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第1章 直流电机
教学重点
直流电机的运行原理、机械特性、启动、制 动、调速。
教学难点
感应电动势和电磁转矩计算、换向、制动。
第1章 直流电机
本章主要介绍了直流电机的概念、基本结构、应用、工作原理、电枢绕组、电磁转矩等基础知识，以及直流电动机的基本方程、工作特性、机械特性及各种运行状态。
第1章 直流电机
1.5 他励直流电动机的启动
所谓启动就是指当电动机接通电源后，由静止状态加速到稳定运行状态的过程，电动机在启动时，必须先加额定励磁电流，然后再加电枢电压。
一般直流电动机的启动有如下的要求：
要有足够大的启动转矩，一般Tst≥（1.1~1.2）TN。
启动电流要限制在一定的范围之内。
启动设备简单、可靠。
启动时限制电流的方法有两个：一是增加电枢回路电阻；二是降低电枢电压。
第1章 直流电机
图1-16 电枢回路串电阻启动的原理图
1.5.1 电枢回路串电阻启动
如图1-16所示为电枢回路串电阻启动的原理图。启动时，触点KM1、KM2、KM3断开，分级电阻全部串入电枢回路，在启动的过程中，依次闭合触点KM1、KM2、KM3。启动结束时，触点KM1、KM2、KM3全部闭合，电动机稳定运行。
第1章 直流电机
电枢回路串电阻启动的机械特性如图1-17所示。电枢回路串电阻启动的优点是操作简单、可靠，缺点是启动时电阻消耗的电能较大、效率较低。
图1-17 电枢回路串电阻启动的机械特性
第1章 直流电机
1.5.2 降压启动
所谓降压启动，是指启动前降低电动机电枢绕组两端的电压，以减小启动电流的启动方法。当直流电源电压可调时，可以采用此方法，降压启动机械特性如图1-18所示。
图1-18 降压启动机械特性
第1章 直流电机
1.6 他励直流电动机的制动
所谓电动机的制动状态是指电动机的电磁转矩Tem与转子转速n的方向相反。此时，电磁转矩Tem是制动转矩，电机将机械能转换为电能。常见的制动方法有能耗制动、反接制动和回馈制动。
第1章 直流电机
1.6.1 能耗制动
如图1-19所示为他励直流电动机能耗制动电路原理图。当电动机为电动状态时，触点KM闭合、KM1断开。能耗制动时，触点KM断开、KM1闭合，能耗电阻Rb接入电枢回路，实现能耗制动。
第1章 直流电机
图1-19 他励直流电动机能耗制动电路原理图
第1章 直流电机
1.6.2 反接制动
常见的反接制动有电压反接制动和倒拉反接制动两种。
电压反接制动
电压反接制动是指把正在运行的他励直流电动机的电源电压突然反接的制动过程，也叫反抗性负载。如图1-21所示为电压反接制动原理图。
图1-21 电压反接制动原理图
第1章 直流电机
倒拉反接制动
倒拉反接制动是指制动时在电枢回路中串入大电阻，使电磁转矩小于负载转矩的制动过程，倒拉反接制动只能适用于位能性负载。
如图1-23所示为倒拉反接制动电路原理图，其机械特性如图1-24所示。
第1章 直流电机
图1-23 倒拉反接制动电路原理图 图1-24 倒拉反接制动机械特性
第1章 直流电机
1.6.3 他励直流电动机回馈制动
所谓回馈制动是指电动机工作过程中，在外部条件作用下会出现实际转速大于理想空载转速的情况，此时电枢电动势Ea>UN，电枢电流Ia<0，Tem<0，电磁转矩由驱动转矩变为制动转矩，此时电动机作为发电机运行将机械能转换成电能回馈给电网，也称为再生发电制动，其机械特性如图1-25所示。
第1章 直流电机
图1-25 回馈制动的机械特性
第1章 直流电机
1.7 他励直流电动机的调速
所谓调速，就是根据生产机械的要求人为地改变电动机的转速。如果机械特性不变，由于负载变化引起的电动机转速的变化不能称为调速。
1.7.1 调速指标
调速范围
相对稳定性
平滑性
经济性
第1章 直流电机
1.7.2 调速方法
常见的调速方法有电枢回路串电阻调速、降低电源电压调速和减弱磁通调速。
电枢回路串电阻调速
当他励直流电动机运行于额定电压和额定励磁电流时，通过在电动机电枢回路中串入不同的电阻而实现调速的方法称为电枢回路串电阻调速。
如图1-28所示为他励直流电动机串电阻调速的电路原理图。电动机正常运行时，触点KM1、KM2闭合，当需要调速时，依次断开KM1、KM2，此时电枢回路串入电阻， 从而实现调速。其机械特性如图1-29所示。
第1章 直流电机
电枢回路串电阻调速的优点是方法简单、操作方便；缺点是相对稳定性差，而且串入电阻使能耗增大，经济性较差。常用于电动机拖动的电车、炼钢车间等生产机械上。
图1-28 他励直流电动机串电阻调速的
电路原理图
图1-29 串电阻调速时的机械特性
第1章 直流电机
降低电源电压调速
当他励直流电动机在额定励磁电流下运行，且保证电枢电阻不变时，通过调节电动机电枢两端的电压而实现调速的方法称为降低电源电压调速。由于电动机的工作电压不允许超过额定电压，故电枢电压只能在额定电压以下进行调节，如图1-30所示为降低电源电压调速时的机械特性。
图1-30 降低电源电压调速时的机械特性
第1章 直流电机
降低电源电压调速的优点
由于电源电压可连续调节，故可以实现无级调速。
调速前后机械特性的斜率不变，负载变化时 转速稳定性好。
调速范围较宽，一般为 2.5~12。
调速过程能耗，且经济性好。
降低电源电压调速的缺点
调速时需要一套电压可连续调节的直流电压，设备投资大。
第1章 直流电机
减弱磁通调速
当他励直流电动机在额定电压运行，且保证电枢电阻不变时，通过调节励磁电流（磁通）而实现调速的方法称为减弱磁通调速。由于电动机在额定状态下运行时，磁路已基本饱和，即使励磁电流增大很多，磁通也增加很少，而且一般也不允许磁路过饱和，故改变磁通只能在额定值以下的范围调节。如图1-31所示为减弱磁通调速时的机械特性。
第1章 直流电机
图1-31 减弱磁通调速时的机械特性
第1章 直流电机
减弱磁通调速的优点
由于励磁电流If<设备简单，平滑性好，可实现无级调速。
减弱磁通调速的缺点
由于受到电动机机械强度和换向火花限制，调速范围D不大，一般为1.2~1.5。

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