2.转矩平衡式：
静态时
或动态时
3.功率平衡式：
Pem=P2+pΩ+pFe+ps
P1=pcua+pcub+Pem
4.功率流程图（补充）
四、例题分析（P19）
例1-2例1-3
§1-5直流电动机机械特性
课题引入：
电动机的转速n与电磁转矩Tem之间的关系叫机械特性，它反映了电动机稳定运行、起动、调速和制动等运行的基本情况。
要调节电动机的运行性能可以人为改变电动机的机械特性。
一、基本概念
1、机械特性硬度：
在机械特性曲线的工作范围内某一点转矩对该点转速的微分，称为机械特性硬度。
即β=dT/dn（曲线上该点的斜率）
2、机械特性分为
二、自然机械特性
1、曲线如右
*是一条逐步下降的曲线，与纵坐标的交点是n0（理想空载转速），转速降为Δn。
2、方程式：
（1）
其中
，
另：
CMΦ=9.55CeΦ
二、人为机械特性
1、电枢串电阻时的机械特性
*电枢中串入电阻RPa，即在
（1）中用Ra+RPa代替原来的Ra。
*串电阻后n0不变，Δn增加。
（见图a）
*串入的电阻越大，曲线下降越多。
2、降低电枢电压的机械特性
*减低电枢电压，即在
（1）中用U1代替原来的UN。
*降压后减小，Δn不变。
（见图b）曲线平行。
*电压下降越多，n0下降越多。
n0与U成正比。
3、减弱磁通的机械特性（图c）
*弱磁后n0增加，Δn也增加，一般使n增加。
三、课内实训项目（直流电动机接线练习）：
1、将直流电动机如右图接线
2、Rf调到中间，电枢电压调到0，通电。
3、逐步增加电枢电压（小于150V），
观察电机的速度变化
掌握直流电动机的三种调速方法和相关计算。
复习：
直流电动机的机械特性
课题引入：
许多生产机械在不同的工作情况下，要求有不同的工作速度。
如轧钢厂轧制钢板的轧辊电动机，要求根据轧制的厚度及时地调整运行的速度；电力牵引的机车，也要求不同的运行速度；起重机也要求调速；这就要求我们研究直流电动机的调速方法。
实例项目一：
某起重机采用他励直流电动机拖动，PN=29KW，UN=440V，IN=76.2A，nN=1050r/min，Ra=0.393Ω，要求带额定负载时以300r/min和600r/min的速度提升重物，分析可以采用的合适的解决方案。
§1-6调速
一、调速概述
1.调速定义：
就是在一定的负载下，根据生产工艺的要求，人为地有意地改变电动机的速度。
2.调速分类：
3.常用的调速方法：
由n=U/CEφ-RaT/CECTφ2可知改变U、φ、Ra中任意一个参数都可以使转速n发生改变。
（1）降压调速。
（2）串电阻调速。
（3）弱磁调速。
4.调速指标：
（1）调速范围D=nmax/nmin
（2）静差率δ=Δnn/n0*100%可以推出：
D=nmax*δ/Δnn（1-δ）
（3）平滑性、经济性。
二、串电阻调速：
1、电路与调速过程分析（图1-23）
2、机械特性方程式：
n=U/CEφ-（Ra+Rc）T/CECTφ2
由上式可看出保持U、φ不变，则n0=U/CEφ不变，改变的只是Ra/CECTφ2变为（Ra+Rc）/CECTφ2，特性曲线的斜率变大。
3、性能：
低速时静差率不好，所以调速范围不大。
属于恒转矩调速方法，适合带恒转矩负载。
调速经济性差（运行经济性差）。
实例应用分析：
CeφN=（UN-INRa）/nN=0.391
300r/min提升RJ1=（UN-CeφNn）/IN-Ra=3.84Ω
600r/min提升RJ2=（UN-CeφNn）/IN-Ra=2.3Ω
可见采用串电阻调速时，速度越低要求串入的电阻越大，而且由于电动机的电流由负载决定，串入电阻上的能量损耗较大，运行经济性能不佳。
不过对于本例，提升时间不长，可以考虑此方法。
三、降压调速：
1、电路与调速过程分析
见图1-25。
当保持φ不变U↓，开始转速不变，Ea=CEφn暂时不变，则Ia↓→T↓保持T2不变即T＜T2则n↓→Ea↓→Ia↑→T↑直到T=T2，电动机在比原转速底的速度上稳定运行。
2、机械特性方程式：
由n=U/CEφ-RaT/CECTφ2可知，当电源电压U↓（因不能高于UN，所以电压只能下调）n0=U/CEφ↓而Ra/CECTφ2不变（斜率不变），既曲线为固有特性曲线下移。
3、性能：
低速时的静差率好，调速范围大。
属于恒转矩调速方法，适合带恒转矩负载。
实例应用分析：
300r/min提升U1=CeφNn+INRa=147.2V
600r/min提升U1=CeφNn+INRa=264.5V
可见采用降压调速时，根据负载速度的高低来调整电源电压的大小，调速的经济性能好，运行性能也好。
但是要求使用调压设备，成本高。
四、弱磁调速：
1、电路与调速过程分析
见图1-24。
2、机械特性方程式：
由n=U/CEφ-RaT/CECTφ2可知，当φ↓时n0=U/CEφ↑曲线的斜率Ra/CECTφ2↑所以当φ↓时，机械特性曲线升高，变软。
3、性能：
转速只能向上调节，调速范围不大。
属于恒功率调速，适合恒功率负载。
实例应用分析：
本例不能采用弱磁调速，速度不匹配，负载性质也不匹配。
五、例题分析（P26）例1-5例1-6
六、三种调速方法比较（P31表）
1、1、掌握直流电动机的起动、制动方法和特点
2、2、了解直流电动机的起动、制动的相关计算
1-7起动、反转与制动
课题引入：
许多生产机械在采用直流电动机拖动时，除要求较好的调速性能外，往往还要求较快的过渡过程，如龙门刨等；而对于起重机，一般要求解决满载起动、低速下放重物、高速下放重物等问题。
从电气的角度看，就是要解决直流电动机的起动、反转以及制动等问题。
实例项目二：
前例的起重机，考虑到成本等因素不采用调压设备，要求提供1.5倍和2倍的起动转矩，能够在300r/min和1100r/min左右的速度下满载下放重物，分析合适的解决方案。
一、起动
1、1、 起动要求
*起动转矩TSt足够大。
*起动电流Ist控制在一定的范围。
*起动设备简单、可靠。
2、2、 直接起动
*起动时n=0，Ea=0，Ist=U/Ra，Tst=CMΦIst由于起动电流太大，所以一般稍大容量的直流电动机都不允许直接起动。
3、3、 直流电动机通常采取的起动方法
（1）电枢串电阻起动（电压、励磁保持额定值）
*电路图分析：
起动时逐级切除起动电阻。
*曲线分析：
见图1。
刚开始起动时在A点，到达B点时切除一级电阻转到C点逐步切除。
*起动电流（A点）Ist一般在（1.5-2.5）IN
切换电流（B点）Ist2一般在1.1IN左右。
（2）降压起动：
U从小到大逐步增加。
设备较复杂。
实例应用分析：
本例采用电枢串电阻起动。
1.5倍起动转矩：
Rst=UN/1.5IN-Ra=3.46Ω，此时Ist=1.5IN
2倍起动转矩：
Rst=UN/2IN-Ra=2.49Ω，此时Ist=2IN
可见串入较大的电阻可以解决直流电动机的起动问题。
但是起动转矩大，起动电流也大，所以为保护电动机要限制起动
电流。
注意，通常起动电阻在起动完毕必须及时切除（除非按照长期工作制设计，起重机就是这样）。
4、例题分析：
例1-8
二、反转
1、思路：
对于电动机，反转就是要改变Tem方向，Tem=CTΦIa，所以可采用单改变Φ或Ia方向（单改变励磁绕组或电枢绕组线头）两种方法使电动机反转。
通常改变电枢绕组线头的效果较好。
2、线路：
典型线路采用“桥式线路”，见P33图。
三、制动
1、1、 制动概念
2、2、 常见制动方法：
机械制动（电磁或机械抱闸等）与电气制动。
3.能耗制动
*电路分析：
制动时切除电枢电源，同时接入RZ。
*曲线分析：
见图1-35，A→B→O。
曲线经过原点。
*方程式：
n=-（Ra+RZ）IZd/CeΦ注意在B点n是“+”值，IZd是“-”值。
主要应用。
4.电枢反接制动
*电路分析：
制动时加入反向的电枢电源，同时接入较大的制动电阻RZ进行限流。
*曲线分析：
见图1-40，A→B→C。
在C点应及时切除反接电源，否则电机会反转。
*主要应用场合：
快速停车制动。
5．倒拉反接制动
*电路分析：
带重物类负载时，加入较大的制动电阻RZ，才会出现倒拉反接制动。
*曲线分析；见下图a，制动过程分析说明。
*主要应用场合：
低速下放重物。
6．回馈制动
*曲线分析：
见图1-37，原来运行在A点，由于某种外界原因的影响（如拖动较重的重物类负载、或由原动机强行拖动等），使电机运行到B点，此时电机的n>n0。
*回馈制动时，能量从电动机回馈入电网。
*应用场合：
高速下放重物（图中D点）。
实例应用分析：
（图解）
300r/min下放重物（图a）可以采用能耗制动与倒拉反接制动，但能耗制动冲击电流大，倒拉反接制动较方便。
RZd=（UN+CeΦNn）/IN-Ra=10.77Ω
1100r/min下放重物（图b）可以采用反向回馈制动、倒拉反接制动与能耗制动，但是反向回馈制动性能更好（斜率小）。
7、三种电气制动方法比较（P38表）
作业：
1-16、20、1-21
1、掌握并励直流电动机的起动方法。
2、观察并励直流电动机能耗制动的停车效果。
3、掌握并励直流电动机的调速方法
一、讲解内容：
1.实验仪器的使用
（1）3DDSZ-1型实验台电源的“启动”，“停止”
（2）直流电源操作说明
（3）D31直流电压、毫安、安培表的使用及注意事项
（4）D42三相可调电阻的接线
2.实验线路
重点：
发电机负载电阻R2的接线
3.实验步骤与内容
（1）并励直流电动机的串电阻起动
*将电枢电源调压到220V，按图1-1（视频）接线。
*将直流并励电动机M的磁场调节电阻Rf1调至最小值，电枢串联起动电阻R1调至最大值，负载R21调至最大值、Rf2调在中间位置、S开关在合上位置。
*M起动正常后，将其电枢串联电阻R1调至零，调节“电枢电压”旋钮至额定值UN＝220V，Ua＝UN。
调节Rf2电位器使发电机励磁电流If2一般＝100mA。
调节负载电阻R21为0（此时Ia＝0.5IN左右），调节Rf1电位器使电动机转速为额定转速1600r/min，此时M的励磁电流If即为校正励磁电流If1（一般为80mA左右）。
观察电动机的起动。
注意：
以后每次实验时均要求按照上述步骤先调整到额定状态，如果电机停转，先要求起动。
（2）电机机械特性测定
*逐步增加测功机的R2，测量9组左右的转速、电枢电流等数据。
*记录完毕恢复电机的额定状态。
（3）降低电枢电压调速
*在电机的额定状态下，逐步降低电枢电压，测量9组左右的转速、电压、电枢电流等数据。
*记录完毕恢复电机的额定状态。
注意：
降低电枢电压是通过改变电阻R1来实现的
（4）弱磁调速
*在电机的额定状态下，逐步增加励磁电阻Rf1，测量9组左右的转速、励磁电流、电枢电流等数据。
注意：
课后整理实验数据并绘制相关图表。
（5）并励直流电动机能耗制动观察。
*按图1-2（视频）接线，起动直流电动机。
*切断电动机的电源，观察记录自由停车时间。
*再次起动直流电动机。
*切换开关进入能耗制动状态，观测停车时间，并与自由停车时间比较。
二、实验
一、与维修电工中级知识相关的习题讨论
1.直流电动机反接制动时，当电动机转速接近于零时，就应立即切断电源，防止（D）。
A、电流增大B、电机过载C、发生短路D、电动机反向转动
2.直流电机中的换向极由（D）组成。
A、换向极铁心B、换向极绕组C、换向器D、换向极铁心和换向极绕组
3.直流电动机的电气调速方法有（B）种。
A、2B、3C、4D、5
4.直流弧焊发电机的串励和并励绕组应接成（B）。
A、积复励B、差复励C、平复励D、过复励
5.改变直流电动机旋转方向，对并励电动机常采用（B）。
A、励磁绕组反接法B、电枢绕组反接法C、励磁绕组和电枢绕组都反接D、断开励磁绕组，电枢绕组反接
6.为使直流电动机的旋转方向发生改变，应将电枢电流（D）。
A、增大B、减小C、不变D、反向
7.直流发电机—直流电动机调速系统中，若改变发电机的励磁磁通，则属于（B）调速。
A、变励磁磁通B、变电枢电压C、变电源电压D、改变磁极
8.直流电机中的换向极由（D）组成。
A、换向极铁心B、换向极绕组C、换向器D、换向极铁心和换向极绕组
9.直流电机换向极的作用是（C）。
A、削弱主磁场B、增强主磁场C、抵消电枢磁场D、产生主磁场
10.直流电机的电刷因磨损而需更换时应选用（A）的电刷。
A、同原电刷B、较原电刷稍硬C、较原电刷稍软D、任意软硬
11.对于要求制动准确、平稳的场合，应采用（B）制动。
A、反接B、能耗C、电容D、再生发电
12.起重机上采用电磁抱闸制动的原理是（D）。
A、电力制动B、反接制动C、能耗制动D、机械制动
13.直流电动机启动时，电流很大，是因为（A）。
A、反电势为零B、电枢回路有电阻C、励磁电流大
14.直流并励电动机中换向器的作用是（D）。
A、把交流电压变成电机的直流电流B、把直流电压变成电机的交流电流C、把直流电压变成电枢绕组的直流电流D、把直流电流变成电枢绕组的交流电流
15.改变电枢电压调速，常采用（B）作为调速电源。
A、并励直流发电机B、他励直流发电机C、串励直流发动机D、交流发电机
16.直流电动机采用电枢回路串电阻启动，把启动电流限制在额定电流的（D）倍。
A、4～5B、3～4C、1～2D、2～2.5
17.直流电动机改变电源电压调速时，调节的转速（B）铭牌转速。
A、大于B、小于C、等于D、大于和等于
18.将直流电动机电枢的动能变成电能消耗在电阻上称为（C）。
A、反接制动B、回馈制动C、能耗制动D、机械制动
19.直流电机励磁绕组不与电枢连接，励磁电流由独立的电源供给称为（A）电机。
A、他励B、串励C、并励D、复励
20.直流电动机除极小容量外，不允许（B）启动。
A、降压B、全压C、电枢回路串电阻D、降低电枢电压
21.在直流电动机的电枢回路中串联一只调速变阻器的调速方法，称为（A）调速法。
A、电枢回路串电阻B、改变励磁磁通C、改变电枢电压D、改变电枢电流
22.在直流电机中，为了改善换向，需要装置换向极，其换向极绕组应与（C）。
A、主磁极绕组串联B、主磁极绕组并联C、电枢绕组串联D、电枢绕组并联
23.（错）直流串励电动机的机械特性为软特性，主要用于转速要求恒定的场合。
24.（错）直流电动机启动时，常在电枢电路中串入附加电阻，其目的是为了增大起动转矩。
25.（错）直流电动机一般都允许全电压直接启动。
26.（错）直流电机进行能耗制动时，必须将所有电源切断
27.（错）直流电动机电枢回路串电阻调速，只能使电动机的转速在额定转速以上范围内调速
二、课内练习
1.已知他励电动机的额定数据：
Ra=0.25Ω，Rf=150Ω，励磁电压等于电枢电压为220V，效率η=0.85，IaN=60A，nN=1000r/min。
求励磁电流和励磁功率、电动势Ea、输出功率和电磁转矩。
2.一台他励直流电动机PN=29KW，UN=440V，IN=76.2A，nN=1050r/min，Ra=0.393Ω，带重物类额定负载。
（1）电动机在能耗制动下运行，转速n=-500r/min，求电枢回路中串接的电阻Rz1。
（2）电动机在倒拉反接制动下运行，转速n=-600r/min，求电枢回路中串接的电阻Rz2，以及电网供给的功率P1，从轴上输入的功率Pem和电枢回路的总电阻上消耗的功率pcua。
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