【文章內(nèi)容簡介】 （ 49） 即電磁轉(zhuǎn)矩正比于電樞電流的平方；當電樞電流較大，電動機磁路飽和時，Φ 為常數(shù)，則電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比。其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖 411 曲線 T＝ f（ Ia）所示。 2． 轉(zhuǎn)速特性 n＝ f（ Ia） 當電源電壓 U不變時，電動機轉(zhuǎn)速 n與電樞電流 Ia之間的關(guān)系即為轉(zhuǎn)速特性。當電動機輕載時，則對應(yīng)的電樞電流 Ia比較小， Φ 也比較小，由公式（ 48）可見，電動機轉(zhuǎn)速 n 與電樞電流 Ia成反比，曲線為雙曲線。當電動機空載時，空載電流 Ia 很小，電動機轉(zhuǎn)速將相當高，可能造成機損事故，因此串勵電動機不允許空載運行。當電動機負載較重時，即 Ia 較大時，由于磁路飽和， φ 基本不變，串勵電動機轉(zhuǎn)速特性就與并勵電動機相似，即略向下傾斜，如圖 411 曲線n＝ f（ Ia）所示。該曲線的特征是 從空載到滿載，電動機轉(zhuǎn)速變化很大，這種特性稱為軟特性。 3． 機械特性 n＝ f（ T） 電動機轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系即為機械特性。對串勵電動機而言，當電樞電流 Ia很小時， Φ 也很小，此時電磁轉(zhuǎn)矩 T也很小，而對應(yīng)的轉(zhuǎn)速 n 由式（ 48）可知應(yīng)為很大。當電樞電流 Ia較大時， φ 也較大，此時電磁轉(zhuǎn)矩 T 也較大，而轉(zhuǎn)速 n則小，由數(shù)學(xué)分析及實踐運行證明，其形狀也相似于雙曲線，因此，如同并勵電動機一樣，將圖 411中的轉(zhuǎn)速特性曲線 n＝ f（ Ia）的橫坐標由 Ia改為 T，就可以代表機械特 性 n＝ f（ T）。 直流電動機的起動、調(diào)速、反轉(zhuǎn)與制動 直流電動機的起動 直流電動機由靜止狀態(tài)達到正常運轉(zhuǎn)的過程稱為起動過程，直流電動機在起動過程中不但轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，而且轉(zhuǎn)矩、電流等也在變化。對直流電動機起動的要求是應(yīng)有足夠大的起動轉(zhuǎn)矩以縮短起動時間，提高生產(chǎn)率，同時電動機的起動電流又不能過大。 1． 全壓起動 全壓起動又稱直接起動，即直流電動機在起動時，給電動機加額定電壓 U直接起動電動機，如圖 412 所示，起動時先合上開關(guān) S1，建立主磁場，同時在電樞繞組上加額定電壓，使電動 機起動。在起動開始瞬間，雖然給電動機加上電源電壓 U，但由于轉(zhuǎn)子的慣性，一開始轉(zhuǎn)速 n＝ 0，故反電動勢 Ea＝ Ceφ n＝ 0，由式（ 33）可知，此時電樞電流 Ia為 staa aa IRUR EUI ???? （ 410） 將此時的電流為稱起動電流，用 Ist表示。由于電樞繞組的電阻 Ra一般很小，故起動電流很大，中、小型直流電動機約為額定電流的 10 倍左右，較大容量的電動機甚至可高達 20倍。這樣大的起動電流將帶來以下不良 影響： （ 1） 電動機的電刷與換向器之間產(chǎn)生強烈的火花而導(dǎo)致電刷與換向器表面的燒損； （ 2） 產(chǎn)生很大的轉(zhuǎn)矩使傳動機構(gòu)和生產(chǎn)機械受到強烈的沖擊而損壞； （ 3） 使電網(wǎng)電壓波動，影響供電的穩(wěn)定性。 由于上述原因，除小容量的電動機以外，一般不允許全電壓直接起動。通常采用的起動方法有兩種，即降低電源電壓起動和在電樞回路中串電阻起動。 直接起動優(yōu)點是所需設(shè)備簡單，操作方便。缺點是起動電流大。 2． 降低電源電壓起動（降壓起動） 可以采用晶閘管構(gòu)成的可控整流電路作為直流電動機的可調(diào)電壓電源。有關(guān)該電路的工作原 理及調(diào)壓過程將在電子技術(shù)課程中介紹。 在直流電動機起動瞬間，為其供給較低的直流電壓，以后，隨著電動機轉(zhuǎn)速的升高，逐步增加直流電壓的數(shù)值，直到電動機起動完畢正常運行時，加在電動機上的電壓即是電動機的額定電壓。用降低電源電壓的方法起動并勵電動機時必須注意：起動時并勵電動機上必須加額定的勵磁電壓，使磁通保持額定值，否則電動機起動電流雖然比較大，但起動轉(zhuǎn)矩卻很小，電動機可能無法起動。 例 41 有一臺并勵直流電動機，電樞繞組電阻 Ra＝ 0. 4Ω，額定電壓 U＝110V，設(shè)磁通恒定不變，當 n＝ nN時， Ea＝ 100V，求：（ 1）額定電流 IN；（ 2）直接起動時的起動電流 Ist；（ 3）要使電動機起動瞬時的電流 I1限制在 2 倍額定電流之內(nèi)，求起動時的電壓 U1。 解 （ 1） 10 011 0 ???? a ann R EUI A＝ 25A （ 2） ?? anst RUI A＝ 275A （ 3） IRUI a 211 ?? ???? na IRU V＝ 20V 3． 電樞回路中串電阻起動 并 勵電動機及串勵電動機的串電阻起動電路分別如圖 413 及圖 414 所示。通?？砂窗哑饎与娏飨拗圃冢?～ ） IN的范圍內(nèi)來選擇起動電阻的大小。在起動過程中，隨著電動機轉(zhuǎn)速 n的升高， Ea也隨著升高，電樞電流就相應(yīng)地減小，為了保持一定的加速轉(zhuǎn)矩，應(yīng)將起動電阻逐漸切除。圖 415 為用于 10kW 以下的直流電動機起動用的起動變阻器外形圖，起動時起動手輪置于圖中所示的位置，開始起動時，全部起動電阻 Rst 均串入電樞回路，起動電流被限制在允許的范圍內(nèi)，隨著電動機轉(zhuǎn)速的升高，將手輪逐步向右旋轉(zhuǎn)，起動電阻被逐漸切除（電阻值 逐步減?。?，電動機轉(zhuǎn)速不斷升高，直到手輪右旋到底，被失壓線圈的磁力吸住，此時 Rst＝ 0，電動機起動完畢。 電樞回路串電阻的起動方法所需設(shè)備較簡單，但在起動過程中起動電阻上有能量損耗。而降低電源電壓起動則所需設(shè)備較復(fù)雜，價格較貴，但在起動過程中基本上不損耗能量。對于小功率直流電動機一般用串電阻起動；容量稍大但不需經(jīng)常起動的電動機也可用串電阻起動，而需經(jīng)常起動的電動機，如起重、運輸機械上的電動機則宜用降低電源電壓的辦法起動。 413 414 415 直流電動機的調(diào)速 直流電 動機的調(diào)速是指用人為的辦法來調(diào)節(jié)電動機的轉(zhuǎn)速。由公式 n = ΦC IRU e aa?可以看出，直流電動機的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)有以下幾種方法： （ 1） 改變電源電壓 Ｕ ； （ 2） 減小主磁通 Φ ； （ 3） 改變電樞回路的電壓降 Ｒ aIa，通常在電樞回路中串入調(diào)速電阻 Ｒ av，則電樞回路中的電壓降為（ Ｒ a+Ｒ av） Ｉ a 1. 改變電源電壓 Ｕ 目前廣泛采用晶閘管整流裝置作為一個輸出電壓可調(diào)的直流電源，給直流電動機供電。對于并勵電動機而言， 可調(diào)直流電源只能加在電樞回路中，勵磁回路 （ 1） 調(diào)速范圍寬廣，可以從低速一直調(diào)到額定轉(zhuǎn)速，速度變化平滑，通常稱為無級調(diào)速。 （ 2） （ 3） 轉(zhuǎn)速只能由額定轉(zhuǎn)速往低調(diào)，不能超過額定轉(zhuǎn)速（因端電壓不能超過額定電壓）。 （ 4） 隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，這種調(diào)速方法已被越來越廣泛地采用。在晶閘管變流技術(shù)采用以前，直流電動機的調(diào)壓調(diào)速一般采用直流他勵發(fā)電 機―直流電動機組來實現(xiàn)，通稱 F－ D 系統(tǒng)，許多大型的龍門刨床、重型鏜床、軋鋼機中即采用此系統(tǒng)。它由三相異步電動機去拖動直流他勵發(fā)電機，由發(fā)電機發(fā)出可調(diào)的直流電壓，供電給直流電動機。由于 F－ D 系統(tǒng)所需電機數(shù)量多、效率低、噪聲及干擾也較大，故已被逐步淘汰。 2. 減小主磁通 Φ 當直流電動機的電源電壓不變時，如使主磁通 Φ 減小，則電動機的轉(zhuǎn)速就相應(yīng)地升高，故通稱為削弱磁場調(diào)速。對并勵電動機而言，可在勵磁回路中串聯(lián)磁場調(diào)節(jié)電阻 Ｒ pf，如圖 416（ a）所示；對串勵電動機而言，可在勵 磁回路兩端并聯(lián)磁場分路電阻Ｒ pf 如圖 416（ b）所示，以減小流過勵磁回路中的電流，使 Φ降低，從而達到調(diào)速目的。這種調(diào)速方法的特點是： （ 1） 由于調(diào)速在勵磁回路中進行，功率小，故能量損耗小，控制方便。 （ 2） 轉(zhuǎn)速只能從額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)，且調(diào)速范圍一般來講比較窄，只能作輔助調(diào)速之用。 （ 3） 所需設(shè)備較簡單。 3. 在電樞回路中串入調(diào)速電阻調(diào)速 調(diào)速方法接線與圖 413及圖 414 相同，但必須注意，調(diào)速變阻器可作起動變阻器用，而起動變阻器不能用于調(diào)速，因為起動變阻器是按短時工作設(shè)計的，如將它用于調(diào)速，則很容易 損壞。 該調(diào)速方法的特點是： （ 1） 所需設(shè)備較簡單、成本較低，因此在小功率直流電動機中用得較多。在 20 世紀 70年代前，由于晶閘管調(diào)壓技術(shù)尚未大量采用，因而在某些功率稍大的直流電動機中也采用電樞回路串電阻調(diào)速，如城市電車、礦用電力機車、蓄電池運輸車等。 （ 2） 電動機轉(zhuǎn)速只能調(diào)低，而且為有級調(diào)速。特性曲線較軟，即負載變動時，電動機轉(zhuǎn)速變化較大。 （ 3） 在調(diào)速電阻上有較大的能量損耗，即經(jīng)濟性能較差。 目前此種調(diào)速方法已基本被晶閘管可調(diào)直流電源調(diào)速代替。 直流電動機的反轉(zhuǎn) 直流電動機的旋轉(zhuǎn)方向取 決于磁場方向和電樞繞組中的電流方向。只要改變磁場方向或電樞繞組中的電流方向，電動機的轉(zhuǎn)向也隨之改變。因此改變直流電動機轉(zhuǎn)向的方法有兩種：一種是改變主磁場的方向，即將勵磁繞組與直流電源的接線對調(diào)，稱勵磁繞組反接法；另一種是改變電樞繞組中的電流方向，稱電樞反接法。分別如圖 417 所示。必須注意：如果同時改變主磁場的方向和電樞繞組中的電流方向，則電動機轉(zhuǎn)向不變。 圖 416 417 直流電動機的制動 在實際應(yīng)用中有時需使機械迅速停轉(zhuǎn)，有時需限制機械的轉(zhuǎn)速（如起重機械下放重物、電車、電傳動機車下坡等） ，以免發(fā)生危險，為此就需對電動機實施制動。所謂制動就是加上一個與電動機轉(zhuǎn)向相反的轉(zhuǎn)矩，用來使電動機迅速停轉(zhuǎn)或限制電動機的轉(zhuǎn)速。如果制動轉(zhuǎn)矩是用機械制動閘的摩擦轉(zhuǎn)矩來產(chǎn)生，則稱為機械制動；如果是電動機本身產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩，則稱電氣制動。電氣制動按其產(chǎn)生電磁制動轉(zhuǎn)矩的方法不同又可分為再生制動、電阻制動和反接制動等幾種。 1．再生制動（又稱回饋制動、發(fā)電制動） 所謂再生制動是電機此時處于發(fā)電機狀態(tài)下運行，將發(fā)出的電能反送回電網(wǎng)。 由式aaa REUI ?? 可看出，當電機作電動 機狀態(tài)運行時，則電源電壓 U 大于反電動勢 Ea，即 U Ea，故 Ia與 U 同方向。如電機在運行時由于某種原因使 Ea U（例如起重機下放重物，運輸機械下坡等），則電樞電流 Ia 方向就改變了，即Ia與 U 方向相反，電機向電網(wǎng)輸送電能，這時電機的電磁轉(zhuǎn)矩 T＝ CMφ Ia，也因Ia的反向而改變方向，即與電機轉(zhuǎn)動方向相反，故起制動轉(zhuǎn)矩的作用。 怎樣才能使電機的反電動勢 Ea大于電源電壓 U呢？由式 Ea＝ Ceφ n可知，如果電機的磁通 φ 不變，則只要使電機的轉(zhuǎn)速 n高于理想空載轉(zhuǎn)速 n0即可使 Ea U。因此當電傳動機車、電車等 下坡時，或起重設(shè)備下放重物時，只要當電機轉(zhuǎn)速大于 n0 時，即作發(fā)電機狀態(tài)運行，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩以限制電機轉(zhuǎn)速的繼續(xù)上升，并同時向電網(wǎng)輸送電能。對于串勵電動機而言，由于磁通隨 Ia 的變化而變化，不能保持不變。為此串勵電動機如要進行再生制動，必須先將串勵電動機改為他勵，由專門的低壓直流電源給勵磁繞組供電，以保證磁通有一定的數(shù)值（不隨 Ia 而變化）。 2．電阻制動（又稱能耗制動） 將電機的電