電機與電氣控制技術 課件 （馮凱） 項目5 直流電動機控制電路安裝與調試

項目五直流電動機控制電路安裝與調試目錄任務一

直流電動機的認識與拆裝任務二

直流電動機的機械特性任務三

直流電動機控制電路的安裝與調試任務一直流電動機的認識與拆裝任務描述

在電機發(fā)展歷史上，直流電動機發(fā)明較早，它的電源是電池，后來才出現(xiàn)了交流電動機。當發(fā)明了三相交流電以后，交流電動機得到了迅速發(fā)展，但是直流電動機具有調速性能好，過載能力高、起動轉矩大和易于控制等特點，在工業(yè)領域里仍然有使用。目錄直流電動機的用途和分類直流電動機的結構直流電動機的原理直流電動機的銘牌直流電動機的用途由于直流電動機具有良好的起動和調速性能，常應用于對起動和調速有較高要求的場合，如大型可逆式軋鋼機、礦井卷揚機、賓館高速電梯、龍門刨床、電力機車、內燃機車、城市電車、地鐵列車、電動自行車、造紙和印刷機械、船舶機械、大型機密機床和大型起重機等。

（a）地鐵列車（b）龍門刨床

礦井卷揚機

造紙機

地鐵列車

龍門刨床1.他勵方式

直流電動機的分類-他勵方式他勵方式中，電樞繞組和勵磁繞組電路相互獨立，分別由兩個不同的電源供電，電樞電壓與勵磁電壓彼此無關，接線圖如下圖所示。他勵直流電動機具有較硬的機械特性，勵磁電流與轉子電流無關，不受轉子回路的影響。這種勵磁方式的直流電動機一般用于大型和精密直流電動機控制系統(tǒng)中。

勵磁方式是指勵磁繞組中勵磁電流獲得的方式。直流電機按照勵磁方式的不同可以分為他勵、并勵、串勵和復勵4種，其中復勵又分為短復勵和長復勵。直流電機采用不同的勵磁方式時，電機的運行性能差別很大。1.并勵方式

直流電動機的分類-自勵方式并勵方式中，電樞繞組和勵磁繞組由同一個電源供電，接線圖如下圖所示。并勵直流電動機的特性與他勵直流電動機的特性基本相同，但比他勵直流電動機節(jié)省了一個電源。中、小型直流電動機多為并勵。自勵方式又分為并勵方式、串勵方式和復勵方式。

2.串勵方式

直流電動機的分類-自勵方式串勵方式中，電樞繞組和勵磁繞組串聯(lián)，接線圖如下圖所示。串勵直流電動機具有很大的啟動轉矩，常用于啟動轉矩要求很大且轉速有較大變化的負載，如電瓶車、起貨機、起錨機、電車、電傳動機車等。但其機械特性很軟，空載時有極高的轉速，因此禁止其空載或輕載運行。3.復勵方式

直流電動機的分類-復勵方式復勵電動機的勵磁繞組分為兩部分，一部分與電樞繞組并聯(lián)，是主要部分；另一部分與電樞繞組串聯(lián)，接線圖如下圖所示。當兩部分勵磁繞組產生的磁通方向相同時，稱為積復勵，反之稱為差復勵。直流電動機若按結構形式分類，還可分為開啟式、防護式、封閉式和防爆式；按功率大小分類，可分為小型、中型和大型。

直流電動機的外觀圖直流電動機的結構直流電動機結構根據(jù)用途、環(huán)境等不同，種類多種多樣，下面通過一個普通小型直流電動機的例子做簡要分析，其裝配結構如下圖所示。

小型直流電機的裝配結構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-電樞鐵芯直流電動機的結構直流電機的結構是多種多樣的，這里我們不能詳細介紹，主要介紹一下它的主要結構。直流電動機主要由定子部分、轉子部分、氣隙、電刷裝置和風扇等零部件組成。圖1所示是一臺常用的小型直流電機縱剖面示意圖，圖2所示是一臺兩極直流電機橫剖面示意圖。

小型直流電機縱剖面示意圖兩級直流電機橫剖面示意圖

直流電動機的結構--定子部分

直流電動機的定子主要用于安放磁極和電刷，并作為機械支撐，它包括機座、主磁極、換向磁極、電刷裝置和端蓋等。1.主磁極直流電機主磁極的結構如圖所示。主磁極用來產生氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定波形沿空間分布。主磁極包括主磁極鐵芯和勵磁繞組。主磁極鐵芯由1～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。勵磁繞組用圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成，各磁極的勵磁繞組串聯(lián)連接成一路，以保證各主磁極勵磁繞組的電流相等。

主磁極的結構1-主磁極鐵芯；2-勵磁繞組；3-機座2.換向極

直流電動機的結構--定子部分換向極也稱為附加極，用于改善直流電機的換向性能。換向極由換向極鐵芯和換向極繞組組成。其鐵芯一般也用1～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。換向極繞組必須和電樞繞組相串聯(lián)，由于要通過的電樞電流較大，通常采用較粗的矩形截面導體繞制而成。換向極安裝在兩相鄰主磁極之間，其數(shù)目一般與主磁極數(shù)目相等。微型直流電動機一般不裝換向極；大多數(shù)電動機容量超過1KW的小型或中、大型直流電動機裝設換向極。3.機座

直流電動機的結構--定子部分直流電機的機座用來固定主磁極、換向極和端蓋等，并借助底腳將電機固定在基礎上。同時，直流電機的機座是磁極間的磁通路徑（稱為磁軛），用導磁性好、機械強度較高的鑄鋼或厚鋼板制成，不能采用鑄鐵。把套有勵磁繞組的主磁極用螺栓安裝在機座內側，有換向極的電機把換向極安裝在兩個主磁極之間。4.電刷裝置

直流電動機的結構--定子部分電刷裝置由電刷、刷握、壓緊彈簧和刷辮等組成，如圖所示。電刷放在刷握上的刷盒內，用彈簧將電刷壓緊與換向器表面緊密接觸，保證電樞轉動時電刷與換向器表面有良好的接觸。電刷裝置與換向器配合和靜止的外電路連通。1-刷握；2-電刷；3-壓緊彈簧；4-刷辮5.端蓋

直流電動機的結構--定子部分電動機中的端蓋主要起支撐作用。端蓋固定于機座上，其上放置軸承支撐直流電動機的轉軸，使直流電動機能夠旋轉。電刷與端蓋的連接安裝

直流電動機的結構--轉子部分

直流電動機的定子主要用于安放磁極和電刷，并作為機械支撐，它包括機座、主磁極、換向磁極、電刷裝置和端蓋等。1.主磁極直流電機主磁極的結構如圖所示。主磁極用來產生氣隙磁場，并使電樞表面的氣隙磁通密度按一定波形沿空間分布。主磁極包括主磁極鐵芯和勵磁繞組。主磁極鐵芯由1～1.5mm厚的低碳鋼薄板沖片疊壓而成。勵磁繞組用圓形或矩形純銅絕緣電磁線制成，各磁極的勵磁繞組串聯(lián)連接成一路，以保證各主磁極勵磁繞組的電流相等。

主磁極的結構1-主磁極鐵芯；2-勵磁繞組；3-機座

直流電動機的結構--定子部分直流電動機的轉子是電動機的轉動部分，又稱為電樞，由電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、電動機轉軸和軸承等部分組成。

1.電樞鐵芯電樞鐵芯主要用來嵌放電樞繞組和作為直流電動機磁路的一部分。鐵芯表面有均勻分布的齒和槽，槽中嵌放電樞繞組。由于轉子在定子主磁極產生的恒定磁場內旋轉，因此，電樞鐵芯內的磁通是交變的，為減少渦流和磁滯損耗，通常用兩面涂絕緣漆的0.5mm硅鋼片疊壓而成，沖片上有均勻分布的嵌放電樞繞組的槽和軸向通風孔。電樞沖片形狀2.電樞繞組

直流電動機的結構--轉子部分電樞繞組是產生感應電動勢和電磁轉矩，實現(xiàn)機電能量轉換的關鍵部件。容量較小的直流電機的電樞繞組用圓形電磁線繞制而成，而大多數(shù)直流電機的電樞繞組均用矩形絕緣導線繞制成定形線圈，然后嵌入電樞鐵芯的槽中。2.電樞繞組

直流電動機的結構--轉子部分在電動機中每一個線圈稱為一個元件，多個元件有規(guī)律地連接起來形成電樞繞組。繞制好的繞組或成型繞組放置在電樞鐵芯上的槽內，放置在鐵芯槽內的直線部分在電動機運轉時將產生感應電動勢，稱為元件的有效部分；在電樞槽兩端把有效部分連接起來的部分稱為端接部分，端接部分僅起連接作用，在電動機運行過程中不產生感應電動勢。為便于嵌線，每個元件的一個元件邊放在轉子鐵芯的某一個槽的上層（稱為上層邊），另一個元件邊則放在轉子鐵芯的另一個槽的下層（稱為下層邊），如圖所示。繪圖時為了清楚，將上層邊用實線表示，下層邊用虛線表示。繞組元件邊在槽中的位置2.電樞繞組

直流電動機的結構--轉子部分直流電動機轉子鐵芯上實際開出的槽叫實槽。直流電動機轉子繞組往往由較多的元件構成，但由于工藝等原因，轉子鐵芯開的槽數(shù)不能太多，通常在每個實槽內的上、下層并列嵌放若干個元件邊，如圖5-14所示。這樣把每個實槽劃分為μ個虛槽，而每個虛槽的上、下層有一個元件邊，這樣實槽數(shù)為Z，總虛槽數(shù)為Zi，則Zi=μZ。鐵芯與線圈之間以及上、下層線圈之間都必須妥善絕緣。為了防止電樞旋轉時離心力的作用，繞組在槽內部分用絕緣槽楔固定，而伸到槽外的端接部分則用非磁性鋼絲扎緊在支架上。

實槽與虛槽3.換向器

直流電動機的結構--轉子部分換向器又稱為整流子。在直流電動機中，換向器配以電刷，能將外加直流電流轉換為電樞線圈中的交變電流，使電磁轉矩的方向恒定不變。在直流發(fā)電機中，換向器配以電刷，能將電樞線圈中感應產生的交變電動勢轉換為正、負電刷上引出的直流電動勢。換向器是由許多換向片組成的圓柱體，換向片之間用云母片絕緣，換向器結構通常如圖所示，換向片的下部做成鴿尾形，兩端用鋼制V形套筒和V形云母環(huán)固定，再用螺母鎖緊。3.換向器

直流電動機的結構--轉子部分把換向器安裝在電樞轉軸上，把電樞繞組的引出線按規(guī)律焊接在換向片上。氣隙

直流電動機的結構--氣隙和轉軸轉軸在轉子旋轉時起支撐作用，需要有一定的機械強度和剛度，一般用圓鋼加工而成。為散去電機發(fā)出的熱量，還要在電樞轉軸上安裝風扇，下圖是一個完整的直流電機轉子。轉軸定、轉子之間的氣隙是主磁路的一部分，其大小直接影響運行性能。由于氣隙磁場由直流勵磁產生，因此，直流電機的氣隙要比異步電動機大得多，小型直流電機為1～3mm，大型直流電機可達12mm。

直流電動機的工作原理--轉動原理在直流電動機的轉子線圈上加上直流電源，借助于換向器和電刷的作用，轉子線圈中流過方向交變的電流，在定子產生的磁場中受電磁力，產生方向恒定不變的電磁轉矩，使轉子朝確定的方向連續(xù)旋轉，這就是直流電動機的轉動原理。以下圖模型為例，N和S是一對固定的磁極，磁極之間有一個可以轉動的線圈abcd，線圈的兩端分別接到相互絕緣的兩個稱為換向片的弧形銅片上，在換向片上放置固定不動而與換向片滑動接觸的電刷A和B，線圈abcd通過換向片和電刷接通外電路。

(a)時刻一

(b)時刻二

直流電動機的工作原理--轉動原理此模型作為直流電動機運行時，電源加于電刷A和B。例如將直流電源正極加于電刷A，電源負極加于電刷B，如圖（a）所示。線圈abcd中流過電流，在導體ab中，電流由a流向b；在導體cd中，電流由c流向d。導體ab和cd均處于N、S極之間的磁場當中，受電磁力作用，導體、換向片隨轉軸一起轉動，電磁力的方向即直流電動機轉向可用左手定則確定，經判定該轉向為逆時針。

(a)時刻一

(b)時刻二

直流電動機的工作原理--轉動原理線圈逆時針旋轉180°，導體cd轉到N極下，ab轉到s極下，如圖（b）所示。由于電流仍從電刷A流入，使cd中的電流變?yōu)橛蒬流向c，而ab中的電流由b流向a、從電刷B流出，用左手定則判斷，轉向仍是逆時針。即：電磁力方向或直流電動機的轉向可按左手定則判斷。電磁力式中，F(xiàn)—作用在線圈導體上的電磁力；B—線圈導體所在位置的磁感應強度；—線圈導體在磁場中的長度；L一線圈導體中的電流。

(a)時刻一

(b)時刻二

直流電動機的工作原理--可逆原理直流發(fā)電機和電動機工作原理模型的結構完全相同，但工作原理又不同。（1）直流發(fā)電機。當發(fā)電機帶負載以后，就有電流流過負載，同時也流過線圈，其方向與感應電動勢方向相同。根據(jù)電磁力定律，載流導體ab和cd在磁場中會受力的作用，形成的電磁轉矩方向為順時針方向，與轉速方向相反。這意味著，電磁轉矩阻礙發(fā)電機旋轉，是制動轉矩。為此，原動機必須用足夠大的拖動轉矩來克服電磁轉矩的制動作用，以維持發(fā)電機的穩(wěn)定運行。此時發(fā)電機從原動機中吸取機械能，轉換成電能向負載輸出。

直流電動機的工作原理--可逆原理（2）直流電動機。當電動機旋轉起來后，導體ab和cd切割磁力線，產生感應電動勢，用右手定則判斷出其方向與電流方向相反，這意味著，此電樞電動勢是一個反電動勢，它阻礙電流流入電動機。所以，直流電動機要正常工作，就必須施加直流電源以克服反電動勢的阻礙作用，把電流送入電動機。此時，電動機從直流電源中吸取電能，轉換成機械能輸出。所以，直流電動機要正常工作，就必須施加直流電源以克服反電動勢的阻礙作用，把電流送入電動機。此時，電動機從直流電源中吸取電能，轉換成機械能輸出。

直流電動機的銘牌直流電動機制造廠在每臺直流電動機機座的顯著位置釘有一塊標牌，這塊標牌就是直流電動機的銘牌，銘牌上標明了型號、額定數(shù)據(jù)等與直流電動機有關的一些信息，供用戶選擇和使用直流電動機時參考。1.型號直流電動機的型號一般用大寫印刷體的漢語拼音字母和阿拉伯數(shù)字表示。其中漢語拼音字母是根據(jù)直流電動機的全名稱選擇有代表意義的漢字，再從該字的拼音中得到。以Z2—72為例說明。Z2—72

電樞鐵芯長度代號，1號為短鐵芯，2號為長鐵芯機座號，共有12號，1號最小設計序號，表示第二次設計產品代號，Z表示直流電動機Z2—72

設計序號，表示第二次設計產品代號，Z表示直流電動機產品代號的含義為：Z系列，一般用途直流電動機，如Z2

、Z3

、Z4等系列；ZJ系列，精密機床用直流電動機；ZT系列，廣調速直流電動機；ZQ系列，牽引直流電動機；ZH系列，船用直流電動機；ZA系列，防爆安全型直流電動機；ZKJ系列，挖掘機用直流電動機；ZZJ系列，冶金起重機用直流電動機。

直流電動機的額定值額定值是電機生產企業(yè)按國家標準對電機產品在指定工作條件下（即額定工作條件）所規(guī)定的一些量值。1.額定功率

（KW）也稱額定容量。指電機額定狀態(tài)下運行時，電機的輸出功率。對于直流發(fā)電機，是指輸出的電功率，它等于額定電壓和額定電流的乘積。對于直流電動機，是指輸出的機械功率。2.額定電壓

（V）指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓。3.額定電流

（A）指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓。

直流電動機的額定值4.額定轉速（r/min）指額定狀態(tài)下運行時轉子的轉速。5.額定轉矩

（N·m）指直流電動機帶額定負載運行時，輸出的機械功率與轉子額定角速度的比值。6.額定效率指直流電動機帶額定負載運行時，輸出的機械功率與輸入的電功率之比。7.額定勵磁電流

（A）指直流電動機帶額定負載運行時，勵磁回路所允許的最大勵磁電流。直流電動機的銘牌上還標有勵磁方式、絕緣等級、防護等級、工作制、重量、出廠日期、出廠編號、生產單位等。謝謝觀賞任務二直流電動機的機械特性任務描述

直流電動機的電動勢、轉矩和功率對于直流電動機的運行起著重要的作用。本任務主要學習直流電動機的電動勢、轉矩、功率及機械特性，在學習的過程中需要重點掌握直流電動機的電動勢、轉矩、功率的意義和直流電動機的電動勢平衡方程、機械特性。目錄常見生產機械的負載轉矩特性直流電動機的機械特性常見生產機械的負載轉矩特性不同生產機械的負載轉矩隨著轉速變化的規(guī)律不同，對此，使用負載轉矩特性來表征，即生產機械的轉速與負載轉矩之間的關系。各種生產機械的負載轉矩特性大致可分為以下三類。

常見生產機械的負載轉矩特性恒轉矩負載恒功率負載通風機型負載1.恒轉矩負載特性

常見的生產機械的負載轉矩特性恒轉矩負載特性是指負載轉矩的大小為一個恒定值，也就是常數(shù)，與轉速大小無關，分為反抗性恒轉矩負載和位能性恒轉矩負載。反抗性恒轉矩負載的特性如圖所示，負載轉矩的大小不變，但負載轉矩的方向始終與生產機械運動的方向相反。例如，電車在平地行駛中所受的負載轉矩。1.恒轉矩負載特性

常見的生產機械的負載轉矩特性恒位能性恒轉矩負載的特性如圖所示，是指不論生產機械運動的方向是否發(fā)生變化，負載轉矩的大小和方向始終不變。例如，起重機、提升機等提升設備在工作中重物所產生的負載轉矩。2.恒功率負載特性

常見的生產機械的負載轉矩特性恒功率負載特性是指當轉速發(fā)生變化時，負載從電動機吸收的功率為恒定值，其負載特性曲線如圖所示。在不同的轉速下，負載轉矩基本上與轉速成反比，而機械功率為常數(shù)。例如，車床在切削金屬過程中，粗加工時，切削量大，用低速；精加工時，切削量小，用高速。3.通風機型負載特性

常見的生產機械的負載轉矩特性通風機型負載特性是指負載轉矩的大小與轉速n的平方成正比的生產機械，例如鼓風機、水泵和油泵等的葉片所受的阻轉矩，其負載特性曲線如圖所示。以上三類是典型的負載特性，但實際生產機械的負載特性常為集中類型負載的綜合。例如，起重設備提升重物時，電動機除受到位能性負載轉矩外，還要克服系統(tǒng)機械摩擦所造成的反抗性負載轉矩，所以電動機軸上的負載轉矩應是上述兩種負載轉矩之和。1.電樞電動勢

直流電動機的機械特性--參數(shù)式中，

—電動勢常數(shù)，僅與電動機的結構有關；

—氣隙每極磁通(Wb)；

—直流電動機的轉速(r/min)；

—電動機的電樞感應電動勢(V)。直流電動機的磁場是由主磁極產生的勵磁磁場和電樞繞組電流產生的電樞磁場合成的氣隙磁場。當轉子旋轉時，轉子導體切割氣隙合成磁場，產生轉子電動勢Ea，在直流電機中，此電動勢的方向與轉子電流

的方向相反，稱為反電動勢。此感應電動勢為：1.電樞電動勢

直流電動機的機械特性--參數(shù)可見，對于已經制造好的直流電動機，其感應電動勢大小正比于每極磁通和轉速n。感應電動勢的方向可由直流電動機轉向和主磁場方向決定。在直流電動機中轉子繞組產生的感應電動勢相當于反電動勢，與外電源電流方向相反。根據(jù)所設各量的正方向，對他勵、井勵直流電動機來說，電壓平衡方程為：

式中，

—電樞回路的總電阻，其中包括電刷和換向器之間的接觸電阻。2.直流電動機的功率

直流電動機的機械特性--參數(shù)是指輸出功率占輸入功率的百分比，即對于他勵、并勵直流電動機：

式中，

為電源給電動機提供的總功率，即輸入功率

，

為電源給電動機提供的輸入電流；

為勵磁回路內部消耗的功率，即勵磁回路的銅損耗，

為電樞回路的銅損耗。3.直流電動機的效率4.電磁轉矩

直流電動機的機械特性--參數(shù)式中，

—轉矩常數(shù)，僅與電動機的結構有關；

—氣隙每極磁通(Wb)；

—電樞電流(A)；

—電磁轉矩(N·m)。根據(jù)直流電動機的工作原理，由于電樞繞組中有電流流過，電樞電流與氣隙磁場相互作用將產生電磁力，從而對轉軸產生電磁轉矩。4.電磁轉矩

直流電動機的機械特性--參數(shù)電磁轉矩與轉子電動勢同時存在于同一臺直流電機中，轉子電動勢常數(shù)和轉矩常數(shù)存在以下的關系：可見，對于已經制造好的直流電動機，其電磁轉矩大小正比于每極磁通

和電樞電流

。電磁轉矩的方向由主磁極磁場方向和轉子電流方向決定，根據(jù)左手定則可以確定電磁轉矩的方向。在直流電動機中電磁轉矩的方向與直流電動機的轉向相同，起驅動作用。直流電動機的機械特性表示電動機運行狀態(tài)的兩個主要物理量是轉速和電磁轉矩，電動機的機械特性就是研究電動機的轉速n和電磁轉矩

之間的關系，即

。機械特性曲線可分為固有機械特性和人為機械特性。

1.他勵直流電動機的機械特性方程若他勵直流電動機的轉子回路的電阻為Ra，轉子電壓為U，磁通為

，則他勵直流電動機的機械特性方程為：

式中，

—理想空載轉速（r/min），

=

；Δn—轉速降，

；—機械特性的斜率。1.固有機械特性

他勵直流電動機的機械特性當轉子兩端加額定電壓、氣隙磁通為額定值、轉子回路不串電阻時的機械特性稱為固有機械特性。固有機械特性表達式為：固有機械特性曲線如圖所示。1.固有機械特性

他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機固有機械特性具有如下特點：1)隨著電磁轉矩

的增大，轉速

降低，其特性是略微下斜的直線。2)當

時，

為理想空載轉速，因為

是不可能為0的，電動機要旋轉起來，必須要克服一定的摩擦力，所以

是理想化的狀態(tài)。3)機械特性斜率的值很小，特性較平，習慣稱之為硬特性，若其值較大，則稱為軟特性。4)當

時，轉速

，此點為電動機的額定工作點。此時，轉速差

，稱為額定轉速差。一般

。5)當

，即電動機起動時，

，此時，電樞電流稱為起動電流，此時的電磁轉矩稱為起動轉矩，由于電樞電阻很小，起動電流和起動轉矩都比額定值大很多（可達額定值的幾十倍），這會給電機和傳動機構帶來危害。他勵直流電動機的機械特性一臺直流電動機只有一條固有機械特性，對于某一負載轉矩，只有一個固定的轉速，這顯然無法達到實際拖動對轉速變化的要求。為了滿足生產機械加工工藝，例如起動、調速和制動等各種工作狀態(tài)的要求，還需要人為地改變直流電動機的參數(shù)，如轉子電壓、轉子回路串電阻和氣隙磁通，相應地得到三種人為機械特性。他勵直流電動機的機械特性1.轉子回路串電阻的人為機械特性轉子加額定電壓，每極磁通為額定值，轉子回路串入電阻

后的人為機械特性表達式為

轉子串入不同電阻時的人為機械特性曲線如圖所示。這種人為機械特性的特點：理想空載轉速不變；特性斜率與轉子回路串入的電阻有關，電阻越大，斜率越大。故轉子回路串電阻的人為機械特性曲線是一組通過理想空載轉速點的放射性直線。他勵直流電動機的機械特性2.改變轉子電壓的人為機械特性保持每極磁通額定值不變，轉子回路不串電阻，只改變轉子電壓大小和方向，其人為機械特性表達式為

改變轉子電壓的人為機械特性曲線如圖所示。改變轉子電壓的人為機械特性的特點：理想空載轉速與轉子電壓成正比，且為負值時，也為負值；特性斜率不變，與固有機械特性相同。因此改變轉子電壓的人為機械特性是一組平行于固有機械特性的直線。他勵直流電動機的機械特性3.減弱磁通時的人為機械特性減弱磁通的人為機械特性是指轉子電壓為額定值不變，回路不串電阻，僅減弱磁通的人為機械特性。減弱磁通是通過減小勵磁電流（如增大勵磁回路的調節(jié)電阻）來實現(xiàn)的。其人為機械特性方程為：減弱磁通人為機械特性曲線如圖所示。減弱磁通人為機械特性的特點：理想空載轉速隨磁通的減弱而上升；減弱磁通，機械特性變軟；對于一般直流電動機，當

時，磁路已經飽和，再要增加磁通已不容易，所以人為機械特性一般只能在額定值的基礎上減弱磁通。謝謝觀賞任務三直流電動機控制電路的安裝與調試任務描述

在電力拖動系統(tǒng)中，電動機是原動機，作為主要的拖動設備。直流電動機的起動、調速與制動特性是衡量電動機運行性能的重要性能指標。本次任務以他勵直流電動機的控制電路為例，分析直流電動機的起動、調速和制動過程中電流和轉矩的變化規(guī)律，從而掌握直流電動機的控制電路安裝與調試方法。目錄直流電動機的啟動直流電動機的反轉直流電動機的調速直流電動機的制動直流電動機的啟動直流電動機的起動是指轉子從靜止狀態(tài)加速到穩(wěn)定運行狀態(tài)的過程。為了使直流電動機在起動過程中達到最佳狀態(tài)，應注意以下幾點要求（要求同三相異步電動機）：為了提高生產率，盡量縮短起動時間，首先要求直流電動機有足夠大的起動轉矩。從

可知，要使轉矩足夠大，要求磁通和起動時的轉子電流足夠大，因此在起動時，應將勵磁電路中外接的勵磁調節(jié)電阻全部切除，使勵磁電流達到最大值，保證磁通最大，但是如果起動電流過大，會使電網電壓波動，造成換向惡化，甚至產生環(huán)火損壞電機；起動轉矩過大也容易損壞直流電動機的傳動機構，因此一般控制起動電流

,因而，

這樣整個系統(tǒng)才能順利起動。

直流電動機的啟動對于他勵式直流電動機，為了避免起動電流過大，可采用轉子回路串電阻和降低電源電壓起動兩種方法。

1.轉子回路串電阻起動轉子回路串電阻起動就是在轉子回路中串接附加電阻起動，起動結束后再將附加電阻切除。為了限制起動電流，起動時在轉子回路內串入的起動電阻一般是一個多級切換的可變電阻，如圖所示。一般在轉速上升過程中逐級短接切除。下面以三級電阻啟動為例說明起動過程。直流電動機的啟動1.轉子回路串電阻起動起動開始瞬間，串入全部起動電阻，使起動電流不超過允許值：式中，

為轉子回路總電阻。

直流電動機的啟動1.轉子回路串電阻起動起動過程的機械特性如圖所示。起動過程是工作點由起始點a沿轉子總電阻為

的人為機械特性上升，轉子電動勢隨之增大，而轉子電流和電磁轉矩隨之減小至圖中b點，起動電流和起動轉矩下降至

和

，因

與

之差已經很小，加速已經很慢。為加速起動過程，應切除第一段起動電阻，此時電流稱為切換電流。切換后，轉子回路總電阻變?yōu)?/p>

。由于機械慣性的影響，電阻切換瞬間直流電動機轉速和反電動勢不能突變，轉子回路總電阻減小，將使起動電流和起動轉矩突增，拖動系統(tǒng)的工作點由b點過渡到轉子總電阻為

的特性曲線的c點，再依次切除起動電阻

和

，直流電動機工作點最后穩(wěn)定運行在h點，直流電動機起動結束。

直流電動機的啟動1.轉子回路串電阻起動

這種起動方法廣泛應用于中、小型直流電動機。技術標準規(guī)定，額定功率小于2kW的直流電動機，允許采用一級啟動電阻啟動，功率大于2kW的，應采用多級電阻啟動或降低轉子電壓啟動。2.降低電源電壓起動

降低轉子電壓起動，即起動前先調好勵磁，將施加在直流電動機轉子兩端的電壓降低，最低電壓所對應的人為特性上的啟動轉矩

時，直流電動機就開始起動。直流電動機起動后，再逐漸提高轉子電壓，使起動電磁轉矩維持在一定數(shù)值，保證直流電動機按需要的加速度升速，其接線原理圖和啟動工作特性如圖所示。直流電動機的啟動2.降低電源電壓起動

較早的降壓起動是采用直流發(fā)電機、直流電動機組(G-M)實現(xiàn)電壓調節(jié)，現(xiàn)已逐步被晶閘管可控整流電源所取代。降低轉子電壓起動，需要專用電源，投資較大，但起動電流小，起動轉矩容易控制，起動平穩(wěn)，起動能耗小，多用于要求經常起動的場合和中、大型直流電動機的起動。在手動調節(jié)轉子電壓時應注意不能升得太快，否則會產生較大的沖擊電流。在實際的拖動系統(tǒng)中，轉子電壓的升高是由自動控制環(huán)節(jié)自動調節(jié)的，它能保證電壓連續(xù)升高，并在整個起動過程中保持轉子電流為最大允許值，從而使系統(tǒng)在恒定的加速轉矩下迅速起動，是一種比較理想的起動方法。直流電動機的反轉

直流電機反轉即改變電磁轉矩的方向，由電磁轉矩公式（

）可知，欲改變電磁轉矩，只需改變勵磁磁通方向或電樞電流方向即可。所以，改變直流電動機轉向的方法有兩個：（1）保持電樞繞組兩端極性不變，將勵磁繞組反接。（2）保持勵磁繞組兩端極性不變，將電樞繞組反接。直流電動機的調速許多生產機械的運行速度，隨其具體工作情況不同而不同。例如，龍門刨床刨切時，道具切入和切出工件用較低的速度，而工作臺返回時用高速。也就是說，人為地改變電動機的速度以滿足生產工藝要求的操作過程，簡稱為調速。調速中通常有機械調速和電氣調速兩種，在電動機轉速不變情況下，改變傳動機械速度比的調速方法稱為機械調速。通過改變電動機參數(shù)而改變系統(tǒng)運行轉速的調速方法稱為電氣調速。在這里只介紹電氣調速的相關方法。

直流電動機的調速--調速指標1.調速范圍調速范圍是指電動機在額定負載轉矩

時，其最高轉速與最低轉速之比，用

表示，

時，

如車床要求20-100，龍門刨床要求10-140，軋鋼機要求3-120。2.靜差率又稱相對穩(wěn)定性，指電動機在某機械特性上運轉時，由理想空載至滿載時的轉速差與理想空載轉速的百分比，即：

越小，相對穩(wěn)定性越好；

與機械特性硬度和

有關。

與

相互制約，

越小，

越小，相對穩(wěn)定性越好；在保證一定

的指標的前提下，要擴大

，須減少轉速降，即提高機械特性的硬度。直流電動機的調速--調速指標3.速度的平滑性在一定的調速范圍內，調速的級數(shù)越多，調速越平滑。高一級轉速與低一級轉速之比稱為調速的平滑性，平滑系數(shù)為：

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(shù)有限，稱為有級調速。4.調速的經濟性主要指調速設備的投資、運行效率及維修費用等。5.調速時電動機的容許輸出是指電動機得到充分利用的情況下，在調速過程中所能輸出的功率和轉矩。直流電動機的調速根據(jù)直流電動機的轉速公式

可知，當電樞電流

不變時，只要電樞電壓

、電樞回路串入附加電阻

和勵磁磁通

三個量中，任一個發(fā)生變化，都會引起轉速變化。因此，他勵直流電動機有3種調速方法，改變電樞端電壓調速（降壓調速）、改變串入電樞回路的電阻調速（串電阻調速）和改變勵磁電流調速（弱磁調速）。

1.電樞回路串電阻調速電樞回路串入調節(jié)電阻后，新的機械特性變軟，即速度下降。此外，調速前后負載轉矩不變（設為恒轉矩負載），因此，調速前后的電樞電流值亦保持不變，這也是串電阻調速的特點。1.電樞回路串電阻調速

直流電動機的調速

他勵直流電機拖動負載運行時，保持電源電壓及磁通為額定值不變，在電樞回路中串入不同的電阻時，電動機運行于不同的轉速。如圖所示，負載是恒轉矩負載。比如，原來沒有串入電阻時，工作點為A，轉速為

，當電樞回路串入電阻Rsp1的瞬間，因轉速和電動勢不能突變，電樞電流相應的減小，工作點由A點過渡到

點。此時，

，系統(tǒng)應減速，工作點

沿串入電阻后的新的機械特性下移，轉速也隨著下降，直至穩(wěn)定工作在B點。電樞回路串入的電阻若加大為Rsp2，工作點會穩(wěn)定工作在C點上（過渡過程與上述分析類似）。1.電樞回路串電阻調速

直流電動機的調速

從以上的分析可知，轉子回路串電阻調速時，串電阻越大，穩(wěn)定運行轉速越低，此方法只能在低于額定轉速范圍內調速，一般稱為由基速（額定轉速）向下調速。而且這種多級電阻調速的方法不能實現(xiàn)連續(xù)調節(jié)，所以這種方法主要用于對調速性能要求不高，且不經常調速的設備上，比如起重機、運輸牽引機等。2.降壓調速

直流電動機的調速

電動機的工作電壓不允許超過額定電壓，因此電樞電壓只能在額定電壓以下進行調節(jié)。降壓調速過程如圖所示。設電動機拖動恒轉矩負載

在固有特性上A點運行，其轉速為

。若電源電壓

下降到

，達到新的穩(wěn)態(tài)后，工作點將移到對應人為特性曲線上的B點，其轉速下降為

。從圖中可以看出，電壓越低，穩(wěn)態(tài)轉速也越低。改變電源電壓調速方法的調速范圍也只能在額定轉速與零轉速之間。2.降壓調速

直流電動機的調速

降壓調速的優(yōu)點是：當電樞電源電壓連續(xù)調節(jié)時，轉速變化也是連續(xù)的，故這種調節(jié)為無級調速；調速前后機械特性的斜率不變，機械特性硬度較高，負載變化時，速度穩(wěn)定性好；無論輕載還是重載，調速范圍相同，一般可達；降壓調速是通過減小輸入功率來降低轉速的，故調速時損耗減小，調速經濟性好。降壓調速的缺點是：需要一套電壓可連續(xù)調節(jié)的直流電源，如晶閘管一電動機（簡稱SCR-M系統(tǒng)）。降壓調速多用在對調速性能要求較高的生產機械上，如機床、造紙機等。3.弱磁調速

直流電動機的調速

保持他勵直流電動機轉子電壓不變，轉子回路電阻不變，減少直流電動機的勵磁磁通，可使直流電動機的轉速升高，這種方法稱為減弱主磁通調速。額定運行的電動機，其磁路已基本飽和，即使勵磁電流增加很多，磁通也增加很少，從電動機的性能考慮也不允許磁路過飽和。因此，改變磁通只能從額定值從下調。

減小主磁通調速的優(yōu)點是設備簡單，調節(jié)方便，運行效率高