第1页：直流电机的可逆性原理
直流电机和所有旋转电机一样具有可逆性，既可作发电机运行，也可作电动机运行，取决于外界条件。
- 发电机状态：由原动机拖动，n 由原动机决定，电枢电动势 Ea>U，电枢电流 Ia 与 Ea 同方向，电磁转矩为制动性质，把机械能转换成电能；
- 电动机状态：接在电网上，U 由电网决定，电枢电动势 Ea<U，电枢电流 Ia 与 Ea 反方向，电磁转矩为驱动性质，把电能转换成机械能。
判断一台直流电机处于何种运行状态，关键看 Ea 与 U 的大小关系：Ea>U 为发电状态，Ea<U 为电动状态，Ea=U 为理想空载状态。
第2页：直流电动机的电势平衡方程式
以并励电动机为例说明基本方程式。并励电动机的接线特点是励磁绕组与电枢绕组并联，由同一直流电源供电。
- 电势平衡方程式
- U=Ea+Ia·Ra，其中 Ea=Ce·Φ·n 为电枢反电动势，Ra 为电枢回路总电阻（含电枢绕组电阻、换向极绕组电阻、电刷接触电阻）。
- 电流关系
- I=Ia+If，If=U/Rf。
- 转矩平衡方程式
- Te=T2+T0，其中 Te 为电磁转矩、T2 为输出机械转矩、T0 为空载转矩。
- 电磁转矩
- Te=CT·Φ·Ia=9.55Ce·Φ·Ia。
第3页：直流电动机的功率平衡
由电势平衡方程 U=Ea+Ia·Ra 两边乘以 Ia 得：U·Ia=Ea·Ia+Ia²Ra，即 P1=PM+pcua，其中 PM=Ea·Ia=Te·Ω 为电磁功率。
由转矩平衡方程 Te=T2+T0 两边乘以 Ω 得：PM=P2+pmec+pFe+pad。
并励电动机功率平衡：P1=UI=U(Ia+If)，P1=P2+pcua+pf+pmec+pFe+pad，η=P2/P1。
- 电枢铜耗 pcua=Ia²Ra；
- 励磁损耗 pf=U·If=If²Rf；
- 机械损耗 pmec、铁耗 pFe、附加损耗 pad 统称为空载损耗。
第4页：直流电动机的起动要求与方法
起动要求
- 起动转矩足够大：Tst>(1.1~1.2)TL，能带动负载起动；
- 起动电流不能太大：Ist=(2~2.5)IN，因为换向条件恶化会产生火花、引起电网电压波动、冲击电流使转矩过大会损坏传动机构；
- 起动设备简单、经济、可靠。
起动方法
- 直接起动：起动瞬间 n=0、Ea=0，Ist=U/Ra，因 Ra 很小，Ist 可达 (10~20)IN，只允许在小容量电机中使用；
- 电枢回路串电阻起动：串入起动电阻 Rst 使 Ist=U/(Ra+Rst)，随转速升高分级切除，起动设备简单但能耗大；
- 降压起动：降低电枢端电压 U，Ist=U/Ra，起动平滑、能耗小，但需要可调压的直流电源。
起动时励磁必须可靠接入，绝不允许在起动和运行中把励磁回路断开，否则会造成“飞车”事故。
第5页：并励电动机的转速特性与工作特性
由 U=Ea+IaRa、Ea=CeΦn 可得转速特性：
n=(U−IaRa)/(CeΦ)=(U/(CeΦ))−(IaRa/(CeΦ))
可见 n 随 Ia 的变化由两项决定：电枢电阻压降使 n 下降，电枢反应去磁使 Φ 减小使 n 上升。
- 转速特性 n=f(P2)
- 负载增加时 Ia 增加，电枢电阻压降增大使 n 下降，但电枢反应去磁使 Φ 减小使 n 上升，两方面作用部分抵消，转速随负载增加略微下降，称“硬”特性。并励电动机的转速调整率 Δn=(n0−nN)/nN×100%，一般约为 3%~8%。
- 并励电动机的特点
- 转速基本不随负载变化，适用于要求转速稳定的场合，如风机、泵类负载。
第6页：并励电动机的转矩特性与效率特性
- 转矩特性 Te=f(P2)
- Te=T0+T2=T0+P2/Ω。空载时 P2=0、Te=T0；负载增加时 P2 增加、Te 近似线性增加，但由于转速略有下降，曲线略向上弯曲。
- 效率特性 η=f(P2)
- η=P2/P1=P2/(P2+ΣP)。当不变损耗（铁耗+机械损耗）等于可变损耗（电枢铜耗）时效率最高。一般直流电动机在 3/4 额定负载附近效率最高，额定效率约为 75%~92%。
- 电动机的工作特性
- 指 U=UN、If=IfN 时，n、Te、η 与输出功率 P2 之间的关系，是选用电动机的重要依据。
第7页：直流电动机的稳定运行条件
电动机带动生产机械运转，两者构成统一的电力拖动系统，要稳定运行必须满足稳定运行条件。
稳定运行的判别：设系统在 A 点稳定运行时 Te=TL。若出现扰动使转速升高 Δn，电动机的电磁转矩减小到 Te′、负载转矩增加到 TL′，则 TL′>Te′ 使系统减速回到 A 点；若扰动使转速下降，则 Te′>TL′ 使系统加速回到 A 点，故 A 点稳定。
数学条件：dTe/dn < dTL/dn，即电动机机械特性的斜率小于负载机械特性的斜率（在工作点处）。若 dTe/dn > dTL/dn，则扰动后系统不能回到原工作点，为不稳定运行。
第8页：调节励磁电流调速
改变励磁电流调速即改变磁通 Φ 调速。由 n=(U−IaRa)/(CeΦ) 可见，若 U 不变、减小励磁电流 If，则 Φ 减小、转速 n 升高。由于 Φ 只能在额定磁通以下调节（磁路已饱和，无法再增加），故只能在额定转速以上调速，称弱磁升速。
- 调速方向：只能向上调（升速），调速范围一般为 1.5:1 到 3:1，特殊设计可达 4:1；
- 调速的平滑性：可连续平滑调节；
- 功率与转矩：弱磁调速时 Ia 保持不变，Te=CTΦIa 随 Φ 减小而减小，属恒功率调速；
- 特点：控制功率小（励磁电流小）、能耗小、经济性好，是直流电动机常用的调速方法。
注意：弱磁调速时若励磁回路断开，Φ 骤减，转速急剧升高造成“飞车”，必须设置励磁保护。
第9页：电枢回路串电阻调速
由 n=(U−IaRa)/(CeΦ) 可见，若 U、Φ 不变，在电枢回路串入电阻 RΩ，则 n=(U−Ia(Ra+RΩ))/(CeΦ)，串入电阻越大转速越低。
- 调速方向：只能在额定转速以下调速（降速）；
- 调速范围：受低速时转速稳定性限制，一般 D=2 左右，且低速时特性很软、转速稳定性差；
- 平滑性：用变阻器可连续调节，但为有触点调节、平滑性较差；
- 能量损耗：串入电阻消耗大量电功率，效率低，不经济；
- 转矩性质：Ia 不变时 Te 不变，属恒转矩调速。
特点：方法简单、设备便宜，但效率低、特性软，只适用于调速要求不高、容量较小的场合。
第10页：改变端电压调速与调速方式选择
改变电枢端电压调速：由 n=(U−IaRa)/(CeΦ) 可见，若 Φ 保持额定、Ia 不变，改变 U 即可改变 n，且 n 与 U 近似成正比。
- 调速方向：只能在额定电压以下调速，即只能降速；
- 调速范围：可达 1:10 甚至更宽，且低速时特性硬度不变、转速稳定性好；
- 平滑性：可连续平滑调节，是无级调速；
- 能量损耗：无附加电阻损耗，效率高；
- 转矩性质：Ia 不变时 Te 不变，属恒转矩调速。
缺点：需要一套电压可连续调节的直流电源（如晶闸管整流装置、直流斩波器），设备投资较大。
调速方式的选择：恒转矩负载宜采用恒转矩调速方式（调压或电枢串电阻），恒功率负载宜采用恒功率调速方式（弱磁调速），以使电机容量得到充分利用。直流电动机通常采用调压与弱磁配合，构成调压向下、弱磁向上的双向调速。
第11页：直流电动机的能耗制动
- 实现方法
- 把正在电动运行的电动机的电枢从电源上断开，接到一个制动电阻 RB 上，同时保持励磁不变。由于惯性转子继续旋转，Ea 在电枢—电阻回路中产生电流 Ia=Ea/(Ra+RB)，方向与原来相反，故电磁转矩方向也相反，为制动转矩。
- 机械特性
- n=−(Ra+RB)·Te/(CeCTΦ²)，特性过原点、位于第二象限（Te<0、n>0）。
- 能量关系
- 把转子的动能转换成电能消耗在制动电阻和电枢电阻上，故称能耗制动。制动电阻越小、制动电流越大、制动转矩越大、制动越快，但制动电流不能超过 (2~2.5)IN。
- 特点
- 制动平稳、准确，在转速下降到零时制动转矩也自动消失，不会反转，适用于要求准确停车的场合。
第12页：直流电动机的反接制动
- 电压反接制动
- 把正在电动运行的电动机的电枢两端电压极性突然反接（串入限流电阻 RΩ 限制电流），此时 U 与 Ea 同方向，Ia=(U+Ea)/(Ra+RΩ) 很大，方向与原来相反，产生很大的制动转矩。机械特性 n=−U/(CeΦ)−(Ra+RΩ)Te/(CeCTΦ²)，位于第二象限。当 n 下降到接近零时必须立即切断电源，否则电动机会反向起动。
- 电动势反接制动（倒拉反转）
- 在电枢回路串入很大的电阻，使电动机在位能性负载（如起重机下放重物）作用下被倒拉反转，此时 n<0、Ea 反向，Ia=(U+Ea)/(Ra+RΩ)，电磁转矩仍为正方向而起制动作用，稳定工作在第四象限。
- 特点
- 制动强烈、迅速，但能量消耗大（电源和动能都消耗在电阻中），需串入足够大的限流电阻，且转速到零要及时断开电源。
第13页：直流电动机的回馈制动
- 实现条件
- 电动机在电动状态下运行，当转速 n 超过理想空载转速 n0（如位能性负载拖动转子加速、或降低电枢电压、或弱磁升速）时，Ea>U，电枢电流 Ia=(U−Ea)/(Ra) 反向，电磁转矩也反向成为制动转矩，此时电机处于发电状态，把机械能转换成电能回馈电网。
- 机械特性
- n=U/(CeΦ)−(Ra)Te/(CeCTΦ²)，位于第二象限（Te<0、n>n0）。
- 能量关系
- 把机械能（含位能）转换成电能回馈电网，不消耗在电阻上，经济性好。
- 特点
- 只能用于限制转速的过度升高（n>n0），不能用于停车制动，也不需要改接线或串电阻，是一种自然的制动状态。典型应用：电车下坡、起重机下放重物、降压调速过程中的过渡状态。
