直流电动机机械特性

直流电动机的机械特性是指电动机在电枢电压、励磁电流、 电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动 机的转速与电磁转矩之间的关系：n f (Tem )
由电机的电路原理图可得机械特性的表达式：
n
U Ce
R CeCT 2
Tem
n0 Tem
n0 称为理想空载转速。
n
n0
nnN'0
实际空载转速
电动机状态工 作点
A Ra
电动机拖动反抗性 负载，电机停转。
0
TL
Tem
C
若电动机 带位能性 负载,稳定 工作点
改变制动电阻RB 的大小可以改变能耗制动特性曲线的斜率, 从而可以改变制动转矩及下放负载的稳定速度。RB 越小,特性曲线 的斜率越小,起始制动转矩越大,而下放负载的速度越小。
但制动电阻越小，制动电流越大。选择制动电阻的原则是
反向的电枢电流产生反向的电磁转矩， 从而产生很强的制动作用——电源反接制动。
U
电动
S
制动
I aB
RB
Ea
M
Tem n
TemB
If
机械特性方程为：
n
B
n0 A
n UN Ce N
Ra RB
CeCT
2 N
Tem
n0 Tem
曲线如图中BC所示。
TL C 0 TL
D
工作点变化为：A B C。 制动过程中, U、Ia 、Tem均为负，而 n 、Ea为正。 n0
具体步骤：
（1）估算 Ra :
Ra
(1 2
~
2 3
)
U
N
IN
I
2 N
PN
（2）计算 Ce N 和CT N
: Ce N
UN
I N Ra nN
CT N 9.55Ce N
（3）计算理想空载点：
Tem
0, n0
UN Ce N
（4）计算额定工作点： TN CT N I N , n nN
二、人为特性的求取
U1 U N
UN U1
Tem
因此降低电枢电压时的人为机械特性曲线 是一组平行于固有机械特性的直线。
3、减弱励磁磁通时的人为特性
保持R Ra ,U U N 不变，只改变励磁回路调节电阻RSf 的人为特性：
n UN Ce
Ra CeCT 2
Tem
n02 n
n01 2
1
2 1 N
n0
特点：1）弱磁，n0增大；
计算各级起动电阻的步骤：
（1）估算或查出电枢电阻 Ra ；
（2）根据过载倍数选取最大转矩 T1对应的最大电流 I1 ；
（3）选取起动级数 m；
（4）计算起动电流比： m U N m 取整数
（5）计算转矩:T2
T1
I1Ra
，校验：T2 (1.1 ~ 1.3)TL
如果不满足，应另选T1 或m 值并重新计算，直到满足该条件为止。
I st
UN Ra
起动时由于转速 n 0 ，电枢电动势Ea 0，而且电枢电阻 Ra
很小，所以起动电流将达很大值。 过大的起动电流将引起电网电
压下降、影响电网上其它用户的正常用电、使电动机的换向恶化；
同时过大的冲击转矩会损坏电枢绕组和传动机构。一般直流电动
机不允许直接起动。 为了限制起动电流，他励直流电动机通常采用电枢回路串电
TL
T2
IL
I2
T1
Tem
I1
I
二、分组起动电阻的计算
设对应转速n1、n2、n3时电势分别为Ea1、Ea2、Ea3，则有：
b点 R3I2 U N Ea1 d点 R2I2 U N Ea2 c点 R2I1 U N Ea1 e点 R1I1 U N Ea2 f点 R1I2 U N Ea3 g点 Ra I1 U N Ea3
（3）惯性转矩 GD2 dn
375 dt
的大小和正负号由Tem和TL 的代数和决定。
2. 2 负载的转矩特性
负载的转矩特性，就是负载的机械特性，简称负载特性。
一、恒转矩负载特性
恒转矩负载特性是指生产机械的负载转矩TL与转速 n 无关的 特性。分反抗性恒转矩负载和位能性恒转矩负载两种。
1.反抗性恒转矩负载
倒拉反转反接制动时的机械特 性方程就是电动状态时电枢串电阻 时的人为特性方程。由于串入电阻 很大，有
n n0 B
A Ra
n
n0
Ra RB
CeCT
2 N
TL
0
可以通过改Biblioteka Baidu串入电阻值的 大小来得到不同的下放速度。
C 0 TB TK TL Tem
D Ra RB
倒拉反转反接制动时的能量关系和电压反接制动时相同。
可写出拖动系统的运动方程式：
Tem
TL
J
d
dt
Tem n
TL
其中J d 为系统的惯性转矩。
dt
运动方程的实用形式：
Tem
TL
GD 2 375
dn dt
系统旋转运动的三种状态
1)当 Tem TL 或 dn 0时,系统处于静止或恒转速运行状态，即处
于稳态。
dt
2)当 Tem TL 或 dn 0时,系统处于加速运行状态，即处于动态。 dt
故电枢串电阻的人为机械特 性是通过理想空载点的一簇放射 性直线。
n
n0
Ra
Ra RS Tem
2、降低电枢电压时的人为机械特性
保持R Ra , N 不变，只改变电枢电压U 时的人为特性：
n
U n
Ce N
Ra
CeCT
2 N
Tem
n0 n01
特点：1)n0随U 变化, 不变;
2)U不同,曲线是一组平行线。
U
电动
S
I aB
RB 制动
Ea
M
Tem n
TemB
If
P1=UIa=0 P2=T2Ω=Tem Ω<0 （忽略空载转矩）
能耗制动运行时，电动机靠将生产机械的机械能转换成电 能，消耗在制动电阻上。
能耗制动时的机械特性方程为：
n
Ra RB
CeCT
2 N
Tem
0
Tem
n
制动瞬间
B
n0
工作点
制动过程 工作段
n
2.位能性恒转矩负载
n
TL
TL
二、恒功率负载特性
三、泵与风机类负载特性
恒功率负载特点是：负载转
矩与转速的乘积为一常数，即TL
与 n 成反比，特性曲线为一条双
曲线。
负载的转矩TL 基本上与转 速 n 的平方成正比。负载特性
为一条抛物线。
n
n
1
2
TL
TL0
TL
2.3 他励直流电动机的机械特性
2.3.1 机械特性的表达式
n0
U Ce
R CeCT 2
T0
T0
Tem TN
2.3.2 固有机械特性和人为机械特性
一、固有机械特性
当 U U N , N , R Ra 时的机械特性称为固有机械特性：
n
UN Ce N
Ra
CeCT
2 N
Tem
由于电枢电阻很小，特性曲 线斜率很小，所以固有机械特性 是硬特性。
当T=TN时，n=nN，此点为电 动机额定工作点，转速差Δn=n0nN，为额定转速差。
当n=0时，即电动机起动时，电 磁转矩Tem=Ts，称为起动转矩。
二、人为机械特性
当改变U 或 Ra或 得到的机械特性称为人为机械特性。
1、电枢串电阻时的人为机械特性
保持U U N , N 不变,只在电枢回路中串入电阻RS的人为特性
n UN Ce N
Ra RS
CeCT
2 N
Tem
特点：1）n0 不变， 变大； 2） 越大，特性越软。
3)当 Tem TL 或 dn 0时,系统处于减速运行状态，即处于动态。 dt
二、运动方程式中转矩正、负号的规定
首先确定电动机处于电动状态时的旋转方向为转速的正方向， 然后规定：
（1）电磁转矩 Tem 与转速 n 的正方向相同时为正，相反时为负。
（2）负载转矩 TL 与转速 n 的正方向相同时为负，相反时为正。
E
P1 UIa 0 ,表明电机从电源吸收电功率； P2 T2 Tem 0,表明电机从轴上吸收机械功率;
Ra Tem
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消耗在电枢回路制动电阻上。
R
+
Ia
+
2、倒拉反转反接制动
Ua
倒拉反转反接制动适用于低速下放重物。
2.5.3 反接制动
1、电源反接制动
电压反接制动时接线如图所示。
开关S投向“电动”侧时，电枢接正极 电压，电机处于电动状态。
反接制动时，将开关投向“制动”侧，
电枢回路串入制动电阻 RB 后，接上极性
相反的电源电压，电枢回路内产生反向电流：Ia
I aB
U Ea Ra RB
U Ea Ra RB
2）弱磁， 增大
注：他励直流电动机起动和运行 过程中，绝不允许励磁回路断开。
N
Tem Tk 2 Tk1 Tk
2.3.3 机械特性求取
一、固有特性的求取 已知 PN ,U N , I N , nN，求两点:1）理想空载
点(Tem 0, n n0 ) 和额定运行(Tem TN , n nN )。
第二章 直流电动机的电力拖动
本章主要介绍电力拖动系统的运动方程、负载转矩特 性、直流电动机的机械特性、起动、调速、制动等方法 和物理过程。
2.1 电力拖动系统的运动方程式：
一、运动方程式
电力拖动系统运动方程式描述了系统的运
U
动状态，系统的运动状态取决于作用在原动
机转轴上的各种转矩。
M
根据如图给出的系统（忽略空载转矩），
Ea
T n
制动时在电路串入一个大电阻。
-
-
电枢回路串入较大电 阻 RB后特性曲线
n n0 B
A Ra
正向电动状态 提升重物(A点)
电机以稳定 的转速下放
重物D点
C 0 TB TK TL Tem
D Ra RB
负载作用下电 机反向旋转 (下放重物)
倒拉反转反接制动时的机械特性曲线就是电动状态时电枢串 电阻时的人为特性在第四象限的部分（CD段）。
n
I aB
Ea Ra RB
I max
(2 ~ 2.5)I N
B
n0
A
Ra
即
RB
Ea (2 ~ 2.5)I N
Ra
B’
其中 Ea 为制动瞬间的电枢电动势。
0
TL
Tem
C’
C
能耗制动操作简单,制动平稳,随着电机转速的减小, 制动转矩也 不断减小,制动效果变差。若为了尽快停转电机,可在转速下降到一 定程度时,切除一部分制动电阻,增大制动转矩。
b) 反接制动
c) 回馈（再生）制动
注：机械制动具有快速、准确的优点，但是对于 高速、惯性大的设备，机械冲击比较大；电磁制动则具 有制动相对平稳、制动转矩容易控制的特点。
很多情况下采用机械制动结合电磁制动的方法来 进行制动，即先通过电磁制动将电机转速降到一个比 较低的速度（接近零速），然后再机械抱闸制动，这 样既避免了机械冲击又有比较好的制动效果。
2.5.2 能耗制动
在电动状态（开关S打到电源上），电 枢电流、电枢电动势、转速及驱动性质的电 磁转矩如图实线箭头所示。
Ia
制动时将开关S打到制动电阻RB上，由 于惯性，电枢保持原来方向继续旋转，电动 势 Ea 方向不变。由 Ea 产生的电枢电流IaB 的方向与电动状态时 Ia 的方向相反,对应的 电磁转矩 TemB与 Tem方向相反,为制动性质, 电机处于能耗制动状态。
阻或降低电枢电压起动。
2.4.1 电枢回路串电阻起动
一、起动过程
三级电阻起动时电动机的电路原理图 和机械特性为
n
U
S
S1 S2 S3
M
n0
Ra Rst1 Rst 2 Rst3
n2
f3 d2
e Ra Rst1 R1
n1
b
c Ra Rst1 Rst 2 R2
1 a Ra Rst1 Rst2 Rst3 R3
（6）计算各级起动电阻。
2.4.2 降压起动
当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。
起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电 压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，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，保证按需要的加速度升速。
降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动 过程能量损耗小，因此得到广泛应用。
比较以上各式得：
在已知起动电流比β和电枢电 阻Ra前提下，经推导可得各级串联 电阻为:
Rst1 ( 1)Ra Rst 2 ( 1)Ra Rst1 Rst3 ( 1) 2 Ra Rst 2
R3 R2 R1 I1
R2 R1 Ra I2
Rstm ( 1) m1Ra Rstm1
二、分组起动电阻的计算
2.5 他励直流电动机的制动
2.5.1 概述 1、制动的目的： 1）使电动机减速或停车。
2）限制电动机转速的升高。（如电车下坡）
2、制动的方式： 1）机械（抱闸）制动：利用电磁或电磁液压 驱动装置，使闸瓦抱紧或松开制动盘（得电 松闸、失电抱闸 ）
2）电磁制动：当 电磁转矩Tem 与 n的方向相同时，电磁 转矩为驱动转矩，电机运行于电动状态，当 Tem 与 n方 向相反时，电磁转矩为制动转矩，电机运行于电磁制动状 态（本质）。 a) 能耗制动
在固有机械特性
方程 n n0 Tem
的基础上，根据人为 特性所对应的参数RS
或U 或 变化，重新 计算n0 和 ，然后得
到人为机械特性方程 式。
2.4 他励直流电动机的起动
电动机的起动是指电动机接通电源后，由静止状态加速到稳 定运行状态的过程。
起动瞬间，起动转矩和起动电流分别为
Tst CT I st