直流電動機(jī)的特性曲線課件

第7

章直流電動機(jī)的特性與運(yùn)用

學(xué)習(xí)重點(diǎn)1.瞭解直流電動機(jī)的特性曲線。2.認(rèn)識直流電動機(jī)啟動法。3.認(rèn)識直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制法。4.認(rèn)識直流電動機(jī)轉(zhuǎn)向控制法。5.認(rèn)識直流電動機(jī)的制動。6.瞭解直流電動機(jī)的用途。

直流電動機(jī)的特性曲線7-17-2

直流電動機(jī)啟動法

直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制法7-37-4

直流電動機(jī)轉(zhuǎn)向控制法與制動

直流電動機(jī)的用途

本章彙總7-57-1

直流電動機(jī)的特性曲線直流電動機(jī)的重要特性曲線包括轉(zhuǎn)速特性曲線及轉(zhuǎn)矩特性曲線，茲說明如下：1.轉(zhuǎn)速特性曲線：

當(dāng)電源電壓及場電流為額定值，且電動機(jī)負(fù)載改變時(shí)，轉(zhuǎn)速n

和電樞電流Ia

之間的關(guān)係曲線，其中no為無載轉(zhuǎn)速。2.轉(zhuǎn)矩特性曲線：

當(dāng)電源電壓及場電流為額定值，且電動機(jī)負(fù)載改變時(shí)，轉(zhuǎn)矩T

和電樞電流Ia

之間的關(guān)係曲線。圖例節(jié)目次7-1.1

直流電動機(jī)的特性(1)原理：

直流電動機(jī)加入直流電源後，電樞因啟動而旋轉(zhuǎn)，其內(nèi)部的電樞繞組也隨之旋轉(zhuǎn)，因而切割主磁極磁通，產(chǎn)生發(fā)電效應(yīng)，並感應(yīng)產(chǎn)生一電勢。根據(jù)佛來銘右手定則可知，其方向會與外加電源極性相反，故該

電勢稱為反電勢（Counterorbackelectromotiveforce）。1.直流電動機(jī)的反電勢Em(2)公式：根據(jù)與發(fā)電機(jī)產(chǎn)生應(yīng)電勢相同的原理，再依據(jù)K.V.L.，可得反電勢Em

為：2.直流電動機(jī)的速率調(diào)整率SR%電動機(jī)的速率隨其所驅(qū)動負(fù)載大小變動的程度，一般稱之為速率調(diào)整率（Speedregulation），以SR%表示。直流電動機(jī)的速率調(diào)整率計(jì)算方式為：【註】no

表示無載轉(zhuǎn)速，nf

表滿載轉(zhuǎn)速。3.直流電動機(jī)的電樞輸出功率Pm直流電動機(jī)電樞產(chǎn)生的機(jī)械功率，以Pm

表示，其值為電樞輸入電功率

Pa

減去電樞內(nèi)銅損

PRa，又等於輸出功率

Po

加上旋轉(zhuǎn)損失

PS（包含機(jī)械損

PM

與鐵損

Pi），即：4.直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩T根據(jù)直流電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩Tm

公式可知：7-1.2

各種直流電動機(jī)的特性曲線(1)原理：

場繞組因由另一直流電源供給，故場磁通m

等於由場繞組所產(chǎn)生的磁通f，且為定值，即不會隨負(fù)載大小變化而改變，如圖中的虛線所示。1.他激式直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速特性曲線電路圖(2)說明①：由公式7-1可推得下式，即轉(zhuǎn)速n

會隨電樞電流Ia（即負(fù)載電流IL）的增加而些微下降，故實(shí)際上的轉(zhuǎn)速特性曲線為一通過無載轉(zhuǎn)速no（no≒）的些微下降的直線，n＝→Ia

增加時(shí)，n

會下降(3)說明②：無負(fù)載（Ia＝0安培）時(shí)，轉(zhuǎn)矩To＝0，當(dāng)Ia

增加時(shí)，T

會隨Ia

成正比增加，故其轉(zhuǎn)矩特性曲線為一通過原點(diǎn)的上升直線，且由公式7-4可推得下式；但須注意，由於電樞反應(yīng)的影響，實(shí)際上的轉(zhuǎn)矩特性曲線會略為下降。T＝K''mIa＝K'Ia

→Ia

增加時(shí)，T

會增加轉(zhuǎn)矩特性曲線(4)特性及運(yùn)用：他激式直流電動機(jī)具有定速或調(diào)速特性，適用於定速負(fù)載，故可應(yīng)用於大型壓縮機(jī)、升降機(jī)或工具機(jī)……等。2.分激式直流電動機(jī)(1)原理：

場繞組由與電樞繞組並聯(lián)的同一直流電源供給，故場磁通m

等於由分激場繞組所產(chǎn)生的磁通f，且為定值。電路圖(2)特性及應(yīng)用：當(dāng)負(fù)載改變時(shí)，僅電樞電流Ia

改變，場磁通m

不變，故其轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩特性曲線與他激式直流電動機(jī)非常相似。由於分激式直流電動機(jī)具有定速特性，故適用於工具機(jī)、印刷機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)……等設(shè)備。轉(zhuǎn)矩特性曲線轉(zhuǎn)速特性曲線3.串激式直流電動機(jī)(1)原理：

由於場繞組與電樞繞組串聯(lián)，故場磁通m

與電樞電流Ia

成正比，而由下式可知，當(dāng)小負(fù)載時(shí)，場磁通m

也很少，此時(shí)轉(zhuǎn)速會變成很快而造成危險(xiǎn)，故串激式直

流電動機(jī)不可無載

運(yùn)轉(zhuǎn)。電路圖n＝(2)說明①：負(fù)載變大時(shí)，因分母變大、分子減小，故轉(zhuǎn)速會下降，此時(shí)其轉(zhuǎn)速特性曲線類似於雙曲線的一部分；當(dāng)負(fù)載增加到場磁通達(dá)磁飽和的狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)速曲線會成為一向x

軸靠近的漸近直線。轉(zhuǎn)速特性曲線(3)說明②：由下式可知，當(dāng)小負(fù)載時(shí)，m

隨Ia

成正比變化，故轉(zhuǎn)矩T

隨Ia

的平方成正比，其轉(zhuǎn)矩特性曲線為上升的拋物線；而當(dāng)負(fù)載增加到場磁通達(dá)磁飽和的狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)矩T

則隨Ia

成正比，此時(shí)其轉(zhuǎn)矩曲線為一上升直線。轉(zhuǎn)矩特性曲線T＝K''mIa＝K'Ia2（小負(fù)載時(shí)串激磁場未飽和）

＝K''Ia（大負(fù)載時(shí)串激磁場飽和）(4)特性及運(yùn)用：由串激式直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速及轉(zhuǎn)矩特性曲線可以得知，當(dāng)負(fù)載小時(shí)，轉(zhuǎn)速快、轉(zhuǎn)矩??；而當(dāng)負(fù)載大時(shí)，轉(zhuǎn)速慢、轉(zhuǎn)矩大，故適用於啟動時(shí)或低速時(shí)需要大轉(zhuǎn)矩的負(fù)載，例如：吸塵器、果汁機(jī)、起重機(jī)、升降機(jī)、汽車電動窗、各種交通工具……等。4.複激式直流電動機(jī)當(dāng)分激場磁通f

及串激場磁通s

方向相同時(shí)，稱為積複激式直流電動機(jī)，其總磁通m＝f＋s；若兩者方向相反時(shí)，稱為差複激式直流電動機(jī)，總磁通m＝f－s。電路圖(1)積複激式直流電動機(jī)：無載時(shí)，不會像串激式直流電動機(jī)般發(fā)生超速（或稱飛脫）的危險(xiǎn)，而啟動轉(zhuǎn)矩又比分激式直流電動機(jī)大，故適用於工作母機(jī)、汽車雨刷機(jī)、滾壓機(jī)、鑿孔機(jī)……等。轉(zhuǎn)矩特性曲線轉(zhuǎn)速特性曲線(2)差複激式直流電動機(jī)：若直接啟動，會有倒轉(zhuǎn)的情形發(fā)生，容易造成危險(xiǎn)，因此在啟動時(shí)應(yīng)將串激場繞組短路，使改變成分激式直流電動機(jī)，待啟動完成後，再將串激場繞組的短路線移除。轉(zhuǎn)矩特性曲線轉(zhuǎn)速特性曲線

1有一部額定值為110伏特、1馬力的直流電動機(jī)，其轉(zhuǎn)速為1000轉(zhuǎn)／分，電樞電阻為1歐姆，滿載時(shí)電樞電流為8安培，電刷壓降Vb

為2伏特，試求：(1)該電動機(jī)滿載時(shí)的反電勢Em；(2)速率調(diào)整率SR%。

Vt＝110伏特，Po＝1馬力，n＝1000轉(zhuǎn)／分，Ra＝1歐姆，Ia＝8安培，Vb＝2伏特

(1)Em＝Vt－IaRa－Vb＝110－8×1－2＝100（伏特）

(2)∵無載時(shí)Iao＝0安培→設(shè)無載時(shí)反電勢為

Emo，無載轉(zhuǎn)速為no

Emo＝Vt－IaoRa－Vb＝110－0×1－2＝108（伏特）

no＝

＝1080（轉(zhuǎn)／分）

∴

SR%＝＝8%

2有一部120伏特、10馬力的直流電動機(jī)，其電樞電阻為0.1歐姆，滿載電樞電流為80安培，電刷壓降Vb

為2伏特，額定轉(zhuǎn)速為1800轉(zhuǎn)／分，試求：(1)機(jī)械功率Pm；(2)輸出轉(zhuǎn)矩T；(3)電磁轉(zhuǎn)矩Tm；(4)旋轉(zhuǎn)損失PS。

Vt＝120伏特，Ra＝0.1歐姆，Ia＝80安培，Vb＝2伏特，n＝1800轉(zhuǎn)／分，Po＝10馬力

(1)Em＝Vt－IaRa－Vb＝120－80×0.1－2＝110（伏特）

Pm＝EmIa＝110×80＝8800（瓦特）

(2)T＝

≒40（牛頓-公尺）

(3)Tm＝

≒46.7（牛頓-公尺）

(4)PS＝Pm－Po＝8800－10×746＝1340（瓦特）節(jié)目次7-2

直流電動機(jī)啟動法直流電動機(jī)啟動的瞬間，轉(zhuǎn)速nST≒0轉(zhuǎn)／分，故電樞反電勢Em(ST)＝KnSTm＝0伏特，若代入公式7-1，可得知電樞啟動電流Ia(ST)＝會變得很大，故中大型直流電動機(jī)必須設(shè)法降低啟動電流Ia(ST)，以避免電樞繞組被燒毀；但若啟動電流過低，則會造成啟動轉(zhuǎn)矩減弱，致使電動機(jī)無法啟動。故直流電動機(jī)啟動時(shí)，應(yīng)具備兩條件：(1)避免產(chǎn)生過大的啟動電流（滿載電流的2倍以下）；(2)必須產(chǎn)生夠大的啟動轉(zhuǎn)矩。故啟動時(shí)，應(yīng)將電樞繞組串接上電阻值最大的啟動電阻RST，來降低其啟動電流，待順利啟動後，再逐次遞減其電阻值，直到該啟動電阻完全移去後，才算完成啟動。節(jié)目次1.原理2.人工啟動器（Manualstarter）又稱為手動式啟動器，其結(jié)構(gòu)包括可調(diào)電阻器及欠壓保護(hù)等安全裝置，可分為三點(diǎn)式及四點(diǎn)式兩種。(1)三點(diǎn)式啟動器（Three-pointstarter）：

因面板具有A（Armature）、F（Field）及L（Line）三個(gè)端子而得名。其吸持磁鐵的線圈與分激場繞組串聯(lián)，如欲調(diào)快其轉(zhuǎn)速，常因調(diào)大其場變阻器的電阻值，導(dǎo)致吸持磁鐵的吸力不足，無法對抗啟動臂上強(qiáng)力彈簧的恢復(fù)力。(2)四點(diǎn)式啟動器（Fore-pointstarter）：

因面板上具有L1、L2、A

及F

四個(gè)端子而得名。其吸持線圈與分激場繞組並聯(lián)，故吸持線圈的磁力不受場電流影響，可達(dá)到控速而又能穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)之效。圖例圖例3.自動啟動器（Automaticstarter）(1)反電勢型自動啟動器（Counteremftype）：

係利用電樞所產(chǎn)生的反電勢，來驅(qū)動與啟動電阻並聯(lián)之電壓電驛的A

接點(diǎn)，再逐段短路與電樞串聯(lián)的啟動電阻器RST。(2)限流型自動啟動器（Currentlimittype）：

係利用電樞啟動時(shí)的大電流，來驅(qū)動與啟動電阻器並聯(lián)之電流電驛的B

接點(diǎn)，待運(yùn)轉(zhuǎn)後，由於反電勢增加，電樞電流下降，導(dǎo)致限流電驛逐段復(fù)歸，此時(shí)再將啟動電阻逐段短路去除，以達(dá)到啟動之目的。(3)限時(shí)型自動啟動器（Timelimittype）：

係利用限時(shí)電驛（Timingrelay）的延時(shí)特性，將啟動電阻器逐段適時(shí)的切離電樞電路，完成啟動之目的。

3如圖所示，有一部分激式直流電動機(jī)，額定電壓為100伏特，額定容量為5仟瓦，效率為80%，電樞電阻為0.1歐姆，分激場電阻為20歐姆，試求：(1)直接啟動時(shí)，啟動電流IL(ST)

為若干？(2)欲限制

啟動電流為滿載電流的2

倍，則啟動時(shí)電樞繞組應(yīng)

串聯(lián)多大啟動電阻RST？

(3)滿載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的反電勢Em。

Vt＝100伏特，Ra＝0.1歐姆，Rf＝20歐姆，Po＝5仟瓦，m＝80%

(1)直接啟動瞬間，反電勢Emo＝0伏特

IL(ST)＝

＝1005（安培）

(2)IL(ST)＝＝62.5（安培）

Ias＝IL(ST)－If＝

＝120（安培）利用K.V.L.可得：Vt＝Emo＋I(xiàn)as(Ra＋RSTo)＋Vb

RSTo＝

≒0.733（歐姆）

(3)Ia＝IL－If＝

＝57.5（安培）

Em＝Vt－IaRa－Vb＝100－57.5×0.1＝94.25（伏特）節(jié)目次7-3

直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制法直流電動機(jī)得以被廣泛應(yīng)用，最主要的原因是其轉(zhuǎn)速控制簡單又有效，或由於負(fù)載變動而造成電動機(jī)的轉(zhuǎn)速改變時(shí)，欲調(diào)整回來也很容易；而由電動機(jī)轉(zhuǎn)速公式7-1可推得：

故影響直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速的因素有下列幾點(diǎn)：(1)外加電源電壓Vt。

(2)主磁極的磁通量m。

(3)電樞電路的電阻壓降IaRa。n＝節(jié)目次1.電樞電壓控速法(1)複壓控速法：係改變電樞兩端的外加電源電壓大小來控制轉(zhuǎn)速，當(dāng)電樞端電壓愈大，轉(zhuǎn)速就愈快，最近大多採用倍壓或降壓的電子電路來控速。(2)華德黎翁那德系統(tǒng)（Ward-Leonardsystem）控速法：

此系統(tǒng)是利用原動機(jī)M1

來驅(qū)動他激式直流發(fā)電機(jī)G1

，只要控制G1

外部激磁電路的可變電阻，即可控制G1

的輸出電壓，而G1

的輸出電壓即為被控速的直流電動機(jī)M

的電源電壓，因此其轉(zhuǎn)速可被有效的控制；其優(yōu)點(diǎn)是速率控制範(fàn)圍極廣，且可精確的控速，但缺點(diǎn)為設(shè)備複雜、價(jià)格昂貴。圖例圖例2.磁場控速法(1)原理：

係在磁場電路中裝置變阻器，藉由變動磁通量m

來控速；其優(yōu)點(diǎn)為構(gòu)造最簡單、最能有效控速，且速率調(diào)整率佳，費(fèi)用低廉，但缺點(diǎn)為調(diào)速範(fàn)圍限制於額定轉(zhuǎn)速的0.5～2倍之間，其原因在於有磁飽和作用，故速率無法太低，而速率過高時(shí)，電樞反應(yīng)也會增強(qiáng)，容易導(dǎo)致?lián)Q向困難及速率不穩(wěn)定。(2)分激場串聯(lián)變阻器Rfh：因If↓＝，而主磁通m＝f↓

If↓，且

n↑＝，故由上述關(guān)係可知，若將Rfh

調(diào)大，If

會減少，

致使主磁通m

下降，(Em下降比例較小)則轉(zhuǎn)速n愈快。分激場控速法電路圖(3)串激場並聯(lián)變阻器Rsh：因Is↑＝，而主磁通m↑＝s

Is↑，且n↓＝，故由上述關(guān)係可知，若將Rsh

調(diào)大，Is

會增大，

致使主磁通m

增加，(Em下降比例較小)則轉(zhuǎn)速n

愈慢。串激場控速法電路圖3.電樞電阻控速法若在電樞電路中串聯(lián)一可調(diào)電阻器，便可作速率調(diào)整(設(shè)Ia不變)，因Em↓＝Vt－Ia(Ra＋Rah↑)－Vb，而n↓＝故由上述關(guān)係可知，若將Rah

調(diào)大，會導(dǎo)致Em

下降，則轉(zhuǎn)速n

愈慢。因Rah

流過電樞電流，故其損耗功率很大、效率低、速率調(diào)整率差為其缺點(diǎn)，而優(yōu)點(diǎn)為設(shè)備簡單、操作方便、可使速率降至額定速率之下。圖例4.串-並聯(lián)控速法此法適用於串激式直流電動機(jī)，其串聯(lián)啟動轉(zhuǎn)矩Ts

與並聯(lián)啟動轉(zhuǎn)矩TP

之比值為：

而其串聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速ns

與並聯(lián)運(yùn)轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速nP

之比值為：＝4（倍）（倍）圖例

4有一部10馬力、100伏特的分激式直流電動機(jī)，其效率為92%，電樞電阻為0.3歐姆，分激場電阻為100歐姆，滿載轉(zhuǎn)速為1400轉(zhuǎn)／分，試求：(1)滿載時(shí)的電樞電流Ia

及反電勢Em；(2)若於電樞電路中插入一個(gè)0.12歐姆的電阻，而負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變，則此時(shí)的滿載轉(zhuǎn)速n'為若干？

m＝92%，Po＝10馬力，Vt＝100伏特，Rf＝100歐姆，Ra＝0.3歐姆，n＝1400轉(zhuǎn)／分

(1)m＝→IL＝

≒81（安培）

Ia＝IL－If＝＝80（安培）

Em＝Vt－IaRa－Vb＝100－80×0.3＝76（伏特）

(2)T

維持不變，分激式直流電動機(jī)的場磁通m

不變→Ia

維持不變→Em'＝Vt－Ia(Ra＋Rah)－Vb

＝100－80×(0.3＋0.12)＝66.4（伏特）

n'＝→轉(zhuǎn)速n

與反電勢成正比＝＝1223（轉(zhuǎn)／分）

5一部額定值為100伏特、5仟瓦、1800轉(zhuǎn)／分的分激式直流電動機(jī)，其分激場電阻值為100歐姆，若利用場電阻控速法，則其場變阻器調(diào)為25歐姆時(shí)，其轉(zhuǎn)速為何？

Vt＝100伏特，Po＝5仟瓦，n＝1400轉(zhuǎn)／分，Rf＝100歐姆，Rfh＝25歐姆

當(dāng)利用場電路電阻值控速時(shí)，轉(zhuǎn)速與場電路中電阻成正比，即節(jié)目次→n'＝＝2250（轉(zhuǎn)／分）7-4

直流電動機(jī)轉(zhuǎn)向控制法與制動依佛來銘左手定則得知，磁場方向及電樞電流方向，可決定電動機(jī)的轉(zhuǎn)向；亦即只要改變磁場方向或電樞電流方向，便可改變其旋轉(zhuǎn)方向。他激式、分激式及串激式的磁場方向或電樞電流方向皆可改變，但複激式只能藉由改變電樞電流方向來改變轉(zhuǎn)向，若場磁通方向改變，則會改變電動機(jī)的特性。一般而言，欲改變磁場方向或電樞電流方向來控制其轉(zhuǎn)向，可使用閘刀開關(guān)、鼓型開關(guān)或電磁開關(guān)，其中，二銅片式鼓型開關(guān)僅適用於分激式，而三銅片式鼓型開關(guān)則適用於所有的直流電動機(jī)。7-4.1

轉(zhuǎn)向控制法圖例圖例圖例節(jié)目次7-4.2

制動控制運(yùn)轉(zhuǎn)中的電動機(jī)，在電源切離後，能克服其轉(zhuǎn)動慣性而立即停止轉(zhuǎn)動的裝置，稱為制動器（Brake），常用的制動方法有下列四種：1.機(jī)械制動係利用軔輪和軔掌間的摩擦力來制動，可分為手動制動及腳踩制動兩種。2.空、油壓制動以壓縮空氣或油壓來驅(qū)動剎車裝置的制動法，常用於電氣鐵路用電動機(jī)。3.電磁制動係以電磁鐵來操作剎車，常用於起重機(jī)或升降機(jī)。4.電機(jī)制動(1)動力制動：

當(dāng)電動機(jī)切斷電源後，因慣性作用而持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的電動機(jī)仍會自激發(fā)電，這些由動能轉(zhuǎn)變而成的電能會消耗在電樞兩端所並聯(lián)的一低電阻值的制動電阻器上，其效果就如同產(chǎn)生制動力一般，可達(dá)迅速停止運(yùn)轉(zhuǎn)的目的。其特點(diǎn)為制動電阻愈小，制動的動力愈大。(2)逆轉(zhuǎn)制動：利用插塞改變電樞電流方向，使電動機(jī)產(chǎn)生反向轉(zhuǎn)矩，達(dá)到制動的效果。(3)再生制動：

當(dāng)升降機(jī)下降或電氣火車在下坡時(shí)，由於轉(zhuǎn)速增加，使電樞的反電勢大於其電源電壓，電動機(jī)此時(shí)如同發(fā)電機(jī)一般，可將位能或機(jī)械能變成電能（即向蓄電池充電），並產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，減緩電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。節(jié)目次7-5

直流電動機(jī)的用途節(jié)目次本章彙總1.直流電動機(jī)的特性曲線：節(jié)目次特性曲線定義條件轉(zhuǎn)速特性轉(zhuǎn)速-電樞電流Vt

及If

為額定值轉(zhuǎn)矩特性轉(zhuǎn)矩-電樞電流本章彙總2.直流電動機(jī)特性：(1)