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1、电机与电气控制案例教程电机与电气控制案例教程 第三章第三章 直流电动机与拖动控制直流电动机与拖动控制3.1 案例案例1：直流电动机起动控制电路：直流电动机起动控制电路 直流电动机在机床设备中应用较为广泛，尤其并励直流电动直流电动机在机床设备中应用较为广泛，尤其并励直流电动机和他励直流电动机是应用广泛的动力设备；而在牵引设备机和他励直流电动机是应用广泛的动力设备；而在牵引设备中，则以串励直流电动机应用较多。中，则以串励直流电动机应用较多。 通过不同的电气控制电路实现对直流电动机运动的控制。而通过不同的电气控制电路实现对直流电动机运动的控制。而不管多么复杂的控制电路都是由最基本的控制环节组成。因此
2、，不管多么复杂的控制电路都是由最基本的控制环节组成。因此，掌握控制线路最基本的控制环节是熟练分析电气控制线路工作掌握控制线路最基本的控制环节是熟练分析电气控制线路工作原理和维修的关键，也是成功设计控制系统的基础。原理和维修的关键，也是成功设计控制系统的基础。 控制直流电动机运行和停止的手段通常采用启动控制电路来控制直流电动机运行和停止的手段通常采用启动控制电路来实现，它是最基本的直流电动机控制电路实现，它是最基本的直流电动机控制电路 。3.1.1【解决方案解决方案】控制电路的实现控制电路的实现 直流电动机在起动最初的一瞬间，因为直流电动机的转速等于直流电动机在起动最初的一瞬间，因为直流电动机的
3、转速等于零，则反电势为零，所以电源电压全部施加在直流电动机电枢绕零，则反电势为零，所以电源电压全部施加在直流电动机电枢绕组的电阻及线路电阻上。通常这些电阻都是极小的，所以这时电组的电阻及线路电阻上。通常这些电阻都是极小的，所以这时电枢电流很大，起动电流可达额定电流的枢电流很大，起动电流可达额定电流的1020倍。这样大的起动倍。这样大的起动电流将会导致直流电动机换向器和电枢绕组的损坏，同时大的起电流将会导致直流电动机换向器和电枢绕组的损坏，同时大的起动电流产生的电磁转矩和起动加速度对机械传动部件也将产生强动电流产生的电磁转矩和起动加速度对机械传动部件也将产生强烈的冲击。为此，如外加的是恒定直流电
4、压，则必须在直流电动烈的冲击。为此，如外加的是恒定直流电压，则必须在直流电动机的电枢回路中串入附加电阻来起动，用以限制起动电流。机的电枢回路中串入附加电阻来起动，用以限制起动电流。 以直流并励电动机来说明，在直流电动机启动时需在施加电以直流并励电动机来说明，在直流电动机启动时需在施加电枢电压之前，先加上额定励磁电压，以保证直流电动机在起动枢电压之前，先加上额定励磁电压，以保证直流电动机在起动过程中产生足够大的反电势，迅速减小起动电流和保证足够大过程中产生足够大的反电势，迅速减小起动电流和保证足够大的起动电磁转矩，加速起动过程。的起动电磁转矩，加速起动过程。 用按钮、继电器和接触器组成的直流并励
5、电动机起动控制电用按钮、继电器和接触器组成的直流并励电动机起动控制电气原理图如图气原理图如图3-1所示。所示。 图图3-1中电枢回路串接的电阻为降压起动电阻。中电枢回路串接的电阻为降压起动电阻。 原理图原理图分为分为主电路和控制电路主电路和控制电路两部分。两部分。 主电路主电路包括直流电动机的励磁回路和电枢回路：包括直流电动机的励磁回路和电枢回路： 是从直流电源经电源开关是从直流电源经电源开关QS、接触器、接触器KM的两组主触点到的两组主触点到直流电动机直流电动机M的励磁绕组和电枢绕组构成。的励磁绕组和电枢绕组构成。 控制电路控制电路是从直流电源经电源开关是从直流电源经电源开关QS、接触器、接
6、触器KM的电磁线的电磁线圈及圈及KM的一对辅助常开触点、起动控制按钮的一对辅助常开触点、起动控制按钮SB1、停止控、停止控制按钮制按钮SB2构成。构成。图图3-1直流并励电动机起动控制电气原理图直流并励电动机起动控制电气原理图 工作原理如下：工作原理如下： 停止：停止：按下按钮按下按钮SB2 接触器接触器KM断电释放断电释放 电动机电动机M断电停止断电停止 起动：起动：合电源开关合电源开关QS 按下按钮按下按钮SB1 接触器接触器KM通电通电吸合并自锁吸合并自锁 电动机电动机M串入电阻起动。串入电阻起动。 随着电动机的转速逐渐上升，电动机电枢电流的逐渐减小，随着电动机的转速逐渐上升，电动机电枢
7、电流的逐渐减小，电阻上的压降下降，电压继电器电阻上的压降下降，电压继电器KA线圈两端电压逐渐上升，线圈两端电压逐渐上升，KA线圈两端电压上升到其动作值时线圈两端电压上升到其动作值时 KA的常开触点闭合的常开触点闭合 短接了电阻，电动机在额定电压下运行。短接了电阻，电动机在额定电压下运行。 3.1.2【知识进阶知识进阶】直流电机的结构与基本原理直流电机的结构与基本原理 直流电机包括直流电机包括直流发电机和直流电动机直流发电机和直流电动机。 直流电动机具有良好的起动和调速性能，一般应用于对起动和直流电动机具有良好的起动和调速性能，一般应用于对起动和调速有较高要求的拖动系统，例如轧钢机、龙门刨床、电
8、车等。调速有较高要求的拖动系统，例如轧钢机、龙门刨床、电车等。 直流电动机的缺点是存在换向问题，使其在最高转速、单机容直流电动机的缺点是存在换向问题，使其在最高转速、单机容量和使用环境都受到一定的限制。量和使用环境都受到一定的限制。 近年来由于交流调速的发展，直流电动机一统调速系统的局面，近年来由于交流调速的发展，直流电动机一统调速系统的局面，受到了极大地挑战受到了极大地挑战 。 直流电机直流电机是以电磁感应定律和电磁力定律为基础的带有换是以电磁感应定律和电磁力定律为基础的带有换向装置的实现电能和机械能相互转换的旋转的电磁机械。向装置的实现电能和机械能相互转换的旋转的电磁机械。 1. 直流电机
9、的基本原理直流电机的基本原理 （1）直流发电机的基本工作原理）直流发电机的基本工作原理 图图3-2 直流发电机原理图直流发电机原理图 图图3-2是一台两极直流发电机是一台两极直流发电机的原理图。图中的原理图。图中N、S是静止是静止的磁极，它产生磁通。能够的磁极，它产生磁通。能够在两磁极之间转动的铁心和在两磁极之间转动的铁心和线圈线圈ab和和cd称为转子称为转子(通称电通称电枢枢)。线圈的两个端头接在相。线圈的两个端头接在相互绝缘的两个铜质半圆环互绝缘的两个铜质半圆环1和和2上（称为换向片），在空间上（称为换向片），在空间静止的电刷静止的电刷A和和B与换向片滑与换向片滑动接触，使旋转的线圈与外动
10、接触，使旋转的线圈与外面静止的电路相连接。面静止的电路相连接。 工作原理：工作原理：当原动机拖动发电机以恒定转速转动时，线圈的两个边当原动机拖动发电机以恒定转速转动时，线圈的两个边ab和和cd切割磁力线，根据电磁感应定律可知，必在其中产生感应电势，其切割磁力线，根据电磁感应定律可知，必在其中产生感应电势，其方向可由右手定则判定。如图方向可由右手定则判定。如图3-2所示，电枢逆时针方向旋转，此所示，电枢逆时针方向旋转，此时导线时导线ab中感应电势方向由中感应电势方向由b指向指向a；而导线；而导线cd中感应电势的方向中感应电势的方向由由d指向指向c。因电势是从低电位指向高电位，此时。因电势是从低电
11、位指向高电位，此时A刷为正电位，刷为正电位，B刷为负电位。外电路中的电流，由刷为负电位。外电路中的电流，由A刷经负载流向刷经负载流向B刷。刷。当电枢旋转当电枢旋转180，导线，导线ab转至转至S极中心下，导线极中心下，导线cd转到转到N极中极中心下，它们的感应电势方向改变了。导线心下，它们的感应电势方向改变了。导线ab的感应电势方向变为由的感应电势方向变为由a指向指向b，导线，导线cd中的感应电势方向变为由中的感应电势方向变为由c指向指向d。a所接的换向片所接的换向片1转至与转至与B刷相接触，刷相接触，d所接的换向片所接的换向片2转到与转到与A刷相接触。这时，刷相接触。这时，A刷仍具有正电位，
12、刷仍具有正电位，B刷仍具有负电位。外电路中的电流，仍是由刷仍具有负电位。外电路中的电流，仍是由A刷经负载流向刷经负载流向B刷。刷。 电枢旋转时，线圈中产生交变电势，由于换向片和电刷即电枢旋转时，线圈中产生交变电势，由于换向片和电刷即换向装置的作用，使电刷换向装置的作用，使电刷A和和B始终具有一定的极性，这就是始终具有一定的极性，这就是直流发电机的基本工作原理。直流发电机的基本工作原理。 （2）直流电动机的基本工作原理）直流电动机的基本工作原理 图图3-3 直流电动机原理图直流电动机原理图 图3-3是直流电动机的原理图。直流电动机工作时接于直直流电动机工作时接于直流电源上，如流电源上，如A刷接电
13、源正刷接电源正极，极，B刷接电源负极。刷接电源负极。 工作原理：工作原理：电流从电流从A刷流人，经线圈刷流人，经线圈abcd，由，由B刷流出。图刷流出。图3-3所示之瞬间，在所示之瞬间，在N极下的导线极下的导线ab中电流是由中电流是由a到到b；在；在S极下的极下的导线导线cd中电流方向由中电流方向由c到到d。根据电磁力定律知道，载流导体在。根据电磁力定律知道，载流导体在磁场中要受力，其方向可由左手定则判定。导线磁场中要受力，其方向可由左手定则判定。导线ab受力的方向受力的方向向左，导线向左，导线cd受力的方向向右。两个电磁力对转轴所形成的电受力的方向向右。两个电磁力对转轴所形成的电磁转矩为逆时
14、针方向，电磁传矩使电枢逆时针方向旋转。磁转矩为逆时针方向，电磁传矩使电枢逆时针方向旋转。 当线圈转过当线圈转过180，换向片，换向片2转至与转至与A刷接触，换向片刷接触，换向片1转至与转至与B刷接触。电流由正极经换向片刷接触。电流由正极经换向片2流人，导线流人，导线dc中电流由中电流由d流向流向c，导线导线ba中电流由中电流由b流向流向a，由换向片，由换向片1经经B刷流回负极。导线中刷流回负极。导线中的电流方向改变了，导线所在磁场的极性也改变了，电磁力及的电流方向改变了，导线所在磁场的极性也改变了，电磁力及电磁力对转轴所形成的电磁转矩的方向未变，仍为逆时针方向，电磁力对转轴所形成的电磁转矩的方
15、向未变，仍为逆时针方向，这样可使电动机沿一个方向连续旋转下去。这样可使电动机沿一个方向连续旋转下去。 通过换向装置，使每一极性下的导体中的电流方向始终不通过换向装置，使每一极性下的导体中的电流方向始终不变，因而产生单方向的电磁转矩，电枢向一个方向旋转。这就变，因而产生单方向的电磁转矩，电枢向一个方向旋转。这就是直流电动机的基本工作原理是直流电动机的基本工作原理 。 由上述分析可以看出，直流电机是以电磁感应定律和电磁由上述分析可以看出，直流电机是以电磁感应定律和电磁力定律为理论基础的。导体在磁场中作切割磁力线运动时便在力定律为理论基础的。导体在磁场中作切割磁力线运动时便在其中产生感应电势，载流导
16、体在磁场中要受到电磁力的作用。其中产生感应电势，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用。直流电机借助换向装置，实现电枢线圈中的交流电与外电路中直流电机借助换向装置，实现电枢线圈中的交流电与外电路中的直流电之间的相互转换。的直流电之间的相互转换。 一台直流电机原则上既可作为发电机运行，也可以作为电动机运行，一台直流电机原则上既可作为发电机运行，也可以作为电动机运行，只是外界条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，可以将只是外界条件不同而已。如用原动机拖动直流电机的电枢旋转，可以将机械能变换成电能，成为发电机运行；若在直流电机的两电刷上加上直机械能变换成电能，成为发电机运行；若在直流电机的两电
17、刷上加上直流电源，则成电动机运行。同一台电机，既可作发电机运行又可作电动流电源，则成电动机运行。同一台电机，既可作发电机运行又可作电动机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。机运行的原理，在电机理论中称为可逆原理。 2. 直流电机的结构直流电机的结构 直流电机的结构如图直流电机的结构如图3-4和图和图3-5所示所示. 图图3-4 直流电机的轴向剖面图直流电机的轴向剖面图 图图3-5 直流电机的径向剖面示意图直流电机的径向剖面示意图 1-底脚；底脚；2-电枢铁心；电枢铁心；3-电枢绕组；电枢绕组；4-换向极绕组；换向极绕组；5-换向极铁心；换向极铁心；6-机座；机座；7-主极铁心；主极铁心；8-
18、励磁绕组；励磁绕组；9-电枢槽；电枢槽；10-电枢齿；电枢齿；11-极靴极靴 图图3-6 直流电机的主磁极直流电机的主磁极 1-机座；机座；2-主极铁心；主极铁心；3-励磁绕组励磁绕组 主磁极主磁极：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成：产生恒定的气隙磁通，由铁心和励磁绕组构成换向极换向极：改善换向，：改善换向，由铁心和绕组构成由铁心和绕组构成 电刷装置电刷装置：与换向片配合：与换向片配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换机座和端盖机座和端盖：起支撑和固定作用。：起支撑和固定作用。定定子子转转子子电枢铁心电枢铁心：主磁路的一部分，放置电枢绕组。：主磁路的一部分，放置电枢绕组。电
19、枢绕组电枢绕组：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。：由带绝缘的导线绕制而成，是电路部分。换向器换向器：与电刷装置配合：与电刷装置配合, ,完成直流与交流的互换完成直流与交流的互换转轴转轴风扇风扇气气隙隙静止的磁极和旋转的电枢之间的间隙称静止的磁极和旋转的电枢之间的间隙称为气隙为气隙 图图3-7 直流电机的换向极直流电机的换向极 1-换向极铁心；换向极铁心；2-换向极绕组换向极绕组 图图3-8 电刷装置电刷装置 1-刷盒；刷盒；2-电刷；电刷；3-铜丝辫；铜丝辫；4-压紧弹簧压紧弹簧 图图3-9 电枢铁心冲片电枢铁心冲片 图图3-10 电枢铁心与绕组元件电枢铁心与绕组元件 1-电枢铁心；电枢铁
20、心；2-电枢铁心绕组元件；电枢铁心绕组元件；3-换向器换向器 图图3-11 金属套筒式换向器剖面图金属套筒式换向器剖面图 1-云母绝缘；云母绝缘；2-换向片；换向片；3-套筒：套筒：4-V型环；型环；5-螺帽；螺帽；6-片间云母片间云母 图图3-12 塑料紧固换向器剖面图塑料紧固换向器剖面图 1-换向片；换向片；2-塑料套筒塑料套筒 3. 直流电机的系列和额定值直流电机的系列和额定值 电机的机壳上都有一个铭牌，上面标有电机的型号和各种电机的机壳上都有一个铭牌，上面标有电机的型号和各种额定数据等。额定数据是正确选用电机的依据。额定数据等。额定数据是正确选用电机的依据。 （1）国产直流电机的系列）
21、国产直流电机的系列 我国目前生产的直流电机的主要系列有以下几种：我国目前生产的直流电机的主要系列有以下几种： Z2系统：系统：“Z”表示直流电机，表示直流电机，“2”表示第二次统一设计，表示第二次统一设计，Z2系系列是一般用途的小型直流电机系列。列是一般用途的小型直流电机系列。Z3系列：第三次统一设计的一般用途的小型直流电机系列：第三次统一设计的一般用途的小型直流电机 Z4系列：第四次统一设计的小型直流电机系列：第四次统一设计的小型直流电机ZF和和ZD系列：这是一般用途的中大型直流电机系列，系列：这是一般用途的中大型直流电机系列，“F”表示表示发电机，发电机，“D”表示电动机表示电动机 （2）
22、额定值）额定值 额定值是电机制造厂对电机正常运行时有关的电量或机械量额定值是电机制造厂对电机正常运行时有关的电量或机械量所规定的数据。额定值是选用电机的依据。所规定的数据。额定值是选用电机的依据。 直流电机的额定值有以下几个：直流电机的额定值有以下几个： 额定功率额定功率NP：电机在额定情况下允许输出的功率。对于发：电机在额定情况下允许输出的功率。对于发电机，是指输出的电功率；对于电动机，是指电机，是指输出的电功率；对于电动机，是指轴头所输出的机械功率，单位一般都为轴头所输出的机械功率，单位一般都为kW 额定电压额定电压NU ：在额定情况下，电刷两端输出或输入的电压，：在额定情况下，电刷两端输
23、出或输入的电压，单位为单位为V 额定电流额定电流N ：在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电：在额定情况下，允许电机长期流出或流入的电流，单位为流，单位为A 直流发电机额定电流为：直流发电机额定电流为： 3NNN10PIU直流电动机额定电流为：直流电动机额定电流为： 3NNNN10PIUN为直流电动机的额定效率为直流电动机的额定效率 额定转速额定转速Nn：在额定功率、额定电压、额定电流时电机：在额定功率、额定电压、额定电流时电机的转速，单位为的转速，单位为rmin 额定励磁电压额定励磁电压NfU：在额定情况下，励磁绕组所加的电压，：在额定情况下，励磁绕组所加的电压，单位为单位为V 额定励磁电
24、流额定励磁电流NfI ：在额定情况下，通过励磁绕组的电流，：在额定情况下，通过励磁绕组的电流，单位为单位为A 4. 直流电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势 电枢绕组处在磁场中转动时将产生感应电动势，称为电枢电枢绕组处在磁场中转动时将产生感应电动势，称为电枢电动势。电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电电动势。电枢电动势是指直流电机正、负电刷之间的感应电动势，也就是每条支路里的感应电动势。动势，也就是每条支路里的感应电动势。 每条支路所含的元件数是相等的，而且每个支路里的元件都是每条支路所含的元件数是相等的，而且每个支路里的元件都是分布在同极性磁极下的不同位置上的。这样，先求出一根导体在
25、分布在同极性磁极下的不同位置上的。这样，先求出一根导体在一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势，再乘以一一个极距范围内切割气隙磁通密度的平均感应电动势，再乘以一条支路里总的导体数，就是电枢电动势。条支路里总的导体数，就是电枢电动势。 电枢电动势就是电枢每条支路中的感应电动势，电枢每条支路电枢电动势就是电枢每条支路中的感应电动势，电枢每条支路中的感应电动势为：中的感应电动势为： 260aaeNpNEenCnaa 式中式中 60epNCa为电动势常数，当电机制造好后仅与电机结构有关为电动势常数，当电机制造好后仅与电机结构有关 p为电机的磁极对数；为电机的磁极对数；a为电枢回路的并联支路对数
26、；为电枢回路的并联支路对数；N 为电枢导体的总根数；为电枢导体的总根数； 上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电上式表明直流电机的感应电动势与电机结构、气隙磁通和电机转速有关机转速有关 当电机制造好以后，电机结构常数当电机制造好以后，电机结构常数 不再变化，因此电枢电动不再变化，因此电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势仅与气隙磁通和转速有关，改变转速和磁通均可改变电枢电动势的大小。势的大小。 eC5. 直流电机的电磁转矩直流电机的电磁转矩 当电枢绕组中有电枢电流流过时，通电的电枢绕组在磁场中将当电枢绕组中有电枢电流流过时，通电的电枢绕组在磁场中将受到
27、电磁力，该力与电机电枢铁心半径之积称为电磁转矩受到电磁力，该力与电机电枢铁心半径之积称为电磁转矩 经过推导可得电磁转矩为：经过推导可得电磁转矩为： 2emaTapNTICIaTC式中式中为转矩常数，也仅与电机结构有关；为转矩常数，也仅与电机结构有关；2pD为电枢铁心的直径为电枢铁心的直径 TCeC都是电机的结构常数，两者之间的数量关系为：都是电机的结构常数，两者之间的数量关系为： C CT T = 9.55 = 9.55 C Ce e由上式可看出，直流电机的电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比由上式可看出，直流电机的电磁转矩仅与电枢电流和气隙磁通成正比 6. 直流电动机的励磁方式直流电动机的励
28、磁方式 根据直流电动机励磁绕组和电枢绕组与电源连接关系的不同，根据直流电动机励磁绕组和电枢绕组与电源连接关系的不同，直流电动机可分为他励、并励、串励、复励电动机等类型直流电动机可分为他励、并励、串励、复励电动机等类型 ：（1）他励电动机）他励电动机 励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电，励励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源供电，励磁电压与电枢电压彼此无关如图磁电压与电枢电压彼此无关如图3-13(a)所示所示 （2）并励电动机）并励电动机 励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电，励磁电压等于电励磁绕组和电枢绕组并联，由同一电源供电，励磁电压等于电枢电压如图枢电压如图3-13(b
29、)所示所示（3）串励电动机）串励电动机 励磁绕组与电枢绕组串联后再接于直流电源，此时的电枢电流就励磁绕组与电枢绕组串联后再接于直流电源，此时的电枢电流就是励磁电流，如图是励磁电流，如图3-13(c)所示所示 （4）复励电动机）复励电动机 电动机有并励和串励两个励磁绕组。并励绕组与电枢绕组并联后电动机有并励和串励两个励磁绕组。并励绕组与电枢绕组并联后再与串励绕组串联，然后接于电源上，如图再与串励绕组串联，然后接于电源上，如图3-13(d)所示所示 图图3-13 直流电动机的励磁方式直流电动机的励磁方式 7. 他励直流电动机的基本方程式他励直流电动机的基本方程式 （1）电动势平衡方程式）电动势平衡
30、方程式 aaaUEI R 该平衡方程式表示了电源电压除一小部分被电枢电阻损耗外，该平衡方程式表示了电源电压除一小部分被电枢电阻损耗外，其余被电动机吸收转换为反电动势去带动电动机转动其余被电动机吸收转换为反电动势去带动电动机转动 （2）转矩平衡方程式）转矩平衡方程式 0emLTTT 电动机轴上的电磁转矩一部分与负载转矩相平衡，另一部分电动机轴上的电磁转矩一部分与负载转矩相平衡，另一部分是空载损耗是空载损耗 （3）功率平衡方程式）功率平衡方程式 1CuCuCuCuCuCuFe22abfemabfadPpppPppppppPpP 8. 他励直流电动机的工作特性他励直流电动机的工作特性 所谓他励直流电
31、动机的工作特性是指在电枢电压所谓他励直流电动机的工作特性是指在电枢电压 ，励磁电流励磁电流 ，电枢回路不串电阻时，电动机的转速，电枢回路不串电阻时，电动机的转速 、电磁转矩电磁转矩 和效率和效率 分别与输出功率分别与输出功率 之间的关系。之间的关系。工作特性如图工作特性如图3-14所示所示 NUUffNIInemT2P图图3-14 他励直流电动机的工作特性他励直流电动机的工作特性 9. 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 利用机械特性和负载转矩特性可以确定拖动系统的稳定转速，利用机械特性和负载转矩特性可以确定拖动系统的稳定转速，电动机的机械特性对分析电力拖动系统的启动、调速、制动
32、等运电动机的机械特性对分析电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能是十分重要的。行性能是十分重要的。 （1）机械特性方程式）机械特性方程式 如图如图3-15所示是他励直流电动机的电路原理图，他励直流电所示是他励直流电动机的电路原理图，他励直流电动机的机械特性方程式，可由他励直流电动机的基本方程式导动机的机械特性方程式，可由他励直流电动机的基本方程式导出，可求得机械特性方程式：出，可求得机械特性方程式： 2emeeTURnTCC C图图3-15 他励直流电动机电路原理图他励直流电动机电路原理图 当电源电压当电源电压 、电枢回路总电阻、电枢回路总电阻 励磁磁通励磁磁通 均为常数时，均为常数时，电动
33、机的机械特性如图电动机的机械特性如图3-16所示，是一条向下倾斜的直线。所示，是一条向下倾斜的直线。说明：加大电动机的负载，会使转速下降。说明：加大电动机的负载，会使转速下降。 UR特性曲线与纵轴的交点为特性曲线与纵轴的交点为 时的转速时的转速 称为理想空载转速称为理想空载转速 0emT0n图图3-16 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性 0eUnC（2）固有机械特性和人为机械特性）固有机械特性和人为机械特性 固有机械特性固有机械特性：是当电动机的电枢电压和励磁磁通均为额定值，：是当电动机的电枢电压和励磁磁通均为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为电枢电路中
34、没有串入附加电阻时的机械特性，其方程式为 2NaemeNeTNURnTCC C固有机械特性如图固有机械特性如图3-17中中R=Ra的曲线所示，由于的曲线所示，由于Ra较小，故较小，故他励直流电动机固有机械特性较他励直流电动机固有机械特性较“硬硬”。 人为机械特性人为机械特性：机械特性是人为地改变电动机电路参数或电枢：机械特性是人为地改变电动机电路参数或电枢电压以达到应用目的而得到的机械特性。电压以达到应用目的而得到的机械特性。 他励电动机有下列三种人为机械特性：他励电动机有下列三种人为机械特性： 图图3-17 他励直流电动机串电阻时的机械特性他励直流电动机串电阻时的机械特性 (a)电枢串电阻时
35、的人为机械特性电枢串电阻时的人为机械特性 如图如图3-17中曲线中曲线1，2所示所示 与固有特性相比，理想空载转速与固有特性相比，理想空载转速 不变，但转速降不变，但转速降 增大。增大。 越大，越大， 也越大，特性变也越大，特性变“软软” 0nnpaRn(b)改变电枢电压时的人为机械特性改变电枢电压时的人为机械特性 如图如图3-18所示。所示。 与固有特性相比较，特性曲线的斜率不变，理想空载转速随电与固有特性相比较，特性曲线的斜率不变，理想空载转速随电压减小成正比减小，故改变电压时的人为特性是一组低于固有压减小成正比减小，故改变电压时的人为特性是一组低于固有机械特性而与之平行的直线机械特性而与
36、之平行的直线 (c)减弱磁通时的人为机械特性减弱磁通时的人为机械特性 由于磁通由于磁通 的减少，使得理想空载转速的减少，使得理想空载转速 和斜率和斜率 都增大，都增大，其特性曲线如图其特性曲线如图3-19所示所示 0n图图3-18 他励直流电动机改变电枢电压时的机械特性他励直流电动机改变电枢电压时的机械特性 图图3-19 他励直流电动机弱磁时的机械特性他励直流电动机弱磁时的机械特性 3.1.3【知识进阶知识进阶】直流电动机的拖动方式（起动）直流电动机的拖动方式（起动） 1. 他励直流电动机的起动概念他励直流电动机的起动概念 起动：起动：电动机转子从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最电动机转子从
37、静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的过程称为起动后达到稳定运行状态的过程称为起动 电动机在起动过程中，电枢电流、电磁转矩、转速电动机在起动过程中，电枢电流、电磁转矩、转速都随时间变化，是一个过渡过程都随时间变化，是一个过渡过程 aIemTn开始起动的一瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为起动电开始起动的一瞬间，转速等于零，这时的电枢电流称为起动电流，用表示，对应的电磁转矩称为起动转矩，用表示流，用表示，对应的电磁转矩称为起动转矩，用表示 stIstT一般对直流电动机的起动有如下要求：一般对直流电动机的起动有如下要求： (1)起动转矩足够大起动转矩足够大 (2)起动电流要限制在
38、一定的范围内起动电流要限制在一定的范围内 (3)起动设备操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉起动设备操作方便，启动时间短，运行可靠，成本低廉 2. 直接起动直接起动 直接起动就是在他励直流电动机的电枢上直接加以额定电压的直接起动就是在他励直流电动机的电枢上直接加以额定电压的起动方式，如图起动方式，如图3-20所示。起动时，先合所示。起动时，先合Q1建立磁场，然后合建立磁场，然后合Q2全压起动全压起动 图图3-20 他励直流电动机的全压起动他励直流电动机的全压起动 对于一般的他励直流电动机，为了限制起动电流，可以采用对于一般的他励直流电动机，为了限制起动电流，可以采用电枢回路串联电阻或降低电
39、枢电压启动的起动方法电枢回路串联电阻或降低电枢电压启动的起动方法 直接起动时起动电流将达到很大的数值，将出现强烈的换向火花，直接起动时起动电流将达到很大的数值，将出现强烈的换向火花，造成换向困难，还可能引起过流保护装置的误动作或引起电网电造成换向困难，还可能引起过流保护装置的误动作或引起电网电压的下降，影响其他用户的正常用电；起动转矩也很大，造成机压的下降，影响其他用户的正常用电；起动转矩也很大，造成机械冲击，易使设备受损。因此，除个别容量很小的电动机外，一械冲击，易使设备受损。因此，除个别容量很小的电动机外，一般直流电动机是不容许直接起动的。般直流电动机是不容许直接起动的。 3.电枢回路串电
40、阻起动电枢回路串电阻起动 起动时在电枢回路串入电阻，以减小起动电流，电动机起动起动时在电枢回路串入电阻，以减小起动电流，电动机起动后再逐渐切除电阻，以保证足够的起动转矩。后再逐渐切除电阻，以保证足够的起动转矩。如图如图3-21所示为三级电阻起动控制接线和起动工作特性示意图。所示为三级电阻起动控制接线和起动工作特性示意图。图图3-21 他励直流电动机串电阻起动的机械特性他励直流电动机串电阻起动的机械特性 电动机起动前，应使励磁回路附加电阻为零，以使磁通达电动机起动前，应使励磁回路附加电阻为零，以使磁通达到最大值，能产生较大的起动转矩。到最大值，能产生较大的起动转矩。4.降低电枢电压起动降低电枢电
41、压起动 起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动起动前将施加在电动机电枢两端的电源电压降低，以减小起动电流，电动机起动后，再逐渐提高电源电压，使起动电磁转矩电流，电动机起动后，再逐渐提高电源电压，使起动电磁转矩维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速。维持在一定数值，保证电动机按需要的加速度升速。其接线原理和起动工作特性如图其接线原理和起动工作特性如图3-22所示所示 在调节电源电压时，不能升得太快，否则会引起过大的冲击在调节电源电压时，不能升得太快，否则会引起过大的冲击 。图图3-22 他励直流电动机降压时的机械特性他励直流电动机降压时的机械特性 5.他励直流电动机的反转他
42、励直流电动机的反转 要使电动机反转，必须改变电磁转矩的方向，而电磁转矩的要使电动机反转，必须改变电磁转矩的方向，而电磁转矩的方向由磁通方向和电枢电流的方向决定。方向由磁通方向和电枢电流的方向决定。 在控制时，通常直流电动机的反转实现方法有两种：在控制时，通常直流电动机的反转实现方法有两种： （1）改变励磁电流方向：）改变励磁电流方向： 保持电枢两端电压极性不变，将励保持电枢两端电压极性不变，将励磁绕组反接，使励磁电流反向，磁磁绕组反接，使励磁电流反向，磁通即改变方向通即改变方向 （2）改变电枢电压极性：）改变电枢电压极性： 保持励磁绕组两端的电压极性不变，保持励磁绕组两端的电压极性不变，将电枢
43、绕组反接，电枢电流即改变将电枢绕组反接，电枢电流即改变方向方向 3.1.4【知识进阶知识进阶】涉及的低压电器涉及的低压电器 控制电路所涉及的低压电器有：各种开关、熔断器、主令电控制电路所涉及的低压电器有：各种开关、熔断器、主令电器、各种继电器、接触器、电阻器等器、各种继电器、接触器、电阻器等 1.直流接触器的作用直流接触器的作用 直流接触器的结构及工作原理与交流接触器基本相同，其直流接触器的结构及工作原理与交流接触器基本相同，其图形符号相同，用于直流电力线路中，远距离接通与分断图形符号相同，用于直流电力线路中，远距离接通与分断电路及对直流电动机进行频繁起动、停止、反转或反接制电路及对直流电动机
44、进行频繁起动、停止、反转或反接制动的控制，以及用来控制动的控制，以及用来控制CD系列电磁操作机构的合闸线圈系列电磁操作机构的合闸线圈或频繁接通和断开起重电磁铁、电磁阀、电磁离合器和电或频繁接通和断开起重电磁铁、电磁阀、电磁离合器和电磁线圈等磁线圈等 2.直流接触器的型号含义直流接触器的型号含义 常用的直流接触器有常用的直流接触器有CZ18、CZ21、CZ22和和CZ0系列系列 CZ18系列型号含义系列型号含义 ：例如例如CZ18-80 / 10中，中，“CZ”表示直流接触器，表示直流接触器，“18”表示设计序表示设计序号，号，“80”表示额定电流，表示额定电流，“1”表示常开主触点数为表示常开
45、主触点数为1，“0”表示表示常闭主触点数为常闭主触点数为0。 3.1.5【知识进阶知识进阶】电路故障诊断与维修电路故障诊断与维修 1.检查线路检查线路 （1）对照原理图、接线图逐线检查，核对线号，防止错接、漏接）对照原理图、接线图逐线检查，核对线号，防止错接、漏接 （2）检查所有端子接线是否牢靠，排除虚接处）检查所有端子接线是否牢靠，排除虚接处 （3）用万用表进行电路断电时的检查）用万用表进行电路断电时的检查 ：如图如图3-1所示，断开刀闸开关所示，断开刀闸开关QS，取下接触器的灭弧罩，以便，取下接触器的灭弧罩，以便用手操作来模拟接触器触点的分合动作，万用表放在用手操作来模拟接触器触点的分合动
46、作，万用表放在R*1档，档，测量主电路中各个器件是否正常，比如降压电阻、继电器的线测量主电路中各个器件是否正常，比如降压电阻、继电器的线圈和触点、直流电动机的励磁绕组和电枢电阻等，再检测控制圈和触点、直流电动机的励磁绕组和电枢电阻等，再检测控制电路部分，比如起动和停止按钮、交流接触器的线圈和触点等，电路部分，比如起动和停止按钮、交流接触器的线圈和触点等，应仔细逐线检查，并排除故障应仔细逐线检查，并排除故障 2.试车与调整试车与调整 完成上述检查后，清点工具，清除安装板上的线头杂物，装完成上述检查后，清点工具，清除安装板上的线头杂物，装好接触器的电弧罩；检查各组熔断器的熔体、分断各开关、使好接触
47、器的电弧罩；检查各组熔断器的熔体、分断各开关、使按钮、接触器处于未操作（或未动作）状态，检查直流电源是按钮、接触器处于未操作（或未动作）状态，检查直流电源是否正常等。一切正常后，在指导老师的监护下通电试车。先进否正常等。一切正常后，在指导老师的监护下通电试车。先进行控制回路试验，在进行整体试验。行控制回路试验，在进行整体试验。 （1）控制回路试验：先断开直流电动机的电枢回路，再合上刀）控制回路试验：先断开直流电动机的电枢回路，再合上刀开关开关QS，按下起动按钮，按下起动按钮SB1，接触器，接触器KM应立即动作，松开应立即动作，松开SB，接触器接触器KM则保持；按动一下停止按钮则保持；按动一下停
48、止按钮SB2，接触器，接触器KM应立即释应立即释放。放。（2）整体试验：空载试验动作无误后，即可切断电源，接好直）整体试验：空载试验动作无误后，即可切断电源，接好直流电动机的电枢回路，可通电进行整体试车。合上刀开关流电动机的电枢回路，可通电进行整体试车。合上刀开关QS，按动一下按钮按动一下按钮SB1，接触器，接触器KM触点吸合，并实现自锁，继电器触点吸合，并实现自锁，继电器不动作，电动机的电枢回路中串入降压电阻起动，当电动机起动不动作，电动机的电枢回路中串入降压电阻起动，当电动机起动运转后，电动机的反电势达到继电器的吸合电压时，继电器的常运转后，电动机的反电势达到继电器的吸合电压时，继电器的常
49、开触点动作，将电动机的电枢回路中串入降压电阻短接，直流电开触点动作，将电动机的电枢回路中串入降压电阻短接，直流电动机稳定运行；按动一下按钮动机稳定运行；按动一下按钮SB2，接触器，接触器KM则立即复位，电则立即复位，电动机断电停转。动机断电停转。 起动后在运行中，如发现电动机运行时外壳过热或电动机嗡嗡起动后在运行中，如发现电动机运行时外壳过热或电动机嗡嗡响但不能起动等异常现象，说明电机是在缺相运行，应立即停车，响但不能起动等异常现象，说明电机是在缺相运行，应立即停车，切断电源后再进行检查。如出现接触器振动、发出噪声，主触点切断电源后再进行检查。如出现接触器振动、发出噪声，主触点然弧严重也应立即
50、停车检查。然弧严重也应立即停车检查。 3.仪表测量检查仪表测量检查 利用各种电工仪表测量电路中的电阻、电流、电压等参数，利用各种电工仪表测量电路中的电阻、电流、电压等参数，并进行故障诊断。常用的方法有并进行故障诊断。常用的方法有电压测量法、电阻测量法电压测量法、电阻测量法两种，两种，我们推荐采用我们推荐采用电阻测量法电阻测量法，因为电阻测量法是在电路断电的情，因为电阻测量法是在电路断电的情况下进行的，操作比较安全，操作方法比较直观、简单，用万况下进行的，操作比较安全，操作方法比较直观、简单，用万用电表的电阻挡分别测量电器元件的直流电阻或电路接线的通用电表的电阻挡分别测量电器元件的直流电阻或电路