第六章直流電機及拖動

普通電工學歡迎學習授課教師：王曉宇爐峪口煤礦機電部1第六章直流電動機及其拖動

直流電機是利用電磁感應原理實現直流電能和機械能相互轉換的電磁裝置，將直流電能轉換成機械能的電機稱為直流電動機，反之則稱為直流發(fā)電機。直流電動機具有調速范圍廣且平滑，起動、制動轉矩大，過載能力強，易于控制的優(yōu)點，常用于對調速要求較高的場合。2直流電機的用途：作電源用:直流發(fā)電機，將機械能轉化為直流電能；作動力用:直流電動機，將直流電能轉化為機械能；信號傳遞:直流測速發(fā)電機，將機械信號轉換為電信號；直流伺服電動機，將控制信號轉換為機械信號；作勵磁機用:一般小于10萬KW的單機同步發(fā)電機要用直流發(fā)電機作為勵磁機。

3直流發(fā)電機電勢波形較好，對電磁干擾影響小。直流電動機的調速范圍寬廣，調速特性平滑。直流電動機過載能力較強，起動和制動轉矩較大。存在換向器，制造復雜，價格較高。直流電機的優(yōu)缺點4第六章直流電動機及其拖動第一節(jié)直流電動機的工作原理及結構一、直流電機的工作原理（一）直流電動機的工作原理載流導體在磁場中受到的力B

—磁場的磁感應強度(Wb/m2)i

—導體中的電流(A)l

—導體的有效長度(m)5當線圈ax中通入直流電流時，線圈邊a和x上均受到電磁力，根據左手定則確定力的方向。這一對電磁力形成了作用于電樞的電磁轉矩。6安裝換向器以后，將直流電壓加于電刷端，直流電流經電刷流過電樞上的線圈，則產生電磁轉矩，電樞在電磁轉矩的作用下就旋轉起來。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，使得線圈邊只要處在N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向；而在S極下時，總是從電刷B流出的方向。就使電動機能夠連續(xù)地旋轉。7（二）直流發(fā)電機的工作原理用原動機拖動電樞逆時針方向恒速轉動，線圈邊ab和cd就分別切割不同極性磁極下的磁場，線圈中產生了交變的電動勢。由于換向器配合電刷對電流的換向作用，在電刷A、B端的電動勢卻是直流電動勢。8

一臺直流電機:作為電動機運行——在直流電機的兩電刷端上加上直流電壓，電樞旋轉，拖動生產機械旋轉，輸出機械能；作為發(fā)動機運行——用原動機拖動直流電機的電樞，電刷端引出直流電動勢，作為直流電源，輸出電能。9（三）結論（1）直流電機線圈內電流是交變的，原理為：電動機，左手定則，皮薩定律，發(fā)電機，右手定則，電磁感應定律,（2）換向器作用是變流：電動機，外輸入直流——內變交流發(fā)電機，內是交流——外輸出直流（3）直流電機可作發(fā)電機——輸入機械能輸出電能，也可作電動機——輸入電能輸出機械能。(可逆原理)10二、直流電機的結構直流電機的主要結構主磁極換向磁極電刷裝置機座端蓋定子轉子電樞鐵心電樞繞組換向器轉軸軸承11二、直流電機的結構直流電機剖面圖1—換向器2—電刷裝置3—機座4—主磁極5—換向極6—端蓋7—風扇8—電樞繞組9—電樞鐵心1213直流電機結構簡圖電刷電樞繞組主磁極換向器14（一）直流電機的靜止部分1、主磁極1—主磁極鐵心2—勵磁繞組3—機座15（一）直流電機的靜止部分2、換向極1—換向極鐵心2—換向極繞組3、機座用來固定主磁極、換向極和端蓋；另外，又作為磁路的一部分。

164、電刷裝置1—刷握2—電刷3—壓緊彈簧4—銅絲辮（一）直流電機的靜止部分17（二）直流電機的轉動部分1、電樞鐵心a)—電樞鐵心沖片b)—電樞鐵心182、電樞繞組1—槽楔2—線圈絕緣3—導體4—層間絕緣5—槽絕緣6—槽底絕緣電樞槽內的絕緣由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成。（二）直流電機的轉動部分193、換向器由許多換向片組成，換向片之間用云母絕緣。1—換向片2—連接片（二）直流電機的轉動部分20三、直流電動機的銘牌直流電機的額定值：1、額定功率PN(kW)2、額定電壓UN(V)3、額定電流IN(A)4、額定轉速nN(r/min)5、額定勵磁電壓UfN(V)6、勵磁方式2122額定條件下電機所能提供的功率指電刷間輸出的額定電功率發(fā)電機指軸上輸出的機械功率電動機發(fā)電機：指輸出額定電壓；電動機：指輸入額定電壓。在額定工況下，電機出線端的平均電壓在額定電壓下，運行于額定功率時對應的電流23在額定電壓、額定電流下，運行于額定功率時對應的轉速對應于額定電壓、額定電流、額定轉速及額定功率時的勵磁電流指直流電機的勵磁線圈與電樞線圈的連接方式勵磁方式24四、直流電機的勵磁方式及磁場一、直流電機的勵磁方式1、他勵直流電機——由其它直流電源對勵磁繞組供電。2、并勵直流電機——勵磁繞組與電樞繞組并聯。3、串勵直流電機——勵磁繞組與電樞繞組串聯。4、復勵直流電機——兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組并聯，另一個與電樞繞組串聯。25二、直流電機的空載磁場直流電機的空載磁場是指電樞電流等于零或者很小時，由勵磁磁動勢單獨建立的磁場。四極直流電機空載磁場直流電機中，主磁通是主要的，它能在電樞繞組中感應電動勢或產生電磁轉矩，而漏磁通沒有這個作用，它只是增加主磁極磁路的飽和程度。在數量上，漏磁通比主磁通小得多。26氣隙中主磁場磁通密度分布

空載時，勵磁磁動勢主要消耗在氣隙上。如果不計鐵磁材料中的磁壓降，則在氣隙中各處所消耗的磁動勢均為勵磁磁動勢。在極靴下，氣隙小，氣隙中沿電樞表面上各點磁密較大；在極靴范圍外，氣隙增加很多，磁密顯著減小，至兩極間的幾何中性線處磁密為零。27電機磁化曲線直流電機的空載磁化特性

主磁通與勵磁磁動勢或勵磁電流的關系，稱為電機磁化曲線，如右圖所示。電機的磁化曲線和鐵磁材料B－H曲線很相似?？紤]到電機的運行性能和經濟性，直流電機額定運行磁通額定值的大小取在磁化曲線開始彎曲的地方,圖中的a點。a28第二節(jié)直流電動機的電力拖動

本節(jié)主要介紹電力拖動系統(tǒng)的運動方程、負載轉矩特性、直流電動機的機械特性、起動、調速、制動等方法和物理過程。6.2.1電力拖動系統(tǒng)的運動方程式：電力拖動系統(tǒng)運動方程式描述了系統(tǒng)的運動狀態(tài)，系統(tǒng)的運動狀態(tài)取決于作用在原動機轉軸上的各種轉矩。根據如圖給出的系統(tǒng)（忽略空載轉矩），可寫出拖動系統(tǒng)的運動方程式：其中為系統(tǒng)的慣性轉矩。一、運動方程式29運動方程的實用形式：系統(tǒng)旋轉運動的三種狀態(tài)1)當或時,系統(tǒng)處于靜止或恒轉速運行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。2)當或時,系統(tǒng)處于加速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。3)當或時,系統(tǒng)處于減速運行狀態(tài)，即處于動態(tài)。30首先確定電動機處于電動狀態(tài)時的旋轉方向為轉速的正方向，然后規(guī)定：二、運動方程式中轉矩正、負號的規(guī)定（1）電磁轉矩與轉速的正方向相同時為正，相反時為負。（2）負載轉矩與轉速的正方向相同時為負，相反時為正。（3）慣性轉矩的大小和正負號由和的代數和決定。316.2.2負載的轉矩特性一、恒轉矩負載特性負載的轉矩特性，就是負載的機械特性，簡稱負載特性。恒轉矩負載特性是指生產機械的負載轉矩與轉速無關的特性。分反抗性恒轉矩負載和位能性恒轉矩負載兩種。1.反抗性恒轉矩負載TLn2.位能性恒轉矩負載TLn32二、恒功率負載特性恒功率負載特點是：負載轉矩與轉速的乘積為一常數，即與成反比，特性曲線為一條雙曲線。TLn三、泵與風機類負載特性負載的轉矩基本上與轉速的平方成正比。負載特性為一條拋物線。TLn12TL0336.2.3他勵直流電動機的機械特性一、機械特性的表達式直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動機處于穩(wěn)態(tài)運行時，電動機的轉速與電磁轉矩之間的關系：由電機的電路原理圖可得機械特性的表達式：稱為理想空載轉速。實際空載轉速34二、固有機械特性和人為機械特性（一）固有機械特性當時的機械特性稱為固有機械特性：由于電樞電阻很小，特性曲線斜率很小，所以固有機械特性是硬特性。當T=TN時，n=nN，此點為電動機額定工作點，轉速差Δn=n0-nN，為額定轉速差。當n=0時，即電動機起動時，電磁轉矩Tem=Ts，稱為起動轉矩。351、電樞串電阻時的人為機械特性

保持不變,只在電樞回路中串入電阻的人為特性特點：1）不變，變大；2）越大，特性越軟。（二）人為機械特性當改變或或得到的機械特性稱為人為機械特性。故電樞串電阻的人為機械特性是通過理想空載點的一簇放射性直線。362、降低電樞電壓時的人為機械特性

保持不變，只改變電樞電壓時的人為特性：特點：1)

隨變化,不變;2)不同,曲線是一組平行線。

因此降低電樞電壓時的人為機械特性曲線是一組平行于固有機械特性的直線。373、減弱勵磁磁通時的人為特性

保持不變，只改變勵磁回路調節(jié)電阻的人為特性：特點：1）弱磁，

增大；2）弱磁，增大注：他勵直流電動機起動和運行過程中，絕不允許勵磁回路斷開。386.2.4他勵直流電動機的起動電動機的起動是指電動機接通電源后，由靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。起動瞬間，起動轉矩和起動電流分別為為了限制起動電流，他勵直流電動機通常采用電樞回路串電阻或降低電樞電壓起動。起動時由于轉速，電樞電動勢，而且電樞電阻很小，所以起動電流將達很大值。過大的起動電流將引起電網電壓下降、影響電網上其它用戶的正常用電、使電動機的換向惡化；同時過大的沖擊轉矩會損壞電樞繞組和傳動機構。一般直流電動機不允許直接起動。39（一）起動過程一、電樞回路串電阻起動三級電阻起動時電動機的電路原理圖和機械特性為40（二）分組起動電阻的計算

設對應轉速n1、n2、n3時電勢分別為Ea1、Ea2、Ea3，則有：b點c點d點e點f點g點比較以上各式得：

在已知起動電流比β和電樞電阻Ra前提下，經推導可得各級串聯電阻為:41（6）計算各級起動電阻。（1）估算或查出電樞電阻；（2）根據過載倍數選取最大轉矩對應的最大電流；（3）選取起動級數；（4）計算起動電流比：取整數（5）計算轉矩:，校驗：如果不滿足，應另選或值并重新計算，直到滿足該條件為止。計算各級起動電阻的步驟：42降壓起動當直流電源電壓可調時，可采用降壓方法起動。起動時，以較低的電源電壓起動電動機，起動電流隨電源電壓的降低而正比減小。隨著電動機轉速的上升，反電動勢逐漸增大，再逐漸提高電源電壓，使起動電流和起動轉矩保持在一定的數值上，保證按需要的加速度升速。降壓起動需專用電源，設備投資較大，但它起動平穩(wěn)，起動過程能量損耗小，因此得到廣泛應用。436.2.5他勵直流電動機的制動一、概述1、制動的目的：1）使電動機減速或停車。2）限制電動機轉速的升高。（如電車下坡）2、制動的方式：1）機械（抱閘）制動：利用電磁或電磁液壓驅動裝置，使閘瓦抱緊或松開制動盤（得電松閘、失電抱閘）442）電磁制動：當電磁轉矩Tem

與n的方向相同時，電磁轉矩為驅動轉矩，電機運行于電動狀態(tài)，當Tem

與n方向相反時，電磁轉矩為制動轉矩，電機運行于電磁制動狀態(tài)（本質）。能耗制動反接制動回饋（再生）制動注：機械制動具有快速、準確的優(yōu)點，但是對于高速、慣性大的設備，機械沖擊比較大；電磁制動則具有制動相對平穩(wěn)、制動轉矩容易控制的特點。很多情況下采用機械制動結合電磁制動的方法來進行制動，即先通過電磁制動將電機轉速降到一個比較低的速度（接近零速），然后再機械抱閘制動，這樣既避免了機械沖擊又有比較好的制動效果。45能耗制動在電動狀態(tài)（開關S打到電源上），電樞電流、電樞電動勢、轉速及驅動性質的電磁轉矩如圖實線箭頭所示。制動時將開關S打到制動電阻RB上，由于慣性，電樞保持原來方向繼續(xù)旋轉，電動勢Ea方向不變。由Ea產生的電樞電流IaB的方向與電動狀態(tài)時Ia的方向相反,對應的電磁轉矩TemB與Tem方向相反,為制動性質,電機處于能耗制動狀態(tài)。電動制動P1=UIa=0P2=T2Ω=TemΩ<0（忽略空載轉矩）能耗制動運行時，電動機靠將生產機械的機械能轉換成電能，消耗在制動電阻上。46能耗制動時的機械特性方程為：電動機狀態(tài)工作點制動瞬間工作點制動過程工作段電動機拖動反抗性負載，電機停轉。若電動機帶位能性負載,穩(wěn)定工作點47

但制動電阻越小，制動電流越大。選擇制動電阻的原則是能耗制動操作簡單,制動平穩(wěn),隨著電機轉速的減小,制動轉矩也不斷減小,制動效果變差。若為了盡快停轉電機,可在轉速下降到一定程度時,切除一部分制動電阻,增大制動轉矩。

改變制動電阻的大小可以改變能耗制動特性曲線的斜率,從而可以改變制動轉矩及下放負載的穩(wěn)定速度。越小,特性曲線的斜率越小,起始制動轉矩越大,而下放負載的速度越小。即其中為制動瞬間的電樞電動勢。C’B’48反接制動電壓反接制動時接線如圖所示。1、電源反接制動電動制動開關S投向“電動”側時，電樞接正極電壓，電機處于電動狀態(tài)。反接制動時，將開關投向“制動”側，電樞回路串入制動電阻RB

后，接上極性相反的電源電壓，電樞回路內產生反向電流：反向的電樞電流產生反向的電磁轉矩，從而產生很強的制動作用——電源反接制動。49機械特性方程為：曲線如圖中所示。工作點變化為：。制動過程中,、、均為負，而、為正。,表明電機從電源吸收電功率；,表明電機從軸上吸收機械功率;可見,反接制動時,從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機械功率轉變成的電功率一起消耗在電樞回路制動電阻上。DE502、倒拉反轉反接制動倒拉反轉反接制動適用于低速下放重物。電樞回路串入較大電阻后特性曲線正向電動狀態(tài)提升重物(A點)負載作用下電機反向旋轉(下放重物)電機以穩(wěn)定的轉速下放重物D點制動時在電路串入一個大電阻。nT+-+-Ea+nT--Ea+51倒拉反轉反接制動時的機械特性方程就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性方程。由于串入電阻很大，有倒拉反轉反接制動時的機械特性曲線就是電動狀態(tài)時電樞串電阻時的人為特性在第四象限的部分（CD段）。倒拉反轉反接制動時的能量關系和電壓反接制動時相同?？梢酝ㄟ^改變串入電阻值的大小來得到不同的下放速度。52回饋制動回饋制動時的機械特性方程與電動狀態(tài)時相同。電動狀態(tài)下運行的電動機，在某種條件下會出現n

>n0情況，此時Ea

>U，Ia反向，Tem

反向，由驅動變?yōu)橹苿印哪芰糠较蚩?，電機處于發(fā)電狀態(tài)——回饋制動狀態(tài)（

P1=UIa<0、P2=TemΩ<0

）。穩(wěn)定運行有兩種情況:1）正向回饋2）反向回饋當電車下坡時，運行轉速可能超過理想空載轉速,進入第二象限電壓反接制動帶位能性負載進入第四象限53發(fā)生在調速過程中的回饋制動過程有以下兩種情況1、降壓調速時產生的回饋制動制動過程為段。2、增磁調速時產生的回饋制動制動過程為段?；仞佒苿訒r由于有功功率回饋到電網，因此與能耗和反接制動相比，回饋制動是比較經濟的。54一、調速指標：影響調速范圍的因素:1）最高轉速受電動機機械強度和換向等方面的制；2）最小轉速受相對穩(wěn)定性限制。

6.2.6他勵直流電動機的調速1、調速范圍:55

δ%越小，相對穩(wěn)定性越好；δ%與機械特性硬度和n0有關。

2ΔnN2nmin1nTΔnN1n0nNTN2、調速的穩(wěn)定性（相對穩(wěn)定性）：指負載變化時，轉速變化的程度，轉速變化小，穩(wěn)定性好。n0’ΔnN331）靜差率：

看出低速機械特性的靜差率大，穩(wěn)定性差。一般以系統(tǒng)的最低轉速時的靜差率為準。2）D與δ%的關系：D與δ%相互制約:δ越小,D越小,相對穩(wěn)定性越好;在保證一定的δ指標的前提下,要擴大D,須減少Δn,即提高機械特性的硬度。56

3、調速的平滑性

越接近1，平滑性越好，當時，稱為無級調速，即轉速可以連續(xù)調節(jié)。調速不連續(xù)時，級數有限，稱為有級調速。4、調速的經濟性

在一定的調速范圍內，調速的級數越多，調速越平滑。相鄰兩級轉速之比，為平滑系數：主要指調速設備的投資、運行效率及維修費用以及調速過程中的電能損耗等。

57二、機械調速：改變傳動機構速比進行調速的方法稱為機械調速；改變電動機參數進行調速的方法稱為電氣調速。三、電氣調速：

改變電動機的參數就是人為地改變電動機的機械特性，使工作點發(fā)生變化，轉速發(fā)生變化。調速前后，電動機工作在不同的機械特性上，如果機械特性不變，因負載變化而引起轉速的變化，則不能稱為調速。電氣調速方法：調壓調速；電樞串電阻調速；調磁調速。調速方法：58四、調速方法1、電樞回路串電阻調速nTemTLRan0nNA0A’Bn1Ra+Rs1未串電阻時的工作點串電阻Rs1后,工作點由A→A’→BB’CRa+Rs1+Rs21）原理：在電樞中串入電阻，n0不變，即電機的特性曲線變陡，使n、在相同力矩下，n。592）電樞電流和轉速在調速過程中的變化曲線調速過程電流變化曲線調速前、后電流不變調速過程轉速變化曲線tt=0n1nNIaNianian結論：帶恒轉矩負載時,串電阻越大,轉速越低。603）特點：（1）串電阻后，轉速只能降低。（3）串入電阻后機械特性變軟，靜差率變大,所以轉速的相對穩(wěn)定性差；（4）輕載時調速范圍小，額定負載時調速范圍為D=1-3受到限制。）（5）電阻上的功率損耗較大，效率低，不經濟。（6）調速方法簡單，設備投資少。（2）由于電阻只能分段調節(jié)，所以調速的平滑性差；4）適應場合：這種調速方法適用于調速性能要求不高的中小型電機。612、降低電源電壓調速TemTLAA’B調速壓前工作點A降壓瞬間工作點穩(wěn)定后工作點

降壓調速過程與電樞串電阻調速過程相似，調速過程中轉速和電樞電流（或轉矩）隨時間變化的曲線也相似。1）原理:由機械特性方程知：調電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調速特性是一組平行曲線。62（2）電源電壓能平滑調節(jié)，調速平滑性好，可實現無級調速。（3）調速前后的機械特性的斜率不變，硬度較高，靜差率小，調速穩(wěn)定性好。（4）無論輕載還是滿載，調速范圍相同，可達D=2.5?12，較廣。

（5）降壓調速是通過減小輸入功率來降低轉速的，低速時，電能損耗較小，故調速經濟性好。（6）調壓電源設備較復雜。

2）特點：（1）工作時電樞電壓一定，電壓調節(jié)時，不允許超過UN，而nU，所以調速只能向下調。633）適用場合：這種調速方法適用于對調速性能要求較高的設備，如造紙機、軋鋼機等。643、減弱磁通調速A’B調節(jié)磁場前工作點弱磁瞬間工作點A→A‘弱磁穩(wěn)定后的工作點1）原理：TemTLA65２）減弱磁通調速在調速過程中的變化曲線減弱磁通調速前、后轉速變化曲線減弱磁通前、后的電樞電流變化曲線tt=0n注意：磁場越弱，轉速越高。因此電機運行時勵磁回路不能開路。66３）特點：優(yōu)點：由于在電流較小的勵磁回路中進行調節(jié)，能量損耗小;控制方便，設備簡單;調速平滑性好,可以無級調速．

為了擴大調速范圍，通常把降壓和弱磁兩種調速方法結合起來，在額定轉速以上，采用弱磁調速，在額定轉速以下采用降壓調速。缺點：機械特性的斜率變大，特性變軟；受換向條件和機械強度的限制，轉速調高的幅度不大。一般D≤2．３）適應場合：弱磁調速只能在高于額定轉速的范圍內調節(jié)。67五、調速方式與負載類型的配合容許輸出：指電動機在某一轉速下長期可靠工作時所能輸出的最大轉矩和功率。充分利用：指在一定的轉速下電動機的實際輸出轉矩和功率達到它的容許值，即電樞電流達到額定值