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1、电机与电气控制技术与实践项目二 直流电机的应用任务一 认识直流电机学习目标了解直流电机的特点、用途和分类；熟悉直流电机的基本工作原理；认识直流电机的外形和内部结构，熟悉各部件的作用；了解直流电机铭牌中型号和额定值的含义，掌握额定值的简单计算；会进行直流电动机的检测、接线和简单操作。任务分析直流电机是实现直流电能与机械能之间相互转换的电力机械，按照用途可以分为直流电动机和直流发电机两类。其中将机械能转换成直流电能的电机称为直流发电机，如图2-1所示；将直流电能转换成机械能的电机称为直流电动机，如图2-2所示。直流电机是工矿、交通、建筑等行业中的常见动力机械，是机电行业人员的重要工作对象之一。作为
2、一名电气控制技术人员必须熟悉直流电机的结构、工作原理和性能特点，掌握主要参数的分析计算，并能正确熟练地操作使用直流电机。 图2-1 直流发电机 图2-2 直流电动机 知识链接一、直流电机的特点和用途1、直流电机的特点2、直流电机的用途 (a）地铁列车 (b)城市电车 (c）电动自行车 (d)造纸机图2-3 直流电动机的用途直流发电机主要用作各种直流电源，如直流电动机电源、化学工业中所需的低电压大电流的直流电源，直流电焊机电源等，如图2-4所示。 (a）电解铝车间 (b)电镀车间 图2-4 直流发电机的用途二、直流电机的基本结构直流电机的结构由两个主要部分组成：（1）静止部分（称为定子），主要用
3、来产生磁通；（2）转动部分（称为转子，通称电枢）是机械能变为电能（发电机），或电能变为机械能（电动机）的枢纽。在定转子之间，有一定的间隙称为气隙。图2-5是直流电机的主要部件图，图2-6是直流电机的剖面图。下面简要介绍直流电机主要部件结构及其作用。 1-前端盖 2-风扇 3-定子 4-转子 5-电刷及刷架 6-后端盖图2-5 直流电机的结构图2-6 直流电机横向剖面图1、定子部分2、转子部分3、气隙三、直流电机的工作原理1、直流发电机的工作原理（1）结构：N、S是一对在空间固定不动的磁极（可以是永久磁铁，也可以是电磁铁），abcd是安装在可以转动的圆柱体上的一个线圈，线圈两端分别接到两个相互绝
4、缘的半圆形铜环（称为换向片），换向片分别与固定不动的电刷相接，这样，旋转着的线圈可以通过换向片、电刷与外电路接通。（2）工作原理：当原动机带着电枢逆时针方向旋转时，线圈两个有效边ab和cd将切割磁场磁力线产生感应电动势，方向按右手定则确定。如图2-7所示：导体ab中的电动势方向由b指向a，导体cd中的电动势则由d指向c，从整个线圈来看，电动势的方向为d指向a，故外电路中的电流自换向片1流至电刷A，经过负载，流至电刷B和换向片2，进入线圈。此时，电流流出处的电刷A为正电位，用“+”表示；而电流流入线圈处的电刷B则为负电位，用“-”表示。电刷A为正极，电刷B为负极。图2-7 直流发电机工作原理当线
5、圈转过90时，两个线圈的有效边位于磁场物理中性面上，导体的运动方向与磁力线平行，不切割磁力线，因此感应电动势为零。虽然两电刷同时与两铜片相接，把线圈短路，但线圈中无电动势和电流。当线圈转过180时，此时线圈边中的电动势方向改变了，在S极下由ab，在N极下由cd。由于此时电刷A和电刷B所接触的铜片已经互换，因此电刷A仍为正极，电刷B仍为负极，输出电流I的方向不变。2、直流电动机的工作原理直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同，如图2-8所示是直流电动机的工作原理图。电枢不用外力驱动，把电刷A、B接到直流电源上，假定电流从电刷A流入线圈，沿abcd方向，从电刷B流出。载流线圈在磁场中将受到电磁
6、力的作用，其方向按左手定则确定，ab边受到向上的力，cd边受到向下的力，形成电磁转矩，结果使电枢逆时针方向转动，如图2-8（a）所示。当电枢转过90时，如图2-8（b）所示，线圈中虽无电流和力矩，但在惯性的作用下继续旋转。图2-8 直流电动机工作原理当电枢转过180时，如图2-8（c）所示，电流仍然从电刷A流入线圈，沿dcba方向，从电刷B流出。与图2-8（a）比较，通过线圈的电流方向改变了，但两个线圈边受电磁力的方向却没有改变，即电动机只朝一个方向旋转。若要改变其转向，必须改变电源的极性，使电流从电刷B流入，从电刷A流出才行。3、直流电机的可逆原理四、直流电机的励磁方式直流电机在进行能量转换
7、时，不论是将机械能转换为电能的发电机，还是将电能转换为机械能的电动机，都以气隙中的磁场作为媒介。除了采用磁钢制成主磁极的永磁式直流电机以外，直流电机都是在励磁绕组中通以励磁电流产生磁场的。励磁绕组获得电流的方式称作励磁方式。根据励磁支路和电枢支路的相互关系，有他励、自励(并励、串励和复励)方式。1他励方式他励方式中，电枢绕组和励磁绕组电路相互独立，电枢电压与励磁电压彼此无关。接线图如图1-13所示。图2-9 他励电机2并励方式并励方式中，电枢绕组和励磁绕组是并联关系，由同一电源供电，接线图如图1-14所示。 图2-10 他励电机 图2-10 并励电机3串励方式串励方式中，电枢绕组与励磁绕组是串
8、联关系，接线图如图2-11所示。4复励方式复励电机的主磁极上有两部分励磁绕组，其中一部分与电枢绕组并联，另一部分与电枢绕组串联。当两部分励磁绕组产生的磁通方向相同时，称为积复励，反之称为差复励。接线图如图2-12所示。图2-11 串励电机 图2-12 复励电机五、直流电机出线端子的标志电机每个绕组的出线端子都有明确的标志，用字母标注在接线柱旁或引出导线的金属牌上，标志如表1-1所示。表1-1 直流电机出线端标志绕组名称出线端标志绕组名称出线端标志电枢绕组 串励绕组 换向极绕组 并励绕组 补偿绕组 他励绕组 注：下标“1”是首端，为正极；下标“2”是末端，为负极。六、直流电机的铭牌数据与系列每一
9、台电机上都有一块铭牌，上面列出一些具体的数据，称为额定值。这是电机制造厂家按照国家标准和该电机的特定情况规定的电机额定运行状态时的各种运行数据，也是对用户提出的使用要求。如果用户使用时处于轻载即负载远小于额定值，则电机能持续正常运行，但效率降低，不经济。如果电机运行超出了额定值，则称为过载，将缩短电机的使用寿命甚至可能损坏。所以根据负载条件合理选用电机，使其接近额定值才既经济合理，又可以保证电机可靠地工作，并且具有优良的性能。表1-2是一台直流电动机的铭牌。表1-2 直流电机铭牌型号Z4-112/21励磁方式并励功率5.5kW励磁电压180V电压440V效率81.190%电流15A定额连续转速
10、3000r/min温升80出品号数 出厂日期2001年10月 电 机 厂七、直流电机的效率直流电动机是一种在电枢表面均匀分布的绕组中通入直流电流后，与电动机定子磁场相互作用产生电磁力形成电磁转矩使其转子旋转的电机。而电枢转动时，电枢绕组导体不断切割磁力线，在电枢绕组中又产生感应电动势，这一电动势称为反电动势。 1电磁转矩在直流电动机中，电磁转矩是由电枢电流与合成磁场相互作用而产生的电磁力所形成的。根据电磁力定律，作用在电枢绕组中每一根导体上的平均电磁力为对于给定的电动机，磁感应强度B与每极的磁通成正比；每根导体中的电流与从电刷流入的电枢电流成正比；导线长度在电动机制成后是一个常量。因此电磁转矩
11、与电磁力成正比，即电磁转矩与每极磁通和电枢电流的乘积成正比。因此直流电动机的电磁转矩的大小可用下式来表示：直流电动机的转矩与转速及轴上输出功率的关系式为2电枢电动势当电枢转动时，电枢绕组中的导体在不断切割磁力线，因此每根载流导体中将产生感应电动势，其大小平均值为，其方向由右手定则确定，如图2-13所示，将此图与图2-8对照可以看出该电动势的方向与电枢电流的方向相反，因而称为反电动势。对于给定的直流电动机，磁感应强度B与每极磁通成正比，导体的运动速度与电枢的转速成正比，而导体的有效长度和绕组匝数都是常数，因此直流电动机两电刷间总的电枢电动势的大小为图2-13 电枢电动势和电流3电磁功率电磁转矩作
12、为拖动转矩的阻转矩来吸收原动机的机械功率，并通过电磁感应的作用将其转换成电功率。原动机为克服电磁转矩所输入的这部分机械功率，可表示为电磁转矩与机械角速度的乘积。由于是电磁转矩，因此克服所消耗的这部分机械功率称为电磁功率，用表示，即根据电磁转矩表达式和。由式可得4电动势平衡方程式图2-14为一台他励直流电动机结构示意图和电路图。电枢电动势为反电动势，与电枢电流方向相反；电磁转矩为拖动转矩，方向与电动机转速的方向一致；为负载转矩；为空载转矩，方向与方向相反。图2-14 他励直流电动机结构示意图和电路图（a）结构示意图 （b）电路图由基尔霍夫定律可知，在电动机电枢电路中存在如下的回路电压方程式：5功
13、率平衡方程式电动机在机电能量转换中，同样遵守能量守恒定律，因此它不可能将输入的电功率全部转换成机械功率，在转换过程中总有一部分能量不能被利用，这部分不能被利用的能量称为损耗。直流电机的损耗按产生的性质可分为机械损耗、铁芯损耗、铜耗和附加损耗四种。下面分别讨论直流电机各种损耗产生的原因及影响损耗大小的因素。1）机械损耗2）铁芯损耗机械损耗和铁芯损耗。这两种损耗在直流电动机已经转起来，但还没有带负载时就有，即空载时就已经存在。因此，这两种损耗合起来又称为空载损耗，即又由于它们都是不变损耗，因此又称为不变损耗。3）铜耗当直流电动机运行时，在电枢回路中就有电枢电流流过，把该电流在电枢绕组的电阻上产生的
14、损耗叫做铜耗。由于电机运行时，电枢电流都随负载的变化而变化，因而电动机中的电枢铜耗又叫做可变损耗。4）附加损耗又称杂散损耗，电枢齿槽的存在、电枢反应的影响等都会产生附加损耗。注意：附加损耗很难计算和测定，一般靠经验估算。对有补偿绕组的电机，附加损耗可取为0.5%；而对无补偿绕组的电机，附加损耗可取1%。综上所述，直流电动机总损耗为当他励直流电动机接上电源时，电枢绕组流过电流，电源向电动机输入的电功率为上式表明：输入的电功率有很小一部分被电枢绕组消耗（电枢铜耗），而大部分作为电磁功率转换成了机械功率。从上面的分析可知：当电动机转动时，还要克服各类摩擦引起的机械损耗、电枢铁芯损耗以及附加损耗，所以
15、电磁功率转变出来的机械功率，一小部分消耗在机械损耗和铁芯损耗上，大部分从电动机轴上输出，故电动机输出的机械功率为若忽略附加损耗，则输出机械功率为则直流电动机的效率为一般中小型直流电动机的效率在75%85%之间，大型直流电动机的效率在85%94%之间。他励直流电动机的功率平衡关系可用功率流程图来表示，如图2-15所示。图2-15 他励直流电动机功率流程图6转矩平衡方程式经过上述分析可知，要使直流电动机处于稳定运行状态，即转速恒定，就必须使加在电动机轴上的所有转矩保持平衡。而电动机稳定运行时作用在电动机轴上的转矩有三个：一个是电磁转矩，方向与转速相同，为拖动转矩或驱动转矩；一个是电动机空载损耗转矩
16、，即电动机空载运行时的阻转矩，方向总与转速方向相反，为制动转矩；还有一个是轴上所带生产机械的负载转矩，即电动机轴上的输出转矩，也可视为制动转矩。因此可得电动机稳定运行时的转矩平衡关系式为：拖动转矩等于总的制动转矩，即但是，由于空载转矩的数值仅为电动机额定转矩的2%5%，因此在重载或额定负载下常忽略不计；而电动机轴上输出的机械转矩与电动机轴上所带的负载转矩相平衡，即，则由式可得电动机输出转矩的常用计算公式：在额定情况下，则技能训练项目技能实训一 直流电机的简单操作使用一、任务目标1学习电机实验的基本要求与安全操作注意事项。2认识在直流电机实验中所用的电机、仪表、变阻器等组件及使用方法。3熟悉他励
17、电动机（即并励电动机按他励方式）的接线、起动、改变电机转向与调速的方法。二、实训设备序号型号名称数量1M17导轨、测速机构1台2M01复励直流发电机1台3M02直流并励电动机1台4EM-06直流数字电压、毫安、安培表1件5EM-03三相可调电阻器1件6EM-05波形测试及开关板1件7EM-04三相可调电阻器1件三、实训内容和步骤1认识实验台认识电机及电气技术实验装置各面板及使用方法，讲解电机实验的基本要求，安全操作和注意事项。2用伏安法测电枢的直流电阻步骤：（1）按图2-16所示接线，电阻R用EM-03上1800并调至最大。A表选用EM-06直流、毫安、安培表，量程选用5A档。图2-16 测电
18、枢绕组直流电阻接线图（2）接电枢电源，并调至220V。调节R，使A表为0.2A，测电机电枢两端电压U和电流I。将电机分别旋转三分之一和三分之二周，同样测取U、I三组数据列于下表中。（3）增大R使电流分别达到0.15A和0.1A，用同样方法测取六组数据列于下表中。取三次测量的平均值作为实际冷态电阻值：Ra=（Ra1 + Ra2 + Ra3） 室温 序号U（V）I（A）R（平均）（）Ra()Raref()1Ra11=Ra1=Ra12=Ra13=2Ra21=Ra2=Ra22=Ra23=3Ra31=Ra3=Ra32=Ra33=表中：Ra1=（Ra11 + Ra12 + Ra13） Ra2=（Ra21
19、+ Ra22 + Ra23） Ra3=（Ra31 + Ra32 + Ra33）（4）计算基准工作温度时的电枢电阻按下式换算到基准工作温度时的电枢绕组电阻值：=3他励直流电动机的起动（1）按图2-17所示接线，并将Rf1调到最小位置。（2）分别开启实验台的总开关、励磁电源开关。（3）调节Rf1使If1等于校正值（100mA）并保持不变，再接通电枢电源开关，使M起动。4调节他励电动机的转速分别改变串入电动机M电枢回路的调节电阻R1和励磁回路的调节电阻Rf1，观察转速变化情况。5改变电动机的转向将R1调到最大值，先切断电枢电源开关，然后再切断励磁电源开关，使他励电动机停止。在断电情况下，将电枢（或他
20、励绕组）的两端接线对调后，再按他励电动机的起动步骤起动电动机，并观察电动机的转向及转速表指针偏转的方向。四、注意事项1认真仔细连接电路并自检，确认无误后方可通电。2直流他励电动机起动时，要按照“先总电源、再励磁电源、最后电枢电源”的顺序；直流他励电动机停止时，要按照“先电枢电源、再励磁电源、最后总电源” 的顺序。3测量前注意仪表的量程、极性及其接法，是否符合要求。五、技能训练考核评分标准序号考核内容考核要求配分得分1技能训练的准备预习技能训练的内容10 2仪器、仪表的使用正确使用万用表、转速表、实验台等设备103观察和记录直流电动机等设备的技术数据记录结果正确观察速度快204直流电动机的接线电
21、路绘制正确、简洁，接线速度快，通电运行一次成功305直流电动机的反转与调速正确使用调节电阻改变转速正确改变接线使电动机反转306合计得分7否定项发生重大责任事故、严重违反教学纪律者得0分指导教师签名_ 日期_任务二 直流电动机的调速学习目标熟悉他励直流电动机机械特性方程的表达式；掌握他励直流电动机的机械特性特点；了解生产机械的负载特性；了解直流电动机稳定运行条件；熟悉他励直流电动机调速的目的和概念；理解他励直流电动机调速指标的含义；重点掌握直流电动机的三种调速方法；学会直流电动机调速方法的操作。任务分析直流电动机的最大优点是具有线性的机械特性，调速性能优异，因此，广泛应用于对调速性能要求较高的
22、电气自动化系统中。要了解、分析和掌握直流电动机的调速方法，首先要掌握直流电动机的机械特性，了解生产机械的负载特性。直流电动机有三种不同的人为机械特性，所对应的就是三种不同性能的调速方法，分别应用于不同的场合。因此熟悉机械特性是基础，掌握调速方法是目的。知道了各种调速方法的性能特点后，就可以根据实际生产机械负载的工艺要求来选择一种最合适的调速方法，发挥直流电动机的最大效益。知识链接直流电动机的机械特性就是指在稳定运行情况下，电动机的转速与电磁转矩之间的关系，即。机械特性是指电动机的主要特性，是分析电动起动、调速、制动等问题的重要工具。下面以他励直流电动机为例讨论机械特性。一、他励直流电动机的机械
23、特性1机械特性的一般表达式他励直流电动机的电动势平衡方程为：。因为：，所以。根据，得，可得机械特性方程。当、的数值不变时，而、是由电动机结构决定的常数，转速与电磁转矩为线性关系。机械特性曲线如图2-18所示。图2-18 他励直流电动机机械特性电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性。2他励直流电动机的固有机械特性电枢加额定电压、气隙每极磁通量为额定值、电枢回路不串联电阻时，即U=UN，=N，R=0情况下的机械特性固有机械特性（自然特性）。其特性方程为：由于电枢绕组的电阻阻值很小，因此很小，固有机械特性为硬特性。3他励直流电动机的人为机械特性改变电压、电阻、磁通当中一个或几个就得到人为机械
24、特性。他励直流电动机的人为机械特性有三种：（1）电枢回路串电阻；（2）降低电枢端电压；（3）减小磁通。（1）电枢回路串电阻时的人为特性 保持、不变，只在电枢回路中串入电阻的人为特性，称为。与固有特性相比，电枢回路串电阻的人为机械特性的特点为：理想空载转速n0没变，与固有机械特性相同；与固有机械特性相比，由于电枢回路串入电阻，斜率变大，机械特性变软。如图2-19所示是不同时的一组人为机械特性。观察特性曲线可知，改变电阻的大小，可使电动机的转速发生变化。因此电枢回路串接电阻的方法可以用于调速。图2-19 他励直流电动机电枢回路串电阻的人为机械特性（2）改变电源电压时的人为机械特性当，电枢回路不串接
25、电阻，即，改变电源电压人为机械特性方程为：由于受到绝缘强度的限制，电源电压只能从电动机额定电压向下调节。与固有机械特性相比，改变电源电压的人为机械特性的特点为：理想空载转速正比于电压，下降时，成正比例减小；特性曲线斜率不变，如图2-20所示为调节电压的一组人为机械特性曲线，它是一组平行直线。因此，降低电源电压也可用于调速，越低，转速越低。图2-20 他励直流电动机降压的人为机械特性（3）改变磁通时的人为机械特性保持电动机的电枢电压，电枢回路不串电阻，即时，改变磁通的人为机械特性方程式为：由于电机设计时，处于磁化曲线的膝部，接近饱和段，因此，磁通只可从往下调节，也就是调节励磁回路串接的可变电阻使
26、其增大，从而减小励磁电流，减小磁通。与固有机械特性相比，改变磁通的人为机械特性的特点是：理想空载转速与磁通成反比，减弱磁通，升高；斜率与磁通二次方成反比，减弱磁通使斜率增大。如图2-21所示为一组减弱磁通的人为机械特性曲线。随着减弱，升高，曲线斜率变大。若用于调速，则越小，转速越高。图2-21 他励直流电动机减弱磁通的人为机械特性二、生产机械的负载转矩特性不同生产机械的负载转矩随转速的变化而变化的规律不同，对此用负载转矩特性来表征，即生产机械的转速与负载转矩之间的关系为。各种生产机械的特性大致可分为以下三类。1恒转矩负载特性所谓恒转矩负载，就是负载转矩的大小为一恒定值，即为常数，与转速的大小无
27、关，这种特性称为恒转矩负载特性，它包括反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。（1）反抗性恒转矩负载反抗性恒转矩负载的特点是：负载转矩的大小不变，而负载转矩的方向始终与生产运动的方向相反，总是阻碍电动机运转；当电动机的旋转方向改变时，负载转矩的作用方向也随之改变，永远是阻力矩；特性曲线总在第一或第三象限，如图2-22所示。具有这类特性的生产机械常见的有轧钢机、机床的平移机构和皮带运输机等。图2-22 反抗性恒转矩负载特性曲线（2）位能性恒转矩负载位能性恒转矩负载的特点是，负载转矩由重力作用产生，不论生产机械运动的方向是否发生改变，负载转矩的大小和方向始终不变。这种负载转矩特性曲线始终在第一或第
28、四象限，如图2-23所示。例如，起重设备提升重物时，负载转矩为阻力矩，无论是提升重物还是下放重物，负载转矩的方向不变，但转速方向改变。图2-23位能性恒转矩负载特性曲线2恒功率负载特性恒功率负载的特点是，当转速变化时，负载从电动机吸收的功率为恒定值，此时的负载功率值为可见，负载转矩与转速成反比。在实际中，一些机床切削加工，粗加工时，切削量大，切削阻力大，负载转矩大，用低速切削；精加工时，切削量小，切削阻力小，负载转矩小，用较高的速度切削。负载功率恒定，恒功率负载特性曲线如图2-24所示。图2-24 恒功率负载特性曲线3通风机型负载特性通风机型负载的特点是负载转矩的大小与转速的平方成正比，即式中
29、：K为比例常数。常见的通风机型负载有鼓风机、水泵、液压泵和油泵等，负载特性曲线如图2-25所示。图2-25 通风机型负载特性曲线以上三类是典型的负载特性，而实际生产机械的负载特性常为几种类型负载的综合。例如，起重设备提升重物时，电动机除受到位能性负载转矩外，还要克服系统机械摩擦所造成的反抗性负载转矩，所以电动机轴上的负载转矩应是上述两种负载转矩之和。三、电力拖动系统的稳定运行电力拖动系统是指由电动机拖动生产机械，并且通过传动机构带动生产机械完成一定工艺要求的系统。在电力拖动系统中，电动机作为原动机，生产机械作为负载，而把电动机带动生产机械运转的方式称为电力拖动。电力拖动系统一般由电动机、生产机
30、械的工作机构、传动机构、控制设备及电源五部分组成，如图2-26所示。图2-26 电力拖动系统的组成电源为电动机和控制设备提供电能；电动机作为原动机，通过传动机构带动生产机械完成某一生产任务；控制设备是由各种控制电器元件、可编程控制器组成的，用以控制电动机的工作状态，从而实现对电动机的自动控制。常见的电力拖动系统有洗衣机、水泵、机床、电梯等。所谓稳定运行，是指电力拖动系统在某种外界因素的扰动下，离开原来的平衡状态，当外界因素消失后，仍能恢复到原来的平衡状态，或在新的条件下达到新的平衡状态。此处的“扰动”一般是指负载的微小变化或电网电压的波动。电动机在电力拖动系统中运行时，会使系统出现稳定运行和不
31、稳定运行两种情况。电力拖动系统是由电动机和生产机械负载构成的，为了分析方便，常把电动机的机械特性曲线和负载转矩特性曲线画在同一个坐标系中，如图2-27所示。当系统以转速恒速运行时，电动机的电磁转矩与负载转矩相等，称为静态或平衡状态。可见，只要两条特性曲线有交点，就是平衡状态，而平衡是否稳定则取决于两种特性的配合情况。图2-27 电源电压波动时的稳定运行图2-28为他励直流电动机存在较强电枢反应时，其机械特性与恒转矩负载配合的情况。当电枢电流较大，即电磁转矩较大时，由于电枢反应的去磁作用较强，转速随转矩的增加而升高，机械特性上翘。此时，若电网电压从波动至瞬间转速不能突变，电磁转矩突变为，则有，使
32、系统加速。图2-28电力拖动系统的不稳定运行当系统的转速增加到太高时，电枢电流太大，换向困难，电动机过热，机械强度不够，会使电动机毁坏，可见A点不是稳定运行点。图2-28是电力拖动系统的不稳定运行。从上面对于是否稳定运行的分析可以看出，在电力拖动系统中，电动机的机械特性与负载转矩特性有交点，即，仅仅是系统稳定运行的必要条件。系统要稳定运行，还需要两种特性配合恰当。电力拖动系统稳定运行的充分必要条件是在处，对恒转矩负载，因为，所以平衡稳定的充分必要条件时在处，由以上分析可以得到：下斜机械特性与恒转矩负载配合，系统能够稳定运行；上翘的机械特性与恒转矩负载配合，系统不能稳定运行。四、他励直流电动机的
33、调速在工业生产中，有大量的生产机械为了满足生产工艺要求，需要改变工作速度，例如金属切削机床，由于工件的材料和精度的要求不同，工作速度也就不同，又如轧钢机，因轧制不同品种和不同厚度的钢材，要采取不同的最佳速度。这种人为地改变电动机速度以满足生产工艺要求，通常称为调速。调速可用机械方法、电气方法或机械电气相结合的方法，本节只讨论电气调速。电气调速人为地改变电动机的参数，使电力拖动系统运行于不同的人为机械特性上，从而在相同的负载下，得到不同的运行速度。这不同于由于负载变化，使电动机在同一条特性上，发生的转速变化。根据机械特性方程式人为改变电枢电压、电枢回路总电阻和主磁通都可以改变转速。所以，调速的方
34、法有：降压调速、电枢回路串电阻调速和弱磁调速三种。（一）调速指标1调速范围调速范围是指电动机在额定负载时所能达到的最高转速与最低转速之比，用系数D表示，即由上式可知，要扩大调速范围D，必须提高和降低，但受到电动机的机械强度和换向条件的限制，受到相对稳定性的限制。2调速的相对稳定性相对稳定性是指负载转矩变化时，转速随之变化的程度，工程上常用静差率来衡量相对稳定性。静差率表示电动机在某一机械特性上运行时，由理想空载到额定负载所出现的转速降与理想空载转速之比，用百分数表示为显然，在相同的情况下，电动机的机械特性愈硬，静差率就愈小，相对稳定性就愈好。3调速的平滑性调速的平滑性是指两个相邻调速级的转速之
35、比，用系数表示。值越接近于1，调速平滑性越好，在一定的调速范围内，调速的级数越多，则调速的平滑性越好，不同的生产机械对调速的平滑性要求不同。4调速的经济性调速设备的初投资、调速时电能的损耗、运行时的维修费用。（二）电枢回路串电阻调速他励直流电动机电枢串接电阻调速的机械特性如图2-29所示。从图可以看出，串入的电阻越大，曲线的斜率越大，机械特性越软。原理：设电枢未串接电阻Rpa时，电动机稳定运行在固有机械特性的a点上，当电阻Rpa1接入电枢电路瞬间，因转速不能突变，工作点从a点跳至人为机械特性的b点，这时，电枢电流减小，电磁转矩减小，,电动机减速，电枢电动势减小，电流Ia回升，T增大，直到，电动
36、机在低速的c点稳定运行。图2-29 他励直流电动机电枢串电阻调速的机械特性电枢串电阻调速的特点是：1）串入电阻后转速只能降低，由于机械特性变软，静差率变大，特别是低速运行时，负载稍有变动，电动机转速波动大，因此调速范围受到限制。2）调速平滑性不高。3）由于电枢电流大，调速电阻消耗的能量较多，不够经济。4）调速方法简单，设备投资少。应用：这种调速方法适用于小容量电动机的调速，例如起重设备和运输牵引装置。注意：调速电阻不能用起动变阻器代替，因为起动变阻器是短时使用，而调速变阻器是连续工作的。（三）降压调速降压调速的机械特性如图2-30所示。图2-30 他励直流电动机降压调速机械特性原理：设电动机稳
37、定运行a点，突然将电枢电压从降至，因机械惯性，转速不能突变，电动机由a点过渡到b点，此时，电动机立即减速，随，直到c点，电动机以较低的转速稳定运行。在降压幅度较大时，例如从突降到，电动机由a点过渡到d点，此时成为回馈制动。当电动机减速至e点时，电动机重新进入电动状态继续减速直至f点，电动机以更低的转速稳定运行。降压调速的特点是：1）无论是高速还是低速，机械特性硬度不变，调速性能稳定，故调整范围广。2）电源电压能平滑调节，故调速平滑性好，可达到无级调速。3）降压调速是通过减小输入功率来降低转速的，低速时，损耗减小，调速经济性好。4）调压电源设备较复杂。应用：降压调速的性能好，目前被广泛用于自动控
38、制系统中。如轧钢机、龙门刨床等。（四）弱磁调速弱磁调速的机械特性如图2-31所示。图2-31 他励直流电动机减弱磁通调速的机械特性原理：设电动机在a点稳定运行，当突然将磁通从降至时，转速来不及变化，则电动机运行由a点过渡b点，在b点，电动机立即加速，随，直到c点，电动机以新的较高的工作速度稳定运行。弱磁调速的特点是：（1）弱磁调速机械特性较软，受电动机换向条件和机械强度的限制，转速调高幅度不大，因此调速范围。（2）调速平滑，可以无级调速。（3）在功率较小的励磁回路中调节，能量损耗小。（4）控制方便，控制设备投资少。任务三 直流电动机的起动、反转和制动学习目标了解直流电动机起动时存在的问题；掌握
39、直流电动机常用的起动方法；掌握直流电动机的反转方法；熟悉直流电动机的制动方法；学会直流电动机常用起动、反转和制动方法的操作。任务分析使用一台电动机时，首先碰到的问题是怎样把它起动起来。要使电动机起动的过程达到最优，主要应考虑以下几个方面的问题：起动电流Ist的大小；起动转矩Tst的大小；起动设备是否简单等。电动机驱动的生产机械，常常需要改变运动方向，例如起重机、刨床、轧钢机等，这就需要电动机能快速地正反转。某些生产机械除了需要电动机提供驱动力矩外，还要电动机在必要时，提供制动的力矩，以便限制转速或快速停车。例如电车下坡和刹车时，起重机下放重物时，机床反向运动开始时，都需要电动机进行制动。因此掌
40、握直流电动机起动、反转和制动的方法，对电气技术人员是很重要的。知识链接一、他励直流电动机的起动电动机要工作时，转子总是从静止状态开始转动，转速逐渐上升，最后达到稳定运行状态的，由静止状态到稳定运行状态的过程称为起动过程或简称起动。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。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。生产机械对直流电动机的起动有下列要求：（1）起动转矩足够大，电动机才能顺利起动；（2）起运电流不可太大；（3）起动设备操作方便，起动时间短，运行可靠，成本低廉。1起动条件（1）Is(22.5)I
41、N， 换向最大电流为(22.5)IN。（2）Ts(1.11.2)TN2起动方法（1）全压起动全压起动：就是将直流电动机的电枢上直接加以额定电压的起动方式。起动瞬间，电动机转速，电枢绕组感应电动势，由电动势平衡方程可知起动电流为：起动转矩为：（2）减压起动减压起动是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。为了获得足够的起动转矩（），起动时电流通常限制在（1.52）内，则起动电压应为：随着转速的上升，电动势也逐渐增大，相应减小，起动转矩也减小。为使保持在范围，即保证有足够大的起动转矩，起动过程中电路U必须不断升高，直到电压升至额定电压，电动机进入稳定运行状态，起动过程结束。随着
42、电力电子技术的发展，目前多用晶闸管整流装置自动控制起动电压。（3）电枢回路串电阻起动电枢回路串电阻起动时，电源电压为额定值且恒定不变，在电枢回路中串接一起动电阻，以达到限制起动电流的目的。二、他励直流电动机的反转任务一曾讨论到要使电动机反转，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，所以，只要将磁通和任意一个参数改变方向，电磁转矩即改变方向。在自动控制中，通常直流电动机的反转实施方法有两种：1改变励磁电流方向2改变电枢电压极性三、他励直流电动机的制动许多生产机械，为了提高生产率和产品质量，保证设备、人身安全，要求电动机能迅速、准确地停车或迅速反向；有些设备要求限制
43、电动机的转速在一定的数值以内，例如起重机下放重物，电车下坡等。他励直流电动机的电气制动是使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩，阻碍电动机转动。在制动过程中，要求电动机制动迅速、平滑、可靠、能量损耗少。常用的电气制动有能耗制动、反接制动和发电回馈制动三种，下面分别进行分析讨论。1能耗制动能耗制动：是把正处于电动机运行状态的他励直流电动机的电枢从电网上切除，并接到一个外加的制动电阻上构成闭合回路。控制电路如图所示：图2-32 能耗制动（a）能耗制动控制电路图 （b）能耗制动电路图原理：制动时，接触器KM线圈断电释放，其常开触头断开，切断电枢电源；当常闭触头闭合，电枢接入制动电阻时，电动机进入制
44、动状态。电动机制动开始瞬间，由于惯性作用，转速仍保持与原电动状态时的方向和大小，电枢电动势亦保持电动状态时的大小和方向，但由于此时电枢电压，因此电枢电流为：电枢电流为负值，其方向与电动状态时的电枢电流反向，称为制动电流，由此产生的电磁转矩也与转速方向相反，成为制动转矩。在制动过程中，电动机把拖动系统的动能转变为电能并消耗在电枢回路的电阻上，故成为能耗制动。2反接制动反接制动有电枢反接制动和倒拉反接制动两种方式。（1）电枢反接制动电枢反接制动：是将电枢反接在电源上，同时电枢回路要串接制动电阻。控制电路如图2-33所示：图2-33 电枢反接制动控制电路电枢电源反接瞬间，转速因惯性不能突变，电枢电动势亦不变，但电枢电压U反向，此时电枢电流为负值。上式表明制动时电枢电流反向，那么电磁转矩也反向，与转速方向相反，起制动作用，电动机处于制动状态。在电磁转矩T与负载转矩共同作用下，电动机转速迅速下降。（2）倒拉