第4章他例直流電動機的運行

----起動、調速和制動

直流電動機的起動直流電動機的調速直流他勵電動機的各種工作狀態分析本章小結本章內容電動機的啟動：施電于電動機，使電動機從靜止狀態加速到所要求的穩定轉速時的過程。4.1直流電動機的啟動STARTINGASEPARATELYEXCITEDMOTORstartingmethodsIfweapplyfullvoltagetoastationarymotor,thestartingcurrentinthearmaturewillbeveryhighandweruntheriskofa,burningoutthearmatureb,damagingthecommutatorandbrushes,duetoheavysparkingc,overloadingthefeederd,snappingofftheshaftduetomechanicalshocke,damagingthedrivenequipmentbecauseofthesuddenmechanicalhammerblowAlldcmotorsmust,therefore,beprovidedwithameanstolimitthestartingcurrenttoreasonablevalues,usuallybetween1.5andtwicefull-loadcurrent.依據系統運動方程式可知，要使電動機啟動，必須要有T>TL，直流他勵電動機啟動時，為保證所通入的電樞電流能產生轉矩，必須保證先有磁場，即先通勵磁電流，后加電樞電壓。限制Iast的措施：（1）啟動時在電樞回路串電阻。（2）啟動時降低電樞電壓。全壓啟動（直接啟動）直接啟動時,n=0

Ea=0，若加入額定電壓，則Is太大，會使換向器產生嚴重的火花，燒壞換向器。一般Iast限制在(2.5-1.8)IaN內。(1)若電動機原本靜止，由于勵磁轉矩T=CT

Ia，

而

0

，電機將不能啟動，因此，電樞電動勢為零，電樞電流會很大，電樞繞組有被燒毀的危險。直流機在啟動和工作時，勵磁電路一定要接通，不能讓它斷開，而且啟動時要滿勵磁。否則，磁路中只有很少的剩磁，可能產生以下事故：注意：（2）如果電動機在有載運行時磁路突然斷開，

則E

，Ia

，T和

，可能不滿足TL的要求，電動機必將減速或停轉，使

Ia更大，也很危險。（3）如果電機空載運行，可能造成飛車。

E

Ia

T>>

T0

n

飛車Thesolutionistoconnectaresistanceinserieswiththearmature.Theresistanceisgraduallyreducedasthemotoracceleratesandiseventuallyeliminatedentirely，whenthemachinehasattainedfullspeed.

具有一段啟動電阻的他勵電動機的啟動特性原理電路圖啟動特性4.1.2在電樞回路內串接外加電阻啟動具有兩段啟動電阻的他勵電動機的啟動特性具有三段啟動電阻的他勵電動機的啟動特性4.1.3降電壓啟動降壓啟動Reduced-voltagestartingThevoltagegraduallyrisesasthespeedincreases.

降壓啟動時，需要一個電壓可調的直流電源。在啟動過程中加上合適的電壓值使Ia保持為所需的數值。由Ia＝（Ua－Ea）/Ra可知，為保持Ia不變，Ua－Ea應不變。啟動初期Ea為零或很小，Ua也很小，當轉速n逐步升高時，Ea在逐步增大，應使電樞電壓Ua也同步增加，直至達到所需的轉速。例4.1某他例直流電動機額定電壓為96KW,額定電壓為440V，額定電流為250A，額定轉速為500r/min。電樞總電阻為0.078歐，拖動為額定大小的恒轉矩負載運行，忽略空載轉矩。求：

若采用電樞回路串電阻啟動，啟動電流為2IN，計算應串入的電阻值及啟動轉矩。若采用降壓啟動，條件同上，求電壓應降至多少，及啟動轉矩。三種調速方法：降壓調速；電樞回路串電阻調速；改變磁通調速，即弱磁調速。直流他勵電動機調速SPEEDCONTROLMETHODS這種調速方法簡單，但串聯電阻不能太多，屬有級調速，耗能較大，只用于小型直流機。一、電樞回路串電阻調速在電樞中串入電阻，使

、

n0不變，即電機的特性曲線變陡（斜率變大），在相同轉矩下，n

nn0RaRa+

RT二、改變電源電壓調速由轉速特性方程知：調電樞電壓U，n0變化，斜率不變，所以調速特性是一組平行曲線。這種調速方法是屬于恒轉矩調速，適于恒轉矩負載的生產機械。特性曲線nn0"n0'n0電壓降低T改變電源電壓調速的特點（1）工作時電樞電壓一定，電壓調節時，不允許超過UN，，而n

U，所以調速只能向下調。（2）可得到平滑、無級調速。（3）特性硬度大，調速幅度較大，在冶金、機床、礦井提升以及造紙機等方面得到廣泛應用。ReducingvoltagespeedcontrolIfthefluxperpoleΦiskeptconstant(permanentmagnetfieldorfieldwithfixedexcitation),thespeeddependsonlyuponthearmaturevoltageEa.ByraisingorloweringEa,themotorspeedwillriseandfallinproportion.

n和

有關，在U一定的情況下，改變

可改變n。在勵磁回路中串上電阻Rf，改變Rf大小調節勵磁電流，從而改變

的大小。三、改變磁通（調磁）（

減小）TLRf增加Tn

磁通減小以后特性上移，而且斜率增加。

Rf

If

n

，但在額定情況下，

已接近飽和，If再加大，對

影響不大，所以這種增加磁通的辦法一般不用。

Rf

If

n

，減弱磁通是常用的調速方法。If的調節有兩種情況：結論：改變磁通調速的方法—減小磁通，n只能上調。調速過程:

U一定,則Rf

E

Ia

T

n

Ia

E

最后達到新的平衡暫時T

>TL（1）調速平滑，可做到無級調速，但只能向上調，受機械本身強度所限，n不能太高。（2）調的是勵磁電流（該電流比電樞電流小得多），調節控制方便。損耗功率極小，經濟效果較高。因為電動機發熱所允許的電樞電流不變，所以電動機的轉矩隨磁通Φ的減小而減小，故這種調速方法是恒功率調節，適于恒功率性質的負載。減小

調速的特點：例4-2某臺他例直流電動機，額定功率為22KW,額定電壓220V，額定電流115A，額定轉速1500r/min，電樞回路總電阻0.1歐，忽略空載轉矩。電動機帶額定負載運行，要求把轉速降到1000r/min.求采用電樞串電阻調速需串入多大電阻？采用降電壓調速需要把電源電壓降到多少？上述兩種調速情況下，電動機的輸入功率與輸出功率（忽略勵磁回路功率）。例：已知他勵電動機的PN=1.2KW,UN=220V,IaN=11.4ARa=0.5,nN=1500r/min。求：（1）TL=0.5TN時,

n=?（2）

=0.8

N時,

n=?解：（1）TL=0.5TN時例（2）

=0.8

N時恒轉矩調速與恒功率調速恒轉矩調速：不管轉速是多少，如果保持其電樞電流和每極磁通都為額定值，即對應的電磁轉矩為額定值。恒功率調速：保持電樞電流為額定值，采用弱磁升速。此時，電磁轉矩減小，電機轉速升高。此時電磁功率不變。例4-4例4-5

調速的基本概念

調速是指根據生產機械和生產工藝的要求，人為或自動改變拖動系統的轉速，也稱為速度調節。調速的目的：滿足生產的需要，提高工作機械的生產率，保證產品質量和設備經濟運行。

調速的實質：改變拖動系統的穩定運行點，即從某一穩定轉速過渡到另一個穩定轉速。4.2直流電動機的調速調速與轉速變化是兩個不同的概念速度變化是在某條特性下，由于負載變化所引起的；速度調節則是在同一負載下，人為改變電動機機械特性而得到的。調速范圍D

在額定負載時，電動機最高工作轉速與最低工作轉速之比稱為調速范圍。一般用D來表示，即

調速范圍越大越好調速范圍D與靜差率δ兩項性能指標是相互制約的。最高轉速nmax受電動機換向和系統機械強度的限制，而最低轉速nmin受轉速相對穩定性的限制，即靜差率的限制。靜差率δ靜差率δ又稱轉速變化率，是指電動機由理想空載轉速n0到額定負載時轉速的變化率

在n0相同時，機械特性越硬，△n就越小，δ就越小，電動機的相對穩定性就越高。機械特性硬度相同時，n0越小，因為△n相同，δ就越大。不同機械特性下的靜差率調速平滑系數調速的平滑性用平滑系數衡量，其定義是相鄰兩級轉速之比

平滑系數越小調速越平滑。當i趨近無窮大，平滑系數趨近1時，為無級調速。調速的經濟指標經濟性主要考慮調速系統的初期投資、調速時的能量損耗以及設備的維護費用等。可用設備效率來說明

4.3直流他勵電動機的電動與制動運行

電動機的制動是與啟動相對應的一種工作狀態啟動是從靜止加速到某一穩定轉速的運轉狀態；制動是從某一穩定轉速開始減速到停止或是限制位能負載下降速度的的運轉狀態。直流電動機的制動

BRAKINGASEPARATELYEXCITEDMOTOROnewaytobrakeamotorisbysimplemechanicalfriction,inthesamewaywestopacar.Amoreelegantmethodconsistsofcirculatingareversecurrentinthearmature,soastobreakthemotorelectrically.Thecommonbrakingmethodsare:DynamicbrakingReversingbrakingRegenerativebraking電動機的制動與自然停車是兩個不同的概念。自然停車，指切斷電源靠很小的摩擦轉矩消耗機械能直至最后停車，需要時間較長；制動，指電動機工作在制動狀態，快速停車或限制位能負載下降速度。電動：當電動機在外加電源的作用下，產生與系統運動方向一致的轉矩，并通過傳動機構拖動生產機械工作。（T與n方向一致）制動：指電動機從某一穩定的轉速開始減速到停止或限制位能負載的下降速度時的一種運轉過程。（T與n方向相反）直流他勵電動機有兩種基本的運行狀態：電動運行狀態和制動運行狀態。電動運行：T與n同向正向電動運行：T>0,n>0反向電動運行:T<0，n<01）能耗制動Dynamicbraking

電樞斷電后立即接入一個電阻。methodandprincipleletusclosetheswitchonthesecondsetofcontactssothatthearmatureissuddenlyconnectedtotheexternalresistor.voltageE0willimmediatelyproduceanarmaturecurrentI2.however,thiscurrentflowsintheoppositedirectiontotheoriginalcurrentI1.itfollowsthatareversetorqueisdevelopedwhosemagnitudedependsuponI1.thereversetorquebringsthemachinetoarapid,butverysmoothstop.4.3直流他勵電動機的各種工作狀態分析

MUUfIf+–R運行制動KMUUfIf+–R運行制動K停車時，電樞從電源斷開,接到電阻上，這時：由于慣性電樞仍保持原方向運動，感應電動勢方向也不變，電動機變成發電機，電樞電流的方向與感應電動勢相同，從而電磁轉矩與轉向相反，起制動作用。4.3直流他勵電動機的各種工作狀態分析

能耗制動機械特性4.3直流他勵電動機的各種工作狀態分析

電動狀態下，電動機的電磁轉矩T為如圖所示向上的方向，與轉速n的方向相同，是拖動性質的轉矩；而在能耗制動狀態下，轉矩的作用方向是向下的，與轉速n的方向相反，是制動性質的轉矩。此制動轉矩同時受與轉速方向相反的負載轉矩共同作用，而使系統處于減速狀態。系統工作于制動狀態時，其機械特性為(a)正向電動狀態(b)能耗制動狀態(c)機械特性

圖4.11直流他勵電動機能耗制動示意圖

能耗制動通常應用于拖動系統需要迅速而準確地停車及卷揚機重物的恒速下放的場合。2）反接制動

ReversingbrakingMUUfIf+–R運行制動電阻R的作用是限制電源反接制動時電樞的電流過大。(1)methodandprincipleLetusreversethearmaturecurrentbyreversingtheterminalsofthesourceandintroducearesisterinserieswiththereversingcircuit.VoltageE0willimmediatelyproduceanarmaturecurrentI2.however,thiscurrentflowsintheoppositedirectiontotheoriginalcurrentI1.itfollowsthatareversetorqueisdevelopedwhosemagnitudedependsuponI2.thereversetorquebringsthemachinetoarapid,butverysmoothstop.Note:

Assoonasthemotorstops,wemustimmediatelyopenthearmaturecircuit;otherwiseitwillbegintoruninreverse.什么是反接制動？他勵電動機的電樞電壓U在外部條件作用下改變方向，電動機則處于反接制動狀態（第二象限）。電源反接制動應用場合一般應用在生產機械要求迅速減速、停車和反向的場合以及要求經常正反轉的機械上。4.3直流他勵電動機的各種工作狀態分析

由特性1上的nc由特性2上的nd由特性3上的ne，電動機停轉。對位能負載而言，反接制動有兩種情況：

(1)轉速反向的反接制動。電動機正向電動運行，逐漸增加制動電阻Rk，電動機轉速不斷下降。正向電動狀態

機械特性

4.3直流他勵電動機的各種工作狀態分析

電動機帶不動負載，被負載(重物)帶動反轉，產生了“倒拉”現象，轉速n反向，電動勢反向，轉速n與轉矩T方向相反，此時電動機處于制動狀態。如再增大Rk

，使起動轉矩Tst<TL

轉速反向的反接制動狀態

機械特性

可以寫出電樞回路的電壓平衡方程式，即兩端同乘以電流可得其功率平衡方程式式中——機械功率轉換成的電磁功率(W)；

——電網向電樞輸入的電功率(W)；

——電樞回路消耗的電功率(W)。4.3直流他勵電動機的各種工作狀態分析

轉速反向的反接制動狀態

機械特性

結論：從電網輸入的電功率以及由機械功率轉換成的電磁功率，兩者都消耗在電樞回路的電阻上。由此可見，反接制動的能耗很大。4.3直流他勵電動機的各種工作狀態分析

(2)電樞電壓反接的反接制動電動機正向電動運行電樞電流反向，電動機的轉矩反向，與n方向相反，為制動轉矩系統減速繼續直到系統的轉速為零，這時電動機反電動勢也為零，但電路的電流不為零由于有電源電壓U存在，系統會自行反轉而進入反向電動狀態。要停車，切斷電源加上抱閘，負載停止運動，電壓反接制動，轉速為零。

同時在電樞回路中串個大的制動電阻若突然把電樞電壓反接反電動勢電路的電流電動機的制動轉矩4.3直流他勵電動機的各種工作狀態分析

正向電動狀態A點，在電樞電壓反接瞬間，由于系統的機械慣性，轉速n不變，Ea不變，電動機由A點到B點。電樞反接，所以U為負，電樞電流為在此反向電流的作用下，系統減速，由反接制動特性上的B點向C點變化。到C點如不切除電樞電源，系統會自行反轉而進入反向電動狀態，直到最終穩定在第四象限的E點。(a)正向電動狀態

(c)機械特性

(b)電壓反接的反接制動狀態

圖4.14直流他勵電動機電壓反接的反接制動示意圖

4.3直流他勵電動機的各種工作狀態分析

電樞反接的反接制動的能量關系，從電樞電路的電壓平衡方程式出發，有功率平衡方程式為

即從電網輸入的電功率以及由機械功率轉換成的電磁