串励直流电动机的特性与优点

串励直流电动机的电路图如图5-15所示。串励直流电动机的励磁绕组与电枢串联，励磁电流等于电枢电流。励磁电流建立的磁通Φ是电枢电流的函数，这种函数关系基本是比例关系，只不过比例系数不是常数，是随电枢电流的大小有所不同，即

Φ=aI_a （5-25）

式中 a——与磁化曲线和电枢反应的去磁效应有关的非线性系数，a=f（I_a）。

当电枢电流大于0.7～0.8倍额定电枢电流时，这两个非线性因素表现的比较明显；而在小电枢电流时，系数a可视为常数。在电枢电流大于2倍额定电枢电流值时，磁路饱和，磁通值基本不随电枢电流变化。

图5-15 串励直流电动机的电路图

如果像普通直流电动机那样，希望用改变电源电压的方向来改变电动机的转向，在串励直流电动机的场合是行不通的。因为这时Φ和I_a同时改变方向，旋转方向不会改变。因此，为了改变串励直流电动机的旋转方向，Φ和I_a只能有一个改变方向，这个电路如图5-16所示。

根据直流电动机转矩和电动势的公式（5-2）和（5-3），可以得到串励直流电动机的电动势和转矩的基本公式

图5-16 串励直流电动机的反转电路图

串励直流电动机的机电特性和机械特性为

或简化为

或简化为

首先来看机械特性，如果不考虑磁路饱和，机械特性为双曲线形状，与纵坐标渐近而不相交。

图5-17 串励直流电动机的机械特性

如果RΣ_a=0，机械特性曲线与横坐标渐近而不相交（见图5-17）。这条机械特性称为理想机械特性，不存在位于这条曲线之上的机械特性曲线。实际的自然机械特性在电枢回路短路（转矩T_k）之处穿过横坐标。如果考虑到磁路饱和，在转矩小于0.8T_k时，机械特性具有双曲线的特点；当转矩大于0.8T_k时，由于磁路饱和，磁通近于不变，机械特性具有直线的特点。串励直流电动机的机械特性的一个重要特点就是没有理想空载转速点。如果负载转矩很小，转速将急速升高甚至飞车。因此，这种电动机不允许空载运行。

串励直流电动机的主要优点是低速过载能力强。当过载电流在2.25～2.5倍额定值时，转矩过载能力可达3.0～3.5倍额定值。有轨电车在起动过程需要很大的转矩，串励直流电动机这个优点在有轨电车起动时就很实用。串励直流电动机另一个优点是无需专门的励磁电源。

改变串励直流电动机机械特性的方法有三种：在电枢回路串入附加电阻，改变电源电压，在电枢绕组并联分流电阻。

电枢串入附加电阻使机械特性变软，同时也使T_k减小。电动机起动时可以利用接触器K1、K2、K3分段切换串入附加电阻（见图5-18）。这种方法因为电阻上的能量损失大，不适于长期工作制。

改变电源电压是对串励直流电动机调速的最经济的方法，其机械特性如图5-19所示。如果在额定电压值以下改变电源电压，所谓的人造机械特性将在自然机械特性下方平行移动。从外形来看，改变电源电压的机械特性和电枢串入电阻的机械特性很相似，但是，这两种调速方法有着本质的区别。改变电源电压的方法没有额外的能量损失。

图5-18 串励直流电动机分段串入电阻的机械特性(www.xing528.com)

图5-19 串励直流电动机在改变电源电压时的机械特性

有时串励直流电动机只有公用的直流电源，电源的电压是不能改变的。这时可以采用脉宽调制的方法调节电压，简化的电路图如图5-20所示，详细的原理在下节叙述。

在电枢绕组并联分流电阻的方法如图5-21所示。这种方法可以改变串励直流电动机的磁通，在这种情况下串励绕组的电流为

即励磁电流由电枢电流和分流电阻的电流构成，与负载电流的相关性减弱。

这种方法的机械特性如图5-21b所示，其特点是硬度变大，穿过纵坐标。对电枢绕组并联分流电阻行分流，可以在没有负载的情况下降低空载转速。这种调速方式能够使电动机在ω＞ω₀₁或ω＞ω₀₂得情况下进入再生回馈制动工况。因为在分流电阻上消耗大量的能量，所以这种调速方式的效率低下。

图5-20 串励直流电动机电压脉宽调制调速的电路图

图5-21 串励直流电动机电枢并联电阻调速的电路图和机械特性

串励直流电动机的制动只有反接制动和能耗制动两种方式。

反接制动分为转矩反接制动和转速反接制动。反接制动必须在电枢回路接入附加电阻。图5-22所示为两种反接制动方案的机械特性。机械特性曲线1是转矩反接的机械特性。当电动机正转时改变转矩的方向，同时接入附加电阻，这时工作点由点c跳变至第Ⅱ象限的a点。这时电动机仍然是正转，因转矩反向后进入发电工况，该点的制动转矩为T_C。电动机将沿着机械特性曲线1减速直至速度为零。需要注意的是，为了改变转矩的方向，Φ和I_a只应有一个改变方向，通常是将电枢反接，使I_a反向。如果同时改变电源的方向，则Φ和I_a同时反向，就不能得到反方向的制动转矩了。

转速反接制动的机械特性如图5-22的特性曲线2。当电动机电枢回路接入较大的附加电阻，相应的机械特性变软为曲线2。如果电动机的负载是位势负载，在负载转矩T_C的作用下，电动机被拖入第Ⅳ象限的发电制动工况，电动机反转，最终平衡于工作点b。这种速度反接制动方式也叫做倒拉反接制动。反接制动时附加电阻上的发热量很大。

图5-22 串励直流电动机电枢反接制动的机械特性

能耗制动也有两种方案他励磁能耗制动和自励磁能耗制动。他励磁能耗制动是正当电动机具有一定转速时，把电枢绕组用电阻短接，而励磁绕组通过附加电阻接到直流电源上，并应保持原来Φ的方向不变，如同他励直流电动机的励磁方式。这种制动工况的机械特性与他励直流电动机的能耗制动的机械特性相同。

图5-23 串励直流电动机自励磁能耗制动的电路图

图5-24 串励直流电动机自励磁能耗制动的机械特性

自励磁能耗制动方案的电路图如图5-23所示。这时电动机如同一台自励磁直流发电机。这种制动方式的特点是：在由电动工况向能耗制动工况过渡时，必须保持原来的励磁电流方向不变，以增加剩磁，避免去磁效应。自励磁的过程叙述如下：接触器KM分断，接触器KB闭合。由于电动机内磁路中具有剩磁，在电动机的转速大于临界转速ω_min的情况下产生旋转电动势E_a。E_a通过电动机M—接触器KB—串励绕组—电阻R—接触器KB—电动机M构成的回路产生自励磁电流。这种自励磁能耗制动的机械特性如图5-24所示。

常规的串励直流电动机不具备再生回馈制动的能力，这是因为E_a无法超过U。若想实现回馈制动，必须增加单独的他励绕组，这就是所谓的复励直流电动机。复励电动机的特性介于他励和串励电动机之间。