0401 第4章 直流电动机zh
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第四章 直流电动机 ☆
本章主要介绍直流电机及其电力拖动系统的运动方程、负 载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方 法和物理过程。
4.1 直流电动机的启动及改变转向 4.2 他励直流电动机的工作特性 4.3 他励直流电动机的机械特性
4.4 串励直流电动机的机械特性
4.5 复励直流电动机的机械特性
改变三个量U、Φ、Rp 中任意一个，可以改变机械 特性曲线形状。
U=UN, Φ=ΦN, Rp=0时的机械特性称为固有机械特 性。其方程为 :
n UN CeN
Baidu Nhomakorabea
CeC R Ta2 NT
第四章 直流电动机
第四章 直流电动机
4.3.3 人为机械特性
改变三个量U、Φ、Rp之一而其他量不变时可以得 到人为机械特性。
第四章 直流电动机
4.2 他励直流电动机的工作特性
工作特性：U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻的 情况下，负载P2变化时，电机的转速n、转矩T、效 率η分别随输出功率P2变化的关系曲线。
第四章 直流电动机
4.2.1 转速特性 n=f(P2)
U = CeΦ n+IaRa+2ΔUs n=(U-2ΔUs-IaRa) / (CeΦ)
第四章 直流电动机
4.2.2 转矩特性 T = f (P2)
T=T2+T0=P2/(2πn/60) + T0 他励直流电动机在负载变化时，转速变 化很小，可以近似认为T0=常数。
如果不考虑转速的变化，则T=f (P2)为一条 直线，考虑到转速略有下降，所以T=f (P2) 为一条略微上翘的曲线。
第四章 直流电动机
1、电枢回路串电阻时的人为机械特性
n UN CeN
C ReaC T Rp 2 NT
对应于不同的Rp可以得到一簇斜率不同的曲线。
第四章 直流电动机
特点：1）n 0 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。
第四章 直流电动机
2、改变电枢电压的人为机械特性
U n
CeN
CeC RTa2 N
T
特点：1)n 0 随U 变化, 不变;
4.2.3 效率特性 η = f (P2)
参见一般直流电机效率曲线 ，不变损耗与 可变损耗相等时有最大值。
第四章 直流电动机
他励电动机工作特性
第四章 直流电动机
4.3 他励直流电动机的机械特性
机械特性：n=f(T)是指U=UN，If=IfN时，改变负载 的过程中，转速n随电磁转矩T变化的函数关系。
Ia，故T=CTΦIa=CT K Ia2, 解出Ia并带入上式可得：
U n
R a C TKUR a
影响转速n的因素有： 1）电流Ia增大时电枢电阻压将IaRa也增大，使转速趋 于下降； 2）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通Φ下降， 使转速趋于上升。
第四章 直流电动机
一般电阻压降的影响较大，所以随着电流的增 大，电动机转速降低。由于电阻Ra的值很小，所以 转速下降比较平缓。电流增大，电压恒定时意味着 P2增大，所以n=f(P2)是一条较平的下降曲线（硬特 性）。
直接启动电流：Ist=U/Ra 10~20倍IN
问题：电源电流有限制、电机换向困难
一般直流电动机瞬时过载电流不得超过（1.5~2）IN
第四章 直流电动机
4.1.0 全压直接启动
加全压启动，启动电流
Ia
U Ra
达十倍以上额定电流，仅用于小型电机。
优点：操作简单，不需启动设备。
缺点：冲击电流太大
1、对电网电压影响
4.3.1 机械特性方程 n=f(T)
按电动机惯例，列写回路电压方程：
U=Ea+Ia(Ra+ Rp) Rp: 电枢回路串入的电阻
T CT Ia
第四章 直流电动机
用电枢回路总电阻考虑电刷接触压降。
n=[U-(Ra+Rp)Ia]/(CeΦ) （来自于电压平衡方程）
Ia=T/(CTΦ)
n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T = n0L-kT
4.6 负载的机械特性
第四章 直流电动机
4.7 电动机稳定运行的条件 4.8 他励直流电机调速的方法 4.9 直流电动机的制动 4.10 直流电机的换向
第四章 直流电动机
4.1 直流电动机的启动及及改变转向
启动过程的含义
要求： 1、启动转矩足够大； Tst 的指标 2、启动电流不要太大。Ist 的指标 3、启动设备简单、经济、可靠
串入变阻器时的启动电流为：IStRaU RSt 采用分段切除电阻，可使电机在启动过程中获较大 加速，且加速较均匀，缓和有害冲击。 切除可手动完成，也可自动完成。 优点：启动设备简单，操作方便。 缺点：电能损耗大，设备笨重
第四章 直流电动机
4.1.2 降低电枢电压启动
开始启动时将低电压，则
Ia
U Ra
2)U不同,曲线是一组平行线。
第四章 直流电动机
2、减少气隙磁通的人为机械特性
n UN Ce
Ra CeCT2
T
特点：1）弱磁，n 0增大；
2）弱磁，增大
第四章 直流电动机
4.4 串励直流电动机的机械特性
出发点：n U
CeN
CeC RTa2 N
T
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，所以Ra 是电枢绕组与串励绕组电阻之和且串励电流 I =
其中，n0=U/(CeΦ)为理想空载转速，而
k=(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)为机械特性的斜率 。
一般写法：
n
U Ce
R CeCT 2
T
n0 kT
第四章 直流电动机
n
n0
n
nN
'
0
T
T0
TN
n 0 称为理想空载转速。
实际空载转速
n0
U
R
CeCeCT2 T0
第四章 直流电动机
4.3.2 固有机械特性方程
2、对电机本身影响
只适用于小型电动机启动
第四章 直流电动机
4.1.1 电枢回路串电阻启动
为限制启动电流，在启动时将启动电阻串入电枢 回路，待转速上升后，再逐级将启动电阻切除。
U
S
S1 S2 S3
M
R a R st 1 R st 2 R st 3
第四章 直流电动机
只要 R St 选择适当，能将启动电流限制在允许范围内， 随n的上升可切除一段电阻。
限制在一定范围内。
，并使 I a
采用降压启动时，需专用调压电源，直流发电机，
或可控硅整流电源。
用发电机，调节励磁达到调压；
用可控硅整流电源，用触发号控制输出电压。
优点：启动电流小，能量损耗小，
缺点：设备投资大。
第四章 直流电动机
4.1.3 改变直流电动机转向的方法
T CT Ia
影响转矩符号的因素： 1、磁通 2、电枢电流
本章主要介绍直流电机及其电力拖动系统的运动方程、负 载转矩特性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方 法和物理过程。
4.1 直流电动机的启动及改变转向 4.2 他励直流电动机的工作特性 4.3 他励直流电动机的机械特性
4.4 串励直流电动机的机械特性
4.5 复励直流电动机的机械特性
改变三个量U、Φ、Rp 中任意一个，可以改变机械 特性曲线形状。
U=UN, Φ=ΦN, Rp=0时的机械特性称为固有机械特 性。其方程为 :
n UN CeN
Baidu Nhomakorabea
CeC R Ta2 NT
第四章 直流电动机
第四章 直流电动机
4.3.3 人为机械特性
改变三个量U、Φ、Rp之一而其他量不变时可以得 到人为机械特性。
第四章 直流电动机
4.2 他励直流电动机的工作特性
工作特性：U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻的 情况下，负载P2变化时，电机的转速n、转矩T、效 率η分别随输出功率P2变化的关系曲线。
第四章 直流电动机
4.2.1 转速特性 n=f(P2)
U = CeΦ n+IaRa+2ΔUs n=(U-2ΔUs-IaRa) / (CeΦ)
第四章 直流电动机
4.2.2 转矩特性 T = f (P2)
T=T2+T0=P2/(2πn/60) + T0 他励直流电动机在负载变化时，转速变 化很小，可以近似认为T0=常数。
如果不考虑转速的变化，则T=f (P2)为一条 直线，考虑到转速略有下降，所以T=f (P2) 为一条略微上翘的曲线。
第四章 直流电动机
1、电枢回路串电阻时的人为机械特性
n UN CeN
C ReaC T Rp 2 NT
对应于不同的Rp可以得到一簇斜率不同的曲线。
第四章 直流电动机
特点：1）n 0 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。
第四章 直流电动机
2、改变电枢电压的人为机械特性
U n
CeN
CeC RTa2 N
T
特点：1)n 0 随U 变化, 不变;
4.2.3 效率特性 η = f (P2)
参见一般直流电机效率曲线 ，不变损耗与 可变损耗相等时有最大值。
第四章 直流电动机
他励电动机工作特性
第四章 直流电动机
4.3 他励直流电动机的机械特性
机械特性：n=f(T)是指U=UN，If=IfN时，改变负载 的过程中，转速n随电磁转矩T变化的函数关系。
Ia，故T=CTΦIa=CT K Ia2, 解出Ia并带入上式可得：
U n
R a C TKUR a
影响转速n的因素有： 1）电流Ia增大时电枢电阻压将IaRa也增大，使转速趋 于下降； 2）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通Φ下降， 使转速趋于上升。
第四章 直流电动机
一般电阻压降的影响较大，所以随着电流的增 大，电动机转速降低。由于电阻Ra的值很小，所以 转速下降比较平缓。电流增大，电压恒定时意味着 P2增大，所以n=f(P2)是一条较平的下降曲线（硬特 性）。
直接启动电流：Ist=U/Ra 10~20倍IN
问题：电源电流有限制、电机换向困难
一般直流电动机瞬时过载电流不得超过（1.5~2）IN
第四章 直流电动机
4.1.0 全压直接启动
加全压启动，启动电流
Ia
U Ra
达十倍以上额定电流，仅用于小型电机。
优点：操作简单，不需启动设备。
缺点：冲击电流太大
1、对电网电压影响
4.3.1 机械特性方程 n=f(T)
按电动机惯例，列写回路电压方程：
U=Ea+Ia(Ra+ Rp) Rp: 电枢回路串入的电阻
T CT Ia
第四章 直流电动机
用电枢回路总电阻考虑电刷接触压降。
n=[U-(Ra+Rp)Ia]/(CeΦ) （来自于电压平衡方程）
Ia=T/(CTΦ)
n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T = n0L-kT
4.6 负载的机械特性
第四章 直流电动机
4.7 电动机稳定运行的条件 4.8 他励直流电机调速的方法 4.9 直流电动机的制动 4.10 直流电机的换向
第四章 直流电动机
4.1 直流电动机的启动及及改变转向
启动过程的含义
要求： 1、启动转矩足够大； Tst 的指标 2、启动电流不要太大。Ist 的指标 3、启动设备简单、经济、可靠
串入变阻器时的启动电流为：IStRaU RSt 采用分段切除电阻，可使电机在启动过程中获较大 加速，且加速较均匀，缓和有害冲击。 切除可手动完成，也可自动完成。 优点：启动设备简单，操作方便。 缺点：电能损耗大，设备笨重
第四章 直流电动机
4.1.2 降低电枢电压启动
开始启动时将低电压，则
Ia
U Ra
2)U不同,曲线是一组平行线。
第四章 直流电动机
2、减少气隙磁通的人为机械特性
n UN Ce
Ra CeCT2
T
特点：1）弱磁，n 0增大；
2）弱磁，增大
第四章 直流电动机
4.4 串励直流电动机的机械特性
出发点：n U
CeN
CeC RTa2 N
T
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，所以Ra 是电枢绕组与串励绕组电阻之和且串励电流 I =
其中，n0=U/(CeΦ)为理想空载转速，而
k=(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)为机械特性的斜率 。
一般写法：
n
U Ce
R CeCT 2
T
n0 kT
第四章 直流电动机
n
n0
n
nN
'
0
T
T0
TN
n 0 称为理想空载转速。
实际空载转速
n0
U
R
CeCeCT2 T0
第四章 直流电动机
4.3.2 固有机械特性方程
2、对电机本身影响
只适用于小型电动机启动
第四章 直流电动机
4.1.1 电枢回路串电阻启动
为限制启动电流，在启动时将启动电阻串入电枢 回路，待转速上升后，再逐级将启动电阻切除。
U
S
S1 S2 S3
M
R a R st 1 R st 2 R st 3
第四章 直流电动机
只要 R St 选择适当，能将启动电流限制在允许范围内， 随n的上升可切除一段电阻。
限制在一定范围内。
，并使 I a
采用降压启动时，需专用调压电源，直流发电机，
或可控硅整流电源。
用发电机，调节励磁达到调压；
用可控硅整流电源，用触发号控制输出电压。
优点：启动电流小，能量损耗小，
缺点：设备投资大。
第四章 直流电动机
4.1.3 改变直流电动机转向的方法
T CT Ia
影响转矩符号的因素： 1、磁通 2、电枢电流