一、他励直流电动机的起动
1. 起动的概念
起动：电动机组（电动机带生产机械）从静止到某一转速下稳定运行的动态过程。
起动要求
机械方面：有足够大的起动转矩，以克服摩擦转矩、惯性转矩及负载转矩
- 要求： 足够大
电路方面：起动电流限制在允许的范围内
- 在 时，
- 起动电流：
- 由于 很小，直接起动电流很大（10~20倍额定电流）
- 必须限制：
重要：直流电动机起动时必须限流，否则过大的电流会损坏电机和电网！
2. 直流电机的起动方法
（1）直接起动
原理：将电机电枢直接接在额定电压的电源上起动
优点：
- 设备简单
- 操作方便
- 起动转矩大
缺点：
- 起动电流（冲击电流）大：
- 引起电源电压突然降低，影响电源上其他用户
- 电枢绕组发热、换向恶化、火花、电磁力冲击
- 过大的转矩冲击将使拖动系统的传动机构受损
适用场合：除了小型直流电机（由于自身电枢电阻大，可以直接起动）外，一般情况下都不允许直接起动。
（2）降低端电压起动
原理：
通过降低电机端电压限制起动电流；待转速上升之后再逐步提高电机端电压到额定值
方法：
- 使用 F-D 机组（发电机-电动机组）
- 使用可控直流电源
方程式：
起动过程：
优点：
- 起动电流小
- 能量损耗小
缺点：
- 需要专用电源
- 系统复杂
（3）电枢回路串电阻起动
原理：起动时在电枢回路串入变阻器以限制起动电流，待转速上升后再逐级切除起动电阻（分级起动）
分级起动过程（以三级为例）：
① 计算选择 （全部起动电阻），使：
②
③ 切除 （转速不突变）
④
⑤ 切除 （转速不突变）
⑥
⑦ 切除 （转速不突变）
⑧ （稳定运行）
其中：
起动电阻计算（设 ，）：
由 ：
由 ：
同理：
优点：
- 设备简单
缺点：
- 不平滑
- 有 损耗
二、直流电动机的调速
1. 调速的概念
调速：电力拖动机组要求能在电动机带负载的情况下通过人为改变电动机的参数来改变机组的转速。
直流电动机的转速：
实质：通过人为改变电动机的电气参数，使电机运行于不同的人为机械特性上。
原则：每次仅改变一个参数，保持其它参数不变。
2. 直流电动机的调速方法
（1）电枢回路串电阻调速
方法：保持 ， 不变，在电枢回路串入电阻
调速方向：调低，
缺点：
- 调速范围小。低速时机械特性变软，负载变化时转速波动大；
- 轻载时，调速效果不明显（因为很小）
- 采用分级电阻时，速度调节不平滑
- 是指能调节的离散值是有限的
- 经济性差。电阻为耗能元件，效率降低
（2）降低电枢端电压调速
方法：保持 不变，且 ，降低电枢端电压
调速方向：调低，
特点：
- 调速范围大。机械特性硬度不变，轻载或满载都有明显的调速效果
- 平滑性好。可实现无级调速
- 经济性好。无额外耗能元件，能量损失小
（3）减弱电机主磁通调速（弱磁调速）
方法：保持 ，且 ，减小 使主磁通 减小
调速方向：调高，
特点：
- 调速范围小。最高转速受机械强度与换向能力限制（1.2~2倍）；通常与调压调速联合
- 向下用调压调速；向上用弱磁调速
- 平滑性好。可实现无级调速
- 经济性好。励磁回路电流小，能量损失小
注意：弱磁调速不适合恒转矩负载，适合恒功率负载。
原因：电枢电流过大！过载了！
例题（弱磁调速）
已知：，，，带恒转矩负载 。现将其磁通减小为原来的0.8倍，试求：
- 调速瞬间的电磁转矩？
- 稳定后电枢电流和转速？
解答
调速前：
调速瞬间：，
稳定后：，
弱磁并不一定可以增速！对于电磁转矩而言，一方面是电枢电流增大，另一方面是磁通减小。只有前者的效应大于后者，转速才会增加
👉 如果运行是励磁绕组断线，电机可能会停机，也可能会飞车，取决于断线瞬间电磁转矩和制动转矩的大小。
3. 评价调速方法的主要指标*（了解即可）
4. 调速方式与负载类型的配合
电机额定电枢电流的确定
理想情况：电机在不同转速下运行，电枢电流始终等于或接近额定值（）。
实现方法：调速方式与负载特性相适应。
恒转矩调速方式（串电阻、降低端电压）：
在保持 不变的条件下，电动机在 到 整个调速范围内的容许输出转矩 为常数。
他励直流电动机电枢回路串电阻调速、降低电枢端电压调速均属于恒转矩调速方式。
恒功率调速方式（弱磁调速）：
在保持 不变的条件下，电动机在 到 整个调速范围内的容许输出功率 为常数。
直流电动机减弱主磁通调速属于恒功率调速方式。
注意：容许输出转矩和容许输出功率，只是表征电机在调速范围内得到充分利用时的带负载能力，并不表示电机实际的输出；电动机的实际输出由不同转速下的负载大小和负载性质决定。
（2）调速方式与负载类型的配合
当调速方式和负载类型不匹配的时候，只能减小负载的转矩/功率来满足调速的要求，电机不能得到充分利用
恒转矩调速方式 + 恒转矩负载 → 匹配
若电机带恒转矩负载 ，使 ，则：
电机既能安全运行又能得到充分利用。
恒转矩调速方式 + 恒功率负载 → 不匹配
若电机带恒功率负载 ，则只能使最低速 时，
时，
电机得不到充分利用。
恒功率调速方式 + 恒功率负载 → 匹配
若带恒功率负载 ，使：
电机既能安全运行又能得到充分利用。
恒功率调速方式 + 恒转矩负载 → 不匹配
若电机带恒转矩负载 ，则只能使最高速 时，
时，
电机得不到充分利用。
特殊情况：恒转矩/恒功率调速方式 + 通风机/泵负载 → 都不匹配
若电机带风机/泵负载 ，只能使最高速 时，
时，
电机得不到充分利用。
应用实例：电动汽车驱动系统
电动汽车驱动系统所需要的动力输出特性：
- 低速时具有大转矩（起步、爬坡）
- 宽范围的恒功率调速特性
通过电机弱磁调速，省去多档变速箱，仅用固定速比的一级减速齿轮，使电机本身具备变速箱的特性。
三、直流电动机的制动
1. 制动的概念
制动：电力拖动系统中，要求电动机尽快停机，或从高速运行很快进入低速运行，需对电动机进行制动。
制动方式
机械力矩：机械制动（如机械抱闸）
电磁力矩：电磁制动（或电气制动）
电磁制动的实质
使电动机本身产生一个与转向相反的电磁转矩，即 与 方向相反。
在 不变的情况下：
- 改变 方向 → 使 与 反向
- 改变 方向 → 使 与 反向
2. 直流电机的制动方法
（0）判断功率流向的方法
- 发电机运行 or 电动机运行？
取决于和转速 的符号是否一致
在电动机惯例下，一三象限做电动机运行，二四象限做发电机运行
- 判断功率是否回馈电源？ 发电机运行下，功率可能完全被电阻消耗，也可能部分回馈给电源。这取决于 的符号。
- 在电动机惯例下，的时候功率回馈电源，的时候功率从电源流向电机和负载。
- 的符号由 的符号（是否反接？）和 的符号（等价于电磁转矩 的符号）共同决定
（1）能耗制动（电动机→发电机，电能消耗在电阻上）
原理：
- 电动机原接在电源上运行（保持 不变）
- 从电源断开接到制动电阻 上（由电动机变成他励发电机）
- 方向改变，产生的电磁转矩 与转向相反
- 与 共同制动
方程式：
制动瞬间， 不突变 → 反向 → 反向
能量关系：
转子机械能（系统释放的动能） → 电阻上的损耗
能耗制动的机械特性：
① 能耗制动停机过程（反抗性负载，II象限）
制动初瞬最大电流取决于制动瞬间的转速与电枢回路串入的电阻：
- 大， 小，特性陡，平均制动转矩小，停机慢
- 小， 大，特性平坦，平均制动转矩大，停机快
在 时 ，因此对于反抗性负载能可靠停机，不会反向起动。
② 能耗制动运行（位能负载低速下放，IV象限）
对于位能性负载，若：
则反向起动，转入 IV 象限稳定运行：
下放转速：
选择适当的 ，可获得极低的稳定下放速度。当 时下放速度最低。
（2）反接制动（电动机→电动机）
核心特征：制动过程中的实际转向与理想空载转速方向相反
1）电压反向的反接制动（II象限）——反接制动快速停机过程
原理：
- 电动机原接在电源上运行（保持 不变）
- 将电枢绕组经限流电阻 反接到电网上
- 反向，产生与转向相反的电磁转矩 与 共同制动
方程式：
制动瞬间， 不突变 → 反向 → 反向
机械特性：
反接制动停机过程（II象限）：
- ，
- 不突变：
- ，
注意：停机后必须切断电源停机，否则反向起动！
反向电动运行（III象限）：
反抗性负载，停机后不断电： → 反向起动
为驱动转矩，反向电动状态：
切除 → 反向固有特性
适用场合：处于频繁正、反转运行且具有摩擦性负载的生产机械。如吊车行走机构、刨床等。
2）电动势反向的反接制动（IV象限）——倒拉反转运行（位能负载低速下放）
是一种被动的制动。在电枢回路串入电阻，偷走一部分电能，使得电机拉不动重物了，进入第四象限运行
原理：
- 电动机原接在电源上运行（保持 、 不变）
- 在电枢回路串足够大电阻
- 反向，则 反向（第IV象限）
- 电磁转矩起制动作用
方程式：
电机下放转速：
选择适当的 ，可获得极低的稳定下放速度甚至实现悬停
（3）回馈制动（电动机→发电机，电能回馈给电源）
1）电压反向的回馈制动——反向回馈制动运行（重物高速下放，IV象限）
原理：
无论是否切除，最终下放的速度都大于，所以称为高速下放
能量关系：
(发电机状态)
→ 位能从轴上输入机械功率转换成电枢中的电功率
→ 向电源发出电功率
2）电压不反向的回馈制动——正向回馈制动运行（II象限）
① 电车下坡运行
外来驱动转矩：
制动转矩：
合成：（驱动作用）
起始：，
（II象限）
稳速下坡
能量关系：
→ 位能从轴上输入机械功率转换成电枢中的电功率
→ 向电源发出电功率
② 端电压突降的调速过程
降低， 不突变
能量关系：
→ 系统动能从轴上输入机械功率转换成电枢中的电功率
→ 向电源发出电功率
直流电动机四象限运行
三种制动方法共同点：
保持磁场大小、方向不变，改变 的方向（ 的方向）或改变 的方向，使 与 方向相反，获得制动转矩。
四、例题
例1：制动
例2：调速
重要提醒：弱磁不一定增速！
电机运行过程中，若励磁断线，
若断线瞬间：
- → 系统"飞车"
- → 系统停机， 过大，可能烧毁电机。
例3
补充题：一台他励直流电动机，，，，效率 ，。
（1）当带（位能性负载）转运时，若要实现转速使重物下放，可以采取几种制动方式？具体实现方法？（给出具体数值情况）
（2）当带（位能性负载）转运时，若采用电压反向的反接制动时，制动瞬间的电流为倍的额定电流，此时应串入多大电阻？最后达到的稳定速度是多少？此时电机的输入功率是多少？
- 第一问：
- 能耗制动：串入电阻 Ω。
- 倒拉反接制动：串入电阻 Ω。
- 第二问：
- 应串入电阻： Ω。
- 最后稳定速度： r/min。
- 电机输入功率： kW（负值代表回馈电网）。
