5.直流電動機拖動5.1直流電動機機械特性轉矩特性轉速特性轉速與轉矩特性（機械特性，T-n曲線）在不同的勵磁方式下，主磁通隨負載電流的變化不同，導致電機特性的差異。5.1.1電動機穩定運行在恒負載轉矩條件下，下降的機械特性電動機能穩定運行，上升的機械特性電動機不能穩定運行。在交點處，轉速之上則T<Tz,轉速之下則T>Tz5.1.2固有機械特性與人為機械特性如何改變并勵電動機的旋轉方向：R：分別調換勵磁繞組或電樞繞組接頭。不能簡單地改變電源極性，因而電磁轉矩方向與主磁通和電樞電流方向的有關。1.轉矩特性勵磁電流不變。當負載電流很小時，電樞反應的去磁作用很小，近似認為主磁通不變，則與電樞電流成線性關系。當負載電流較大時，電樞反應去磁作用使主磁通有所減小，曲線向下彎曲。固有機械特性負載電流增加，電樞電阻壓降增大，如不計電樞反應的去磁作用即主磁通不變，Ea減小一些，Ea=CeIa，則n隨Ea的下降而有所減小，形成向下的機械特性。如考慮電樞反應的去磁作用將使每極磁通φ減少，并勵電動機的轉速變化很小。電阻電壓降的影響影響較大，轉速特性是略為下傾的。——硬特性（1）固有機械特性分析

額定轉速變化率，表示電機額定負載時的轉速比n0降落的程度。n>n0時為發電機狀態，此時Ea>U,Ia反向，Ea與Ia同向，向電網送出電功率。堵住點:此時電樞電流：為短路電流；電磁轉矩：為電機堵轉轉矩。n0Temn0Tem0n’0TemNnN（2）人為機械特性分析

根據轉速、轉矩公式

人為地改變電動機參數U、R或得到的機械特性，稱為人為機械特性。有三種人為機械特性：（1）電樞回路串電阻的人為機械特性；（2）改變端電壓時的人為機械特性；（3）減弱電動機主磁通時的人為機械特性；電樞回路串電阻的人為機械特性保持U＝UN及＝N不變而在電樞回路中串入電阻Rc，所得的n＝f（T）關系。對于給定的Rc，為常數。Tem0nRa+Rc1Ra+Rc2人為Rc2>Rc1固有Ran0電樞串電阻人為特性的特點：（1）理想空載轉速n0’與固有機械特性的n0相同,（2）斜率，特性變軟，在同一個轉矩下，轉速下降更多。改變端電壓時的人為機械特性保持每極磁通為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變電樞電壓時的機械特性。表達式：一般都為降低的電壓。Tem0n人為UN>U1>U2固有UNn0U1U2改變端電壓人為特性的特點：（1）理想空載轉速比固有特性的理想空載轉速低。端電壓下降越多，其理想空載轉速越低。（2）端電壓不同，但人為特性的斜率跟固有特性的斜率相等，因此各條特性彼此平行。減弱磁通的人為機械特性保持端電壓為額定值不變，電樞回路不串電阻(Rc=0),只改變勵磁電流的機械特性。表達式：額定時，接近飽和，一般都為減弱的磁通。Tem0nN>N’固有Nn0人為N’弱磁通的人為機械特性特點：（1）磁通減弱轉速升高，上調速（2）特性斜率變化（3）適合于恒功率負載5.2直流電動機的起動起動要求：足夠的起動轉矩一定范圍的起動電流起動時間符合生產要求、起動設備簡單、經濟、可靠。tIannIaIst直接起動t=0時，n=0，Ea=0，Ia=U/ra很大（10-50IN），副作用有：損壞電樞繞組、導致換向器環火。隨著速度增加，反電勢增加，電樞電流反而下降。直流電動機的起動要求：直流電動機接到電源以后，轉速從零達到穩定轉速的過程，稱為起動過程。對電動機起動的基本要求：（1）起動轉矩要大；（2）起動電流要小；（3）起動設備要簡單、經濟、可靠。5.2.1他勵直流電機直接起動

將電動機的電樞投入額定電壓的電源上起動。優點：操作簡單，無需另加設備。缺點：沖擊電流大，引起換向困難，產生火花；電源會發生瞬時跌落。適用于容量很小的電動機。將起動電阻串入電樞回路，待轉速上升后，逐步將起動電阻切除。5.2.2電樞回路串變阻器起動R1R2R3Tn0R1+R2+R3R1+R2R1電樞回路串變阻器起動起動電流將起動電流限制在允許的范圍內，選擇合適的Rst，其步驟:（1）根據電動機銘牌數據，估算電動機電樞回路電阻Ra；（2）選取最大起動電流I1，計算最大起動電阻；（3）決定起動電阻級數；（4）計算起動電流比。5.2.3降壓起動一般只適用于大容量頻繁起動的直流電動機，須用專門的調壓電源。優點：起動電流小，起動消耗能量少，升速比較平穩。在起動過程中，可逐步提升電源電壓，使按需要的加速度上升。在實用中，發電機-電動機組即采用降壓起動法，其中，發電機及電動機均采用他勵，以保證起動時有足夠的勵磁電流。“整流器-電動機”組也采用此方法。開始時，降低端電壓，使Ia＝(1.5~2.0)IN,T=(1.5～2.0）TN。隨著轉速的上升，逐步提高電樞電壓，并使電樞電流限制在一定范圍內。優點：起動電流小，起動過程平滑、能量損耗少。缺點：需要一套專用的直流發電機或整流電源，投資費用大。5.3直流電動機的調速基本要求：調速幅度寬廣、調速連續平滑、損耗小、經濟指標高等。電樞回路中的串聯電阻①調節勵磁電流以改變每極磁通Φ；②調節外施電源電壓U；③電樞回路中引入可調電阻量Ra。調速性能：速比：最高與最低速度之比；平滑性或跳級調速；經濟性：損耗、效率調速設備簡單、可靠、操作方便等。直流電動機的調速改變傳動機構的傳動比改變工作機構的速度，稱為機械調速。人為改變電動機的參數（如端電壓、勵磁電流或電樞回路電阻），使同一機械負載得到不同轉速，稱為電氣調速。電動機驅動生產機械，對電動機的轉速不僅要能調節，而且要求調節的范圍寬廣、過程平滑、調節的方法簡單、經濟。直流電動機調速直流電動機的轉速公式：直流電動機的調速方法：（1）改變勵磁電流從而改變磁通；（2）改變施加在電樞兩端的電壓；（3）改變串入電樞回路的調節電阻。5.3.1改變勵磁調速改變勵磁電流調速，實際上是減少勵磁電流的調速，所以又稱弱磁調速。

弱磁調速：保持U＝UN，Rj＝0，僅減小電動機的勵磁電流If使主磁通減小，達到調速目的。TemnIf1PIf2QIf1>If2從兩個穩定點P、Q對應轉速說明減小勵磁可以使轉速升高。弱磁調速的過程If減小瞬間速度不變減小If1If2PQIf1>If2Temn機組加速nEaIaTemTem＝TZ新的平衡，新的Ia和n弱磁調速特點優點：設備簡單，調節方便，能耗小。缺點：單方向調節，轉速調得過高，勵磁過弱，電樞電流變大，換向變壞，出現不穩定。5.3.2改變端電壓調速

保持電動機的＝N不變且無外接電樞電阻，僅降低施加于電動機電樞兩端電壓U達到調速的目的，稱為降壓調速。TemnU1U1>U2>U3U2U3PQ電壓越低，轉速越低，調速方向從基值往下調。調節過程:(留為作業）（1）降壓的人為特性是一簇與固有特性平行的直線，無論是滿載、輕載還是空載都有明顯的調速效果。（2）由于人為特性硬度不變，低速時由于負載變化引起的轉速波動不大。靜態穩定性好，調速范圍大。（3）可平滑調節端電壓，使轉速平滑調節，實現無級調速。（4）調節過程能量損耗小。調壓調速的特點：5.3.3改變電樞回路電阻調速

保持U＝UN且＝N不變，電樞回路中串入調速電阻Rc，使同一個負載得到不同轉速的方法，稱為電樞串電阻調速。串入電樞回路的電阻越大，轉速越低。R2R1PQR1>R2>R3TemnR3電機運行于固有機械特性上的轉速稱為基速。電樞回路串電阻調速的方法，只能從基速往下調。該調速的特點：（1）設備簡單、操作方便。（2）低速時，機械特性很軟，當負載變化時，轉速波動很大。靜態穩定性差，調速范圍不大。（3）由于電阻的不連續調節，因此速度調節不平滑，屬有級調速。（4）電樞電流在Rc上消耗的能量大，調速時效率低。效率與轉速成正比。

調速性能指標（1）調速范圍：電動機在額定負載轉矩下調速時，最高轉速與最低轉速之比。用D表示。（2）靜差率（相對穩定性：也稱轉速變化率。指電動機由理想空載到額定負載時轉速的變化率。靜差率越小，轉速的相對穩定性越好。（3）調速的平滑性：無級調速平滑性最好，有級調速由相鄰兩級轉速中，高一級轉速與低一級轉速之比。（4）調速時電動機的容許輸出：電動機在不同轉速時軸上輸出的功率和轉矩。不同的調速方法允許的輸出不同。（5）經濟性電動機調速時的容許輸出在某轉速下，電機即能充分利用，又能安全運行時輸出的功率和轉矩稱為，調速時的允許輸出功率和轉矩。(1)調壓調速的允許輸出降壓調速、電樞回路串電阻都是降低電樞兩端的電壓。在整個調速范圍允許輸出轉矩為常數，恒轉矩調速方式。允許輸出功率與轉速成正比。保持I不變弱磁調速時的允許輸出弱磁調速時，保持電流I＝IN弱磁調速時，在整個調速范圍內的允許輸出功率為常數，是恒功率調速方式。

其允許輸出轉矩與轉速成反比。負載類型與調速方式的配合恒轉矩負載恒轉矩調速方式：使電機在任何轉速下都滿載運行，能得到充分利用。恒功率調速方法：在n＝nmin時，電動機的轉矩及功率比負載需要的轉矩和負載大得多，電動機沒充分利用，造成浪費。恒轉矩調速方式弱磁控制恒功率負載與調速方式的配合恒功率負載恒轉矩調速方式：高速時電動機需要輸出的轉矩小于額定轉矩，電流小于額定電流，電動機沒有被充分利用。恒功率調速方法：在整個調速范圍內，做到額定轉矩輸出，電機安全且充分利用。恒轉矩調速方式恒功率控制5.4直流電動機的制動斷開電源抱閘能耗制動反接制動回饋制動機械制動電氣制動自由停車5.4.1能耗制動的方法和原理保持勵磁電流If的大小及方向不變，將開關接至RT，電樞從電網脫離經制動電阻RT閉合。參數特點：＝N，U＝0，電樞回路總電阻R＝Ra＋RT實際上是一臺他勵直流發電機。軸上的機械能轉化成電能，全部消耗于電樞回路的電阻上，所以稱為能耗制動。IfUNRTEaIan能耗制動時的機械特性能耗制動的參數代入機械特性的一般表達式，得到能耗制動時的機械特性：制動過程：Tn固有串電阻反抗性負載停車位能性負載穩速下放即在轉動方向產生阻力矩能耗制動nTMABCGH制動時，制動轉矩由B點開始沿直線BC下降至零制動過程中，電樞電流為電磁轉矩 為制動性質轉速轉矩特性為

結論：制動時，機械特性為過原點的直線制動過程：開始時，由穩定運行的工作點A，突然跳到B；此后，制動轉矩將隨電機轉速的下降而沿BC下降，直至零，轉速為零。特點：制動轉矩在低速時變化很小，可加上機械制動閘，加快停轉。制動電阻RZ俞小，機械特性愈平，制動愈快；如帶位能負載，當電機停止后，將在反方向加速（第四象限，n<0,T>0）5.4.2反接制動的方法和原理反接制動轉速反向（用于位能負載）電樞反接（用于反抗性負載）（電動勢反向）（電壓反向）(1)轉速反向的反接制動If及端電壓UN不變，僅在電樞回路串入足夠大的制動電阻RT，使該人為特性與負載轉矩特性的交點處于第四象限。不同的RT，可得到不同的穩定轉速。nTem0nABCDAnD電壓平衡式：機械特性：轉速反向的反接制動能量關系：U及Ia的方向與電動狀態相同，UIa表示由電網輸入的功率；Ea的方向與電動狀態時相反，EaIa表示輸入的機械功率在電樞內變成電磁功率；UIa與EaIa兩者之和消耗在電樞電路的電阻(Ra＋RT)上。(2)電樞反接的反接制動保持If不變，將開關向下合閘，使電樞經制動電阻RT而反接于電網上。參數特點：＝N，U＝－UN。R=Ra+RT.IfUNRTEaIanTemnAABCDE電動下固有不串RT串RTnE電樞反接的反接制動機械特性：能量關系：從電網吸收的電能和軸上輸入的機械能都消耗在電樞回路的電阻上。

電壓平衡式：（Ia反向）電樞反接的反接制動特點：（1）可以很快使機組停機；（2）需要加入足夠的電阻，限制電樞電流；（3）轉速至零時，需切斷電源。5.5直流電動機的回饋制動當電動機的轉速高于某一數值時，電動機的反電勢E大于電機電源電壓，即E>U，電樞電流將反向，電機進入發電機的運行狀態而起制動作用，可限制轉速的持續上升。適用于由串勵電動機驅動的升速場合，如電車下坡。為保證勵磁，需將