直流电路及其特性

特性 直流电机 主要由励磁线圈的导通方式决定。根据这一点，电动机有以下区别：

1.独立励磁：励磁线圈由外接直流电源（励磁机或整流器）供电，

2.并联励磁：励磁绕组与电枢绕组并联，

3.串联励磁：励磁绕组与电枢绕组串联，

4、混合励磁：有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，一个与电枢绕组串联。

所有这些电动机都具有相同的装置，仅在励磁线圈的结构上有所不同。这些电动机的励磁绕组的执行方式与 各自的发电机.

自励直流电动机

在这个电动机中（图1、a）电枢绕组接电压为U的主直流电源（直流电网、发电机或整流器），励磁绕组接电压为UB的辅助电源。励磁线圈电路中包括调节变阻器Rp，电枢线圈电路中包括启动变阻器Rn。

调节变阻器用于调节电动机的电枢转速，启动变阻器用于限制启动时电枢绕组中的电流。电动机的一个特征是其励磁电流 Iv 不依赖于电枢绕组中的电流 Ii（负载电流）。因此，忽略电枢反应的退磁效应，我们可以近似假设电机磁通 F 与负载无关。电磁力矩 M 和速度 n 对电流 I 的依赖性将是线性的（图 2，a）。因此，发动机的机械特性也将是线性的——依赖性 n (M)（图 2，b）。

如果电枢电路中没有电阻为 Rn 的变阻器，速度和机械特性将是刚性的，即与水平轴的倾角很小，因为电机绕组中的电压降 IяΣRя 包含在额定负载下的电枢回路仅为Unom的3-5%。这些特性（图 2 中的直线 1，a 和 b）称为自然特性。当电枢回路中加入电阻为Rn的变阻器时，这些特性的倾角增大，由此可得到变阻器特性族2、3、4，分别对应不同的值Rn1、Rn2 和 Rn3。

米。 1.独立（a）和并联（b）励磁的直流电机示意图

米。 2、独立并联励磁直流电动机的特性：a——转速和转矩，b——机械，c——工作电阻Rn越大，变阻器的特性倾角越大，即更柔软。

调节变阻器 Rpv 可以改变电机励磁电流 Iv 及其磁通量 F。在这种情况下，旋转频率 n 也会发生变化。

励磁线圈回路中没有安装开关和熔断器，因为当该回路中断时，电动机的磁通量急剧下降（其中仅剩剩磁通量）并出现紧急模式。如果电电机在空转或轴上轻载运行，然后速度急剧增加（电机移动）。在这种情况下，电枢绕组Iya中的电流显着增加，并可能发生全面火灾。为避免这种情况，保护装置必须断开电动机与电源的连接。

励磁线圈电路中断时转速急剧增加的原因是，在这种情况下，磁通量 Ф（高达来自剩磁的 Fost 磁通量值）和 e。 ETC。 v. E 和电流 Iya 增加。并且由于施加电压U保持不变，旋转频率n将增加到e。 ETC。 c. E 不会达到约等于 U 的值（这是电枢电路平衡状态所必需的，其中 E = U — IяΣRя。

当轴负载接近额定值时，如果励磁电路发生断路，电动机将停止，因为电动机可以产生的电磁力矩随着磁通量的显着减少而减小并变得小于扭矩的轴负载。在这种情况下，电流 Iya 也会急剧增加，机器必须与电源断开。

需要说明的是，转速n0对应于电机不消耗电网电能、电磁力矩为零时的理想怠速。在实际情况下，在怠速模式下，发动机从网络消耗怠速电流 I0，这是补偿内部功率损耗所必需的，并产生一定的扭矩 M0，这是克服机器中的摩擦力所必需的。因此，实际上怠速小于n0。

根据所考虑的关系，转速 n 和电磁力矩 M 与电机轴的功率 P2（图 2，c）的相关性是线性的。电枢绕组电流 Iya 和功率 P1 对 P2 的依赖性实际上也是线性的。 P2 = 0 时的电流 I 和功率 P1 表示空闲时消耗的空闲电流 I0 和功率 P0。效率曲线是所有电机的特征。

电动机直流并联励磁

在该电动机中（见图 1，b），励磁绕组和电枢由同一电源供电，电压为 U。调节变阻器 Rpv 包含在励磁绕组和启动变阻器 Rp 的电路中包含在锚上的绕组电路中。

在所考虑的电动机中，电枢和励磁绕组电路基本上是分开供电的，因此励磁电流 Iv 不依赖于电枢绕组电流 Iv。因此，并联励磁电动机将具有与独立励磁电动机相同的特性。然而，并联励磁电动机只有在由恒压直流电源供电时才能正常运行。

当电动机由具有不同电压的电源（发电机或可控整流器）供电时，电源电压 U 的降低导致励磁电流 Ic 和磁通量 Ф 相应降低，从而导致电枢增加绕组电流 Iya。这限制了通过改变电源电压U来调节电枢转速的可能性。因此，设计为由发电机或可控整流器供电的电动机必须具有独立励磁。

电动机直流串励

为了限制启动电流，启动变阻器 Rp（图 3，a）包含在电枢绕组（图 3，a）的电路中，并通过调节变阻器来调节与励磁绕组并联的旋转速度可以包括 Rpv。

米。 3. 串联励磁直流电机示意图（a）及其磁通量Ф对电枢绕组中电流I的依赖性（b）

米。 4、顺序励磁直流电动机的特点：a——高速大扭矩，b——机械式，c——工人。

该电动机的一个特点是其励磁电流 Iv 与电枢绕组电流 Iya 相等或成正比（当变阻器 Rpv 导通时），因此磁通量 F 取决于电动机负载（图 3， b) 。

当电枢绕组电流Iya小于额定电流Inom的（0.8-0.9）时，电机磁系未饱和，可以认为磁通量Ф的变化与电流Iia成正比。因此，电动机的速度特性将变得柔和——随着电流 I 的增加，转速 n 将急剧下降（图 4，a）。转速n的降低是由于电压降IjaΣRja的增加。内阻Rα。电枢绕组电路，以及由于磁通量 F 的增加。

电磁力矩M随着电流Ija的增加而急剧增加，因为此时磁通量Ф也增加，即电磁力矩M与电流Ija成正比。因此，当电流Iya小于(0.8N-0.9)Inom时，速度特性为双曲线，力矩特性为抛物线。

在电流 Ia> Ia 时，M 和 n 对 Ia 的依赖性是线性的，因为在这种模式下，磁路将饱和，并且磁通量 Ф 不会随着电流 Ia 的变化而变化。

机械特性，即 n 对 M 的依赖性（图 4，b），可以基于 n 和 M 对 Iya 的依赖性来构建。除了自然特性 1 之外，通过在电枢绕组电路中加入电阻为 Rp 的变阻器，可以获得变阻器特性 2、3 和 4 系列。这些特性对应于Rn1、Rn2和Rn3的不同值，而Rn越高，特性越低。

所考虑的发动机的机械特性是柔和的和双曲线的。在低负载时，磁通量Ф明显减小，转速n急剧增加，可能超过最大允许值（电机空转）。因此，此类发动机不能用于驱动在怠速模式和低负载下运行的机构（各种机器、输送机等）。

通常，大功率和中功率电机的最小允许负载为 (0.2…0.25) Inom。为防止电机空载运行，与驱动机构牢固连接（齿形联轴器或盲联轴器）；使用皮带传动或摩擦离合器是不可接受的。

尽管存在这一缺点，但顺序励磁电机仍得到广泛应用，尤其是在负载转矩差异较大和启动条件苛刻的情况下：在所有牵引传动（电力机车、内燃机车、电动火车、电动汽车、电动叉车等）中，以及起重机构（起重机、电梯等）的驱动器。

这是因为具有软特性，负载转矩的增加导致电流和功耗的增加低于独立和并联励磁电机，因此串励电机可以更好地承受过载。此外，这些电机比并联和独励电机具有更高的启动转矩，因为启动时随着电枢绕组电流的增加，磁通量也相应增加。

例如，如果我们假设短时涌流可以是电机额定工作电流的 2 倍，而忽略绕组饱和、电枢反应和电压降的影响，那么在串励电动机中，启动转矩将比标称值高 4 倍（电流和磁通量均增加 2 倍），而在具有独立和并联励磁的电机中 - 仅增加 2 倍。

事实上，由于磁路饱和，磁通量并不与电流成正比增加，但串励电动机的启动转矩在其他条件相同的情况下会远大于启动转矩具有独立或并联励磁的同一电动机。

从上面讨论的位置来看，n 和 M 对电机轴功率 P2 的依赖性（图 4，c）是非线性的，P1、Ith 和 η 对 P2 的依赖性具有与下式相同的形式对于具有平行唤醒的电机。

混励直流电动机

在该电动机中（图 5，a），磁通量 Ф 是两个励磁线圈（并联（或独立）和串联）共同作用的结果，通过它们励磁电流 Iв1 和 Iв2 = Iя

这就是为什么

式中Fposl——串联线圈的磁通量，与电流Ia有关，Fpar——并联线圈的磁通量，与负载无关（由励磁电流Ic1决定）。

混合励磁电机的机械特性（图 5，b）介于并联（直线 1）和串联（曲线 2）励磁电机的特性之间。根据额定模式下并联和串联绕组的磁动势比，混合励磁电机的特性可以近似为特性 1（串联绕组低 ppm 时的曲线 3）或特性 2（曲线 4 在低 ppm. v. 并联绕组）。

米。 5.混合励磁电动机原理图（a）及其机械特性（b）

混合励磁直流电动机的优点是它具有软机械特性，当Fposl = 0时可以空转运行。在这种模式下，其电枢的旋转频率由磁通量Fpar决定，并且具有有限的值（引擎未运行）。