直流电动机的特性及运用

第六章直流電動機的特性及運用

一、直流電動機的分類：

二、直流電動機的基本概念：

1.轉矩T

2.反電勢E b

3.轉速n

4.電樞內生機械功率P m

5.速率調整率SR%

三、直流電動機的特性曲線：

1.轉矩特性曲線：表示輸出轉矩(T L)與負載電流(I L)的關係

2.轉速特性曲線：表示輸出轉速(n)與負載電流(I L)的關係

(一)外激式的特性及用途：

(1)等效電路：

(2)轉速特性：

○1無載時：I a很小(E b≒V)，故轉速n=

○2負載↑，磁通Φ固定不變，E b=V-I a R a微微下降，因此轉速稍下降可視為定速電動機。

(3)轉矩特性：

∵T=KΦI a，若I a↑則T↑，故轉矩特性為一上升的直線。

(4)用途：

適用於調速範圍廣且需維持定速場合，如華德黎翁那德控制系統

中的直流電動機。

(二)分激式的特性及用途：

(1)等效電路：

(2)轉速特性：與外激式相似

運轉中若磁場突然斷路，則Φ=0、E b=0，轉速將增加到極大，而有飛脫之虞，因此需加裝保護設備。

(3)轉矩特性：與外激式相似

(4)用途：

分激電動機因轉速下降幅度極小，可視為定速電動機；而且可利用調整磁場電阻大小來改變轉速，因此又可視為調速電動機。

一般用於印刷機、鼓風機、車床。

(三)串激式的特性及用途：

(1)等效電路：

(2)轉速特性：

○1無載時：因I a=0，Φ=0，轉速相當高有飛脫之虞，故不可在無載

時運轉，且電動機與負載連接必須直接耦合不能使用皮帶，否則

可能因皮帶斷裂而有飛脫之虞。通常會加裝離心開關作保護。

○2輕載時：

Φ未飽和，ΦαI a

轉速n=V-I a(R a+R s)/KΦ，nα1/I a為一條雙曲線。

○3重載時：

Φ已飽和，Φ與I a無關為一定值

轉速n=V-I a(R a+R s)/KΦ，nαV-I a(R a+R s) 為一條下降直線。

(3)轉矩特性：

○1輕載時：

Φ未飽和，ΦαI a

轉矩T=KΦI a→TαI a2為一條拋物線

○2重載時：

Φ已飽和，Φ與I a無關為一定值

轉矩T=KΦI a→TαI a為一條上升直線

(4)用途：

○1負載變動時I a，隨之改變，使轉速有相當大的變動，是為變速電

動機，速率調整率為正值。

○2具有高轉速低轉矩，低轉速高轉矩的特性，因此有向電源取用恒

定功率的特性。

○3主要用於需高啟動轉矩或高轉速的場合，如起重機、電車、果汁

機、吸塵器等。

(四)複激式電動機

1.積複激電動機：

(1)等效電路：

(2)轉速特性：n=

○1輕載時：電樞電流I a很小，Φs亦小，故轉速特性與分激相似。

○2負載上升：電樞電流I a上升，Φs亦上升，因此轉速比分激下降多，大約介於定速與變速之間。

(3)轉矩特性：T=

○1輕載時：電樞電流I a很小，Φs亦小，故轉矩與分激相似。

○2負載上升：電樞電流I a上升，Φs亦上升，因此轉矩比分激大。

(4)用途：兼具有串激高啟動轉矩及分激定速的特性，故一般用於突

然施以重載的地方，如鑿孔機、沖床、滾壓機。

2.差複激電動機

(5)等效電路：

(6)轉速特性：n=

○1輕載時：電樞電流I a很小，Φs亦小，故轉速特性與分激相似，但略比分激高。

○2負載上升：電樞電流I a上升，Φs亦上升，因此轉速上升，速率調整率為負值。

(7)轉矩特性：T=

○1輕載時：電樞電流I a很小，Φs亦小，故轉矩特性與分激相似，但略比分激小。

○2負載上升：電樞電流I a上升，Φs亦上升，因此轉矩隨負載增加，

但當Φs上升到某值時，T反而會下降，所以轉矩為先升後降。

○3若負載持續上升，使Φs=Φf此時轉矩T=0，而轉速極高造成電

機不穩的現象；若使Φs﹥Φf則將使電機產生反向轉矩，因此

差複激在啟動時通常將串激繞組短接，以防止產生反向啟動且

可增加啟動轉矩。

四、直流電動機的啟動與控制

1.良好的啟動狀態：啟動電流小、啟動轉矩大。

2.啟動電阻之計算：

○1啟動瞬間：n=0，反電勢E b=0，因此電樞電流很大，可利用電樞電路串聯電阻來降低啟動電流(啟動電流限定約為滿載電流的1.25~2.5倍)。

○2啟動中轉速愈來愈高，電樞電流愈來愈小，需將串聯的電阻逐步去掉。

○3一般1/3馬力以下的小型電機，因轉動慣性小可直接啟動。

○4直流電動機啟動時，需將場電阻器調至最小值，使轉矩增加，縮短啟動時間；電樞電阻器調至最大，以限制啟動電流。

3.直流電動機的啟動器：

可分為：

○1人工啟動器：

三點式：無場釋放器

四點式：無壓釋放器

○2自動啟動器：

反電勢型：

限流型：

限時型：

五、直流電動機的速率控制

由轉速公式可知，欲控制電動機的轉速其方法有三：

1.改變磁場強弱來控制轉速，稱為磁場控速法：

○1分激磁場利用串聯可變電阻來控制磁場大小

○2串激磁場利用並聯可變電阻來控制磁場大小

在控制過程中，因磁場只有變小的狀況，因此其轉速只能在基準轉速以上做調整。

優點：成本低、效率高，電動機控速大都用此法。

缺點：○1當磁場減小至某範圍以下時，將產生極高的轉速，而有飛脫的危險，因此只能用於1.5倍的基準轉速內。

○2只能用於基準轉速以上控制，對於基準轉速以下的控制則無能為力。

○3速率提高，使其換向更困難。

2.改變電樞電阻大小來控制轉速，稱為電樞電阻控制法：

於電樞電路中插入可變電阻，來改變I a R a大小而達到轉速控制的目的。

在控制過程中，因I a R a只有變大的狀況，因此其轉速只能在基準轉速以

下做調整。

優點：構造簡單，可在基準轉速下做控制。

缺點：輕載時調速不佳，重載時外加電阻消耗功率大，造成效率差。

3.利用改變外加電壓來改變轉速，稱為電壓控制法：

此方法只適用於他激式發電機，一般以華德黎翁那德控制系統為代表。