直流電動機的工作原理、接線及調(diào)試

從化技工學校

學科電工實習課程教案用紙（首頁JA－1）

審批簽字教Z2-22型并勵直流電動直流電動機的工作原理、接線及調(diào)試授課授課時數(shù)授課時間授課班級教學目的重點和難點復習提問10機電高級方講授法、示范操作、手把手指導機，可調(diào)直流法具電源1．掌握判別直流電動機各種繞組的方法2．掌握調(diào)整直流電動機中性位的調(diào)整及通電試車方法。重點：直流電動機的通電試車方法難點：直流電動機中性位的調(diào)整1、201*A型龍門刨床應如何調(diào)試直流系統(tǒng)？作業(yè)寫出實習報告教學內(nèi)容方法過程附記復習提問5分鐘引入新課一、實習課題：直流電動機的工作原理、接線及調(diào)試【板書】二、實習目的：1．掌握判別直流電動機各種繞組的方法2．掌握調(diào)整直流電動機中性位的調(diào)整及通電試車方法。三、工具耗材：Z2-22型直流電動機、萬用表、轉(zhuǎn)速表等四、教學過程【復習提問】1、201*A型龍門刨床應如何調(diào)試直流系統(tǒng)？【入門指導】一、直流電機的結(jié)構(gòu)及工作原理1．直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機主要由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。定子包括主磁極、換向極、電刷裝置、機座、端蓋等。其中主磁極的作用是產(chǎn)生主磁極磁場；換向極的作用是產(chǎn)生換向磁場，改善直流電機的換向。轉(zhuǎn)子又稱為電樞，包括電樞鐵心、電樞繞組、換向器、風扇、轉(zhuǎn)軸等。直流電機常做成電樞旋轉(zhuǎn)形式。直流電動機的結(jié)構(gòu)如圖43所示。1頁教案附頁（JA－2）

附記根據(jù)實物講解演示教學內(nèi)容方法過程2．直流電動機的基本原理直流電動機其基本工作原理是通電導體在磁場內(nèi)會受到電磁力的作用而使電樞旋轉(zhuǎn)。通過換向器，使直流電動機獲得單方向的電磁轉(zhuǎn)矩；通過換向片使處于磁極下不同位置的電樞導體串聯(lián)起來，使其電磁轉(zhuǎn)矩相疊加而獲得幾乎恒定不變的電磁轉(zhuǎn)矩。3．直流電機的分類按照勵磁方式不同，直流電機可分為他勵、并勵、串勵及復勵等四大類。其中，直流電動機各種勵磁方式的接線原理圖如圖4-4所示。結(jié)合實物講授并加以演示2頁教案附頁（JA－2）

附記布置實訓任務并講清楚相關(guān)操作規(guī)程及操作要點教學內(nèi)容方法過程【實習訓練】【實習步驟】1、判別直流電動機的電樞繞組、并勵繞組及串勵繞組1）看編號，接線端子上都有字母，電樞端子是S1、H2，并勵繞組是B1、B2，串勵繞組是C1、C2。2）量電阻，并勵繞組的電阻比其它兩個繞組的電阻大很多倍，不是一個數(shù)量級的。一般來說，串勵繞組電阻比電樞繞組電阻又小一些，但因為二者是串聯(lián)關(guān)系，所以大多數(shù)情況并無必要分清二者到底是誰的端子。3）把電刷與換向器之間用絕緣的東西隔開，電樞線圈的接線柱之間是斷開的，也就是你量電阻的話，電阻無窮大，而串磁線圈或并勵線圈的接線端子就一直是導通的狀態(tài)。2、調(diào)整直流電動機的中性位(1)感應法勵磁繞組經(jīng)一開關(guān)接到3V的直流電源上，將毫伏表或檢流計接由實習老師進解到電樞相鄰的兩極下的電刷上，使電樞靜止不動，接通或斷開勵磁行課堂演示講電源時，毫伏表將會左右擺動，移動電刷位置，找到毫汰表擺動最小或不動的最佳位置，這個位置就是中性線位置。(2)正反轉(zhuǎn)發(fā)電機法將電機接成他勵發(fā)電機運行，使輸出電壓接近額定值。保持電機的轉(zhuǎn)速和勵磁電流不變，使電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，慢慢移動電刷位置，直到正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的電樞輸出電壓相等，此時的電刷位置就是中性線位置。(3)正反轉(zhuǎn)電動機法對于允許可逆運行的直流電動機，在外加電壓和勵磁電流不變的情況下，使電動機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，慢慢移動電刷位置，直到正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速相等，此時電刷的位置就是中性線位置。3、將直流電動機接成并勵或復勵等形式，并通電試車（先后接成正3頁教案附頁（JA－2）

附記示范操作10～20分鐘學生操作教師指導180分鐘教學內(nèi)容方法過程反轉(zhuǎn)）【示范操作】1、判別直流電動機的電樞繞組、并勵繞組及串勵繞組2、調(diào)整直流電動機的中性位（感應法）3、直流電動機接成并勵或復勵等形式，并通電試車【巡回指導】學生自行操作，遇到問題請教老師，由老師巡回指導【結(jié)束總結(jié)】就學生在操作過程中遇到的問題以及解決方法進行清晰的總總結(jié)評定5分結(jié)和評講【作業(yè)評定】布置實操課的作業(yè)：實習報告【課后記錄】鐘布置作業(yè)2分鐘

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第四章直流電動機的基本控制線路

在精密機械加工與冶金工業(yè)生產(chǎn)過程中，如：高精度金屬切削機床、軋鋼機、造紙機、龍門刨床、電氣機車等生產(chǎn)機械都是用直流電動機來拖動的。這是因為直流電動機具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、能夠?qū)崿F(xiàn)無級平滑調(diào)速以及可以頻繁啟動等一系列優(yōu)點，對需要能夠在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級平滑調(diào)速或需要大啟動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械，常用直流電動機來拖動。

第一節(jié)學習目的和要求

一、學習目的

1．掌握并勵和串勵直流電動機的起動、換向、調(diào)速和制動控制線路的工作原理

2．根據(jù)并勵串勵直流電動機的控制線路原理圖能熟練進行線路的安裝、接線和調(diào)試。

二、參考課時第一章第一節(jié)第二節(jié)合計授課內(nèi)容并勵直流電動機串勵直流電動機總學時理論學時實訓學時14448426

三、學習要求

1．掌握直流電動機基本控制線路的工作原理，理解和分析控制線路的特點。2．能根據(jù)直流電動機的控制線路原理圖熟練進行線路的安裝、接線，在調(diào)試過程中，能根據(jù)出現(xiàn)的故障現(xiàn)象進行正確的分析與排除。

第二節(jié)學習與訓練指導

本章要點

并勵直流電動機的起動、換向、制動、調(diào)速控制線路串勵直流電動機的起動、換向、制動控制線路

本章難點

并勵直流電動機的反接制動控制方法串勵直流電動機的反接制動自動控制原理本章主要學習并勵直流電動機和串勵直流電動機的基本控制線路，包括起動控制線路、正反轉(zhuǎn)控制線路、制動控制線路和調(diào)速控制線路。同時對各個控制線路的保護電路也作了詳細的分析。因為交、直流電動機基本控制線路的工作原理大同小異，所以在學習過程中要注意新舊知識的聯(lián)系。

一、并勵直流電動機的基本控制線路

（一）重點內(nèi)容

1.并勵直流電動機的起動控制線路

對于并勵直流電動機來說，一般不允許直接起動。這是因為并勵直流電動機直接起動時電樞電流可高達十幾倍或更高的額定電流，使繞組由于過熱而損壞。并勵直流電動機的起動控制常采用降壓起動。

（1）直流電動機起動變阻器主要由電阻元件、調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換裝置和外殼三大部分組成。調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)換裝置、電阻元件均置于旋轉(zhuǎn)式變阻器的定型箱殼中，電阻元件一般為螺旋形，采用康銅電阻材料制成。失壓保護聯(lián)鎖裝置依靠旋軸中心的扭力彈簧自動復位切斷電路。

在學習手動起動控制線路的工作原理時，要認識到：一是轉(zhuǎn)動起動變阻器手輪時，在每個觸頭位置上要停留約2秒的時間；二是在切斷電源開關(guān)使電動機停止工作，而起動變阻器手輪自動回到零位時，勵磁繞組、電樞繞組和起動電阻要組成一閉合回路，作為勵磁繞組斷電時的放電回路，避免勵磁繞組會因突然斷電而產(chǎn)生很大的自感電動勢，造成繞組的絕緣擊穿或在手輪和銅條間產(chǎn)生火花，將動觸頭燒壞；三是在起動時，要保證勵磁電路不得斷路，為了獲得較大的起動轉(zhuǎn)矩，應使勵磁電路中的外接電阻RP短接，此時勵磁電流最大，才能產(chǎn)生較大的起動轉(zhuǎn)矩。

（2）在學習自動起動控制線路時，可結(jié)合三相交流異步電動機的串電阻降壓起動控制線路來進行。兩個線路的最大區(qū)別在于控制電路，除了共同擁有的短路保護、過載保護、失壓保護，在并勵直流電動機自動控制線路的控制電路中，還有弱磁保護、過流保護等功能。另外還有勵磁電路斷電時的放電回路。

2．并勵直流電動機的正反轉(zhuǎn)控制線路

并勵直流電動機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)的方法有兩種，一是改變勵磁電流方向，二是改變電樞電流方向。不管采用哪一種方法，都是為了改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方向，從而實現(xiàn)反轉(zhuǎn)。在生產(chǎn)實際中，并勵直流電動機的反轉(zhuǎn)都是靠改變電樞電流方向來實現(xiàn)的。對于直流電動機正反轉(zhuǎn)控制線路工作原理的學習，重點是主電路,必須理解改變電樞繞組電流方向的原理及方法，其控制電路與異步電動機正反轉(zhuǎn)控制線路相同。

3．并勵直流電動機的制動控制線路

直流電動機的制動與三相異步電動機的制動相似，其制動方法也有機械制動和電氣制動兩大類。由于電力制動具有制動力矩大、操作方便、無噪聲等優(yōu)點，所以，在直流電力拖動中應用較廣。電氣制動按其產(chǎn)生電磁制動轉(zhuǎn)矩的方法不同又可分為能耗制動、反接制動和再生發(fā)電制動三種。

（1）能耗制動控制線路

能耗制動就是需要電機停車時，維持直流電動機的勵磁電源不變，只切斷電動機電樞繞組的電源，使電樞繞組與外加制動電阻串接構(gòu)成閉合回路�？繎T性繼續(xù)運轉(zhuǎn)的電樞繞組感應電流方向與原來電流方向相反，產(chǎn)生與電動機轉(zhuǎn)向相反的制動力矩，迫使電動機迅速停轉(zhuǎn)。這種制動方法在運輸、起重設備上應用較廣，不足之處是不宜對機械迅速制動。

在學習能耗制動控制線路工作原理時，其制動控制的關(guān)鍵是制動電阻的接入，在掌握好這一要點的基礎上，再來完成整個制動過程的學習。

（2）反接制動控制線路

反接制動是利用改變電樞電流或勵磁電流的方向，來改變電磁轉(zhuǎn)矩方向，形成制動力矩，迫使電動機迅速停轉(zhuǎn)。并勵直流電動機的反接制動是利用改變電樞電流的方向來實現(xiàn)的。

在學習反接制動控制線路工作原理時，應掌握好以下兩點，一是反接制動時電樞繞組如何實現(xiàn)反接？電樞繞組回路串入制動電阻的作用是什么？二是當電動機轉(zhuǎn)速降低接近為零時，如何斷開電樞回路的電源，避免電動機反轉(zhuǎn)。

（3）再生發(fā)電制動

再生發(fā)電制動只適用于當電動機的轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速n0的場合。此時電動機處于發(fā)電機狀態(tài)運行，將發(fā)出的電能返送回電網(wǎng)，電動機處于發(fā)電制動狀態(tài)。

4．調(diào)速控制線路

并勵直流電動機的電氣調(diào)速方法有三種：一是電樞回路串電阻調(diào)速；二是改變主磁通調(diào)速；三是改變電樞電壓調(diào)速。

（1）電樞回路串電阻調(diào)速

電樞回路串電阻調(diào)速是在電樞回路中串接調(diào)速變阻器來實現(xiàn)的。這種調(diào)速方法只能由額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)。（2）改變主磁通調(diào)速

改變主磁通調(diào)速是通過改變勵磁電流的大小來實現(xiàn)的。這種調(diào)速方法是由額定轉(zhuǎn)速向上調(diào)節(jié)的，電機轉(zhuǎn)速不能調(diào)節(jié)太高。改變主磁通調(diào)速是恒功率調(diào)速，即轉(zhuǎn)速升高后，輸出轉(zhuǎn)矩必須減小，否則電樞電流會超過原來的額定電流，使電動機發(fā)熱燒壞。

（3）改變電樞電壓調(diào)速

在要求調(diào)速范圍寬廣的直流電動機調(diào)速控制電路中，一般采用改變電樞電壓調(diào)速。目前正日趨廣泛地使用晶閘管整流裝置作為直流電動機的可調(diào)電源，通過改變晶閘管的導通角的大小來改變輸出的脈動直流電的波形，從而達到改變輸出電壓的大小。調(diào)壓調(diào)速是恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，轉(zhuǎn)速也只能由額定轉(zhuǎn)速向下調(diào)節(jié)。

（二）難點分析

如圖4.1為并勵直流電動機的反接制動控制線路

圖4.1并勵直流電動機反接制動控制電路圖

由于并勵直流電動機勵磁繞組的導線較細，允許通過的電流較小，所以并勵直流電動機的的反接制動是通過改變電樞電流的方向，來實現(xiàn)電磁轉(zhuǎn)矩方向的改變，從而實現(xiàn)反接制動。

在學習反接制動控制線路工作原理時，如圖45所示，應掌握好以下兩點，一是反接制動時，維持勵磁繞組電流If方向不變，在斷開電樞繞組電源后首先接入制動電阻RB以限制反接制動電流，然后再實現(xiàn)電樞繞組的反接；二是當電動機轉(zhuǎn)速降低接近為零時，即實現(xiàn)制動時，電樞中的反電動勢Ea也接近于零，電壓繼電器KA因其線圈兩端電壓較低而釋放，使接觸器KM2、KM3斷電釋放，斷開電樞回路的電源，避免電動機反轉(zhuǎn)。（三）學習方法

本部分內(nèi)容由交流電動機的起動控制引出并勵直流電動機的起動，來理解并勵直流電動機不允許直接起動的原因。并勵直流電動機常用的起動方法，并對并勵直流電動機各種起動方法的優(yōu)缺點及其適應范圍進行了介紹。又對并勵直流電動機的正反轉(zhuǎn)控制線路、制動控制線路、調(diào)速控制線路的工作原理作了詳細介紹，在學習過程中要注意新舊知識的聯(lián)系。

（四）注意事項

１．并勵直流電動機起動時，一般都不采用直接起動的方法，在起動時必須保證勵磁繞組回路不能斷路且在勵磁繞組回路電流最大的情況下起動。

２．并勵直流電動機的正反轉(zhuǎn)和反接制動都是利用改變電樞電流的方向來實現(xiàn)的

３．在勵磁繞組的控制電路中不僅要有失磁保護和弱磁保護，而且要有斷電時的放電回路。

４．并勵直流電動機的調(diào)速變阻器可作啟動變阻器使用，而啟動變阻器不能用于調(diào)速。在采用弱磁調(diào)速時，轉(zhuǎn)速又不能調(diào)節(jié)得過高，以免電動機振動過大，換向條件惡化，甚至出現(xiàn)“飛車”事故；還要注意轉(zhuǎn)速升高后，輸出轉(zhuǎn)矩必須減小。

二、串勵直流電動機的基本控制線路

（一）重點內(nèi)容

1.串勵直流電動機的起動控制線路

在學習串勵直流電動機電樞回路串電阻起動控制線路時，要掌握好其基本控制方法為時間控制。

時間繼電器KT1在合上電源開關(guān)QF時即獲電動作，以保證電動機起動時串入全部電阻。在按下起動按鈕SB1后，串勵直流電動機串電阻R1和R2起動。并接在電阻R1兩端的時間繼電器KT2獲電動作，由于KM1常閉觸點斷開，KT1線圈斷電釋放，經(jīng)過一定的整定時間，KT1的常閉觸點延時恢復閉合，使接觸器KM2線圈得電吸合，KM2的常開觸點閉合有兩個作用，一是短接電阻R1，電動機加速運轉(zhuǎn)，二是使KT2線圈失電，經(jīng)過一定的整定時間，KT2的常閉觸點延時恢復閉合，接觸器KM3線圈得電吸合，KM3的常開觸點，閉合短接電阻R2，電動機正常工作。整個動作過程為：QF（合上）→KT1（得電動作）→SB2（按下）→KM1（得電動作）、KT2（得電動作）、KT1（斷電釋放）→KT1整定延時→KM2（得電動作）→KT2（斷電釋放）→KT2整定延時→KM3（得電動作）→起動結(jié)束。

2．串勵直流電動機的正反轉(zhuǎn)控制線路

對于串勵直流電動機的正反轉(zhuǎn)控制線路,要把學習的重點放在主電路，熟悉改變勵磁繞組電流方向的方法及原理。其控制電路與異步電動機正反轉(zhuǎn)控制線路基本相同，區(qū)別在于正反向起動時，都需要在電樞回路串聯(lián)起動電阻。作好復習即可。

3．串勵直流電動機的制動控制線路

串勵直流電動機的制動控制是本課題的難點內(nèi)容，要抓住關(guān)鍵，掌握好串勵直流電動機自勵式能耗制動控制線路的工作原理。在學習過程中可根據(jù)能耗制動時元器件的動作過程來掌握。其能耗制動時元器件的動作過程為：SB2（按下）→KM1（斷電釋放）、KM2（得電動作）→電動機M能耗制動→KV（斷電釋放）→KM2（斷電釋放）→制動結(jié)束。

4．調(diào)速控制線路

串勵直流電動機的電氣調(diào)速方法與并勵直流電動機相同。即電樞回路串電阻調(diào)速、改變電樞電壓調(diào)速三種方法，學習時，掌握好三種調(diào)速方法的適用范圍即可，不必過多占用學時。

（二）難點分析

串勵電動機反接制動自動控制電路可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停車。在電動機的正轉(zhuǎn)停車和反轉(zhuǎn)停車時，沒有制動控制過程，只有在電動機的正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換時，才經(jīng)過制動控制過程。在學習這部分內(nèi)容時，要按元器件的動作順序來掌握。

串勵電動機正傳運行時，若需反轉(zhuǎn)，將主令控制器AC手柄扳向反轉(zhuǎn)位置“2”，元器件的具體動作順序為:

接觸器KM1和中間繼電器KA1失電，其觸頭復位，接觸器KM3、KM4、KM5線圈也斷電，電動機M串入啟動電阻R1和R2以及反接制動電阻RB。

接觸器KM、KM2得電動作，改變電樞繞組的電流方向，使電動機運行在反接制動狀態(tài)。

當轉(zhuǎn)速降到接近于零時，KA2線圈上的電壓升到吸合電壓，KA2線圈得電，KA2常開觸頭閉合，使KM3得電動作，RB被短接，電動機進入反轉(zhuǎn)起動運轉(zhuǎn)。

（三）學習方法

串勵直流電動機的基本控制包括起動控制、正反轉(zhuǎn)控制、制動控制和調(diào)速控制，與并勵直流電動機控制線路比較，除主電路有較大區(qū)別外，控制電路基本上是一樣的。所以在學習時，可參考并勵直流電動機的基本控制線路來學習。

（四）注意事項

１．串勵直流電動機和并勵直流電動機一樣，一般也不直接起動，常采用電樞回路串聯(lián)起動電阻的方法進行起動。

２．串勵電動機啟動時，切忌空載或輕載啟動及運行。因為空載或輕載時，電動機轉(zhuǎn)速很高，會使電樞因離心力過大而損壞，所以啟動時至少要帶20%～30%的額定負載。而且電動機要與生產(chǎn)機械直接耦合，禁止使用帶轉(zhuǎn)動，以防帶滑脫而造成嚴重事故。

３．串勵直流電動機的正反轉(zhuǎn)常采用勵磁繞組反接法來實現(xiàn)。４．串勵直流電動機的調(diào)速方法和注意事項與并勵直流電動機的相同。

第三節(jié)知識拓展

一、直流電機的勵磁方式

直流電動機的勵磁方式是指勵磁繞組獲得勵磁電流的方式，除永磁式微直流電動機外，直流電動機的磁場都是通過勵磁繞組通入電流激勵而建立的。按勵磁方式不同可分為四種：他勵、并勵、串勵和復勵。

1．他勵電動機

他勵電動機的勵磁繞組和電樞繞組互不相連，如圖4.2所示。他勵電動機的勵磁繞組采用單獨的勵磁電源。

圖4.2他勵電動機

2．并勵電動機

并勵電機的勵磁繞組是和電樞繞組并聯(lián)的，如圖4.3所示。并勵電動機勵磁繞組的特點是導線細、匝數(shù)多、電阻大、電流小。這是因為勵磁繞組的電壓就是電樞繞組的端電壓，這個電壓通常較高。勵磁繞電阻大，可使If減小，從而減小損耗。由于If較小，為了產(chǎn)生足夠的主磁通Φ，就應增加繞組的匝數(shù)。

圖4.3并勵電動機

3．串勵電動機

串勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組串聯(lián)之后接直流電源，如圖4.4所示。串勵電動機勵磁繞組的特點是其勵磁電流If就是電樞電流Ia，這個電流一般比較大，所以勵磁繞組導線粗、匝數(shù)少，它的電阻也較小。

圖4.4串勵電動機

4．復勵電動機

這種直流電動機的主磁極上裝有兩個勵磁繞組，一個與電樞繞組串聯(lián)，另一個與電樞繞組并聯(lián)，如圖4.5a所示，所以復勵電動機的特性兼有串勵電動機和并勵電動機的特點，所以也被廣泛應用。當兩個勵磁繞組產(chǎn)生的磁通方向一致時，稱為積復勵電動機，如圖4.5b所示。相反時則稱為差復勵電動機。如圖4.5c所示。

ａ復勵電動機

b積復勵c差復勵

圖４.5復勵電動機

二、直流電機的主要結(jié)構(gòu)

直流電機可作為電動機運行，也可作為發(fā)電機運行。不管是電動機還是發(fā)電機其基本結(jié)構(gòu)是相同的，即都有靜止部分（定子）和可旋轉(zhuǎn)部分（轉(zhuǎn)子）組成。

1．定子部分

直流電機的定子主要有以下部件組成：機座、前后端蓋、主磁極、換向磁極和電刷裝置等。

（1）機座

直流電機一般采用整體機座，有兩個方面的作用。一是作為電機磁路的一部分，起導磁作用，稱為定子鐵軛；二是主磁極、換向磁極及端蓋均固定在機座上，起機械支撐作用。

（2）端蓋

直流電機的前、后端蓋是用來安裝軸承和支撐電樞的。（3）主磁極

主磁極的作用是通入直流勵磁電流，產(chǎn)生恒定、有一定空間分布形狀的氣隙磁通密度，即主磁場。它有主磁極鐵心和放置在鐵心上的勵磁繞組兩部分組成。為減小渦流損耗，主磁極鐵心一般用1.0～1.5mm厚的薄鋼片沖制成型后再用鉚釘鉚緊，構(gòu)成一個整體，最后固定在機座上。勵磁繞組是產(chǎn)生主磁通的，當給勵磁繞組通入直流電時，各主磁極均產(chǎn)生一定極性，相鄰兩主磁極的極性是N、S交替出現(xiàn)的。

（4）換向極

又稱附加極，用以產(chǎn)生換向磁場，以改善直流電機的換向。一般電機容量超過1KW時均應安裝換向極。

換向極安裝在相鄰的兩主磁極之間，由換向極鐵心和換向極繞組組成。換向極鐵心比主磁極的簡單，一般用整塊鋼板加工制成。換向極繞組常用較大截面的扁銅線繞制而成，放置在換向極鐵心上。換向極繞組匝數(shù)不多，總與電樞繞組串聯(lián)在一起。

（5）電刷裝置

電刷裝置是直流電機的重要組成部分。通過該裝置把電機電樞中的電流與外部靜止電路相連或把外部電源與電機電樞相連。電刷裝置與換向器一起完成機械整流，把電樞中的交變電流變成電刷上的直流或把外部電路中的直流變換為電樞中的交流。

圖4.6電刷裝置

電刷裝置一般有電刷、刷握、刷桿和刷桿座等零件構(gòu)成。如圖4.6所示。電刷為具有良好的導電性能、又有較好耐磨性的石墨制成，置于刷握中，其上壓一彈簧，使電樞轉(zhuǎn)動時電刷與換向器表面保持一定的接觸壓力。刷握固定在刷桿上，刷桿裝在刷桿座上，彼此之間絕緣，刷桿座裝在端蓋上，可是移動調(diào)整電刷位置。電刷借銅辮線與刷桿連接，再用導線引出。2．轉(zhuǎn)子部分

直流電機的轉(zhuǎn)子是電機的轉(zhuǎn)動部分，統(tǒng)稱為電樞，由電樞鐵心、電樞繞組、換向器、風扇、電機轉(zhuǎn)軸和軸承等部分組成。

（1）電樞鐵心

電樞鐵心是主磁路的一部分，同時對放置其上的電樞繞組起支撐作用。為減少當電機旋轉(zhuǎn)時鐵心中的磁通方向發(fā)生變化引起磁滯損耗和渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚且沖有齒和槽的硅鋼片疊成，裝在轉(zhuǎn)軸或轉(zhuǎn)子支架上。

（2）電樞繞組

電樞繞組是直流電機的重要組成部分，其作用是產(chǎn)生感應電動勢和通過電流。電樞繞組由圓形或矩形的絕緣銅線繞制而成，按一定的規(guī)律嵌放在電樞鐵心槽中，放置在鐵心槽內(nèi)的直線部分在電機運轉(zhuǎn)時將產(chǎn)生感應電動勢，稱為元件的有效部分；在電樞槽兩端把有效部分連接起來的部分稱為端接部分，端接部分僅起連接作用，在電機運轉(zhuǎn)過程中不產(chǎn)生感應電動勢。每個繞組元件的首末段分別與換相片相接。

（3）換向器

換向器又叫整流子，作用是把電樞繞組中的交流電動勢和電流轉(zhuǎn)換成電刷間的直流電動勢和電流。由換向片組合而成，外表呈圓形。是直流電機的關(guān)鍵部件。如圖4.7b所示。

圖4.7換向器結(jié)構(gòu)

換向片常采用硬度大、導電和耐磨性能好的電解銅或銅合金制成，換向片的底部做成燕尾形狀，如圖4.7a所示。相鄰換向片間以0.41.2mm厚的云母片作為絕緣，利用換向器套筒、V型壓圈、及螺旋壓圈將換向片及云母片緊固成一個整體。在換向片與套筒、壓圈之間用V型云母環(huán)絕緣，換向器固定在轉(zhuǎn)軸的一端。

（4）風扇

用來降低電機運行中產(chǎn)生的溫升，保護電機不致因為過熱而造成絕緣損壞。（5）轉(zhuǎn)軸和軸承

電機的轉(zhuǎn)軸和軸承起支撐和傳遞力矩的作用。三、直流電機的基本工作原理

1．直流發(fā)電機的基本原理

(a)(b)

圖4.8直流發(fā)電機模型

當導體在磁場內(nèi)作切割磁力線的運動時，在導體內(nèi)就會有感應電動勢產(chǎn)生，這就是直流發(fā)電機的基本工作原理。在圖4.8中，固定部分主要是有兩個磁極：N極和S極，可看成直流發(fā)電機的定子。abcd是固定在可旋轉(zhuǎn)導磁圓柱體上的線圈，線圈連同導磁圓柱體是可轉(zhuǎn)動部分，可看成直流發(fā)電機的轉(zhuǎn)子部分，或稱為電樞。線圈首末端a、d連接的兩個相互絕緣并可隨線圈一同轉(zhuǎn)動的導電片，稱為換向片。放置在換向片上固定不動的電刷把線圈與外電路連接在一起。定、轉(zhuǎn)子之間存在的空氣隙簡稱氣隙。

當原動機拖動轉(zhuǎn)子以一定的速度逆時針轉(zhuǎn)動時，根據(jù)電磁感應定律可知，在線圈abcd中將產(chǎn)生感應電動勢。感應電動勢方向可用右手定則確定。在圖4.8a所示瞬間，ab導體中的電勢方向由b至a，而導體cd中的電勢則由d至c。在此狀態(tài)下電刷A的極性為正，電刷B的極性為負。當線圈旋轉(zhuǎn)180°，如圖4.8b所示瞬間，感應電動勢的極性由高到低分別為a點至b點，c點至d點。但由于原來與電刷A接觸的換向片已經(jīng)與電刷B接觸，而與電刷B接觸的換向片同時換到與電刷A接觸，因此電刷A的極性仍為正，電刷B的極性仍為負。

實際直流發(fā)電機的電樞是根據(jù)實際應用情況來確定線圈數(shù)目。線圈分布于電樞鐵心表面的不同位置上，在空間相隔一定的角度，，并按照一定的規(guī)律連接起來，構(gòu)成電機的電樞繞組。

2．直流電動機的基本工作原理

直流電動機是依據(jù)通電導體在磁場中將受到力的作用而運動的原理制造的。

圖4.9直流電動機工作原理

把電刷A、B接到一直流電源上，電刷A接電源的正極，電刷B接電源的負極，則在電樞線圈abcd中有電流I流過，如圖4.9所示。

當線圈處于圖412所示位置時，線圈的ab邊在N極下，線圈的cd邊位于S極下，兩邊中的電流方向為a→b，c→d。由左手定則可以確定，ab邊受力方向為從右向左，cd邊受力方向為從左向右。ab邊或cd邊所受的電磁力為：

fBxlI

式中，I為導體中流過的的電流，Bx為導體所在處的磁通密度。l為導體ab或cd邊的有效長度，f為電磁力。根據(jù)左手定則可知，兩個F的方向相反，如圖4.9所示，形成電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)使線圈逆時針方向旋轉(zhuǎn)。當線圈轉(zhuǎn)過180°時，cd邊處于N極下，ab邊處于S極上。由于換向器的作用，使兩有效邊中電流的方向與原來相反，變?yōu)閐→c、b→a，這就使得兩磁極下的有效邊中電流的方向保持不變，因而其受力方向，電磁轉(zhuǎn)矩方向都不變。

由此可見，正是由于直流電動機采用了換向器結(jié)構(gòu)，雖然導體中流過的電流是交變的，但電樞線圈中受到的電磁轉(zhuǎn)矩保持不變，在這個電磁轉(zhuǎn)矩作用下使電樞按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。這時電動機可作為原動機帶動生產(chǎn)機械旋轉(zhuǎn)，即由電動機向機械負載輸出機械功率。

由以上分析可知，直流電機可以作發(fā)電機運行，也可以作電動機運行。這就使電機的可逆原理。直流電機是以電磁感應定律和電磁力定律作為它的理論基礎的。當導體在磁場中作切割磁力線運動時便產(chǎn)生感應電動勢，而載流導體在磁場中便要受到電磁力的作用。如果原動機供給直流電機機械能，拖動電樞旋轉(zhuǎn)，通過電磁感應，便將機械能轉(zhuǎn)換為電能，供給負載，這就使發(fā)電機；如果有外部直流電供給電機電能，通過電磁感應，便將電能轉(zhuǎn)換為機械能，拖動負載轉(zhuǎn)動，這就使電動機。

第四節(jié)習題與思考題選解

一、教材中的習題解答

4-1.并勵直流電動機與串勵直流電動機比較，主要有哪些區(qū)別？

答：并勵直流電動機與串勵直流電動機的區(qū)別主要表現(xiàn)在以下三個方面：(1)機械特性不同。并勵直流電動機的機械特性為硬特性，在轉(zhuǎn)矩變化時轉(zhuǎn)速變化很�。淮畡铍妱訖C的機械特性為軟特性，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的變化而劇烈變化。(2)適用場合不同。并勵直流電動機主要用于轉(zhuǎn)速要求恒定的場合，適用于恒轉(zhuǎn)速負載；串勵直流電動機主要用于負載轉(zhuǎn)矩在大范圍內(nèi)變化的場合，適用于恒功率負載。(3)起動時對負載的要求不同。并勵直流電動機適用于空載起動或輕載起動；串勵直流電動機不允許空載起動，同時不允許用皮帶或鏈條傳動。

4-2.并勵直流電動機實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)的控制原理是什么？

答：并勵直流電動機正反轉(zhuǎn)是靠改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方向?qū)崿F(xiàn)的。因電磁轉(zhuǎn)矩方向取決于主磁通方向和電樞電流方向，故改變電磁轉(zhuǎn)矩的方向從而使直流電動機實現(xiàn)反轉(zhuǎn)的方法有兩種：一種是改變主磁通方向（即勵磁電流）方向，另一種是改變電樞電流方向。

4-3.并勵直流電動機的制動方式有哪幾種？各有什么特點？

答：電氣制動在并勵直流電動機的拖動種系統(tǒng)中應用較廣，主要有以下三種方法：一是能耗制動，其優(yōu)點是制動平穩(wěn)，適用于制動頻繁的場合。缺點是不能迅速制動；二是反接制動，其優(yōu)點是制動轉(zhuǎn)矩大，制動迅速。缺點是制動時的反向電流大，易使換向器和電刷間產(chǎn)生強烈火花而損傷；三是再生發(fā)電制動，其優(yōu)點是制動時不需要另外投入設備，缺點是只適用于電動機的轉(zhuǎn)速大于理想空載轉(zhuǎn)速的場合。

4-4.串勵電動機采用電樞法反接制動時，通過改變外電源的電壓極性是否能達到制動目的？為什么？

答：不能。因為改變外電源的電壓極性時，磁通方向和電樞電流方向同時改變，電動機的電磁轉(zhuǎn)矩方向不變，不能實現(xiàn)電動機的反轉(zhuǎn)，達不到制動目的，所以不能實現(xiàn)反接制動。

4-5.串勵直流電動機改變主磁通調(diào)速時，通常采用哪些方法？畫出原理圖，并分析工作原理。

答：串勵直流電動機應用改變主磁通的調(diào)速方法有以下幾種：對于小型串勵電動機常采用勵磁繞組兩端并聯(lián)變阻器的方法進行調(diào)磁調(diào)速。在大型串勵電動機上，常采用改變勵磁繞組匝數(shù)或接線方式來實現(xiàn)調(diào)磁調(diào)速。

圖１是改變磁通調(diào)速原理圖。當調(diào)速變阻器RP的阻值變大（箭頭向左移動）時，流過勵磁繞組A的電流變小，主磁通也相應變小，電機的轉(zhuǎn)速升高。反之，電機的轉(zhuǎn)速降低。

在圖２中，把勵磁繞組A分段制作，改變勵磁繞組的接線方式可以獲得串勵直流電動機的三種轉(zhuǎn)速。當KM1觸頭動作時，勵磁繞組A1、A2并聯(lián)，此時勵磁電流最大，電機為低速運行。當KM1、KM2的觸頭均不動作時，只有勵磁繞組A1工作，電機為中速運行。當KM2的觸頭動作時，勵磁繞組A1、A2串聯(lián)，此時勵磁電流最小，電機為高速運行。

圖１串勵直流電動機改變主磁通（調(diào)速變阻器）調(diào)速原理圖

圖２串勵直流電動機改變主磁通（接線方式）調(diào)速原理圖

二、補充習題及解答

1.與交流電動機比較，直流電動機有何優(yōu)點？

答：直流電動機具有啟動轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速范圍廣、調(diào)速精度高、能夠?qū)崿F(xiàn)無級平滑調(diào)速以及可以頻繁啟動等一系列優(yōu)點，對需要能夠在大范圍內(nèi)實現(xiàn)無級平滑調(diào)速或需要大啟動轉(zhuǎn)矩的生產(chǎn)機械，常用直流電動機來拖動。

2.電氣制動有何優(yōu)點？分為幾種？

答：電氣制動具有制動力矩大、操作方便、無噪聲等優(yōu)點，按其產(chǎn)生電磁制動轉(zhuǎn)矩的方法不同又可分為能耗制動、反接制動和再生發(fā)電制動三種。

第五節(jié)實訓技能操作

實訓一、并勵直流電動機啟動、正反轉(zhuǎn)、調(diào)速控制

一、實訓目的和要求

1.掌握并勵直流電動機啟動、調(diào)速控制線路的安裝與調(diào)試。2.掌握并勵直流電動機正反轉(zhuǎn)控制線路的安裝、接線與調(diào)試。

二、實訓內(nèi)容

1．根據(jù)實訓場地所備電機的銘牌數(shù)據(jù)，結(jié)合實際條件，進行電氣元件的選配，并把型號、規(guī)格、數(shù)量等數(shù)據(jù)填入教材實訓表4.4中。

2．按元件明細表配齊所用電器元件，并對各電器元件進行質(zhì)量檢查。如元件外觀有無破損、活動部分是否靈活、型號規(guī)格是否相符等。

3．根據(jù)電路圖，進行線路編號。

4．根據(jù)電路圖，在配電板上合理布局各電器元件，并對電器元件進行牢固安裝，然后貼上醒目的文字符號。電源開關(guān)、啟動變阻器和按鈕板的安裝位置要接近電動機和被拖動的機械，以便在控制時能看到電動機和被拖動機械的運行情況。

5．在控制板上根據(jù)電路圖進行正確布線和套編碼套管。6．連接控制板外部的導線。

7．可靠連接電動機和金屬元件金屬外殼的保護接地線。

8．接線完畢，采用自檢、互檢的方式進行檢查，初次進行接線練習的，必須由指導教師現(xiàn)場指導并作最后的檢查。

9．檢查無誤后按正確的操作步驟通電試車。

實訓二、串勵直流電動機串電阻起動控制

一、實訓目的和要求

掌握串勵直流電動機串電阻起動控制線路的安裝和調(diào)試

二、實訓內(nèi)容

1．根據(jù)實訓場地所備電機的銘牌數(shù)據(jù)，參照教材圖4.４，結(jié)合實際條件，進行電氣元件的選配，并把型號、規(guī)格、數(shù)量等數(shù)據(jù)填入教材實訓表4.5中。若實訓場地沒有直流電器元件，則不能完成串勵直流電動機串電阻啟動控制線路的安裝和調(diào)試。也就不能完成實訓目的和要求�？梢园呀滩膱D4.10的串勵直流電動機串電阻起動控制線路原理圖修改為圖3，然后進行實訓操作。

圖３串勵直流電動機串電阻起動控制線路

與教材圖4.10比較，在圖３中，控制電路變?yōu)榻涣麟娐�，所用電器元件也變�(yōu)榻涣鞯蛪弘娖髟�件。在元件明細表中填寫的�?nèi)容以實際所用的元件數(shù)據(jù)為準。

2．按元件明細表配齊所用電器元件，并對各電器元件進行質(zhì)量檢查。如元件外觀有無破損、活動部分是否靈活、型號規(guī)格是否相符等。

3．根據(jù)電路圖，進行線路編號�？蓞⒄請D4－8的線路編號。

4．根據(jù)電路圖，在配電板上合理布局各電器元件，并對電器元件進行牢固安裝，然后貼上醒目的文字符號。電源開關(guān)、按鈕板的安裝位置要接近電動機和被拖動的機械，以便在控制時能看到電動機和被拖動機械的運行情況。

5．在控制板上根據(jù)電路圖進行正確布線和套編碼套管。6．連接控制板外部的導線。

7．可靠連接電動機和金屬元件金屬外殼的保護接地線。

8．接線完畢，采用自檢、互檢的方式進行檢查，初次進行接線練習的，必須由指導教師現(xiàn)場指導并作最后的檢查。

9．檢查無誤后按正確的操作步驟通電試車。

第五章三相同步電動機的基本控制線路

在交流電機中，轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速始終保持與同步轉(zhuǎn)速相等的一類電機稱為同步電機。按功率轉(zhuǎn)換關(guān)系，同步電機主要有三種運行方式，即作為發(fā)電機、電動機和補償機運行。作為發(fā)電機運行是同步電機最主要的運行方式，作為電動機運行是同步電機的另一種重要的運行方式。同步電動機的功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)，在不要求調(diào)速的場合，應用大型同步電動機可以提高運行效率。近年來，小型同步電動機在變頻調(diào)速系統(tǒng)中開始得到較多地應用。同步電機還可以接于電網(wǎng)作為同步補償機。這時電機不帶任何機械負載，靠調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子中的勵磁電流向電網(wǎng)發(fā)出所需的感性或者容性無功功率，以達到改善電網(wǎng)功率因數(shù)或者調(diào)節(jié)電網(wǎng)電壓的目的。

第一節(jié)學習目的和要求

一、學習目的和要求

1．熟悉同步電動機起動時自動加入勵磁的原理。2．熟悉同步電動機起動控制線路的工作原理。3．熟悉同步電動機的起動方法。

二、參考課時第一章一二合計授課內(nèi)容同步電動機的起動同步電動機的制動控制總學時理論學時實訓學時622422

第二節(jié)學習與訓練指導

本章重點

同步電動機的起動控制線路同步電動機的制動控制線路

本章難點

同步電動機自動加入勵磁的控制

本章主要學習三相同步電動機的異步起動控制原理和起動過程中轉(zhuǎn)子勵磁電流的加入控制方式，以及同步電動機的制動控制線路。

一、重點內(nèi)容

同步電動機的起動方法有兩種：一種是輔助電機法起動；一種是異步起動法起動。按起動時供給定子電壓的方式不同，分為直接起動和降壓起動。直接起動取決于電動機的結(jié)構(gòu)（是否允許直接起動）及線路電壓下降程度等因素。降壓起動有定子繞組串電阻或電抗器降壓起動，自耦變壓器降壓起動等方法。

同步電動機降壓起動時，按轉(zhuǎn)子加入勵磁的時間分為輕載起動和重栽起動。輕載起動是同步電動機在降低了定子電壓的情況下加速到同步轉(zhuǎn)速，供給勵磁，使電動機進入同步，然后再接入全電壓。輕載起動時可以減小勵磁接入時引起的電流沖擊，但起動轉(zhuǎn)矩較小，僅適用于輕載或空載起動。

重載起動分兩步進行，先降壓起動，待電動機轉(zhuǎn)動后再加全壓使電動機加速到準同步轉(zhuǎn)速，然后再供給勵磁。牽入同步運行。若直接加全壓起動，起動電流太大，可能會影響電機的壽命或者造成其他設備不能正常工作。若起動中不加全壓，因為起動轉(zhuǎn)矩與電壓的平方成正比，由于負載重不能加速到準同步轉(zhuǎn)速，也就不能牽入同步運行。

二、難點分析

同步電動機自動加入勵磁原理是同步電動機起動控制線路分析的基礎，必須在充分理解的基礎上再展開對同步電動機起動控制線路原理的分析。

同步電動機起動時，它的勵磁繞組要串入大約10倍勵磁繞組電阻值的附加電阻構(gòu)成閉合回路，達到既能降低勵磁繞組感應電勢，又能保證同步電動機有足夠起動轉(zhuǎn)矩的目的。待起動到接近同步轉(zhuǎn)速時，再把所串的電阻去除，通以直流勵磁電流，電動機自動牽入同步，完成起動過程。

教材對按定子電流原則自動加入勵磁起動控制線路的工作原理進行了詳細的分析。要對照原理圖來掌握這部分內(nèi)容。

三、學習方法

1．抓住重點同步電動機的起動和制動控制線路原理是本章學習的重點內(nèi)容。同步電動機沒有起動轉(zhuǎn)矩，所以不能自行起動。在生產(chǎn)中廣泛采用異步起動法。在同步電動機設計和制造時，在轉(zhuǎn)子上加裝一套籠型起動繞組。這樣一來，當同步電動機定子繞組接到電源上時，由起動繞組的作用，產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，，使電動機能自行起動。這個過程和異步電動機的起動過程完全一致。當起動的最終轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的95%左右時，給同步電動機的勵磁繞組通入直流電流，轉(zhuǎn)子即刻自動牽入同步，以同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。

同步電動機的制動均采用能耗制動。制動時，首先切斷運轉(zhuǎn)的同步電動機定子繞組的交流電源，然后將定子繞組接入一組外接電阻R（或頻敏變阻器）上，并保持轉(zhuǎn)子勵磁繞組的直流勵磁。這時，勵磁繞組電流產(chǎn)生的恒定磁場，繼續(xù)隨著轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)動在氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場切割定子三相繞組時，在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢及電流，該電流在固定磁場作用下產(chǎn)生電磁力矩，此力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反，從而使轉(zhuǎn)子較快的停止轉(zhuǎn)動。同步電動機能耗制動時，將轉(zhuǎn)動的機械能變換成電樞中的電能，最終變?yōu)闊崮芟�耗在電阻R上。

2．突破難點內(nèi)容同步電動機自動加入勵磁的控制是本章學習的難點內(nèi)容。同步電動機作異步啟動時，定子繞組的電流很大。但隨著轉(zhuǎn)速的升高，電流逐漸減小。當轉(zhuǎn)速達到準同步轉(zhuǎn)速時，電流明顯減小。所以可用定子電流值來反映電動機的轉(zhuǎn)速狀況。按定子電流的大小加入勵磁。

四、訓練要點

1．開展參觀學習，到工廠或高校參觀同步電動機的啟動、制動運行。2．結(jié)合實際條件，在指導教師的教學演示過程中，根據(jù)所學知識和老師的講解，認真觀察同步電動機的啟動、制動試驗過程。

3．有條件的地方進行這一課題的技能訓練：三相同步電動機異步起動控制線路的安裝接線與試車。

五、注意事項

1．同步電動機起動時，勵磁繞組既不能開路，也不能短路。

2．同步電動機起動時，必須待轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速的95%或以上時再通入勵磁直流電流。

第三節(jié)知識拓展

一、同步電機的基本結(jié)構(gòu)

同步電機的結(jié)構(gòu)形式有兩種，一種是旋轉(zhuǎn)電樞式，即把三相繞組裝在轉(zhuǎn)子上，磁極裝在定子上；另一種是旋轉(zhuǎn)磁極式，它與前者相反，把磁極裝在轉(zhuǎn)子上，三相繞組裝在定子上。后一種結(jié)構(gòu)的同步電機，由于磁極裝在轉(zhuǎn)子上，其電壓和容量常比電樞小得多，所以電刷和集電環(huán)的負荷和工作條件就大為減輕和改善，因而廣泛用于大、中型同步電機中，已成為同步電機的基本結(jié)構(gòu)形式。

在旋轉(zhuǎn)磁極式中，按照磁極的形狀又可分為隱極式和凸極式兩種。隱極式的轉(zhuǎn)子上沒有明顯凸出的磁極，其氣隙是均勻的，轉(zhuǎn)子成圓柱形。凸極式的轉(zhuǎn)子上有明顯凸出的磁極，氣隙不均勻，極弧下氣隙較小，極間部分氣隙較大。二、三相同步發(fā)電機的工作原理

同步發(fā)電機主要是由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。同步發(fā)電機的定子上裝有一套在空間上彼此相差120電角度的三相對稱繞組（圖中繞組均畫在各相繞組軸線上）；轉(zhuǎn)子磁極（簡稱主極）上裝有勵磁繞組，由直流電勵磁。當勵磁繞組中通有直流電流時，就在氣隙中產(chǎn)生恒定的主極磁場。若用原動機拖動發(fā)電機轉(zhuǎn)子恒速旋轉(zhuǎn)時，主極產(chǎn)生的恒定磁場就隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動在氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場。該磁場切割定子三相繞組時，在定子繞組中就會感應出交變電勢。設氣隙磁場沿圓周在空間按正弦規(guī)律分布，則各相繞組中產(chǎn)生的交變電勢也隨時間按正弦規(guī)律分布，即：

e=Emsinωt

式中Em繞組相電勢的最大值

ω交變電勢的角頻率，ω=2πf。其中f即為電勢的頻率，單位為赫茲。由于三相繞組在空間彼此互差120電角度，因此，定子三相電勢大小相等，相位彼此相差120電角度。設U相的初相角為零，則三相電勢的瞬時值為：

eU=EmsinωteV=Emsin(ωt-120)eW=Emsin(ωt-240)

這樣，在同步發(fā)電機的定子繞組中就產(chǎn)生了三相對稱電勢，若定子繞組接上負載，則同步發(fā)電機就會向負載輸出三相交流電流，從而將轉(zhuǎn)子上的機械能轉(zhuǎn)換為電能輸出。

三相電勢的頻率可以這樣決定：當轉(zhuǎn)子為一對極時，轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，繞組中的感應電勢就正好交變一次（一個周波）；當電機有p對極時，則轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，

n感應電勢交變p次（即p個周波）；設轉(zhuǎn)子每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)為n，則轉(zhuǎn)子每秒鐘旋轉(zhuǎn)

60pn轉(zhuǎn)，因此感應電動勢每秒交變次，即電勢的頻率為：

60pnf赫

60從上式可以看出，同步發(fā)電機輸出電壓的頻率等于電機的極對數(shù)p與轉(zhuǎn)子每

n秒鐘轉(zhuǎn)速的乘積。我國國家標準規(guī)定工業(yè)交流電的頻率為50赫茲，因此電機

60的極對數(shù)和轉(zhuǎn)速成反比關(guān)系。例如：在汽輪發(fā)電機中，如果n=3000轉(zhuǎn)/分，則電機為一對極；n=1500轉(zhuǎn)/分，電機為兩對極。所以電機的轉(zhuǎn)速越低，則極對數(shù)越多。

三、同步電動機功率因數(shù)的調(diào)整

與異步電動機相似，同步電動機接至電網(wǎng)運行時，其外接電源電壓U由定子繞組產(chǎn)生的反電勢和內(nèi)阻抗壓降來平衡。它們之間的電壓平衡關(guān)系可由下式表示

.UE0RaIjxtI

....上式中，E0為定子繞組切割轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場產(chǎn)生的反電勢；RaI為定子電流在

jxtI為定子繞組的電抗壓降，定子繞組內(nèi)產(chǎn)生的內(nèi)阻壓降。當忽略定子繞組電阻時，

...定子繞組電流I將滯后于jxtI90。

..

圖5.1同步電動機定子電壓、電流向量圖

..對應于上式的向量圖如圖5.1所示。電勢E0與外加電壓U之間的夾角θ稱為

..同步電動機的功角；電壓U與電流I之間的夾角φ即為功率因數(shù)角。

更深入的分析表明：在外加電壓一定，并忽略定子繞組電阻時，同步電動機的電磁功率與反電勢和功角的正弦的乘積成正比，即：

Pem=KE0sinθ

式中，K與電機結(jié)構(gòu)和外加電壓有關(guān)的常數(shù)

下面，我們進一步分析當外加電壓一定、電動機的機械負載一定時，同步電動機的無功功率隨勵磁電流變化的規(guī)律。

當同步電動機的負載功率不變時，如果忽略定子繞組的電阻的影響，則電動機的電磁功率、輸入功率均為常數(shù)，改變勵磁電流的大小，可使同步電動機處于正常勵磁、過勵和欠勵三種勵磁狀態(tài)。

..同步電動機正常勵磁時，定子電流I與電壓U同相，為純有功電流，同步電動機僅從電網(wǎng)吸取有功功率，電動機表現(xiàn)為電阻性負載。

.若在正常勵磁的基礎上，增大勵磁電流，則電動機將處于過勵狀態(tài)，這時I將.超前于U，電動機除向電網(wǎng)吸取一定的有功功率外，同時還向電網(wǎng)吸取一定的容性無功功率，電動機表現(xiàn)為電容性負載。

.若在正常勵磁的基礎上，減小勵磁電流使電動機處于欠勵狀態(tài)，這時，I將滯后于U一個角度，電動機除向電網(wǎng)吸取有功功率外，還向電網(wǎng)吸取一定的感性無功功率，電動機表現(xiàn)為電感性負載。

綜上所述可知，改變同步電動機的勵磁電流，即可改變其功率因數(shù)。正常勵磁時，電動機為電阻性負載。功率因數(shù)為1；欠勵時，電動機為感性負載，功率因數(shù)小于1，要向電網(wǎng)吸取一定的感性無功功率，這是很不利的，同步電動機一般不允許欠勵運行。過勵時，電動機為容性負載，向電網(wǎng)吸取一定的容性無功功率，換句話說，即電動機向電網(wǎng)輸出感性無功功率，這一點對電網(wǎng)十分有利，因為電網(wǎng)上通常有大量的感性負載，需要吸收大量的感性無功功率，使輸電線的電流增大，增加了線路損耗。如果在同一工廠中或附近工廠中，使用了大容量的同步電動機，而且令其在過勵狀態(tài)下工作，則同步電動機能向附近的感性負載提供感性無功功率，使負載所需的感性無功功率不必從發(fā)電廠送來，于是減小了輸電線的電流，降低了線路損耗，充分發(fā)揮了發(fā)電機的利用率。

四、同步補償機

同步電動機在過勵狀態(tài)下運行，可以輸出感性的無功功率，提高電網(wǎng)的功率因數(shù)。根據(jù)這一特性，人們專門制造了一種同步電動機，使其在過勵狀態(tài)下運轉(zhuǎn)而不帶任何機械負載，用來向電網(wǎng)輸出感性無功功率，專門吸收超前的無功電流，用來改善（補償）電網(wǎng)的功率因數(shù)。這種同步電動機就稱為同步補償機，又稱同步調(diào)相機。由此來看，同步補償機實際上就是一臺在空載情況下運行的同步電動機。它從電網(wǎng)吸收的有功功率僅提供給電機本身的損耗，因此同步補償機總是在接近于零的電磁功率和零功率因數(shù)的情況下運行。其補償原理如下：

.

圖5.2同步補償機的電壓、電流向量圖

忽略補償機的全部功耗，圖5.2是同步補償機的電壓、電流向量圖。由圖可見，過勵時，電流I超前U90°，而欠勵時，電流I滯后U90°。所以只要調(diào)節(jié)勵磁電流，就能靈活地調(diào)節(jié)它的無功功率的性質(zhì)和大小。電網(wǎng)中的負載大部分為感性負載，例如電動機變壓器等。當負載變化較大時，功率因數(shù)也會發(fā)生較大的變化，將在電網(wǎng)中引起較大的電壓波動，造成許多設備不能正常工作。如果在用戶端接入同步補償機，在電網(wǎng)感性負載較大引起電網(wǎng)電壓下降時，同步補償機工作在過

....勵狀態(tài)，提高電網(wǎng)功率因數(shù)，維持負載端電壓基本不變；在電網(wǎng)輕載時，同步補償機工作在欠勵狀態(tài)，以抵消電網(wǎng)線路電容效應造成的電壓升高。

第四節(jié)習題與思考題選解

一、教材中的習題解答

5-1.如何解決同步電動機不能自行起動的問題？

答：由于同步電動機沒有起動轉(zhuǎn)矩，所以不能自行起動。這給使用帶來極大的不方便。為了解決起動的問題，主要采用兩種方法：一種是輔助電動機起動法，這種方法由于需要一臺起動用的輔助電動機，設備多，操作復雜，故已基本不采用；另一種是異步起動法。這種方法不需另加設備，操作簡單，而在生產(chǎn)中被廣泛采用。在同步電動機設計和制造時，在轉(zhuǎn)子上加裝一套籠型起動繞組。這樣，當同步電動機定子繞組接到電源上時，由起動繞組的作用，產(chǎn)生起動轉(zhuǎn)矩，使電動機能自起動，此過程和異步電動機的起動過程完全一致。一般起動的最終轉(zhuǎn)速達同步轉(zhuǎn)速的95%左右，然后給同步電動機的勵磁繞組通入直流電流，轉(zhuǎn)子即刻自動牽入同步，以同步轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)。

5-2.同步電動機的制動控制是如何實現(xiàn)的？分析教材中圖5．3的工作原理。答：同步電動機的制動均采用能耗制動。制動時，首先切斷運轉(zhuǎn)的同步電動機定子繞組的交流電源，然后將定子繞組接入一組外接電阻R（或頻敏變阻器）上，并保持轉(zhuǎn)子勵磁繞組的直流勵磁。這時，勵磁繞組電流產(chǎn)生的恒定磁場，繼續(xù)隨著轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)動在氣隙中形成旋轉(zhuǎn)磁場，該磁場切割定子三相繞組時，在定子繞組中產(chǎn)生感應電動勢及電流，該電流在固定磁場作用下產(chǎn)生電磁力矩，此力矩與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反，從而使轉(zhuǎn)子較快的停止轉(zhuǎn)動。同步電動機能耗制動時，將轉(zhuǎn)動的機械能變換成電樞中的電能，最終變?yōu)闊崮芟�耗在電阻R上。

同步電動機能耗制動的工作原理：

當同步電動機正常運行時，若斷開電源開關(guān)QS1，則同步電動機定子繞組斷電。同步電動機轉(zhuǎn)子仍在慣性運轉(zhuǎn)。此時合上開關(guān)QS2，使定子繞組接入外接電阻。通有直流勵磁電流的轉(zhuǎn)子繞組繼續(xù)隨著轉(zhuǎn)子的慣性轉(zhuǎn)動，在氣隙中形成的旋轉(zhuǎn)磁場切割定子三相繞組，產(chǎn)生與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動方向相反的制動力矩，從而使轉(zhuǎn)子較快的停止轉(zhuǎn)動。

第五節(jié)實訓范例

一、實訓目的和要求了解三相同步電動機的異步起動方法。

二、實訓內(nèi)容

1．按教材表51選配電器元件，并檢查元件質(zhì)量。

2．根據(jù)教材圖5．4所示電路圖在控制板上合理布置和牢固安裝電器元件。3．安裝電動機。4．進行正確接線。

5．接線完畢，采用自檢、互檢的方式進行檢查，有問題時，由指導教師現(xiàn)場指導。

6．檢查無誤后通電試車。其具體操作如下：

（1）根據(jù)勵磁繞組電阻的阻值調(diào)節(jié)變阻器R1和R2的的阻值。（2）把QS合向上方，變阻器R1接入勵磁繞組。接通三相同步電動機電源進行異步啟動。

（3）觀察電壓表V和電流表A1的讀數(shù)變化情況，用轉(zhuǎn)速表測量其轉(zhuǎn)速。（4）當電動機轉(zhuǎn)速接近同步轉(zhuǎn)速時（約1425r/min左右），把開關(guān)QS迅速從上方扳向下方，同步電動機勵磁繞組加入直流勵磁，牽入同步運行，異步起動過程結(jié)束。

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