直流电动机的电力拖动

第二章直流电动机的电力拖动

第三节他励直流电动机的机械特性

一、教学目的：

1、掌握拖动系统的运动方程。

2、掌握生产机械的负载特性和直流电动机的机械特性。

3、掌握他励直流电动机的固有特性与人为机械特性。

4、掌握拖动系统获得稳定平衡的充要条件。

二、教学设想：

教学重点

他励直流电动机的机械特性，拖动系统获得稳定平衡的充要条件。

1、教学难点

固有特性与人为机械特性。

2、教学方法：讲授→分析→小结。

3、教具：PC、投影机

三．教学过程

1．导入新课：直流电动机的机械特性。

2．讲授新课

四. 实验安排：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端电压Ua、励磁电流I f、电枢总电阻R为恒值的条件下，电动机转速n与电磁转矩Tem之间的关系，即n = f (Tem)特性曲线，或者说电动机转速n与电枢电流Ia之间的关系，即n = f (Ia，)特性曲线，后者也就是转速调整特性。由于转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拖动系统的n = f (Tem)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。可见，应用电动机的机械特性可以分析电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能，因此，直流电动机的机械特性是十分重要的特性。

前面章节我们分析了，当电动机的电磁转矩Tem等于负载转矩T L时，电动机处于平衡状态，当电动机的电磁转矩Tem不等于负载转矩T L时，这种平衡状态被破坏，电动机的电磁转矩Tem要随着负载转矩T L变而变，当新电动机的电磁转矩Tem又等于新的负载转矩T L时，电动机从一个平衡状态变化到另一个平衡状态，称为过度过程，随着电磁转矩Tem变，电动机转速n也变。

直流电动机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励电动机等类型。其中他励直流电动机的机械特性最“硬”，用途最广，所以我们研究他励直流电动机的机械特性。

2.3.1 他励直流电动机的机械特性

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由他励直流电动机的基本方程式导出。由式（1-21）和式（1-16）；

可求得机械特性方程式；

（2-4）

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，电动机的机械特性如图2.12所示，是一条向下倾斜的直线，这说明加大电动机的负载，会使转速下降。特性曲线与纵轴的交点为Tem = 0时的转速n 0 ，称为理想

空载转速。

（2-5）

图2.12 他励直流电动机的机械特性曲线

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，所以电动机的实际空载转速n 0′将低于n 0。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 （2-6）

式中β——机械特性曲线的斜率。

β越大，∆n 越大，机械特性就越“软”，通常称β大的机械特性为软特性。一般他励电动机在电枢没有外接电阻时，∆n 比较小，机械特性都比较“硬”。机械特性的硬度也可用额定转速调整率％来说明，见式（1-22），转速调整率小，则机械特性硬度就高。 图2.11 他励直流电动机电路原理图 R I E R R I E U a a s a a a +=++=)(Φ

=a T em I C T n E a Φe C =em T e e T C C R C U n Φ-Φ=Φ=e C U

n 0em em T T R n βΦ==∆2

T e C C

2.3.2 固有机械特性和人为机械特性

1．固有机械特性

固有机械特性是当电动机 的电枢工作电压和励磁磁通均

为额定值，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方

程式为；

（2-7） 固有机械特性曲线如图2.12所示，由于 电枢电阻Ra 比较小，则∆n 也比较小，所以他励直流电动机的固有机械特性是比较“硬”的。 2．人为机械特性

人为机械特性是人为地改变电动机回路参数或电枢电压而得到的机械特性，即改变公式（2-4）中的参数所获得的机械特性，一般只改变电压、磁通、附加电阻中的一个，他励电动机有下列三种人为机械特性。

（1） 电枢回路串电阻时的人为机械特性

保持U =U N , Φ=ΦN ,R =Ra+Rpa ，电枢回路串电阻人

为机械特性的方程式为；

（2-8） 与固有特性相比，理想的空载转速 不变 ，但转速降∆n 增大，特性变“软”，当Rpa 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n 0但具有不同斜率的

直线。

从图上可见，当负载转矩T L 不变时，只改变电阻Rpa

的大小，可以改变电动机的转速，例如T L =T N ，电枢回

路串电阻Rpa =0，转速n a ，当Rpa =Rpa 1，转速n b ，Rpa =Rpa 2，转速n c ，因此，电枢回路串电阻的方法，可用于他励直流电动机调速。

(2）改变电枢端电压时的人为机械特性

保持Rpa =0，Φ=ΦN ，特性方程式为；

（2-9）

由于电动机的额定电压是工作电压的上限，受到绝缘强度

的限制，因此改变电压时，只能在低于额定电压的范围内变化。与固有特性相比较，特性曲线的斜率不变，理想空

em N a N N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=

图2.12他励直流电动机固有机械特性曲线 em N pa a N N T R R U n 2T e e C C C ΦΦ+-=）

（N e N C U n Φ÷=0图2.12 他励直流电动机串电阻 时的机械特性 −−←

−−←a b c −−←

em N a N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=