直流电动机启动及调速
直流电动机的起动、调速和制动
直流电动机的起动、调速和制动起动(start)、制动(break)和调速(speed regulating)是电力拖动(drive)的三大问题，起动和调速又是评价(evaluate)电动机性能(performance)的两个重要方面(important aspect)。
讲义一、直流电动机的起动起动：直流电动机接上电源(power supply)后，转速(velocity)由零逐渐增(gradually)加到稳定转速的过程（process）。
对起动性能的要求(demands)：起动转矩（starting torque）足够大，起动电流(starting current)不可太大，起动时间要短，除此之外，要求起动设备(equipment)简单，经济可靠(reliability)。
一、直接起动（全压起动）：下图为并励直流电动机起动时的接线图(connection diagram)。
开始时，转速为零，aN st R U I 可达额定电流(rated current)的20~30倍，结果使：绕组(winding)过热，换向(commutation)困难；影响其它电器设备的正常运行(normal operation)；过大的电磁力冲击(impact)，可损坏机械。
故只有极小容量(capacity)的直流电动机才允许直接起动(direct start)。
直接起动的特点：不需起动设备、操作简便(simplicity of operation)、起动转矩大，但起动电流太大。
注意：起动前先合上励磁回路(excitation circuit)开关，并将励磁电流调至最大值，确保磁场(magnetic field)先建立起来，再合上电枢回路开关。
否则：1）轻载时，有剩余磁通(residual flux)，因为起动电流大，所以起动转矩可能大于负载转矩(load torque)，电动机起动，转速升高达飞车状态。
故起动前应检查励磁绕组是否断线。
直流电动机启动、调速控制电路实验
实验题目类型：设计型《电机与拖动》实验报告实验题目名称：直流电动机启动、调速控制电路实验室名称：电机及自动控制实验组号：X组指导教师：XXX报告人：XXX 学号：XXXXXXXXX 实验地点：XXXX 实验时间：20XX年XX月X日指导教师评阅意见与成绩评定一、实验目的掌握直流电动机电枢电路串电阻起动的方法；掌握直流电动机改变电枢电阻调速的方法；掌握直流电动机的制动方法；二、实验仪器和设备验内容（1）电动机数据和主要实验设备的技术数据四、实验原理直流电动机的起动：包括降低电枢电压起动与增加电枢电阻起动，降低电枢电压起动需要有可调节电压的专用直流电源给电动机的电枢电路供电，优点是起动平稳，起动过程中能量损耗小，缺点是初期投资较大；增加电枢电阻起动有有级（电机额定功率较小）、无极（电机额定功率较大）之分。
是在起动之前将变阻器调到最大，再接通电源，随着转速的升高逐渐减小电阻到零。
直流电动机的调速：改变Ra、Ua和∅中的任意一个使转子转速发生变化。
直流电动机的制动：使直流电动机停止转动。
制动方式有能耗制动：制动时电源断开，立即与电阻相连，使电机处于发电状态，将动能转化成电能消耗在电路内。
反接制动：制动时让E与Ua的作用方向一致，共同产生电流使电动机转换的电能与输入电能一起消耗在电路中。
回馈制动：制动时电机的转速大于理想空转，电机处于发电状态，将动能转换成电能回馈给电网。
五、实验内容（一）、实验报告经指导教师审阅批准后方可进入实验室实验（二）、将本次实验所需的仪器设备放置于工作台上并检查其是否正常运行，检验正常后将所需型号和技术数据填入到相应的表内（若是在检验中发现问题要及时调换器件）（三）、按实验前准备的实验步骤实验直流电动机的起动1、取来本次试验所用器件挂置在实验工作台上2、在试验台无电的前提下，按照实验原理图接线3、请老师查看接线，待老师检查所接线路无误、批准后执行以下操作4、用万用表检查线路的通断（三相可调变阻器），检查无误后方可通电5、按动电源总开关，将电源控制屏上的直流电压调制220V左右6、按下“启动”按钮，便接通了直流电源7、搬动励磁、电枢电源按钮，直流电机启动8、逐渐减少R1阻值，电动机达到额定转速（也可通过调节R1来进行调速）9、搬动励磁电源按钮，直流电机能耗制动停车，收线，整理试验台R2直流电动机的起动、调速、制动原理图直流电动机的起动、调速、制动接线图若在实验中发现问题及时的找出问题的原因，排查问题后方可继续进行试验三相可调变阻器的检查：将其与直流电源接通，串入直流电流表，并入直流电压表。
直流电动机有哪几种调速方法各有哪些特点答：直流电动机有三种
直流电动机有哪几种调速方法？各有哪些特点？答：直流电动机有三种调速方法：1）调节电枢供电电压U ；2）减弱励磁磁通Φ；3）改变电枢回路电阻R 。
特点：对于要求在一定范围内无极平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。
改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（额定转速）以上作小范围的弱磁升速。
晶闸管—电动机系统当电流断续时机械特性的显著特点是什么？答：电流断续时的电压、电流波形图（Ⅰ10P 、Ⅱ 12P ）（三相零式为例）。
断续时，0d u 波形本身与反电势E 有关，因而就与转速n 有关，而不是像电流连续时那样只由控制角α决定的常值。
机械特性呈严重的非线性，有两个显著的特点：第一个特点是当电流略有增加时，电动机的转速会下降很多，即机械特性变软。
当晶闸管导通时，整流电压波形与相电压完全一致，是电源正弦电压的一部分。
当电流断续后，晶闸管都不导通，负载端的电压波形就是反电势波形。
电流波形是一串脉冲波，其间距为︒120，脉冲电流的底部很窄。
由于整流电流平均值d I 与电流波形包围的面积成正比，如果电流波形的底部很窄，为了产生一定的d I ，各相电流峰值必须加大，因为RE u i d d -=,而整流输出的瞬时电压d u 的大小由交流电源决定，不能改变。
也就是说应使E 下降很多即转速下降很多，才能产生一定的d I ，这就是电流断续时机械特性变软的原因。
第二个特点是理想空载转速0n 升高。
因为理想空载时0=d I ，所以2m a x 02U u E d ==，所以0n 升高。
简述直流PWM 变换器电路的基本结构。
答：直流 PWM 变换器基本结构如图所示，包括 IGBT 和续流二极管。
三相交流电经过整流滤波后送往直流 PWM 变换器，通过改变直流 PWM 变换器中 IGBT 的控制脉冲占空比来调节直流 PWM 变换器输出电压大小，二极管起续流作用。
Ug0Ton T t 直流PWM 变换器基本结构直流PWM 变换器输出电压的特征是什么？答：频率一定、宽度可调的脉动直流电压。
直流电动机的启动、调速、反转与制动(一)
直流电动机的启动、调速、反转与制动（一）摘要本文介绍了直流电动机的启动、调速、反转和制动等方面的基础知识和实际操作技巧。
通过了解直流电动机的工作原理，我们能够更好地掌握如何实现电动机的启动、调速、反转和制动控制。
一、直流电动机的基本原理直流电动机是应用广泛、使用最为普及的一类电动机，它利用直流电的力线作用于定子和转子中导体的电流而产生旋转力矩。
直流电动机的基本构成包括：定子、转子、集电环、电枢、永磁体等部分，其中电枢是电机的主要转换元件。
当电机通电后，电枢内的导体会在磁场作用下受到力矩而旋转，从而带动转子旋转。
电枢外接电源，因此电流方向不断变化，导致电枢上每一根导体均不断变化着受到力矩的方向，当导体在磁场中转到过渡点时，力矩的作用方向就会随之改变，从而形成电枢稳定旋转，并实现电机的工作。
二、直流电动机的启动直流电动机的启动方式主要有自激励式启动和外激励式启动两种。
1. 自激励式启动自激励式启动是最常见的直流电动机启动方式，它是通过电枢产生的反电动势和自感作用来实现电机的启动的。
在自激励式启动过程中，需要使用一个发电机将直流电源产生的电流输出到电机的电枢上，此时，电枢上的导体会产生高速旋转，并在磁场作用下产生反电动势。
当电枢转速达到某一值时，反电动势的大小会超过电源电压，从而达到自我激励的目的，实现电机的启动。
2. 外激励式启动外激励式启动采用较大的磁场励磁电源来励磁电机的励磁绕组，使电机初期转矩增大，将电机启动起来。
外励磁通常使用同步电动机、串联机等至少具有较强磁场特性的电动机来实现。
三、直流电动机的调速1. 电枢调速电枢调速是一种常见的简单调速方式，它通过改变电枢电压的大小，控制电动机的转速。
具体来说，通过调节电枢上电流的大小和方向，可以实现电枢中磁通的改变，从而改变电机的转速。
但是，电枢调速方式容易产生调速失速现象，同时，由于电机负载的变化，需要不断调节电机的电压，使得调速操作比较麻烦。
2. 电阻调速电阻调速是通过在电机电路中加入电阻，从而改变电路阻抗大小，从而实现电机的转速调节。
任务3.3 直流电动机的启动、反转、调速与制动
【任务实施】
1.任务实施的内容 直流电动机的启动、反转、调速与制动试验。 2.任务实施的要求 掌握直流电动机的启动、反转方法、调速和制动的方法。 3.设备器材 导轨、测速发电机及转速表，1套；校正直流测功机，1台；他 励直流电动机，1台；直流电压表，2块；直流电流表，3块；可调 电阻器，3只 。 4.任务实施的步骤 (1)他励直流电动机的启动 按图3-37接线。图中他励直流电动机M用DJ15，其额定功率PN ＝185W，额定电压UN＝220V，额定电流IN＝1.2A，额定转速nN＝ 1600r/min，额定励磁电流IfN＜0.16A。校正直流测功机MG作为测 功机使用，TG为测速发电机。直流电流表A1、A2选用200mA挡， A3 、A4选用5A挡。直流电压表V1、V2 选用1000V挡。
3.他励直流电动机的回馈制动 图3-36(a)是电车下坡时正回馈制动机械特性，这时n＞n0，是 电动状态，其机械特性延伸到第二象限的直线。图3-36(b)是带位 能负载下降时的回馈制动机械特性，直流电动机电动运行带动位 能性负载下降，在电磁转矩和负载转矩的共同驱动下，转速沿特 性曲线逐渐升高，进入回馈制动后将稳定运行在F点上。需要指出 的是，此时转子回路不允许串入电阻，否则将会稳定运行在很高 转速上。
(2)直流电动机的反转 将电枢串联启动变阻器R1的阻值调回到最大值，先切断控制屏 上的电枢电源开关，然后切断控制屏上的励磁电源开关，使他励电 动机停机。在断电情况下，将电枢的两端接线对调后，再按他励电 动机的启动步骤启动电动机，并观察电动机的转向及转速表指针偏 转的方向。 (3)调速特性 ①电枢回路串电阻(改变电枢电压Ua)调速。保持U＝UN、If＝IfN ＝常数，TL＝常数，测取n＝f(Ua)。 按图3-37接线。直流电动机M运行后，将电阻R1调至零，If2调 至校正值，再调节负载电阻R2、电枢电压及磁场电阻Rf1，使M的U ＝UN，Ia＝0.5IN，If＝IfN，记下此时MG的IF值。 保持此时的IF值(即T2值)和If＝IfN不变，逐次增加R1的阻值，降 低电枢两端的电压Ua，使R1从零调至最大值，每次测取电动机的端 电压Ua，转速n和电枢电流Ia，记录于表3.6中。
电机学第五版课件汤蕴璆编著 第3章7直流电动机的起动、调速和制动
调速的方法
U I a Ra n Ce
磁场控制
9 调励磁电流调速
电机学
调速 Speed Governing
调速：调节转速、转速控制 电动机调速的基本要求
– – – –
n nN n1 t1 O t
调速范围：D=nmax/nmin 平滑性 经济性
调速设备简单、可靠、操作方便
10
电机学
If
18
电机学
直流电动机的反接制动
方法
励磁回路不变，将加在电枢回路的电 压反接。
-U=Ea+Ia(Ra+RL) Ia=-(U+Ea)/(Ra+RL) 将产生很大的制动性质的电磁转矩。
原理
19
电机学
直流电动机的反接制动
+ U 电动
Q 制动 B n0
n A
Ra
Ia
RL I’a + Ea –
n Ia1
If3
ia
n0
O
If1>If2>If3
If2
If1 TeN Te
IaN n1 nN
O
Te=CTΦIa
n
13
t
电机学
串励电动机的调速
n n
TL
Rs1<Rs2<Rs3 Rs1 Rs3 O Rs2 Te O
TL U1>U2>U3 U1 U3 U2 Te
调速方式 改变Rs 改变U
14
主要优点 简单 转速可调低、可调高
他励和并励电动机的调速 ▲电枢回路串电阻调速
n
n0 RΩ=0
IaN nN n1
简述直流电动机的调速方法。
简述直流电动机的调速方法。
直流电动机是一种无刷直流电机,其工作原理基于电枢的旋转,其调速方法
主要有以下几种:
1. 电阻调速:将直流电动机接入电阻器中,通过改变电阻的大小来控制电动机的转速。
这种方法的优点是调速范围宽,但缺点是调速效率低,而且电阻器易损坏。
2. 电容调速:在直流电动机的转轴上加装电容,通过改变电容的大小来控制电动机的转速。
这种方法的优点是调速效率高,但缺点是需要较大的电容,而且容易引起电动机故障。
3. 串激调速:在直流电动机的转轴上串联一个电阻和一个电感,通过改变它们的相对大小来控制电动机的转速。
这种方法的优点是调速范围宽,但缺点是需要复杂的电路,而且容易引起电动机故障。
4. 反相调速:在直流电动机的转轴上加装一个电容器和一个电阻,通过改变它们的相对大小来控制电动机的转速。
这种方法的优点是调速效率高,但缺点是需要较大的电容器,而且容易引起电动机故障。
除了以上几种调速方法外,还有一些其他的方法,例如脉冲调速、积分调速等。
这些方法在实际应用中要根据具体情况选择使用。
直流电动机的调速方法的选择应该考虑到调速范围、调速效率、电动机的性能和稳定性等因素。
在实际应用中,需要根据具体的情况和要求选择合适的调速方法。
直流电动机的调速原理(一)
直流电动机的调速原理(一)直流电动机的调速1. 调速概述•直流电动机是一种常用的电动机类型，具有广泛的应用领域，如工业、交通、家电等。
•调速是指通过改变电机输入的电压和电流，实现电机转速的控制，以满足不同工作条件下的需求。
2. 直流电动机的工作原理•直流电动机的基本构造包括电枢（转子）和电枢绕组、磁极（定子）和磁极绕组，以及换向器等部件。
•当电流通过电枢绕组时，根据洛伦兹力的作用，电枢产生力矩，使电枢绕组和磁极绕组相互作用，产生转矩，驱动电机转动。
3. 直流电动机调速的原理•直流电动机调速采用的方法主要包括电压调速和转子电流调速。
3.1 电压调速•电压调速是通过改变电源端的电压来控制电动机转速。
•降低电动机输入电压，可以减少电机输出转矩，从而降低转速；增加电压，则相反。
•电压调速简单易实现，但不能实现宽范围的调速，且容易产生较大的电机功率损失。
3.2 转子电流调速•转子电流调速是通过改变电枢电流的大小来控制电动机转速。
•调节电枢电流可以改变电枢绕组中的磁通量，从而控制转矩和转速。
•转子电流调速具有调速范围广、响应快等优点，但需要较为复杂的电子设备来控制电流，增加了系统的复杂性和成本。
3.3 脉宽调制（PWM）调速•脉宽调制调速是一种常用的直流电动机调速方法。
•它通过控制PWM信号的占空比来改变电机输入的电压和电流。
•调节PWM信号的占空比可以实现电机转速的精确控制，且可以实现宽范围的调速。
4. 总结•直流电动机调速是一项重要的控制技术，在各个领域都有广泛应用。
•电压调速、转子电流调速和脉宽调制调速是常用的调速方法，具有各自的特点和适用范围。
•随着电子技术的发展，直流电动机调速技术将会越来越完善，为各行各业的应用提供更多可能性。
5. 电压调速的实现•电压调速可以通过调节输入电压来实现电动机转速的控制。
•常用的电压调速方法包括串联电阻调速、自耦变压器调速和晶闸管调速等。
5.1 串联电阻调速•串联电阻调速是通过串联外部电阻来改变电动机的输入电压。
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说明并励直流电动机机械特性是硬特性，转速降落不多。
14、并励直流直流电动机 U N 230 V
I aN 15.7 A Ra 1
nN 2000r / min
（包括电刷的接触电阻）
R f 610
求：两倍负载时的转速为多少？
UN n0 Ce
Ea U N I a Ra Ce nN nN
9-4 直流电动机的启动
启动要求：
启动转矩大，启动快
启动时的电流冲击不要太大 启动设备简单，便于控制
U Ea I a Ra
I Ia E
-
If
Rf
Rs
U Ea I a Ra
U Ea U Ce n Ia Ra Ra
U 刚启动时： n 0 I a Ia Ra
1 2
If
的 1，2 端接点对调一下
只改变磁通方向
并励直流电动机
Ia
+
U
-
把励磁绕组的 1，2 端接点对调一下即可单纯
M
1 2
改变磁通方向。
复励直流电动机
Ia
+
U
-
把励磁绕组 1，2 端接点对调
1 2
M
3
同时把励磁绕组 3，4 端接点也对调
4
简单地说：
改变电动机电磁转矩方向就可以改变电动
机的转动方向。
U Ea U Ia n 0 Ia Ra Ra
T CtI a
17、一台直流电动机，其外加电源电压和励磁
回路电阻均保持不变，加恒转矩的负载后，发
现电枢电流超过额定值，此时若增大电枢回路
中的外串电阻，则电动机的电枢电流
A、 减小
T CtI a
T T2
T CtI a
T Ia Ct
0
T
Ra U n T 2 Ce CeCt
n n n0
根据公式：
Ra U n T 2 Ce CeCt
调速的方法有 3 种： 调电枢电压 U 调磁通 电枢回路加入电阻
n
调电枢电压 U 在额定电压以下调节
n0 n01 n02
Ra U n T 2 Ce CeCt
n
n0
n
n
T T2 CtI a 4I a 4 40 160 A Ia U Ea I a Ra
0
T2
T
4T2
U I a Ra Ce n
Ea n
U Cen I a Ra
110 40 0.1 Ce 0.106 1000
230 UN n0 2146 r / min Ce 0.10715
Ea U N I a Ra 230 15 .7 1 0.10715 Ce 2000 nN nN UN Ra n T 2 Ce CeCt UN Ra n Ia Ce Ce
n f (U a )
① 调节电枢电压 U，机械特性具有不同的理想空载转
速 n0 ，但斜率 相同。
（2）改变励磁电流调速
Ra U n T 2 Ce CeCt
n n0 T
T2 常数
n
保持： U U N
R1 0
2
测取： n f ( I f )
1
N
0
T2
T
U I f
Ia
+
U
-
T T2
M
T CM I a
If
Ia
8、一台直流并励电动机当电枢电压忽然下降时，
负载保持不变 A、电枢总电流保持不变 B、电枢总电流随电枢电压下降 C、电枢总电流随电枢电压下降而增大
9、当直流电动机发生飞车时
电枢电流
电流会突然变大
T T0 T CM I a
I a Ea
4、并励电动机空载运行，如果励磁回路突然断
开，说明
n Ia
各量将如何变化？
T T0
根据：
电磁转矩平衡空载转矩
T CtI a I a
分析转速 n 变化最好利用机械特性 比较固有机械特性和变化后的机械特性与负载的交点
n
n
N
0
T
空载 T T0
T CtI a
为了限制启动电流，提高启动转矩 电枢回路加大电阻， 励磁回路减小电阻
电枢回路加大电阻
U Ea Ia Ra U Ia Ra RS U Ra
RS 1
RS 2
RS 3
M
励磁回路减小电阻
C1
C2
C3
R f I f T
9-5 直流电动机的调速
转速特性：
B、 不变
C、 增大
Ia
与
T2 或 相关
18、直流电动机调电枢电压调速采用他励直流
电动机还是并励直流电动机？
并励直流电动机在调电枢电压调速时会 牵涉到磁通的变化，会导致电枢电流的变化，
甚至会烧坏电机。
选择他励直流电动机更好。
19、并励直流直流电动机 U N 230 V
I aN 15A
T CtI a I a U Ea I a Ra
U Ea Ia Ra
11、一台并励直流电动机空载转速
A、小于额定转速 B、大于额定转速 C、等于额定转速
n
n0 nN
0
T2
T
12、一台并励直流电动机空载电枢电流
A、小于额定电流 B、大于额定电流 C、等于额定电流
230 UN n0 2146 r / min Ce 0.10715
Ea U N I a Ra 230 15 .7 1 0.10715 Ce 2000 nN nN
n n0 nN 2146 2000 146 r / min
n 146 0.068 n0 2146
T CtI a
只能改变与电磁转矩相关的一项电磁量，
或 I a 的方向
最好选择只改变磁通方向
V Ra 0.1 7、一台并励直流电动机， U N 110
在某负载下运行时 I a 40A n 1000 r / min 现在使负载转矩增加到其 4 倍，问电动机电 枢电流和转速各为多少？
n
n0
△n
U Ea I a Ra
0
Ia
CenN U I a Ra
I a Ra U n Ce Ce
n0
理想空载转速
n 转速降落
n n0
直流电动机固有机械特性特性
n f (T )
n
n0
△n
I a Ra U 转速特性： n Ce Ce
0
UN U2 U1
T2 n
T
2
调磁通
1
N
在饱和点以下调节，削磁调速
0
T2
T
电枢回路加入电阻
n
Hale Waihona Puke n00T2T
缺点是：电阻箱笨重，长时间运行损耗大
实验三
直流并励电动机
1、工作特性和机械特性 保持 U U N 和
I f I fN不变，测取 n 和 T2
n f (I a )
n f (T2 )
I a 2I aN 2 15.7
1 n 2146 2 15.7 1836 .6r / min 0.10715
15、需要软机械特性时选用
A、串励直流电动机 B、他励直流电动机 C、并励直流电动机
16、启动直流电动机时
励磁电阻 减小
增大
电枢电阻，
U Ea I a Ra
I a
所以，在直流电动机负载不变时，电 枢电流忽然不明原因地提高，可能发生了
飞车现象
此时，故障出现在励磁回路，而不是 电枢回路。
10、 直流电动机起动电流由 A、 负载大小决定
T T2
T2 T T T2 n
B、 励磁电流决定 C、 电枢电阻决定 D、 由以上共同因素决定
T T2 T2 T T T2
T CtI a I a
电枢电流随负载增加自动提高 但是，在新平衡点时，转速却不能恢复原来的转速。
8、一台直流并励电动机当电枢电压忽然下降时，
负载保持不变 A、电枢总电流保持不变 B、电枢总电流随电枢电压下降而下降 C、电枢总电流随电枢电压下降而增大
Ra U n Ia Ce Ce
n
n0
△n n= f(Ia)
0
Ra U n T 2 Ce CeCt
Ia
2、调速特性
(1) 改变电枢电压调速
n
n0 n01 n02
0
UN U2 U1
U T n Ce Ce Ct 2
T2
T
n n0 T
T2 常数
保持： I f I fN 常数
课
1、一台并励直流电动机发现电枢电流过大，
励磁回路无故障，电枢电压正常，为减小电枢
电流应该：
A、在电枢电路中加入限流电阻 B、减小负载 C、减小电枢电压
T T2
T CtI a
2、一台并励直流电动机发现电枢电流过大，
电枢电压偏低，负载不变，为减小电枢电流应
该：
A、在电枢电路中加入限流电阻 B、减小负载 C、提高电枢电压
3：直流电动机带恒转矩负载运行，如果增加它的
励磁电流， T
Ea
Ia
n
怎样变化？
T T2
电磁转矩不变
T CtI a
I f I a
n?
n