直流电机启动与调速制动
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。
5.3,5.4 他励直流电动机的制动与调速
U N Ea I a R Cen I a ( Ra Rc )
U N Ea | U N | | Ea | Ia 0 Ra Rc Ra Rc
即：T反向，n不变，则T与n反向，阻转矩
3．反接制动－－电压反接
• 电压反接制动的机械方程：
UN R a Rc n T 2 C e N C e CT N
n01 U U2 , nA nB ； 则b点：
E A E B U 2即U 2 E B I B Ra IB U 2 EB 0 T 0 Ra
制动方程：
Ra U n T 2 Ce CeCT
(T 0)
T反向 n不变
制动曲线： BC为正向回馈制动曲线
和机械强度的限制，升速范围不
可能很大，一般 D≤2； 为了扩大调速范围，通常把降压和弱磁两种调速方法结合 起来，在额定转速以上，采用弱磁调速，在额定转速以下 采用降压 调速。
本节小结
机械特性为：
R a Rc n T C e N CT N
即 Ia反向→T反向
n不变 则由电动转向制动源自2．能耗制动• 能耗制动的曲线：
R a Rc n T C e N CT N
BO为能耗制动曲线， 通过原点的一条曲线且 在第二象限。
BO曲线斜率大的制动快 or 斜率小的制动快？
3．反接制动－－电压反接
• 电压反接制动的特点：
（1）可以很快使机组停机。 （2） 需要加入足够的电阻， 限制电枢电流；
（3）转速至零时， 需切断电源。
3．反接制动－－电动势反接 （倒拉反接）
• 制动情况分析：
◆由机械特性1 特性2；
◆
◆ 当电枢回路串入电阻
04电机与电气控制技术教案
电枢串电阻调速的特点是：
1）串入电阻后转速只能降低，由于机械特性变软，静差率变大，特别是低速运行时，负载稍有变动，电动机转速波动大，因
降压调速的特点是：
1）无论是高速还是低速，机械特性硬度不变，调速性能稳定，故调整范围广。
2）电源电压能平滑调节，故调速平滑
弱磁调速的特点是：
（1）弱磁调速机械特性较软，受电动
机换向条件和机械强度的限制，转速调高幅
度不大，因此调速范围2~1 D 。
（2）调速平滑，可以无级调速。
（3）在功率较小的励磁回路中调节，能量损耗小。
（4）控制方便，控制设备投资少。
任务三 他励直流电动机的反转10活动设计1: 引导学生讨论，直流电机是如何实现反转的，原理是什么？
2．反接制动
反接制动有电枢反接制动和倒拉反接制动两种方式。
（1）电枢反接制动
电枢反接制动：是将电枢反接在电源上，同时电枢回路要串接制动电阻。
（2）倒拉反接制动
这种制动方法一般发生在提升重物转为下放重物的情况下。
3．回馈制动
对位能负载，由于位能负载转矩的影响使电力机车下坡或起重装置下放重物时，电动机加速至转速高于理想空载转速时，电枢。
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
并励直流电动机的制动与调速
引言直流电动机按励磁方式的不同总共分成四种类型,即他励电动机、并励电动机、串励电动机和复励电动机。
这其中，并励直流电动机的应用比较广泛。
）不能超过其本身的允许值，但又要保证并励直流电动机的起动要求是起动电流（IS有较大的起动转矩。
并励直流电动机起动的瞬间，倘若在额定电压下直接起动，由于R很a 就会很大，一般可达电枢电流额定值的10-20倍。
这样大的电流是换向所不允许的。
小，IS与此同时，起动转矩也能达到额定转矩的10-20倍。
过大的起动转矩会使电动机和它所拖动的生产机械遭受突然的巨大冲击，以致损坏传动机构（如齿轮）和生产机械。
由此可见，大、转动除了额定功率在数百瓦以下的微型直流电动机，因电枢绕组导线细、电枢电阻Ra惯量又比较小、可以直接起动外，一般的直流电动机是不允许采用直接起动的。
为此，必须将起动电流限制在允许的范围之内。
增加电枢电阻就是一种比较普遍的起动方法。
而对于额定功率较大的电动机来说，一般会选择有级起动的方法，这样就能保证起动过程中既有比较大的起动转矩，又使起动电流不会超过允许值。
对于某些小容量电动机来说，起动之后如果需要调速，那么可采用增加电阻的方法来达到降速的目的。
1 并励直流电动机的工作原理并励直流电动机励磁绕组和直流电动机的电枢绕组并在一起，当给线圈加上直流电时，导体中就有直流电通过。
载流导体在磁场中将受到电磁力的作用，由安培定理产生电磁转矩。
由于电刷的存在，故导体中的电流将随其所处磁场极性的改变而同时改变其方向，从而使电磁转矩的始终保持一固定方向，使电动机持续旋转。
此时换向器到外电路的直流，改变为线圈内的交流的“逆变“作用。
这就是并励直流电动机的工作原理。
2 直流电动机的分类2.1 他励电动机他励电动机的电路图如图2.1所示。
励磁绕组和电枢绕组分别由两个独立的直流电源提供。
在励磁电压Uf 的作用下，励磁绕组中通过励磁电流If,从而产生主磁极Φ。
在电枢电压Ua 的作用下，电枢绕组中通过电枢电流Ia。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
电力拖动的过渡过程一般分为两种：
1）机械过渡过程—— 它只考虑机械惯性，忽略影响较小 的电磁惯性。
2）电气一机械过渡过程 —— 它同时考虑机械与电磁两种 惯性。
第四节 他励直流电动机的调速
采用一定的方法来改变生产机械的工作速度，以满足生 产的需要，这种方法通常称为调速。
R1 Ra
R2 R1 Ra 2
Rm1
Rm 2
Ra
m1
Rm Rm1 Ra m
I1 Rm Rm1 R2 R1
I 2 Rm1 Rm2
R1 Ra
m Rm
Ra
lg Rm m Ra
lg
[例9-2]
R1 R1 Ra ( 1)Ra
RΩ2 R2 R1 ( 2 )Ra RΩ1
在电力拖动系统中，一些电气参数（如电压、电阻等） 与负载转矩的突然变化，会引起过渡过程，但由于惯性， 这些变化却不能导致电动机的转速、电流、转矩及磁通等 参量的突变，而必须是个连续变化的过程 。
电力拖动系统中一般存在以下三种惯性：
1．机械惯性 ——反映在系统的飞轮惯量上，它使转速不 能突变。
2．电磁惯性 ——反映在电枢回路电感及励磁回路电感上， 它们分别使电枢电流和励磁电流不能突变，从而使磁通不 能突变。
2．静差率（或称相对稳定性）
nN 100 % n0 nN 100 %
n0
n0
电动机的机械特性愈硬，则静差 率愈小，相对稳定性就愈高。
调速范围D与低速静差率%间的关系
不同机械特性 下的静差率
D nmax nmax
nm a x
nm in
n0 ΔnN
n0
(1
ΔnN n0
)
允许的转速降
ΔnN
弱磁调速的优点是， 在功率较小的励磁电 路中进行调节，控制 方便，能量损耗小， 调速的平滑性较高。 由于调速范围不大， 常和额定转速以下的 降压调速配合应用， 以扩大调整范围。
各分段电阻如下 ：
R1 R1 Ra 0.627 0.377 0.250 R2 R2 R1 1.043 0.627 0.416 R3 R3 R2 1.736 1.043 0.693 R4 R4 R3 2.889 1.736 1.153
三、他励直流电动机起动的过渡过程
P1
n0
n0
（二）降低电源电压
降低电源电压的调速系统的机械特性 方程式为
n
U0
Ce
R0 Ra
CeCT 2
T
晶闸管整流器供电 的直流调速系统
降低电源电压调 速时的机械特性
三、弱磁调速
小容量系统
弱磁调速电路示意图
较大容量系统
弱磁调速时，机械特性方程式是 ：
n
U
Ce
Ra
CeCT 2
T
减弱磁通的人 为机械特性
n
n0
R
CeCT
2
T
R1 Ra RΩ1 nhc nhe nec
R2
Ra
nhe
nhe
Δn
n0
n
T
CeCT 2
R
R1
Ra
nec nhe
R2
Ra
nca nhe
（二）解析法
在b点
I2
U
Eb R2
在c点
I1
U
Ec R1
两级起动时
I1 R2 R1 I 2 R1 Ra
推广到m级起动的一般情况
I1 / I2 称为起动电流比
如果额定负载下低速机械特性的转速 nmin 100 r/m，in 而相应的理想空 载转速 nN 200 r/min 。
（1）试求出电动机在额定负载下运行的调速范围D和静差率 ；
（2）如果生产工艺要求静差率 ≤20%，则此时额定负载下能达到
的调速范围是多少？还能否满足原有的要求？
解 （1）
D nmax 9 nmin 100
低速静差率
200 100 100% 50%
200
（2） D 900 0.2 2.25 不能满足原有调速范围的要求 100 (1 0.2)
二、降低电枢端电压调速
电枢串联 电阻调速
（一）电枢串联电阻
分析电枢串接电阻调速的经济性：
P1
UI a
Ea Ia
I
2 a
R
效率 P1 P 1 n0 n n
nm a x D(1
)
nm a x
ΔnN (1 )
nm a x ΔnN (1 )
3．平滑性 在一定的调速范围内，调速的级数愈多则认为调速愈平滑。
ni vi
ni1 vi1
值愈接近于1，则平滑性愈好。时称为无级调速，即转速连续可
调，级数接近无穷多，此时调速的平滑性最好。
4．调速时的容许输出（或调速时的功率与转矩） 容许输出是指电动机在得到充分利用的情况下，在调速过程中轴上 所能输出的功率和转矩。
第二节 他励直流电动机的起动 一、他励直流电动机的起动方法
Ia
U
Ea Ra
如直接加额定电压起动，Ia 可能突增到额定电流的十多倍
电路图
特性图
二、他励直流电动机起动电阻的计算
（一）图解解析法
1．绘制固有机械特性
2．选取起动过程中的最大电流 I1与电阻切除时的切换电 流 I2 （或T1 与T2）
3．画出分级起动特性图
一、调速指标
调速方法最主要的有两大指标：即技术指标与经济指标
（一）调速的技术指标
1. 调速范围
D nmax vmax nm in vm in
不同生产机械要求的调速范围是不同的，例如车床D＝20～120，龙门刨床D＝ 10～40，机床的进给机构D＝5～200，轧钢机D＝3～120，造纸机D＝3～20等
RΩm1
Rm1
Rm2
RΩm2
m2
RΩ1
RΩm
Rm
Rm1
RΩm1
R m1 Ω1
一台他励直流电动机的铭牌数据为：
PN 29kW U N 440 V I N 76A nN 1000 r/min
Ra 0.377 试用解析法计算四级起动时的起动电阻值。
解 已知起动级数m=4 选择 I1 2IN 2 76A 152 A
（二）调速的经济指标
调速的经济指标决定于调速系统的设备投资及运行费用，而运行费 用又决定于调速过程的损耗，它可用设备的效率来说明。
P2
P2 ΔP
[例9-5 ]一直流调速系统采用改变电源电压调速，已知电动机的额定
转速 nN 900 r/m，in高速机械特性的理想空载转速
n0 1000 r/min
Rm
R4
Ua I1
440 152
Ω 2.895 Ω
4
R4
4
2.895
1.664
Ra 0.377
则各级起动总电阻如下：
R1 Ra 1.664 0.377 0.627 R2 R1 1.664 0.627 1.043 R3 R2 1.664 1.043 1.736 R4 R3 1.664 1.736 2.889