1、26-1 直流电动机的基本方程电压平衡方程电压平衡方程以并励电动机为例，其稳态运行时的等效电路如图26-1所示。在直流电动机中，感应电动势与电枢电流方向相反，因此也称为反电动势。图26-1 并励直流电动机的等效电路电枢回路的电压方程为励磁回路的电压方程为电流方程为 2aaaaa asUEI rUEI R ffjffRIrrIUfaIII功率平衡方程功率平衡方程把电枢回路的电压方程两边都乘以 ，得考虑到 有 即 式中，是从电源输入的电功率，其它符号的含义与直流发电机相同。aI2aaaaaUIE II RfaUIUIUI2aaaafUIE II RUIppPPCufCuae1UIP 1从上式可以看
2、出，从电源吸收的功率，除了一小部分转换为电损耗外，大部分为电磁功率。电磁功率扣除铁心损耗、机械损耗和杂散损耗，剩下的才是电动机轴上输出的机械功率 ，即 综合以上两式，得到直流电动机的功率平衡方程式 图26-2直流电动机的功率图 FeadepppPP2CufCuaFeadpppppPP212P转矩平衡方程转矩平衡方程 方程 两边同除以机械角速度 ，得 即 其中：为电磁转矩，为输出转矩，为由机械损耗、铁心损耗和杂散损耗引起的制动转矩。FeadepppPP220eTTTFeadepppPP2eePT 22PTFeadpppT0直流电动机的运行特性主要包括转速特性、转矩特性、转速转矩特性（即机械特性）
3、、效率特性，它们与励磁方式直接相关。由于直流电动机的效率特性与直流发电机类似，此处不再论述。他励直流电动机的运行特性并励直流电动机的运行特性 串励直流电动机的运行特性 复励直流电动机的运行特性26-2 直流电动机的运行特性转速特性转速特性 他励直流电动机的转速特性转速特性是指外加电压和励磁电流为额定值时，电动机的转速 与电枢电流 之间的关系 。由 和 可得：当电枢电流 增加时，若气隙磁通 不变，则转速 将随 的增加而线性下降。由于电枢绕组电阻压降很小，因此转速下降不多。如果考虑电枢反应的去磁作用，随电枢电流的增大而略有减小，转速下降会更小些，甚至会上升。anf(I)anf(I)aaaaeeeU
4、I RRUnICCC他励直流电动机的运行特性naI2aaaaa asUEI rUEI R 2226060aaaaaveZZpZnEepnC naaaaInaI为保证电动机稳定运行，通常将电机设计为图26-3所示的稍微下降的转速特性 图26-3 他励直流电动机的转速特性和转矩特性需要指出的是，他励直流电动机在运行过程中励磁回路绝对不能断开。当励磁回路断开时，气隙磁通骤然下降到剩磁磁通，感应电动势很小，由于机械惯性的作用，转速不能突然改变，电枢电流急剧增大，会出现两种情况：1）若电动机重载，所产生的电磁转矩小于负载转矩，转速下降，电动机减速直至停转，停转时，电枢电流为起动电流，引起绕组过热将电机烧
5、毁；2）电机轻载，所产生的电磁转矩远大于负载转矩，使电动机迅速加速，造成“飞车”。这两种情况都是非常危险的转矩特性转矩特性他励直流电动机的转矩特性转矩特性是指外加电压和励磁电流为额定值时，电磁转矩与电枢电流 之间的关系 。根据直流电动机的电磁转矩表达式 可知，磁路不饱和时，气隙磁通 不变，电磁转矩与电枢电流成正比，转矩特性为一条直线；当磁路饱和时，气隙磁通随电枢电流的增加而略有减小，转矩特性略微向下弯曲，如图26-4中的虚线所示。图26-4 他励直流电动机的转速特性和转矩特性eTaTCI()eaTf IaI()eaTf I机械特性机械特性他励直流电动机的机械特性机械特性是指当电动机加上一定的电
6、压 和一定的励磁电流 时，转速与电磁转矩之间的关系，即 ，是电动机的一个重要特性。由 和 可得：式中，是理想空载转速，是机械特性的斜率。如图26-5所示，机械特性是一条略向下倾斜的直线。()enf T()enf T02aaaeeTeeeUI RRUnTnTCCCC0eUnC2aeTRC CUfI2aaaaa asUEI rUEI R 2226060aaaaaveZZpZnEepnC naaa26-3 直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性若直流电动机转速随负载转矩变化不大，我们称其机械特性为硬特性，反之称为软特性。转速的变化可用转速调整率转速调整率表征，定义为式中，为额定转速；为额定励磁电流
7、时的空载转速。图26-5 他励直流电动机的机械特性%1000NNnnnnNn0n他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性串励直流电动机的运行特性串励直流电动机的励磁绕组与电枢回路串联，如图26-6所示，电枢电流等于励磁电流，因而气隙磁通 随电枢电流 的变化很大，是其主要特点。图26-6 串励直流电动机接线图 aI转速特性转速特性 串励电动机的转速特性转速特性是指外加额定电压、串励绕组电阻为常数时，转速和电枢电流之间的关系 。串励电动机的转速为 式中 。可见，串励电动机的转速特性为双曲线，转速与电枢电流成反比。当负载增大时，电枢电流和励磁电流都增大，导致电阻压降增大、气隙磁通增大，转速迅
8、速下降。如图26-7所示。)(aIfn()()1asaasaasaseees sesU I RRU I RRURRnCCK ICKCIKssIK串励电动机不允许空载运行，所以转速调整率定义为 式中:为1/4额定负载时的转速。图26-7 串励直流电动机特性曲线%10041NNnnnn1 4n转矩特性转矩特性 串励电动机的转矩特性转矩特性是指外加额定电压、串励绕组的电阻为常数时，电磁转矩和电枢电流之间的关系 。当电机轻载时，励磁电流很小，电机的磁路不饱和，串励电动机的电磁转矩为随着负载的增加，励磁电流逐渐增大，磁路饱和，磁通不再与励磁电流成正比。当磁路非常饱和时，磁通可认为是常值，电磁转矩为串励电
9、动机的转矩特性如图26-7所示。22eTaTsaTaTCIC K IC ITeaTIC()eaTf I机械特性机械特性串励电动机的机械特性机械特性是指外加额定电压、串励绕组电阻为常数时，转速和电磁转矩之间的关系 。整理转速公式 得：()()1asaasaasaseeessesUIRRUIRRURRnCC K IC KCIK1TsaseseC KnURRC KT()enf T图26-8画出了串励电动机的机械特性曲线。串励电动机的机械特性是软特性。随着电磁转矩的增大，转速下降很快。当电磁转矩较小时，由于气隙磁通的减小，转速迅速增大。电磁转矩为零时，理想空载转速为无穷大。因此，串励直流电动机不允许空
10、载运行，也不能带很轻串励直流电动机不允许空载运行，也不能带很轻的负载运行的负载运行。安全起见，串励电动机不能用皮带传动方式带负载，因为如果皮带不慎脱落，可能导致电动机转速过高。因此串励电动机和所驱动的机械负载必须直接耦合。图26-8 串励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性并励直流电动机的机械特性很硬，串励直流电动机的特性很软且不能空载运行。复励直流电动机则可折中两者的特性，其接线图如图26-9所示。如果串励绕组的磁动势与并励绕组的磁动势方向相同，称为积复励积复励直流电动机；方向相反时，称为差复励差复励直流电动机。后者使用时，容易发生不稳定现象，通常不用。图26-10中，曲线1是电枢反
11、应较强的并励直流电动机的机械特性。为了得到下降的机械特性，加上一个串励绕组（稳定绕组），以补偿电枢反应的去磁作用，其机械特性如图中曲线2所示。曲线3是以串励为主、并励为辅时的机械特性，曲线4是纯串励时的机械特性。图26-10 复励直流电动机 图26-11 不同复励直流电动机的机械特性直流电动机稳定运行条件电动机工作过程中能否稳定运行与其机械特性和负载特性密切相关。电动机的机械特性用 曲线表示，负载的机械特性用 曲线表示，二者的交点就是运行工作点，如图26-12所示。图26-12(a)、(b)画出了直流电动机带负载运行的两种情况。(a)不稳定运行 (b)稳定运行 图26-12 电动机运行稳定的条
12、件()enT()LnT对于图对于图26-12(a)所示的情况，设初始工作点为所示的情况，设初始工作点为 ，由于某种扰动，由于某种扰动，电动机转速有一增量电动机转速有一增量 ，转速由，转速由 变化到变化到 ，由于负载转矩小于电，由于负载转矩小于电磁转矩，即使扰动消失，电机也将继续加速，不能恢复到初始工作磁转矩，即使扰动消失，电机也将继续加速，不能恢复到初始工作点点 ；反之，由于某种原因，电动机转速降低，转速由反之，由于某种原因，电动机转速降低，转速由 变化到变化到 ，负载，负载转矩大于电磁转矩，电机继续减速，也不能恢复到初始工作点转矩大于电磁转矩，电机继续减速，也不能恢复到初始工作点 。因此图因
13、此图26-12(a)所示为不稳定运行的情况。不稳定运行的条件是所示为不稳定运行的情况。不稳定运行的条件是0ndn2n0n0n0n1n0neLdTdTdndn对于图26-12(b)所示的情况，设初始工作点为 ，由于某种扰动，电动机转速有一增量 ，转速由 变化到 ，此时负载转矩大于电磁转矩，扰动消失后，电机将减速，恢复到初始工作点 ；反之，由于某种原因，电动机转速降低，转速由 变化到 ，负载转矩小于电磁转矩，电机加速，也能恢复到稳定工作点 。因此图26-12(b)所示为稳定运行的情况。稳定运行的条件是若负载为恒转矩负载，则负载转矩不随转速变化，上式变为即电动机稳定运行的条件是其机械特性必须是下降的
14、电动机稳定运行的条件是其机械特性必须是下降的。0ndn2n0n0n1n0n0neLd Td Td nd n0ed Td n26-4 直流电动机的起动和调速直流电动机的起动和调速 一、直流电动机的起动一、直流电动机的起动电动机由静止的状态，接通电源，加速至稳定的工作转速，称为起动。直流电动机起动时，必须满足以下两个要求：（1）有足够的起动转矩；（2）应把起动电流限定在安全范围内。常用的起动方法有三种：直接起动、电枢串电阻起动和降压起动，下面分别进行介绍。1 1 直接起动直接起动所谓直接起动，就是直接在电动机上施加额定电压进行起动。这种方法无限流措施，起动电流很大，可达额定电流的几十倍，对电机的换
15、向、温升以及机械可靠性都很不利，所以只有容量很小的直流电动机才可以直接起动。如果是并励电动机，由于励磁回路电感较大，在直接起动时，必须先把励磁绕组接入电源，然后再给电枢回路通电。2 2 电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动如图26-13所示，在他励电动机的电枢回路里串入起动电阻，可以限制起动电流的大小。一般直流电动机的起动电流限制在22.5倍额定电流范围内。当电动机串电阻起动时，随着转速的上升，电枢电流减小，转子加速趋缓，势必延长起动时间。如果要求起动过程短，可将所串联的起动电阻分为几级，起动中逐级切除。当电动机的转速上升到某一转速时，将图26-13中的触头 C1闭合，切除电阻 ,于是电枢电流
16、又增大，1sR起动加速。之后，先后闭合C2、C3触头，最后将电阻全部切除。图26-13直流电动机电枢回路串电阻起动当电动机容量较大而又起动比较频繁时，电枢回路串电阻起动就很不经济。这时可以采用降低电源电压的办法起动。用专用发电机或可控整流器控制电机的端电压，开始时端电压很低，随着转速的升高，逐渐增大电枢端电压，使电枢电流控制在一定范围内。对于并励电动机，如采用降压起动，励磁绕组的电压不能降低，否则起动转矩减小，对起动不利。降压起动的优点是：起动电流小，起动过程平滑，能量消耗少。缺点是调压设备投资大。3 降压起动降压起动二、直流电动机的调速二、直流电动机的调速直流电动机具有良好的调速性能，能够很
17、好地满足调速范围宽广、转速连续可调、经济性好等要求。由直流电动机的转速表达式可以看出，直流电动机的调速方法有三种：（直流电动机的调速方法有三种：（1 1）调节每极磁通；（）调节每极磁通；（2 2）调节电枢端电压；（调节电枢端电压；（2 2）电枢回路串电阻。）电枢回路串电阻。图26-14中，曲线1是他励直流电动机的固有机械特性。在此基础上，分别改变上式中的电枢回路电阻、气隙磁通以及端电压的大小，观察电动机的机械特性如何变化。为了简便起见，忽略了电枢反应的影响。aaeUI RnC1 电枢回路串电阻调速在外加电压和每极磁通不变的条件下，在电枢回路中串入电阻 ，理想空载转速 不受影响，仍为 ，而机械特
18、性的斜率增大。而当 时，对应的机械特性曲线分别如图26-14中的曲线4、3、2、1所示。如果电动机带恒转矩负载，其机械特性如图26-14中的AB线所示。l 如果希望工作转速由高速的a点变为低速的b点，只要在电枢回路里串入电阻 即可。这种调速方法只能使转速往下调。如果所串电阻 能够连续变化，电动机转速能平滑调节。至于调速范围，从图26-14可以看出，当负载转矩较小时，例如CD线，调速范围很小。可见，在串联同样电阻的情况下，电动机的调速范围随负载转矩的大小而变化。sR0n0enU C432110sssssRRRR(R)4sRsR电枢回路串联电阻调速方法最主要的缺点是调速时电机的效率低。对于AB线所
19、示的负载特性，调速前后电枢电流不变，电磁转矩不变，从电源输入的电功率也不变。由于转速降低，电磁功率成正比降低，因此效率降低了，能量大多消耗在所串联的电阻上。而且，要求电阻箱能长时间运行，其体积是巨大的，也不可能做到连续调节。在大容量直流电动机中，一般不用这个方法。2 2 减小气隙磁通调速减小气隙磁通调速当电枢端电压和电枢回路电阻都保持不变时，改变气隙磁通也能调节他励直流电动机的转速。由于在额定励磁电流时磁路已经较饱和，再增大气隙磁通就比较困难，所以通常是减小气隙磁通。从前式可以看出，气隙磁通减小，将导致理想空载转速和机械特性斜率的增大，机械特性变软。图26-15给出了减小气隙磁通时的机械特性。图中曲线1是固有机械特性，曲线2、3、4对应的磁通逐次减小。这种调速方法是通过在励磁回路中串电阻实现的，控制功率小，设备简单，比电枢回路串电阻调速要方便得多。调速时，磁通减小，为保证转矩恒定，增大，减小得少，输入功率 增大，但电磁功率及输出机械功率因转速增高也增大了，所以效率并不降低，这是它的优点。受换向及机械强度的限制，调速比不能太大，约为1：2。aIfI1afPU(II)
