【文章內容簡介】 （49）即電磁轉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，為常數，則電磁轉矩與電樞電流成正比。其轉矩特性曲線如圖411曲線T＝f（Ia）所示。 2． 轉速特性n＝f（Ia）當電源電壓U不變時，電動機轉速n與電樞電流Ia之間的關系即為轉速特性。當電動機輕載時，則對應的電樞電流Ia比較小，也比較小，由公式（48）可見，電動機轉速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） 電動機轉速和轉矩之間的關系即為機械特性。對串勵電動機而言，當電樞電流Ia很小時，也很小，此時電磁轉矩T也很小，而對應的轉速n由式（48）可知應為很大。當電樞電流Ia較大時，φ也較大，此時電磁轉矩T也較大，而轉速n則小，由數學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、調速、反轉與制動 直流電動機由靜止狀態(tài)達到正常運轉的過程稱為起動過程，直流電動機在起動過程中不但轉速發(fā)生變化，而且轉矩、電流等也在變化。對直流電動機起動的要求是應有足夠大的起動轉矩以縮短起動時間，提高生產率，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，但由于轉子的慣性，一開始轉速n＝0，故反電動勢Ea＝Ceφn＝0，由式（33）可知，此時電樞電流Ia為 （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生強烈的火花而導致電刷與換向器表面的燒損；（2） 產生很大的轉矩使傳動機構和生產機械受到強烈的沖擊而損壞；（3） 使電網電壓波動，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） 可以采用晶閘管構成的可控整流電路作為直流電動機的可調電壓電源。有關該電路的工作原理及調壓過程將在電子技術課程中介紹。 在直流電動機起動瞬間，為其供給較低的直流電壓，以后，隨著電動機轉速的升高，逐步增加直流電壓的數值，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，求起動時的電壓U1。解 （1） A＝25A （2） A＝275A（3） V＝20V3． 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ā㊣N的范圍內來選擇起動電阻的大小。在起動過程中，隨著電動機轉速n的升高，Ea也隨著升高，電樞電流就相應地減小，為了保持一定的加速轉矩，應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，隨著電動機轉速的升高，將手輪逐步向右旋轉，起動電阻被逐漸切除（電阻值逐步減小），電動機轉速不斷升高，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備較復雜，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；容量稍大但不需經常起動的電動機也可用串電阻起動，而需經常起動的電動機，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直流電動機的調速是指用人為的辦法來調節(jié)電動機的轉速。由公式 = 可以看出，直流電動機的轉速調節(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ＲaIa，通常在電樞回路中串入調速電阻Ｒav，則電樞回路中的電壓降為（Ｒa+Ｒav）Ｉa。 1. 改變電源電壓Ｕ調速 目前廣泛采用晶閘管整流裝置作為一個輸出電壓可調的直流電源，給直流電動機供電。對于并勵電動機而言，可調直流電源只能加在電樞回路中，勵磁回路用另外一個電壓恒定的直流電源供電。這種調速方法的主要特點是： （1） 調速范圍寬廣，可以從低速一直調到額定轉速，速度變化平滑，通常稱為無級調速。 （2） 調速過程中沒有能量損耗，且調速的穩(wěn)定性較好。 （3） 轉速只能由額定轉速往低調，不能超過額定轉速（因端電壓不能超過額定電壓）。（4） 所需設備較復雜，成本較高。隨著電子技術的飛速發(fā)展，這種調速方法已被越來越廣泛地采用。在晶閘管變流技術采用以前，直流電動機的調壓調速一般采用直流他勵發(fā)電機―直流電動機組來實現，通稱F－D系統，許多大型的龍門刨床、重型鏜床、軋鋼機中即采用此系統。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)出可調的直流電壓，供電給直流電動機。由于F－D系統所需電機數量多、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調速圖416當直流電動機的電源電壓不變時，如使主磁通Φ減小，則電動機的轉速就相應地升高，故通稱為削弱磁場調速。對并勵電動機而言，可在勵磁回路中串聯磁場調節(jié)電阻Ｒpf，如圖416（a）所示；對串勵電動機而言，可在勵磁回路兩端并聯磁場分路電阻Ｒpf 如圖416（b）所示，以減小流過勵磁回路中的電流，使Φ降低，從而達到調速目的。這種調速方法的特點是：（1） 由于調速在勵磁回路中進行，功率小，故能量損耗小，控制方便。（2） 轉速只能從額定轉速向上調，且調速范圍一般來講比較窄，只能作輔助調速之用。（3） 所需設備較簡單。 3. 在電樞回路中串入調速電阻調速調速方法接線與圖413及圖414相同，但必須注意，調速變阻器可作起動變阻器用，而起動變阻器不能用于調速，因為起動變阻器是按短時工作設計的，如將它用于調速，則很容易損壞。該調速方法的特點是：（1） 所需設備較簡單、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，由于晶閘管調壓技術尚未大量采用，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速，如城市電車、礦用電力機車、蓄電池運輸車等。（2） 電動機轉速只能調低，而且為有級調速。特性曲線較軟，即負載變動時，電動機轉速變化較大。（3） 在調速電阻上有較大的能量損耗，即經濟性能較差。目前此種調速方法已基本被晶閘管可調直流電源調速代替。 直流電動機的反轉直流電動機的旋轉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，電動機的轉向也隨之改變。因此改變直流電動機轉向的方法有兩種：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，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，則電動機轉向不變。417 在實際應用中有時需使機械迅速停轉，有時需限制機械的轉速（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向相反的轉矩，用來使電動機迅速停轉或限制電動機的轉速。如果制動轉矩是用機械制動閘的摩擦轉矩來產生，則稱為機械制動；如果是電動機本身產生的電磁轉矩，則稱電氣制動。電氣制動按其產生電磁制動轉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。 由式可看出，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，電機向電網輸送電能，這時電機的電磁轉矩T＝CMφIa，也因Ia的反向而改變方向，即與電機轉動方向相反，故起制動轉矩的作用。 怎樣才能使電機的反電動勢Ea大于電源電壓U呢？由式Ea＝Ceφn可知，如果電機的磁通φ不變，則只要使電機的轉速n高于理想空載轉速n0即可使Ea U。因此當電傳動機車、電車等下坡時，或起重設備下放重物時，只要當電機轉速大于n0時，即作發(fā)電機狀態(tài)運行，產生制動轉矩以限制電機轉速的繼續(xù)上升，并同時向電網輸送電能。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