4 他励直流电动机的运行
5.3,5.4 他励直流电动机的制动与调速
U N Ea I a R Cen I a ( Ra Rc )
U N Ea | U N | | Ea | Ia 0 Ra Rc Ra Rc
即：T反向，n不变，则T与n反向，阻转矩
3．反接制动－－电压反接
• 电压反接制动的机械方程：
UN R a Rc n T 2 C e N C e CT N
n01 U U2 , nA nB ； 则b点：
E A E B U 2即U 2 E B I B Ra IB U 2 EB 0 T 0 Ra
制动方程：
Ra U n T 2 Ce CeCT
(T 0)
T反向 n不变
制动曲线： BC为正向回馈制动曲线
和机械强度的限制，升速范围不
可能很大，一般 D≤2； 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合 起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下 采用降压 调速。
本节小结
机械特性为：
R a Rc n T C e N CT N
即 Ia反向→T反向
n不变 则由电动转向制动源自2．能耗制动• 能耗制动的曲线：
R a Rc n T C e N CT N
BO为能耗制动曲线， 通过原点的一条曲线且 在第二象限。
BO曲线斜率大的制动快 or 斜率小的制动快？
3．反接制动－－电压反接
• 电压反接制动的特点：
（1）可以很快使机组停机。 （2） 需要加入足够的电阻， 限制电枢电流；
（3）转速至零时， 需切断电源。
3．反接制动－－电动势反接 （倒拉反接）
• 制动情况分析：
◆由机械特性1 特性2；
◆
◆ 当电枢回路串入电阻
他励直流电动机的四象限运行教学
一样，但是电枢电势克服了外加电
压产生的。
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17
此时，与电动状态相比，电枢电流已经反向， 电磁转矩也反向，由电动状态时的驱动转矩变 为制动转矩。因此，这时电机吸收机械能，输 出电能，具有发电并向电网回馈电能的性质， 故称为回馈制动状态。 通常，我们把回馈制动 分为正向回调制动和反向回馈制动。所谓正向 回馈制动是指电枢加正向电压的回馈制动状态。
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电枢电流为
Ia
U(Ea)UEa RaR RaR
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16
4.3.5 回馈制动
他励直流电动机在电动状态下提升重物时，如
果反接电枢，就有可能过渡到机械特性的第四象限
运行，此时电动机便在回馈制动状态下匀速下放重
物。他励直流电动机在回馈制动时，转速方向应与
理想空载转速方向一致， 与的方向与电动状态时
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2
他励直流电动机的固有机械特性与各种人为 机械特性，分布在机械特性的四个象限内，电 动机所带动的生产机械的负载转矩特性，有反 抗性恒转矩、位能性恒转矩、泵类等典型负载 转矩特性，他们分布在四个象限内。电动机会 在四个象限内运行（包括稳态与过渡过程）， 即处于各种不同的运行状态。本节将具体分析 他励直流电动机在各个象限内不同的运行状态。
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5
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6
4.3.2能耗制动
方法：制动瞬间，切除电动机的电源电压并
在电枢回路串入电阻R。在切换后的瞬间，由于
惯性的作用，小车转速n仍保持与原电动机运行
状态相同的方向和大小，不能突变，电动机运行
点从，磁通不变，电枢感应电动势的方向与大小
4 他励直流电动机的运行
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1.电枢串电阻调速
电枢回路串接电阻调速方法的特点： 优点：设备简单，调节方便； 缺点：调速范围小，电枢回路串入电阻后 电 动机的机械特性变“软”，使负载变动时 电动机产生较大的转速变化，即转速稳定性差， 而且调速效率较低。
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恒功率调速 调速中，保持Ia=IN，若Ф↓→n↑，
P =常数。
在保持电枢电流接近或等于额定值条件
下，调速过程中电动机允许输出功率不变的
调速方法称为恒功率调速。如 改变电动机主
磁通Ф 的调速方法就属于恒功率调速方法。
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调速方式与负载类型配合问题
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4.2 他励直流电动机的调速
注意：调速与转速自然变化的区别。
“转速的自然变化”是指生产机械的负载转 矩发生变化时，电动机的电磁转矩T要相应发生 变化，电动机的转速也将随着发生变化。调速 是通过人为手段改变电机参数而实现的转速变 化。
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电气调速方法
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静差率比较
同样硬度 的特性，转速 越低，静差率 越大，越难满 足生产机械对 静差率的要求。
不同机械特性对应的静差率
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2.调速范围D
定义：
nmax D nmin
指额定负载时，电力拖动系统可能运行的 最高转nmax与最低转速nmin之比。其中nmax受直 流电动机转动部分机械强度与换向条件的限制， nmin受低转速时相对稳定性的限制。
直流他励电动机四象限运行
直流电动机四象限机械特性测试一．实验目的本实验通过对直流电动机四象限机械特性的测试时学生对直流电动机的基本特性以及四象限工作状态有更深入的了解，进而掌握直流电动机的认为特性及其在调速国策和那个中的应用方式，同时锻炼学僧的分析问题解决问题能力和独立工作的能力。
二．实验内容测试直流电动机四个象限的机械特性，包括设备选择，拖动及负载电动机的选择，调速方式，参数调整，接线以及数据测试和曲线的绘制等。
三．实验要求1）第一象限固有特性电动状态测量4个稳定工作点2）第二象限回馈状态（电压可适当降低）测量4个稳定工作点3）第二象限电动势反接制动（最大电流设为1.5倍的In）测量3个工作点4）第二象限能耗制动（最大电流设1.5In)测量三个工作点，可以接反抗性负载5）第三象限反向电动状态（类同一象限）6）第四象限能耗制动测量4个稳定工作点7）第四象限倒拉反转测量4个稳定工作点8）要求写清实验步骤，并记录数据四．实验步骤1 第一象限的固有特性1.1 实验原理在电源电压U =Un，气隙磁通Ф=ФN，电枢外串电阻RΩ=0时，n =ƒ(T )的机械特性，其数学表达式为：特性表达式 T n TC C R C U n N T e a N e N ⋅-=Φ-Φ=β02机械转速N e N C U n Φ=0 斜率2N T e aC C R Φ=β空载1.2 实验步骤（１）按照实验接线图连接号电路，R1：电枢调节电阻（MEL-09）Rf ：磁场调节电阻（Ｍｅｌ－０９） Ｍ：直流并励电动机Ｍ０３ Ｇ：涡流测功机Ｕ１：可调直流稳压电源 Ｕ２：直流电机励磁电源Ｖ１：可调直流稳压电源自带电压表Ｖ２：直流电压表，量程为３６０ｖ档，位于ＭＥＬ－６（有的时候其实不用这个表，为了 实验的安全性和调速还是加上） Ａ：测电枢电流的安培表，ｍＡ：毫安表，位于直流电机励磁电源部（２）检查M ，G 之间是否用联轴器接好，电机导轨和MEL-13的连线是否接好，电动机励磁回路接线是否牢靠，仪表的量程，极性是否正确。
《电机与拖动》复习提纲
一、填空题：1、直流发电机电磁转矩的方向和电枢旋转方向___相反____，直流电动机电磁转矩的方向和电枢旋转方向___相同____。
（相反、相同、一样）2、可用下列关系来判断直流电机的运行状态，当__Ea<U________时为电动机状态，当__Ea>U_________时为发电机状态。
（E a〈 U； E a 〉U；E a=U ）3、三相对称绕组的构成原则是各相绕组的结构相同，__阻抗______相等; 空间位置对称，互差__120_____电角度。
(电抗、阻抗；120、60)4、变压器带负载运行时，若负载增大时，其铁损耗将__不变_____，铜损耗将___增加____（忽略漏阻抗的影响）。
（减小；不变；增加）5、一个三相对称交流绕组，2p=2，通入f=50Hz的三相对称交流电流，其合成磁通势为__圆形旋转_____磁通势，其旋转频率为______Hz 。
(圆形旋转、椭圆形旋转；50、60)6、三相异步电动机根据转子结构不同，可分为____笼型______________和__绕线型_____________两类。
（凸极型、隐极型、笼型、绕线型）7、三相异步电动机电源电压一定时，当负载转矩增加，则转速_减小______，定子电流___增加____。
（减小；增加；不变）8、一台三相异步电动机带恒转矩负载运行，若电源电压下降，则电动机的转速___减小____，定子电流_增大______。
（增大；减小；不变）9、三相异步电动机拖动恒转矩负载进行变频调速时，为了保证过载能力和主磁通不变，则U1应随f1按___正比例____规律调节；当进行星形一三角形降压起动时，起动电流和起动转矩各降为直接起动时的___1/3____倍(正比例、反比例；三分之一、二分之一)10、一个脉振磁通势可以分解为：两个幅值和_转速______相同，而__转向_____相反的旋转磁通势。
(转速、转向)11、变压器是利用___电磁感应_________原理，将某一数值交流电压或电流转为另一数值的交流电压或电流(同频率)，两个绕组之间没有任何“电的联系”，是一种依靠_____磁____的联系进行电能传递的静止电器。
第四章 他励直流电动机的运行
•
流启动电流 启动转矩 TS
IS
UN Ra
KeN IS
IN 。 TN 必须限制起动电流 。
• 将使电机绕组、电刷和换向器烧坏。
• 切记：工业直流电动机不能加全电压直接起动。
• 通常限制启动电流的启动方法有：降压起动和 电枢回路串电阻起动。
4.1.1 电枢回路串电阻启动
• 电枢回路串入电阻，启动电流为
不限流时
Is
Ia
220 1.3
170A
>>
IN
电机带额定负载，要求将起动电流限制在2倍额定电流范围 内
• 若采用电阻限流，求应串接的附加电阻； • 若此电阻起动完成后不切除，求稳定后的转速。 • 若采用降压限流，求起动时的电枢电压； • 若此起动电压保持不变，求稳定后的转速
解：
Rc
U IS
Ra＝
0.90 0.133
4.1 他励直流电动机的启动
➢ 他励直流电动机的起动方法
• 他励直流电动机起动时，必须保证先有磁场（即 先通励磁电流），而后加电枢电压。
• 不考虑电枢电感对电枢电流的影响，电枢电流Ia
为
U＝Ea RaIa＝Ke n RaIa
Ia
U Ea Ra
• 起动时n＝0， Ea 0 如直接加额定电压起动，电
– 主要分析：他励直流电动机拖动一恒定负载时，且 不考虑电枢反应，当电枢电压发生变化时，工作点 得变化如下图所示。
U
R
n Ce CeCT 2 T
n 1
2 A
+n -n
0
T
• 不稳定运行系统分析
– 主要分析：他励直流电动机拖动一恒定负载时，
考虑电枢反应，且负载转矩特性与电动机机械
他励直流电动机的运行
电网输入功率 P1 UNIa 4 4 5 W 0 0 22 W 0 2 k 0 2 W 0
电枢电路电阻上消耗的功率
P Ia2R 52 0 1.4 3 W 8 33 W 7 3.7 0 k 30 W
轴上功率（为负值，表示从轴上输入功率）
P 2 E a Ia (U N Ia R )Ia( 4 5 4 1 0 .4 ) 3 5 8 W 0 11 W 7 1 .7 k 0 1
B′
B
电气参数：＝ N， U ＝-UN， 电枢回路总电
阻R＝Ra＋Rc
n0
nn0 T
A
TB′
C点n=0时
CE
TB -TC -TL o
TL
T
D
Iac
UNEa RcRa
0
Tc 0
Rc限制制动初 始时刻的电流
若Tc <TL 系统停车
-n0
若Tc > TL Tc-TL<0 n<0 反向加速到D点稳定运行
例9-6 一台他励直流电动机，PN=5.6KW，UN=220V， IN=31A，nN=1000r/min，Ra=0.4，负载转矩 TL=49 N·m，
电枢电流不得超过2倍额定电流。试计算：(略T0）
1).电动机拖动位能性恒转矩负载，要求以300r/min速 度下放重物，采用倒拉反接运行，电枢回路应串入多大电 阻？若采用能耗制动运行，电枢回路应串入多大电阻？
电动机带动反作用负载，从 n50r0/mi进n行能耗制动，若其 最大制动电流限制在100A，试计算串接在电枢电路中的电阻值。
解
CeUN
INRa nN
4407.620.3930.39 1050
串接在电枢电路中的电阻值
电力拖动课堂练习学生
点坐标)；
画出电动机电枢回路原理图，说明分级控制步骤。
—— 思考题二 —— 1.试给出他励直流发电机的机械特性
2.用直流发电机作电动机（他励）的负载： (1)该负载特性具有什么特征？试画出特性示意图； (2)若要求在同样转速下的负载强度增加1倍（忽略速度受负载 强度变化的影响），该如何调整发电机回路的参数？负载 特性如何变化？试画出特性示意图。
H.转速反接制动与电枢反接制动的不同在于引发制动的原因不一样
7.一他励直流电动机拖动一台他励直流发电机，当电动机的外电压，励磁电流不变时， 增加发电机负载，则电动机的电枢电流和转速将（ ） A.电流增大，转速降低 B.电流减少，转速升高
C.电流减少，转速降低 D.电流增大，转速升高 8.一台并励直流电动机，在保持电磁转矩不变时，如果电源电压降低一半，忽略电枢 反应和磁路饱和影响，此时电动机转速将（ ）
能耗制动案例分析 9-3 他励直流电动机的制动
习题4
假定，电梯驱动用电动机在上升时为正运转，下降 时（采用能耗制动）为负运转。
① 试绘出电梯下降时能耗制动机械特性示意图； ② 如需减慢下降速度，应如何调整制动电阻？ ③ 能否利用能耗制动实现停车？
习题5
假定，直流电动机驱动电梯稳速上升时 为正运转，稳速下降时（采用反接制动） 为负运转。
工作坐标；
画出起动过程的机械特性 n = f(Ia)转移路径； 画出电动机电枢回路原理图，说明分级控制步骤。
8-2 他励直流电动机的起动
—— 习题3 ——
已知：直流电动机带直流发电机运行 电动机：U = 200v，Ce = 0.2v/rpm，Rad = 1 发电机：Ce = 0.2v/rpm，Raf = 1，电枢负载电阻 RΩf = 18 要求：电动机从 n=0 开始分级三级带负载起动，每次加速稳定后切换一 次起动电阻，尽可能使每次切换后的最大加速电流为18A，直到完全除掉 外串电阻，使电动机稳定运行。 设每级串联电阻值已知。 现要求通过自动控制系统在整个起动过程中进行自动电阻切换。 请给出控制系统的完整功能结构示意图 请简要说明控制策略，各功能单元的实现方案。
他励直流电机的启动原理与运行
他励直流电机的运行直流电动机的起动电动机接到规定电源后，转速从0上升到稳态转速的过程称为起动过程。
他励直流电动机起动时，必须先保证有磁场（即先通励磁电流），而后加电枢电压。
合闸瞬间的起动电流很大应尽可能的缩短启动时间，减少能量损耗以及减少生产中的损耗起动电流大的原因：１、起动开始时：n=0,Ea=CeΦn=0,２、电枢电流：Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra Ra一般很小这样大的起动电流会引起后果：１、电机换向困难，产生严重的火花２、过大转矩将损坏拖动系统的传动机构和电机电枢３、供电线路产生很大的压降。
变频器整流回路的启动电阻结论：因此必须采取适当的措施限制起动电流，除容量极小的电机外，绝不允许直接起动起动方法：电枢串电阻启动——起动过程中有能量损耗，现在很少用，在实验室中用降压启动——适用于电动机的直流电源是可调的，投资较大，但启动过程中没有能量损耗。
直流启动器电枢串电阻起动：最初起动电流：Ist=U/(Ra+Rst) 最初起动转矩：Tst=ＫＴΦIst启动电阻：Rst＝（UN／λi IN）－Ra为了在限定的电流Ist下获得较大的起动转矩Tst,应该使磁通Φ尽可能大些，因此起动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。
有了一定的转速n后，电势Ea不再为0，电流Ist会逐步减小，转矩Tst 也会逐步减小。
为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速n的增大，串在电枢回路的起动电阻Rst逐级切除，进入稳态后全部切除。
起动电阻Rst一般设计为短时运行方式，不容许长时间通过较大的电流。
降压起动：对于他励直流电动机，可以采用专门设备降低电枢回路的电压以减小起动电流。
起动时电压Umin,起动电流Ist：Ist= Umin/Ra< λiIN启动过程中U随Ea上升逐渐上升，直到U=UN串励电动机绝对不允许空载起动。
串电阻起动设备简单，投资小，但起动电阻上要消耗能量；电枢降压起动设备投资较大，但起动过程节能。
他励直流电动机实验报告
一、实验目的1. 理解他励直流电动机的结构和工作原理。
2. 掌握他励直流电动机的接线方法。
3. 学习测量他励直流电动机的起动电流、额定电流和额定电压。
4. 熟悉他励直流电动机的调速方法。
二、实验原理他励直流电动机是一种将直流电能转换为机械能的电动机，其工作原理是基于电磁感应定律。
当直流电源给电动机的电枢绕组供电时，电枢绕组中产生电流，进而产生磁场。
该磁场与固定磁场相互作用，产生电磁转矩，驱动电动机转动。
三、实验器材1. 他励直流电动机一台2. 直流电源一台3. 电流表、电压表各一台4. 电阻器一台5. 导线若干6. 电位计一台四、实验步骤1. 搭建实验电路：将直流电源、电流表、电压表、电阻器、电位计和电动机连接成闭合回路。
2. 调整电阻器阻值：将电阻器串联在电动机电枢回路中，调整电阻器阻值，使电动机电枢回路总电阻约为额定电阻的1/2。
3. 测量起动电流：闭合电路，逐渐增加直流电源电压，观察电流表读数，记录电动机起动电流。
4. 测量额定电流和额定电压：继续增加直流电源电压，当电动机转速稳定时，记录电流表和电压表读数，分别得到电动机的额定电流和额定电压。
5. 调速实验：将电阻器阻值调至较小值，观察电动机转速变化；将电阻器阻值调至较大值，观察电动机转速变化。
6. 改变电动机转向：将电动机电枢接线柱中的一个与直流电源负极相连，另一个与正极相连，观察电动机转向变化。
五、实验结果与分析1. 起动电流：实验中测得起动电流约为额定电流的1.5倍，说明电动机在启动过程中电流较大。
2. 额定电流和额定电压：实验中测得电动机的额定电流为IN，额定电压为UN，符合电动机铭牌参数。
3. 调速实验：实验中发现，减小电阻器阻值，电动机转速增加；增大电阻器阻值，电动机转速降低。
这说明通过改变电枢回路电阻，可以实现对电动机转速的调节。
4. 改变电动机转向：实验中发现，改变电动机电枢接线柱中一个与直流电源负极相连，另一个与正极相连，可以改变电动机转向。
他励直流电动机的调速
T TL TL Ia 电枢电流 CT N TL = 常数时，I a 常数，如果 T TL ,则 I a I N ，即 I a 因此，
稳定运行时
与电动机转速n无关。 3．弱磁调速：Φ↓ A、调速过程： UN Ra R n T Ce CeCT
U Ea I a Ra =210V+10A（1Ω）
Ts≥（1.l～1.2）TN，这样系统才能顺利起动。
他励直流电动机起动方法有两种，下面分别叙述。
4.1.1 电枢回路串电阻起动 :(如图) UN 起动电流为： I S Ra R 特点：1、根据负载TL起动条件的要求，可确定所串入电阻R的 大小，有级。 2、简单、成本低。 3、功耗大。 4.1.2降电压启动 (如图)
（B）扰动消失后→ 回原稳定点。（食堂买饭）
3 ．稳定性分析：（图2.13）
（1）(机特交点A )当干扰导致U↓ → ∵瞬间n = C、Ea = C ∴Ia↓→T↓(新的机特交点B) → TA – T0﹤0 →n↓→Ea↓→Ia↑ →T↑→(稳定在新的机特交点A’)
（2）当干扰导致U↑→ ∵瞬间n= C、Ea= C ∴Ia↑
（2）位能性恒转矩负载：电梯 （A）︱Tf ︳= C; （B）nf＞0， Tf＞0，nf＜0， Tf＞0， 2 ．泵类：风机、油泵等，（图2.10） Tf ≌ n2 3 ．恒功率负载：（图2.11） n↑→Tf↓；n↓→Tf↑； P ≌ Tf * n = C。 二、电力拖动运行的稳定条件： 1 ．交点（机特与负特）— 同解（图2.12） 2 ．扰动后仍能稳定： （A）U 变化→Tf变化→新的稳定点，而不发散；
n
返回 反抗性 恒功率 通风机
位能性
T 0
反抗性
3.4直流他励电动机的启动特性&3.5直流他励电动机的调速特性
13
3.5.2 改变电动机电枢供电电压U
因此，直流电动机是不允许直接启动的，即在启 动时必须设法限制电枢电流。
2
限制直流电动机的启动电流的方法： 一是降压启动，即在启动瞬间，降低供电电源电压， 随着转速n的升高，反电势增大，再逐步提高供电电 压，最后达到额定电压UN时，电动机达到所要求的 转速。 二是在电枢回路内串接外加电阻启动，此时启动电 流Ist＝UN／(Ra+Rst)将受到外加启动电阻Rst的限制， 随着电动机转速n的升高，反电势E增大，再逐步切 除外加电阻一直到全部切除，电动机达到所要求的 转速。
9
金属切屑机床，根据工件尺寸、材料的性质、切屑用 量、刀具特性、加工精度等不同，需要选用不同的切削速 度，以保证产品质量和提高生产效率； 电梯类或其他要求稳速运行或准确停止的生产机械， 要求在启动和制动时速度要慢或停车前降低运转速度以实 现准确停止。 实现生产机械的调速可以采用机械的、液压的或电气 的方法。
19
过大的启动电流的危害：
1.过大的启动电流使电动机在换向过程中产生火 花，烧坏整流子； 2.过大的电枢电流产生过大的电动应力，可能引 起绕组的损坏，而且产生与启动电流成正比例的启动 转矩，会在机械系统和传动机构中产生过大的动态转 矩冲击，使机械传动部件损坏； 3.对供电电网来说，过大的启动电流将使保护装 置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的下 降，影响其他负载的正常运行。
6
他励直流电动机的运行
他励直流电动机三种调速方法的性能比较
调速方法 调速方向
电枢串电阻 降电源电压
向下调
向下调
减弱磁通 向上调
δ≤50%时调速范围
一定调速范围内转速 的稳定性 负载能力 调速平滑性 设备初投资 电能损耗
~2
差 恒转矩 有级调速
少 多
10~12
好 恒转矩 无级调速
多 较少
1.2~2 3~4
与δ无关
较好
恒功率 无级调速
TL T C
保持励磁电流If的大小及方向不变， 将开关接至R， 电枢从电 网脱离经制动电阻R闭合。
参数特点：=N，U=0， 电枢回路总电阻R=Ra＋R
实际上是一台他励直流发电机。轴上的机械能转化成电能， 全 部消耗于电枢回路的电阻上， 所以称为能耗制动。
他励直流电动机能耗制动过程中的功率关系
输 入 电枢回路总 电磁功率
n0
n0
D nmax nmax
nmax
n
nmin
n0 nN
n0
1
nN n0
n0
nmax
nmax
n0
nN 1 nN 1
nN
nmax
D1
0
nN nmin
nN 1
1
nN 2 nN 3
3
2
TN
T
2.调速的平滑性 平滑系数：相邻两级转速或线速度之比。
ni
ni 1
3.调速的经济性 设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用等
电动机的电磁功率：
O TL
PM T
T
9.55Ce
N
I
a
2
60
UN
Ce
他励直流电动机的额定功率公式
他励直流电动机的额定功率公式直流电动机的额定功率公式是根据电动机的特性和性能参数推导得出的，能够有效地描述电动机的输出功率。
额定功率通常是指电动机在额定工况下能够连续运行的最大功率。
额定工况是指电动机在标准试验条件下的工作状态，包括额定电压、额定负载和额定转速等参数。
直流电动机的额定功率公式可以分为两部分：机械功率和电功率。
机械功率是指电动机输出的机械能，可以通过电动机的转速和扭矩来计算。
机械功率（Pm）的计算公式如下：Pm=(2*π*n*T)/60其中，Pm为机械功率，单位是瓦特（W）；n为电动机的转速，单位是转每分钟（rpm）；T为电动机输出的扭矩，单位是牛顿米（Nm）。
电功率是指电动机输入的电能，可以通过电流和电压来计算。
电功率（Pe）的计算公式如下：Pe=V*I其中，Pe为电功率，单位是瓦特（W）；V为电动机的输入电压，单位是伏特（V）；I为电动机的输入电流，单位是安培（A）。
直流电动机的额定功率（Prated）可以通过机械功率和电功率之间的关系来计算。
额定功率（Prated）一般由电动机的制造商提供。
Prated = η * Pm / Pe其中，η为电动机的效率，单位为百分比。
在实际应用中，为了确保电动机的稳定工作，一般会在额定功率的基础上提高一定的安全系数，即额定功率的倍数。
这样可以保证电动机在短时间内的额外负载或突发负载下工作的稳定性和可靠性。
需要注意的是，直流电动机的额定功率公式是一个近似计算公式，实际功率还会受到电动机的损耗、摩擦、散热和效率等因素的影响。
总结起来，直流电动机的额定功率公式是根据机械功率和电功率之间的关系以及电动机的效率来计算的，能够有效地描述电动机的输出功率。
第4章 他励直流电动机的运行
• 他励直流电动机的启动 电枢回路串电阻启动，降低电源电压启动。
• 他励直流电动机的调速 电枢串电阻调速，降低电源电压调速，弱磁调速。
• 他励直流电动机的电动与制动 电动运行，能耗制动，反接制动，倒拉反转 运行，回馈制动运行。
• *他励直流电动机的过渡过程
4.1 他励直流电动机的启动
p0
回馈给电源。“过程”是指 没有稳定状态，是变速过程。
|P1|
|PM|
|P2|
1. 正向回馈制动运行
• 电车在下坡时，TL2<0，加 速，当n超过n0后，T<0，T 与n反向。最后稳定在B点运 行。
• T与n反向，且n>0，电动机 为正向反馈运行。功率关系 与正向反馈过程相同。
• 功率关系与发电机一致，由 称发电状态。
0
TL1 T
e -n0
B -UN，Ra
nC
C
4.3 他励直流电动机的电动与制动运行
• U连续变化时，转速也连续变化，无级调速。 比电枢串电阻调速要平滑的多，是直流电力拖 动系统广泛采用的调速方式。
3. 弱磁调速
n
UN
Ce
Ra
CeCt
2
T
n0
n
• 保持U和Ra ，减弱磁通Φ时，n0↑，Δn↑（斜率 变大），弱磁时转速升高。
n
UN
Ce
Ra
Ce
Ia
,
T CtIa 9.55 CeIa
PM=TΩ=UIa-Ia2Ra
如拖动恒功率负载： TLΩ=常数 PM = TΩ = TLΩ=常数 Ia=常数
n
Φ1<ΦN
n01 A1(n1)
n0
A(nN) Φ1
实验一 直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性
实验一直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性实验一直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性一、实验目的测量他励直流电动机的自然机械特性及各种电气参数变化时的人为机械特性。
通过试验掌控直流电动机在各种运转状态时的特点和能量切换的规律。
二、预习要点1、发生改变他励直流电动机机械特性存有哪些方法？2、他励直流电动机在什么情况下，从电动机运行状态进入回馈制动状态？他励直流电动机回馈制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性又是什么情况？3、他励直流电动机LX1刹车时，能量传递关系，电动势均衡方程式及机械特性。
三、实验项目1、电动及答谢刹车状态下的机械特性2、电动及LX1刹车状态下的机械特性3、能耗刹车状态下的机械特性四、实验设备及挂件排列顺序1、实验设备序号12345型号dd01dd03dj15dj23d51名称电源控制屏不锈钢电机导轨、测距系统及lenses转速表直流并励电动机校正直流测功机波形测试及控制器板数量1台1件1台1台1件2、屏上挂件排序顺序d51五、实验方法及步骤按图1-1接线，图中m用编号为dj15的直流并励电动机(K817他励方式)，mg用编号为dj23的校正直流测功机，直流电压表v1的量程为500v，直流电流表a2、a4的量程为200ma，a1、a3的量程为5a。
r2、r4采用r1、r3上的900ω电阻分后甩三相，r1采用r2、r4上4个90ω串联，r3采用r5上的900ω并联加之r6上的90ω串联和实验台面上两个1300ω并联。
控制器s1、s2采用d51上的双刀双投掷控制器。
直流电动机运行于电动及回馈制动状态下的自然机械特性(一)试验详述：(1)测定被试直流电动机m运行于电动状态的机械特性时，在其轴上可加负载的形式是多种多样的，然而要获得反接、回馈及能耗制动等状态时的机械特性，其最可行的方法是采用一台直流电机来做负载，利用负载机mg工作在不同的运行状态，来测出受试电动机m于不同运转状态的机械特性。
实验一 直流电动机
实验一 直流电动机一、实验目的1．熟悉他励直流电动机的启动、调速和改变转向的方法。
2．用实验方法测取他励直流电动机的工作特性和机械特性。
3．学习测取他励直流电动机调速特性的方法。
二、实验内容1．他励直流电动机的启动、调速和改变转向的方法。
2．他励直流电动机额定工作点的求取和测取他励直流电动机的工作特性n =f (P 2)、T =f (P 2)、 =f (P 2)，机械特性n =f (T )。
3．测取他励直流电动机调速特性。
4．他励直流电动机的能耗制动实验。
三、实验线路说明：1．为了测量直流电机的转矩和转速大小，转矩/转速测量仪表LDSP 的I a +、I a -必须串接到直流电机的电枢回路，U a +、U a -要并接到直流电机的电枢绕组两端，并且测量仪表的接线正负极性要与使用说明书中的规定一致。
2．接线时注意选择合适量程的仪表。
合 分 + -直流机电枢电源220V/20A 合 分 + -同步机励磁电源40V/4AA1A3A2A4V1M —LDSPV3V2合 分+ - 直流机励磁电源220V/2AG ～实验负荷箱交流接触器WW图1-1 他励直流电动机实验线路原理图四、实验说明在通电实验之前，请仔细阅读附录中有关直流电源和转矩/转速表LDSP的使用说明。
1．他励直流电动机的启动和改变转向实验步骤：（1）请参照实验线路图1-1正确接线。
（2）检查实验台左侧的三个电源箱的开关应在断开位置。
（3）合上总电源开关和操作电源开关，按下操作电源合闸按钮，对应的红色指示灯亮；检查台面上所有的按钮处于断开位置，均为绿灯亮；所有数字表显示无错误。
（4）按下实验台直流机励磁电源（220V/2A）合闸按钮，合上直流机励磁电源箱（220V/2A）的电源开关，点击“增”按钮将直流电动机的励磁电压调到额定值220V；（5）按下实验台直流机电枢电源（220V/20A）合闸按钮，合上直流机电枢电源箱（220V/20A）的电源开关，点击“增”按钮将电枢电源电压从零逐渐升高，观察“LDSP转矩/转速表”上的直流电机转速显示值逐渐上升至空载额定转速（约1500r/min），注意电机转向应与标定转向相同。
直流电动机的应用思考题解答
4.1 换向器在直流电机中起什么作用？答：在直流发电机中，换向器起整流作用，即把电枢绕组里的交流电整流为直流电，在正、负电刷两端输出。
在直流电动机中，换向器起逆变作用，即把电刷外电路中的直流电经换向器逆变为交流电输入电枢元件中。
4.2 直流电机铭牌上的额定功率是指什么功率？答：直流电机铭牌上的额定功率指的是直流电机工作在满负载下的输出功率。
对直流发电机而言，指的是输出的电功率；对直流电动机而言，指的是电动机轴上输出的机械功率。
4.3 主磁通既链着电枢绕组又链着励磁绕组，为什么却只在电枢绕组里产生感应电动势？答：直流电机在稳态运行时，主磁通相对于励磁绕组是静止的，所以在励磁绕组中不会产生感应电动势。
由于电枢在旋转，主磁通与电枢绕组之间有相对运动，所以会在电枢绕组中产生感应电动势。
这里电枢绕组中的感应电动势，实际是指电枢中各导体感应电动势。
至于正、负电刷间的感应电动势，即电枢电动势，也就是支路电动势，还要看正、负电刷放在换向器表面上的什么位置。
位置放的合适，电枢电动势可达最大值；放得不合适，在相同的情况下，电枢电动势可以为零。
4.4 指出直流电机中以下哪些量方向不变，哪些量是交变的：（1）励磁电流；（2）电枢电流；（3）电枢感应电动势；（4）电枢元件感应电动势；（5）电枢导条中的电流；（6）主磁极中的磁通；（7）电枢铁心中的磁通。
答：（1）励磁电流是直流电流，不交变；（2）电枢电流指的是电刷端口处的总电流，为直流电流，不交变；（3）电枢感应电动势指的是电刷端口处的总感应电动势，为直流电动势，不交变；（4）电枢元件有效导体不断交替切割N极磁力线和S极磁力线，产生感应电动势为交流电动势；（5）电枢导条中的电流为交流电流，对发电机而言，导条中的交变感应电动势经换行器、电刷、外电路构成闭合回路，形成电枢导条交流电流；对电动机而言，电枢端电流经电刷、换向器进入电枢导条，形成交变电流；（6）励磁绕组通入直流励磁电流形成主磁通，显然主磁极中的磁通不交变；（7）主磁通本身不交变，但电枢铁心的旋转使得电枢铁心中的任意一点都经历着交变的磁通，所以电枢铁心中的磁通为交变磁通。
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T Ct I a 9.55CeI a
PM T
U N I a I Ra
2 a
Ra 2 U N ( Ia ) 9.55Ce I a 60 Ce Ce
拖动恒功率负载时
PM 为常数 I a 常数
注意：调速与转速自然变化的区别。
例4-2 某他励直流电动机PN=22kW, UN=220V, IN=115A, nN=1500r/min, Ra=0.1Ω，忽略空载转矩，拖动额定负载运行 时，要求把转速降到1000r/min。计算：（1）采用电枢串电 阻调速需串入的电阻值
0.94U N 0.94 220 Ce N 0.138 nN 1500
UN RI a 额定电压、磁通运行时 n Ce N Ce N
RI a 1550 1594.2 Ce N UN RI N RI N 220 额定负载工作时 nN C e N Ce N 0.138 Ce N RI N 1500 1594.2 Ce N
Ce 0.1149或0.004过小舍去
Ce N 0.138 Ia Ia 42.23 50.72 A Ce 0.1149
（2）负载为恒功率负载 解
I a I a 42.23 A
结论：弱磁升速时，若带恒转矩负载，转速升高后电枢电流 增大；若带恒功率负载，电枢电流不变。因此弱磁升速适合 于拖动恒功率负载
220 0.1 0.6TN UN Ra n T 2000 2 Ce 9.55(Ce ) 2 Ce 9.55(Ce )
TN 9.55Ce N I N 9.55 0.139 115 152.66N m
Ce 0.1054
C 0.1054 e 0.758 N Ce N 0.139
Φ/ΦN 0.758 1.1 If
220 110 90 1.1
(3)若不使电枢电流超过额定电流IN,在按(1)要求减弱磁通的 情况下,该电动机所能输出的最大转矩为多少?
解
T 9.55Ce I N
9.55 0.1054 115 115.76N m
4.2.2 恒转矩调速与恒功率调速
Tem
3. 弱磁调速 减少直流电动机的励磁电流，使每极磁通减少(Φ<ΦN), 在一定负载条件下，转速将增大。 从基速向上调
n
n01 n1 n0
nN
弱磁稳定后的 工作点
B A
TL
A
弱磁瞬间工作 点A→A‘
ΦN
Φ1
调节磁场前 工作点
Tem
UN Ra 弱磁调速过程中： n Ia Ce Ce
O
TL
图4.2 降电压启动
TS
T
例4-1 某他励直流电动机PN=96kW, UN=440V, IN=250A, nN=500r/min, Ra=0.078Ω，拖动额定大小的恒转矩负载运行， 忽略空载转矩。（1）若采用串电阻启动，IS=2IN，计算所串 电阻RS和TS；（2）若采用降压启动，条件同上，求电压降 至多少并计算TS
Ia n 1594.2 1550 I N nN 1594.2 1500
44.2 44.2 Ia IN 90 42.23 A 94.2 94.2
(2)解 恒功率负载P=TΩ为常数
2n 额定电压、磁通运行时 P TL TL 60 转速调至nmin时 P TL min TL 2nmin 60 TL n 恒功率负载，低速时转矩大，即电枢电流加大 TL nmin
电流不能太大，否则会引起换向恶化，产生严重的火花。还
会导致很大的线路压降，使电网电压不稳定。一般为1.5~2 IN 。（注：不能直接启动）
4.1.1 电枢回路串电阻起动
电压不变，在电枢回路中串接电阻，可达到限制起动 电流的目的，使
UN I st 1.5 ~ 2.0I N Ra R
1）串入恒值电阻起动 在电枢回路串入固定的起 动电阻R，电机拖动恒转矩负 载，在额定磁场下，将刀开关 K合向电源使电机起动。 缺点：起动时间较长，稳态转速 低，长期串入电阻不经济。
(2)解
TS 2TN 2 1833.5 3667 N m
4.2 他励直流电动机调速
调速：是指通过人为手段改变电力拖动系统的转速以满足生 产实际的需要。
1.机械调速：通过改变传动机构速比以改变转速的方法， 特点：调速时必须停车，多为有级调速。 2. 电气调速： 通过改变电动机参数调节转速的方法 特点：调速时不需停车，可实现无级调速，可采用反馈环 节提高机械特性硬度，易于实现电气控制自动化。 3.电气——机械调速：指上述两种方法都采用的混合调速法。
1.恒转矩调速
调速过程中在保持Ia=IN的前提下，电动机 T保持不变， 称恒转矩调速。 改变电动机供电电压和改变电枢回路电阻调速均属恒转 矩调速。(Ia=IN Φ=ΦN)此时，电动机输出功率P=TΩ， 转速 越低，输出功率越小。
2. 恒功率调速
调速中，保持Ia=IN，采用弱磁升速，此时电磁转矩相应 减少但电机转速n升高，调速过程中保持P =常数。称为恒功 率调速。 上述分析表明：基速 以下，他励直流电动机 采用恒转矩方式调速； 基速以上则采用恒功率 调速方式。如图：
第四章 他励直流电动机的运行
DC Motor Drives
4.1 他励直流电动机的起动
起动过程：电动机从静止运转到某一稳态转速的过程。
系统对起动的要求
一般生产机械都要求快速起动。即要求起动时间 ts小些，起动 转矩Ts大些，启动后转速不至过高（满磁通启动）
起动电流
也称堵转电流 (起动瞬间n=0)。Is越大， Ts 也越大。起动
(1)解 C U N I N Ra 220 115 0.1 0.139 e N
nN
1500
U N I N ( Ra RS ) 220 115 (0.1 RS ) n 0.139 Ce N
RS 0.604
例4.7
（2）采用降低电源电压调速需把电源电压降到多少 解
n nmax 1 nN 2
nmin 0 TN PN T、P 他励直流电动机调速 时的允许输出转矩和功率
3.调速方式与负载类型配合问题(匹配)
最好的配合方式为：恒功率负载，采用恒功率的调速方 法(弱磁调速)；恒转矩负载，采用恒转矩的调速方法(变电 压或变串入电阻调速)。
这样匹配，使电机在整个调速范围内容量能充分利用， 且 Ia=IN 不变，电动机的调速转矩与负载一致时，电机容量 能充分利用。 注意：恒转矩负载不宜采用恒功率调速方式，恒功率负载不 宜采用恒转矩调速方式。
(1)解
PN 96 103 TN 9.55 9.55 1833.5 N m nN 500
UN 440 RS Ra 0.078 0.802 IS 2 250
TS 2TN 2 1833.5 3667 N m
U S I S Ra 2 250 0.078 39V
① ②
e c
Ra R1
M IfN UfN Rf
KM1
(a)接线图
KM2
③
0
TL T2(I2)
(b)机械特性
a T1(I2) T(I) R2
电枢回路串电阻起动
4.1.2 降压起动
起动瞬间把加在电枢两端电源电压降低到 U=(1.5~2.0) INRa
U I st 1.5 ~ 2.0I N Ra
0.06U N 0.06 220 Ra 0.14667 IN 90
T TL 9.55Ce N I a 9.55 0.138 42.23 55.655N m
220 0.14667 55.655 UN Ra n T 1850 2 2 Ce 9.55Ce Ce 9.55Ce
U I N Ra U 115 0.1 n 1000 Ce N 0.139
U 150.5V
（3）上述两种情况下电动机的输入与输出功率 解：电动机降速后输出转矩
T2 N
PN 9550 22 9550 140.1N m nN 1500
140.11000 P2 T2 N 14670 W 9.55
(2)若已知电动机的磁化特性数据如下表
Φ/ ΦN 0.38 0.73 0.85 0.95 1.02 1.07 1.11 1.15
If /A
0.5
1.0
1.25
1.5
1.75
2.0
2.25
2.5
Uf=220V, Rf=110Ω，问：在题（1）情况下，求励磁回路所串的电 阻值。 解
R
Uf If
Rf
Cen U I a Ra
随着转速n的上升，电势Ea也逐渐增大，Ia 相应减小，此时电
压U必须不断升高(手动调节或自动调节)，而且使Ia保持在
(1.5~2.0) IN范围内，直到电压升到额定电压UN ，电动机进入 稳定运行状态，起动过程结束。
降压起动需要一套可以调节的直流电源，初投资大。
n n0
2、降低电源电压调速 降低电枢外加电压的数值，使理想空载转速n0下降，导致转 速下降。
n0 n01 nN n1
降压瞬间 工作点
n
A’
调速压前 工作点A
A B
UN
U1
稳定后工 作点
1.电源电压能够 平滑调节，可实 现无级调速 2.调速前后机械 特性的斜率不变， 硬度较高，负载 变化时稳定性好。
TL
拖动恒转矩负载调速时电枢电流不变
串电阻时
降压时
P U N I N 220 115 25300W 1
P UI N 150.5 115 17308W 1