3.2.4 直流电机的控制

电动汽车的运行模式一般包括前进、倒车、制动、空档、驻车和停车6种。在实际行驶过程中，也常会遇到上坡、平路以及下坡等不同路况。为满足电动汽车不同的运行模式需求，需要对直流电机进行起动、反转以及调速等控制。下面对直流电机的常用控制方法进行说明。

1.直流电机的起动

直流电机的转速从零增加到稳定运行速度的过程称为起动过程（或称起动）。要使电机起动过程达到最优，应考虑的问题包括以下几个。

1）要有足够大的起动转矩。

2）起动电流要限制在一定的范围内。

3）起动设备要简单、可靠。

4）起动过程是否平滑。

5）起动过程中的能量耗损和发热量的大小。

直流电机在起动过程中，要求起动电流不能很大，起动转矩要足够大，以便缩短起动时间、提高生产效率。为了限制起动电流，直流电机通常采用电枢回路串电阻起动或降低电枢电压起动。无论采用哪种起动方法，起动时都应保证电机的磁通达到最大值。这是因为在同样的电流下，Φ越大则T_st越大；而在同样的转矩下，Φ越大则I_st可以小一些。

（1）电枢回路串电阻起动

电机起动前，应使励磁回路调节电阻R_st=0，这样励磁电流I_f最大，使得磁通Φ最大。电枢回路串接起动电阻R_st，在额定电压下的起动电流为

式中，R_st应使I_st不大于允许值。对于普通直流电机，一般要求I_st≤（1.5～2）I_N。

在起动电流产生的起动转矩作用下，电机开始转动并逐渐加速，随着转速的升高，电枢电动势（反电动势）E_a逐渐增大，使电枢电流逐渐减小，这样转速的上升就逐渐缓慢下来。为了缩短起动时间，需保持电机在起动过程中的加速度不变，就要求在起动过程中电枢电流维持不变，因此随着电机转速的升高，应将起动电阻平滑地切除，最后使电机转速达到运行值。

实际上，平滑地切除电阻是不可能的，一般是在电阻回路中串入多级（通常是2~5级）电阻，在起动过程中逐级加以切除。起动电阻的级数越多，起动过程就越快且越平稳，但所需要的控制设备就越多，投资也越大。图3-13所示是采用三级电阻起动时电机的电路原理图及其机械特性。

起动开始时，接触器的触点S闭合，而S₁、S₂、S₃断开，如图3-13a所示，额定电压加在电枢回路总电阻R₃（R₃=R_a+R_st1+R_st2+R_st3）上，起动电流为I₁=U_N/R₃，此时起动电流I₁和起动转矩T₁均达到最大值（通常取额定值的2倍左右）。

接入全部起动电阻时的人为特性如图3-13b中的曲线1所示。起动瞬间对应的a点，因为起动转矩T₁大于负载转矩T_L，所以电机开始加速，电动势E_a逐渐增大，电枢电流和电磁转矩逐渐减小，工作点沿曲线1箭头方向移动。当转速升高到n₁，电流降至I₂［I₂称为切换电流，一般取I₂=（1.1~1.2）I_N，T₂=（1.1~1.2）T_N］，转矩减至T₂（图中b点）时，触点S₃闭合，切除电阻R_st3。切除R_st3后，电枢回路电阻减小为R₂=R_a+R_st1+R_st2，与之对应的人为特性如图3-13b中的曲线2所示。在切除电阻瞬间，由于机械惯性，转速不能突变，所以电机的工作点由b点沿水平方向跃变到曲线2上的c点。选择适当的各级起动电阻，可使c点的电流仍为I₁，这样电机又处在最大转矩T₁下进行加速，工作点沿曲线2箭头方向移动。当到达d点时，转速升至n₂，电流又降至I₂，转矩也降至T₂。此时，触点S₂闭合，将R_st2切除，电枢回路电阻变为R₁=R_a+R_st1，工作点由d点平移到人为特性曲线3上的e点。e点的电流和转矩仍为最大值，电机又处在最大转矩T₁下加速，工作点在曲线3上移动。当转速升至n₃时，即在f点切除最后一级电阻R_st1后，电机将过渡到固有特性上，并加速到h点稳定运行，起动过程结束。

（2）减压起动

当直流电源电压可调时，可以采用减压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电机，起动电流便随电压的降低而正比减小。随着电机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，从而保证电机按需要的加速度升速。减压起动虽然需要专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程中能量损耗小，因而得到了广泛的应用。

2.直流电机的反转

许多生产机械要求电机做正、反转运行，如起重机的升降、龙门刨床的前进与后退等。直流电机的转向是由电枢电流方向和主磁场方向确定的，要改变其转向，一是改变电枢电流的方向，二是改变励磁电流的方向。如果同时改变电枢电流和励磁电流的方向，则电机的转向不会改变。

3.直流电机的制动

根据电磁转矩T_em和转速n方向之间的关系，可以把电机分为两种运行状态。当T_em与n方向相同时，称为电动运行状态，简称电动状态；当T_em与n方向相反时，称为制动运行状态，简称制动状态。直流电机的制动有能耗制动、反接制动和回馈制动三种方式，下面分别加以介绍。

（1）能耗制动

图3-14是能耗制动的接线图。开关S接电源侧时为电动运行状态，此时电枢电流I_a、电枢电动势E_a、转速n及电磁转矩T_em的方向如图所示。当需要制动时，将开关S投向制动电阻R_B上，电机便进入能耗制动状态。

初始制动时，因为磁通保持不变，电枢存在惯性，其转速n不能马上降为零，而是保持原来的方向旋转，于是n和E_a的方向均不改变。但是，E_a在闭合回路内产生的电枢电流I_aB却与电动状态时电枢电流I_a的方向相反，由此而产生的电磁转矩T_emB也与电动状态时T_em的方向相反，变为制动转矩，于是电机处于制动运行状态。制动运行时，电机靠生产机械惯性力的拖动而发电，将生产机械储存的动能转换成电能，并消耗在电阻上，直到电机停止转动为止，所以这种制动方式称为能耗制动。

能耗制动时的机械特性，就是在U=0、Φ=Φ_N、R=R_a+R_B条件下的一条人为机械特性，即

或

可见，能耗制动时的机械性是一条通过坐标原点的直线，其理想空载转速为零，特性的斜率，与电动状态下电枢串电阻R_B时的人为特性的斜率相同，如图3-15中直线BC所示。

能耗制动时，电机工作点的变化情况可用机械特性曲线进行说明。设制动前工作点在固有特性曲线A点处，其n＞0，T_em＞0为驱动转矩。开始制动时，因转速n不能突变，工作点将沿水平方向跃变到能耗制动特性曲线上的B点。在B点，n＞0，T_em＜0，电磁转矩变为制动转矩，于是电机开始减速，工作点沿BO方向移动。

若电机拖动反抗性负载，则工作点到达O点时，n=0，T_em=0，电机便停转。若电机拖动位能性负载，则工作点到达O点时，虽然n=0，T_em=0，但在位能负载的作用下，电机反转并加速，工作点将沿曲线OC方向移动。此时E_a的方向随n的反向而反向，即n和E_a的方向均与电动状态时相反，而E_a产生的I_a方向与电动状态时相同，随之T_em的方向也与电动状态时相同，即n<0，T_em>0，电磁转矩仍为制动转矩。随着反向转速的增加，制动转矩也不断增大，当制动转矩与负载转矩平衡时，电机便在某一转速下处于稳定的制动状态运行，即匀速下放重物，如图3-15中的C点。

改变制动电阻R_B的大小，可以改变能耗制动特性曲线的斜率，从而改变起始制动转矩的大小以及下放位能负载时的稳定速度。R_B越小，特性曲线的斜率越小，起始制动转矩越大，而下放位能负载的速度越小。减小制动电阻，可以增大制动转矩，缩短制动时间，提高工作效率。但制动电阻太小，将会造成制动电流过大，通常限制最大制动电流不超过2~2.5倍的额定电流。因此，选择制动电阻的原则是

即

式中，E_a为制动瞬间（制动前电动状态时）的电枢电动势。如果制动前电机处于额定运行状态，则E_a=U_N-R_aI_N≈U。

能耗制动操作简单，实现方便，但随着转速的下降，电动势减小，制动电流和制动转矩也随之减小，制动效果变差。若为了使电机能更快停转，可以在转速降低到一定程度时，切除一部分制动电阻，使制动转矩增大，从而加强制动作用。

（2）反接制动

反接制动通过反接相序，使电机产生起阻滞作用的反向转矩以便制动电机，通常分为电压反接制动和倒拉反接制动两种。

1）电压反接制动。电压反接制动时的接线图如图3-16所示。开关S投向“电动”侧时，电枢接正极性的电源电压，此时电机处于电动状态运行。进行制动时，开关S投向“制动”侧，此时电枢回路串入制动电阻R_B后，接上极性相反的电源电压，即电枢电压由原来的正值变为负值。此时，在电枢回路内，U与E_a顺向串联，共同产生很大的反向电流：

反向电枢电流I_aB产生很大的反向电磁转矩T_emg，从而产生很强的制动作用，这就是电压反接制动。

电动状态时，电枢电流的大小由U_N与E_a之差决定，而反接制动时，电枢电流的大小由U_N与E_a之和决定，因此反接制动时电枢电流是非常大的。为了限制过大的电枢电流，反接制动时必须在电枢回路中串接制动电阻R_B。反接制动时电枢电流不超过电机的最大允许值I_max=（2~2.5）I_N，因此应串入的制动电阻值为

电压反接制动时的机械特性就是在U=U_N，Φ=Φ_N，R=R_a+R_B条件下的一条人为特性，即

可见，其特性曲线是一条通过-n₀点、斜率为的直线，如图3-17中线段BC所示。

电压反接制动时电机工作点的变化情况可用图3-17进行说明。设电机原来工作在固有特性上的A点，反接制动时，由于转速不突变，工作点沿水平方向跃变到反接制动特性上的B点，之后在制动转矩作用下，转速开始下降，工作点沿BC方向移动，当到达C点时，制动过程结束。在C点，n=0，但制动的电磁转矩T_emB=T_C≠0，如果负载是反抗性负载，且时，电机便停止不转。如果时，这时在反向转矩作用下，电机将反向起动，并沿特性曲线加速到D点，进入反向电动状态运行。当制动的目的就是停车时，那么在电机转速接近于零时，必须立即断开电源。

反接制动过程中（图3-17中BC段），U、I_a、T_em均为负，而n、E_a为正。输入功率P₁=UI_a>0，表明电机从电源输入电功率；输出功率P₂=T₂Ω≈T_emΩ<0，表明轴上输入的机械功率转变成电枢回路的电功率。由此可见，反接制动时，从电源输入的电功率和从轴上输入的机械功率转变成的电功率一起全部消失在电枢回路的电阻（R_a+R_B）上，其能量损耗是很大的。

2）倒拉反转反接制动。倒拉反转反接制动只适用于位能性恒转矩负载。现以起重机下放重物为例来进行说明。

图3-18a所示为正向电动状态（提升重物）时电机的各物理量方向，此时电机工作在固有特性（见图3-18c）上的A点。如果在电枢回路中串入一个较大的电阻R_B，便可实现倒拉反转反接制动。串入R_B将得到一条斜率较大的人为特性，如图3-18c中的直线BCD所示。制动过程如下：串电阻瞬间，因转速不能突变，所以工作点由固有特性上的A点沿水平跳跃到人为特性上的B点，此时电磁转矩T_B小于负载转矩T_L，于是电机开始减速，工作点沿人为特性由B点向C点变化，到达C点时，n=0，电磁转矩为堵转转矩T_K，因T_K仍小于负载转矩T_C，所以在重物的重力作用下电机将反向旋转，即下放重物。因为励磁不变，所以E_a随n的方向而改变方向，由图3-18b可以看出I_a的方向不变，故T_em的方向也不变。这样，电机反转后，电磁转矩为制动转矩，电机处于制动状态，如图3-18c中的CD段所示。随着电机反向转速的增加，E_a增大，电枢电流I_a和制动的电磁转矩T_em也相应增大，当到达D点时，电磁转矩与负载转矩平衡，电机便以稳定的转速匀速下放重物。若电机串入R_B越大，最后稳定的转速越高，下放重物的速度也越快。

电枢回路串入较大的电阻后，电机出现反转制动运行，主要是位能负载的倒拉作用，又因为此时的E_a与U也顺向串联，共同产生电枢电流，这一点与电压反接制动相似，因此把这种制动称为倒拉反转反接制动。

倒拉反转反接制动时的机械特性就是电动状态时电枢串联电阻的人为特性，只不过此时电枢串入的电阻值较大，使得n<0。因此，倒拉反转反接制动特性曲线是电动状态电枢串电阻人为特性在第四象限的延伸部分，倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。

（3）回馈制动

电动状态下运行的电机，在某种条件下（如电动汽车下坡时）会出现运行转速n高于理想空载转速n₀的情况，此时E_a>U，电枢电流反向，电磁转矩的方向也随之改变，由驱动转矩变成制动转矩。从能量传递方向看，电机处于发电状态，将电动汽车下坡时失去的位能变成电能回馈给动力电池，因此这种状态称为回馈制动状态。

回馈制动时电机的机械特性与电动状态时相同，只是运行在特性曲线上不同的区段而已。当电动汽车下坡出现回馈制动时，其机械特性位于第二象限，如图3-19中的n₀-A段。当电机拖动起重机下放重物出现回馈制动时，其机械特性位于第四象限，如图3-19中的-n₀-B段。图3-19中的A点是电机处于正向回馈制动稳定运行点，表示电动汽车以恒定的速度下坡。图3-19中的B点是电机处于正向回馈制动稳定运行点，表示重物匀速下放。

除以上两种回馈制动外，还有一种发生在动态过程中的回馈制动过程，如降低电枢电压的调速过程和弱磁状态下增磁调速过程。下面对这两种情况进行说明。

在图3-20中，A点是电动状态运行的工作点，对应电压为U₁，转速为n_A。当进行降压（U₁降为U₂）调速时，因转速不突变，工作点由A点平移到B点，此后工作点在降压人为特性的B_n02段上变化的过程即为回馈制动过程，它起到了加快电机减速的作用，当转速到n₀₂时，制动过程结束。从n₀₂降到C点转速n_C的过程为电动状态减速过程。

在图3-21中，磁通由Φ₁增大到Φ₂时，工作点的变化情况与图3-20相同，其工作点在B_n02段上变化时也为回馈制动过程。

回馈制动时，由于有功率回馈到电网或储能装置，因此与能耗制动和反接制动相比，回馈制动是比较经济的。

4.直流电机的调速

为了提高生产率和保证产品质量，大量的生产机械要求在不同的条件下采用不同的速度。负载不变时，人为地改变生产机械的工作速度称为调速。稳态时，电机的电磁转矩T_em由负载T_L决定，根据式（3-12）所示的直流电机的机械特性方程，要调节转速n，可以采用改变电源电压U、改变电枢回路总电阻R_Σ和改变磁通Φ三种方法。

（1）降低电源电压调速

降压调速的原理可用图3-22说明。设电机拖动恒转矩负载T_L，在额定电压U_N下运行。电机工作于A点，转速为n_A，如图3-22中曲线1所示。现将电源电压降为U₁，忽略电磁惯性，电机的机械特性如图3-22中曲线2所示。由于电机的转速不能突变，机械特性由特性1变为特性2，电机的运行点由A点变为C点。在C点，对应的电磁转矩为T_C，T_C<T_L，电机将减速。随着转速的下降，反电动势E_a减小，电流增加，电磁转矩亦增大，减速过程沿特性2由C点至B点，到达B点以后，T_B=T_L，电机进入新的稳态以转速n_B运行。

同理，当将电源电压从U₁降为U₂时，电机稳定后在转速n_D下运行。从图3-22中可看出，当逐步降低电源电压时，稳态转速也依次降低。

降压调速可以得到较大的调速范围，只要电源电压连续可调，就可实现转速的平滑调节，即无级调速。

（2）电枢回路串电阻调速

电枢回路串电阻调速原理可用图3-23来说明。设电机拖动恒转矩负载，运行于A点，当电枢回路串入电阻R_e1，电机的机械特性变为2。由于电机的转速不能突变，于是电机的运行点将由A点变为C点，C点所对应的电磁转矩为T_C，显然T_C<T_L，电机将减速，在到达B点以前，T_em始终小于T_L，故减速过程沿机械特性2由C点向B点进行，在B点T_B=T_L进入新的稳态，于是电机的转速由n_A至n_B。

同理，当电枢回路串入电阻R_e1变为R_e2时，电机稳定后在转速n_D下运行。从图3-23中可看出，当电枢回路串入电阻变大时，稳态转速也依次降低。

这种调速方法在低速时电能损耗较大。对于恒转矩负载，调速前后稳态电流不变，故从储能装置吸收的功率不变，降低转速使输出功率减小，说明损耗增大。所以，串电阻调速在低速时电源提供的功率有较大部分转变为电阻损耗，从而使系统效率降低。

从机械特性还可看出，当电机空载或轻载时，串电阻调速范围很小；而速度调得越低，特性越软，转速的稳定性越差。此外，这种调速方法只能实现有级调速，平滑性较差。这种调速方法的优点是设备不太复杂，操作比较简单。

（3）弱磁调速

弱磁调速原理可用图3-24来说明。设电机带恒转矩负载T_L，运行于固有特性1上的A点。弱磁后，机械特性由1变为2，因转速不能突变，电机的运行点由A点变为C点。由于磁通减小，反电动势也减小，导致电枢电流增大。尽管磁通减小，但由于电枢电流增加很多，使电磁转矩大于负载转矩，电机将加速，一直加速到新的稳态运行点B点，使电机的转速大于固有特性的理想空载转速，所以一般弱磁调速用于升速。

弱磁调速是在励磁回路中调节，因电压较低、电流较小而较为方便，但调速范围一般较小。直流调速一般在额定转速以下用降压调速，而在额定转速以上用弱磁调速。