎn)單，停車準(zhǔn)確（2）能耗制動(dòng)產(chǎn)生的沖擊電流不會(huì)影響電網(wǎng)（3）低速時(shí)制動(dòng)轉(zhuǎn)矩小，停轉(zhuǎn)慢（4）動(dòng)能大部分都消耗在制動(dòng)電阻上制動(dòng)初瞬的最大電流：制動(dòng)電阻：2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、反接制動(dòng)反接制動(dòng)轉(zhuǎn)速反向（用于位能負(fù)載）電樞反接（用于反抗性負(fù)載）（電動(dòng)勢(shì)反向）（電壓反向）2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、反接制動(dòng)

If及端電壓UN不變，僅在電樞回路串入足夠大的制動(dòng)電阻RT，使該人為特性與負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性的交點(diǎn)處于第四象限。不同的RT，可得到不同的穩(wěn)定轉(zhuǎn)速。nTem0nABCDAnD電壓平衡式：機(jī)械特性：轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、反接制動(dòng)能量關(guān)系：U及Ia的方向與電動(dòng)狀態(tài)相同，UIa表示由電網(wǎng)輸入的功率；

Ea

的方向與電動(dòng)狀態(tài)時(shí)相反，EaIa表示輸入的機(jī)械功率在電樞內(nèi)變成電磁功率；UIa與EaIa兩者之和消耗在電樞電路的電阻(Ra＋RT)上。轉(zhuǎn)速反向的反接制動(dòng)2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、反接制動(dòng)電樞反接的反接制動(dòng)保持If不變，將開關(guān)向下合閘，使電樞經(jīng)制動(dòng)電阻RT而反接于電網(wǎng)上。參數(shù)特點(diǎn)：＝N，U＝－UN,

R=Ra+RTIfUNRTEaIanTemnAABCDE電動(dòng)下固有不串RT串RTnE2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、反接制動(dòng)電樞反接的反接制動(dòng)機(jī)械特性：能量關(guān)系：從電網(wǎng)吸收的電能和軸上輸入的機(jī)械能都消耗在電樞回路的電阻上。

電壓平衡式：（Ia反向）反接制動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，因此電樞回路中應(yīng)串入適當(dāng)?shù)碾娮?，限制電流；?dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速降低到零時(shí)，應(yīng)把電源切除，否則電機(jī)將反轉(zhuǎn)。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)2、反接制動(dòng)特點(diǎn)：（1）可以很快使機(jī)組停機(jī)（2）需要加入足夠的電阻，限制電樞電流（3）轉(zhuǎn)速至零時(shí)，需切斷電源2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)3、回饋制動(dòng)需要制動(dòng)時(shí)，將勵(lì)磁方式改變?yōu)樗麆?lì)或并勵(lì)，當(dāng)轉(zhuǎn)速升高到某一數(shù)值時(shí)，反電動(dòng)勢(shì)大于端電壓，電流改變方向，電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩起制動(dòng)作用，能量回饋到電網(wǎng)。1.反向回饋制動(dòng)2.正向回饋制動(dòng)2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)3、回饋制動(dòng)反向回饋時(shí)，電機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速方向與電壓反向后的理想空載轉(zhuǎn)速方向一致，Ia與Ea方向一致。電機(jī)呈發(fā)電機(jī)狀態(tài)。能量關(guān)系：電磁功率Pem＝EaIa<0，電機(jī)從軸上輸入機(jī)械功率轉(zhuǎn)變?yōu)殡姽β?輸入功率P1＝UIa<0；回饋給電網(wǎng)的功率;電樞回路能量損耗為Ia2(Ra+RT);回饋制動(dòng)的下放速度：系統(tǒng)儲(chǔ)存的位能轉(zhuǎn)換成電能送回電網(wǎng)。2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)3、回饋制動(dòng)（以串勵(lì)電動(dòng)機(jī)為例）正向回饋制動(dòng)（1）電車下坡（2）過渡回饋制動(dòng)過程（降壓運(yùn)行）TemnABTL-TLn0CD點(diǎn)A點(diǎn)B點(diǎn)A點(diǎn)C點(diǎn)D2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)例1：一臺(tái)并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)，Pn=10kW,Un=220V,nN=1000r/min,η=83%,Ra=0.283Ω,2ΔUb=2V,Ifn=1.7A。設(shè)負(fù)載總轉(zhuǎn)矩Tl恒定，在電樞回路串入一電阻使轉(zhuǎn)速降低到500r/min，試求：1）電樞電流2）電樞回路串入調(diào)節(jié)電阻的大小3）調(diào)速后電動(dòng)機(jī)的效率2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)與上題電機(jī)參數(shù)相同，在電機(jī)滿載運(yùn)行時(shí)，突然在電樞回路串入1.0Ω電阻，不計(jì)電樞回路電感和電樞反應(yīng)影響，仍設(shè)負(fù)載總轉(zhuǎn)矩Tl恒定，計(jì)算串入電阻瞬間：1）電樞電動(dòng)勢(shì)2）電樞電流3）電磁轉(zhuǎn)矩4）穩(wěn)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速2.6直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)、調(diào)速和制動(dòng)與上題電機(jī)參數(shù)相同，突然改變勵(lì)磁電流使磁通減小20%，求：1）改變瞬間的電樞電流2）穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的電樞電流3）穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速2.7直流電機(jī)的換向換向是一切裝有換向器的電機(jī)的一個(gè)專門問題，它對(duì)電機(jī)的正常運(yùn)行有重大影響，是直流電機(jī)的關(guān)鍵問題之一。2.7直流電機(jī)的換向1.換向過程？（假設(shè)電刷寬度等于換向片寬度）電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，被電刷短路的元件從短路開始到短路結(jié)束，從一條支路轉(zhuǎn)換到另一條支路，電流改變了方向2.7直流電機(jī)的換向1.換向過程圖示一單疊繞組元件的換向過程。設(shè)換向元件編號(hào)為1，電刷寬為bs，換向片寬為bk，bs＝bk，電刷固定，換向器以線速度vk按圖示方向運(yùn)動(dòng)（從右向左移動(dòng)）。2.7直流電機(jī)的換向1.換向過程(a)當(dāng)電刷僅與換向片1相接觸時(shí)（圖a）元件1屬于電刷右邊的一條支路，元件1中的電流為ia。2.7直流電機(jī)的換向1.換向過程(b)當(dāng)電刷與換向片1和2相接觸時(shí)（圖b），元件1被電刷短路。(c)當(dāng)電刷僅與換向片2相接觸時(shí)（圖c），元件1屬于電刷左邊的一條支路，電流也為ia但方向與原來相反。2.7直流電機(jī)的換向1.換向過程當(dāng)電刷從換向片1過渡到換向片2時(shí)，元件1中的電流從＋ia變到-ia，換向元件中電流的這種變化過程，稱為換向過程從換向開始到換向結(jié)束所需時(shí)間，稱為換向周期2.7直流電機(jī)的換向1.換向過程上圖表示了元件1從換向到經(jīng)過一對(duì)極距時(shí)電流變化的理想化曲線。從換向開始（圖a所示的瞬間，對(duì)應(yīng)于圖中的ta點(diǎn)）到換向結(jié)束（圖c所示瞬間，對(duì)應(yīng)于圖d的tc點(diǎn)）所需的時(shí)間稱為換向周期，以Tk表示，即相當(dāng)于元件被電刷短路的整個(gè)時(shí)間。通常Tk只有千分之幾秒。2.7直流電機(jī)的換向1.換向過程正在進(jìn)行換向的元件稱為換向元件換向元件中的電流稱為換向電流在換向過程中，換向元件的元件邊在電樞表面上所移過的距離稱為換向區(qū)域。良好的換向是一切裝有換向器的電機(jī)持久運(yùn)行的必要條件。2.7直流電機(jī)的換向如果換向元件中電勢(shì)為零，則在被電刷短路的閉合回路中不會(huì)有環(huán)流換向元件中的電流由電刷與相鄰兩換向片的接觸面積決定。變化曲線為一條直線，稱為直線換向

但是換向過程中，不可能沒有電勢(shì)！t+ia-iai

直線換向2.7直流電機(jī)的換向(1)電抗電勢(shì)er換向元件中由于換向電流的變化所引起的自感電勢(shì)和互感電勢(shì)之和，稱為電抗電勢(shì)Lr：換向元件的電抗系數(shù)，包括自感和互感er的平均值：設(shè)電刷寬度bs等于換向片寬度bk，換向片數(shù)為K，換向周期Tk：2.換向元件中的感應(yīng)電勢(shì)2.7直流電機(jī)的換向

電機(jī)負(fù)載越重或轉(zhuǎn)速越高，電抗電勢(shì)越大

電抗電勢(shì)的方向阻止換向電流的變化，因此er的方向必與換向前的元件電流ia的方向一致電抗電勢(shì)的特點(diǎn)2.7直流電機(jī)的換向換向元件所處的幾何中性線處，主磁場(chǎng)幾乎為零電樞反應(yīng)磁勢(shì)所產(chǎn)生的磁通Φa正好穿過換向元件電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，換向元件切割Φa所生電勢(shì)ea稱為旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ΦaeaNSner（2）旋轉(zhuǎn)電勢(shì)ea2.7直流電機(jī)的換向設(shè)換向元件匝數(shù)為Ny，電樞反應(yīng)磁勢(shì)在換向元件處所生的磁密為Ba，則ea的平均值：特點(diǎn)：（1），負(fù)載越重或者轉(zhuǎn)速越高，旋轉(zhuǎn)電勢(shì)也越大。

（2）據(jù)右手定則，ea的方向總是與換向前元件中的電流方向相同，ea與er

方向一致，也是阻礙換向的。

旋轉(zhuǎn)電勢(shì)的特點(diǎn)2.7直流電機(jī)的換向合成電勢(shì)在換向元件閉合回路中產(chǎn)生的環(huán)流（3）電刷下產(chǎn)生火花的原因?qū)τ趽Q向良好的電機(jī)，在理想情況下，ek和er大小相當(dāng)，方向相反，∑e≈0；反之，∑e不為零，導(dǎo)致?lián)Q向不良，就有可能在電刷下發(fā)生火花。ti由閉合轉(zhuǎn)為斷開時(shí)，由ik建立的電磁能量以火花的形式釋放出來ik2.7直流電機(jī)的換向（4）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及電流變化規(guī)律

i是元件l中的換向電流，i1和i2分別表示引線1和2經(jīng)換向片1和2流過電刷的電流。設(shè)Ry、R1和R2分別為元件l、引線1和引線2的電阻，Rb1和Rb2分別為換向片1和2與電刷間的接觸電阻，則按電路定律，可列寫換向回路的電動(dòng)勢(shì)平衡方程為:2.7直流電機(jī)的換向（4）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及電流變化規(guī)律

∑e中的er與換向電流i的變化規(guī)律有關(guān)，Rbl和Rb2也取決于諸多因素，因此。要直接由此解出i很困難。為此，假定（1）換向片與電刷呈面接觸，電流分布均勻。（2）電刷與換向器單位接觸面積上的電阻為常數(shù)，即接觸電阻與接觸面積成反比。（3）換向元件中的合成電動(dòng)勢(shì)∑e在換向周期內(nèi)保持不變，并取定為周期內(nèi)的平均值。2.7直流電機(jī)的換向（4）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及電流變化規(guī)律

設(shè)Rb為單片換向片與電刷完整接觸時(shí)的接觸電阻，并取換向開始瞬間作為時(shí)間起點(diǎn)，可得圖(b)中的相關(guān)節(jié)點(diǎn)有2.7直流電機(jī)的換向（4）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及電流變化規(guī)律

將上兩式代入式電動(dòng)勢(shì)平衡方程式，進(jìn)而忽略R1、R2和Ry（對(duì)普通電刷，它們的數(shù)值遠(yuǎn)小于接觸電阻），可解得式中，iL為直線換向電流分量；ik為附加換向電流分量，R'b相當(dāng)于回路串聯(lián)總電阻2.7直流電機(jī)的換向（4）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及電流變化規(guī)律

(a)、(b)、(c)、(d)分別給出了iL、R′b、ik和i的變化曲線，而ik和i還分別針對(duì)∑e=0、∑e>0、∑e<0三種情況。2.7直流電機(jī)的換向（4）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及電流變化規(guī)律

三種不同的換向過程，分述如下。1）∑e＝0，直線換向。這是最理想的換向情況。換向電流只有iL分量，隨時(shí)間線性變化，從＋ia均勻地變化到－ia?？梢宰C明，此時(shí)電刷下的電流密度也是均勻分布的。2.7直流電機(jī)的換向（4）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及電流變化規(guī)律

（2）∑e>0，延遲換向。此時(shí)，換向電流同時(shí)包含iL和ik分量，且ik≥0，其結(jié)果是曲線軌跡處于直線換向上方(圖(d))，致使過零時(shí)間滯后于直線換向，“延遲換向”由此而得名。延遲換向時(shí)，左刷邊(參見前圖，電刷與換向片l接觸的部分，通稱后刷邊)的電流密度會(huì)大于右刷邊(與換向片2接觸部分，亦稱前刷邊)的值。當(dāng)電刷滑離換向片1時(shí)，很大的電流突然突然斷路，換向回路中貯存的電磁能量通過空氣釋放，便導(dǎo)致火花在后刷邊產(chǎn)生。2.7直流電機(jī)的換向（4）電動(dòng)勢(shì)平衡方程式及電流變化規(guī)律

（3）∑e<0，超越換向。此時(shí)ik≤0，換向電流曲線落于直線換向下方(圖(d))，過零時(shí)間提前，故稱為‘超越換向”。與延遲遲換向相反，超越換向致使右刷邊電流密度大于左刷邊，在前刷邊產(chǎn)生火花。2.7直流電機(jī)的換向減少換向元件的感應(yīng)電勢(shì)和旋轉(zhuǎn)電勢(shì)，可以有效地改善換向。最有效的辦法：裝換向極NSΦaneaerNkSk抵消電樞反應(yīng)磁勢(shì)，使ea＝0換向極磁勢(shì)建立Bk，產(chǎn)生ek，使(5)改善換向的方法之一：安裝換向極2.7直流電機(jī)的換向安裝換向極的要求

換向極應(yīng)裝在幾何中性線上

換向極的極性使產(chǎn)生的Bk方向與電樞反應(yīng)磁勢(shì)的方向相反

換向極繞組必須與電樞繞組串聯(lián)，為什么？？使在任何時(shí)候，ek＝－er2.7直流電機(jī)的換向安裝換向極的要求Bk的大小當(dāng)然要根據(jù)所要求的ek來決定。在理想情況下，ek和er在任意瞬間都能完全抵消，但實(shí)際上難以做到。因?yàn)閑k取決于Bk的波形，而er則取決于換向電流的變化規(guī)律。因此，折衷的解決辦法是要求它們的平均值能相等，即

ek＝erav

由于ek∝Bk；erav∝Ia亦即要使Bk∝Ia故最終要求Fk∝Ia這就是說，換向極繞組必須與電樞繞組串聯(lián)，并要求在設(shè)計(jì)電機(jī)時(shí)盡量使換向極磁路不飽和，從而保證換向極繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)和所建立的磁場(chǎng)能滿足要求。2.7直流電機(jī)的換向安裝換向極的要求換向極的極性可由右手定則確定．由于要求ek和er的方向相反，而er的作用總是企圖阻止電流的變化，即與換向