1、第2章直流电机的特性与应用 主编第2章直流电机的特性与应用2.1直流电动机的机械特性电动机处于稳态运行时，转速n与电磁转矩T之间存在函数关系，即n=f（T)。由于转速和转矩都是机械运行时的物理量，因而把这个函数称为电动机的机械特性。第2章直流电机的特性与应用2.1.1直流电机中的电动势、转矩和功率根据电磁感应定律可知，无论是直流发电机还是直流电动机，运行时电枢绕组都会切割磁场，产生感应电动势，在电路闭合的情况下，电枢绕组中就会有电流通过（带负载)，电枢电流与磁场相互作用就会产生电磁转矩。1.电枢感应电动势EaEa=Cen（2 1）图2-1直流电动机中的反电动势a)反电动势的方向b)并励电动机电
2、路图第2章直流电机的特性与应用2.电磁转矩T直流电机的电磁转矩是由电枢电流与气隙磁场相互作用产生的电磁力而形成的。T=CTIa（2 4）3.电磁功率PemPem=T=EaIa（2 5）4.电磁功率和电磁转矩之间的关系T=9550/n（2 9）2.1.2他励(或并励)直流电动机的机械特性1.机械特性公式n=U/T=n0T=n0n（2 10）第2章直流电机的特性与应用图2-2他励直流电动机的机械特性曲线图2-3电枢串电阻时的人为机械特性曲线第2章直流电机的特性与应用2.固有机械特性n=-T（2 13）3.人为机械特性(1)电枢串电阻时的人为机械特性：保持U=UN、N不变，在电枢回路中串入电阻Rs时
3、的人为机械特性方程为n=-T（2 14）(2)降低电枢电压时的人为机械特性：保持=N、R=Ra(Rs=0)，改变电枢绕组端电压U时的人为机械特性方程为n=-T（2 15）第2章直流电机的特性与应用(3)减弱励磁磁通时的人为机械特性：调节励磁回路电阻Rf，就可以改变励磁电流，从而改变励磁磁通。保持U=UN、R=Ra（Rs=0)不变，电枢回路不串电阻，减弱磁通时的人为机械特性方程为图2-5减弱励磁磁通时的人为机械特性曲线图2-4降低电枢绕组端电压时的人为机械特性曲线第2章直流电机的特性与应用2.1.3串励直流电动机的机械特性1.固有机械特性图2-6所示为串励直流电动机的电路图。(1)串励直流电动机
4、的固有机械特性曲线是一条非线性的双曲线，随着负载转矩的增大(或减小)，转速自动减小(或增大)，保持功率基本不变，即有很好的牵引性能。(2)理想空载转速为无穷大。(3)T与Ia的平方成正比，因而串励直流电动机的起动转矩大，过载能力强。图2-6串励直流电动机的电路图第2章直流电机的特性与应用2.人为机械特性串励直流电动机同样可以采用电枢串电阻、改变电源电压和改变磁通的方法来获得各种人为机械特性，以适应负载和工艺的要求。图2-7串励直流电动机的固有机械特性曲线图2-8串励直流电动机的人为机械特性曲线第2章直流电机的特性与应用2.1.4复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的特点是励磁绕组分为两部分：
5、一部分与电枢电路串联，另一部分与电枢电路并联，如图2 9所示。这种类型的电动机融合了串励、并励两种励磁方式的运行特性。复励直流电动机的串励绕组使电动机产生较高的转矩，而其并励绕组便于转速控制和调节。在工业中，复励直流电动机比其他类型的直流电动机用得更多。复励直流电动机的转矩不如串励直流电动机的转矩高，但大于并励直流电动机的转矩；复励直流电动机的转速调节功能不如并励直流电动机好，但要比串励直流电动机强。各种直流电动机的机械特性比较如图2 10所示。第2章直流电机的特性与应用图2-10各种直流电动机的机械特性比较2.2直流电动机的起动、反转和调速图2-9复励直流电动机的电路图第2章直流电机的特性与
6、应用2.2.1直流电动机的起动1.起动原理电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过渡过程。Tst=CTIst（2 20）2.起动方法为了限制起动电流，直流电动机的起动方法有两种：一是降低电枢电压(减压)起动；二是电枢回路串电阻起动。(1)减压起动：目前，经常采用的是晶闸管可控整流电路作为直流电动机的电源电压调节器。用减压起动的方法起动并励直流电动机时必须注意：起动时必须加上额定的励磁电压，使磁通一开始就有额定值。否则电动机的起动电流虽然比较大，但起动转矩较小，电动机仍无法起动。第2章直流电机的特性与应用(2)电枢回路串电阻起动：在电枢回路中串联起动电阻，使起动电流不超
7、过允许的数值。图2-11电枢回路串电阻起动原理图a)并励直流电动机起动电路b)串励直流电动机起动电路第2章直流电机的特性与应用2.2.2直流电动机的反转1.改变转向的原理要改变直流电动机的旋转方向，就需要改变直流电动机的电磁转矩方向，而电磁转矩的方向取决于定子主磁极磁通和电枢电流的方向。2.改变转向的方法(1)永磁式直流电动机的反转：因为其定子磁极为永久磁铁，所以只要改变电枢电源极性即可实现反转。(2)并励直流电动机的反转：由于并励直流电动机的励磁绕组匝数多、电感大，在进行反接时因电流突变，将会产生很大的感应电动势，不但在开关或接触器的主触头上产生电弧，而且也容易把励磁绕组的绝缘层击穿。第2章
8、直流电机的特性与应用(3)串励直流电动机的反转：串励直流电动机电枢绕组两端的电压很高，而励磁绕组两端的电压很低，反接容易，故常采用励磁绕组反接的方法实现反转。第2章直流电机的特性与应用2.2.3直流电动机的调速1.调速原理所谓调速，就是在所拖动的负载不变的前提下，人为改变电动机运行的转速。改变电动机的参数就是人为地改变电动机的机械特性，从而使负载工作点发生变化，转速随之改变。可见，在调速前后，电动机必然运行在不同的机械特性上。如果机械特性不变，因负载变化而引起电动机转速的改变不能称为调速，而是称为转速变化。第2章直流电机的特性与应用2.调速方法(1)改变电枢电压U调速(调压调速)：改变电枢电压
9、U时，机械特性的斜率不变，所以调速的稳定性好；电压可连续变化，调速的平滑性好，调速范围宽；电动机电压不允许超过额定值，因此转速只能由额定转速往低调，属于恒转矩调速；所需设备较复杂，成本较高，但电能损耗小，效率高；还可用于减压起动。图2-12减小磁通调速原理图a)并励直流电动机b)串励直流电动机第2章直流电机的特性与应用(2)减小磁通调速(调磁调速)：当直流电动机的电源电压不变时，如使主磁通减小，则电动机的转速就相应地升高。减小磁通调速在励磁回路中进行，电流小，故能量损耗小，控制方便；由于电动机铁心磁饱和的影响，磁通只能减小，故转速只能从额定转速向上调，且调速范围一般来讲比较窄，只能作辅助调速之
10、用；所需设备简单。(3)电枢回路串电阻调速：这种调速电路与电枢串电阻起动电路相同。第2章直流电机的特性与应用图2-13他励直流电动机实训接线图第2章直流电机的特性与应用2.起动步骤(1)接线与检查：接线前应保证220V总电源开关在断开位置，按图2-13所示接好线路。(2)调节变阻器：将RPs调到阻值最大位置；将RPf调到阻值最小位置。(3)操作准备：起动前应清理现场，电动机轴附近不能有杂物；连接导线要理顺并固定好，不能与电动机轴接触或缠绕；高处的东西要摆放好，谨防掉落；操作人员头发不能太长，衣服要整齐，操作时不要带手套；分工协作，作好监护。第2章直流电机的特性与应用(4)开启总电源开关：观察电
11、源电压是否正常，不正常时立即切断电源，进行检查。(5)合上开关S1：观察电流表A2是否正常，若指针反偏、指针满刻度或数值异常，立即切断S1，进行检查。(6)合上开关S2：观察电流表A1是否正常，电动机转子是否转动。(7)调节RPs：减小RPs，直至短接，电动机稳定运行，起动结束。第2章直流电机的特性与应用3.调速分别改变串入电动机电枢回路的调节电阻RPs和励磁回路的调节电阻RPf的值，观察电动机转速和电流表A1、A2的变化情况，记录变化规律。4.停机与反转操作(1)停机步骤：先切断电枢电源开关S2，再切断励磁电源开关S1，电动机自由停车。(2)反转操作：在断电停机的情况下，将电枢绕组的两端A1
12、、A2或励磁绕组的两端F1、F2对调后，再按以上起动步骤起动电动机，观察电动机的转向，并记录。5.恢复现场实训结束后，切断总电源，拆除并整理好导线，清理垃圾，整理好笔记，准备写实训报告。第2章直流电机的特性与应用实训2积复励直流电动机的正确连接1.实训说明当电动机为差复励时，并励磁场将决定电动机空载或轻载时的旋转方向。2.积复励直流电动机的连接步骤(1)负载与电动机不连接。(2)将串励绕组和电枢绕组接在一起而不接并励绕组，将外加电源与电动机连接，如图2-14a所示。(3)短时接上电源来确定旋转方向，加入电源的时间必须非常短，因为电动机此时像串励电动机空载运行。第2章直流电机的特性与应用(4)将
13、并励绕组端子与输入电源连接，再次合上电源，检查旋转方向，如图2-14b所示。图2-14积复励直流电动机的连接方法a)首先连接成串励测转向b)连接并励绕组再测转向第2章直流电机的特性与应用2.3直流电动机的制动根据电磁转矩T和转速n之间的关系，可以把电动机分为两种运行状态：T与n同方向时，称为电动运行状态，简称电动状态；T与n反方向时，称为制动运行状态，简称制动状态。电动状态时，电磁转矩为驱动转矩；制动状态时，电磁转矩为制动转矩。第2章直流电机的特性与应用2.3.1反接制动1.电枢反接制动利用改变加在电枢绕组上的电压方向(使Ia反向)或改变励磁电流的方向(使反向)，来使电磁转矩T反向成为制动转矩
14、的制动方法称为电枢反接制动。图2-15直流电动机电枢反接制动电路原理图第2章直流电机的特性与应用图2-16直流电动机倒拉反接制动a)接线图b)机械特性2.倒拉反接制动直流电动机倒拉反接接线图如图2-16a所示，机械特性曲线如图所示。Ia=/+=+/+0（2 24）第2章直流电机的特性与应用2.3.2能耗制动他励直流电动机能耗制动原理图如图2 17所示。先将KM1断开，电动机电枢绕组与电源脱离，电枢电压U=0，如图2 17a所示；再将KM2闭合，电枢绕组通过电阻Rbk构成闭合电路。在电路切换瞬间，由于机械惯性，电动机的转速不能突变，转速n仍保持原电动状态的大小和方向，因此电枢电动势Ea的大小和方
15、向不变，根据电动机的电压平衡方程式第2章直流电机的特性与应用图2-17他励直流电动机能耗制动a)U=0时b)制动状态时第2章直流电机的特性与应用2.3.3回馈制动由式Ia=（UEa)/Ra可看出，当电机作电动机状态运行时，电源电压U大于反电动势Ea，即UEa，故Ia与U同方向。如电动机在运行时由于某种原因使EaU（例如起重机下放重物、运输机械下坡等)，则电枢电流Ia方向就改变了，即Ia与U方向相反，电机向电网输送电能，由电磁转矩T=CTIa，可见T也随Ia的反向而改变方向，即与电动机旋转方向相反，为制动转矩。1.正向回馈制动由式Ea=Cen可知，如果电动机的磁通不变(并励、他励直流电动机即如此
16、)，只要电机的速度n高于理想空载转速n0即可使EaU。第2章直流电机的特性与应用平路前进时，负载转矩为摩擦阻转矩TL10。当电车在下坡路上前进时，负载转矩就为摩擦阻转矩与位能性拖动转矩的合成转矩，因二者方向相反，而后者数值比前者大，则电车下坡时的总负载转矩TL20，如图2 18所示。图2-18电动机拖动电车时正向回馈制动第2章直流电机的特性与应用图2-19电动机减压减速时正向回馈制动图2-20他励直流电动机反向回馈制动第2章直流电机的特性与应用2.反向回馈制动设他励直流电动机拖动位能性负载，电动机原先在A点提升重物。若在外部条件作用下，电动机实际转速高于理想空载转速，则电动机可运行在回馈制动状
17、态。回馈制动又称为再生制动、发电反馈制动，可向电网回馈电能，所以经济性能好，但只有在特定的状态时才能实现此种制动，而且只能限制电动机转速，不能使电动机停转。第2章直流电机的特性与应用2.4直流发电机直流发电机有三种基本类型：串励、并励和复励。其中并励发电机既可自励也可他励，其他类型发电机必须自励。发电机自励，指主磁极必须要有一定的剩磁，剩磁产生初始输出电压，这样如果发电机接上负载，就会有电流流过励磁绕组，从而建立起稳定的输出电压。(1)电枢绕组线圈的匝数：匝数多，电压大。(2)极靴磁场强度：增加磁通量，输出电压也增加。(3)切割磁力线的速度(发电机的旋转速度)：增加电枢旋转速度将会增加输出电压
18、。第2章直流电机的特性与应用2.4.1直流发电机的自励条件直流发电机要发电必须要有主磁极磁场，才能产生电磁感应电动势；而三种发电机的主磁极磁场又要靠发电机本身发出的直流电压来提供励磁电流。这对相互制约的矛盾，使发电机必须在满足以下条件的情况下才能建立起稳定的电压。(1)发电机主磁极要有剩磁。(2)励磁磁通方向必须与剩磁磁通方向一致。(3)励磁回路的电阻必须小于临界电阻。第2章直流电机的特性与应用图2-21串励发电机特性曲线2.4.2串励发电机的特性第2章直流电机的特性与应用2.4.3并励发电机的特性与输出电压的控制1.特性曲线串励发电机在电压增高前必须接入负载，要求负载与电枢绕组及串励绕组组成
19、完整的回路，以利于电流通过。他励发电机的励磁绕组与外直流电源连接，其优点是能保证对输出电压进行更好的控制和当接入负载后电压降更小。图2-22并励发电机与他励发电机的特性曲线图2-23并励发电机输出电压的调节第2章直流电机的特性与应用2.输出电压的控制决定直流发电机输出电压的因素之一为磁场的磁感应强度，所以输出电压受通过励磁绕组电流大小的控制。无论是否有负载，输出电压不能变化，这点很重要。为此可用电压调节器来调节并励绕组电流，如图2 24所示。图2-24用电压调节器调节并励绕组电流第2章直流电机的特性与应用2.4.4复励发电机的特性与复励程度的控制图2-25复励发电机的特性曲线第2章直流电机的特
20、性与应用1.特性曲线复励发电机既有串励绕组又有并励绕组，一般采用积复励的形式，串励和并励两个磁场的关系由发电机复励的程度决定。图2-26复励程度的控制第2章直流电机的特性与应用2.复励程度的控制不进行控制时大多数发电机是过复励的，且允许串励磁场减弱，以有利于控制复励的程度。实训1他励直流发电机电压的建立与特性测试图2-27他励发电机实训电路第2章直流电机的特性与应用1.空载电压的建立(1)把发电机G的负载开关S打开，将R调至使发电机励磁电流If最小的位置，同时使电动机M电枢串联的起动电阻RP1阻值最大，RPf1阻值最小。(2)接通励磁电源开关，观察到电流表A1的读数最大、电流表A3的读数最小时
21、，接通电枢电源开关，起动直流电动机M正向旋转。(3)把M的电枢电压调至220V，将RP1逐渐调至最小。(4)电动机M正常运转后，调节M的磁场调节电阻RPf1，使发电机转速n达到额定值nN，注意观察V2及TG的读数是否正常。(5)调节R，若V2的读数有变化，说明发电机电压已建立。第2章直流电机的特性与应用2.空载特性测试保持n=nN、IL=0，测取U0=f(If)。(1)调节发电机励磁分压电阻R，保持n=nN，使发电机的空载电压U0=1.2UN(UN为发电机的额定电压)。(2)从U0=1.2UN开始，单方向调节R，使发电机励磁电流逐次减小，测量发电机的空载电压U0(V2的读数)和励磁电流If(A
22、3的读数)，直至If=0。(3)测取数据时，U0=UN和If=0两点必测，并在U0=UN附近多取几点，共测取78组数据，记录于表2-1中。表2-1空载特性测试(n=r/min；=0)第2章直流电机的特性与应用3.外特性测试保持n=nN、If=IfN，测取U=f(IL)。(1)把发电机负载电阻RP2调到最大电阻值，合上负载开关S。(2)同时调节RPf1、R和RP2，使发电机IL=IN、U=UN、n=nN，该点为发电机的额定运行点，其励磁电流称为额定励磁电流IfN，记录该组数据。(3)在保持n=nN和If=IfN不变的条件下，逐次增加负载电阻RP2，即减小发电机的负载电流IL。表2-2外特性测试(
23、n=r/min；=mA)第2章直流电机的特性与应用4.调整特性测试保持n=nN、U=UN，测取If=f(IL)。(1)调节发电机的R，保持n=nN，使发电机空载达额定电压UN。(2)在保持发电机n=nN的条件下，合上负载开关S，调节负载电阻RP2，逐次增加发电机输出电流IL，同时相应调节发电机励磁电流If，使发电机端电压保持额定值U=UN。(3)从发电机的空载至额定负载范围内，每次测取发电机输出电流IL(A4的读数)和励磁电流If(A3的读数)，共取56组数据，记录于表2-3中。表2-3调整特性测试(n=r/min；U=V)第2章直流电机的特性与应用实训2并励直流发电机电压的建立与特性测试图2
24、-28并励直流发电机实训电路图第2章直流电机的特性与应用1.自励建压的操作(1)把发电机G的开关S断开，R调至最大电阻位置，同时使电动机M电枢串联的起动电阻RP1阻值最大，RPf1阻值最小。(2)断开发电机励磁绕组的E1端或E2端，保护好被拆下的接头。(3)调节电动机的转速，使发电机的转速n=nN，观察直流电压表V2的指示值。(4)若有剩磁电压，进行停机操作，在断电的条件下，恢复励磁绕组的接线。(5)合上负载开关S，逐渐减小R，观察发电机电枢两端的电压，若电压逐渐上升，说明满足自励条件。(6)对应着一定的励磁电阻，逐步降低发电机的转速，使发电机输电压随之下降，直至电压为0，此时的转速即为临界转
25、速。第2章直流电机的特性与应用2.特性测试保持n=nN，R=常值，测取U=f(IL)。(1)把发电机负载电阻RP2调到最大电阻值，合上负载开关S。(2)同时调节RPf1、R和RP2，使发电机IL=IN，U=UN，n=nN，记录此时的励磁电流If的值，即为额定励磁电流IfN。(3)保持额定值时的R阻值不变，保持n=nN不变，逐次减小负载，直至IL=0，测量发电机的电压U和电流IL，共测取67组数据，记录于表2-4中。表2-4特性测试(n=r/min；R=常数)第2章直流电机的特性与应用实训3积复励、差复励直流发电机的判别与特性测试图2-29复励发电机实训电路图第2章直流电机的特性与应用1.积复励
26、、差复励直流发电机的判别(1)合上开关S1，将串励绕组短接，使发电机处于并励状态运行，按并励发电机外特性测试方法，调节发电机输出电流.5IN。(2)打开短路开关S1，在保持n、R和RP2不变的条件下，观察发电机端电压的变化，若此时电压升高即为积复励，若电压降低则为差复励。(3)如果想改变励磁方式，只要对调串励绕组的接头D1、D2即可。第2章直流电机的特性与应用2.积复励直流发电机特性测试(1)操作方法与测取并励发电机外特性的方法相同。(2)保持额定值时的R不变及n=nN不变，逐次减小负载，直至IL=0，测量发电机的电压U和电流IL，共测取67组数据，记录于表2-5中。表2-5特性测试(n=r/
27、min；R=常数)第2章直流电机的特性与应用实训4并励直流电动机调速特性测试和能耗制动1.电枢回路串电阻调速特性测试保持电动机U=UN、If=IfN、T2=常数，测取n=。图2-30并励直流电动机调速特性测试接线图第2章直流电机的特性与应用(1)将并励直流电动机M的磁场调节电阻RPf1调至最小值，电枢串联起动电阻RP1调至最大值，发电机的负载电阻RP2调至最大值。(2)电动机M起动正常后，将电阻RP1调至零，调节电枢电源电压为220V，使电动机的n=nN。(3)再调节负载电阻RP2、电枢电压及磁场电阻RPf1，使电动机的U=UN、0.5IN、If=IfN，记录此时发电机的IF值。(4)逐次增加
28、RP1的阻值，调节R、RP2和RPf1，保持为校正值且IF的值不变(即T2=常数)，If=IfN。(5)降低电枢两端的电压Ua，将RP1从零调至最大值，测量电动机的端电压Ua、转速n和电枢电流Ia，共测取89组数据，记录于表2-6中。表2-6电枢回路串电阻调速特性测试(U=V；=A；=A)第2章直流电机的特性与应用2.改变励磁电流调速的特性测试保持U=UN、T2=常数，测取n=f(If)。(1)直流电动机运行后，将与其电枢绕组串联的电阻RP1和磁场调节电阻RPf1调至零，将发电机G的励磁电流为调节为校正值，再调节电动机的电枢电源和RP2，使电动机的UN、Ia=0.5IN，记录此时发电机的IF值
29、。(2)保持此时的IF值和U=UN不变，逐次增加磁场电阻值，直至n=1.3nN，测量电动机的n、If和Ia，共测取78组数据，记录于表2-7中。表2-7改变励磁电流调速的特性测试(U=V；=A；=A)第2章直流电机的特性与应用图2-31并励直流电动机能耗制动电路图第2章直流电机的特性与应用3.能耗制动按电动机铭牌额定值和可能达到的最大值选择直流仪表和变阻器，按图2-31所示电路接线，并进行检查与起动准备。(1)将并励直流电动机M的磁场调节电阻RPf调至最小值，电枢串联起动电阻RP调至最大值，制动电阻RL调至最大值，S合向1端位置。(2)将RP调到零，运转正常后，将开关S合向中间位置，使电枢回路开路，电动机自由停车，记录从S合向中间位置开始到电动机停止转动所用的时间。(3)将RP调回到最大电阻值位置，合上S，接通电枢电源，重新起动电动机。(4)选择不同的RL、RP的值，观察它对停机时间的影响。
