直流电动机的工作原理、接线及调试
从化技工学校
学科电工实习课程教案用纸（首页JA－1）
审批签字教Z2-22型并励直流电动直流电动机的工作原理、接线及调试授课授课时数授课时间授课班级教学目的重点和难点复习提问10机电高级方讲授法、示范操作、手把手指导机，可调直流法具电源1．掌握判别直流电动机各种绕组的方法2．掌握调整直流电动机中性位的调整及通电试车方法。重点：直流电动机的通电试车方法难点：直流电动机中性位的调整1、201*A型龙门刨床应如何调试直流系统？作业写出实习报告教学内容方法过程附记复习提问5分钟引入新课一、实习课题：直流电动机的工作原理、接线及调试【板书】二、实习目的：1．掌握判别直流电动机各种绕组的方法2．掌握调整直流电动机中性位的调整及通电试车方法。三、工具耗材：Z2-22型直流电动机、万用表、转速表等四、教学过程【复习提问】1、201*A型龙门刨床应如何调试直流系统？【入门指导】一、直流电机的结构及工作原理1．直流电机的基本结构直流电机主要由定子和转子两部分组成。定子包括主磁极、换向极、电刷装置、机座、端盖等。其中主磁极的作用是产生主磁极磁场；换向极的作用是产生换向磁场，改善直流电机的换向。转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴等。直流电机常做成电枢旋转形式。直流电动机的结构如图43所示。1页教案附页（JA－2）
附记根据实物讲解演示教学内容方法过程2．直流电动机的基本原理直流电动机其基本工作原理是通电导体在磁场内会受到电磁力的作用而使电枢旋转。通过换向器，使直流电动机获得单方向的电磁转矩；通过换向片使处于磁极下不同位置的电枢导体串联起来，使其电磁转矩相叠加而获得几乎恒定不变的电磁转矩。3．直流电机的分类按照励磁方式不同，直流电机可分为他励、并励、串励及复励等四大类。其中，直流电动机各种励磁方式的接线原理图如图4-4所示。结合实物讲授并加以演示2页教案附页（JA－2）
附记布置实训任务并讲清楚相关操作规程及操作要点教学内容方法过程【实习训练】【实习步骤】1、判别直流电动机的电枢绕组、并励绕组及串励绕组1）看编号，接线端子上都有字母，电枢端子是S1、H2，并励绕组是B1、B2，串励绕组是C1、C2。2）量电阻，并励绕组的电阻比其它两个绕组的电阻大很多倍，不是一个数量级的。一般来说，串励绕组电阻比电枢绕组电阻又小一些，但因为二者是串联关系，所以大多数情况并无必要分清二者到底是谁的端子。3）把电刷与换向器之间用绝缘的东西隔开，电枢线圈的接线柱之间是断开的，也就是你量电阻的话，电阻无穷大，而串磁线圈或并励线圈的接线端子就一直是导通的状态。2、调整直流电动机的中性位(1)感应法励磁绕组经一开关接到3V的直流电源上，将毫伏表或检流计接由实习老师进解到电枢相邻的两极下的电刷上，使电枢静止不动，接通或断开励磁行课堂演示讲电源时，毫伏表将会左右摆动，移动电刷位置，找到毫汰表摆动最小或不动的最佳位置，这个位置就是中性线位置。(2)正反转发电机法将电机接成他励发电机运行，使输出电压接近额定值。保持电机的转速和励磁电流不变，使电机正转和反转，慢慢移动电刷位置，直到正转与反转的电枢输出电压相等，此时的电刷位置就是中性线位置。(3)正反转电动机法对于允许可逆运行的直流电动机，在外加电压和励磁电流不变的情况下，使电动机正转和反转，慢慢移动电刷位置，直到正转与反转的转速相等，此时电刷的位置就是中性线位置。3、将直流电动机接成并励或复励等形式，并通电试车（先后接成正3页教案附页（JA－2）
附记示范操作10～20分钟学生操作教师指导180分钟教学内容方法过程反转）【示范操作】1、判别直流电动机的电枢绕组、并励绕组及串励绕组2、调整直流电动机的中性位（感应法）3、直流电动机接成并励或复励等形式，并通电试车【巡回指导】学生自行操作，遇到问题请教老师，由老师巡回指导【结束总结】就学生在操作过程中遇到的问题以及解决方法进行清晰的总总结评定5分结和评讲【作业评定】布置实操课的作业：实习报告【课后记录】钟布置作业2分钟
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第四章直流电动机的基本控制线路
在精密机械加工与冶金工业生产过程中，如：高精度金属切削机床、轧钢机、造纸机、龙门刨床、电气机车等生产机械都是用直流电动机来拖动的。这是因为直流电动机具有启动转矩大、调速范围广、调速精度高、能够实现无级平滑调速以及可以频繁启动等一系列优点，对需要能够在大范围内实现无级平滑调速或需要大启动转矩的生产机械，常用直流电动机来拖动。
第一节学习目的和要求
一、学习目的
1．掌握并励和串励直流电动机的起动、换向、调速和制动控制线路的工作原理
2．根据并励串励直流电动机的控制线路原理图能熟练进行线路的安装、接线和调试。
二、参考课时第一章第一节第二节合计授课内容并励直流电动机串励直流电动机总学时理论学时实训学时14448426
三、学习要求
1．掌握直流电动机基本控制线路的工作原理，理解和分析控制线路的特点。2．能根据直流电动机的控制线路原理图熟练进行线路的安装、接线，在调试过程中，能根据出现的故障现象进行正确的分析与排除。
第二节学习与训练指导
本章要点
并励直流电动机的起动、换向、制动、调速控制线路串励直流电动机的起动、换向、制动控制线路
本章难点
并励直流电动机的反接制动控制方法串励直流电动机的反接制动自动控制原理本章主要学习并励直流电动机和串励直流电动机的基本控制线路，包括起动控制线路、正反转控制线路、制动控制线路和调速控制线路。同时对各个控制线路的保护电路也作了详细的分析。因为交、直流电动机基本控制线路的工作原理大同小异，所以在学习过程中要注意新旧知识的联系。
一、并励直流电动机的基本控制线路
（一）重点内容
1.并励直流电动机的起动控制线路
对于并励直流电动机来说，一般不允许直接起动。这是因为并励直流电动机直接起动时电枢电流可高达十几倍或更高的额定电流，使绕组由于过热而损坏。并励直流电动机的起动控制常采用降压起动。
（1）直流电动机起动变阻器主要由电阻元件、调节转换装置和外壳三大部分组成。调节转换装置、电阻元件均置于旋转式变阻器的定型箱壳中，电阻元件一般为螺旋形，采用康铜电阻材料制成。失压保护联锁装置依靠旋轴中心的扭力弹簧自动复位切断电路。
在学习手动起动控制线路的工作原理时，要认识到：一是转动起动变阻器手轮时，在每个触头位置上要停留约2秒的时间；二是在切断电源开关使电动机停止工作，而起动变阻器手轮自动回到零位时，励磁绕组、电枢绕组和起动电阻要组成一闭合回路，作为励磁绕组断电时的放电回路，避免励磁绕组会因突然断电而产生很大的自感电动势，造成绕组的绝缘击穿或在手轮和铜条间产生火花，将动触头烧坏；三是在起动时，要保证励磁电路不得断路，为了获得较大的起动转矩，应使励磁电路中的外接电阻RP短接，此时励磁电流最大，才能产生较大的起动转矩。
（2）在学习自动起动控制线路时，可结合三相交流异步电动机的串电阻降压起动控制线路来进行。两个线路的最大区别在于控制电路，除了共同拥有的短路保护、过载保护、失压保护，在并励直流电动机自动控制线路的控制电路中，还有弱磁保护、过流保护等功能。另外还有励磁电路断电时的放电回路。
2．并励直流电动机的正反转控制线路
并励直流电动机实现反转的方法有两种，一是改变励磁电流方向，二是改变电枢电流方向。不管采用哪一种方法，都是为了改变电动机的电磁转矩方向，从而实现反转。在生产实际中，并励直流电动机的反转都是靠改变电枢电流方向来实现的。对于直流电动机正反转控制线路工作原理的学习，重点是主电路,必须理解改变电枢绕组电流方向的原理及方法，其控制电路与异步电动机正反转控制线路相同。
3．并励直流电动机的制动控制线路
直流电动机的制动与三相异步电动机的制动相似，其制动方法也有机械制动和电气制动两大类。由于电力制动具有制动力矩大、操作方便、无噪声等优点，所以，在直流电力拖动中应用较广。电气制动按其产生电磁制动转矩的方法不同又可分为能耗制动、反接制动和再生发电制动三种。
（1）能耗制动控制线路
能耗制动就是需要电机停车时，维持直流电动机的励磁电源不变，只切断电动机电枢绕组的电源，使电枢绕组与外加制动电阻串接构成闭合回路。靠惯性继续运转的电枢绕组感应电流方向与原来电流方向相反，产生与电动机转向相反的制动力矩，迫使电动机迅速停转。这种制动方法在运输、起重设备上应用较广，不足之处是不宜对机械迅速制动。
在学习能耗制动控制线路工作原理时，其制动控制的关键是制动电阻的接入，在掌握好这一要点的基础上，再来完成整个制动过程的学习。
（2）反接制动控制线路
反接制动是利用改变电枢电流或励磁电流的方向，来改变电磁转矩方向，形成制动力矩，迫使电动机迅速停转。并励直流电动机的反接制动是利用改变电枢电流的方向来实现的。
在学习反接制动控制线路工作原理时，应掌握好以下两点，一是反接制动时电枢绕组如何实现反接？电枢绕组回路串入制动电阻的作用是什么？二是当电动机转速降低接近为零时，如何断开电枢回路的电源，避免电动机反转。
（3）再生发电制动
再生发电制动只适用于当电动机的转速大于理想空载转速n0的场合。此时电动机处于发电机状态运行，将发出的电能返送回电网，电动机处于发电制动状态。
4．调速控制线路
并励直流电动机的电气调速方法有三种：一是电枢回路串电阻调速；二是改变主磁通调速；三是改变电枢电压调速。
（1）电枢回路串电阻调速
电枢回路串电阻调速是在电枢回路中串接调速变阻器来实现的。这种调速方法只能由额定转速向下调节。（2）改变主磁通调速
改变主磁通调速是通过改变励磁电流的大小来实现的。这种调速方法是由额定转速向上调节的，电机转速不能调节太高。改变主磁通调速是恒功率调速，即转速升高后，输出转矩必须减小，否则电枢电流会超过原来的额定电流，使电动机发热烧坏。
（3）改变电枢电压调速
在要求调速范围宽广的直流电动机调速控制电路中，一般采用改变电枢电压调速。目前正日趋广泛地使用晶闸管整流装置作为直流电动机的可调电源，通过改变晶闸管的导通角的大小来改变输出的脉动直流电的波形，从而达到改变输出电压的大小。调压调速是恒转矩调速，转速也只能由额定转速向下调节。
（二）难点分析
如图4.1为并励直流电动机的反接制动控制线路
图4.1并励直流电动机反接制动控制电路图
由于并励直流电动机励磁绕组的导线较细，允许通过的电流较小，所以并励直流电动机的的反接制动是通过改变电枢电流的方向，来实现电磁转矩方向的改变，从而实现反接制动。
在学习反接制动控制线路工作原理时，如图45所示，应掌握好以下两点，一是反接制动时，维持励磁绕组电流If方向不变，在断开电枢绕组电源后首先接入制动电阻RB以限制反接制动电流，然后再实现电枢绕组的反接；二是当电动机转速降低接近为零时，即实现制动时，电枢中的反电动势Ea也接近于零，电压继电器KA因其线圈两端电压较低而释放，使接触器KM2、KM3断电释放，断开电枢回路的电源，避免电动机反转。（三）学习方法
本部分内容由交流电动机的起动控制引出并励直流电动机的起动，来理解并励直流电动机不允许直接起动的原因。并励直流电动机常用的起动方法，并对并励直流电动机各种起动方法的优缺点及其适应范围进行了介绍。又对并励直流电动机的正反转控制线路、制动控制线路、调速控制线路的工作原理作了详细介绍，在学习过程中要注意新旧知识的联系。
（四）注意事项
１．并励直流电动机起动时，一般都不采用直接起动的方法，在起动时必须保证励磁绕组回路不能断路且在励磁绕组回路电流最大的情况下起动。
２．并励直流电动机的正反转和反接制动都是利用改变电枢电流的方向来实现的
３．在励磁绕组的控制电路中不仅要有失磁保护和弱磁保护，而且要有断电时的放电回路。
４．并励直流电动机的调速变阻器可作启动变阻器使用，而启动变阻器不能用于调速。在采用弱磁调速时，转速又不能调节得过高，以免电动机振动过大，换向条件恶化，甚至出现“飞车”事故；还要注意转速升高后，输出转矩必须减小。
二、串励直流电动机的基本控制线路
（一）重点内容
1.串励直流电动机的起动控制线路
在学习串励直流电动机电枢回路串电阻起动控制线路时，要掌握好其基本控制方法为时间控制。
时间继电器KT1在合上电源开关QF时即获电动作，以保证电动机起动时串入全部电阻。在按下起动按钮SB1后，串励直流电动机串电阻R1和R2起动。并接在电阻R1两端的时间继电器KT2获电动作，由于KM1常闭触点断开，KT1线圈断电释放，经过一定的整定时间，KT1的常闭触点延时恢复闭合，使接触器KM2线圈得电吸合，KM2的常开触点闭合有两个作用，一是短接电阻R1，电动机加速运转，二是使KT2线圈失电，经过一定的整定时间，KT2的常闭触点延时恢复闭合，接触器KM3线圈得电吸合，KM3的常开触点，闭合短接电阻R2，电动机正常工作。整个动作过程为：QF（合上）→KT1（得电动作）→SB2（按下）→KM1（得电动作）、KT2（得电动作）、KT1（断电释放）→KT1整定延时→KM2（得电动作）→KT2（断电释放）→KT2整定延时→KM3（得电动作）→起动结束。
2．串励直流电动机的正反转控制线路
对于串励直流电动机的正反转控制线路,要把学习的重点放在主电路，熟悉改变励磁绕组电流方向的方法及原理。其控制电路与异步电动机正反转控制线路基本相同，区别在于正反向起动时，都需要在电枢回路串联起动电阻。作好复习即可。
3．串励直流电动机的制动控制线路
串励直流电动机的制动控制是本课题的难点内容，要抓住关键，掌握好串励直流电动机自励式能耗制动控制线路的工作原理。在学习过程中可根据能耗制动时元器件的动作过程来掌握。其能耗制动时元器件的动作过程为：SB2（按下）→KM1（断电释放）、KM2（得电动作）→电动机M能耗制动→KV（断电释放）→KM2（断电释放）→制动结束。
4．调速控制线路
串励直流电动机的电气调速方法与并励直流电动机相同。即电枢回路串电阻调速、改变电枢电压调速三种方法，学习时，掌握好三种调速方法的适用范围即可，不必过多占用学时。
（二）难点分析
串励电动机反接制动自动控制电路可以实现电机的正转、反转和停车。在电动机的正转停车和反转停车时，没有制动控制过程，只有在电动机的正反转转换时，才经过制动控制过程。在学习这部分内容时，要按元器件的动作顺序来掌握。
串励电动机正传运行时，若需反转，将主令控制器AC手柄扳向反转位置“2”，元器件的具体动作顺序为:
接触器KM1和中间继电器KA1失电，其触头复位，接触器KM3、KM4、KM5线圈也断电，电动机M串入启动电阻R1和R2以及反接制动电阻RB。
接触器KM、KM2得电动作，改变电枢绕组的电流方向，使电动机运行在反接制动状态。
当转速降到接近于零时，KA2线圈上的电压升到吸合电压，KA2线圈得电，KA2常开触头闭合，使KM3得电动作，RB被短接，电动机进入反转起动运转。
（三）学习方法
串励直流电动机的基本控制包括起动控制、正反转控制、制动控制和调速控制，与并励直流电动机控制线路比较，除主电路有较大区别外，控制电路基本上是一样的。所以在学习时，可参考并励直流电动机的基本控制线路来学习。
（四）注意事项
１．串励直流电动机和并励直流电动机一样，一般也不直接起动，常采用电枢回路串联起动电阻的方法进行起动。
２．串励电动机启动时，切忌空载或轻载启动及运行。因为空载或轻载时，电动机转速很高，会使电枢因离心力过大而损坏，所以启动时至少要带20%～30%的额定负载。而且电动机要与生产机械直接耦合，禁止使用带转动，以防带滑脱而造成严重事故。
３．串励直流电动机的正反转常采用励磁绕组反接法来实现。４．串励直流电动机的调速方法和注意事项与并励直流电动机的相同。
第三节知识拓展
一、直流电机的励磁方式
直流电动机的励磁方式是指励磁绕组获得励磁电流的方式，除永磁式微直流电动机外，直流电动机的磁场都是通过励磁绕组通入电流激励而建立的。按励磁方式不同可分为四种：他励、并励、串励和复励。
1．他励电动机
他励电动机的励磁绕组和电枢绕组互不相连，如图4.2所示。他励电动机的励磁绕组采用单独的励磁电源。
图4.2他励电动机
2．并励电动机
并励电机的励磁绕组是和电枢绕组并联的，如图4.3所示。并励电动机励磁绕组的特点是导线细、匝数多、电阻大、电流小。这是因为励磁绕组的电压就是电枢绕组的端电压，这个电压通常较高。励磁绕电阻大，可使If减小，从而减小损耗。由于If较小，为了产生足够的主磁通Φ，就应增加绕组的匝数。
图4.3并励电动机
3．串励电动机
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联之后接直流电源，如图4.4所示。串励电动机励磁绕组的特点是其励磁电流If就是电枢电流Ia，这个电流一般比较大，所以励磁绕组导线粗、匝数少，它的电阻也较小。
图4.4串励电动机
4．复励电动机
这种直流电动机的主磁极上装有两个励磁绕组，一个与电枢绕组串联，另一个与电枢绕组并联，如图4.5a所示，所以复励电动机的特性兼有串励电动机和并励电动机的特点，所以也被广泛应用。当两个励磁绕组产生的磁通方向一致时，称为积复励电动机，如图4.5b所示。相反时则称为差复励电动机。如图4.5c所示。
ａ复励电动机
b积复励c差复励
图４.5复励电动机
二、直流电机的主要结构
直流电机可作为电动机运行，也可作为发电机运行。不管是电动机还是发电机其基本结构是相同的，即都有静止部分（定子）和可旋转部分（转子）组成。
1．定子部分
直流电机的定子主要有以下部件组成：机座、前后端盖、主磁极、换向磁极和电刷装置等。
（1）机座
直流电机一般采用整体机座，有两个方面的作用。一是作为电机磁路的一部分，起导磁作用，称为定子铁轭；二是主磁极、换向磁极及端盖均固定在机座上，起机械支撑作用。
（2）端盖
直流电机的前、后端盖是用来安装轴承和支撑电枢的。（3）主磁极
主磁极的作用是通入直流励磁电流，产生恒定、有一定空间分布形状的气隙磁通密度，即主磁场。它有主磁极铁心和放置在铁心上的励磁绕组两部分组成。为减小涡流损耗，主磁极铁心一般用1.0～1.5mm厚的薄钢片冲制成型后再用铆钉铆紧，构成一个整体，最后固定在机座上。励磁绕组是产生主磁通的，当给励磁绕组通入直流电时，各主磁极均产生一定极性，相邻两主磁极的极性是N、S交替出现的。
（4）换向极
又称附加极，用以产生换向磁场，以改善直流电机的换向。一般电机容量超过1KW时均应安装换向极。
换向极安装在相邻的两主磁极之间，由换向极铁心和换向极绕组组成。换向极铁心比主磁极的简单，一般用整块钢板加工制成。换向极绕组常用较大截面的扁铜线绕制而成，放置在换向极铁心上。换向极绕组匝数不多，总与电枢绕组串联在一起。
（5）电刷装置
电刷装置是直流电机的重要组成部分。通过该装置把电机电枢中的电流与外部静止电路相连或把外部电源与电机电枢相连。电刷装置与换向器一起完成机械整流，把电枢中的交变电流变成电刷上的直流或把外部电路中的直流变换为电枢中的交流。
图4.6电刷装置
电刷装置一般有电刷、刷握、刷杆和刷杆座等零件构成。如图4.6所示。电刷为具有良好的导电性能、又有较好耐磨性的石墨制成，置于刷握中，其上压一弹簧，使电枢转动时电刷与换向器表面保持一定的接触压力。刷握固定在刷杆上，刷杆装在刷杆座上，彼此之间绝缘，刷杆座装在端盖上，可是移动调整电刷位置。电刷借铜辫线与刷杆连接，再用导线引出。2．转子部分
直流电机的转子是电机的转动部分，统称为电枢，由电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、电机转轴和轴承等部分组成。
（1）电枢铁心
电枢铁心是主磁路的一部分，同时对放置其上的电枢绕组起支撑作用。为减少当电机旋转时铁心中的磁通方向发生变化引起磁滞损耗和涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚且冲有齿和槽的硅钢片叠成，装在转轴或转子支架上。
（2）电枢绕组
电枢绕组是直流电机的重要组成部分，其作用是产生感应电动势和通过电流。电枢绕组由圆形或矩形的绝缘铜线绕制而成，按一定的规律嵌放在电枢铁心槽中，放置在铁心槽内的直线部分在电机运转时将产生感应电动势，称为元件的有效部分；在电枢槽两端把有效部分连接起来的部分称为端接部分，端接部分仅起连接作用，在电机运转过程中不产生感应电动势。每个绕组元件的首末段分别与换相片相接。
（3）换向器
换向器又叫整流子，作用是把电枢绕组中的交流电动势和电流转换成电刷间的直流电动势和电流。由换向片组合而成，外表呈圆形。是直流电机的关键部件。如图4.7b所示。
图4.7换向器结构
换向片常采用硬度大、导电和耐磨性能好的电解铜或铜合金制成，换向片的底部做成燕尾形状，如图4.7a所示。相邻换向片间以0.41.2mm厚的云母片作为绝缘，利用换向器套筒、V型压圈、及螺旋压圈将换向片及云母片紧固成一个整体。在换向片与套筒、压圈之间用V型云母环绝缘，换向器固定在转轴的一端。
（4）风扇
用来降低电机运行中产生的温升，保护电机不致因为过热而造成绝缘损坏。（5）转轴和轴承
电机的转轴和轴承起支撑和传递力矩的作用。三、直流电机的基本工作原理
1．直流发电机的基本原理
(a)(b)
图4.8直流发电机模型
当导体在磁场内作切割磁力线的运动时，在导体内就会有感应电动势产生，这就是直流发电机的基本工作原理。在图4.8中，固定部分主要是有两个磁极：N极和S极，可看成直流发电机的定子。abcd是固定在可旋转导磁圆柱体上的线圈，线圈连同导磁圆柱体是可转动部分，可看成直流发电机的转子部分，或称为电枢。线圈首末端a、d连接的两个相互绝缘并可随线圈一同转动的导电片，称为换向片。放置在换向片上固定不动的电刷把线圈与外电路连接在一起。定、转子之间存在的空气隙简称气隙。
当原动机拖动转子以一定的速度逆时针转动时，根据电磁感应定律可知，在线圈abcd中将产生感应电动势。感应电动势方向可用右手定则确定。在图4.8a所示瞬间，ab导体中的电势方向由b至a，而导体cd中的电势则由d至c。在此状态下电刷A的极性为正，电刷B的极性为负。当线圈旋转180°，如图4.8b所示瞬间，感应电动势的极性由高到低分别为a点至b点，c点至d点。但由于原来与电刷A接触的换向片已经与电刷B接触，而与电刷B接触的换向片同时换到与电刷A接触，因此电刷A的极性仍为正，电刷B的极性仍为负。
实际直流发电机的电枢是根据实际应用情况来确定线圈数目。线圈分布于电枢铁心表面的不同位置上，在空间相隔一定的角度，，并按照一定的规律连接起来，构成电机的电枢绕组。
2．直流电动机的基本工作原理
直流电动机是依据通电导体在磁场中将受到力的作用而运动的原理制造的。
图4.9直流电动机工作原理
把电刷A、B接到一直流电源上，电刷A接电源的正极，电刷B接电源的负极，则在电枢线圈abcd中有电流I流过，如图4.9所示。
当线圈处于图412所示位置时，线圈的ab边在N极下，线圈的cd边位于S极下，两边中的电流方向为a→b，c→d。由左手定则可以确定，ab边受力方向为从右向左，cd边受力方向为从左向右。ab边或cd边所受的电磁力为：
fBxlI
式中，I为导体中流过的的电流，Bx为导体所在处的磁通密度。l为导体ab或cd边的有效长度，f为电磁力。根据左手定则可知，两个F的方向相反，如图4.9所示，形成电磁转矩，驱使线圈逆时针方向旋转。当线圈转过180°时，cd边处于N极下，ab边处于S极上。由于换向器的作用，使两有效边中电流的方向与原来相反，变为d→c、b→a，这就使得两磁极下的有效边中电流的方向保持不变，因而其受力方向，电磁转矩方向都不变。
由此可见，正是由于直流电动机采用了换向器结构，虽然导体中流过的电流是交变的，但电枢线圈中受到的电磁转矩保持不变，在这个电磁转矩作用下使电枢按逆时针方向旋转。这时电动机可作为原动机带动生产机械旋转，即由电动机向机械负载输出机械功率。
由以上分析可知，直流电机可以作发电机运行，也可以作电动机运行。这就使电机的可逆原理。直流电机是以电磁感应定律和电磁力定律作为它的理论基础的。当导体在磁场中作切割磁力线运动时便产生感应电动势，而载流导体在磁场中便要受到电磁力的作用。如果原动机供给直流电机机械能，拖动电枢旋转，通过电磁感应，便将机械能转换为电能，供给负载，这就使发电机；如果有外部直流电供给电机电能，通过电磁感应，便将电能转换为机械能，拖动负载转动，这就使电动机。
第四节习题与思考题选解
一、教材中的习题解答
4-1.并励直流电动机与串励直流电动机比较，主要有哪些区别？
答：并励直流电动机与串励直流电动机的区别主要表现在以下三个方面：(1)机械特性不同。并励直流电动机的机械特性为硬特性，在转矩变化时转速变化很小；串励电动机的机械特性为软特性，转速随转矩的变化而剧烈变化。(2)适用场合不同。并励直流电动机主要用于转速要求恒定的场合，适用于恒转速负载；串励直流电动机主要用于负载转矩在大范围内变化的场合，适用于恒功率负载。(3)起动时对负载的要求不同。并励直流电动机适用于空载起动或轻载起动；串励直流电动机不允许空载起动，同时不允许用皮带或链条传动。
4-2.并励直流电动机实现正反转的控制原理是什么？
答：并励直流电动机正反转是靠改变电动机的电磁转矩方向实现的。因电磁转矩方向取决于主磁通方向和电枢电流方向，故改变电磁转矩的方向从而使直流电动机实现反转的方法有两种：一种是改变主磁通方向（即励磁电流）方向，另一种是改变电枢电流方向。
4-3.并励直流电动机的制动方式有哪几种？各有什么特点？
答：电气制动在并励直流电动机的拖动种系统中应用较广，主要有以下三种方法：一是能耗制动，其优点是制动平稳，适用于制动频繁的场合。缺点是不能迅速制动；二是反接制动，其优点是制动转矩大，制动迅速。缺点是制动时的反向电流大，易使换向器和电刷间产生强烈火花而损伤；三是再生发电制动，其优点是制动时不需要另外投入设备，缺点是只适用于电动机的转速大于理想空载转速的场合。
4-4.串励电动机采用电枢法反接制动时，通过改变外电源的电压极性是否能达到制动目的？为什么？
答：不能。因为改变外电源的电压极性时，磁通方向和电枢电流方向同时改变，电动机的电磁转矩方向不变，不能实现电动机的反转，达不到制动目的，所以不能实现反接制动。
4-5.串励直流电动机改变主磁通调速时，通常采用哪些方法？画出原理图，并分析工作原理。
答：串励直流电动机应用改变主磁通的调速方法有以下几种：对于小型串励电动机常采用励磁绕组两端并联变阻器的方法进行调磁调速。在大型串励电动机上，常采用改变励磁绕组匝数或接线方式来实现调磁调速。
图１是改变磁通调速原理图。当调速变阻器RP的阻值变大（箭头向左移动）时，流过励磁绕组A的电流变小，主磁通也相应变小，电机的转速升高。反之，电机的转速降低。
在图２中，把励磁绕组A分段制作，改变励磁绕组的接线方式可以获得串励直流电动机的三种转速。当KM1触头动作时，励磁绕组A1、A2并联，此时励磁电流最大，电机为低速运行。当KM1、KM2的触头均不动作时，只有励磁绕组A1工作，电机为中速运行。当KM2的触头动作时，励磁绕组A1、A2串联，此时励磁电流最小，电机为高速运行。
图１串励直流电动机改变主磁通（调速变阻器）调速原理图
图２串励直流电动机改变主磁通（接线方式）调速原理图
二、补充习题及解答
1.与交流电动机比较，直流电动机有何优点？
答：直流电动机具有启动转矩大、调速范围广、调速精度高、能够实现无级平滑调速以及可以频繁启动等一系列优点，对需要能够在大范围内实现无级平滑调速或需要大启动转矩的生产机械，常用直流电动机来拖动。
2.电气制动有何优点？分为几种？
答：电气制动具有制动力矩大、操作方便、无噪声等优点，按其产生电磁制动转矩的方法不同又可分为能耗制动、反接制动和再生发电制动三种。
第五节实训技能操作
实训一、并励直流电动机启动、正反转、调速控制
一、实训目的和要求
1.掌握并励直流电动机启动、调速控制线路的安装与调试。2.掌握并励直流电动机正反转控制线路的安装、接线与调试。
二、实训内容
1．根据实训场地所备电机的铭牌数据，结合实际条件，进行电气元件的选配，并把型号、规格、数量等数据填入教材实训表4.4中。
2．按元件明细表配齐所用电器元件，并对各电器元件进行质量检查。如元件外观有无破损、活动部分是否灵活、型号规格是否相符等。
3．根据电路图，进行线路编号。
4．根据电路图，在配电板上合理布局各电器元件，并对电器元件进行牢固安装，然后贴上醒目的文字符号。电源开关、启动变阻器和按钮板的安装位置要接近电动机和被拖动的机械，以便在控制时能看到电动机和被拖动机械的运行情况。
5．在控制板上根据电路图进行正确布线和套编码套管。6．连接控制板外部的导线。
7．可靠连接电动机和金属元件金属外壳的保护接地线。
8．接线完毕，采用自检、互检的方式进行检查，初次进行接线练习的，必须由指导教师现场指导并作最后的检查。
9．检查无误后按正确的操作步骤通电试车。
实训二、串励直流电动机串电阻起动控制
一、实训目的和要求
掌握串励直流电动机串电阻起动控制线路的安装和调试
二、实训内容
1．根据实训场地所备电机的铭牌数据，参照教材图4.４，结合实际条件，进行电气元件的选配，并把型号、规格、数量等数据填入教材实训表4.5中。若实训场地没有直流电器元件，则不能完成串励直流电动机串电阻启动控制线路的安装和调试。也就不能完成实训目的和要求。可以把教材图4.10的串励直流电动机串电阻起动控制线路原理图修改为图3，然后进行实训操作。
图３串励直流电动机串电阻起动控制线路
与教材图4.10比较，在图３中，控制电路变为交流电路，所用电器元件也变为交流低压电器元件。在元件明细表中填写的内容以实际所用的元件数据为准。
2．按元件明细表配齐所用电器元件，并对各电器元件进行质量检查。如元件外观有无破损、活动部分是否灵活、型号规格是否相符等。
3．根据电路图，进行线路编号。可参照图4－8的线路编号。
4．根据电路图，在配电板上合理布局各电器元件，并对电器元件进行牢固安装，然后贴上醒目的文字符号。电源开关、按钮板的安装位置要接近电动机和被拖动的机械，以便在控制时能看到电动机和被拖动机械的运行情况。
5．在控制板上根据电路图进行正确布线和套编码套管。6．连接控制板外部的导线。
7．可靠连接电动机和金属元件金属外壳的保护接地线。
8．接线完毕，采用自检、互检的方式进行检查，初次进行接线练习的，必须由指导教师现场指导并作最后的检查。
9．检查无误后按正确的操作步骤通电试车。
第五章三相同步电动机的基本控制线路
在交流电机中，转子的转速始终保持与同步转速相等的一类电机称为同步电机。按功率转换关系，同步电机主要有三种运行方式，即作为发电机、电动机和补偿机运行。作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。同步电机还可以接于电网作为同步补偿机。这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。
第一节学习目的和要求
一、学习目的和要求
1．熟悉同步电动机起动时自动加入励磁的原理。2．熟悉同步电动机起动控制线路的工作原理。3．熟悉同步电动机的起动方法。
二、参考课时第一章一二合计授课内容同步电动机的起动同步电动机的制动控制总学时理论学时实训学时622422
第二节学习与训练指导
本章重点
同步电动机的起动控制线路同步电动机的制动控制线路
本章难点
同步电动机自动加入励磁的控制
本章主要学习三相同步电动机的异步起动控制原理和起动过程中转子励磁电流的加入控制方式，以及同步电动机的制动控制线路。
一、重点内容
同步电动机的起动方法有两种：一种是辅助电机法起动；一种是异步起动法起动。按起动时供给定子电压的方式不同，分为直接起动和降压起动。直接起动取决于电动机的结构（是否允许直接起动）及线路电压下降程度等因素。降压起动有定子绕组串电阻或电抗器降压起动，自耦变压器降压起动等方法。
同步电动机降压起动时，按转子加入励磁的时间分为轻载起动和重栽起动。轻载起动是同步电动机在降低了定子电压的情况下加速到同步转速，供给励磁，使电动机进入同步，然后再接入全电压。轻载起动时可以减小励磁接入时引起的电流冲击，但起动转矩较小，仅适用于轻载或空载起动。
重载起动分两步进行，先降压起动，待电动机转动后再加全压使电动机加速到准同步转速，然后再供给励磁。牵入同步运行。若直接加全压起动，起动电流太大，可能会影响电机的寿命或者造成其他设备不能正常工作。若起动中不加全压，因为起动转矩与电压的平方成正比，由于负载重不能加速到准同步转速，也就不能牵入同步运行。
二、难点分析
同步电动机自动加入励磁原理是同步电动机起动控制线路分析的基础，必须在充分理解的基础上再展开对同步电动机起动控制线路原理的分析。
同步电动机起动时，它的励磁绕组要串入大约10倍励磁绕组电阻值的附加电阻构成闭合回路，达到既能降低励磁绕组感应电势，又能保证同步电动机有足够起动转矩的目的。待起动到接近同步转速时，再把所串的电阻去除，通以直流励磁电流，电动机自动牵入同步，完成起动过程。
教材对按定子电流原则自动加入励磁起动控制线路的工作原理进行了详细的分析。要对照原理图来掌握这部分内容。
三、学习方法
1．抓住重点同步电动机的起动和制动控制线路原理是本章学习的重点内容。同步电动机没有起动转矩，所以不能自行起动。在生产中广泛采用异步起动法。在同步电动机设计和制造时，在转子上加装一套笼型起动绕组。这样一来，当同步电动机定子绕组接到电源上时，由起动绕组的作用，产生起动转矩，，使电动机能自行起动。这个过程和异步电动机的起动过程完全一致。当起动的最终转速达到同步转速的95%左右时，给同步电动机的励磁绕组通入直流电流，转子即刻自动牵入同步，以同步转速运转。
同步电动机的制动均采用能耗制动。制动时，首先切断运转的同步电动机定子绕组的交流电源，然后将定子绕组接入一组外接电阻R（或频敏变阻器）上，并保持转子励磁绕组的直流励磁。这时，励磁绕组电流产生的恒定磁场，继续随着转子的惯性转动在气隙中形成旋转磁场，该磁场切割定子三相绕组时，在定子绕组中产生感应电动势及电流，该电流在固定磁场作用下产生电磁力矩，此力矩与转子转动方向相反，从而使转子较快的停止转动。同步电动机能耗制动时，将转动的机械能变换成电枢中的电能，最终变为热能消耗在电阻R上。
2．突破难点内容同步电动机自动加入励磁的控制是本章学习的难点内容。同步电动机作异步启动时，定子绕组的电流很大。但随着转速的升高，电流逐渐减小。当转速达到准同步转速时，电流明显减小。所以可用定子电流值来反映电动机的转速状况。按定子电流的大小加入励磁。
四、训练要点
1．开展参观学习，到工厂或高校参观同步电动机的启动、制动运行。2．结合实际条件，在指导教师的教学演示过程中，根据所学知识和老师的讲解，认真观察同步电动机的启动、制动试验过程。
3．有条件的地方进行这一课题的技能训练：三相同步电动机异步起动控制线路的安装接线与试车。
五、注意事项
1．同步电动机起动时，励磁绕组既不能开路，也不能短路。
2．同步电动机起动时，必须待转子转速达到同步转速的95%或以上时再通入励磁直流电流。
第三节知识拓展
一、同步电机的基本结构
同步电机的结构形式有两种，一种是旋转电枢式，即把三相绕组装在转子上，磁极装在定子上；另一种是旋转磁极式，它与前者相反，把磁极装在转子上，三相绕组装在定子上。后一种结构的同步电机，由于磁极装在转子上，其电压和容量常比电枢小得多，所以电刷和集电环的负荷和工作条件就大为减轻和改善，因而广泛用于大、中型同步电机中，已成为同步电机的基本结构形式。
在旋转磁极式中，按照磁极的形状又可分为隐极式和凸极式两种。隐极式的转子上没有明显凸出的磁极，其气隙是均匀的，转子成圆柱形。凸极式的转子上有明显凸出的磁极，气隙不均匀，极弧下气隙较小，极间部分气隙较大。二、三相同步发电机的工作原理
同步发电机主要是由定子和转子两部分组成。同步发电机的定子上装有一套在空间上彼此相差120电角度的三相对称绕组（图中绕组均画在各相绕组轴线上）；转子磁极（简称主极）上装有励磁绕组，由直流电励磁。当励磁绕组中通有直流电流时，就在气隙中产生恒定的主极磁场。若用原动机拖动发电机转子恒速旋转时，主极产生的恒定磁场就随着转子的转动在气隙中形成旋转磁场。该磁场切割定子三相绕组时，在定子绕组中就会感应出交变电势。设气隙磁场沿圆周在空间按正弦规律分布，则各相绕组中产生的交变电势也随时间按正弦规律分布，即：
e=Emsinωt
式中Em绕组相电势的最大值
ω交变电势的角频率，ω=2πf。其中f即为电势的频率，单位为赫兹。由于三相绕组在空间彼此互差120电角度，因此，定子三相电势大小相等，相位彼此相差120电角度。设U相的初相角为零，则三相电势的瞬时值为：
eU=EmsinωteV=Emsin(ωt-120)eW=Emsin(ωt-240)
这样，在同步发电机的定子绕组中就产生了三相对称电势，若定子绕组接上负载，则同步发电机就会向负载输出三相交流电流，从而将转子上的机械能转换为电能输出。
三相电势的频率可以这样决定：当转子为一对极时，转子旋转一周，绕组中的感应电势就正好交变一次（一个周波）；当电机有p对极时，则转子旋转一周，
n感应电势交变p次（即p个周波）；设转子每分钟转数为n，则转子每秒钟旋转
60pn转，因此感应电动势每秒交变次，即电势的频率为：
60pnf赫
60从上式可以看出，同步发电机输出电压的频率等于电机的极对数p与转子每
n秒钟转速的乘积。我国国家标准规定工业交流电的频率为50赫兹，因此电机
60的极对数和转速成反比关系。例如：在汽轮发电机中，如果n=3000转/分，则电机为一对极；n=1500转/分，电机为两对极。所以电机的转速越低，则极对数越多。
三、同步电动机功率因数的调整
与异步电动机相似，同步电动机接至电网运行时，其外接电源电压U由定子绕组产生的反电势和内阻抗压降来平衡。它们之间的电压平衡关系可由下式表示
.UE0RaIjxtI
....上式中，E0为定子绕组切割转子旋转磁场产生的反电势；RaI为定子电流在
jxtI为定子绕组的电抗压降，定子绕组内产生的内阻压降。当忽略定子绕组电阻时，
...定子绕组电流I将滞后于jxtI90。
..图5.1同步电动机定子电压、电流向量图
..对应于上式的向量图如图5.1所示。电势E0与外加电压U之间的夹角θ称为
..同步电动机的功角；电压U与电流I之间的夹角φ即为功率因数角。
更深入的分析表明：在外加电压一定，并忽略定子绕组电阻时，同步电动机的电磁功率与反电势和功角的正弦的乘积成正比，即：
Pem=KE0sinθ
式中，K与电机结构和外加电压有关的常数
下面，我们进一步分析当外加电压一定、电动机的机械负载一定时，同步电动机的无功功率随励磁电流变化的规律。
当同步电动机的负载功率不变时，如果忽略定子绕组的电阻的影响，则电动机的电磁功率、输入功率均为常数，改变励磁电流的大小，可使同步电动机处于正常励磁、过励和欠励三种励磁状态。
..同步电动机正常励磁时，定子电流I与电压U同相，为纯有功电流，同步电动机仅从电网吸取有功功率，电动机表现为电阻性负载。
.若在正常励磁的基础上，增大励磁电流，则电动机将处于过励状态，这时I将.超前于U，电动机除向电网吸取一定的有功功率外，同时还向电网吸取一定的容性无功功率，电动机表现为电容性负载。
.若在正常励磁的基础上，减小励磁电流使电动机处于欠励状态，这时，I将滞后于U一个角度，电动机除向电网吸取有功功率外，还向电网吸取一定的感性无功功率，电动机表现为电感性负载。
综上所述可知，改变同步电动机的励磁电流，即可改变其功率因数。正常励磁时，电动机为电阻性负载。功率因数为1；欠励时，电动机为感性负载，功率因数小于1，要向电网吸取一定的感性无功功率，这是很不利的，同步电动机一般不允许欠励运行。过励时，电动机为容性负载，向电网吸取一定的容性无功功率，换句话说，即电动机向电网输出感性无功功率，这一点对电网十分有利，因为电网上通常有大量的感性负载，需要吸收大量的感性无功功率，使输电线的电流增大，增加了线路损耗。如果在同一工厂中或附近工厂中，使用了大容量的同步电动机，而且令其在过励状态下工作，则同步电动机能向附近的感性负载提供感性无功功率，使负载所需的感性无功功率不必从发电厂送来，于是减小了输电线的电流，降低了线路损耗，充分发挥了发电机的利用率。
四、同步补偿机
同步电动机在过励状态下运行，可以输出感性的无功功率，提高电网的功率因数。根据这一特性，人们专门制造了一种同步电动机，使其在过励状态下运转而不带任何机械负载，用来向电网输出感性无功功率，专门吸收超前的无功电流，用来改善（补偿）电网的功率因数。这种同步电动机就称为同步补偿机，又称同步调相机。由此来看，同步补偿机实际上就是一台在空载情况下运行的同步电动机。它从电网吸收的有功功率仅提供给电机本身的损耗，因此同步补偿机总是在接近于零的电磁功率和零功率因数的情况下运行。其补偿原理如下：
.图5.2同步补偿机的电压、电流向量图
忽略补偿机的全部功耗，图5.2是同步补偿机的电压、电流向量图。由图可见，过励时，电流I超前U90°，而欠励时，电流I滞后U90°。所以只要调节励磁电流，就能灵活地调节它的无功功率的性质和大小。电网中的负载大部分为感性负载，例如电动机变压器等。当负载变化较大时，功率因数也会发生较大的变化，将在电网中引起较大的电压波动，造成许多设备不能正常工作。如果在用户端接入同步补偿机，在电网感性负载较大引起电网电压下降时，同步补偿机工作在过
....励状态，提高电网功率因数，维持负载端电压基本不变；在电网轻载时，同步补偿机工作在欠励状态，以抵消电网线路电容效应造成的电压升高。
第四节习题与思考题选解
一、教材中的习题解答
5-1.如何解决同步电动机不能自行起动的问题？
答：由于同步电动机没有起动转矩，所以不能自行起动。这给使用带来极大的不方便。为了解决起动的问题，主要采用两种方法：一种是辅助电动机起动法，这种方法由于需要一台起动用的辅助电动机，设备多，操作复杂，故已基本不采用；另一种是异步起动法。这种方法不需另加设备，操作简单，而在生产中被广泛采用。在同步电动机设计和制造时，在转子上加装一套笼型起动绕组。这样，当同步电动机定子绕组接到电源上时，由起动绕组的作用，产生起动转矩，使电动机能自起动，此过程和异步电动机的起动过程完全一致。一般起动的最终转速达同步转速的95%左右，然后给同步电动机的励磁绕组通入直流电流，转子即刻自动牵入同步，以同步转速运转。
5-2.同步电动机的制动控制是如何实现的？分析教材中图5．3的工作原理。答：同步电动机的制动均采用能耗制动。制动时，首先切断运转的同步电动机定子绕组的交流电源，然后将定子绕组接入一组外接电阻R（或频敏变阻器）上，并保持转子励磁绕组的直流励磁。这时，励磁绕组电流产生的恒定磁场，继续随着转子的惯性转动在气隙中形成旋转磁场，该磁场切割定子三相绕组时，在定子绕组中产生感应电动势及电流，该电流在固定磁场作用下产生电磁力矩，此力矩与转子转动方向相反，从而使转子较快的停止转动。同步电动机能耗制动时，将转动的机械能变换成电枢中的电能，最终变为热能消耗在电阻R上。
同步电动机能耗制动的工作原理：
当同步电动机正常运行时，若断开电源开关QS1，则同步电动机定子绕组断电。同步电动机转子仍在惯性运转。此时合上开关QS2，使定子绕组接入外接电阻。通有直流励磁电流的转子绕组继续随着转子的惯性转动，在气隙中形成的旋转磁场切割定子三相绕组，产生与转子转动方向相反的制动力矩，从而使转子较快的停止转动。
第五节实训范例
一、实训目的和要求了解三相同步电动机的异步起动方法。
二、实训内容
1．按教材表51选配电器元件，并检查元件质量。
2．根据教材图5．4所示电路图在控制板上合理布置和牢固安装电器元件。3．安装电动机。4．进行正确接线。
5．接线完毕，采用自检、互检的方式进行检查，有问题时，由指导教师现场指导。
6．检查无误后通电试车。其具体操作如下：
（1）根据励磁绕组电阻的阻值调节变阻器R1和R2的的阻值。（2）把QS合向上方，变阻器R1接入励磁绕组。接通三相同步电动机电源进行异步启动。
（3）观察电压表V和电流表A1的读数变化情况，用转速表测量其转速。（4）当电动机转速接近同步转速时（约1425r/min左右），把开关QS迅速从上方扳向下方，同步电动机励磁绕组加入直流励磁，牵入同步运行，异步起动过程结束。
友情提示：本文中关于《直流电动机的工作原理、接线及调试》给出的范例仅供您参考拓展思维使用，直流电动机的工作原理、接线及调试：该篇文章建议您自主创作。
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