直流电机的制动与控制

一、引言

从广义上讲，电机是电能的变换装置，包括旋转电机和静止电机。旋转电机是根据电磁感应原理实现电能与机械能之间相互转换的一种能量转换装置；静止电机是根据电磁感应定律和磁势平衡原理实现电压变化的一种电磁装置，也称其为变压器。

这里我们主要讨论旋转电机，旋转电机的种类很多，在现代工业领域中应用极其广泛，可以说，有电能应用的场合都会有旋转电机的身影。与内燃机和蒸汽机相比，旋转电机的运行效率要高的多；并且电能比其它能源传输更方便、费用更廉价，此外电能还具有清洁无污、容易控制等特点，所以在实际生活中和工程实践中，旋转电机的应用日益广泛。

不同的电机有不同的应用场合，随着电机制造技术的不断发展和对电机工作原理研究的不断深入，目前还出现了许多新型的电机，例如，美国EAD公司研制的无槽无刷直流电动机，日本SERVO公司研制的小功率混合式步进电机，我国自行研制适用于工业机床和电动自行车上的大力矩低转速电机等。

1 旋转电机分类

在旋转电机中，由于发电机是电能的生产机器，所以和电动机相比，它的种类要少的多；而电动机是工业中的应用机器，所以和发电机相比，人们对电动机的研究要多的多，对其分类也要详细的多。实际上，我们通常所说的旋转电机都是狭义的，也就是电动机——俗称“马达”。众所周知，电动机是传动以及控制系统中的重要组成部分，随着现代科学技术的发展，电动机在实际应用中的重点已经开始从过去简单的传动向复杂的控制转移；尤其是对电动机的速度、位置、转矩的精确控制。

由此可见，对于一个电气工程技术人员来说，熟悉各种电机的类型及其性能是很重要的一件事情。通常人们根据旋转电机的用途进行基本分类。下面我们就从控制电动机开始，逐步介绍电机中最有代表性、最常用、最基本的电动机——控制电动机和功率电动机以及信号电机。

2 控制电动机

2.1 伺服电动机

伺服电动机广泛应用于各种控制系统中，能将输入的电压信号转换为电机轴上的机械输出量，拖动被控制元件，从而达到控制目的。

伺服电动机有直流和交流之分；最早的伺服电动机是一般的直流电动机，在控制精度不高的情况下，才采用一般的直流电机做伺服电动机。目前的直流伺服电动机从结构上讲,就是小功率的直流电动机,其励磁多采用电枢控制和磁场控制,但通常采用电枢控制。

旋转电机的分类，直流伺服电动机在机械特性上能够很好的满足控制系统的要求，但是由于换向器的存在，存在许多的不足：换向器与电刷之间易产生火花，干扰驱动器工作，不能应用在有可燃气体的场合；电刷和换向器存在摩擦，会产生较大的死区；结构复杂，维护比较困难。

交流伺服电动机本质上是一种两相异步电动机，其控制方法主要有三种：幅值控制、相位控制和幅相控制。

一般地，伺服电动机要求电动机的转速要受所加电压信号的控制；转速能够随着所加电压信号的变化而连续变化；电动机的反映要快、体积要小、控制功率要小。伺服电动机主要应用在各种运动控制系统中，尤其是随动系统。

2.2 步进电动机

所谓步进电动机就是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构；更通俗一点讲：当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度。我们可以通过控制脉冲的个数来控制电机的角位移量，从而达到精确定位的目的；同时还可以通过控制脉冲频率来控制电动机转动的速度和加速度，从而达到调速的目的。目前，比较常用的步进电

动机包括反应式步进电动机（VR）、永磁式步进电动机（PM）、混合式步进电动机（HB）和单相式步进电动机等。

步进电动机和普通电动机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，正是这个特点，步进电动机可以和现代的数字控制技术相结合。但步进电动机在控制精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统闭环控制的直流伺服电动机；所以主要应用在精度要求不是特别高的场合。由于步进电动机具有结构简单、可靠性高和成本低的特点，所以步进电动机广泛应用在生产实践的各个领域；尤其是在数控机床制造领域，由于步进电动机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，所以一直被认为是最理想的数控机床执行元件。

除了在数控机床上的应用，步进电机也可以用在其他的机械上，比如作为自动送料机中的马达，作为通用的软盘驱动器的马达，也可以应用在打印机和绘图仪中。

此外，步进电动机也存在许多缺陷；由于步进电机存在空载启动频率，所以步进电机可以低速正常运转，但若高于一定速度时就无法启动，并伴有尖锐的啸叫声；不同厂家的细分驱动器精度可能差别很大，细分数越大精度越难控制；并且，步进电机低速转动时有较大的振动和噪声。

2.3 力矩电动机

所谓的力矩电动机是一种扁平型多极永磁直流电动机。其电枢有较多的槽数、换向片数和串联导体数，以降低转矩脉动和转速脉动。力矩电动机有直流力矩电动机和交流力矩电动机两种。

其中，直流力矩电动机的自感电抗很小，所以响应性很好；其输出力矩与输入电流成正比，与转子的速度和位置无关；它可以在接近堵转状态下直接和负载连接低速运行而不用齿轮减速，所以在负载的轴上能产生很高的力矩对惯性比，并能消除由于使用减速齿轮而产生的系统误差。

交流力矩电动机又可以分为同步和异步两种，目前常用的是鼠笼型异步力矩电动机，它具有低转速和大力矩的特点。一般地，在纺织工业中经常使用交流力矩电动机，其工作原理和结构和单相异步电动机的相同，但是由于鼠笼型转子的电阻较大，所以其机械特性较软。2.4 开关磁阻电动机

开关磁阻电动机是一种新型调速电动机，结构极其简单且坚固，成本低，调速性能优异，是传统控制电动机强有力竞争者，具有强大的市场潜力。

2.5 无刷直流电动机

无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波”），另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种。

无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少40%—50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在100kW以下。

这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力。

3 功率电动机

3.1 直流电动机

直流电动机是出现最早的电动机，大约在19世纪末，其大致可分为有换向器和无换向器两大类。直流电动机有较好的控制特性直流电动机在结构、价格、维护方面都不如交流电动机，但是由于交流电动机的调速控制问题一直未得到很好的解决方案，而直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点，所以目前直流电动机的应用仍然很广泛，尤其在可

控硅直流电源出现以后。

3.2 异步电动机

异步电动机是基于气隙旋转磁场与转子绕组感应电流相互作用产生电磁转矩而实现能量转换的一种交流电机。异步电动机一般为系列产品，品种规格繁多，其在所有的电动机中应用最为广泛，需量最大；目前，在电力传动中大约有90%的机械使用交流异步电动机，所以，其用电量约占总电力负荷的一半以上。

异步电动机具有结构简单，制造、使用和维护方便，运行可靠以及质量较小，成本较低等优点。并且，异步电机有较高的运行效率和较好的工作特性，从空载到满载范围内接近恒速运行，能满足大多数工农业生产机械的传动要求。异步电动机主要广泛应用于驱动机床、水泵、鼓风机、压缩机、起重卷扬设备、矿山机械、轻工机械、农副产品加工机械等大多数工农生产机械以及家用电器和医疗器械等。

在异步电动机中较为常见的是单相异步电动机和三相异步电动机，其中三相异步电动机是异步电动机的主体。而单相异步电动机一般用于三相电源不方便的地方，大部分是微型和小容量的电机，在家用电器中应用比较多，例如电扇、电冰箱、空调、吸尘器等。

3.3 同步电动机

所谓同步电动机就是在交流电的驱动下，转子与定子的旋转磁场同步运行的电动机。同步电动机的定子和异步电动机的完全一样；但其转子有“凸极式”和“隐极式”两种。凸极式转子的同步电动机结构简单、制造方便，但是机械强度较低，适用于低速运行场合；隐极式同步电动机制造工艺复杂，但机械强度高，适用于高速运行场合。

同步电动机的工作特性与所有的电动机一样，同步电动机也具有“可逆行”，即它能按发电机方式运行，也可以按电动机方式运行。

同步电动机主要用于大型机械，如鼓风机、水泵、球磨机、压缩机、轧钢机以及小型、微型仪器设备或者充当控制元件；其中三相同步电动机是其主体。此外，还可以当调相机使用，向电网输送电感性或者电容性无功功率。

4 信号电机

4.1 位置信号电机

目前，最有代表性的位置信号电机：旋转变压器、感应同步器和自整角机。

旋转变压器本质上是可以随意改变一次绕组和二次绕组耦合程度的变压器。其结构和绕线式异步电动机相同，定子和转子各有两组相互垂直的分布绕组，转子绕组利用滑环和电刷与外电路联接。当一次绕组励磁以后，二次绕组的输出电压和转子的转角成正弦、余弦、线性或者其他函数关系，可以用于计算装置中的坐标变换和三角运算，还可以在控制系统中作为角度数据传输和移相器使用。

感应同步器是一种高精度的位置或角度检测元件，有圆盘式和直线式两种。圆盘式感应同步器用来测量转角位置；而直线式感应同步器用来测量线位移。

自整角机是一种感应式机电元件，被广泛地应用于随动系统中，作为角度传输、变换和指示的装置。在控制系统中经常两台或者多台联合使用，使机械上互不相连的两根或多根轴能够自动地保持相同的转角变化，或者同步旋转。

4.2 速度信号电机

最有代表性的速度信号电机是测速发电机，其实质上是一种将转速变换为电信号的机电磁元件，其输出电压与转速成正比。从工作原理上讲，它属于“发电机”的范畴。测速发电机在控制系统中主要作为阻尼元件、微分元件、积分元件和测速元件来使用。

测速发电机有直流和交流之分；而直流测速发电机又有他励和永磁之分，其结构和工作原理与小功率直流发电机相同，通常输出功率较小，作为计算元件时要求其输出电压的线性误差和温度误差低于一个上限。而交流测速发电机又有同步和异步之分；同步测速发电机包括：

永磁式、感应式和脉冲式；异步测速发电机应用最广泛的是杯型转子异步测速发电机。

为了提高测速发电机的精确度和可靠性，目前，直流测速发电机出现了无刷结构的霍尔效应直流测速发电机。因为这种霍尔效应无刷直流测速发电机是一种无齿槽、无绕组的电机，所以它不会产生由于齿槽而存在的“齿槽谐波电势”，这种电机结构简单，便于小型化。

5 结论

一般地，在一个完整的自动控制系统中，信号电机、功率电动机和控制电动机都会有自己的用武之地。通常控制电动机是很“精确”的电动机，在控制系统中充当“核心执行装置”；而功率电动机是比较“强壮”的大功率电动机，常用来拖动现场的机器设备；信号电机则在控制系统中担任“通讯员”的角色，本质上就是“电机传感器”。

当然，并不是所有的自动控制系统中都具备这三种电机，在一般的自动化领域，例如运动控制和过程控制，尤其是在运动控制中，控制电动机是必不可少的“核心器件”，所以控制电动机在自动化领域中的地位是举足轻重的，这也是人们对控制电动机研究最多的原因之一。实际上，随着电机制造技术的不断发展和相互融合，各种旋转电机的性能都逐渐“交叉化”和“特殊化”。对各种旋转电机进行极其详细地分类是不可能的，因为许多新型旋转电机都是许多电机工作原理和许多电机制造技术高度统一的有机体。因此，对于非电机专业的一般电气工程技术人员来讲，能够从整体结构上把握各种旋转电机的特性和用途就可以了。二、三相异步电动机常见的制动方法与应用

三相异步电动机切除电源后依惯性总要转动一段时间才能停下来。而生产中起重机的吊钩或卷扬机的吊蓝要求准确定位；万能铣床的主轴要求能迅速停下来。这些都需要对拖动的电动机进行制动，其方法有两大类：机械制动和电力制动。

1．机械制动

采用机械装置使电动机断开电源后迅速停转的制动方法。如电磁抱闸、电磁离合器等电磁铁制动器。

(1)电磁抱闸断电制动控制电路

电磁抱闸断电制动控制电路如图1所示。合上电源开关QS和开关K，电动机接通电源，同时电磁抱闸线圈YB得电，衔铁吸合，克服弹簧的拉力使制动器的闸瓦与闸轮分开，电动机正常运转。断开开关电动机失电，同时电磁抱闸线圈YB也失电，衔铁在弹簧拉力作用下与铁芯分开，并使制动器的闸瓦紧紧抱住闸轮，电动机被制动而停转。图中开关K可采用倒顺开关、主令控制器、交流接触器等控制电动机的正反转，满足控制要求。倒顺开关接线示意图如图2所示。这种制动方法在起重机械上广泛应用，如行车、卷扬机、电动葫芦(大多采用电磁离合器制动)等。其优点是能准确定位，可防止电动机突然断电时重物自行坠落而造成事故。

(2)电磁抱闸通电制动控制电路

电磁抱闸断电制动其闸瓦紧紧抱住闸轮，若想手动调整工作是很困难的。因此，对电动机制动后仍想调整工件的相对位置的机床设备就不能采用断电制动，而应采用通电制动控制，其电路如图3所示。当电动机得电运转时，电磁抱闸线圈无法得电，闸瓦与闸轮分开无制动作用；当电动机需停转按下停止按钮SB2时，复合按钮SB2的常闭触头先断开切断KM1线圈，KM1主、辅触头恢复无电状态，结束正常运行并为KM2线圈得电作好准备，经过一定的行程SB2的常开触头接通KM2线圈，其主触头闭合电磁抱闸的线圈得电，使闸瓦紧紧抱住闸轮制动；当电动机处于停转常态时，电磁抱闸线圈也无电，闸瓦与闸轮分开，这样操作人员可扳动主轴调整工件或对刀等。

机械制动主要采用电磁抱闸、电磁离合器制动，两者都是利用电磁线圈通电后产生磁场，使静铁芯产生足够大的吸力吸合衔铁或动铁芯(电磁离合器的动铁芯被吸合，动、静摩擦片分开)，克服弹簧的拉力而满足工作现场的要求。电磁抱闸是靠闸瓦的摩擦片制动闸轮．电磁离合器是利用动、静摩擦片之间足够大的摩擦力使电动机断电后立即制动。

2．电力制动

电动机在切断电源的同时给电动机一个和实际转向相反的电磁力矩(制动力矩)使电动迅速

停止的方法。最常用的方法有：反接制动和能耗制动。

(1)反接制动。在电动机切断正常运转电源的同时改变电动机定子绕组的电源相序，使之有反转趋势而产生较大的制动力矩的方法。反接制动的实质：使电动机欲反转而制动，因此当电动机的转速接近零时，应立即切断反接转制动电源，否则电动机会反转。实际控制中采用速度继电器来自动切除制动电源。

反接制动控制电路如图4所示。其主电路和正反转电路相同。由于反接制动时转子与旋转磁场的相对转速较高，约为启动时的2倍，致使定子、转子中的电流会很大，大约是额定值的10倍。因此反接制动电路增加了限流电阻R。KM1为运转接触器，KM2为反接制动接触器，KV为速度继电器，其与电动机联轴，当电动机的转速上升到约为100转／分的动作值时．K V常开触头闭合为制动作好准备。

反接制动分析：停车时按下停止按钮SB2，复合按钮SB2的常闭先断开切断KM1线圈，K M1主、辅触头恢复无电状态，结束正常运行并为反接制动作好准备，后接通KM2线圈(KV 常开触头在正常运转时已经闭合)，其主触头闭合，电动机改变相序进入反接制动状态，辅助触头闭合自锁持续制动，当电动机的转速下降到设定的释放值时，KV触头释放，切断K M2线圈，反接制动结束。

一般地，速度继电器的释放值调整到90转／分左右，如释放值调整得太大，反接制动不充分；调整得太小，又不能及时断开电源而造成短时反转现象。

反接制动制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。因此适用于l0kw以下小容量的电动机制动要求迅速、系统惯性大，不经常启动与制动的设备，如铣床、镗床、中型车床等主轴的制动控制。

(2)能耗制动。电动机切断交流电源的同时给定子绕组的任意二相加一直流电源，以产生静止磁场，依靠转子的惯性转动切割该静止磁场产生制动力矩的方法。

原理分析：电动机切断电源后，转子仍沿原方向惯性转动，如图5设为顺时针方向，这时给定子绕组通入直流电，产生一恒定的静止磁场，转子切割该磁场产生感生电流，用右手定则判断其方向如图示。该感生电流又受到磁场的作用产生电磁转矩，由左手定则知其方向正好与电动机的转向相反而使电动机受到制动迅速停转。可逆运行能耗制动的控制电路如图6所示。KV1、KV2分别为速度继电器KV的正、反转动作触头，接触器KM1、KM2、KM3之间互锁，防止交流电源、直流制动电源短路。停车时按下停止按钮SB3，复合按钮SB3的常闭先断开切断正常运行接触器KM1或KM2线圈，后接通KM3线圈，KM3主、辅触头闭合，交流电流经变压器T，全波整流器VC通入V、W相绕组直流电，产生恒定磁场进行制动。RP调节直流电流的大小，从而调节制动强度。

能耗制动平稳、准确，能量消耗小，但需附加直流电源装置，设备投资较高，制动力较弱，在低速时制动力矩小。主要用于容量较大的电动机制动或制动频繁的场合及制动准确、平稳的设备，如磨床、立式铣床等的控制，但不适合用于紧急制动停车。

能耗制动还可用时间继电器代替速度继电器进行制动控制。

电动机的制动方法较多，还有如电容制动、再生发电制动等，但实际应用主要是上述四种方法，其各有特点和使用场合。

三、直流电动机的启动

直流电动机的起动

一、起动过程及其要求

电动机接到规定电源后，转速从0上升到稳态转速的过程称为起动过程。

合闸瞬间的起动电流很大(10~20)IN

n=0,Ea=CeΦn=0,

Ia=(U-Ea)/Ra=U/Ra

这样大的起动电流会引起电机换向困难，并使供电线路产生很大的压降。因此必须采取适当的措施限制起动电流。

对起动的要求：

（1）起动电流要小；

（2）起动转矩要大；

（3）起动设备要简单便可靠。

二、直流电动机的起动方法

电枢回路串电阻起动

最初起动电流：Ist=U/(Ra+Rst)

最初起动转矩：Tst=CTΦIst

为了在限定的电流Ist下获得较大的起动转矩Tst,应该使磁通Φ尽可能大些，因此起动时串联在励磁回路的电阻应全部切除。

有了一定的转速n后，电势Ea不再为0，电流Ist会逐步减小，转矩Tst也会逐步减小。

为了在起动过程中始终保持足够大的起动转矩，一般将起动器设计为多级，随着转速n的增大，串在电枢回路的起动电阻Rst逐级切除，进入稳态后全部切除。

起动电阻Rst一般设计为短时运行方式，不容许长时间通过较大的电流。

二、他励电动机降压起动

对于他励直流电动机，可以采用专门设备降低电枢回路的电压以减小起动电流。

串励与复励电动机起动方法基本上与并励电动机相同，即采用电枢回路串电阻的方法减小起动电流。

串励电动机绝对不允许空载起动。（下）

串电阻起动设备简单，投资小，但起动电阻上要消耗能量；电枢降压起动设备投资较大，但起动过程节能。

四、他励直流电动机工作特性

他励直流电动机工作特性

工作特性：U=UN，If=IfN，电枢回路不串电阻的情况下，负载P2变化时，电机的转速n,转矩T，效率η随输出功率P2变化的关系曲线。

一、转速特性n=f(P2)

U=CeΦn+IaRa+2ΔUs

n=(U-2ΔUs-IaRa)/(CeΦ)

影响转速n的因素有二：（1）电流Ia增大时电枢电阻压将IaRa也增大，使转速趋于下降（2）电流增大时，电枢反应的去磁作用使得磁通Φ下降，使转速趋于上升。

一般电阻压降的影响较大，所以随着电流的增大，电动机转速降低。由于电阻Ra的值很小，所以转速下降比较平缓。电流增大，电压恒定时意味着P2增大，所以n=f(P2)是一条较平的下降曲线（硬特性）。

二、转矩特性T=f(P2)

T=T2+T0=P2/(2nπ/60)+T0

他励直流电动机在负载变化时，转速变化很小，可以近似认为T0=常数。

如果不考虑转速的变化，则T=f(P2)为一条直线，考虑到转速略有下降，所以T=f(P2)为一条略微上翘的曲线。

三、效率特性η=f(P2)

可以根据2.3.2小节介绍的方法计算。

4-3 他励直流电动机机械特性

机械特性：n=f(T)是指在一定的条件下，电磁转矩和转速两个机械量之间的函数关系。

一、机械特性方程式

用电枢回路总电阻考虑电耍接触压降。

n=[U-(Ra+Rp)Ia]/(CeΦ)

Ia=T/(CTΦ)

n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T

=n0-βT

其中，n0=U/(CeΦ)为理想空载转速，而β=(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)为机械特性的斜率

二、固有机械特性

三个量U,Φ,Rp可以改变机械特性

U=UN,Φ=ΦN,Rp=0时的机械特性称为固有机械特性。其方程为

n=U/(CeΦN)-RaT/(CeCTΦN2)

由于Ra很小，转矩T增大时，n下降很小，他励电动机的固有机械特性是一条比较平的下降曲线。（硬特性）

二、人为（人工）机械特性

改变三个量U,Φ,Rp之一而其他量不变时可以得到人为机械特性。

（1）电枢回路串电阻时的人为机械特性

n=U/(CeΦN)-

（Ra+Rp)T/(CeCTΦN2)

对应于不同的Rp可以得到一簇斜率不同射线。

（2）改变电枢电压的人为机械特性

n=U/(CeΦN)-

RaT/(CeCTΦN2)

斜率不变，理想空载转速n0不同的一簇平行线。(U

（3）减少电动机气隙磁通的人为机械特性

n=U/(CeΦN)-

RaT/(CeCTΦN2)

Φ减少时，n0增大同时β增大。

五、串励和他励直流电动机机械特性

串励直流电动机机械特性

n=U/(CeΦN)-RaT/(CeCTΦN2)

串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，所以Ra是电枢绕组与串励绕组电阻之和且串励电流I=Ia,故T=CTΦIa=CTKIa2,解出Ia并带入上式可得：

电压不变时，n与sqrt(T)反比，当负载转矩增大时，转速n下降很快。(软特性)

上述结论是在负载较小、电流较小电机不饱和的情况下得出的。

当电流增加到一定程度时，磁路饱和，变化甚微，n=f(T)变成斜率很小的一次曲线。（特性变硬）

当负载转矩很小时，T也很小，n会达到危险的高度，所以串励电动机不允许空载起动和运行。

同样大的起动电流时，串励电动机能产生更大的起动转矩，常用于起动较为困难的场合。串励电动机转矩增大时转速在减少，功率增加缓慢，故转矩过载能力较强。

4-5 复励直流电动机机械特性

复励直流电动机既有并励绕组又有串励绕组。其机械特性介于并励和串励电动机之间。

如果并励绕组起主导作用，则特性接近并励电动机。如果串励绕组起主导作用，则接近串励电动机。

复励电动机空载时，由于有并励绕组接通，所以起空载转速不会太高。

各种直流电动机机械特性比较：

4-6 负载的机械特性

电动机拖动生产机械运转，构成一个电力拖动系统，其工作状况不仅取决于电动机的特性，同时也取决于作为负载的生产机械的特性。

生产机械的负载转矩与转速之间的关系称为负载的机械特性。由负载性质决定。

一、恒转矩负载

负载转矩的大小为常量，与转速无关。

(1)反抗性恒转矩负载:

转矩方向总是和转速方向相反，永远是阻转矩(2)势能性恒转矩负载:转矩方向不随转速方向改变。如重力型负载。

二、泵类负载

转矩的大小与转速平方成正比。泵/风机

二、恒功率负载

负载转矩基本上与转速反比。如车床进刀。功率基本不变。

4-7 电动机稳定运行的条件

最简单的电力拖动系统就是电动机与生产机械轴对轴直接相连。

实际情况复杂得多，但可以简化为简单情况来分析。

电动机负载运行时，一般负载转矩T2>>T0，故分析时忽略T0。

同轴相连时，电动机与负载的转速始终相等。

当电动机的转矩T>T2时，系统加速；反之，系统减速。T=T2时，系统转速稳定。也就是说在电动机的机械特性与负载的机械特性的交点处转速将不变。

转速不变并不意味着电动机在该点就能稳定运行。

判断工作点是否稳定的方法为：

给该点施加干扰，使转速变化，然后取消干扰，如果转速能恢复，则该点为稳定点，反之为不稳定点。

右图分别给出了稳定点与不稳定点的实例。

稳定运行的条件为:

(1)电动机与负载两条机械特性有交点；

(2)交点处dT/dn>dTz/dn。

4-8 他励直流电动机调速方法

拖动一定的负载运行，其转速由工作点决定。如果调节某些参数，则可以改变转速。

n=U/(CeΦ)-(Ra+Rp)/(CeCTΦ2)×T

=n0-βT

直流电动机的调速有三种:

(1)改变电枢电压U

(2)改变励磁电流即改变磁通Φ

(3)电枢回路串入调节电阻Rp。

三种调速方法实质上都是改变了电动机的机械特性，使之与负载机械特性的交点改变，达到调速的目的。

一、改变电枢电压调速

降低电枢电压时，电动机机械特性平行下移。负载不变时，交点也下移，速度也随之改变。

优点：调速后，转速稳定性不变、无级、平滑、损耗小。

缺点：只能下调，且专门设备，成本大。（可控硅调压调速系统）

二、改变励磁电流调速（调节励磁电阻）

减少励磁电流时，磁通Φ减少，电动机机械特性n0点和斜率增大。负载不变时，交点也下移，速度也随之改变。

优点：励磁回路电流小(1~3)%IN,损耗小，连续调速，易控制。

缺点：只能上调。

三、电枢回路串入调节电阻调速

调节电阻Rp增大时，电动机机械特性的斜率增大，与负载机械特性的交点也会改变，达到调速目的。

优点：设备简单、操作简单。

缺点：只能降速，低转速时变化率较大，电枢电流较大，不易连续调速，有损耗。

四、改变电动机转向的方法

要改变电动机转向，就必须改变电磁转矩的方向。T=CTΦIa

单独改变磁通方法（通过改变励磁连接）或者单独改变电枢电流的方向，均可以改变电磁转矩的方向。

改变转向的方法：

（1）对于并励电动机，单独将励磁绕组引出端对调。或者（2）单独将电枢绕组引出端对调。对于复励电动机，应将电枢引出端对调或者同时将并励绕组和串励绕组引出段分别对调（维持加复励状态）。

六、直流电动机的制动

直流电动机的制动

制动问题：在生产过程中，经常需要采取一些措施使电动机尽快停转，或者从某高速降到某低速运转，或者限制位能性负载在某一转速下稳定运转，这就是电动机的制动问题。

实现制动有两种方法，机械制动和电磁制动。电磁制动是使电机在制动时使电机产生与其旋转方向相反的电磁转矩,其特点是制动转矩大,操作控制方便。

直流电机的电磁制动类型有能耗制动、反接制动和回馈制动。

一、能耗制动

（1）能耗制动过程B-O

电机：他励；负载：反抗性恒转矩负载

闸刀合向电源时，电动机处于正向电动机运行状态。

制动时将闸刀合向制动电阻。转子由于惯性继续旋转，感应电势Ea方向不变，电流方向改变了，电磁转矩T=CTΦIa方向也随之改变成为制动转矩，使转速迅速下降。

电机处于发电状态，转子动能转化为电能消耗在制动电阻上。所以称为能耗制动。

n=U/(CeΦN)-

（Ra+Rp)T/(CeCTΦN2)=

（Ra+R)T/(CeCTΦN2)

制动电阻越小，制动开始时产生的制动转矩就越大。

高速时能耗制动作用较大，低速时应配合机械制动装置使系统停掉。

（2）能耗制动运行O-C

电机：他励；负载：势能性恒转矩负载

采用能耗制动时，工作点从A→B→O,B→O是能耗制动过程，到了O点后，如不采取其他制动措施，则系统会在负载转矩的作用下反转，工作点沿着能耗制动曲线到达C后才稳定运行。在C点，电磁转矩为负，与转速方向相反是制动转矩。在C点的运行方式称为能耗制动运行。

二、反接制动

(1)电压反接制动

他励电动机拖动反抗性恒转矩负载运行。

通过反接闸刀把电源突然反接，同时在电枢支路串入限流电阻R。

n=-UN/(CeΦN)-

（Ra+R)T/(CeCTΦN2)

如图所示，工作点A→B→C,在C点时，n=0。这时应将电源切掉。在B→C的过程中转速为正，电磁转矩为负，起制动作用。

如果在C点时，电动机的转矩大于负载转矩(绝对值)而没有切除电源，则电动机在电磁转矩作用下将反向起动，作为反转的电动机运行。如图中的D点。

对于频繁正反转的电力拖动系统，常采用这种先反接制动停车，再反向起动的运行方式，达到迅速制动并反转的目的。对于要求准确停车的系统，采用能耗制动较为方便。

(2)电势反接制动（倒拉反转运行）

他励电动机拖动位能性恒转矩负载运行。

电枢支路突然传入较大的电阻，则工作点A→B→C→D，D点位于第iv象限，转速为负，电磁转矩为正，属于制动运行。

在C点后，负载转矩大于电磁转矩，转速反向，感应电势也反向，所以称为电势反接制动。

这种运行方式通常用在起重设备低速下放物体的场合。电动机的电磁转矩起制动作用，限制了重物的下放速度。

三、回馈制动

(1)正向回馈制动

他励直流电动机通过降低电压来减速时，若电压下降幅度较大，会使得工作点经过第II象限，如图中的BC段，转速为正而电磁转矩为负，电动机运行于制动状态。在这一过程中，由于电源电压下降，使得Ea>U,电流方向改变，电能从电动机回馈到电源。

在电力机车下坡时，由于重力作用使得电动机转速高于原来的空载转速，Ea增大，超过U 以后，电流也会反向，进入正向回馈制动状态。

(2)反向回馈制动

他励电动机拖动势能性恒转矩负载运行。

反接电源电压并给电枢支路串入限流电阻。工作点将会稳定在第iv象限。在D点，电动机的转速高于理想空载转速，Ea>U，电流流向电源，属于反向回馈制动。

反向回馈制动常用于高速下放重物时限制电机转速。

4-10 直流电机的换向

就一个具体的电枢元件(线圈)来说，其电流总是不断变化的。或者说电枢旋转时，每个具体的电枢元件总是不断地从一个支路转进另外一个支路。元件中电流的方向改变的过渡过程称为换向过程。

一、换向过程分析

电刷是支路的分界线；我们研究跨接在换向片1/2上的电枢元件。

换向刚开始时，元件仍属于右边支路，其电流为+ia（右→左）；

处于换向中时，元件被电刷短路，电流大小和方向处于变化的过程中；

换向结束时，元件进入左边支路，其电流已经由变为-ia（左→右）。

一个元件换向过程所需的时间就是称为换向周期Th，即一个换向片通过电刷所用的时间。换向元件的电流从+ia变到-ia所用的时间即为一个换向周期（Th=0.0005～0.02秒）。

换向问题十分复杂，换向不良会在电刷与换向片之间产生火化。当火花大到一定程度时可能损坏换向器表面，从而使电机不能正常工作。

产生火花的原因十分复杂，除电磁原因外，还有电化学、电热等因素，至今尚无完整的理论。

二、换向元件中的电势

1．电抗电势

一般,换向周期非常短暂,电流的变化会在绕组元件中产生自感和互感电势,两者的合成电势

称为电抗电势。用ex表示。

电抗电势的总是阻碍线圈中电流的变化,也就是ex的方向必然与换向前电流方向相同。也就是说电抗电势是阻碍换向的。

电抗电势大小反比于换向周期。

2．切割电势

电枢反应使得换向元件所在处的磁场不为0，从而产生切割电势。也是阻碍元件电流变化的。eA=2WyBalva

三、影响换向的因素

电磁因素：电抗电势和切割电势阻碍换向.

机械、化学、材料等原因

机械方面的原因如：换向器偏心/片间绝缘凸出/某个换向片凸出/电刷与换向器表面接触不好等等；化学方面：高空缺氧/缺水/某些化工厂的电机，都可能破坏换向器表面的氧化亚铜薄膜而产生火花。

四、改善换向的方法

装换向极：在换向元件处产生一个磁势以抵消该处的电枢反应磁势。再产生一个磁密，换向元件切割该磁密时产生一个能抵消电抗电势的电势。（换向极绕组一般与电枢绕组串联）

装补偿绕组：产生抵消电枢反应的磁势，与电枢绕组串联。

移动电刷位置：对于未装换向极的小型串励直流电机，把电刷从几何中性线（与处于几何中性线处的导体接触）移开一个适当的角度，使得换向元件产生的感应电势与自感电势的方向相反，相互抵销。并励电动机换向元件的切割电势基本不变，难以保证任何负载下都能与自感电势抵销。电刷移动后，会产生直轴去磁电枢反应，导致电压降低，转速升高（引起不稳定），此方法旨在小容量电机中采用。