【正文】 面向 21世紀(jì)高職高專系列教材 電機(jī)拖動(dòng)與控制 第 3章 直流電動(dòng)機(jī) 主講：李志龍 張 勇 主編 本章內(nèi)容主要包括： 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式 負(fù)載的機(jī)械特性 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)和反轉(zhuǎn) 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的制動(dòng) 他勵(lì)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速 直流電機(jī)的故障分析及維護(hù) 第 3章 直流電動(dòng)機(jī) 在電力拖動(dòng)系統(tǒng)中，電動(dòng)機(jī)是原動(dòng)機(jī)，起主導(dǎo)作用；生產(chǎn)機(jī)械是負(fù)載。電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與負(fù)載的機(jī)械（轉(zhuǎn)矩）特性是研究電力拖動(dòng)的基礎(chǔ)。本章主要介紹電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程、負(fù)載轉(zhuǎn)矩特性、直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性、起動(dòng)、調(diào)速、制動(dòng)等方法和物理過程。 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)方程式 電力拖動(dòng)系統(tǒng)簡介 用各種原動(dòng)機(jī)帶動(dòng)生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)，完成一定生 產(chǎn)任務(wù)的過程稱為 拖動(dòng)。 用電動(dòng)機(jī)作為原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)稱為 電力 拖動(dòng)。電力拖動(dòng)系統(tǒng) 包括：電動(dòng)機(jī)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、工作機(jī)構(gòu)、控 制設(shè)備和電源五個(gè)部分。 電動(dòng)機(jī) 傳動(dòng)機(jī)構(gòu) 工作機(jī)構(gòu) 控制設(shè)備 電源 圖 31 電力拖動(dòng)系統(tǒng)的組成 電力拖動(dòng)系統(tǒng)簡介 如右圖為單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)。 單軸電力拖動(dòng)系統(tǒng)： 電動(dòng)機(jī)直接與生產(chǎn)機(jī)械的工作機(jī)構(gòu)相連接，電動(dòng)機(jī)與負(fù)載用同一個(gè)軸，以同一轉(zhuǎn)速運(yùn)行。 電力拖動(dòng)系統(tǒng)簡介 運(yùn)動(dòng)方程： dt dn GD T T L = 375 2 其中， T— 電磁轉(zhuǎn)矩 TL— 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 n— 電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 GD2— 飛輪矩 TTL— 動(dòng)轉(zhuǎn)矩 MT nLT? U F圖 32 單軸電力拖動(dòng) 系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的三種狀態(tài) 1)當(dāng) 或 時(shí) ,系統(tǒng)處于 靜止 或 恒轉(zhuǎn)速 運(yùn)行狀態(tài)，即處于穩(wěn)態(tài)。 L T T = 0=dtdn2)當(dāng) 或 時(shí) ,系統(tǒng)處于 加速 運(yùn)行狀態(tài)，即處于動(dòng)態(tài)。 L T T 0dtdn3)當(dāng) 或 時(shí) ,系統(tǒng)處于 減速 運(yùn)行狀態(tài)，即處于動(dòng)態(tài)。 L T T 0dtdn 正負(fù)及方向： 首先確定電動(dòng)機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)時(shí)的旋轉(zhuǎn)方向?yàn)檗D(zhuǎn)速的正方向，然后規(guī)定： （ 1）電磁轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 的正方向相同時(shí)為正，相反時(shí)為負(fù)。 T n（ 2）負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 的正方向相同時(shí)為負(fù)，相反時(shí)為正。 LT nT LT（ 3）慣性轉(zhuǎn)矩 的大小和正負(fù)號(hào)由 和 的代數(shù)和決定。 dtdnGD ?3752 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程 右圖為一臺(tái)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的示意圖。電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞導(dǎo)體切割氣隙磁場，產(chǎn)生電樞電動(dòng)勢 Ea，在電動(dòng)機(jī)中，此電動(dòng)勢的方向與電樞電流 Ia的方向相反，稱為 反電動(dòng)勢 。當(dāng)電動(dòng)機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，有幾個(gè)平衡關(guān)系，分別用以下方程式表示： MTnLT? UfI? fU圖 33 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī) Ia Ea a a R I Ea U ? = U：外加電壓 Ra:電樞回路電阻。其中包括電刷 和換向器之間的接觸電阻。 M Ra Ia Ea + – + – U 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程 （根據(jù)基爾霍夫定律列寫） 穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，作用在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩有三個(gè)。電磁轉(zhuǎn)矩 T 為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩，在電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，必須與負(fù)載轉(zhuǎn)矩及空載轉(zhuǎn)矩相平衡，即 0TTT L ?=TL： 負(fù)載轉(zhuǎn)矩 T0 ：空載轉(zhuǎn)矩 轉(zhuǎn)矩平衡過程： 當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩（ TL）發(fā)生變化時(shí)，通過電機(jī)轉(zhuǎn)速、電動(dòng)勢、電樞電流的變化，電磁轉(zhuǎn)矩自動(dòng)調(diào)整，以實(shí)現(xiàn)新的平衡。 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程 P1= UIa—— 電動(dòng)機(jī)從電源輸入的電功率（ kW） PM= EaIa—— 電磁功率 PCua=Ia2Ra—— 電樞回路的銅損耗 ?=== TnIapNIEP aaaM 6022 ????PM = P2 +p0 = P2 + pm +pFe ?P1 = PM + pCua=P2+Σp Σp=pCua+pFe+pm——電動(dòng)機(jī)的總損耗 直流電動(dòng)機(jī)的基本方程 PM——電磁功率（ kW） P2——軸上輸出的機(jī)械功率（ kW） P0——空載損耗，包括機(jī)械損耗 pm和鐵損耗 pFe 功率流程圖： Pcua= Ia2Ra P0= pm+ pFe pf P1= UIa PM= EaIa P2 圖 34 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)功率流程圖 負(fù)載的機(jī)械特性 生產(chǎn)機(jī)械工作機(jī)構(gòu)的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 TL與轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系，即 n=f(TL)稱為 負(fù)載的機(jī)械特性 。也就是負(fù)載的轉(zhuǎn)矩特性，簡稱負(fù)載特性。 特點(diǎn) 是工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值是恒定不變的，轉(zhuǎn)矩的性質(zhì)總是阻礙運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載特性是指生產(chǎn)機(jī)械的負(fù)載轉(zhuǎn)矩 與轉(zhuǎn)速 無關(guān)的特性。分反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載和位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載兩種。 nLT機(jī)械特性如右圖所示。 n﹥ 0時(shí)， TL﹥ 0（常數(shù)）； n﹤ 0時(shí)， TL﹤0 （常數(shù)）。 TL的絕對(duì)值相等，位于第一、三象限。 軋鋼機(jī)、電車平地行駛、行走機(jī)構(gòu)等由摩擦力產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩的機(jī)械屬于此類。 TL n 圖 35 反抗性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性 恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性 特點(diǎn) 是工作機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)矩的絕對(duì)值是恒定不變的，而且方向不變（與運(yùn)動(dòng)方向無關(guān)），總是重力作用方向。 機(jī)械特性如右圖所示。 n﹥0 時(shí)，TL﹥0 是阻礙運(yùn)動(dòng)的制動(dòng)性轉(zhuǎn)矩；n﹤0 時(shí)， TL﹥0 是幫助運(yùn)動(dòng)的拖動(dòng)性轉(zhuǎn)矩。位于第一、四象限。 起重機(jī)提升和下放重物屬于此類。 TL n 圖 36 位能性恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載的機(jī)械特性 泵類負(fù)載的機(jī)械特性 負(fù)載的轉(zhuǎn)矩 基本上與轉(zhuǎn)速 的平方成正比。負(fù)載特性為一條拋物線，右圖所示。 如水泵、通風(fēng)機(jī)和螺旋槳等。 LTn 恒功率負(fù)載的機(jī)械特性 恒功率負(fù)載特點(diǎn)是：負(fù)載轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的乘積為一常數(shù)，即 與 成反比，特性曲線為一條雙曲線。 nLTTL n 圖 37 泵類負(fù)載的機(jī)械特性 TL n 圖 38 恒功率負(fù)載的機(jī)械特性 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性 是指電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速 n與電磁轉(zhuǎn)矩 T之間的關(guān)系： ) ( T f n = 機(jī)械特性方程 a e e I C Ra+R C U n F F = 在電樞電路中串入一個(gè)附加電阻 R，電樞電壓為 U，磁通為F，根據(jù)電壓平衡方程式有： 又根據(jù)電磁轉(zhuǎn)矩公式 T=CTFIa代入上式，得電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性方程為： b為機(jī)械特性的斜率 0n稱為理想空載轉(zhuǎn)速 Ra電樞繞組電阻 T e e T n C C Ra+R C U n b = F F = 0 2 T 固有機(jī)械特性 固有機(jī)械特性： 當(dāng)電樞兩端加額定電壓、氣隙每極磁通量為額定值、電樞回路不串電阻時(shí)，即 的機(jī)械特性。 N N R U U =0 F = F = , , TCC RC UnNTeaNeN2FF=表達(dá)式為： 固有機(jī)械特性曲線如圖 39所示 n0 nN TN T n ? n 圖 39 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性 固有機(jī)械特性 （ 1）當(dāng) T?時(shí) n? ，其特性是略下斜的直線。 （ 2）當(dāng) T=0時(shí)， n0為理想空載轉(zhuǎn)速 (實(shí)際工作時(shí) ,由于有空載損耗，電機(jī)的 T不會(huì)為 0)。 （ 3）由于電樞電阻 Ra很小，所以機(jī)械特性斜率 b很小， 在負(fù)載變化時(shí)，轉(zhuǎn)速 n 的變化不大，特性較平，習(xí)慣上稱之為 硬特性 。 （ 4） 當(dāng) T=TN時(shí)， n=nN，此點(diǎn)為電動(dòng)機(jī)額定工作點(diǎn)，轉(zhuǎn)速差Δ n=n0nN= bTN ，為額定轉(zhuǎn)速差，一般 Δ n≈ N。 （ 5）當(dāng) n=0時(shí)，即電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)， =0，此時(shí)電樞電流 Ia=UN/Ra=Is，稱為起動(dòng)電流；電磁轉(zhuǎn)矩 T=CTFNIs=Ts，稱為起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。由于電樞電阻 Ra很小， Is和 Ts都比額定值大很多（可達(dá)幾十倍），給電機(jī)和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶來危害。 n CE e a F= 他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)固有機(jī)械特性具有以下幾個(gè)特點(diǎn)： 人為機(jī)械特性 當(dāng)改變電樞電壓 U、電樞回路電阻 Ra和氣隙每極磁通 F得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性， 三種