2.3他励直流电动机的机械特性

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2.3 他励直流电动机的机械特性他励直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、 励磁电流、电枢回路总电阻为恒值时，电动机在稳定运 Tem 行状态下，电动机的转速n与电磁转矩 之间的关系， n = f ( T em ,或者说电动机的转速n 与电枢电流 ) 即 Ia n = f (,后者也就是转速调整特性。由于转 Ia ) 的关系 速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。利用机 械特性和负载转矩特性，可以确定电动机在拖动系统的 稳定转速，在一定条件下还可以利用机械特性和运动方 程式来分析拖动系统的动态运动情况，如转速、转矩及 电流随时间的变化规律，而且电动机的机械特性对分析 电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能也是十分 重要的。

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2.3.1 机械特性方程式图2.11是他励直流电动机的电 路原理图，他励直流电动机的机 械特性方程式可以由他励直流电 动机的基本方程式导出。根据电 动势方程式 ；

U =Ea +Ia(Ra +Rs) =Ea +IaR 和 E a = C eΦ n , Tem = CT I aΦ可以求得机械特性方程式;n= U R Tem C e Φ C e CT Φ

,

(2-4)图2.11 他励直流电动机电路原理图

R为电枢回路总电阻。

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当电源电压U=常数，电枢 回路总电阻R=常数，励磁磁通 Φ=常数时，根据2-4式，求出 他励直流电动机的机械特性曲 线，如图2.12所示，它是一条向 下倾斜的直线，这说明当加大 电动机的负载，就会使电动机 的转速下降.特性曲线与纵轴 的交点为 Tem = 0 时的转速 n0 , 称为理想空载的转速。

U n0 = Ce Φ(2-5)图2.12 他励直流电动机的机械特性

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实际上，当电动机旋转时，不管是否有负载，总存在有一 ′ 定的空载损耗和相应的空载转矩T0,电动机实际空载转速 n 0 将 低于理想空载的转速 n0 。由此可见式(2-4)的右边第二项即 表示电动机带负载后的转速降，用 n 表示，则； R (2-6) n = T em = β T em 2 C e C TΦ

β 越大， n 越大，机械特 性就越“软”,β 越小， n 越

式中 β ——机械特性曲线的斜率。

小，机械特性就越“硬”。 一般他励直流电动机的电枢 没有外接电阻，Ra 比较小， β 也比较小，则机械特性就比较 “硬”。

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2.3.2 固有机械特性和人为机械特性电动机的机械特性可分为固有机械特性和人为机械特性 1.固有机械特性 固有机械特性是指当电动机的电 枢工作电压和励磁磁通均为额定值、 电枢回路中没有串入附加电阻时的 机械特性，其方程式为； U Ra (2-7) n= N Tem 2 CeΦ N CeCTΦ N 固有机械特性曲线如图2.13所 示，由于 Ra 较小，则 n 也较小， 所以他励直流电动机的固有机械特 性是比较“硬”的。图2.12 他励直流电动机 固有机械特性曲线

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2.人为机械

特性人为机械特性是指人为地改变电动机电路中的某个 参数或电动机的电枢电压值，而得到的机械特性，即 改变式(2-4)的机械特性方程中的某些参数所获得的 机械特性；U R n= T CΦ C C Φ2 e e T em

我们来研究只改变电枢电压、磁通或附加电阻的 一个参数，求出他励直流电动机有下列三种人为机械 特性。

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(1)电枢回路串电阻时的人为机械特性 )当电动机的 U = U N , Φ = Φ N , R = Ra + R pa 械特性的方程式为; R a + R pa UN (2-8) n= TC eΦ N2 C e C TΦ N em

时，其人为机

与固有特性相比，a.理想空载 ( 转速 n0 =UN ÷ CeΦN)不变，b.β 增 大，转速降 n 增大，附加电阻 R pa 越大， n 也越大，特性越“软”, 如图2.13中曲线1, 2所示。这类人 为机械特性是一组通过 n0 ,而不同 斜率的直线。可见，当负载转矩不 变时，只改变电阻 R pa 的大小，可 以改变电动机的转速，因此，电枢 回路串电阻的方法，可用于他励直 流电动机调速。

a← b←c← ←

>

图2.12 他励直流电动机串电阻 时的机械特性

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(2)改变电枢电压时的人为机械特性 ) 当电动机的 R pa = 0 Φ = Φ N 时，改变电枢电压的人为机械特性的方程式为;n= U CeΦ N

(2-10) a ← 与固有特性相比较，a. 机械特性 曲线的斜率β 不变，b.理想的空载转 b ← 速 n0 随电压减小成正比减小，改变电 c ← 压时的人为特性是一组与固有机械特 性平行的直线，如图2.14所示。由于 受到绝缘强度的限制，电动机的额定 电压是工作电压的上限，因此改变电 压时，只能在低于额定电压的范围内 变化。可见，当负载转矩不变时，改 变电压的大小，可以改变电动机的转 速，因此，改变电枢电压的方法，也 图2.14 他励直流电动机改变 电枢电压的机械特性 曲线 可用于他励直流电动机调速。

Ra T 2 em Ce CTΦ N

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(3)改变磁通时的人为机械特性 可以在励磁回路中串接上电 阻 R pf ,或降低励磁电压 U f 来减弱 磁通，保持 U = U N , pa = 0 时， R 减弱磁通的人为特性方程式为； UN Ra n= T 2 em CeΦ CeCTΦ (2-10) 由于磁通Φ 的减少，使得理 想空载转速 n0 和机械特性斜率β 都增大，其特性曲线如图2.15所 图示。电机的磁通设计在磁化曲 线的膝点，接近饱和点，因此一 般采用减弱磁通方法，可见，当 负载转矩不变时，减弱磁通方法 也可用于他励直流电动机调速。

TN

2.15 他励直流电动机 弱磁时的机械特性

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2.3.3 电力拖动系统稳定运行的条件设有一电力拖动系统，原来匀速运行于某一转速， 由于受到外界某种短时的扰动，如负载的突然变化或 电网电压波动等(注意：这种变化不是人为

的控制调 节),而使电动机转速发生变化，离开了原平衡状态， 当外界的扰动消失后，系统能恢复到原来的转速，或 在新的条件下达到新平衡状态，就称该系统能稳定运 行，否则就称为不稳定运行。显然，稳定运行是拖动 系统所必须满足的条件。 为了使系统能稳定运行，电动机的机械特性和负 载的转矩特性必须配合得当，这就是电力拖动系统稳 定运行的条件。

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为了分析电力拖动系统稳定运行的问题， 将电动机的机械特性和负载的转矩特性曲线画 在同一张坐标图上，如图2.16所示。图(a)和 图(b)表示了电动机的两种不同的机械特性。

(a)稳定运行 (b)不稳定运行 图2.16 电力拖动系统稳定运行条件

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根据运动方程式，当电动机的电磁转矩 Tem 等于总负载 转矩 TL 时，dω / dt = 0 即ω为一恒定值，说明系统在一个 转速(匀速)下稳定运行，请大家来看图2.16(a),系统原 来运行在电动机机械特性曲线1和负载特性曲线的交点A处。 假设由于受外界因素的扰动，例如电网电压波动，当电网 电压升高,机械特性由曲线1转为曲线2,扰动作用使原来平衡 状态受到了破坏，但由于系统惯性的影响，转速还来不及变 化，电动机的工作点瞬间从A点变到B点。这时电磁转矩将大 于负载转矩，转速将沿机械特性曲线2 由B点增加到C点。随着转速的升高，电 动机转矩也逐渐减小，最后在C点得到 新的平衡，在一个较高的转速下稳定运 行。当扰动消失后，电网电压恢复到原 来值,机械特性由曲线2恢复到原机械特 性曲线1,同理，电动机的特性由C点瞬 间过渡到D点，D点的电磁转矩小于负载 转矩，故转速下降，最后恢复到原来稳 定运行点A,所以A点为稳定运行点。

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反之，如果电网电压波动使电网电压偏低，机械特性曲线 由曲线1转为曲线3,则瞬间工作点将转到 B′ 点，电磁转矩小 于负载转矩，转速将由 B ′ 点降低到 C ′点，在 C ′ 点取得新 的平衡；而当扰动消失后，工作点将又恢复到原工作点A。这 种情况我们就称为系统在A点能稳定运行，而图2.16(b)则是 一种不稳定运行的情况，读者可自己分析。 由以上分析，可得出如下结论：若两条特性曲线有交点 (必要条件),且在工作点上满足 (2-11) dT em dT L < 在 Tem = TL 处 dn dn (充分条件)则系统能稳定运行，式(2-11)即为稳定运行 条件。对恒转矩负载, d T L / d n = 0 则 d T / d n < 0 ,即电磁 转矩的变化与转速的变化要异号,图示则为电动机的机械特性 曲线应是往下倾斜的。em

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显然在图2.16(b)中的A点 dT / dn > 0 , 因此不能稳定运行。同学们可以自行分析。em

B′

←

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由于大多数负载转矩都

是随转速的升高而增大 或者保持恒值，因此只要电动机具有下降的机械特 性，就能满足稳定运行的条件。一般来说，电动机 如果具有上升的机械特性，运行是不稳定的，但若 拖动某种特殊负载，如通风机负载，那么只要能满 足式(2-11)的条件，系统仍能稳定运行。 应当指出，式(2-11)所表示的电力拖动稳定 运行的条件，不论对直流电动机还是交流电动机都 是适用的，因而具有普遍意义。 作业； 课本P53

2-3 , 2-4

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