水电之家讯：直流电动机的使用主要包括起动、调速、反转和制动等。这里首先讨论直流电动机的电磁特性，然后以并励直流电动机为例讨论其起动和调速情况。 1、直流电动机的电磁特性 直流电动机的电枢绕组电流Ia与磁通Φ相互作用，产生电磁力和电磁转矩。电磁转矩T的大小为： T=KT×Φ×Ia 式中：KT－与电机结构有关的常数；Φ－磁极磁通量，单位是韦伯（Wb）；Ia－电枢电流，单位是安（A）；T－电磁转矩。 在这个电磁转矩T作用下电枢转动，这时电枢因切割磁力线而产生电动势E。 E=KE×Φ×·n 式中：Φ－磁极磁通量，单位韦伯（Wb）；n－电枢转速，单位是r/min；KE－与电机结构有关的常数；E－感生电动势，单位是伏特（V）。 显然这个电动势E是一反电动势，故加在电枢绕组的端电压分为两部分：其一是用来平衡反电动势；其二为电枢绕组的电压降，如图1所示。 图1 直流电动机的电枢 因此直流电动机电枢的电压平衡方程式为： U=E+IaRa 式中：U－电枢外加电源电压；Ra，Ia－电枢绕组的电阻和电流。 电动机的电磁转矩是驱动转矩。因此，电动机的电磁转矩T必须与机械负载矩及空载损耗转矩相平衡。当轴上的机械负载转矩发生变化时，则电动机的转速、反电动势、电流及电磁转矩将自动进行调整，以适应负载的变化，保持新的平衡。例如，当负载增加时，电动机的电磁转矩便暂时小于阻转矩，所以转速下降。当磁通Φ不变时，反电动势E必将减小，而电枢电流Ia将增加，于是电磁转矩也随着增加。直到电磁转矩达到新的平衡后转速不再下降，而电动机则以较原先更低的转速运行。在电源电压U和励磁电路的电阻Rf不变的情况下，电动机的转速n与转矩T的关系n=f(T)称为电动机的机械特性。 由上面讨论的电磁关系可知： n=E/KEΦ=（U-IaRa）/KEΦ=U/KEΦ-Ra/KTKEΦ·T=n0-△n 在上式中，n0＝E/KEΦ，是T＝0时的转速，实际上是不存在的，因为即使电动机轴上没有加机械负载，电动机的输出转矩也不可能为零，它还要平衡空载损耗转矩。所以n0称为理想空载转速。 式中的△n＝Ra/KTKEΦ·T是转速降。它表示：当负载增加时，电动机的转速下降。转速降是电枢电阻Ra引起的。当负载增加时，Ia增大，IaRa增大，由于电源电压U是一定的，这就使反电动势E减小，也就是转速n降低了。 并励电动机的机械特性曲线如图2所示。由于Ra很小，在负载变化时，转速的变化不大。因此并励电动机具有硬的机械特性。 图2 并励电动机的机械特性曲线 2、并励电动机的起动 电动机接通电源，转子从静止状态开始转动起来最后达到稳定运行。由静止状态到稳定状态这段过程称为起动过程。 并励电动机在稳定运行时，其电枢电流为： Ia＝（U－E）/Ra 因为电枢电阻Ra很小，所以电源电压U和反电动势E极为接近。 在电动机起动的初始瞬间，n=0，E=KE×Φ·n=0。这时的电枢电流为：Iast=U/Ra 由于Ra很小，起动电流将达到额定电流的10－20倍，这是不允许的。因为并励电动机的转矩正比电枢电流，所以它的起动转矩也太大，会产生机械冲击，使传动机械（例如齿轮）遭受损坏，因此，必须限制起动电流。限制起动电流的方法是起动时在电枢电路中串接起动电阻Rst（图3）。这时电枢中的起动电流初始值为： Iast=U/（Ra+Rst） 而起动电阻则可由上式确定，即：Rst＝R/Iast－Ra 图3 电枢电路串入电阻起动 一般规定起动电流不应超过额定电流的1.5－2.5倍。起动时，应将起动电阻放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，将它逐段切除。起动电阻是按短期使用设计的，不能长期接在电枢电路中。 例如1 Z2－61型并励电动机，Pn=10kW,U=220V,In=53.8A,nn=1500r/min,Ra=0.3Ω,最大励磁功率Pfm=260W。试求（1）直接起动时起动电流为额定电枢电流的几倍；（2）起动电限制在额定电枢电流2倍时的起动电阻值。 解： 起动时励磁电流为最大值： Ifm=Pfm/U=260/220=1.18(A) 电枢额定电流： Ian=In-Ifm=53.8-1.18=52.6(A) 直接起动时起动电流为： Is=U/Ra=220/0.3=733(A) 起动电流为额定电枢电流的倍数＝Is/Ian=733/52.6=13.9 若将起动电流限制为额定电枢电流的2倍，即： U/（Ra+Rs）=2Ian 则起动电阻值为： Rs=U/2Ian-Ra=220/2×52.6-0.3=1.79(Ω) 这种电阻起动法广泛应用于小型直流电动机，较大容量和经常起动的电动机常采用降压起动去，依靠降低电动机端电压来限制起动电流。降压起动需要一套调压供电装置作为电动机电源，常用于他励电动机，只降低电枢两端电压，励磁电压保持不变。 需注意的是，直流电动机在起动或工作时，励磁电路必须保持接通装态，不能让它断开（起动时要满励磁）。否则，由于磁路中只有很小的剩磁，可能发生下述事故。 （1）如果电动机是静止的，因转矩太小(T=KTΦIa)，不能起动；由于反电动势为零，电枢电流很大，电枢绕组有被烧坏的危险。 （2）如果电动机在有载运行时断开励磁电路，电动势立即减小而使电枢电流增大；同时由于所产生的转矩不能满足负载需要，电动机必将减速而停车，更加促使电枢电流的增大，以致烧毁电枢和换向器。 （3）如果电动机空载运行，它的转速可能上升到很高的值（这种事故叫“飞车”），使电机遭受严重的机械损伤，而且还会因电枢电流过大将绕组烧毁。 3、直流电动机的调速 并励或他励直流电动机与交流异步电动机相比，虽然结构复杂，价格高，维修也不方便，但是在调速性能上有其独特的优点。因为鼠笼式电动机在一般情况下是不能调速的，更不能无级调速，因此，对调速要求高的设备，均采用直流电动机。这是因为直流电动机能无级调速，机械传动机构比较简单。 由直流电动机的转速公式： n=（U-IaRa）/KEΦ 可知，Ra、Φ和U中的任意一个值，都可使转速改变，改变电枢电路中外电阻的方法也可进行调速。但其缺点是耗电多，电机机械特性软，调速范围小，且只能进行有级调速，故这种方法目前已较少采用。现常用的对直流电动机调速的方法有调磁法和调压法。 （1）调磁法 即改变磁通量Φ。当保持电源电压U为额定值时，调节Rf，改变励磁电流If以改变磁通量，如图4所示。由于 n=U/KEΦ-Ra/KTKEΦ·T 可知磁通Φ减少时，n0升高，转速降△n增大，但后者与Φ2成反比，所以磁通愈小，机械特性曲线愈陡，但仍具有一定硬度，如图5所示。在一定负载下，Φ愈小，则n愈高。由于电动机在额状态运行时，它的磁路已接近饱和，所以通常都是减小磁通（Φ＜Φn），将转速往上调（n＞nn）。 图4 改变电动机磁通调速 图5 改变磁通量Φ时的机械特性曲线 调速的过程是：当电压U保持恒定时，减小磁通Φ。由于机械惯性，转速产立即发生变化，于是反电动势E=KE·Φ·n就减小，Ia随之增加。由于Ia增加的影响超过Φ减小的影响，所以转矩T=KTΦIa也就增加。如果阻转矩Tc未变，则T＞Tc转速n上升。随着n的升高，反电动势E增大，Ia和T也着减小，直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来升高了。 必须指出，若电动机在额定状态下运行，则电枢电流Ia为额定值，如果调速时负载转矩仍旧保持不变（为额定值），由于T=KTΦIa，故减小磁通量Φ后Ia必然超过额定值，因此调速后负载转矩必须减小。这种调速方法适用于转矩与转速成反比而输出功率基本不变（恒功率调速）的场合。 这种调速方法有3个优点： 调速平滑，可无级调速；

调速经济，控制方便；

机械特性较硬，稳定性较好。

这种调速方法的局限是转速只能升高，即调速后的转速要超过额定转速。因为电机不允许超速太多，因此限制了它的调速范围。在实际工作中，这种方法常作为电压调速的一种补充手段。

例如2 有一并励电动机，已知U=110V，E=90V，Ra=20Ω，Ia=1A，n=300r/min，为了提高转速，调节励磁电阻Rf增加，使磁通Φ减小10％，如负载转矩不变，问转速如何变化？

解：令Φ减小10%，即Φ′=0.9Φ，所以电流必须增大到Ia′，以维持转矩不变，即：

KT·Φ′·Ia′=KT·Φ·Ia

Ia′=ΦIa/Φ′=1/0.9=1.11(A)

磁通减小后的转速n′对原来的转速n之比为：

n′/n=(E′/KEΦ′)/(E/KEΦ)=E′Φ/EΦ′=(U-Ia′Ra)Φ/(U-IaRa)Φ′=(110-1.11×20)×1/(110-1×20)×0.9=1.08

即转速增加了8%。

（2）调压法

即改变电压U。当保持他励电动机的励磁电流If为额定值时，降低电枢电压U，则由

n=U/KT·Φ-Ra/KE·KT·Φ2·T

可见，n0变低了，但△n未改变。因此改变U可得出一组平行的机械特性曲线。在一定负载下，U愈低，则n愈低。由于改变电枢电压只能向小于电动机额定电压的方向改变，所以转速将下调(nn)。

调速的过程是：当磁通Φ保持不变时，减小电压U由于转速不立即发生变化，反电动势E便暂不变化，于是电流Ia减小，转矩T也减小。如果阻转矩Tc未变，则T＜Tc，转速n下降。随着n的降低，反电动势E减小，Ia和T增大，直到T=Tc时为止。但这时转速已比原来降低了。

由于调速时磁通不变，如在一定的额定电流下调速，则电动机的输出转矩便是一定的（恒转矩调速）。

这种调速方法有下列优点：

机械特性较硬，并且电压降低后硬度不变，稳定性较好；

调速幅度大；

可均匀调节电枢电压；得到平滑的无级调速。

这种调速方法的缺点是调压需用专门的设备，投资较高。近年来由于采用了可控硅整流电源对电动机进行调压和调速，使这种方法得到了广泛应用。印刷设备中直流电动机的调速多采用这种方法。

例如3 有一他励电动机，已知：U=220V,I=53.8A，n=1500r/min，Ra=0.7Ω，今将电枢电压降低一半，而负载转矩不变，问转速降低多少？设励磁电流保持不变。

解：由T=KT·Φ·Ia可知，在保持负载转矩和励磁电流不变的条件下，电流也保持不变。电压降低后的转速n′对原来的转速n之比

n′/n=(E′/KE·Φ)/(E/KE·Φ)=E′/E=(U-Ia·Ra)/U-Ia·Ra)=(110-53.8×0.7)/(220-53.8×0.7)=0.4

即在保持负载转矩不变的条件下，转速降低到原来的40%。

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