直流电动机的调速和制动技术

直流电动机启动之后进入工作过程，根据工作需要我们要对电动机进行调速，以满足生产要求；完成工作任务，要尽快让电动机停止运行，要对其进行制动。

1.直流电动机的调速

为了提高生产效率和保证产品质量，并符合生产工艺，要求生产机械在不同的情况下有不同的工作速度，这种人为地改变和控制机组转速的方法，称为调速。

例如车床在工作时，低转速用来粗加工工件，高转速用来进行精加工；又如电车，进出站时的速度要慢，正常行驶时的速度要快。

值得注意的是，由负载变化引起的转速变化和调速是两个不同的概念。负载变化引起的转速变化是自然进行的，直流电动机工作点只在一条机械特性曲线上变化。而调速是人为地改变电气参数，使电机的运行点由一条机械特性转变到另一条机械特性上，从而在某一负载下得到不同的转速，以满足生产需要。所以说调速方法，就是改变电动机机械特性的方法。

取并励直流电动机拖动恒转矩负载为研究对象，由式可以看出，有以下三种调速方法：电枢回路串电阻调速、改变电枢端电压调速、改变励磁电流调速。现分别介绍如下：

（1）电枢回路串电阻调速。用图5.23来说明电枢回路串电阻调速的原理和过程。其中曲线1是直流电动机的固有机械特性，曲线2为串入Rj1后的人工机械特性，曲线3为串入Rj2后的人工机械特性，曲线4是负载的机械特性。假设直流电动机拖动的是恒转矩负载TL，运行于曲线1上的A点，其转速为nN。当电枢回路串入电阻Rj1，并稳定运行于人工机械特性上的B点后，转速下降为n1。Rj的值越大，稳定转速越低。电流ia和转速n随时间的变化规律如图5.24所示。

图5.23　电枢回路串电阻调速

图5.24　恒转矩负载时的电枢串电阻调速

直流电动机的具体调速过程如下：运行于A点的直流电动机，其电磁转矩T=TL，转速为nN，串入电阻Rj1后，机械特性变为曲线2，由于串入电阻的瞬间，电机的转速不变，故反电动势不变，此时电枢电流Ia和电磁转矩会减小，工作点平移到A1点，相应的电磁转矩T＜TL，所以电动机的转速开始减小，反电动势Ea减小，而Ia和T要增大，则工作点沿曲线2由A1移到B点，此时T=TL，电机以转速n1工作在新的平衡点。

图5.25　改变电枢端电压的调速

电枢回路串电阻调速的优点是设备简单，操作方便，调速电阻可兼作启动电阻。缺点是Rj上电流较大，能量损耗大，效率低。而且转速越低，串入的电阻越大，损耗就越大，效率越低。所以，电枢串电阻调速多用于对调速性能要求不高的生产机械上，如电动机车、吊车等。

（2）改变电枢端电压调速。此种方法只能是降低电枢端电压调速，因为电动机的工作电压是不允许超过额定值的。调速的原理可用图5.25来表示。调速过程中的电流和转速的变化和图5.24相似。

当电源电压为额定值时，电动机带额定负载TL运行于固有特性曲线1上的A点，对应的转速是nN。现将电源电压下调，工作点移到人工机械特性曲线上的C点，转速减小为n1，如继续降低电压，则机械特性曲线和工作点继续下移。

图5.26　改变磁通的调速

图5.27　恒转矩负载的弱磁调速

降压调速的具体过程分析如下：直流电动机在A点稳定运行时，电磁转矩T=TL，转速为额定转速nN。电压下调后，机械特性变为曲线2。因为降压瞬时，电机的转速不变，所以反电动势不变。根据直流电动机电动势平衡方程式可知，Ia和T会很快减小，工作点左移到B点。而B点对应的T＜TL，电动机转速n下降，Ea变小，而Ia和T增大，工作点由B点沿曲线2移到C点，此时T=TL，电动机以转速n1稳定运行。

如电压平滑变化，可得到平滑调速，实现无级调速。调压调速的调速范围宽，能耗小。缺点是需要专用电源，设备投资大。

发电机—电动机组是早期的调压调速设备，启动和调速都比较平滑，能耗小、操作方便，易于反转，调速范围宽。其缺点是系统容量大，投资高，机组运转躁声大。所以现在已被晶闸管—直流电动机系统所取代。

调压调速系统常用于轧钢机、机床等对调速性能要求高的生产设备。

（3）改变励磁电流调速。改变励磁电流目的是为了改变磁通的大小，而磁通的改变只能从额定值往下调。原因有两点：一是直流电动机额定运行时，磁路基本是饱和的，如励磁电流增加很多，磁路会过饱和，这样会影响电动机的性能。二是磁路饱和后，虽然励磁电流增加很多，但磁通的增量很少。所以说调节磁通的调速就是弱磁调速。其调节原理可根据图5.26分析如下。

调速前，直流电动机在固有特性曲线1（此时的磁通为ΦN）上的A点带恒转矩负载TL稳定运行，转速为额定转速nN。现在增大励磁回路中的电阻，则励磁电流减小，磁通减小到Φ，电动机的机械特性曲线变为直线2。励磁电流变化的瞬间，转速保持不变，反电动势Ea随磁通Φ降低而减小，则电枢电流Ia增大，因为Ia的变化比Φ的减小要显著，所以电磁转矩总体上是增大的，这就使工作点右移到B点，此处的T＞TL，电动机加速旋转，n不断上升，Ea随之增大，Ia和T减小，工作点沿直线2上移到C点，此时有T=TL，电动机处于新的平衡状态，以转速n1稳定运行。从而达到调速的目的。如继续减小励磁电流到某值，电动机会以另一较高速度稳定运行。调速过程中电流和转速的变化如图5.27所示。

改变励磁电流调速的优点是：由于励磁电流小，能耗小，效率高，设备简单，控制方便。但在T一定时，Φ减少，Ia增大，故不宜将Φ减少过多。但对恒功率负载而言，Φ减少，n增高，T减少，Ia变化不大，故此方法适用于此类负载。

【例5.3】 一台他励直流电动机，PN=29kW，UN=440V，IN=76.2A，nN=1050r/min，Ra=0.393Ω。电动机带额定恒转矩负载运行，如果负载是不变，且认为磁路是不饱和的，试求：

（1）电枢电路串入1.533Ω的电阻后，电机的稳定转速。

（2）电枢电路不串电阻，降低电枢电压至220V后，电机的稳定转速。

（3）电枢电路不串电阻，减小磁通至额定磁通的0.9倍，电机的稳定转速。

解：当电动机带额定负载运行时

（1）电枢电路串入电阻后，因为带恒转矩负载，所以电动机的电磁转矩不变。另外，因是他励电机，故磁通不变，仍为ΦN。那么由公式T=CTΦIa可知电枢电流不变，仍为IN。通过分析可求电机的稳定转速为

（2）降低电枢电压至220V后，电机的稳定转速

（3）因为负载不变，所以电动机的电磁转矩不变，则有

2.直流电动机的制动

在电力拖动系统中，有时需要电动机快速停车或者由高速运行迅速转为低速运行，这时就需要对电动机进行制动。常用的制动方法有机械的（用抱闸）或电磁的。电磁制动就是使电动机产生一个与旋转方向相反的电磁转矩T而获得。这种制动方法制动转矩大，制动强度控制也比较容易，电力拖动系统多采用这种方法，也可以与机械制动配合使用。(www.xing528.com)

必须指出，当一台生产机械工作完毕需要停车时，最简单的方法是断开电枢电源，让系统在摩擦阻转矩的作用下，转速慢慢下降至零而停车，称为自由停车。自由停车一般较慢，如风机一类的负载，停车时间长短是无所谓的；有些机械则不然，如电车，若不能紧急停车，就会出大事故。如希望加快制动过程，就要人为地对电动机进行制动。

他励直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。下面分别讨论各种制动的物理过程、机械特性及制动电阻的计算。

（1）能耗制动。图5.28为他励直流电动机能耗制动的接线图，当开关S接电源时，电动机处于电动工作状态，此时电动机的电枢电流、电枢电动势、电磁转矩和转速的方向如图中实线所示。当需要制动时，保持励磁电流不变，将电枢两端的电源断开，接到制动电阻RB上。

能耗制动的接线和操作都比较简单，在制动过程中电动机已从电网断开，不需从电网输入电功率，因而比较经济。而且用这种方法实现停车比较准确。但也存在着一定的缺点，随着转速的下降，制动电流和制动转矩也随之减小，制动效果变差。若为了使电机能更快地停转，可以在转速降到一定程度时，切除一部分制动电阻（二级能耗制动），使制动转矩增大，加强制动作用，也可以与机械制动配合使用。

（2）反接制动。反接制动可以用两种方法来实现，即电压反接与倒拉反转反接制动。

1）电压反接制动。图5.29为电压反接制动的接线图。当开关S投向“电动”侧时，电动机在正常电动状态运行，电动机的转速n、电动势Ea、电枢电流Ia、电磁转矩T的方向如图中实线所示。若将开关S投向“制动”侧，这时加到电枢绕组两端电源电压极性便和电动运行时相反。

当电动机转速接近零时，要及时断电，防止反转。

图5.28　能耗制动接线图

图5.29　电压反接制动接线图

2）倒拉反转反接制动。倒拉反转的反接制动仅适用于位能性恒转矩负载。现以起重机下放重物为例说明电机倒拉反转反接制动时工作点的变化情况。

图5.30（a）标出了正向电动状态（提升重物）时电动机的各物理量方向，此时电动机工作在固有机械特性图5.30（c）上的A点，这时在保持电动机接线不变的情况下，在电枢回路串入一个较大的电阻RB，这时的人为机械特性如图5.30（c）中的直线n0D所示，在串入电阻的瞬间，由于系统的惯性，转速不能突变，工作点由固有特性上的A点沿水平方向跳跃到人为特性上的B点，这时电动机产生的电磁转矩TB小于负载转矩TL，电动机开始减速，反电动势随之减小，与此同时电枢电流和电磁转矩又随反电动势减小而重新增加。工作点沿人为特性由B点向C点变化，到达C点时，n=0，因电动机的电磁转矩仍小于负载转矩TL，所以在负载位能转矩作用下，将电动机倒拉而开始反转，其旋转方向变为下放重物的方向。

图5.30　倒拉反转反接制动

（a）正向电动；（b）倒拉反转；（c）机械特性

由于电枢电流方向未变，这时电动机电磁转矩方向也不变，但因旋转方向已改变，所以电磁转矩为制动转矩，电动机处于制动状态。随着电机反向转速的增加，Ea增大，电枢电流Ia和制动的电磁转矩T也相应增大，当到达D点时，电磁转矩与负载转矩平衡，电机便以稳定的转速匀速下放重物。

倒拉反转反接时，电网仍向电动机输送功率，同时下放重物时的机械位能转变为电能，这两部分电能都消耗在电阻RA+RB上，由此看出反接制动在电能利用方面也是不经济的。

（3）回馈制动（再生制动）。在电动状态下运行的电动机，如遇到起重机下放重物或电车下坡时，使电动机的转速高于理想空载转速，电动机便处于回馈制动状态。

回馈制动时，由于有功率回馈到电网，因此与能耗制动和反接制动相比，从能量观点看，是比较经济的。

小　结

启动、调速、制动是直流电动机使用中不可避免的过程。为了保证启动电流不超过允许值和启动转矩不低于所需值，一般采用在电枢回路串变阻器启动或降压启动的方法。在宽广范围内平滑而经济地调速是直流电动机的突出优点。常用的调速方法有电枢回路串电阻调速、改变电枢端电压调速、改变励磁电流调速。他励直流电动机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式。

在电力拖动装置工作过程中，由于生产的要求，常常需要改变电动机的转向。改变电动机转矩方向有两种方法：电枢绕组反接和励磁绕组反接。

习　题

（1）用哪些方法可改变直流电动机的转向？

（2）有一台他励直流电动机带额定负载运行，其额定数据为：PN=22kW，UN=220V，IN=116A，nN=1500r/min，Ra=0.175Ω。如果负载不变，且不计磁路饱和的影响，试求：

1）电枢电路串入0.575Ω的电阻后，电动机的稳定转速。

2）电枢电路不串电阻，降低电枢电压到110V，电动机的稳定转速。

3）电枢电路不串电阻，减小磁通至额定磁通的0.9倍，电动机的稳定转速。

（3）一他励直流电动机的UN=220V，Ian=30.4A，nN=1500r/min，电枢回路总电阻Ra=0.45Ω，要在额定负载下，把电动机的转速降到1000r/min，求：

1）电枢回路串电阻调速时，应接入的电阻值。

2）降压调速时，电压应降到多大？

（4）一台并励直流电动机在某负载转矩时转速为1000r/min，电枢电流为40A，电枢回路总电阻Ra=0.045Ω，电网电压为110V。当负载转矩增大到原来4倍时，电枢电流及转速各为多少（忽略电枢反应）？

（5）一台Z2-52型并励直流电动机，PN=7.5kW，UN=110V，IN=82.2A，nN=1500r/min，Ra=0.1014Ω，R1=46.7Ω，忽略电枢反应，求：

1）当电枢电流为60A时的转速。

2）若负载为恒转矩，当主磁通减少15%，求达到稳定时的电枢电流及其转速。

综合实训

1.实训目标

测取并励直流电动机的调速特性。

2.实训要求

掌握并励直流电动机的启动和调速方法，测量相关数据。