第六章直流電動機的特性及運用一、直流電動機的分類：二、直流電動機的基本概念：1.轉矩T2.反電勢E b3.轉速n4.電樞內生機械功率P m5.速率調整率SR%三、直流電動機的特性曲線：1.轉矩特性曲線：表示輸出轉矩(T L)與負載電流(I L)的關係2.轉速特性曲線：表示輸出轉速(n)與負載電流(I L)的關係(一)外激式的特性及用途：(1)等效電路：(2)轉速特性：○1無載時：I a很小(E b≒V)，故轉速n=○2負載↑，磁通Φ固定不變，E b=V-I a R a微微下降，因此轉速稍下降可視為定速電動機。
(3)轉矩特性：∵T=KΦI a，若I a↑則T↑，故轉矩特性為一上升的直線。
(4)用途：適用於調速範圍廣且需維持定速場合，如華德黎翁那德控制系統中的直流電動機。
(二)分激式的特性及用途：(1)等效電路：(2)轉速特性：與外激式相似運轉中若磁場突然斷路，則Φ=0、E b=0，轉速將增加到極大，而有飛脫之虞，因此需加裝保護設備。
(3)轉矩特性：與外激式相似(4)用途：分激電動機因轉速下降幅度極小，可視為定速電動機；而且可利用調整磁場電阻大小來改變轉速，因此又可視為調速電動機。
一般用於印刷機、鼓風機、車床。
(三)串激式的特性及用途：(1)等效電路：(2)轉速特性：○1無載時：因I a=0，Φ=0，轉速相當高有飛脫之虞，故不可在無載時運轉，且電動機與負載連接必須直接耦合不能使用皮帶，否則可能因皮帶斷裂而有飛脫之虞。
通常會加裝離心開關作保護。
○2輕載時：Φ未飽和，ΦαI a轉速n=V-I a(R a+R s)/KΦ，nα1/I a為一條雙曲線。
○3重載時：Φ已飽和，Φ與I a無關為一定值轉速n=V-I a(R a+R s)/KΦ，nαV-I a(R a+R s) 為一條下降直線。
(3)轉矩特性：○1輕載時：Φ未飽和，ΦαI a轉矩T=KΦI a→TαI a2為一條拋物線○2重載時：Φ已飽和，Φ與I a無關為一定值轉矩T=KΦI a→TαI a為一條上升直線(4)用途：○1負載變動時I a，隨之改變，使轉速有相當大的變動，是為變速電動機，速率調整率為正值。
○2具有高轉速低轉矩，低轉速高轉矩的特性，因此有向電源取用恒定功率的特性。
○3主要用於需高啟動轉矩或高轉速的場合，如起重機、電車、果汁機、吸塵器等。
(四)複激式電動機1.積複激電動機：(1)等效電路：(2)轉速特性：n=○1輕載時：電樞電流I a很小，Φs亦小，故轉速特性與分激相似。
○2負載上升：電樞電流I a上升，Φs亦上升，因此轉速比分激下降多，大約介於定速與變速之間。
(3)轉矩特性：T=○1輕載時：電樞電流I a很小，Φs亦小，故轉矩與分激相似。
○2負載上升：電樞電流I a上升，Φs亦上升，因此轉矩比分激大。
(4)用途：兼具有串激高啟動轉矩及分激定速的特性，故一般用於突然施以重載的地方，如鑿孔機、沖床、滾壓機。
2.差複激電動機(5)等效電路：(6)轉速特性：n=○1輕載時：電樞電流I a很小，Φs亦小，故轉速特性與分激相似，但略比分激高。
○2負載上升：電樞電流I a上升，Φs亦上升，因此轉速上升，速率調整率為負值。
(7)轉矩特性：T=○1輕載時：電樞電流I a很小，Φs亦小，故轉矩特性與分激相似，但略比分激小。
○2負載上升：電樞電流I a上升，Φs亦上升，因此轉矩隨負載增加，但當Φs上升到某值時，T反而會下降，所以轉矩為先升後降。
○3若負載持續上升，使Φs=Φf此時轉矩T=0，而轉速極高造成電機不穩的現象；若使Φs﹥Φf則將使電機產生反向轉矩，因此差複激在啟動時通常將串激繞組短接，以防止產生反向啟動且可增加啟動轉矩。
四、直流電動機的啟動與控制1.良好的啟動狀態：啟動電流小、啟動轉矩大。
2.啟動電阻之計算：○1啟動瞬間：n=0，反電勢E b=0，因此電樞電流很大，可利用電樞電路串聯電阻來降低啟動電流(啟動電流限定約為滿載電流的1.25~2.5倍)。
○2啟動中轉速愈來愈高，電樞電流愈來愈小，需將串聯的電阻逐步去掉。
○3一般1/3馬力以下的小型電機，因轉動慣性小可直接啟動。
○4直流電動機啟動時，需將場電阻器調至最小值，使轉矩增加，縮短啟動時間；電樞電阻器調至最大，以限制啟動電流。
3.直流電動機的啟動器：可分為：○1人工啟動器：三點式：無場釋放器四點式：無壓釋放器○2自動啟動器：反電勢型：限流型：限時型：五、直流電動機的速率控制由轉速公式可知，欲控制電動機的轉速其方法有三：1.改變磁場強弱來控制轉速，稱為磁場控速法：○1分激磁場利用串聯可變電阻來控制磁場大小○2串激磁場利用並聯可變電阻來控制磁場大小在控制過程中，因磁場只有變小的狀況，因此其轉速只能在基準轉速以上做調整。
優點：成本低、效率高，電動機控速大都用此法。
缺點：○1當磁場減小至某範圍以下時，將產生極高的轉速，而有飛脫的危險，因此只能用於1.5倍的基準轉速內。
○2只能用於基準轉速以上控制，對於基準轉速以下的控制則無能為力。
○3速率提高，使其換向更困難。
2.改變電樞電阻大小來控制轉速，稱為電樞電阻控制法：於電樞電路中插入可變電阻，來改變I a R a大小而達到轉速控制的目的。
在控制過程中，因I a R a只有變大的狀況，因此其轉速只能在基準轉速以下做調整。
優點：構造簡單，可在基準轉速下做控制。
缺點：輕載時調速不佳，重載時外加電阻消耗功率大，造成效率差。
3.利用改變外加電壓來改變轉速，稱為電壓控制法：此方法只適用於他激式發電機，一般以華德黎翁那德控制系統為代表。
優點：○1調速範圍廣，可得圓滑的控制。
○2運轉效率高○3可得正反轉控制缺點：設備複雜，價格貴六、直流電動機之轉向與制動控制(一) 直流電動機之轉向控制1. 轉向控制之方法○1改變電樞電流方向：將電樞繞組兩端反接，複激電動機採用此方式。
○2改變磁場電流方向：將磁場繞組兩端反接，分激電動機採用此方式。
2. 轉向控制之注意事項○1改變積複激電動機之轉向時，當變化其激磁電流方向時，一定要把分激場和串激場同時反接，才不會造成差複激電動機。
○2附有中間極之電動機，要改變電樞電流方向時，必須把中間極和電樞同時反接，才不會使中間極之極性錯誤。
○3運轉中之自激電動機，若變更外加電壓極性，則因激磁電流和電樞電流方向同時改變，則電動機的轉向不變，若是他激電動機，則電樞電流方向改變而磁場電流方向不變，故轉向改變。
(二)直流電動機之制動直流電動機之制動以電氣制動為主，而以機械制動為輔，電氣制動有下列方法：○1電力制動(發電制動) 運轉中之電動機在被切離電源時，使其磁場繼續維持激磁狀態，並將其電樞兩端外接可變電阻器。
電動機因慣性作用繼續旋轉割切磁場，產生發電作用並將電能消耗在電阻器，並形成反轉矩，產生制動作用。
調整電阻器值可改變制動力大小，電阻器愈小制動力量愈大。
○2逆轉制動(插塞制動) 要停止運轉中的電動機時，先改變接線使電動機電樞電流反向，電動機便可產生反方向之轉矩，而產生制動力。
○3再生制動此方法常用於電動機負荷下降或電車下坡時，因重力作用使速度增加，此時配合增加激磁，可使反電勢>電源電壓，形成發電機作用，而將動能變成電能送還電源，並得到制動轉矩，制動時，電源不可切離。
精選範例1.有一部125HP、250V的直流分激電動機，滿載時電樞電流500A，電樞電阻0.05Ω，若欲限制啟動電流為2倍滿載電樞電流，則啟動電阻應為多少？<練習>有一部10HP、200V的直流分激電動機，滿載時電樞電流25A，電樞電阻2.220V分激電動機，電樞電阻0.2Ω，若磁通為定值，當滿載時電樞電流為100A，轉速為1400rpm，則此電動機半載的轉速？<練習>一部200V直流分激電動機，電樞電阻為0.5Ω，若磁通為定值，滿載時電樞電流為40A，轉速為1500rpm，若將電源電壓降為150V，則其滿載的轉速變為多少rpm？3.200V直流分激電動機，電樞電阻為0.5Ω，當負載電流為50A時，轉速為1200rpm，若負載電流變為80A，且磁通減少20%，則其轉速變為何？<練習>某直流他激電動機，電樞電阻為0.5Ω，當加100V於電樞時，電樞電流為20A，電動機轉速為1100rpm；若磁通加大10%，而電樞電流變為38A，求此時電動機的轉速為若干rpm？4.110V串激電動機，電樞電阻為0.2Ω，場電阻為0.5Ω，滿載的電樞電流為20A，則其反電勢及電樞功率分別為何？<練習>一台120V之分激電動機，其電樞電阻為0.5Ω，分激場電阻為30Ω，電刷壓降2V，滿載時線電流為40A，若不考慮電樞反應，則滿載的反電勢為多少伏特？<練習>四極110V、50A直流電動機，共有四只電刷，其電樞電阻為0.2Ω，電刷壓降每只1V，則其滿載的反電勢為何？5.直流電動機滿載的轉速為1200rpm，已知速率調整率為5%，則其無載的轉速為何？<練習>直流電動機無載轉速為2000rpm，滿載的速率調整率為10%，則其滿載的轉速？6.10HP的直流電動機，已知滿載時的轉速為1200rpm，則其滿載的轉矩為何？<練習>直流分激電動機，測得電樞的端電壓為200V，電樞電流為50A，轉速為2000rpm，電樞電阻為0.2Ω，若不考慮電樞反應及電刷壓降，求此電動機的電磁轉矩為多少Kg-m？作業1( )下列何種電動機具有低速時高轉矩及高速時低轉矩之特性(1)分激電動機(2)外激電動機(3)串激電動機(4)複激電動機。
2( )分激電動機的轉矩特性曲線為(1)拋物線(2)直線(3)雙曲線(4)不規則曲線。
3( )負載變動時，那一型電動機的轉速最穩定(1)分激電動機(2)串激電動機(3)積複激電動機(4)差複激電動機。
4( )直流串激電動機如將電源極性調反，其結果(1)轉向不變(2)反向轉動(3)不轉(4)過速度。
5( )有關直流電動機的敘述，下列何者錯誤(1)轉速加倍時，反電勢加倍(2)磁通加倍時，反電勢加倍(3)電流加倍，若端電壓一定，則反電勢必上升(4)直流電動機的維護較感應機困難。
6( )一般家用果汁機均為(1)分激電動機(2)外激電動機(3)串激電動機(4)複激電動機。
7( )可以交直流兩用的電動機為(1)分激電動機(2)外激電動機(3)串激電動機(4)複激電動機。
8( )直流分激電動機啟動時，應將場電阻器位置調於(1)最小處(2)最大處(3)中央(4)均可。
9( )直流電動機的速率控制，若採電樞電阻控制法，則其(1)功率損失大、速率調整差(2)功率損失大、但速率調整佳(3)功率損失小、速率調整差(4)功率損失大、速率調整佳。
10( )某直流電動機於實驗室加載時速度上升，則該機應為(1)差複激式(2)分激式(3)串激式(4)積複激式。