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1、第第4章章 直流电动机直流电动机 1、起（启）动特性（、起（启）动特性（STARTING）2、工作（运行）特性、工作（运行）特性 （OPERATION CHARACTERISTICS）3、机械特性、机械特性 （TORQUE-SPEED CHARACTERISTICS）4、调速特性（、调速特性（SPEED CONTROL）5、制动特性（、制动特性（BRAKING）6、直流电机的换向（、直流电机的换向（COMMUTATION）4.1 直流电动机的起动直流电动机的起动起动：突加电压起动：突加电压 转速从转速从0 0上升到所需要转速的过程上升到所需要转速的过程 过渡（瞬变、暂态、动态）过程过渡（瞬变、
2、暂态、动态）过程 Transient(Dynamical)Transient(Dynamical)电路、机械两个方面电路、机械两个方面过渡过程的分析方法过渡过程的分析方法 写出电机的动态方程写出电机的动态方程求解微分方程得出通解求解微分方程得出通解 根据初始条件确定常数根据初始条件确定常数得出解析表达式得出解析表达式解析法解析法：直流电动机：空载、加额定励磁直流电动机：空载、加额定励磁 突然施加电枢电压突然施加电枢电压 不考虑电枢反应不考虑电枢反应解析法解析法写出电机的动态方程（电路、机械运动）写出电机的动态方程（电路、机械运动）转化为状态方程转化为状态方程 采用数值方法（例如龙格库塔法）采用
3、数值方法（例如龙格库塔法）借助于计算工具（计算机），编写程序借助于计算工具（计算机），编写程序求出变量的数值求出变量的数值数值法数值法：直流他励电动机突加电压起动过程的分析直流他励电动机突加电压起动过程的分析 电路动态方程：电路动态方程：机械运动方程：机械运动方程：忽略电路电感的影响忽略电路电感的影响忽略电路电感的影响忽略电路电感的影响其解为其解为 数值法数值法电路动态方程：电路动态方程：机械运动方程：机械运动方程：标准格式：标准格式：状态变量：状态变量：状态方程：状态方程：四阶龙格库塔法：四阶龙格库塔法：其中其中根据初始条件根据初始条件 ，求得，求得数值解数值解起动性能：起动性能：最初起动转
4、矩最初起动转矩Tst和最初起动电流和最初起动电流Ist（Iast）1 1、起动方法（、起动方法（3 3个）个）1)额定电压下直接起动额定电压下直接起动最初起动瞬间最初起动瞬间 应用场合应用场合:适用于小电机适用于小电机 导线细，电枢电阻大，限制起动电流导线细，电枢电阻大，限制起动电流 机械惯量小，起动迅速，大电流时间短机械惯量小，起动迅速，大电流时间短危险危险 !有害有害 !最初起动电流最初起动电流 2)降压起动（他励）降压起动（他励）电枢电枢采用可调压直流电源供电采用可调压直流电源供电 最初起动时降低电压，限制电流到适当值最初起动时降低电压，限制电流到适当值 随转速上升，逐渐增加电压，维持足
5、够转矩随转速上升，逐渐增加电压，维持足够转矩3)起动器起动起动器起动v 电枢回路串入可调电阻电枢回路串入可调电阻 起动电阻起动电阻Rstv 转速上升时逐渐减小转速上升时逐渐减小 Rst 直到直到0v 每次起动前，要仔细检查起动电阻位置每次起动前，要仔细检查起动电阻位置最初起动电流最初起动电流 2、改变直流电动机转向的方法、改变直流电动机转向的方法 他励他励电动机电动机 并励并励电动机电动机 改变电枢或励磁绕组接线改变电枢或励磁绕组接线 串励串励电动机电动机 改变电枢或励磁绕组接线改变电枢或励磁绕组接线 复励复励电动机电动机 保证复励性质不变！保证复励性质不变！改变改变电枢电流电枢电流或者或者磁
6、场磁场方向方向！4.2 他励（并励）直流电动机的工作特性他励（并励）直流电动机的工作特性条件条件:特性特性:n 上翘！上翘！影响大影响大影响小影响小 4.3 他励（并励）直流电动机的机械特性他励（并励）直流电动机的机械特性条件条件:特性特性:4.3.1 机械特性表达式机械特性表达式 电枢串接电阻电枢串接电阻理想空载转速理想空载转速机械特性的斜率机械特性的斜率条件条件:4.3.2 固有固有(自然自然)机械特性机械特性 Ra很小！很小！T增大时，增大时，n下降很小下降很小 硬特性硬特性4.3.3 人为机械特性人为机械特性 与与电枢电压电枢电压、磁通磁通和和电枢电阻电枢电阻有关有关人为人为机械特性保
7、持其中两个不变机械特性保持其中两个不变 改变一个所得到的机械特性改变一个所得到的机械特性1)改变电枢回路电阻改变电枢回路电阻Rp 电枢电压电枢电压U和励磁电流和励磁电流If(磁通磁通)保持不变保持不变 理想空载转速理想空载转速n0不变不变 Rp增大，斜率增大，特性变软增大，斜率增大，特性变软 理想空载转速理想空载转速n0 正比于电枢电压正比于电枢电压U n0 U 斜率不变斜率不变2)改变电枢电压改变电枢电压 U 电枢电阻和励磁电流电枢电阻和励磁电流If(磁通磁通)保持不变保持不变 机械特性平行机械特性平行 磁通磁通减小减小，理想空载转速理想空载转速 n0 增大增大 磁通磁通减小减小，斜率增大，
8、斜率增大3)改变励磁电流改变励磁电流(即磁通即磁通)电枢端电压电枢端电压 U 和电枢回路电阻保持不变和电枢回路电阻保持不变 不同磁通下的机械特性不同磁通下的机械特性 既非平行也非发射状既非平行也非发射状课堂讨论课堂讨论 1并励电动机空载运行，如果励磁支路突然断开，将并励电动机空载运行，如果励磁支路突然断开，将会有什么情况发生？会有什么情况发生？分析：分析：课堂讨论课堂讨论 2并励电动机额定负载运行，如果励磁支路突然断开，并励电动机额定负载运行，如果励磁支路突然断开，将会有什么情况发生将会有什么情况发生?4.4 串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性条件条件:特性特性:分析分析:表达式
9、表达式:q 不能空载不能空载 或小于或小于25额定负载运行额定负载运行 q T=CTkIa2，交、直流供电，交、直流供电 用于电动工具用于电动工具q 低速大转矩，高速小转矩恒功率低速大转矩，高速小转矩恒功率 用于电力机车、汽车起动电机和起重机等用于电力机车、汽车起动电机和起重机等 q 转矩增大，转速急剧下降，转矩增大，转速急剧下降，机械特性软机械特性软！q T=CTkIa2Ia2 同样起动电流下起动转矩大同样起动电流下起动转矩大特点特点:q 加复励加复励 特性介于并励和串励之间特性介于并励和串励之间q 差复励差复励 串励绕组去磁串励绕组去磁 转矩增加，转速升高转矩增加，转速升高 运行不稳定运行
10、不稳定 实际中应避免实际中应避免4.5 复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性问题问题:1、怎样改变加复励直流电动机的转向？、怎样改变加复励直流电动机的转向？2、并励直流电动机正向运行时机械特性很软，可能是什、并励直流电动机正向运行时机械特性很软，可能是什么原因导致的么原因导致的?能否反向稳定运行？能否反向稳定运行？4.6 电动机负载的机械特性电动机负载的机械特性什么是负载的机械特性什么是负载的机械特性?负载转速和转矩之间的关系负载转速和转矩之间的关系(曲线曲线)取决于负载性质取决于负载性质为什么讨论负载的机械特性为什么讨论负载的机械特性?电机驱动系统是电机和负载的结合电机驱动系统是
11、电机和负载的结合4.6.1 恒转矩负载恒转矩负载 负载转矩恒定，不随转速变化负载转矩恒定，不随转速变化 1)1)反抗型反抗型恒转矩负载恒转矩负载 转矩方向总与转向转矩方向总与转向(速速)相反相反 2)势能型势能型恒转矩负载恒转矩负载 转矩由地球引力引起转矩由地球引力引起方向固定，与转向方向固定，与转向(速速)无关无关4.6.2 泵类负载泵类负载 转矩正比于转速的平方转矩正比于转速的平方 TZn24.6.3 恒功率负载恒功率负载 转矩近似与转速成反比转矩近似与转速成反比任何转速下功率维持不变任何转速下功率维持不变4.7 电机驱动系统的稳定运行电机驱动系统的稳定运行稳定运行稳定运行:响应扰动，达到
12、新的稳定运行响应扰动，达到新的稳定运行 扰动消失，返回以前运行状态扰动消失，返回以前运行状态分析分析:忽略空载转矩忽略空载转矩 !稳态下：稳态下：运行点电机与负载机械运行点电机与负载机械特性的交点特性的交点讨论讨论 1:A稳定运行点稳定运行点并励电动机驱动泵类负载并励电动机驱动泵类负载电枢最初电压电枢最初电压 U1 运行点运行点 A，TATZ扰动，电枢电压减小到扰动，电枢电压减小到U2，U2TA，TTZ电机电机:n T nA 不稳定运行点不稳定运行点稳定运行条件稳定运行条件:1)电机与负载机械特性有交点电机与负载机械特性有交点2)在交点处，满足在交点处，满足调速方法（调速方法（3 3个）：个）
13、：4.8 他励直流电动机的调速他励直流电动机的调速 调节磁通调节磁通 通过改变通过改变If调节磁通调节磁通 调节电枢电压改变调节电枢电压改变 U(Ua)调节电枢电阻改变调节电枢电阻改变 Rp注意注意:讨论电机拖动恒转矩负载的调速讨论电机拖动恒转矩负载的调速 忽略电枢反应忽略电枢反应4.8.1 改变电枢电压调速改变电枢电压调速电枢电阻不变电枢电阻不变励磁电流励磁电流(磁通磁通)为额定值不变为额定值不变l 稳态分析稳态分析调速前稳态调速前稳态:调速后稳态调速后稳态:恒转矩负载恒转矩负载:若若 U2U1，则则 n2n1l动态过程动态过程新稳态新稳态4.8.2 改变磁通调速改变磁通调速电枢电压电枢电压
14、 U 和电枢电阻保持不变和电枢电阻保持不变 U=UN,Rp=0l稳态分析稳态分析调速前稳态调速前稳态:调速后稳态调速后稳态:恒转矩负载恒转矩负载:最初瞬间，最初瞬间，n未变未变Ia的增大远大于磁通的增大远大于磁通的减小的减小l动态过程动态过程新稳态新稳态注意注意:（1）Rf 增大（增大（减小减小）的最初瞬间的最初瞬间 由于惯性由于惯性n未变，未变，Ea 减小，减小，Ia 增大增大（2）新的稳态）新的稳态4.8.3 改变电枢回路电阻调速改变电枢回路电阻调速电枢端电压电枢端电压 U 和励磁电流和励磁电流(磁通磁通)保持额定不变保持额定不变 l稳态分析稳态分析 调速前稳态调速前稳态:调速后稳态调速后
15、稳态:恒转矩负载恒转矩负载:注意注意:（1）在）在Rp 增大的最初瞬间增大的最初瞬间（2 2）新的稳态下）新的稳态下 l动态过程动态过程4.9 直流电动机的制动直流电动机的制动制动制动电机产生反向电磁转矩电机产生反向电磁转矩 使转速迅速降低或停机使转速迅速降低或停机 能耗制动能耗制动(energy consumption brake)反接制动反接制动(reversely connection brake)回馈制动回馈制动(energy feedback brake)4.9.1 能耗制动能耗制动电路接线电路接线制动过程分析制动过程分析 需要双刀双掷开关需要双刀双掷开关 (接触器或继电器接触器或继
16、电器)将电枢从电源断开，接向电阻将电枢从电源断开，接向电阻 电机作发电机运行电机作发电机运行 Ia 反向，反向，T 反向，起制动作用反向，起制动作用 电机的机械能消耗在电阻电机的机械能消耗在电阻 R上上 R越小，越小，T越大，制动越快！越大，制动越快！操作方法：操作方法：特点：特点：4.9.2 反接制动反接制动 改变电枢电压的极性改变电枢电压的极性 Ia 反向，反向，T反向，电机转速快速下降反向，电机转速快速下降 必须接入外电阻限制电枢电流必须接入外电阻限制电枢电流 Ia 为制动停机，为制动停机，n=0时，时，必须去除反接电压必须去除反接电压4.9.3 回馈制动回馈制动能量回馈到电源！能量回馈
17、到电源！1)1)电机电枢接直流电源电机电枢接直流电源 负载使转速升高负载使转速升高2)2)改变电枢电压调速改变电枢电压调速 电枢电压降低很多，使电枢电压降低很多，使UaEa电枢旋转，线圈经过电刷，从一个极下转到另一个极电枢旋转，线圈经过电刷，从一个极下转到另一个极下（从一条支路进入另一条支路）下（从一条支路进入另一条支路）线圈中电流改变方向的过程换向过程线圈中电流改变方向的过程换向过程 4.10 直流电机中的换向直流电机中的换向1)什么是直流电机的换向什么是直流电机的换向?2)换向过程分析换向过程分析正在换向正在换向电流电流+i线圈在左边支路线圈在左边支路 电流电流-ia线圈在右边支路线圈在右
18、边支路 电流电流+ia 换向前位置换向前位置线圈线圈 1 上层导体在上层导体在 1槽，下层槽，下层导体在导体在7槽，接在换向片槽，接在换向片 8&7.线圈线圈 7 上层导体在上层导体在 7槽，下层槽，下层导体在导体在1槽，接在换向片槽，接在换向片 2&1.1&7 线圈正经历换向的位置线圈正经历换向的位置线圈线圈1被左边电刷短路被左边电刷短路线圈线圈7被右边电刷短路被右边电刷短路3)线性换向和延迟换向线性换向和延迟换向线性换向线性换向线圈电流随时间按线性规律变化线圈电流随时间按线性规律变化 理想情况，电流平稳过渡理想情况，电流平稳过渡延迟换向延迟换向电流过电流过0点滞后于线性换向点滞后于线性换向
19、 离开电刷时线圈电流跳变离开电刷时线圈电流跳变线性换向线性换向 延迟换向延迟换向 延迟太多在后刷端引起火花！延迟太多在后刷端引起火花！更严重更严重 环火！环火！(1).电感电势电感电势 eL 重要因素之一重要因素之一 自感电势（电流变化）自感电势（电流变化）互感电势（同槽其它线圈）互感电势（同槽其它线圈）电抗电势（电抗电势（Reactance voltage）(2).电枢反应电势电枢反应电势ev重要因素之二重要因素之二换向线圈切割电枢磁场产生电势换向线圈切割电枢磁场产生电势 旋转电势旋转电势电枢反应电势电枢反应电势ev 电枢电流交轴电枢反应磁场电枢电流交轴电枢反应磁场eL、ev与换向前电流同向
20、与换向前电流同向 阻碍电流换向阻碍电流换向 使电流换向时刻延迟使电流换向时刻延迟!4)延迟换向产生的原因延迟换向产生的原因换向火花蚀损换向器和电刷换向火花蚀损换向器和电刷严重时会烧毁换向器的铜换向片和碳刷严重时会烧毁换向器的铜换向片和碳刷5)换向极或间极换向极或间极 换向好坏取决于电枢换向好坏取决于电枢mmf和气隙合成磁场波形和气隙合成磁场波形换向极换向极窄小的换向极，放置在主极之间窄小的换向极，放置在主极之间 绕组中流过电枢电流绕组中流过电枢电流 引入适当的磁场抵消电枢磁场引入适当的磁场抵消电枢磁场 换向极区域净磁通换向极区域净磁通0 0或者增强换向或者增强换向引起火花的机械原因：引起火花的机械原因：电刷的跳跃电刷的跳跃 换向器表面粗糙、非换向器表面粗糙、非均匀磨损均匀磨损PERMANENT-MAGNET DC MACHINES