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一、 直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和控制原理

    1、直流電機(jī)的工作原理概述：

在電力拖動領(lǐng)域，隨著變頻器的出現(xiàn)形成交流調(diào)速技術(shù)的日漸成熟和低成本化，在不斷侵蝕著直流調(diào)速的“地盤”，但直到今天，直流調(diào)速仍固守著日漸縮小的“陣地”。直流電機(jī)具有調(diào)速性能好、調(diào)速方便平滑，調(diào)速裝置簡單、調(diào)范圍廣等特點(diǎn)，能承受頻繁沖擊負(fù)載、過載能力強(qiáng)（由變頻器和交流電機(jī)構(gòu)成的交流調(diào)速系統(tǒng)，還有一定差距），能實(shí)現(xiàn)頻繁速啟、制動及逆向旋轉(zhuǎn)，能滿足各種機(jī)械負(fù)載的特性要求。直流電機(jī)的最大缺點(diǎn)，是因碳刷換向器的滑動電接觸方式和整體結(jié)構(gòu)交流電動機(jī)更為復(fù)雜等原因造成的維護(hù)工作量較大，需定期更換碳刷等。

 

 

直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)比交流電動機(jī)復(fù)雜得多，主要由：

1）主磁極。由主磁極鐵芯及套裝在鐵芯上的勵磁線圈構(gòu)成，作用是建立主磁場；

2）機(jī)座。為主磁路的一部分，同時構(gòu)成電機(jī)的結(jié)構(gòu)框架，由厚鋼板或鑄鋼件構(gòu)成；

3）電樞鐵芯。為電樞繞組的支撐部件，也為主磁路的一部分，由硅鋼片疊壓而成；

4）電樞繞組。直流電機(jī)的電路部分，由絕緣的圓形或矩形截面的導(dǎo)線繞成；

5）換向器。由許多鴿形尾的換向片排列成一個圓筒、片間用V形云母絕緣，兩端再用兩個形環(huán)夾緊而構(gòu)成。用作直流發(fā)電機(jī)時，稱整流子，起整流作用；用于直流電動機(jī)時，用于（逆變）換向；

6）電刷裝置。由電刷、刷盒、刷桿和連線等構(gòu)成，是電樞電路的引出（或引入）裝置。

7）換向極。由鐵芯和繞組構(gòu)成，起改善換向，氣隙磁場勻稱等作用。

直流電機(jī)是將電源電能轉(zhuǎn)變?yōu)檩S上輸出的機(jī)械能的電磁轉(zhuǎn)換裝置。由定子繞組通入直流勵磁電流，產(chǎn)生勵磁磁場，主電路引入直流電源，經(jīng)碳刷（電刷）傳給換向器，再經(jīng)換向器將此直流電轉(zhuǎn)化為交流電，引入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流（電樞磁場），電樞磁場與勵磁磁場合成氣隙磁場，電樞繞組切割合成氣隙磁場，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。這是直流電機(jī)的基本工作原理。

 

上圖為簡單的兩極直流電機(jī)模型，由主磁極（勵磁線圈）、電樞（電樞線圈）、電刷和換向片等組成。固定部分（定子）上，裝設(shè)了一對直流勵磁的靜止的主磁級N、S，主磁級由勵磁線圈的磁場產(chǎn)生；旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）上，裝調(diào)電樞鐵芯與電樞繞組。電樞電流由外供直流電源所產(chǎn)生。定子和轉(zhuǎn)子之間有一氣隙。電樞線圈的首、末端分別連接于兩個圓弧型的換向片上，換向片之間互相絕緣，由換向片構(gòu)成的整體稱為換向器。換向片固定在轉(zhuǎn)軸上，與轉(zhuǎn)軸也是絕緣的。在換向片上放置著一對固定不動的電刷B1、B2，當(dāng)電樞旋轉(zhuǎn)時，電樞線圈通過換向片和電刷與外電路接觸（引入外供直流電源）。因為主磁極的磁場方向是固定不變的（由接入勵磁電源極性所決定），要使電樞受到一個方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于：當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向極時地加以變換，即進(jìn)行所謂“換向”，線圈中的電流所隨所處磁極極性的改變同時改變其方向，以確保線圈在不同磁極下的電流保持一個方向，從而使電磁轉(zhuǎn)矩的方向始終保持不變。

一臺直流電機(jī)原則上既可以作為電動機(jī)運(yùn)行，也可以作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行。這種原理在電機(jī)理論中被稱為可逆原理。當(dāng)轉(zhuǎn)軸為原動機(jī)所拖動，電機(jī)繞組中產(chǎn)生交流電勢，經(jīng)電刷輸出至外部負(fù)載電路，此時的換向器（換向器另一名稱又叫整流子），恰恰具有了“整流器的特性”，輸出電壓為直流電壓。本章內(nèi)容只涉及到直流電動機(jī)。

直流電機(jī)的實(shí)際構(gòu)成比模型要復(fù)雜一些，比如增設(shè)了換向磁極（繞組）來改善換向，換向極繞組與電樞繞組相串聯(lián)。增設(shè)補(bǔ)償繞組（與電樞繞組相串聯(lián)），二者的作用都起到減輕合成氣隙磁場的畸變和減小電刷火花（環(huán)火）的作用。

2、直流電機(jī)的勵磁方式：

直流電動機(jī)按勵磁方式分類，有他勵和自勵兩種。他勵指勵磁與電樞回路在電氣上相獨(dú)立，自勵則兩者有直接的電氣聯(lián)系。自勵多應(yīng)用于小功率電機(jī)，而他勵方式則多應(yīng)用于中、大功率電機(jī)。自勵的勵磁方式又包括：并勵、串勵、復(fù)勵等，其中復(fù)勵又有積復(fù)勵和差復(fù)勵之分。直流電機(jī)的勵磁方式如下圖所示：

 

上圖中，Ia為電樞電流，Ea為電樞反電勢；Ff為他勵和并勵方式下勵磁電流；Fs為串勵各復(fù)勵方式下的串勵電流。

圖（a）為他勵方式，勵磁繞組與電樞繞組無聯(lián)接關(guān)系，用外加電流進(jìn)行勵磁。其它為自勵方式，與電樞繞組共用電源勵磁。其中（b1）為并勵方式，勵磁繞組與電樞繞組共用同一直流電源，并且勵磁繞組與電樞繞組呈并聯(lián)關(guān)系。在性能上講，他勵與并勵電機(jī)性能接近，具有較硬的機(jī)械特性，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載變化小，磁通為一常值，轉(zhuǎn)矩隨電樞電流成正比變化。但起動轉(zhuǎn)矩小于串勵電機(jī)，適用于轉(zhuǎn)速要求穩(wěn)定，而對起動轉(zhuǎn)矩?zé)o特別要求的負(fù)載。圖（b2）為串勵方式。勵磁線圈與電樞線圈相串聯(lián)并共用電源，勵磁電流即為電樞電流。串勵直流電機(jī)具有軟的機(jī)械特性，轉(zhuǎn)速隨負(fù)載的輕重變化較大，轉(zhuǎn)矩近乎與電樞電流的平方成正比。起動轉(zhuǎn)矩較他勵、并勵直流電機(jī)大，適用于要求起動轉(zhuǎn)矩特別大，而對轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定無要求的負(fù)載。圖（b3a）、（b3b）為復(fù)勵方式，復(fù)勵直流電機(jī)有復(fù)勵和串勵兩個勵磁繞組，一為與電樞并聯(lián)的并勵繞組，一為與電樞串聯(lián)的串勵繞組。若串勵繞組產(chǎn)生的磁通勢與并勵繞組產(chǎn)生的磁通勢方向相同稱為積復(fù)勵。若相反，稱為差復(fù)勵。復(fù)勵直流電機(jī)具有并勵和串勵電機(jī)的“折中或復(fù)合”特點(diǎn)，其特性介于并勵和復(fù)勵電機(jī)之間。

直流電機(jī)的運(yùn)行注意事項（由運(yùn)行特性和轉(zhuǎn)矩特性所決定）：

1）并勵直流電機(jī)的勵磁繞組在運(yùn)行中不能斷開，否則易發(fā)生飛車；

2）它勵直流電機(jī)的勵磁電流在運(yùn)行中不能太小，易超速運(yùn)行；

3）串勵電機(jī)則不允許空載運(yùn)行，易發(fā)生飛車。

直流電機(jī)的額定值有：

1）額定功率PN：指電機(jī)在銘牌規(guī)定的額定狀態(tài)下運(yùn)行時，電機(jī)的輸出功率，以kW為單位。對電動機(jī)而言，額定功率并不是指所消耗電功率，而是指輸出（軸）的機(jī)械功率；

2）額定電壓UN：對他勵電機(jī)而言，有額定電樞電壓和額定勵磁電壓之分。對自勵電機(jī)，對自勵電機(jī)而言，指電源電壓，以V為單位；

3）額定電流IN：對他勵電機(jī)而言，有電樞額定電流和勵磁額定電流之分。對自勵電機(jī)，則指從電源線進(jìn)入的電流值，以A為單位；

4）額定轉(zhuǎn)速nN：指額定狀態(tài)下運(yùn)行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。對他勵電機(jī)而言，有基速和最高轉(zhuǎn)速之分。對自勵電機(jī)，則為最高轉(zhuǎn)速，以r/min為單位。

5）勵磁方式，指電動機(jī)勵磁繞組的連接和供電方式，有他勵、自勵等5種連接方式。

6）其它。如工作方式、溫升、絕緣等級等。

3、直流電機(jī)的出線端標(biāo)志：

表 1 直流電動機(jī)出線端標(biāo)志

 

4、電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的改變方法：

直流電動機(jī)電樞的轉(zhuǎn)動方向是由電樞導(dǎo)體的電流方向和勵磁繞組電流產(chǎn)生的磁場方向決定的，只要改變其中一個方向，電機(jī)的轉(zhuǎn)向便可改變，因此有以下兩種改變電樞轉(zhuǎn)向的方法。

1）電樞繞組中電流方向改變。也就是施加在電樞繞組上的電源極性改變，而保持勵磁磁場方向不變；

2）勵磁繞組中電流方向改變，使勵磁磁場方向改變，而電樞電流方向不變。

通常是采用第一種方法，因為在運(yùn)行中切換勵磁電流方向時，易產(chǎn)生勵磁供電消失，勵磁電流為0而造成飛車的現(xiàn)象。

5、直流電機(jī)的調(diào)速方式和調(diào)速方法：

直流電機(jī)的調(diào)速方法從本質(zhì)上講，只有兩種，一種為改變電源參數(shù)，使電樞電流或勵磁電流變化來實(shí)施調(diào)速，一種為改變電機(jī)參數(shù)進(jìn)行調(diào)速，如改變電樞繞組的串、并聯(lián)電阻或改變勵磁繞組的匝數(shù)等。

1）串勵電機(jī)的調(diào)速方法。串勵電機(jī)的磁通是由電樞電流決定的，當(dāng)負(fù)載增大時，電樞電流增大，磁通也增加，但電流與磁通不是正關(guān)系。這是因為當(dāng)電流大至一定程度時，因鐵芯磁飽合，電流雖繼續(xù)上升，但磁通量不再上升的緣故。

a、改變電源電壓進(jìn)行調(diào)速，將供電電壓調(diào)低時，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，為向下調(diào)速。

b、改變電樞串聯(lián)電阻進(jìn)行調(diào)速，串聯(lián)電阻阻值增大，電樞電流減小，速度下降。為向下調(diào)速。

2）復(fù)勵直流電機(jī)的調(diào)速方法。復(fù)勵直流電動機(jī)有兩套勵磁繞組，一套為串勵繞組，一套為并勵繞組，根據(jù)兩套繞組不同的連接和不同匝數(shù)，可以得到不同的工作特性。其調(diào)速方法不四種：

a、改變電源電壓，向下調(diào)速；

b、改變勵磁繞組磁通（如調(diào)節(jié)勵磁線圈匝數(shù)），弱磁（向上）調(diào)速；

c、改變電樞串聯(lián)電阻的阻值，向下調(diào)速；

d、改變電樞回路并聯(lián)電阻的阻值，向下調(diào)速。

廣泛采用降低電源電壓向下調(diào)速和減弱磁通向上調(diào)速的雙向調(diào)速方法。

3）并勵直流電機(jī)的調(diào)速方法。要改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，只好改變外施電壓U、改變磁通Φ或發(fā)放電樞回路電阻，即可。但第三種方法，因電阻本身的功耗較大，僅適用于小功率直流電機(jī)。

a、使磁通和電樞回路的電阻不變，靠調(diào)節(jié)電源電壓來調(diào)速，即降低額定電壓進(jìn)行降速調(diào)節(jié)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與外施電壓成正比，又稱為恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速方式，調(diào)速范圍大；

b、電源電壓和電樞回路電阻不變，用改變勵磁磁通進(jìn)行調(diào)速，調(diào)節(jié)勵磁電流，使磁通變化，是減弱磁通量進(jìn)行的升速調(diào)節(jié)，又稱為弱磁調(diào)速和恒功率調(diào)速，因換向和機(jī)械強(qiáng)度等原因，調(diào)速（升速）范圍受限，一般允許升速1.2~1.5倍；

c、電源電壓和磁通不變，在電樞回路中串/并聯(lián)電阻進(jìn)行調(diào)速，為調(diào)速調(diào)節(jié)。調(diào)速范圍小，功耗大，調(diào)速不平滑，采用較少。

4）他勵直流電機(jī)的調(diào)速方法。

他勵直流電機(jī)的調(diào)速方法，同并勵電機(jī)的三種調(diào)速方法，但他勵直流電機(jī)的勵磁繞組與電樞繞組是獨(dú)立的，因而在調(diào)節(jié)上更具靈活性，可以采用獨(dú)立固定或可調(diào)勵磁電源。

常用調(diào)速方法有兩種。

a、固定勵磁電壓/電流為最大并維持恒定，改變電樞回路供電電壓，為恒轉(zhuǎn)矩（恒磁通）降速運(yùn)行調(diào)節(jié)，調(diào)速范圍為零速至基速；

b、固定電樞電源（最大）電壓并維持恒定，降低勵磁電流使電機(jī)在基速的基礎(chǔ)上升速運(yùn)行，又稱為弱磁調(diào)速。調(diào)速范圍為基速至最高速。

 

 

圖  4 他勵（并勵）直流電機(jī)的調(diào)速曲線圖

6、直流電機(jī)的四象限運(yùn)行：

直流電機(jī)與交流電機(jī)一樣，也有兩種運(yùn)行方式：電動運(yùn)行和制動運(yùn)行。如果再以正、反轉(zhuǎn)來分的話，則分為正轉(zhuǎn)運(yùn)行、正轉(zhuǎn)制動運(yùn)行和反轉(zhuǎn)運(yùn)行、反轉(zhuǎn)制動運(yùn)行四種運(yùn)行方式。如果以坐標(biāo)形式來表示的話，則稱為電機(jī)的四象限運(yùn)行坐標(biāo)，見下圖4-5 各種運(yùn)行方式的機(jī)械特性曲線。

當(dāng)電機(jī)正向運(yùn)行時，其機(jī)械特性是一條橫跨1、2、4象限的直線。其中1象限為電動運(yùn)行狀態(tài)，電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相同，第2、4象限為制動運(yùn)行狀態(tài)，在此狀態(tài)內(nèi)是產(chǎn)生一個與轉(zhuǎn)向方向相反的阻力矩，以使拖動系統(tǒng)迅速停車或限制轉(zhuǎn)速的升高。制動狀態(tài)下轉(zhuǎn)矩的方向與轉(zhuǎn)速的方向相反，此時電機(jī)從軸上吸收機(jī)械能并轉(zhuǎn)化為電能消耗于電樞回路電路或回饋于電源。第3象限為反向電動運(yùn)行。

圖  5 各種運(yùn)行方式的機(jī)械特性曲線

 

當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩TM與轉(zhuǎn)速n同方向，TM是拖動負(fù)載運(yùn)動的，所以電機(jī)運(yùn)行曲線處于1、3象限，1象限為電機(jī)正向運(yùn)行，3象限為電機(jī)反向運(yùn)行；當(dāng)TM與轉(zhuǎn)速n的方向相反時，表示電機(jī)機(jī)處于制動運(yùn)行方式，其機(jī)械特性曲線在坐標(biāo)的2、4象限內(nèi)，2象限內(nèi)為電機(jī)正向制動，包含能耗制動過程（OA線段）、電源反接制動過程（-TMB線段）和正向回饋制動過程（-n0C）線段；處于第四象限時為電機(jī)反向制動，也包含能耗制動過程（OD線段）、倒拉反接制動過程（TME線段）和反向回饋過程（-n0F線段）。

7、直流電機(jī)的啟動、停止和制動控制：

直流電機(jī)從接入電源開始，電樞由靜止開始轉(zhuǎn)動到額定轉(zhuǎn)速的過程，稱為啟動過程。要求啟動時間短、啟動轉(zhuǎn)矩大、啟動電流小。啟動的要求是矛盾的，比如，用逐漸提升供電電壓實(shí)施軟起動，來降低起動電流，但啟動時間又會加長；加大啟動轉(zhuǎn)矩，又勢必增大的啟動電流等。因而要根據(jù)實(shí)際應(yīng)用和配置情況，對啟動問題綜合考慮。

1）啟動方式：

a、直接啟動。只適用于小型直流電機(jī)。啟動方法是先給電機(jī)加勵磁，并調(diào)節(jié)勵磁電流達(dá)到最大，當(dāng)勵磁磁場建立后，再使電樞繞組直接加上額定電壓，電機(jī)開始啟動。在啟動過程中，電樞中最大沖擊電流，稱為啟動電流。直流啟動，因啟動電流大，電氣和機(jī)械沖擊大等缺點(diǎn)，應(yīng)用較少；

b、早期采用變阻器啟動，電動機(jī)在啟動時在電樞回路中串入變阻器，用接觸器觸點(diǎn)切換電阻只數(shù)，限制啟動電流。將啟動電流限制在2位額定電流以內(nèi)。后期采用晶閘管電子電力技術(shù)，用改變電樞電壓的方式實(shí)現(xiàn)了軟起動。

2）停止方式：

a、自由停車。直流電機(jī)的電源關(guān)斷后，電機(jī)按運(yùn)轉(zhuǎn)慣性自由停車；

b、施加制動（剎車）措施，如機(jī)械抱閘剎車、能耗制動、反接制動等使其快速停車。

3）直流電機(jī)的制動方式和方法：

電動機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方向與旋轉(zhuǎn)方向相反時，就稱為電動機(jī)處于制動狀態(tài)。

制動的目的：使電動機(jī)減速或停車、限制電動機(jī)轉(zhuǎn)速的升高（如電車下坡）。

機(jī)械抱閘制動也是一種制動（剎車）方式，但不屬電機(jī)運(yùn)行特性的范疇。屬于電機(jī)運(yùn)行特性的制動方式和方法有以下四種，有時也統(tǒng)稱為電磁制動方式。

a、能耗制動。指運(yùn)行中的直流電機(jī)突然斷開電樞電源，然后在電樞回路串入制動電阻，使電樞繞組的慣性能量消耗在電阻上，使電機(jī)快速制動。由于電壓和輸入功率都為0，所以制動平衡，線路簡單；

b、反接制動。為了實(shí)現(xiàn)快速停車，突然把正在運(yùn)行的電動機(jī)的電樞電壓反接，并在電樞回路中串入電阻，稱為電源反接制動。制動期間電源仍輸入功率，負(fù)載釋放的動能和電磁功率均消耗在電阻上，適用于快速停轉(zhuǎn)并反轉(zhuǎn)的場合，對設(shè)備沖擊力大。

c、倒拉反轉(zhuǎn)反接制動適用于低速下放重物。制動時在電路串入一個大電阻，此時電樞電流變小，電磁轉(zhuǎn)矩變小。由于串入電阻很大，可以通過改變串入電阻值的大小來得到不同的下放速度。

反接制動時，切換極性相反的電源電壓，使電樞回路內(nèi)產(chǎn)生反向電流：反接制動時，從電源輸入的電功率和從軸上輸入的機(jī)械功率轉(zhuǎn)變成的電功率一起消耗在電樞回路制動電阻上。

d、回饋制動。電動狀態(tài)下運(yùn)行的電動機(jī)，在某種條件下會出現(xiàn)由負(fù)載拖動電機(jī)運(yùn)行的情況，此時出現(xiàn) n >n0、Ea >U、 Ia 反向，電機(jī)由驅(qū)動變?yōu)橹苿�。從能量方向看，電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)——回饋制動狀態(tài)。

正向回饋：當(dāng)電機(jī)減速時，電機(jī)轉(zhuǎn)速從高到低所釋放的動能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔�，一部分消耗在電樞回路的電阻上，一部分返回電源�?/DIV>