電機(jī)與電力拖動1.他勵直流電機(jī)的起動他勵直流電機(jī)的起動核心定義與起動難點(diǎn)起動是指電機(jī)從靜止?fàn)顟B(tài)（n=0）開始，在控制下逐漸加速至額定轉(zhuǎn)速nN

的過程，核心是“控制起動電流，保證足夠起動轉(zhuǎn)矩”?核心定義起動瞬間n=0→反電動勢Ea=CeΦn=0?由電樞電壓平衡方程Ua=Ea+IaRa→起動電流Ist=Ua/Ra（Ra

為電樞電阻，通常很小，約為額定電阻的0.01-0.05倍）?關(guān)鍵難點(diǎn)：直接起動的危害（源于n=0時的特性）?電流過大：Ist=10-20IN（如220V電機(jī)Ra=0.5Ω，Ist=440A，遠(yuǎn)超額定電流20A），導(dǎo)致繞組過熱燒毀、換向器火花過大?轉(zhuǎn)矩沖擊：Te=CTΦIa，Ist

過大→Tst=10-20TN，導(dǎo)致機(jī)械部件（齒輪、聯(lián)軸器）沖擊損壞?危害他勵直流電機(jī)的起動起動的基本要求為避免起動故障，需滿足3個核心要求限制起動電流：Ist≤2-2.5IN（既保護(hù)繞組，又保證足夠轉(zhuǎn)矩）?保證足夠起動轉(zhuǎn)矩：Tst≥1.1-1.2TL（TL為負(fù)載轉(zhuǎn)矩，確保電機(jī)能順利帶動負(fù)載起動）?起動過程平穩(wěn)：轉(zhuǎn)速逐步升高，無轉(zhuǎn)矩或電流突變（避免機(jī)械沖擊，適配精密設(shè)備）?補(bǔ)充：他勵電機(jī)起動的天然優(yōu)勢——勵磁電流If獨(dú)立可控，可預(yù)先通勵磁（“先勵磁后電樞”），保證Φ恒定，避免因Φ過小導(dǎo)致Ist進(jìn)一步增大（飛車隱患）?他勵直流電機(jī)的起動無需附加設(shè)備，直接將電樞繞組接額定電壓Ua，勵磁繞組預(yù)先通額定電流IfN（保證Φ恒定）?。原理直接起動僅適用于小功率電機(jī)（PN≤1kW），如小型玩具電機(jī)、微型風(fēng)機(jī)（Ra

相對較大，Ist=Ua/Ra≤2.5IN）?適用場景優(yōu)點(diǎn)：電路簡單（無附加電阻）、操作方便、成本低?缺點(diǎn)：Ist

過大，轉(zhuǎn)矩沖擊強(qiáng)，不適用于大功率或精密設(shè)備優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)他勵直流電機(jī)的起動在電樞回路串聯(lián)分級起動電阻Ra，通過逐步切除Ra，限制每級起動電流Ist≤2.5IN，轉(zhuǎn)速逐步升高。原理電樞回路串電阻起動（分級起動）他勵直流電機(jī)電樞串電阻啟動原理圖他勵直流電機(jī)的起動起動初期：串入全部Ra1+Ra2，Ist1=Ua/(Ra+Ra1+Ra2)≈2IN?轉(zhuǎn)速升高：Ea

增大→Ia

減小，當(dāng)Ia

降至I2≈1.1IN時，切除Ra2重復(fù)操作：依次切除Ra1，電機(jī)進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行（n=nN，Ia=IN）?分級邏輯優(yōu)點(diǎn)：成本適中，可通過分級控制Ist，適配中小功率電機(jī)（PN=1-10kW）?缺點(diǎn)：電阻損耗大（Ploss=Ia2Ra），起動過程有輕微轉(zhuǎn)矩波動?優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)他勵直流電機(jī)電樞串電阻啟動原理圖電樞回路串電阻起動（分級起動）他勵直流電機(jī)的起動降壓起動通過可調(diào)直流電源（如晶閘管整流器）降低電樞端電壓Ua，起動初期Ua=0.3-0.5UN，Ist=Ua/Ra≤2IN；隨著n升高，Ea增大，逐步升高Ua至UN，實(shí)現(xiàn)平滑起動?。原理優(yōu)點(diǎn)：Ist連續(xù)可控，起動過程平穩(wěn)（無轉(zhuǎn)矩突變），無電阻損耗，適配大功率電機(jī)（PN≥10kW）或精密設(shè)備（如機(jī)床主軸）?。缺點(diǎn)：需附加可調(diào)電源（如晶閘管裝置），成本較高，電路復(fù)雜度增加?。優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)大型工業(yè)設(shè)備，如軋鋼機(jī)、重型機(jī)床、電梯驅(qū)動（需平穩(wěn)起動且功率大）?應(yīng)用場景內(nèi)容小結(jié)三種起動方法對比方法適用功率起動電流控制成本損耗

平穩(wěn)性直接起動PN≤1kW無控制（Ist

大）低

?。ǘ虝r間）差

串電阻起動1kW≤PN≤10kW分級控制（Ist=2-2.5IN）中

大（電阻損耗）一般降壓起動

P_N≥10kW連續(xù)控制（Ist=1.5-2IN）高?。o額外損耗）好核心邏輯：起動的關(guān)鍵是“限制Ist，保證Tst”，他勵電機(jī)需“先勵磁后電樞”?。方法選擇：按功率與平穩(wěn)性需求，小功率選直接，中小功率選串電阻，大功率選降壓。?內(nèi)容小結(jié)某他勵直流電機(jī)Ua=220V，Ra=0.5Ω，IN=20A，直接起動時Ist

為多少？是否超過2.5IN？?課后作業(yè)為何他勵直流電機(jī)起動前必須先通勵磁電流？若“先電樞后勵磁”，會導(dǎo)致什么后果？?為15kW他勵直流電機(jī)設(shè)計(jì)起動方案，說明選擇的起動方法、理由及關(guān)鍵參數(shù)（如起動電阻值或初始電壓）2.他勵直流電機(jī)的調(diào)速他勵直流電機(jī)的調(diào)速核心定義與調(diào)速指標(biāo)調(diào)速是指在負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL

不變的條件下，通過改變電機(jī)參數(shù)（如電樞電阻、電壓、勵磁電流），使電機(jī)轉(zhuǎn)速n在所需范圍內(nèi)變化的過程（實(shí)現(xiàn)“無級”或“分級”轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)）?調(diào)速范圍D：D=nmax/nmin（電機(jī)能穩(wěn)定運(yùn)行的最高轉(zhuǎn)速與最低轉(zhuǎn)速之比，如機(jī)床主軸D=10~100）?靜差率s：s=(n0-n)/n0×100%（負(fù)載變化時轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速的比值，s越小，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性越好）?平滑性：分級調(diào)速時，相鄰兩級轉(zhuǎn)速的比值（比值越接近1，平滑性越好；無級調(diào)速平滑性最優(yōu)）?經(jīng)濟(jì)性：調(diào)速過程中的能耗、設(shè)備成本（如電阻調(diào)速能耗大，降壓調(diào)速成本高）?關(guān)鍵調(diào)速指標(biāo)調(diào)速方法一電樞回路串電阻調(diào)速操作：保持電樞電壓Ua、勵磁電流If（Φ）不變，在電樞回路串聯(lián)可調(diào)電阻Rad?調(diào)速邏輯：Rad

增大→電樞總電阻Ra+Rad

增大→機(jī)械特性曲線斜率增大（特性變軟）→在相同TL

下，n降低（n隨Rad

增大而減?。?原理（基于機(jī)械特性方程n=n0-(RaTe)/(CeCTΦ2)）降壓調(diào)速特性曲線

串電阻調(diào)速電路理想空載轉(zhuǎn)速n0=Ua/(CeΦ)不變（與Rad

無關(guān)），不同Rad

對應(yīng)不同斜率的特性曲線，TL

不變時，n沿“垂直于Te

軸的直線”下降?特性曲線變化調(diào)速方法一電樞回路串電阻調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：電路簡單（僅需串電阻）、成本低、操作方便（分級調(diào)節(jié)Rad）?缺點(diǎn)：①能耗大（Ploss=Ia2Rad）；②靜差率大（特性軟，TL

變化時n波動大）；③平滑性差（分級調(diào)速，無法無級調(diào)節(jié)）?優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)降壓調(diào)速特性曲線

串電阻調(diào)速電路對調(diào)速平滑性、能耗要求低的中小功率設(shè)備，如小型起重機(jī)、卷揚(yáng)機(jī)（僅需分級調(diào)速，短時工作）?應(yīng)用場景調(diào)速方法二降低電樞端電壓調(diào)速操作：保持勵磁電流If（Φ）、電樞電阻Ra不變，通過可調(diào)直流電源降低電樞端電壓Ua?調(diào)速邏輯：Ua

降低→理想空載轉(zhuǎn)速n0=Ua/(CeΦ)成比例降低→機(jī)械特性曲線平行下移（斜率不變，特性硬度不變）→在相同TL

下，n成比例降低?原理（基于機(jī)械特性方程）降壓調(diào)速特性曲線不同Ua

對應(yīng)“平行下移的硬特性曲線”，TL

不變時，n沿“平行于n軸的直線”下降，靜差率小（特性硬，n波動?。?特性曲線變化調(diào)速方法二降低電樞端電壓調(diào)速優(yōu)點(diǎn)：①平滑性好（Ua

可無級調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)無級調(diào)速）；②靜差率小（特性硬，轉(zhuǎn)速穩(wěn)定）；③能耗低（無額外電阻損耗）?缺點(diǎn)：需附加可調(diào)直流電源（如晶閘管整流器），成本高、電路復(fù)雜度增加?優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)對調(diào)速平滑性、轉(zhuǎn)速穩(wěn)定性要求高的設(shè)備，如機(jī)床主軸、精密輸送帶、電梯（需無級調(diào)速，長期運(yùn)行）?應(yīng)用場景降壓調(diào)速特性曲線調(diào)速方法三減弱勵磁磁通調(diào)速操作：保持電樞電壓Ua、電樞電阻Ra不變，通過增大勵磁回路電阻Rf

降低勵磁電流If，減弱主磁通Φ?調(diào)速邏輯：Φ減小→理想空載轉(zhuǎn)速n0=Ua/(CeΦ)顯著升高→機(jī)械特性曲線斜率增大（特性變軟）→在相同TL下，n升高（弱磁升速）?原理（基于機(jī)械特性方程）弱磁調(diào)速特性曲線Φ不能過小：Φ減小→Ia=TL/(CTΦ)增大（TL不變時），Ia

超過IN

會燒毀繞組，故Φmin

需保證Ia≤1.2IN?調(diào)速范圍：通常為1.5-3倍額定轉(zhuǎn)速（nmax≤3nN）?關(guān)鍵限制（避免“飛車”）調(diào)速方法三優(yōu)點(diǎn)：①調(diào)速平滑性好（Rf可無級調(diào)節(jié)，Φ無級變化）；②能耗低（僅勵磁回路有少量損耗）；③適合高速運(yùn)行需求?缺點(diǎn)：①轉(zhuǎn)速升高后特性變軟（靜差率增大）；②有飛車風(fēng)險(xiǎn)（Φ過小導(dǎo)致n急劇升高）?優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)需高速運(yùn)行的設(shè)備，如機(jī)床主軸（精加工時需高速切削）、離心分離機(jī)（高速分離物料）?應(yīng)用場景弱磁調(diào)速特性曲線減弱勵磁磁通調(diào)速三種調(diào)速方法的對比對比項(xiàng)電樞串電阻調(diào)速

降低電樞電壓調(diào)速減弱勵磁磁通調(diào)速調(diào)速方向降速（n＜nN）

降速（n＜nN）升速（n＞nN）特性硬度軟（靜差率大）硬（靜差率?。?/p>

軟（高速時靜差率大）平滑性差（分級）好（無級）好（無級）能耗大（電阻損耗）低（無額外損耗）中（勵磁電阻+保護(hù)裝置）設(shè)備成本低（僅需電阻）

高（可調(diào)電源）中（勵磁電阻+保護(hù)裝置）典型應(yīng)用小型起重機(jī)機(jī)床主軸、電梯機(jī)床高速切削、離心機(jī)內(nèi)容小結(jié)調(diào)速核心：基于機(jī)械特性方程，通過改變Ra、Ua、Φ三個變量實(shí)現(xiàn)調(diào)速，分別對應(yīng)“串電阻降速”“降壓降速”“弱磁升速”?。小結(jié)方法選擇：降速優(yōu)先選降壓調(diào)速（平滑、節(jié)能），高速選弱磁調(diào)速（適合高速需求），低成本場景選串電阻調(diào)速?。安全關(guān)鍵：弱磁調(diào)速需限制Φmin，避免飛車；串電阻調(diào)速需控制Ia，避免過熱。內(nèi)容小結(jié)某他勵直流電機(jī)Ua=220V，Ra=0.5Ω，Ce=0.14V/(r?min?1)，Φ=0.02Wb，TL=10N?m時n=1500r/min。若串聯(lián)Rad=1Ω，求此時轉(zhuǎn)速n（忽略電樞反應(yīng)）?課后作業(yè)為何弱磁調(diào)速只能用于升速（n＞nN），不能用于降速（n＜nN）？結(jié)合機(jī)械特性方程說明理由?。為機(jī)床主軸設(shè)計(jì)調(diào)速方案（需覆蓋n=500-3000r/min，nN=1500r/min），說明選擇的調(diào)速方法組合、理由及關(guān)鍵參數(shù)。3.他勵直流電動機(jī)的制動他勵直流電動機(jī)的制動核心定義與制動目的制動是指通過特定控制方式，使電機(jī)產(chǎn)生與旋轉(zhuǎn)方向相反的電磁轉(zhuǎn)矩Te（制動轉(zhuǎn)矩），從而使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低、停止，或限制轉(zhuǎn)速升高（如重物下放時）的過程?核心定義快速停車：縮短設(shè)備停機(jī)時間，提升生產(chǎn)效率（如機(jī)床換刀時需快速停轉(zhuǎn)）?限制轉(zhuǎn)速：防止轉(zhuǎn)速過高（如起重機(jī)下放重物時，避免“飛車”）?穩(wěn)定負(fù)載：使負(fù)載勻速運(yùn)行（如電梯下放時，保持速度穩(wěn)定）?制動目的（3大核心需求）起動：Te

與n同向（驅(qū)動轉(zhuǎn)矩，加速）?制動：Te

與n反向（制動轉(zhuǎn)矩，減速或穩(wěn)速）?制動與起動的本質(zhì)區(qū)別制動方法一能耗制動操作步驟：切斷電樞電源Ua，保持勵磁電流If

不變（Φ恒定），將電樞繞組接入制動電阻Rb?。制動邏輯：電機(jī)靠慣性繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割磁場產(chǎn)生反電動勢Ea（方向不變），Ea

驅(qū)動電樞電流Ia

流過Rb，Ia

方向與原運(yùn)行時相反→Te=CTΦIa

方向與n相反（制動轉(zhuǎn)矩），動能轉(zhuǎn)化為電阻熱能消耗。原理制動電流：Ib=Ea/(Ra+Rb)=CeΦn/(Ra+Rb)（n降低→Ib

減小→Te

減小，制動平穩(wěn)）?關(guān)鍵公式制動方法一能耗制動優(yōu)點(diǎn)：制動平穩(wěn)（無沖擊）、電路簡單、無附加設(shè)備成本?缺點(diǎn)：制動轉(zhuǎn)矩隨n降低而減?。ǖ退贂r制動效果弱）、動能全部轉(zhuǎn)化為熱能（能耗大）?優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)要求平穩(wěn)停車的設(shè)備，如機(jī)床主軸、小型輸送帶（無需快速停車，對能耗不敏感）?應(yīng)用場景制動方法二反接制動（電源反接與倒拉反接）原理：保持If不變（Φ恒定），將電樞電源Ua

極性反向，同時串入限流電阻Rb（避免Ia

過大）?制動邏輯：Ua

反向→Ia=(-Ua-Ea)/(Ra+Rb)（Ia

反向→Te

反向），制動轉(zhuǎn)矩大，電機(jī)快速減速；當(dāng)n=0時需立即切斷電源（避免反向起動）?。應(yīng)用：要求快速停車的設(shè)備，如沖壓機(jī)、離心機(jī)?。電源反接制動（快速停車）制動方法二反接制動（電源反接與倒拉反接）原理：保持Ua、If

不變，在電樞回路串入大電阻Rb，電機(jī)帶重載（如起重機(jī)下放重物）時，負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL＞驅(qū)動轉(zhuǎn)矩→n反向（重物下放），Ea

方向反向→Ia=(Ua+Ea)/(Ra+Rb)→Te

反向（制動轉(zhuǎn)矩），限制n升高?。應(yīng)用：起重機(jī)下放重物、電梯下行?。倒拉反接制動（限制重物下放轉(zhuǎn)速）制動方法三回饋制動（能量回饋）觸發(fā)條件：電機(jī)轉(zhuǎn)速n＞理想空載轉(zhuǎn)速n?（n?=Ua/(CeΦ)），如起重機(jī)下放重物時n升高，Ea=CeΦn＞Ua?制動邏輯：Ea＞Ua→電樞電流Ia=(Ea-Ua)/(Ra)（Ia

反向→Te

反向，制動轉(zhuǎn)矩），電樞繞組向電源反饋電能（動能轉(zhuǎn)化為電能回收）原理（能量回收型制動）機(jī)車恒速下坡重物勻速下放制動方法三回饋制動（能量回饋）能耗低（動能部分回收，而非全部消耗）?僅在n＞n0時觸發(fā)（自然形成，無需額外切斷電源）?關(guān)鍵特點(diǎn)機(jī)車恒速下坡重物勻速下放高速降速或重物下放設(shè)備，如電梯下行、電車下坡、大型起重機(jī)（需回收能量，降低能耗）?應(yīng)用場景內(nèi)容小結(jié)三種起動方法對比對比項(xiàng)能耗制動反接制動回饋制動制動轉(zhuǎn)矩大小中（隨n減小而減小)大（沖擊性）中（隨n增大而增大）能量消耗大（動能→熱能）極大（電源+動能→熱能）?。▌幽堋娔芑厥眨┲苿悠椒€(wěn)性好（無沖擊）差（有轉(zhuǎn)矩沖擊）好（自然平穩(wěn)）適用場景平穩(wěn)停車快速停車、重物下放高速降速、能量回收附加設(shè)備制動電阻Rb限流電阻Rb（必需）無需（需滿足n＞n?）

關(guān)鍵注意事項(xiàng)無（自然停車）n=0時需斷電源（防反轉(zhuǎn)）僅在n＞n?時有效內(nèi)容小結(jié)制動核心：Te

與n反向，產(chǎn)生制動轉(zhuǎn)矩，實(shí)現(xiàn)減速、停車或穩(wěn)速?小結(jié)方法選擇：平穩(wěn)停車選能耗制動，快速停車選電源反接制動，能量回收選回饋制動?能耗關(guān)鍵：回饋制動最節(jié)能，反接制動最耗能，需結(jié)合場景權(quán)衡?內(nèi)容小結(jié)某他勵直流電機(jī)Ua=220V，Ra=0.5Ω，Ce=0.14V/(r?min?1)，Φ=0.02Wb，求理想空載轉(zhuǎn)速n0；當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)速n=1800r/min時，能否觸發(fā)回饋制動？說明理由?課后作業(yè)為何電源反接制動在電機(jī)轉(zhuǎn)速降至0時必須切斷電源？若不切斷，會出現(xiàn)什么后果？?為起重機(jī)設(shè)計(jì)下放重物的制動方案，說明選擇的制動方法、理由及關(guān)鍵參數(shù)（如制動電阻值）4.他勵直流發(fā)電機(jī)

運(yùn)行特性基本認(rèn)知結(jié)構(gòu)與工作前提勵磁繞組與電樞繞組獨(dú)立供電（勵磁繞組接專用直流勵磁電源，電樞繞組接負(fù)載），勵磁電流If

不受電樞電壓U影響?核心組件：電樞鐵芯（帶繞組）、勵磁繞組、換向器、電刷（保證電樞輸出直流電壓）?結(jié)構(gòu)特點(diǎn)他勵直流發(fā)電機(jī)原理圖基本認(rèn)知結(jié)構(gòu)與工作前提原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子以恒定轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)（如電動機(jī)、汽輪機(jī)驅(qū)動，n需≥額定轉(zhuǎn)速）?勵磁繞組通入直流電流If，產(chǎn)生主磁通Φ（Φ與If

成正比，忽略磁飽和時Φ=kIf）?電樞繞組切割主磁通，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢Ea（Ea=CeΦn，為負(fù)載供電的基礎(chǔ)）?工作前提（需滿足3個條件)他勵直流發(fā)電機(jī)原理圖特性一空載特性（U?=f(If，n恒定）原動機(jī)拖動發(fā)電機(jī)以額定轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)（n不變）?負(fù)載開路（I=0），調(diào)節(jié)勵磁電流If（從0逐漸增大至額定值IfN），測量對應(yīng)的空載電壓U?（U?=Ea=CeΦn）?實(shí)驗(yàn)條件他勵直流發(fā)電機(jī)空載特性曲線特性一空載特性（U?=f(If，n恒定）不飽和段（If

較小時）：Φ與If

成正比，U0隨If

線性增長（曲線近似直線，斜率為Cen/k）?飽和段（If

增大至一定值）：磁路飽和，Φ增長變慢，U0增長變緩（曲線彎曲，趨近平緩）?過飽和段（If

過大）：磁路深度飽和，Φ幾乎不變，U0趨于恒定（曲線水平）?特性曲線特點(diǎn)（分3段）確定額定勵磁電流IfN（對應(yīng)U0=UN

時的If）?判斷磁路質(zhì)量（飽和段越平緩，磁路飽和程度越高）實(shí)用意義他勵直流發(fā)電機(jī)空載特性曲線特性二外特性（U=f(I)，n、If

恒定）轉(zhuǎn)速n維持額定值nN（原動機(jī)調(diào)速保證）?勵磁電流If

固定為額定值IfN（勵磁電源穩(wěn)壓保證）?逐漸減小負(fù)載電阻RL，增大負(fù)載電流I，測量對應(yīng)的端電壓U（U=Ea-IRa-ΔUar，ΔUar

為電樞反應(yīng)附加壓降）?實(shí)驗(yàn)條件他勵直流發(fā)電機(jī)外特性曲線特性二外特性（U=f(I)，n、If

恒定）負(fù)載電流I增大時，端電壓U逐漸下降（原因：①電樞電阻壓降IRa

增大；②電樞反應(yīng)使主磁通Φ減小，Ea下降）?電壓調(diào)整率ΔU%=(U0-UN)/UN×100%（他勵直流發(fā)電機(jī)ΔU%≈5%-1