《電機(jī)與電氣控制（第三版）》 課件全套 課題1-6 直流電機(jī)的應(yīng)用- 常用機(jī)床電氣控制線路的安裝與調(diào)試

課題一直流電機(jī)的應(yīng)用1任務(wù)5直流電動機(jī)的使用和維護(hù)任務(wù)4直流電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)和制動任務(wù)2直流電機(jī)的運行任務(wù)1認(rèn)識直流電機(jī)任務(wù)3直流電動機(jī)的調(diào)速任務(wù)1認(rèn)識直流電機(jī)3學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解直流電機(jī)的特點、用途和分類，熟悉直流電機(jī)的基本工作原理。2.認(rèn)識直流電機(jī)的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉各部件的作用。3.了解直流電機(jī)銘牌中型號和額定值的含義，掌握額定值的簡單計算。4.學(xué)會直流電動機(jī)的檢測、接線和簡單操作使用。4學(xué)習(xí)目標(biāo)直流電機(jī)是實現(xiàn)直流電能與機(jī)械能之間相互轉(zhuǎn)換的電力機(jī)械，按用途可分為直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)兩類。將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成直流電能的電機(jī)稱為直流發(fā)電機(jī)，如圖所示；將直流電能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能的電機(jī)稱為直流電動機(jī)，如圖所示。直流電機(jī)是工礦、交通、建筑等行業(yè)中常見的動力機(jī)械，是機(jī)電行業(yè)從業(yè)人員的重要工作對象之一。電氣自動化專業(yè)技術(shù)人員必須熟悉直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點，掌握主要參數(shù)的分析計算，正確并熟練地操作使用直流電機(jī)。56直流發(fā)電機(jī)直流電動機(jī)相關(guān)知識一、直流電機(jī)的特點和用途1.直流電機(jī)的特點直流電動機(jī)與交流電動機(jī)相比，具有優(yōu)良的調(diào)速性能和啟動性能，其調(diào)速范圍寬廣，有平滑的無級調(diào)速特性；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。而直流發(fā)電機(jī)則能提供無脈動的大功率直流電源，且可以精確地調(diào)節(jié)和控制輸出電壓。7但直流電機(jī)也有它顯著的缺點：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高；二是直流電機(jī)在運行時由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，因而可靠性較差，維護(hù)比較困難，所以在一些對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域中已被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。但是在某些調(diào)速范圍大、調(diào)速性能要求高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場合，直流電機(jī)的應(yīng)用目前仍占有較大的比重。82.直流電機(jī)的用途由于直流電動機(jī)具有良好的啟動和調(diào)速性能，所以常用于對啟動和調(diào)速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機(jī)、礦井卷揚機(jī)、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機(jī)車、內(nèi)燃機(jī)車、城市電車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機(jī)械、船舶機(jī)械、大型精密機(jī)床和大型起重機(jī)等生產(chǎn)機(jī)械，如圖所示。910直流電動機(jī)的用途a）軋鋼機(jī)b）地鐵列車c）城市電車d）電力機(jī)車e）電動自行車f）造紙機(jī)直流發(fā)電機(jī)主要用作各種直流電源，如直流電動機(jī)電源、化學(xué)工業(yè)中電解和電鍍所需的低電壓大電流的直流電源、直流電焊機(jī)電源等，如圖所示。11直流發(fā)電機(jī)的用途a）電解鋁車間b）電鍍車間二、直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子和轉(zhuǎn)子（電樞）兩大部分組成。定子部分包括機(jī)座、主磁極、換向極、端蓋、電刷等裝置；轉(zhuǎn)子部分包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、轉(zhuǎn)軸、風(fēng)扇等部件。此外，為確保轉(zhuǎn)子在旋轉(zhuǎn)時不與定子發(fā)生摩擦，造成掃膛，燒壞電機(jī)，電機(jī)定子與轉(zhuǎn)子之間還必須有一定的空隙，稱為氣隙，氣隙也是電機(jī)磁路中的重要組成部分。直流電機(jī)的外形和基本結(jié)構(gòu)，如圖所示。1213直流電機(jī)的外形和基本結(jié)構(gòu)a）外形b）基本結(jié)構(gòu)1.定子部分（1）機(jī)座機(jī)座也就是外殼部分，直流電機(jī)的機(jī)座外形如圖所示，其作用有兩個：一個是固定主磁極、換向極、端蓋等部件；另一個是作為電機(jī)磁路的一部分（稱為磁軛）。機(jī)座一般用鑄鋼制成或用厚鋼板焊接而成，具有良好的導(dǎo)磁性能和力學(xué)強(qiáng)度。（2）主磁極直流電機(jī)的主磁極總是成對的，相鄰主磁極的極性按N極和S極交替排列，整個磁極用螺釘固定在機(jī)座上，如圖所示。1415直流電機(jī)的機(jī)座主磁極的作用是產(chǎn)生氣隙磁場。主磁極由主磁極鐵心和主磁極繞組（勵磁繞組）構(gòu)成，主磁極鐵心一般由1.0~1.5mm厚的低碳鋼板沖片疊壓而成，包括極身和極靴兩部分。極靴做成圓弧形，以使磁極下氣隙磁通較均勻。極身上面套有由絕緣銅線繞制而成的勵磁繞組，繞組中通入直流電流時即產(chǎn)生磁性，如圖所示。16直流電機(jī)的主磁極（3）換向極在圖中，兩個主磁極N、S之間的小磁極就是換向極。換向極裝在相鄰兩主磁極之間，用螺釘固定在機(jī)座上。換向極的作用是改善換向，減小火花。換向極的基本結(jié)構(gòu)與主磁極相似，也是由鐵心和套在鐵心上的繞組構(gòu)成，如圖所示。換向極鐵心一般用整塊鋼制成，如果換向要求較高，則用1.0~1.5mm厚的鋼板疊壓而成，其繞組中流過的是電樞電流。17直流電機(jī)的機(jī)座直流電機(jī)的換向極（4）電刷裝置電刷裝置如圖所示，它由電刷、刷握、刷桿、刷桿架、彈簧、銅辮等構(gòu)成。電刷是用碳—石墨等做成的導(dǎo)電塊，電刷裝在刷握的刷盒內(nèi)，用彈簧把它緊壓在換向器表面上。電刷的作用是與換向器配合將轉(zhuǎn)動的電樞繞組電路與外電路相連接，并把電樞繞組中的交流電轉(zhuǎn)變成電刷兩端的直流電，或者把電源的直流電轉(zhuǎn)變成電樞繞組中的交流電。電刷組的個數(shù)，一般等于主磁極的個數(shù)。1819直流電機(jī)的電刷裝置a）外形b）結(jié)構(gòu)2.轉(zhuǎn)子部分（1）電樞鐵心電樞鐵心的作用，一是構(gòu)成電機(jī)磁路的一部分，二是嵌放電樞繞組。電樞鐵心一般用0.5mm厚、兩邊涂有絕緣漆的硅鋼片疊壓而成，以減小電樞旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的渦流和磁滯損耗。在電樞鐵心的外圓周上開有許多均勻分布的槽，以嵌放電樞繞組，如圖所示。電樞鐵心固定在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。20電樞鐵心（2）電樞繞組電樞繞組的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，從而實現(xiàn)機(jī)電能量的轉(zhuǎn)換。電樞繞組是電機(jī)的核心部件。電樞繞組由一定數(shù)目的絕緣導(dǎo)線繞制的線圈組成，各線圈分別嵌放在不同的電樞鐵心槽中，電樞繞組每個線圈的兩個端頭接在不同的換向片上，按一定的規(guī)律構(gòu)成閉合回路，如圖所示。線圈與鐵心之間以及線圈的上、下層之間均要妥善絕緣，用槽楔壓緊，再用玻璃絲帶或鋼絲扎緊。21電樞鐵心（3）換向器換向器是直流電機(jī)的關(guān)鍵部件。它與電刷配合，在發(fā)電機(jī)中將電樞繞組中的交流電轉(zhuǎn)換為電刷間的直流電，起整流作用；在電動機(jī)中將電源的直流電轉(zhuǎn)換為電樞繞組中的交流電，保持電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。換向器是一個由許多帶有燕尾槽的楔形銅片組成的圓筒，銅片之間用云母片絕緣，由套筒、云母片和螺母緊固成一個整體，換向片與套筒之間要妥善絕緣。在中小型直流電機(jī)中最常用的是金屬套筒式換向器，如圖所示。容量很小的直流電機(jī)采用塑料換向器，換向器的各部件用塑料加工成一個整體，如圖所示。2223換向器結(jié)構(gòu)圖a）外形b）結(jié)構(gòu)塑料換向器（4）轉(zhuǎn)軸、支架和風(fēng)扇對于小容量直流電機(jī)，電樞鐵心就裝在轉(zhuǎn)軸上。對于大容量直流電機(jī)，為了減少硅鋼片的消耗和轉(zhuǎn)子的重量，軸上裝有金屬支架，電樞鐵心裝在支架上。此外軸上還裝有風(fēng)扇，以加強(qiáng)對電機(jī)的冷卻。整個直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子（電樞）外形，如圖所示。24直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子3.氣隙氣隙的大小對電機(jī)運行性能有很大的影響，氣隙過小易發(fā)生掃膛，氣隙過大電機(jī)的效率會降低，影響電機(jī)做功。一般中小型直流電機(jī)的氣隙為0.5~3mm，大型直流電機(jī)的氣隙為10~12mm。25三、直流電機(jī)的勵磁方式和額定值1.直流電機(jī)的勵磁方式直流電機(jī)產(chǎn)生磁場的過程稱為勵磁。按勵磁方式的不同，直流電機(jī)可分為他勵和自勵兩大類。而自勵電機(jī)，按勵磁繞組與電樞繞組的連接方式不同，又可分為并勵、串勵和復(fù)勵三種。26（1）他勵直流電機(jī)他勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組無電路上的聯(lián)系，勵磁電流If由一個獨立的其他直流電源提供，與電樞電流Ia無關(guān)，如圖a所示。（2）并勵直流電機(jī)并勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，如圖b所示。（3）串勵直流電機(jī)串勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，如圖c所示。（4）復(fù)勵直流電機(jī)復(fù)勵直流電機(jī)的勵磁繞組一部分與電樞繞組并聯(lián)，另一部分與電樞繞組串聯(lián)，如圖d所示。2728直流電機(jī)的勵磁方式a）他勵b）并勵c）串勵d）復(fù)勵2.直流電機(jī)的銘牌和額定值每臺直流電機(jī)的機(jī)座上都有一塊銘牌，如圖所示。它類似于人的身份證，標(biāo)注了直流電機(jī)的型號和一些重要技術(shù)數(shù)據(jù)，這些技術(shù)數(shù)據(jù)叫作額定值。29直流電動機(jī)的銘牌（1）型號電機(jī)型號由若干字母和數(shù)字所組成，用以表示電機(jī)的系列和主要特點。根據(jù)電機(jī)的型號，可以從相關(guān)手冊及資料中查出該電機(jī)的有關(guān)技術(shù)數(shù)據(jù)。電機(jī)型號的含義如下：30常見的直流電機(jī)產(chǎn)品系列見表。31常見的直流電機(jī)產(chǎn)品系列（2）額定值額定值是電機(jī)制造廠對電機(jī)正常運行時有關(guān)的電量或機(jī)械量所規(guī)定的數(shù)據(jù)。額定值是正確選擇和合理使用電機(jī)的依據(jù)。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，直流電機(jī)的額定值有：1）額定功率PN電機(jī)在額定工況下允許輸出的功率。2）額定電壓UN額定工況下，電刷兩端輸出或輸入的電壓，單位為V。3）額定電流IN額定工況下，電機(jī)流出或流入的電流，單位為A。4）額定轉(zhuǎn)速nN額定功率、額定電壓、額定電流時電機(jī)的轉(zhuǎn)速，單位為r/min。5）額定勵磁電壓UfN額定工況下，勵磁繞組所加的電壓，單位為V。6）額定勵磁電流IfN額定工況下，通過勵磁繞組的電流，單位為A。32有些物理量雖然不標(biāo)在銘牌上，但它們也是額定值，例如在額定運行狀態(tài)時的轉(zhuǎn)矩、效率分別稱為額定轉(zhuǎn)矩、額定效率。若電機(jī)運行時，各物理量都與額定值一樣，稱為額定狀態(tài)。電機(jī)在實際運行時，由于負(fù)載的變化，往往不是總在額定狀態(tài)下運行。如果流過電機(jī)的電流小于額定電流，稱為欠載運行；超過額定電流，稱為過載運行。長期過載有可能因過熱而燒壞電機(jī)；長期欠載，電機(jī)沒有得到充分利用，效率降低，不經(jīng)濟(jì)。電機(jī)在接近額定狀態(tài)下運行，才是最經(jīng)濟(jì)、合理的。33四、直流電機(jī)的工作原理1.直流發(fā)電機(jī)的工作原理圖所示是由直流發(fā)電機(jī)的主磁極、電刷、電樞繞組和換向器等主要部件構(gòu)成的工作原理圖，定子上有兩個磁極N和S，它們建立恒定磁場，兩磁極中間是裝在轉(zhuǎn)子上的電樞繞組。3435直流發(fā)電機(jī)工作原理圖a）燈亮b）燈不亮c）燈亮d）燈不亮線圈每轉(zhuǎn)過一對磁極，其兩個有效邊中的電動勢方向就改變一次，但是兩電刷之間的電動勢方向是不變的，電動勢大小在零和最大值之間變化。顯然，電動勢方向雖然不變，但大小波動很大，這樣的電動勢是沒有實用價值的。要減小電動勢的波動程度，實用的電機(jī)在電樞圓周表面裝有較多數(shù)量互相串聯(lián)的線圈和相應(yīng)數(shù)量的銅片。這樣，換向后合成電動勢的波動程度就會顯著減小。由于實際發(fā)電機(jī)的線圈數(shù)量較多，所以電動勢波動很小，可認(rèn)為是恒定不變的直流電動勢。由以上分析可得出直流發(fā)電機(jī)的工作原理：當(dāng)原動機(jī)帶動直流發(fā)電機(jī)電樞旋轉(zhuǎn)時，在電樞繞組中產(chǎn)生方向交變的感應(yīng)電動勢，通過電刷和換向器的作用，在電刷兩端輸出方向不變的直流電動勢。362.直流電動機(jī)的工作原理直流電動機(jī)在機(jī)械構(gòu)造上與直流發(fā)電機(jī)完全相同，如圖所示是直流電動機(jī)的工作原理圖。電樞不用外力驅(qū)動，把電刷A、B接到直流電源上，假定電流從電刷A流入線圈，沿a→b→c→d方向，從電刷B流出。載流線圈在磁場中將受到電磁力的作用，其方向按左手定則確定，ab邊受到向上的力，cd邊受到向下的力，形成電磁轉(zhuǎn)矩，結(jié)果使電樞逆時針方向轉(zhuǎn)動，如圖a所示。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過90°時，如圖b所示，線圈中雖無電流和力矩，但在慣性的作用下繼續(xù)旋轉(zhuǎn)。37當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180°時，如圖c所示，電流仍然從電刷A流入線圈，沿d→c→b→a方向，從電刷B流出。與圖a比較，通過線圈的電流方向改變了，但兩個線圈邊受電磁力的方向卻沒有改變，即電動機(jī)只朝一個方向旋轉(zhuǎn)。若要改變其轉(zhuǎn)向，必須改變電源的極性，使電流從電刷B流入，從電刷A流出才行。由以上分析可得直流電動機(jī)的工作原理：當(dāng)直流電動機(jī)接入直流電源時，借助于電刷和換向器的作用，使直流電動機(jī)電樞繞組中流過方向交變的電流，從而使電樞產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，保證了直流電動機(jī)朝一個方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。3839直流電動機(jī)工作原理圖a）受電磁力，逆時針轉(zhuǎn)動b）不受電磁力，慣性轉(zhuǎn)動c）受電磁力，逆時針轉(zhuǎn)動d）不受電磁力，慣性轉(zhuǎn)動3.直流電機(jī)的可逆原理比較直流電動機(jī)與直流發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，可以發(fā)現(xiàn)：一臺直流電機(jī)既可以作為發(fā)電機(jī)運行，也可以作為電動機(jī)運行，只是其輸入、輸出的條件不同而已。如果在電刷兩端加上直流電源，將電能輸入電樞，則從電機(jī)軸上輸出機(jī)械能，驅(qū)動生產(chǎn)機(jī)械工作，這時直流電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，工作在電動機(jī)狀態(tài)。如果用原動機(jī)驅(qū)動直流電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)，從電機(jī)軸上輸入機(jī)械能，則從電刷兩端可以引出直流電動勢，輸出直流電能，這時直流電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為直流電能，工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài)。40同一臺電機(jī)，既能作發(fā)電機(jī)運行，又能作電動機(jī)運行的原理，稱為電機(jī)的可逆原理。一臺電機(jī)的實際工作狀態(tài)取決于外界的不同條件。實際的直流電動機(jī)和直流發(fā)電機(jī)在設(shè)計時考慮了工作特點的一些差別，因此有所不同。例如直流發(fā)電機(jī)的額定電壓略高于直流電動機(jī)，以補(bǔ)償線路的電壓降，便于兩者配合使用。直流發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速略低于直流電動機(jī)，便于選配原動機(jī)。41任務(wù)2直流電機(jī)的運行42學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng)對電機(jī)工作的影響。2.掌握電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的基本概念。3.了解直流電機(jī)產(chǎn)生火花的原因和改善換向的方法。4.熟悉直流電機(jī)的基本方程式和工作特性。5.學(xué)會直流發(fā)電機(jī)工作特性的測試方法。43任務(wù)引入直流電動機(jī)通電啟動后，為了高效經(jīng)濟(jì)地使用它，需要了解直流電動機(jī)的效率在什么情況下最高，與哪些因素有關(guān)。一臺機(jī)床的負(fù)載大小會根據(jù)加工零件和加工工藝的不同而改變，這就要求直流電動機(jī)能根據(jù)負(fù)載的不同而改變其力矩的大小、轉(zhuǎn)速的高低，那么電動機(jī)的力矩大小與哪些因素有關(guān)呢?直流電機(jī)在工作時，電刷與換向器之間難免會產(chǎn)生火花，可以用哪些方法來減小火花呢?直流發(fā)電機(jī)有時候需要輸出較高的電壓，有時候又需要輸出較低的電壓，那么應(yīng)該如何來調(diào)節(jié)輸出電壓的大小呢?直流電機(jī)的上述問題都需要由電氣技術(shù)人員來解決，因此本任務(wù)就來熟悉直流電機(jī)的運行性能，掌握它的測試方法。44相關(guān)知識一、直流電機(jī)的磁場和電樞反應(yīng)直流電機(jī)運行時除了主磁極產(chǎn)生的主磁場外，若電樞繞組中有電流流過，還將產(chǎn)生電樞磁場。這兩個磁場在氣隙中相互影響，相互疊加，合成氣隙磁場，它直接影響電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩的大小。1.空載時的主磁場電機(jī)的空載是指發(fā)電機(jī)不輸出電功率，電動機(jī)不輸出機(jī)械功率。這時電樞電流很小，電樞磁動勢也很小，所以電機(jī)空載時的氣隙磁場可以看作是主磁場。45空載磁場的分布，如圖所示。磁通從N極出來，經(jīng)過氣隙、電樞齒、電樞磁軛進(jìn)入S極，再經(jīng)過定子磁軛回到N極，形成一個閉合回路。這部分磁通穿過電樞繞組，電樞轉(zhuǎn)動時，能在電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，一旦電樞繞組中有電流流過，能夠產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，這種磁通稱為主磁通Φ。還有少量不穿過電樞繞組的磁通稱為漏磁通。46直流電機(jī)的空載磁場2.負(fù)載時的電樞磁場電機(jī)帶負(fù)載運行時，電樞繞組中有電流流過，它將產(chǎn)生一個電樞磁場。電樞磁場的磁力線分布如圖中虛線所示，在磁極軸線處，電樞磁場為零。47電樞磁場和電樞反應(yīng)3.電樞反應(yīng)電機(jī)帶負(fù)載時電樞磁動勢對主磁場的影響稱為電樞反應(yīng)。電刷位于相鄰兩個磁極的分界線（即幾何中性線）處時，電樞磁場和主磁極磁場相互垂直，如上圖所示。此時的電樞反應(yīng)稱交軸電樞反應(yīng)。下面分析交軸電樞反應(yīng)對電機(jī)工作的影響。（1）氣隙磁場發(fā)生畸變每一磁極下，電樞磁場與主磁極磁場一半方向相同，一半方向相反。（2）對主磁場起附加去磁作用在磁路不飽和時，主磁極磁場被削弱的數(shù)量恰好等于被加強(qiáng)的數(shù)量，因此，負(fù)載時每極下的合成磁通量與空載時相同。48二、直流電機(jī)的電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩?zé)o論是直流電動機(jī)還是直流發(fā)電機(jī)，在轉(zhuǎn)動時，其電樞繞組都會由于切割主磁極產(chǎn)生的磁力線而感應(yīng)出電樞電動勢。同時，由于電樞繞組中有電流流過，電樞電流與主磁場作用又會產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。因此，直流電機(jī)的電樞繞組中同時存在著電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，它們對電機(jī)的運行起著重要的作用。直流發(fā)電機(jī)中是電樞電動勢在起主要作用，直流電動機(jī)中是電磁轉(zhuǎn)矩在起主要作用。491.電樞電動勢電樞電動勢是指直流電機(jī)正、負(fù)電刷之間的感應(yīng)電動勢，也就是電樞繞組每條支路中各元件的感應(yīng)電動勢之和。電樞繞組由繞組元件（線圈）按一定規(guī)律與換向片連接而成，如圖所示。50電樞繞組示意圖電樞旋轉(zhuǎn)時，根據(jù)電磁感應(yīng)定律，繞組各個元件邊切割主磁場感應(yīng)出電動勢，元件電動勢即為兩個元件邊的電動勢之和。各元件邊交替通過不同極性磁極所感應(yīng)的電動勢稱為交變電動勢，由于電刷與換向片相對旋轉(zhuǎn)，而與主磁極相對靜止，每條支路內(nèi)所包含的元件數(shù)量基本不變，各元件所處的磁場位置基本不變，因此通過電刷與換向片的及時換接，支路電動勢（即電樞電動勢）為直流電動勢。為使支路電動勢最大，被電刷短接元件的軸線應(yīng)與主磁極中心線重合，即通常所稱電刷應(yīng)處于幾何中性線位置。51理論推導(dǎo)和實驗測試均可以證明，電刷位于幾何中性線位置時，其電樞電動勢Ea可按下式計算：式中p———電機(jī)的磁極對數(shù)；

N———電樞導(dǎo)體總數(shù)；

a———電樞繞組并聯(lián)支路對數(shù)；

Ce———與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的電動勢常數(shù)；

Φ———每個磁極的磁通量，Wb；

n———電機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；

Ea———電樞電動勢，V。52可見，對于已經(jīng)制造好的直流電機(jī)，其電樞電動勢的大小正比于每個磁極的磁通量Φ和轉(zhuǎn)速n，通過調(diào)節(jié)勵磁電流If的大小（即每個磁極的磁通量Φ）和轉(zhuǎn)速n的高低都可以達(dá)到改變電樞電動勢Ea大小的目的。電樞電動勢Ea的方向由電機(jī)的轉(zhuǎn)向和主磁場的方向根據(jù)右手定則判定。若兩者只改變其一，則電樞電動勢Ea的方向改變；若兩者同時改變，則電樞電動勢Ea的方向不變。532.電磁轉(zhuǎn)矩在直流電機(jī)中，電磁轉(zhuǎn)矩是由電樞電流與主磁場作用產(chǎn)生的電磁力所形成的。由電磁力公式可知，每根載流導(dǎo)體在磁場中受到的電磁力f=Bli。對于給定的電機(jī)，磁感應(yīng)強(qiáng)度B與每個磁極的磁通量Φ成正比，導(dǎo)體中的電流i與電樞電流Ia成正比，而導(dǎo)體在磁場中的有效長度、導(dǎo)體總數(shù)及電樞半徑等都是固定的，僅取決于電機(jī)的結(jié)構(gòu)。54由于電樞繞組中各導(dǎo)體產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向是一致的，因此，直流電機(jī)總的電磁轉(zhuǎn)矩T的大小可以表示為：式中CT———與電機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)；

Ia———電樞電流，A；

T———電磁轉(zhuǎn)矩，N·m。55可見，對于制造好的直流電機(jī)，電磁轉(zhuǎn)矩T的大小正比于每個磁極的磁通量Φ或電樞電流Ia，通過調(diào)節(jié)勵磁電流If的大小或電樞電流Ia的大小都可以達(dá)到改變電磁轉(zhuǎn)矩大小的目的。電磁轉(zhuǎn)矩T的方向由主磁場的方向和電樞電流Ia的方向根據(jù)左手定則判定，只要改變其中一個的方向，電磁轉(zhuǎn)矩的方向都將隨之改變；而兩個方向同時改變時，電磁轉(zhuǎn)矩的方向不變。在同一臺直流電機(jī)中，電樞電動勢常數(shù)和電磁轉(zhuǎn)矩常數(shù)是恒定的，兩者之間有如下關(guān)系：CT=9.55Ce電樞電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩同時存在于發(fā)電機(jī)和電動機(jī)中，但是所起的作用各不相同。56三、直流電機(jī)的換向1.換向過程直流電機(jī)結(jié)構(gòu)中存在著特有的部件———電刷和換向器，它們的作用是將電機(jī)內(nèi)部的交流電轉(zhuǎn)變成外部的直流電。這套裝置在工作中有一個換向過程，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞繞組每條支路里所含的元件數(shù)目是基本不變的，但組成每條支路的元件在依次循環(huán)地更換。一條支路中的某個元件在經(jīng)過電刷后就成為另一條支路的元件，并且電刷兩側(cè)元件中的電流方向是相反的，如圖所示。5758電樞磁場和電樞反應(yīng)因此，直流電機(jī)在工作時，繞組元件連續(xù)不斷地從一條支路退出而進(jìn)入相鄰的支路。這種電樞繞組元件從一條支路經(jīng)過電刷轉(zhuǎn)入另一條支路，元件中的電流改變方向的過程，稱為換向。圖所示是單疊繞組換向過程的示意圖。59直流電機(jī)電樞繞組元件的換向過程如果出現(xiàn)換向不良，將會在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花，影響電機(jī)的安全運行?；鸹ǔ^一定程度，會燒壞電刷和換向器表面，使電機(jī)不能正常工作。此外，電刷下的火花也是一個電磁波的來源，對附近無線電通信會有干擾。直流電機(jī)工作時火花的大小，按照國家標(biāo)準(zhǔn)可以分為5個等級，見表。60直流電機(jī)工作時的火花等級2.產(chǎn)生火花的原因在直流電機(jī)電路中，由于電刷和換向器之間存在動接觸，因此運行時難免會出現(xiàn)或多或少的火花。產(chǎn)生火花的原因是多方面的，除了電磁原因外，還有機(jī)械原因。另外，換向過程中還伴有電化學(xué)、電熱等因素，它們相互交織在一起，原因相當(dāng)復(fù)雜。61從電磁理論方面看，換向元件在換向過程中，電流的變化必然會在換向元件中產(chǎn)生自感電動勢。電刷寬度大于換向片寬度時，幾個元件同時在進(jìn)行換向，換向元件與換向元件之間會有互感電動勢產(chǎn)生。自感電動勢和互感電動勢合成稱為電抗電動勢。根據(jù)楞次定律，電抗電動勢的作用是阻止電流變化，即阻礙換向的進(jìn)行。另外，由于電樞磁場的存在，使得處于幾何中性線上的換向元件會切割電樞磁場，在其中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電動勢，稱為電樞反應(yīng)電動勢。62直流電機(jī)的電樞繞組與外電路之間是通過電刷和換向器進(jìn)行連接的，因此電刷與換向器之間的接觸不良也是產(chǎn)生火花的重要原因。電刷壓力過小肯定會造成接觸電阻過大產(chǎn)生火花，電刷壓力過大除了增加機(jī)械阻力外，同樣會使得電刷跳動而產(chǎn)生火花。換向器存在一定的橢圓度、與轉(zhuǎn)軸不同心、表面不光滑等原因都會使電刷的壓力時大時小而產(chǎn)生火花。換向器表面灰塵多也會使電刷因接觸不良而增大火花。直流電機(jī)在腐蝕性氣體環(huán)境，或者在高海拔地區(qū)工作時，換向器表面容易因受到腐蝕或磨損而變得粗糙，從而導(dǎo)致電刷接觸不良，因此電機(jī)要減小容量使用。633.改善換向的方法改善換向、減小火花就是要設(shè)法減小換向元件中的附加電動勢和附加電流，使其越小越好，常用的方法有以下幾種：（1）安裝換向極這是目前改善換向最有效的方法。從產(chǎn)生火花的電磁原因看，要有效改善換向，就必須減小甚至抵消換向元件中的電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢。換向極裝設(shè)在相鄰兩個主磁極之間，換向極繞組產(chǎn)生的磁動勢方向與電樞反應(yīng)磁動勢的方向相反，大小比電樞磁動勢略大。這樣換向極磁動勢除了抵消電樞反應(yīng)磁動勢在幾何中性線處的作用外，剩余的磁動勢在換向元件中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這個電動勢可以抵消換向元件中的電抗電動勢，這樣就能消除電刷下的火花，達(dá)到改善換向的目的。64由于換向元件中的電抗電動勢和電樞反應(yīng)電動勢均與電樞電流成正比，所以換向極繞組中應(yīng)通以電樞電流，即換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。只要換向極設(shè)計和調(diào)整得合適，就能保證換向元件中總電動勢接近于零，使負(fù)載運行時電刷與換向器之間基本上沒有火花。圖所示為一臺直流電機(jī)換向極繞組與電樞繞組的連接方法和換向極的極性布置。65直流電機(jī)換向極電路與極性不論是直流電動機(jī)還是直流發(fā)電機(jī)，換向極的極性都應(yīng)該與電樞反應(yīng)的磁通方向相反。在直流電動機(jī)中，換向極極性應(yīng)與逆轉(zhuǎn)向的主磁極極性相同。在直流發(fā)電機(jī)中，換向極極性應(yīng)與順轉(zhuǎn)向的主磁極極性相同。但是一臺直流電動機(jī)的換向極繞組與電樞繞組正確連接后，運行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時不必改變接法，因為電樞電流和換向極繞組中的電流同時改變了方向。裝有換向極的直流電機(jī)，繞組元件對稱時，電刷的實際位置一般都應(yīng)放在換向極表面的主磁極中心線上。66（2）正確移動電刷在小容量沒有安裝換向極的直流電機(jī)中，常采用適當(dāng)移動電刷位置的方法來改善換向。將電刷從電樞幾何中性線移動一個適當(dāng)角度，用主磁場來代替換向極磁場，也可改善換向。正確移動電刷的方法是：當(dāng)電機(jī)運行于電動機(jī)狀態(tài)時，電刷應(yīng)逆著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動；而運行于發(fā)電機(jī)狀態(tài)時，電刷則應(yīng)順著電樞旋轉(zhuǎn)方向移動。如電刷移動的方向不正確，不但起不到改善換向的作用，反而會使電機(jī)換向更加惡化。67（3）正確選用電刷不同牌號的電刷具有不同的接觸電阻，選擇合適的電刷能改善換向。（4）裝設(shè)補(bǔ)償繞組直流電機(jī)負(fù)載時的電樞反應(yīng)使主磁極下的氣隙磁場發(fā)生了畸變，這樣就增大了某幾個換向片之間的電壓，在負(fù)載變化劇烈的大型直流電機(jī)中可能出現(xiàn)環(huán)火現(xiàn)象。68四、直流電機(jī)的基本方程式直流電機(jī)的基本方程式是了解和分析直流發(fā)電機(jī)、直流電動機(jī)性能的主要方法和重要手段，直流電機(jī)的基本方程式包括電壓方程式、轉(zhuǎn)矩方程式、功率方程式等。1.直流發(fā)電機(jī)的基本方程式圖所示為直流他勵發(fā)電機(jī)的工作原理圖，下面以直流他勵發(fā)電機(jī)為例分析電壓、轉(zhuǎn)矩和功率之間的關(guān)系。他勵發(fā)電機(jī)的勵磁繞組是由其他直流電源提供電流的，其電樞在原動機(jī)驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)（輸入機(jī)械能），切割勵磁繞組的磁場產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，通過換向器和電刷對外輸送直流電能。6970直流他勵發(fā)電機(jī)的工作原理圖（1）電壓方程式若直流發(fā)電機(jī)的電樞在原動機(jī)驅(qū)動下按逆時針方向旋轉(zhuǎn)，n是電樞轉(zhuǎn)速，T1是原動機(jī)的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，T是電樞的電磁轉(zhuǎn)矩，T0是空載轉(zhuǎn)矩，Ea是電樞感應(yīng)電動勢，U是發(fā)電機(jī)接負(fù)載時輸出的端電壓，Ia是電樞電流，Uf、If分別是勵磁繞組的勵磁電壓和勵磁電流，Φ是勵磁繞組產(chǎn)生的主磁通。（2）轉(zhuǎn)矩方程式當(dāng)發(fā)電機(jī)空載時，Ia

=0、U=Ea；當(dāng)接上負(fù)載時，電樞回路產(chǎn)生電流

Ia，這時電樞電流

Ia與主磁通Φ會作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩T。71（3）功率方程式直流發(fā)電機(jī)工作時，原動機(jī)從軸上輸入機(jī)械功率P1，首先要扣除用來克服軸承及電刷摩擦和冷卻風(fēng)扇等的機(jī)械損耗Pm，其次要扣除主磁通在鐵心中的損耗PFe，這兩部分損耗合稱為空載損耗，最后剩下的機(jī)械功率用來進(jìn)行機(jī)、電能量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為電功率，這部分功率稱為電磁功率PM，即：PM=Tω=Ea

Ia

機(jī)械功率轉(zhuǎn)換為電功率后，還要在電樞回路的內(nèi)阻Ra上消耗一部分功率PCua，最終剩下的才是從電刷兩端輸出的電功率P2。722.直流電動機(jī)的基本方程式圖所示為直流并勵電動機(jī)的工作原理圖，以它為例分析電壓、轉(zhuǎn)矩和功率之間的關(guān)系。73直流并勵電動機(jī)工作原理圖（1）電壓方程式由上圖所示的直流并勵電動機(jī)工作原理圖可知，直流并勵電動機(jī)中有兩個電流回路：勵磁回路和電樞回路。（2）轉(zhuǎn)矩方程式直流電動機(jī)正常工作時，作用在軸上的轉(zhuǎn)矩有三個：一是電磁轉(zhuǎn)矩T，方向與轉(zhuǎn)速n方向相同，為驅(qū)動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩；二是電動機(jī)空載損耗形成的轉(zhuǎn)矩T0，是電動機(jī)空載運行時的制動轉(zhuǎn)矩，方向總與轉(zhuǎn)速n方向相反；三是軸上所帶生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL，一般為制動性質(zhì)轉(zhuǎn)矩。74（3）功率方程式由上圖所示直流并勵電動機(jī)工作原理圖可以看出，電源輸入的電功率為P1=UI電動機(jī)勵磁回路電阻Rf上的銅損耗為PCuf=I2f

Rf電樞回路中的銅損耗為PCua=I2a

Ra輸入的電功率扣除上述兩項損耗后，通過電磁感應(yīng)關(guān)系轉(zhuǎn)換為機(jī)械功率，電動機(jī)中由電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能的那一部分功率叫電磁功率PM=Ea

Ia=Tω75轉(zhuǎn)換得到的機(jī)械功率還要扣除機(jī)械損耗和鐵損耗，即空載損耗P0=Pm+PFe最后剩下的才是直流電動機(jī)軸上輸出的機(jī)械功率P2=T2

ω綜上所述，可得直流并勵電動機(jī)的功率方程式如下：

P1=PCuf

+PCua+Pm+PFe+P276五、直流發(fā)電機(jī)的工作特性衡量一臺直流發(fā)電機(jī)性能的優(yōu)劣，主要是看發(fā)電機(jī)輸出電壓的高低和穩(wěn)定性這兩方面。因此，直流發(fā)電機(jī)的工作特性中，比較重要的有空載特性和外特性等，通?？捎锰匦郧€來表示直流發(fā)電機(jī)的性能。即在某些參數(shù)保持不變的條件下，用曲線來表示電機(jī)中某兩個參數(shù)之間的關(guān)系，這樣的曲線稱為電機(jī)的特性曲線。下面主要以直流他勵發(fā)電機(jī)為例來分析工作特性，并簡要分析與并勵發(fā)電機(jī)的區(qū)別。771.空載特性直流他勵發(fā)電機(jī)的空載特性是指當(dāng)發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為常數(shù)，電樞電流Ia=0時，發(fā)電機(jī)端電壓U0與勵磁電流If之間的關(guān)系，即U0

=f（If

），空載特性可用其曲線來表示。直流發(fā)電機(jī)空載時，電樞電流為零，此時的端電壓用U0表示，它等于電樞電動勢Ea。78空載特性曲線的起始部分，因為勵磁電流較小，磁路磁通未飽和，所以Ea

與If

近似為線性關(guān)系。隨著勵磁電流增加，磁路磁通逐漸飽和。這時隨著勵磁電流If

的增加，磁通Φ或電樞電動勢Ea

的增加量越來越小。因此，電機(jī)額定工作時，為了充分、經(jīng)濟(jì)地利用鐵心材料，其磁路往往工作在磁化曲線的臨界飽和區(qū)?？蛰d特性曲線在鑒定發(fā)電機(jī)的性能方面有著重要的意義。直流他勵發(fā)電機(jī)的空載特性曲線可以用實驗的方法測得，并勵發(fā)電機(jī)的空載特性曲線與他勵發(fā)電機(jī)一樣。792.外特性直流他勵發(fā)電機(jī)的外特性是指轉(zhuǎn)速不變、勵磁電流不變時，輸出端電壓U與負(fù)載電流Ia之間的關(guān)系，即當(dāng)n=常數(shù)，

If

=常數(shù)時，U=f（Ia）的關(guān)系。從圖所示的直流他勵發(fā)電機(jī)工作原理圖可知，負(fù)載電流Ia=0，即空載時，輸出端電壓U=

U0。80直流他勵發(fā)電機(jī)的工作原理圖3.調(diào)整特性直流他勵發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性是指保持轉(zhuǎn)速和端電壓不變，即n=nN、U=UN時，If

=f（Ia

）的關(guān)系曲線。如圖所示，調(diào)整特性是一條上升的曲線。81直流他勵發(fā)電機(jī)的調(diào)整特性六、直流并勵發(fā)電機(jī)的自勵過程圖所示是直流并勵發(fā)電機(jī)的接線圖，勵磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，勵磁電流取自發(fā)電機(jī)本身，所以又稱“自勵發(fā)電機(jī)”。82直流并勵發(fā)電機(jī)的接線圖如果勵磁繞組接法與上述情況相反，那么Er產(chǎn)生的勵磁電流所建立的磁通方向與剩磁通方向相反，這樣不但不能增大電機(jī)磁路中的磁通，相反還會削弱剩磁通，因此，發(fā)電機(jī)不能自勵建立電壓。圖中的曲線2是勵磁回路的伏安特性，其斜率取決于回路中的總電阻。83直流并勵發(fā)電機(jī)建立電壓的過程調(diào)節(jié)勵磁回路的總電阻，可改變勵磁回路伏安特性的斜率，可相應(yīng)調(diào)節(jié)空載電壓的穩(wěn)定點。同樣，若改變發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速，空載特性跟著成正比變化，空載電壓的穩(wěn)定點也變化。當(dāng)勵磁回路的總電阻逐漸增大時，伏安特性的斜率增大，空載電壓逐漸減??；當(dāng)勵磁回路的伏安特性與空載特性的直線部分相切時，兩條曲線的交點不明顯，發(fā)電機(jī)的空載電壓變不穩(wěn)定，這時的勵磁回路總電阻稱為臨界電阻；當(dāng)勵磁回路總電阻大于臨界電阻時，勵磁回路的伏安特性與空載特性交點很低，發(fā)電機(jī)的端電壓與剩磁電動勢相差無幾，并勵發(fā)電機(jī)就不能自勵建立電壓。84綜上所述，并勵發(fā)電機(jī)自勵建立穩(wěn)定電壓的條件有三個：（1）電機(jī)必須有剩磁。若無剩磁，可用外部直流電源給勵磁繞組通一下電流，即“充磁”，使發(fā)電機(jī)剩磁得到恢復(fù)。（2）勵磁繞組的接線與電樞旋轉(zhuǎn)的方向必須正確配合，使勵磁電流產(chǎn)生的磁通方向與剩磁通方向一致。若發(fā)現(xiàn)接法不對，只要將勵磁繞組并聯(lián)到電樞的兩個端點對調(diào)一下即可。（3）勵磁回路的總電阻應(yīng)小于與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，其臨界電阻值越大。85任務(wù)3直流電動機(jī)的調(diào)速86學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性。2.熟悉直流電動機(jī)的機(jī)械特性。3.掌握直流電動機(jī)機(jī)械特性的簡單計算。4.重點掌握直流電動機(jī)的三種調(diào)速方法。5.學(xué)會直流電動機(jī)調(diào)速方法的操作使用。87任務(wù)分析直流電動機(jī)的最大優(yōu)點是具有線性的機(jī)械特性，調(diào)速性能優(yōu)異，因此廣泛應(yīng)用于對調(diào)速性能要求較高的電氣自動化系統(tǒng)中。要了解、分析和掌握直流電動機(jī)的調(diào)速方法，首先要掌握直流電動機(jī)的機(jī)械特性。直流電動機(jī)有三種不同的人為機(jī)械特性，對應(yīng)三種不同性能的調(diào)速方法，分別應(yīng)用于不同的場合。因此熟悉機(jī)械特性是基礎(chǔ)，掌握調(diào)速方法是目的。知道了各種調(diào)速方法的性能特點后，就可以根據(jù)實際生產(chǎn)機(jī)械負(fù)載的工藝要求來選擇一種最合適的調(diào)速方法，發(fā)揮直流電動機(jī)的最大效益。88相關(guān)知識一、電氣傳動系統(tǒng)用各種原動機(jī)帶動生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)運轉(zhuǎn)，完成一定生產(chǎn)任務(wù)的過程稱為驅(qū)動。用電動機(jī)作為原動機(jī)的驅(qū)動稱為電氣傳動。在電氣傳動系統(tǒng)中，電動機(jī)是原動機(jī)，起主導(dǎo)作用，生產(chǎn)機(jī)械是負(fù)載。電動機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性是分析電氣傳動的基礎(chǔ)。891.電氣傳動系統(tǒng)的組成電氣傳動系統(tǒng)一般由電動機(jī)、傳動機(jī)構(gòu)、生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備以及電源五部分組成，如圖所示。90電氣傳動系統(tǒng)的實例和組成框圖2.電氣傳動系統(tǒng)的運動方程式在圖所示的電動機(jī)帶動水泵供水的電氣傳動系統(tǒng)中，電動機(jī)直接與生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)相連接，電動機(jī)與負(fù)載用同一個軸，以同一轉(zhuǎn)速運行。電氣傳動系統(tǒng)中主要的機(jī)械物理量有電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n、電磁轉(zhuǎn)矩T、負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL。由于電動機(jī)負(fù)載運行時，一般情況下

TL遠(yuǎn)大于T0（T0

為電動機(jī)空載轉(zhuǎn)矩），故可忽略T0

。91根據(jù)轉(zhuǎn)矩平衡的關(guān)系，電氣傳動系統(tǒng)運動方程式為：式中

———反映電氣傳動系統(tǒng)機(jī)械慣性的一個常數(shù)。上式表明，當(dāng)T=TL時，系統(tǒng)處于恒定轉(zhuǎn)速運行的穩(wěn)態(tài)；當(dāng)T>TL時，系統(tǒng)處于加速運動的過渡過程中；當(dāng)T<TL時，系統(tǒng)處于減速運動的過渡過程中。92二、生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性生產(chǎn)機(jī)械工作機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)速n與負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL之間的關(guān)系，即n=f（TL），稱為生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性。生產(chǎn)機(jī)械的種類很多，它們的負(fù)載特性各不相同，但根據(jù)統(tǒng)計分析，生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載特性按照性能特點，可以歸納為以下三類。931.恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性（1）阻力型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性阻力型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點是工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對值是恒定不變的，轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)總是阻止運動的制動性轉(zhuǎn)矩。（2）位能型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性位能型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的特點是工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對值是恒定的，而且方向不變（與運動方向無關(guān)），總是沿重力作用方向。9495阻力型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性位能型恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性96起重機(jī)和電動葫蘆2.恒功率負(fù)載特性某些車床，在粗加工時切削量大，切削阻力大，工作在低速狀態(tài)；而在精加工時切削量小，切削阻力小，工作在高速狀態(tài)。97車床與恒功率負(fù)載特性3.通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性水泵、油泵、鼓風(fēng)機(jī)、電風(fēng)扇和螺旋槳等，其轉(zhuǎn)矩的大小與轉(zhuǎn)速的平方成正比，即TL∝n2，其負(fù)載特性如圖所示。98鼓風(fēng)機(jī)與通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性上述恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載、恒功率負(fù)載以及通風(fēng)機(jī)型負(fù)載，都是從各種實際負(fù)載中概括出來的典型的負(fù)載形式，實際上的負(fù)載可能是以某種典型負(fù)載形式為主，或某幾種典型負(fù)載形式的結(jié)合。例如，水泵主要是通風(fēng)機(jī)型負(fù)載特性，但是軸承摩擦力又是阻力性的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，只是運行時后者數(shù)值較小而已。又例如，起重機(jī)在提升和下放重物時，主要是位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性，但各個運動部件的摩擦力又是阻力性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性。99三、直流他勵電動機(jī)的機(jī)械特性電動機(jī)的機(jī)械特性是指電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系n=f（T）。它是電動機(jī)機(jī)械性能的主要表現(xiàn)，也是電動機(jī)最重要的特性。1.固有機(jī)械特性直流他勵電動機(jī)的電氣原理，如圖所示。100直流他勵電動機(jī)的電氣原理將Ea=Ce

ΦN

n和T=CT

ΦN

Ia代入UN=Ea+Ia

Ra，經(jīng)整理后可得到：上式右邊第二項的電磁轉(zhuǎn)矩T為零時，轉(zhuǎn)速大小就是

，沒有電磁轉(zhuǎn)矩而電動機(jī)在轉(zhuǎn)動，顯然這是不太可能的，所以把它稱為理想空載轉(zhuǎn)速，用n0表示。而電動機(jī)實際的空載轉(zhuǎn)速用n′0表示，是指電動機(jī)軸上沒有帶機(jī)械負(fù)載，只存在空載轉(zhuǎn)矩T0時的轉(zhuǎn)速。對應(yīng)的功率就是空載功率P0，其意義是電動機(jī)克服軸承摩擦力及風(fēng)扇阻力等所需的功率。101如果用n0表示理想空載轉(zhuǎn)速，用β表示常數(shù)

，則上式可寫成：n=n0-βT式中，β為固有機(jī)械特性的斜率。直流他勵電動機(jī)的固有機(jī)械特性曲線，如圖所示。102直流他勵電動機(jī)的固有機(jī)械特性直流他勵電動機(jī)的固有機(jī)械特性有五個特點。（1）隨著電磁轉(zhuǎn)矩T的增大，轉(zhuǎn)速n降低，其特性曲線是一條略為向下傾斜的直線。（2）當(dāng)T=0時，n=n0，電動機(jī)工作在理想空載狀態(tài)。（3）由于電動機(jī)電樞回路不串電阻，機(jī)械特性斜率β的數(shù)值很小，特性曲線較平，稱為硬特性。（4）當(dāng)T=TN時，n=nN

，此點為電動機(jī)的額定工作點。（5）n=0，即電動機(jī)啟動時，Ea=0，此時的電樞電流Ia=Ist，稱為啟動電流；對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩T=

Tst，稱為啟動轉(zhuǎn)矩。1032.人為機(jī)械特性一臺直流電動機(jī)如果只有一條固有的機(jī)械特性，對于某一負(fù)載轉(zhuǎn)矩，只有一個固定的轉(zhuǎn)速，這顯然無法達(dá)到實際驅(qū)動對轉(zhuǎn)速變化的要求，如啟動、調(diào)速和制動等，因此需要人為地改變電動機(jī)的參數(shù)，如改變電樞回路電阻R、電樞電壓U或氣隙磁通量Φ，以此獲得相應(yīng)的人為機(jī)械特性。（1）電樞回路串電阻的人為機(jī)械特性保持直流電動機(jī)的電樞電壓U=UN，磁通Φ=ΦN

，只在電樞回路串入電阻RP時的人為機(jī)械特性方程式為：104電樞串入不同阻值的RP時的人為機(jī)械特性曲線，如圖所示。105電樞串電阻的人為機(jī)械特性（2）改變電樞電壓的人為機(jī)械特性電樞不串電阻，磁通Φ=ΦN，只改變電樞電壓U的大小及方向，此時的人為機(jī)械特性方程式為：改變電樞電壓U的人為機(jī)械特性是一組與固有機(jī)械特性平行的直線，如圖所示。改變電樞電壓的人為機(jī)械特性有如下特點：1）理想空載轉(zhuǎn)速n0與電樞電壓U成正比，即n0U∝U；且U改變正負(fù)極性時，n0U也改變轉(zhuǎn)向。2）人為機(jī)械特性斜率β與固有機(jī)械特性斜率保持相同，即轉(zhuǎn)速降Δn不變。106107改變電樞電壓的人為機(jī)械特性（3）減弱磁通的人為機(jī)械特性減弱磁通的方法是通過減小勵磁電流來實現(xiàn)的。保持電樞電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻，只改變勵磁磁通的人為機(jī)械特性方程式為：改變勵磁磁通的人為機(jī)械特性有如下特點：1）理想空載轉(zhuǎn)速n0Φ隨磁通Φ的減弱而上升。2）機(jī)械特性斜率βΦ因與磁通Φ的平方成反比，所以隨磁通的減弱而增大，機(jī)械特性變軟。108109減弱磁通的人為機(jī)械特性不同磁通時的人為機(jī)械特性，如圖所示。四、直流串勵電動機(jī)的機(jī)械特性直流串勵電動機(jī)的電氣原理，如圖所示，其最大特點是勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，If=Ia=I，因此，機(jī)械特性也與他勵（并勵）電動機(jī)有明顯的不同。110直流串勵電動機(jī)的電氣原理圖當(dāng)磁路飽和時，氣隙主磁通Φ基本不變，機(jī)械特性與他勵電動機(jī)相似。因此，串勵電動機(jī)的機(jī)械特性，如圖所示。111串勵電動機(jī)的機(jī)械特性從上述分析可知，串勵電動機(jī)具有以下特性：1.空載時，I→0，Φ→0，電動機(jī)轉(zhuǎn)速極高，所以串勵電動機(jī)不許空載或輕載運行。2.由于串勵電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩與電流的平方成正比，因此啟動和過載能力強(qiáng)。3.串勵電動機(jī)接交流電源后，由于磁通Φ和電樞電流Ia同時改變方向，所以電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，因此是一種交直流兩用的電動機(jī)。112串勵電動機(jī)廣泛應(yīng)用于電力牽引設(shè)備中，如工廠中的電瓶車、公共電車、電力機(jī)車等。平時電工常用的手電鉆、電錘、家用絞肉機(jī)、吸塵器等也是串勵電動機(jī)。直流復(fù)勵電動機(jī)的機(jī)械特性介于他勵和串勵之間，取決于串勵繞組所起的作用如何。即復(fù)勵電動機(jī)的機(jī)械特性較他勵電動機(jī)軟，但是可以空載運行，在現(xiàn)實中應(yīng)用很多；而差勵電動機(jī)由于負(fù)載增大時，磁通減弱，轉(zhuǎn)速上升，很容易燒壞，因此不常用。113五、直流他勵電動機(jī)的調(diào)速在現(xiàn)代工業(yè)中，有大量的生產(chǎn)機(jī)械要求能改變工作速度。調(diào)速可以用機(jī)械的、電氣的或機(jī)電配合的方法來實現(xiàn)。直流他勵電動機(jī)的調(diào)速就是人為地改變電氣參數(shù)，使電動機(jī)的工作點從一條機(jī)械特性曲線轉(zhuǎn)移到另一條機(jī)械特性曲線上，從而在同一負(fù)載下得到不同的轉(zhuǎn)速。它與電動機(jī)在負(fù)載變化時引起的轉(zhuǎn)速變化是兩個不同的概念。負(fù)載變化引起轉(zhuǎn)速變化是自動進(jìn)行的，電動機(jī)工作點總是在同一條機(jī)械特性曲線上，它不是根據(jù)生產(chǎn)的需要人為地控制電氣參數(shù)進(jìn)而控制轉(zhuǎn)速的變化。1141.調(diào)速系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)直流電動機(jī)具有極好的調(diào)速性能，可以在寬廣范圍內(nèi)平滑而經(jīng)濟(jì)地調(diào)速，特別適用于調(diào)速要求較高的電氣傳動系統(tǒng)。電動機(jī)調(diào)速性能的好壞，常用下列技術(shù)指標(biāo)來衡量：（1）調(diào)速范圍D調(diào)速范圍是指電動機(jī)驅(qū)動額定負(fù)載時，所能達(dá)到的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比。（2）調(diào)速的平滑性電動機(jī)相鄰兩個調(diào)速擋的轉(zhuǎn)速之比稱為調(diào)速的平滑性，其比值φ稱為平滑系數(shù)。115（3）調(diào)速的穩(wěn)定性調(diào)速的穩(wěn)定性是指負(fù)載轉(zhuǎn)矩發(fā)生變化時，電動機(jī)轉(zhuǎn)速隨之變化的程度。（4）調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性由調(diào)速設(shè)備的投資及電動機(jī)運行時的能量消耗來決定。（5）調(diào)速時電動機(jī)的允許輸出在電動機(jī)得到充分利用的情況下（一般是指電流為額定值），調(diào)速過程中電動機(jī)所能輸出的功率和轉(zhuǎn)矩。主要有恒功率調(diào)速方式和恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式兩大類。1162.電動機(jī)的調(diào)速方法直流他勵電動機(jī)的一般機(jī)械特性方程式為：由上式可知，當(dāng)負(fù)載不變時T=TL，只要改變電樞電壓U、電樞回路串入的電阻值RP、每極磁通Ф三個量中的任意一個，都能改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速，因此，直流他勵電動機(jī)有三種調(diào)速方法。117（1）電樞回路串電阻調(diào)速直流他勵電動機(jī)驅(qū)動負(fù)載運行時，保持電源電壓U及磁通Φ為額定值，改變電樞回路串入的電阻值，電動機(jī)就可運行于不同的轉(zhuǎn)速，如圖所示，該圖中的負(fù)載是恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載。118電樞串電阻調(diào)速電樞回路串電阻調(diào)速的特點是：1）電動機(jī)的轉(zhuǎn)速只能從額定轉(zhuǎn)速往下調(diào)。2）轉(zhuǎn)速越低，機(jī)械特性越軟，負(fù)載波動時轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性越差。3）轉(zhuǎn)速越低，電樞串入的電阻越大，電能損耗也越大，調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性越差。4）調(diào)速范圍小，電動機(jī)空載時幾乎無調(diào)速作用。5）調(diào)速過程中允許的輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。6）調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)備簡單，初次投資小。119（2）降低電樞電壓調(diào)速降低電樞電壓調(diào)速需要有連續(xù)可調(diào)的直流電源給電樞供電。由于工作電壓不能大于額定電壓，因此，電樞電壓只能從額定電壓往下調(diào)。如前所述，降低電樞電壓的人為機(jī)械特性低于且平行于固有機(jī)械特性。直流他勵電動機(jī)驅(qū)動負(fù)載運行時，電樞回路不串電阻，保持磁通為額定值（他勵電動機(jī)保持勵磁電壓為額定值，并勵電動機(jī)在降低電源電壓的同時必須減小勵磁回路的電阻，保持勵磁電流為額定值），改變電源電壓的高低，電動機(jī)就可以運行于不同的轉(zhuǎn)速。120121降低電樞電壓調(diào)速降低電樞電壓調(diào)速的特點是：1）電動機(jī)的轉(zhuǎn)速只能從額定轉(zhuǎn)速往下調(diào)。2）由于轉(zhuǎn)速降ΔnN不變，機(jī)械特性硬度不變，所以穩(wěn)定性好。3）調(diào)速范圍大，最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比可達(dá)10倍以上。4）當(dāng)電樞電壓連續(xù)可調(diào)時，轉(zhuǎn)速也連續(xù)可調(diào)，可實現(xiàn)無級調(diào)速。5）調(diào)速過程中能量損耗少。6）調(diào)速過程中允許的輸出轉(zhuǎn)矩不變，屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式。7）需要專用的可調(diào)直流電源，初次投資大。122（3）弱磁調(diào)速保持電源電壓為額定值，電樞回路不串電阻，調(diào)節(jié)勵磁回路串入的電阻Rf，改變勵磁電流If，以改變磁通Ф。其轉(zhuǎn)速方程式為：由上式可知，將磁通Ф減小，理想空載轉(zhuǎn)速n0升高，機(jī)械特性的斜率β增大，引起轉(zhuǎn)速降Δn增大，一般情況下，由于

n0升高對轉(zhuǎn)速的影響遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于轉(zhuǎn)速降Δn對轉(zhuǎn)速的影響，因此，磁通Ф減小時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速升高。由于電動機(jī)在額定狀態(tài)運行時，磁路已接近飽和，所以通常只能減小磁通（Ф<ФN），將轉(zhuǎn)速往上調(diào)，故稱弱磁調(diào)速。直流電動機(jī)弱磁調(diào)速的機(jī)械特性曲線，如圖所示。123124弱磁調(diào)速的機(jī)械特性弱磁調(diào)速的特點是：1）磁場電阻容量小，能連續(xù)調(diào)節(jié)，控制方便，可實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速平滑性好。2）勵磁回路電流小，調(diào)速時能量損耗小，調(diào)速的經(jīng)濟(jì)性好。3）機(jī)械特性較硬，穩(wěn)定性好。4）受到換向能力、強(qiáng)度等因素的限制，調(diào)速范圍較小，一般不超過2nN。特殊設(shè)計的寬調(diào)速電動機(jī)，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)額定轉(zhuǎn)速的3~4倍。由于弱磁調(diào)速的調(diào)速范圍較小，所以很少單獨使用，一般都與降壓調(diào)速相配合，以擴(kuò)大調(diào)速范圍。125任務(wù)4直流電動機(jī)的啟動、反轉(zhuǎn)和制動126學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解直流電動機(jī)啟動時存在的問題。2.掌握直流電動機(jī)常用的啟動方法。3.掌握直流電動機(jī)的反轉(zhuǎn)方法。4.熟悉直流電動機(jī)的制動方法。5.學(xué)會直流電動機(jī)常用啟動、反轉(zhuǎn)和制動方法的操作使用。127任務(wù)分析使用一臺直流電動機(jī)，首先碰到的問題是怎樣把它啟動起來。要使電動機(jī)的啟動過程達(dá)到最優(yōu)，以下幾個方面的問題最值得考慮：啟動電流Ist的大小，啟動轉(zhuǎn)矩Tst

的大小，啟動設(shè)備是否簡單等。電動機(jī)驅(qū)動的生產(chǎn)機(jī)械，常常需要改變運動方向，例如起重機(jī)、刨床、軋鋼機(jī)等，這就需要電動機(jī)能快速地正反轉(zhuǎn)。某些生產(chǎn)機(jī)械除了需要電動機(jī)提供驅(qū)動力矩外，還要電動機(jī)在必要時，提供制動的力矩，以便限制轉(zhuǎn)速或快速停車，例如電車下坡和剎車時，起重機(jī)下放重物時，機(jī)床反向運動開始時，都需要電動機(jī)進(jìn)行制動。因此，掌握直流電動機(jī)啟動、反轉(zhuǎn)和制動的方法，對電氣技術(shù)人員是很重要的。128相關(guān)知識一、直流電動機(jī)的啟動直流電動機(jī)接入電源后轉(zhuǎn)速從零逐漸上升到穩(wěn)定轉(zhuǎn)速的過程稱為啟動過程，簡稱啟動。由直流電動機(jī)的電壓方程式可知，正常工作時的電樞電流為：因為電樞回路電阻Ra很小，所以電源電壓UN與反電動勢Ea接近。129在電動機(jī)啟動的瞬間，n=0，所以Ea=Ce

ФN

n=0，這時的電樞電流（即直接啟動時的電樞電流）為：由于Ra很小，直接加額定電壓啟動，啟動電流很大，可達(dá)額定電流的10~20倍。這么大的啟動電流，會使電動機(jī)的換向惡化，產(chǎn)生嚴(yán)重的火花。又由于電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，所以電動機(jī)的啟動轉(zhuǎn)矩也非常大，會產(chǎn)生機(jī)械沖擊，損壞傳動機(jī)構(gòu)。另外，大電流還會使電網(wǎng)的電壓波動，將影響同一電網(wǎng)上其他用電設(shè)備的正常運行。130這種直接加額定電壓啟動的方法稱為直接啟動。除了個別容量極小的電動機(jī)可以采用直接啟動以外，一般直流電動機(jī)是不允許直接啟動的。直流電動機(jī)啟動的基本要求是：有足夠的啟動轉(zhuǎn)矩，一般為額定轉(zhuǎn)矩的2~2.5倍，以便縮短啟動時間，快速啟動；啟動電流不能過大，要在一定范圍內(nèi)，一般規(guī)定啟動電流不超過額定電流的2~2.5倍，以確保啟動設(shè)備安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。除了微型直流電動機(jī)采用直接啟動外，由式

可知，直流他勵電動機(jī)的啟動方法有電樞回路串電阻啟動和減壓啟動兩種。1311.電樞回路串電阻啟動啟動時，電樞回路串接可變電阻Rst，Rst稱為啟動電阻。電動機(jī)加額定電壓，這時的啟動電流減小到：對應(yīng)的啟動電阻為：選擇合適的啟動電阻阻值，使啟動電流Ist限制在電動機(jī)允許的范圍內(nèi)。132由啟動電流產(chǎn)生的啟動轉(zhuǎn)矩使電動機(jī)開始旋轉(zhuǎn)并加速，隨著轉(zhuǎn)速的升高，電樞反電動勢增大，電樞電流減小，轉(zhuǎn)速上升速度慢下來。為了縮短啟動時間，保證啟動過程中維持電樞電流在一個較大的范圍內(nèi)，因此，隨著轉(zhuǎn)速的升高應(yīng)把啟動電阻Rst平滑地減小，直到電動機(jī)穩(wěn)定運行時全部切除。但是實際上要隨著轉(zhuǎn)速升高，平滑切除Rst是難以做到的，一般是把啟動電阻分為若干段逐段加以切除。133134電樞回路串電阻啟動的電路圖和機(jī)械特性2.減壓啟動當(dāng)直流他勵電動機(jī)的電樞回路由專用可調(diào)直流電源供電時，可用降低電壓的方法來限制啟動電流，由式

可知，啟動電流的減小將與電樞電壓降低的程度成正比。電動機(jī)啟動前先調(diào)好勵磁電流，然后將電源電壓由低向高調(diào)節(jié)，最低電壓所對應(yīng)的人為機(jī)械特性上的啟動轉(zhuǎn)矩Tst>TL時，電動機(jī)就開始啟動。電動機(jī)啟動后，隨著轉(zhuǎn)速的上升相應(yīng)地提高電源電壓，使電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩維持在一定的數(shù)值范圍內(nèi)，電動機(jī)獲得一定的加速轉(zhuǎn)矩，按需要的加速度升速，直到額定轉(zhuǎn)速。直流他勵電動機(jī)減壓啟動過程的電路和機(jī)械特性，如圖所示。135136直流他勵電動機(jī)的減壓啟動電路和機(jī)械特性在手動調(diào)節(jié)電源電壓啟動時應(yīng)注意電壓不能升得太快，否則會產(chǎn)生較大的沖擊電流。在實際的驅(qū)動系統(tǒng)中，電壓的升高是由自動控制環(huán)節(jié)自動調(diào)節(jié)的，它能保證電壓連續(xù)升高，并在整個啟動過程中保持電樞電流為最大允許值，從而使系統(tǒng)在恒定的加速轉(zhuǎn)矩下迅速啟動，是一種比較理想的啟動方法。減壓啟動過程中能量損耗很少，由于電壓連續(xù)可調(diào)，所以電動機(jī)啟動平滑；但采用減壓啟動時，需要專用可調(diào)壓的直流電源，設(shè)備投資較大。因此，減壓啟動常用于要求經(jīng)常啟動的場合以及大中型直流電動機(jī)的啟動。137二、直流電動機(jī)的反轉(zhuǎn)電氣傳動系統(tǒng)在工作過程中，常常需要改變運動方向，為此需要電動機(jī)反方向啟動和運行。在電動狀態(tài)下，電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)的轉(zhuǎn)向由電磁轉(zhuǎn)矩的方向決定，即反轉(zhuǎn)就是要改變電動機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩方向。因為電磁轉(zhuǎn)矩是由主磁通與電樞電流相互作用產(chǎn)生的，T=CT

ФIa，根據(jù)左手定則，任意改變兩者之一，作用力方向就改變。所以，直流電動機(jī)改變轉(zhuǎn)向的方法有兩種：138（1）在勵磁電流方向不變即磁場方向不變的條件下，將電樞電壓的正負(fù)極性反接，從而改變電樞電流和電磁轉(zhuǎn)矩的方向，使電動機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖a所示。（2）在電樞電壓的極性不變時，將勵磁繞組反接，改變勵磁電流的方向，即改變磁場的方向，可使電磁轉(zhuǎn)矩方向改變，實現(xiàn)電動機(jī)反轉(zhuǎn)，如圖b所示。由于勵磁繞組的匝數(shù)多，電感大，電磁慣性較大，為了實現(xiàn)電動機(jī)高效、快速地反轉(zhuǎn)，往往采用電樞反接的方法。139140直流他勵電動機(jī)反轉(zhuǎn)的電路圖a）電樞反接b）勵磁反接三、直流電動機(jī)的制動電動機(jī)大多運行于電動狀態(tài)，但在電氣傳動系統(tǒng)中，為了滿足生產(chǎn)工藝的要求或者為了安全，有時需要電動機(jī)盡快地減速或停車（如可逆轉(zhuǎn)式軋機(jī)），有時為了限制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高（例如電車下坡），以及緊急停車等，需要對電動機(jī)進(jìn)行制動。制動的方式很多，最簡單的方法就是用機(jī)械制動，即依靠摩擦力使電動機(jī)制動。本部分主要討論電氣制動，即通過電動機(jī)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩達(dá)到制動的目的。電氣制動的優(yōu)點是制動轉(zhuǎn)矩大，制動強(qiáng)度比較容易控制。在電氣傳動系統(tǒng)中多采用這種方法，或者與機(jī)械制動器配合使用。1411.能耗制動直流電動機(jī)原先處于電動工作狀態(tài)（電磁轉(zhuǎn)矩的方向與旋轉(zhuǎn)方向相同），如圖a所示。142電動機(jī)運行狀態(tài)原理圖a）電動狀態(tài)b）能耗制動狀態(tài)能耗制動過程的物理意義是電動機(jī)由生產(chǎn)機(jī)械和自身慣性的作用而驅(qū)動發(fā)電，把生產(chǎn)機(jī)械和電動機(jī)儲存的動能轉(zhuǎn)換為電能，再消耗在電樞回路的電阻上，所以稱為能耗制動。在能耗制動時，因為U=0，n0=0，電樞回路串入制動電阻Rb，所以電動機(jī)能耗制動的機(jī)械特性方程式變?yōu)椋嚎梢?，直流電動機(jī)能耗制動時的機(jī)械特性是一條過原點的直線，它是與電樞回路串電阻Rb的人為機(jī)械特性平行的一條直線，如圖所示。143144能耗制動的機(jī)械特性2.電樞反接制動電樞反接制動的電路，如圖所示，當(dāng)電動機(jī)工作在電動狀態(tài)下，以轉(zhuǎn)速n穩(wěn)定運行時，維持勵磁電流不變，即磁通Ф不變，突然改變外加電樞電壓的極性，即電樞電壓由正變負(fù)，與電樞電動勢Ea同向，這時作用在電樞電路的電壓（UN+Ea）≈2UN，電樞電流增大到

，與原來方向相反，數(shù)值很大，產(chǎn)生一個很大的電磁制動轉(zhuǎn)矩，使電動機(jī)很快停轉(zhuǎn)。因此必須在電樞反接的同時，在電樞電路串入制動電阻，以限制過大的制動電流。電樞反接制動的機(jī)械特性，如圖所示。145146電樞反接制動的電路圖電樞反接制動的機(jī)械特性電樞反接制動的過程如下：在制動前電動機(jī)運行在固有機(jī)械特性曲線上的A點。當(dāng)串入電阻并將電樞電源反接瞬間，電動機(jī)過渡到電樞反接的人為機(jī)械特性曲線上的B點。電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)橹苿愚D(zhuǎn)矩，開始反接制動，使電動機(jī)沿電樞反接的機(jī)械特性曲線減速。如果電動機(jī)在n=0時（D點）不立即切斷電源，電動機(jī)很可能會反向啟動，加速到C點。為了防止電動機(jī)反轉(zhuǎn)，在制動到快停車時，應(yīng)切斷電源，并使用機(jī)械制動器將電動機(jī)止住。147為了限制電樞制動剛開始時的大電流，在電樞電路中應(yīng)串入制動電阻，電阻大小的選擇應(yīng)使反接制動時電樞電流不超過額定電流的2~2.5倍，即：電樞反接制動時，電動機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)運行，電源供給的電能和驅(qū)動系統(tǒng)動能轉(zhuǎn)換出來的電能全部消耗在電樞回路的電阻Ra+Ra上。因此，電樞反接制動時，能量消耗很多。電樞反接制動適用于要求迅速反轉(zhuǎn)的場合。1483.倒拉反接制動當(dāng)直流電動機(jī)驅(qū)動位勢負(fù)載，電樞串入大電阻時，電動機(jī)會被外力驅(qū)動向著與它接線應(yīng)有的旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)，這時電動機(jī)便工作在倒拉反接制動狀態(tài)。例如，驅(qū)動起重裝置的直流電動機(jī)，當(dāng)電樞回路不串電阻時，電動機(jī)正向旋轉(zhuǎn)提升負(fù)載，電動機(jī)穩(wěn)定運行于固有機(jī)械特性曲線上的A點，如圖所示。149150倒拉反接制動的機(jī)械特性曲線若將大電阻Rb串聯(lián)到電樞電路中，使電樞電流大大減小，電動機(jī)便轉(zhuǎn)到對應(yīng)于該電阻的人為機(jī)械特性曲線上的B點。由于這時電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速下降，轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)矩沿該電阻的人為機(jī)械特性曲線箭頭所示方向變化。當(dāng)轉(zhuǎn)速降至零時，如電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩仍小于負(fù)載轉(zhuǎn)矩，則在位勢負(fù)載轉(zhuǎn)矩作用下，將電動機(jī)倒拉而開始反轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)方向變?yōu)橄路胖匚锏姆较颉?51在此情況下，電動機(jī)的電動勢方向也隨之改變，與電源電壓方向相同。由于電樞電流方向未變，因此電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向也不變，但因旋轉(zhuǎn)方向已改變，所以電磁轉(zhuǎn)矩便成為阻礙反向運動的制動轉(zhuǎn)矩，當(dāng)T=TL時，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速最終穩(wěn)定運行在C點。電樞回路串入的電阻越大，下放重物的速度越快，圖中C′點的速度大于C點的速度。152倒拉反接制動時，直流電源仍然向電機(jī)供給電能，而下放重物的勢能也變?yōu)殡娔?，這兩部分電能都消耗在電樞電阻Ra和制動電阻Rb上。由此可知，倒拉反接制動在電能利用方面很不經(jīng)濟(jì)。從上圖所示的機(jī)械特性曲線上可以看出，電動機(jī)是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)，是提升重物還是下放重物，完全取決于電樞回路電阻的大小，電阻大小合適時，可以讓重物懸在空中。倒拉反接制動一般用于慢速下放重物的場合。1534.回饋制動回饋制動又稱再生制動或發(fā)電制動。電動機(jī)在運行過程中，由于某種客觀原因，負(fù)載轉(zhuǎn)矩由制動性質(zhì)變成驅(qū)動性質(zhì)，使電動機(jī)轉(zhuǎn)速n高于理想空載轉(zhuǎn)速n0，如電車下坡、起重機(jī)下放重物等情況，勢能轉(zhuǎn)換所得的動能使電動機(jī)加速，電動機(jī)就處于發(fā)電狀態(tài)，并對電氣傳動系統(tǒng)的運動機(jī)構(gòu)起制動作用。154回饋制動的機(jī)械特性回饋制動一般不串電阻，因為如果串入電阻，電動機(jī)的轉(zhuǎn)速會升得更高，工作于B′點。回饋制動的最低轉(zhuǎn)速已經(jīng)n>n0，再升高轉(zhuǎn)速的話，系統(tǒng)的安全、力學(xué)強(qiáng)度、換向等方面是不允許的。不串電阻，沒有電阻上的能量損耗，可使盡可能多的電能回饋電網(wǎng)，所以從節(jié)能的角度看，回饋制動是最經(jīng)濟(jì)的。但是回饋制動的工作轉(zhuǎn)速必須大于理想空載轉(zhuǎn)速，因此使用場合受到限制。回饋制動一般用于電車下坡或起重機(jī)快速下放重物的場合。155任務(wù)5直流電動機(jī)的使用和維護(hù)156學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解直流電動機(jī)啟動前的準(zhǔn)備工作和啟動、運行時的注意事項。2.熟悉直流電動機(jī)的定期檢修內(nèi)容和注意事項。3.了解直流電動機(jī)的常見故障以及處理方法。157任務(wù)引入直流電動機(jī)經(jīng)常性的維護(hù)和監(jiān)視工作，是保證電動機(jī)正常運行的重要條件。除經(jīng)常保持電動機(jī)的清潔，使其不積塵土、油垢外，還必須注意監(jiān)視電動機(jī)運行中的換向火花、轉(zhuǎn)速、電流、溫升等的變化是否正常，因為直流電動機(jī)的故障都會反映在換向惡化和運行性能的異常變化上。做好直流電動機(jī)的維護(hù)及檢修工作，對提高生產(chǎn)效率、預(yù)防事故的發(fā)生具有非常重要的意義。作為一名電氣技術(shù)人員，必須學(xué)會正確使用直流電動機(jī)的操作方法，能夠?qū)χ绷麟妱訖C(jī)進(jìn)行定期維護(hù)，處理一些常見的故障。158相關(guān)知識一、直流電動機(jī)的使用1.直流電動機(jī)的啟動準(zhǔn)備直流電動機(jī)在安裝后投入運行前或長期擱置重新投入運行前，需做下列啟動準(zhǔn)備工作。（1）用壓縮空氣吹凈附著于電動機(jī)內(nèi)部的灰塵，對于新電動機(jī)應(yīng)去掉在風(fēng)窗處的包裝紙。檢查軸承潤滑脂是否潔凈、適量，潤滑脂以占軸承室空間的2/3為宜。（2）用柔軟、干燥、無絨毛的布塊擦拭換向器表面，并檢視其是否光潔，如有油污，則可蘸少許汽油擦拭干凈。159（3）檢查電刷壓力是否正常均勻，各電刷之間壓力差不超過10%，刷握的固定是否可靠，電刷在刷握內(nèi)是否太緊或太松，電刷與換向器的接觸是否良好。（4）檢查刷桿座上是否標(biāo)有電刷位置的記號。（5）用手轉(zhuǎn)動電樞，檢查是否阻塞或在轉(zhuǎn)動時是否有撞擊、摩擦聲。（6）檢查接地裝置是否良好。（7）用500V兆歐表測量繞組對機(jī)殼的絕緣電阻，如小于1MΩ則必須進(jìn)行干燥處理。（8）檢查電動機(jī)引出線與磁場變阻器、啟動器等連接是否正確，接觸是否良好。1602.直流電動機(jī)的啟動（1）檢查線路情況（包括電源、控制器、接線及測量儀表的連接等），檢查啟動器彈簧是否靈活，接觸是否良好。（2）在恒壓電源供電時，電動機(jī)需用啟動器啟動。閉合電源開關(guān)，在電動機(jī)負(fù)載下，轉(zhuǎn)動啟動器，在每個觸點上停留約2s，直至最后一點轉(zhuǎn)動臂被電磁鐵吸住為止。（3）在單獨可調(diào)電源供電時，先將勵磁繞組通電，并將電源電壓降低至最小，然后閉合電樞回路接觸器，逐漸升高電壓，直至額定值或所需轉(zhuǎn)速。161（4）電動機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械的聯(lián)軸器分別連接，輸入小于10%的額定電樞電壓，確定電動機(jī)與生產(chǎn)機(jī)械轉(zhuǎn)速方向是否一致，一致時表示接線正確。（5）電動機(jī)換向器端裝有測速發(fā)電機(jī)時，電動機(jī)啟動后，應(yīng)檢查測速發(fā)電機(jī)輸出特性，該極性與控制屏極性應(yīng)一致。（6）電動機(jī)啟動完畢后，應(yīng)觀察換向器上有無火花，火花等級是否超標(biāo)。1623.直流電動機(jī)的調(diào)速恒功率弱磁向上調(diào)速，可調(diào)節(jié)磁場調(diào)速器，直至轉(zhuǎn)速達(dá)到所需要的值，但不得超過技術(shù)條件所允許的最高轉(zhuǎn)速。恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載向下調(diào)速可以采用減壓調(diào)速或電樞回路串電阻調(diào)速。4.直流電動機(jī)的停機(jī)（1）如為變速電動機(jī)，先將轉(zhuǎn)速降到最低值。（2）去掉電動機(jī)負(fù)載（除串勵電動機(jī)外）后切斷電源開關(guān)。（3）切斷勵磁回路，勵磁繞組不允許在停車后長期通額定電流。163二、直流電動機(jī)的維護(hù)電動機(jī)在使用過程中定期進(jìn)行檢查時應(yīng)特別注意下列事項。1.電動機(jī)的清潔電動機(jī)周圍應(yīng)保持干燥，其內(nèi)外部均不應(yīng)放置其他物件。電動機(jī)的清潔工作每月不得少于一次，清潔時應(yīng)以壓縮空氣吹凈內(nèi)部的灰塵，特別是換向器、線圈連接線和引線部分。1642.換向器的保養(yǎng)（1）換向器應(yīng)是呈正圓柱形光潔的表面，不應(yīng)有機(jī)械損傷和燒焦的痕跡。（2）換向器在負(fù)載下經(jīng)長期無火花運轉(zhuǎn)后，在表面產(chǎn)生一層褐色有光澤的堅硬薄膜，這是正?，F(xiàn)象，它能避免換向器的磨損，這層薄膜必須加以保護(hù)，不能用砂布摩擦。165（3）若換向器表面出現(xiàn)粗糙、燒焦等現(xiàn)象，可用0號砂布在旋轉(zhuǎn)著的換向器表面進(jìn)行細(xì)致研磨。（4）換向器表面磨損很多，或經(jīng)車削后發(fā)現(xiàn)云母片有凸出現(xiàn)象，應(yīng)用銑刀將云母片銑成1~1.5mm的凹槽。（5）換向器車削或云母片下刻時，須防止銅屑、灰塵進(jìn)入電樞內(nèi)部，因而加工前要將電樞線圈端部及接頭片覆蓋，加工完畢用壓縮空氣清潔。1663.電刷的使用（1）電刷與換向器的工作面應(yīng)有良好的接觸，電刷壓力正常。電刷在刷握內(nèi)應(yīng)能滑動自如。電刷磨損或損壞時，應(yīng)用牌號及尺寸與原來相同的電刷替換，并用0號砂布進(jìn)行研磨。砂布面向電刷，背面緊貼換向器，研磨時隨換向器來回移動。（2）電刷研磨后用壓縮空氣清潔，再使電動機(jī)空載運轉(zhuǎn)，然后以輕負(fù)載（為額定負(fù)載的1/4~1/3）運轉(zhuǎn)1小時，使電刷在換向器上得到良好的接觸面（每塊電刷的接觸面積不小于其總面積的75%）。1674.軸承的保養(yǎng)（1）軸承在運轉(zhuǎn)時溫度太高或發(fā)出有害雜音時，說明可能有損壞或外物進(jìn)入，應(yīng)拆下軸承進(jìn)行清洗檢查。當(dāng)發(fā)現(xiàn)鋼珠或滑圈有裂紋，或軸承經(jīng)清洗后使用情況仍未改變，必須更換新軸承。軸承工作2000~2500小時后應(yīng)更換新的潤滑脂，即便工作時間不夠也要保證每年更換不少于一次。（2）軸承在運轉(zhuǎn)時須防止灰塵及潮氣進(jìn)入，并嚴(yán)禁對軸承內(nèi)圈和外圈造成任何沖擊。1685.絕緣電阻的檢查（1）應(yīng)當(dāng)經(jīng)常檢查電動機(jī)的絕緣電阻，如果絕緣電阻小于1MΩ，應(yīng)用汽油、甲苯或四氯化碳仔細(xì)清除絕緣表面的污物和灰塵，待其干燥后再涂絕緣漆。（2）必要時可采用熱空氣干燥法，用通風(fēng)機(jī)將熱空氣（80℃）送入電動機(jī)進(jìn)行干燥，開始時絕緣電阻降低，然后升高，最后趨于穩(wěn)定。6.通風(fēng)系統(tǒng)的檢查應(yīng)經(jīng)常檢查定子溫升，判斷通風(fēng)系統(tǒng)是否正常，風(fēng)量是否足夠，如果溫升超過允許值，應(yīng)立即停車檢查通風(fēng)系統(tǒng)。169三、直流電動機(jī)的常見故障及處理170直流電動機(jī)的常見故障及處理171直流電動機(jī)的常見故障及處理課題二變壓器的應(yīng)用172任務(wù)5變壓器的維護(hù)與故障分析處理任務(wù)4特種變壓器的應(yīng)用任務(wù)2單相變壓器的運行任務(wù)1認(rèn)識變壓器任務(wù)3三相變壓器的應(yīng)用任務(wù)1認(rèn)識變壓器174學(xué)習(xí)目標(biāo)1.了解變壓器的用途和分類。2.認(rèn)識變壓器的外形和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，熟悉各部件的作用。3.了解變壓器銘牌中型號和額定值的含義，掌握額定值的簡單計算。4.學(xué)會變壓器的檢測、接線和簡單操作使用。175學(xué)習(xí)目標(biāo)變壓器利用電磁感應(yīng)原理，可以將一種電壓等級的交流電變?yōu)橥l率的另一種電壓等級的交流電。變壓器廣泛應(yīng)用于各種交流電路中，與人們的生產(chǎn)生活密切相關(guān)。小型變壓器應(yīng)用于機(jī)床的安全照明和控制電路、各種電子產(chǎn)品的電源適配器、電子線路中的阻抗匹配等，其外形如圖所示。電力變壓器是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，起著高壓輸電、低壓供電的重要作用，電力變壓器的外形如圖所示。電氣自動化專業(yè)技術(shù)人員必須熟悉變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理和性能特點，掌握變壓器的檢測、接線和簡單操作使用。176177小型變壓器電力變壓器相關(guān)知識一、變壓器的用途變壓器的基本作用是在交流電路中變電壓、變電流、變阻抗、變相位和電氣隔離。工作中，需要用到各種不同的電源電壓。178例如，發(fā)電廠發(fā)出的電壓一般為6~10kV，在電能輸送過程中，為了減少線路損耗，通常要將電壓升高到110~500kV。圖所示為發(fā)電廠的升壓變壓器。而日常使用的單相交流電壓為220V，三相交流電壓為380V，這又需要通過變壓器將電網(wǎng)的高壓交流電降低到220/380V。圖所示為各用電單位的降壓變壓器。因此，變壓器是電力系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備，其容量遠(yuǎn)大于發(fā)電機(jī)的容量。圖所示是電力系統(tǒng)的輸配電流程示意圖，其中，G為發(fā)電機(jī)，T1為升壓變壓器，T2~T4為降壓變壓器。179180升壓變壓器降壓變壓器電力系統(tǒng)輸配電流程示意圖除了電力系統(tǒng)的變壓器外，電氣技術(shù)人員做試驗時，要用調(diào)壓變壓器，如圖所示。電解、電鍍行業(yè)需要變壓器來產(chǎn)生低壓大電流，如圖所示為整流變壓器。焊接金屬器件常用交流電焊機(jī)，如圖所示