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1、 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制工程工程3 3 直流电动机的特性及电气直流电动机的特性及电气 控制原理控制原理 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制义务3.1 3.1 直流直流电动机的机械特性机的机械特性活活动情境情境按励磁方法的不同，可将直流按励磁方法的不同，可将直流电动机分机分为他励、并励、串励和复励他励、并励、串励和复励4 4类。义务要求要求掌握各种励磁方式直流掌握各种励磁方式直流电动机的机械特性。机的机械特性。根本活根本活动3.1.1 3.1.1 他励他励电动机的机械特性机的机械特性直流他励直流他励电动机与直流并励机与直流并励电动机的原理机的原理电路路图，如，如图3.
2、13.1所示。所示。直流直流电机的机的电动势常表示常表示为 式中式中 E E电动势，V V； 对磁极的磁通，磁极的磁通，WbWb； 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.1 直流电动机原理表示图 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制 N电枢转速，r/min； Ke与电机构造有关的常数。直流电机电枢绕组中的电流与磁通相互作用，产生电磁力和电磁转矩。直流电机的电磁转矩常表示为式中 T电磁转矩，Nm； 对磁极的磁通，W； Ia电枢电流，A； Km与电机构造有关的常数，Km=9.55Ke。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制由图3.1可知，电枢回路中的电压平衡方程式为 将E=K
3、en代入式3.3并整理，得 常将式3.4称为直流电动机的转速特性n=fIa，再将 代入式3.4，即可得到直流电动机机械特性的普通表达式 由于电动机的励磁方式不同，磁通随Ia和T变化的规律也不同，所以在不同的励磁方式下，式3.5所表示的机械特性外形就有差别。如图3.2所示。式3.5中，当T=0时转速n0=U/Ke称为理想空载转速。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制为了衡量机械特性的平直程度，特别引进一个机械特性硬度的概念，记为，其定义如下 图3.2 他励电动机的机械特性 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制即转矩变化dT与所引起的转速变化dn的比值，称为机械特性的硬度。根据值的不
4、同，可将电动机机械特性分为3类。绝对硬特性：如交流同步电动机的机械特性。硬特性10：如直流他励电动机的机械特性，交流异步电动机机械特性的上半部。软特性10：如直流串励电动机和直流复励电动机的机械特性。电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性两类。1固有机械特性固有机械特性又称自然特性，是指在额定条件下的n=fT，对于直流他励电动机，就是在额定电压UN和额定磁通N下，电枢电路内不外接任何电阻时的n=fT。通常在电动机铭牌上给出了额定功率PN、额定电压UN、额定电流IN、额定转速n0等。由这些知数据就可求Ra，KeN，n0，TN。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制整体计算步骤如下
5、：估算电枢电阻Ra：电动机在额定负载下的铜耗I2aRa占总损耗PN的50%75%。而 即 其中， 是额定运转条件下电动机的效率，且此时Ia=IN,故得求理想空载转速n0：电动机在额定运转条件下的反电势故 那么 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制求额定转矩TN： 这样，根据0，n0和TN，nN两点，就可以作出他励电动机近似的机械特性曲线n=fT。图3.3 直流他励电动机正反转的机械特性 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制2人为机械特性人为机械特性亦称人为特性，就是指式3.5中供电电压U或磁通不是额定值、电枢电路内接有外加电阻Ra时的机械特性。电枢回路中串接附加电阻Ra时的人为机械
6、特性如图3.4a所示，U=UN,=N时，在电枢回路中串接附加电阻Ra，假设以Rad+Ra替代式3.5中的Ra，即可求得人为机械特性方程式为 图3.4 电枢回路中串接附加电阻的他励电动机 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制改动电枢电压U时的人为特性当=N,Rad=0,改动电枢电压U即UUN，由式3.5可见，此时，理想空载转速n0=U/KeN要随U的改动而变化，但转速降n不变，所以，对应于不同的电枢电压U，将得到一簇平行于固有特性曲线的人为特性曲线，如图3.5所示。图3.5 改动电枢电压的人为特性曲线 图3.6 改动磁通的人为特性曲线 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制改动磁通时的
7、人为特性当U=UN，Rad=0,改动磁通，由式3.5可见，此时，理想空载转速n0=UN/KeN和转速降n=RaT/KeKm2都将随磁通的改动而变化。随着磁通的降低，理想空载转速n0和转速降n都将增大。在n=0时，由电压平衡方程式U=E+IaRa和E=Ken知，此时Ist=U/Ra=常数，故与其对应的电磁转矩Tst=Km Ist将随的降低而减小。综上所述，可得不同磁通值下的人为特性曲线簇。3.1.2 串励电动机的机械特性串励电动机的原理电路图，如图3.7a所示，它的励磁电流就是它的电枢电流，电动机的每极磁通既是电枢电流的函数，又是电动机转矩的函数，因此，串励电动机的机械特性n=fT与他励电动机的
8、大不一样，假设近似地绘出它的曲线时，可将曲线分作两段来进展分析。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.7 串励电动机 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制第一段，在电动机负载较轻、电枢电流即励磁电流较小时，电动机磁路的饱和程度不高，所以，可以近似以为每极磁通和电枢电流Ia成正比，即=CIa，C为比例常数，并且或 将式3.11代入式3.5可得其中， 是两个常数。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制第二段，在电动机负载转矩较大，电枢电流较大时，磁路趋于饱和，此时可近似地以为磁通为常数，由式3.5可知，此时机械特性曲线的外形近似于一条直线。必需留意的是，串励电动机绝不允许空
9、载运转，由于此时电动机转速极高，转子所产生的离心力足以将绕组元件甩出槽外，这是极其危险的。3.1.3 复励电动机的机械特性复励电动机具有他励和串励两个励磁绕组，其原理电路图如图3.8a所示。复励电动机同时具有他励电动机和串励电动机的性质，其机械特性介于它们两者之间，如图3.8b所示。复励电动机的机械特性曲线的外形随串励磁通所占的比重不同而不同，串励磁通所占比艰苦时，机械特性较软，通常串励磁通在额定负载时约占全部磁通的30%左右。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.8 复励电动机义务 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制3.2 3.2 直流他励电动机的启动、调速、制动特性直流
10、他励电动机的启动、调速、制动特性活动情境活动情境在工业控制、调速系统中运用较多的是他励直流电动机，所以本义务专门在工业控制、调速系统中运用较多的是他励直流电动机，所以本义务专门对他励电动机的各种运转特性进展详细的分析。对他励电动机的各种运转特性进展详细的分析。义务要求义务要求1.1.掌握他励直流电动机的启动特性。掌握他励直流电动机的启动特性。2.2.掌握他励直流电动机的调速特性。掌握他励直流电动机的调速特性。3.3.掌握他励直流电动机的制动特性。掌握他励直流电动机的制动特性。根本活动根本活动3.2.1 3.2.1 直流他励电动机的启动特性直流他励电动机的启动特性给电动机通电，使电动机转子转动起
11、来，到达所要求的转速后正常运转，给电动机通电，使电动机转子转动起来，到达所要求的转速后正常运转，这就是电动机的启动过程。这就是电动机的启动过程。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制对于直流电动机，由式3.3可知，电动机在未启动之前n=0，E=0，而Ra很小，将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电流Ist=UN/Ra将很大，通常情况下将到达电动机额定电流的1020倍。直流电动机不允许直接启动，在启动时必需设法限制电枢电流。限制直流电动机的启动电流，普通采取两种方法：一是降压启动，即在启动瞬间，降低供电电源电压，随着转速n的升高，反电势E的增大，再逐渐提高供电电压，最后到达额定电压U
12、N时，电动机到达所要求的转速。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制二是在电枢回路内串接外加电阻启动，此时启动电流Ist=UN/Ra+Rad将遭到外加启动电阻Rad的限制，随着电动机转速n的升高，反电势E的增大，再逐渐切除外加电阻，不断到外加电阻全部切除，从而使电动机到达所要求的转速。各类机电设备对电动机启动的要求是有差别的。从技术上来讲，通常希望平均启动转矩大些以缩短启动时间，这样，启动电阻的段数就应多些；而从经济上来讲，那么要求启动设备经济、简单和可靠，这样，启动电阻的段数就应少些。启动级数越多，T1,T2越与平均转矩Tav=T1+T2/2接近，启动过程就将快而平稳，但所需的控制设备
13、也就越多。在进展多级启动时，T1，T2的数值由电动机的详细启动条件决议。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.9 具有一段启动电阻的他励电动机 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.10 具有三段启动电阻的他励电动机 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制普通原那么是坚持每一级的最大转矩T1或最大电流I1不超越电动机的允许值，而每次切换电阻时的转矩T2或I2根本一样，普通按下式选择。 3.2.2 直流他励电动机的调速特性在负载一定的条件下，人为地改动电动机的电路参数，从而改动电动机的稳定转速，即为电动机的调速。如图3.11所示的特性曲线1与2，当负载转矩一定时，电动机
14、任务在特性1上的A点，以转速nA稳定运转。此时，假设人为地添加电枢电路的电阻，电动机将逐渐降速至特性2的B点，最后以转速nB稳定运转。由于这种转速的变化是人为改动或调理电枢电路的电阻所引起的，故称调速或速度调理。速度调理是在某一特定的负载下，靠人为改动机械特性而得到；而速度变化那么是在某条机械特性下，由于负载转矩改动而引起的。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.11 速度调理 图3.12 速度变化 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制电动机的调速是消费机械所要求的。实现消费机械的调速可以采用机械、液压或电气的方法。下面仅就他励直流电动机的调速方法作普通性引见。根据直流他励电
15、动机的机械特性方程式有 由式3.13可知，改动串入电枢回路的电阻Rad、电枢供电电压U或主磁通，可得到不同的人为机械特性，从而在负载不变的情况下改动电动机的转速，以满足速度调理的要求，故直流电动机的调速方法有以下3种。1改动电枢电路外串电阻Rad直流电动机电枢回路串电阻后，可得到人为机械特性见图3.4，并可用此方法进展启动控制见图3.10。同样，用此方法也可以进展调速。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制这种调速方法目前已很少采用，仅在一些低速运转时间不长的传动系统如起重机、卷扬机等中采用。图3.13 电枢回路串电阻调速的特性 图3.14 改动电枢回路电压的调速特性 出版社电机与机床电
16、气控制电机与机床电气控制2 2改改动电动机机电枢供枢供电电压改改动电动机机电枢供枢供电电压U U也可得到人也可得到人为机械特性，如机械特性，如图3.143.14所示，可以所示，可以看出，在看出，在负载转矩矩TLTL一定一定时，加上不同的，加上不同的电压UNUN，U1U1，U2U2，U3U3，对应的可得到不同的的可得到不同的转速速nana，nbnb，ncnc，ndnd，即改，即改动电枢枢电压可以到达可以到达调速的目的。速的目的。这种种调速方法的特点是：速方法的特点是：当当电源源电压延延续变化化时，转速可以速可以实现平滑无平滑无级调理。理。调速特性与固有特性相互平行，速特性与固有特性相互平行，电动
17、机的机械特性硬度不机的机械特性硬度不变，调速的速的调速范速范围较大，大，稳定度也定度也较高。高。在在调速速过程中，由于程中，由于电枢枢电流流IaIa与与电枢枢电压U U无关，且无关，且=N=N，因此，因此电动机机转矩矩T=KmNIaT=KmNIa不不变，属于恒，属于恒转矩矩调速，故适宜于速，故适宜于对恒恒转矩型矩型负载进展展调速；速； 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制 单靠调理电枢电压就可以启动电机，无需采用其他启动设备。3改动电动机主磁通改动电动机主磁通的人为机械特性如图3.15所示，从特性曲线可以看出，在一定的负载功率PL下，不同的主磁通N，1，2，对应可得到不同的转速na，nb
18、，nc，即改动主磁通可到达调速的目的。图3.15 改动主磁通调速的特性曲线 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制这种调速方法的优点是：可以平滑无级调速，但需留意，只能弱磁调速，即在额定转速以上调理。调速特性较软，且受电动机换向条件等的限制，普通他励电动机的最高转速不允许超越其额定转速的1.2倍，因此，调速范围不大。调速过程中，由于维持电枢电压U和电枢电流Ia不变，即功率P=UIa不变，属恒功率调速，故适宜于对恒功率型负载进展调速。3.2.3 直流他励电动机的制动特性前面已引见，电动机的启动是从静止加速到某一稳定转速，而电动机的制动那么是从某一稳定转速开场减速到停顿或是限制位能负载下降速度
19、的一种运转形状。电动机的制动形状可分为两种方式：一是为限制位能负载的运动速度，在制动过程中，电动机的转速不变， 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.16 直流他励电动机的任务形状 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制以坚持重物的匀速下降，这属于稳定的制动形状；二是在制动过程中，电动机的转速是变化的在降速或停车制动时，那么属于过渡的制动形状。这两种制动形状的根本区别在于在制动过程中转速能否变化，其共同点是：电动机发出的转矩T与转速n方向相反，电动机任务在发电机运转形状，电动机吸收或耗费机械能位能或动能，并将其转化为电能反响回电网或耗费在电枢电路的电阻中。根据直流他励电动机处于制
20、动形状时的外部条件和能量传送情况，可将其制动形状分为反响制动、反接制动、能耗制动3种方式。1反响制动电动机为正常接线形状，而在外部条件作用下电动机的实践转速n大于其理想空载转速n0，此时，电动机就运转于反响制动形状。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.17 直流他励电动机的反响制动 图3.18 调压制动 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制在反响制动形状下，电动机的机械特性表达式仍为式3.13。由于电动机转速及其所决议的电枢电势不能突变，假设不思索电枢电感的作用，那么电枢电流将由 突变为同理，电动机在弱磁形状用添加磁通的方法来降速时，也能产生反响制动过程，以实现迅速降速的目
21、的。卷扬机构下放重物时，同样能产生反响制动过程以坚持重物匀速下降，如图3.18所示。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.19 下放重物时的反响制动过程 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制假设改动电枢电路中的附加电阻Rad的大小，也可调理反响制动形状下电动机的转速，但与电动形状下的情况相反，反响制动形状下附加电阻越大，电动机转速越高，如图3.19b中所示的c、d两点。2反接制动当他励电动机的电枢电压U或电枢电势E中的任何一个在外部条件作用下改动了方向，也就是说两者由方向相反变为方向一致时，电动机即运转于反接制动形状。把改动电枢电压 U的方向而产生的反接制动称为电源反接制动；
22、把改动电枢电势E的方向而产生的反接制动称为倒拉反接制动。1电源反接制动假设电动机原来运转在正向电动形状，那么电枢电压U的极性为图3.20a中的虚线所示。假设忽然将电枢电压 U的极性反接，如图3.20a实线所示。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制此时电势平衡方程式为 留意，此时电势E、电枢电流Ia的方向为电动形状下假定的正方向。将E=Ken和Ia=T/Km代入式3.14，便可得到电机在电源反接制动形状的机械特性表达式必需留意的是，在反接制动期间，由于电枢电势E和电源电压U是串联相加的，为了限制电枢电流Ia，电动机的电枢电路中必需串接足够大的限流电阻Rad。2倒拉反接制动在进展倒拉反接制
23、动以前，设电动机处于正向电动形状，如图3.21所示。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.20 电源反接制动过程 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制假设欲下放重物，可以在电枢电路内串入附加电阻Rad，此时电动机的运转形状将由自然特性曲线1的a点过渡到人为特性曲线2的c点。由于电动机转矩T小于负载转矩TL，从而传动系统转速下降提升重物上升的速度减慢，即沿着特性曲线2向下挪动。随着转速下降，电势E减小，电枢电流增大，电动机转矩相应增大，但仍比负载转TL小，所以，系统速度将继续下降，即重物提升速度越来越慢，当电动机转矩T沿特性曲线2下降到d点时，电动机转速为零，重物停顿上升，电动
24、机反电势也为零，但电枢在外加电压U的作用下仍有很大电流，此电流产生的转矩称为堵转转矩Tst,由于此时Tst仍小于TL，故TL拖动电动机的电枢开场反方向旋转，重物即开场下降，电动机任务形状就进入了第四象限，此时电势E的方向也反过来，E和U同方向。因此，电流增大，电磁转矩T增大，随着转速在反方向增大，电势E增大，电流和转矩也进一步增大，直至转矩T=TL的b点时，转速才不再添加， 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制而以稳定的速度nb下放重物。因此，重物是靠位能负载转矩TL的作用下放，而电动机转矩T是对抗重物下放的，所以电动机此时起制动作用，将这种任务形状称为倒拉反接制动或电势反接制动形状。图
25、3.21 倒拉反接制动 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制在电枢电路中选择不同的附加电阻Rad，对应即可得到不同的下降速度，而且附加电阻越小，下降速度越低。在图3.21a中，电压U、电势E、电流Ia都是电动形状下假定的正方向，故倒拉反接制动形状下的电势平衡方程式、机械特性在方式上均与电动形状下的一样，即分别为3能耗制动当电动机运转在电动形状时，假设外施电枢电压U突降为零，同时将电枢串接一个附加电阻Rad并短接起来，就能得到能耗制动形状，如图3.22a所示。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制图3.22 能耗制动 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制由图3.22a还可看出，
26、假设电压U=0，电势E、电流Ia仍为电动形状下假定的正方向，故能耗制动形状下的电势平衡方程式为 因 ，故能耗制动的机械特性曲线如图3.22b所示中的直线2，是一条过原点，且位于第二象限和第四象限的直线。与电源反接制动相比较可知，这种制动方式的主要优点是：不存在电动机反向启动的危险。与倒拉反接制动相比较可知，用能耗制动下放重物的主要优点是：不会出现因对T的大小估计错误而引起重物上升的事故。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制能耗制动通常运用于拖动系统要求快而准确地停车及卷扬机重物的恒速下放的场所。图3.23 直流他励电动机各种运转形状比较 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制改动制
27、动电阻Rad的大小，可得到不同斜率的特性，如图3.23b所示。综上所述，电动机有电动和制动两种运转形状，在同一种接线方式下，既可运转在电动形状，也可运转在制动形状。对直流他励电动机，用正常的接线方法，既可实现电动运转，也可实现反响制动和反接制动，只是这3种运转形状分别处在同一条机械特性上的不同区域，如图3.23中曲线1与3所示分别对应于正、反转方向。工程小结电动机的机械特性是指稳态运转时转速与电磁转矩的关系，它反映了稳态转速随转矩的变化规律。当电动机的电压和磁通为额定值时的机械特性称为固有机械特性，而改动电动机的电气参数后得到的机械特性称为人为机械特性。 出版社电机与机床电气控制电机与机床电气控制直流电机的调速方法有：电枢串电阻调速、降压调速和弱磁调速。串电阻调速的平滑性差、低速时静差率大且损耗大，调速范围也比较小。降压调速可实现转速的无级调理，调速时机械特性的硬度不变，速度的稳定性好，调速范围宽。弱磁调速也属无级调速，能量损耗小，但调速范围较小。当电磁转矩与转速方向相反时，电动机处于制动形状。直流电动机有3种制动方式：能耗制动、反接制动电压反接和倒拉反转和回馈制动。
