直流他励电动机的机械特性
3.3 直流电机机械特性
一、启动特性
电动机的启动就是给电动机通电，使电动机转子转动
起来，达到要求转速的这一过程。
对直流电动机而言，在启动时n=0 , E=0, 而Ra一般很 小。当将电动机直接接入电网并施加额定电压时，启动电
流为：
I st
UN Ra
启动电流很大，一般情况下能达到其额定电流的
（10～20）倍。
（1） 对电动机本身的影响： • 使电动机在换向过程中产生危险的火花，烧坏换向器； • 过大的电枢电流产生过大的电磁力，可能引起绕组的
n
UN KeΦ
Ra K e K tΦ 2
T
T KtΦI a
（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严 重过载；
（2）当=0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，
通常称为“飞车”； 因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在
运转过程中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为 此，直流他励电动机在使用中，一般都设有“失磁”保护。
枢回路串电阻启动两种方式。
1. 电枢回路串电阻启动： 启动时，电枢回路串接电阻Rst ，此时Ist=UN/(Ra+Rst)
将受限制。随着转速的升高，再逐步切除外加电阻直到全 部切除，电动机达到所要求的转速。
2. 降压启动： 所谓降压启动即在启动时，降低供电电源电压，随着
转速的升高，电动势随之增大，再逐步提高供电电压，最 后达到额定电压时，电动机达到所要求的转速。
1. 电枢回路中串接电阻时的人为特性：（U=UN,Φ=ΦN)
n
UN KeΦN
Ra Rad Ke KtΦN2
T
n
串电阻 后,工作
点由
未串电 阻时的 工作点
n0 a→b→c
他励直流电动机的机械特性(精)
反之，如果电网电压波动使机械特性偏低，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 dTem dTL （2-11） ＜
dn dn
（充分条件）则系统能稳定运行，式（211 ）即为稳定运行条件。对恒转矩负载 , 则 dT / dn 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。显然在图2.16（b） dTL / dn 0 dT / dn 0 中的A点， ，因此不 能稳定运行。
图2.14 他励直流电动机改 变电枢电压时的机械特性
3．减弱磁通时的人为机械特性 可以在励磁回路内串接电 阻R pf或降低励磁电压U f 来减弱 R pa 0 特 磁通，此时 U U N ， 性方程式为； UN Ra （2-10） n T 2 em Ce CeCT
由于磁通 的减少，使 得理想空载转速 n 0 和斜率 都增大，其特性曲线如图2.15 所图示。
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，可由他励直流 电动机的基本方程式导出。由式 U Ea I a Ra 、 E a C e n 和 式 Tem CT I a 可求得机械特性方 程式;
←
U R n T C C C
U n C
0 e
图2.12 他励直流电动机的机械特性
实验2 直流他励电动机机械特性测定
实验二直流他励电动机机械特性测定一、实验目的掌握直流电动机机械特性的测定方法。
二、实验项目1、固有机械特性测定2、电枢回路串电阻人为机械特性测定3、降低电枢电源电压人为机械特性测定三、实验设备该实验是在DDSZ-1型电机及电气技术实验装置上完成的。
本次实验使用设备包括：1、DD01电源控制屏2、两个D31挂件3、D44挂件4、D51挂件5、D42挂件6、D55－1挂件7、DD03测试台、直流发电机和直流电动机本次实验使用DD01电源控制屏下方的直流励磁电源和直流电枢电源。
D31挂件由直流数字电压表、直流数字毫安表、直流数字安培表组成，本次实验使用两块毫安表和两块安培表。
D44挂件由可调电阻器R1、R2，电容器C1、C2和开关S1、S2组成，本次实验使用R1作为直流电动机电枢绕组串联电阻，R2作为直流电动机励磁绕组串联电阻。
D51挂件，由波形测试部分和开关S1、S2、S3组成，本次实验只使用开关S1 。
D42挂件，由三只相同的可调电阻器R1、R2、R3组成。
R1、R2串并联后，作为发电机的负载电阻R L，R3作为发电机励磁绕组串联电阻。
D55－1挂件，由数字转矩表、数字转速表和数字输出功率表组成。
并有转速输入端口和电枢电流输入端口以及5个功能按键。
5个功能按键分别是：复位键、功能鍵、确定键、数位键和数据键。
DD03测试台包括导轨、测速发电机和指针式转速表直流发电机和直流电动机之间是用联轴器直接联接好的，直流电动机，电枢绕组有两个接线端，励磁绕组有两个接线端。
直流发电机，电枢绕组有两个接线端，励磁绕组有两个接线端。
四、实验接线接线之前：开启电源总开关，按下绿色“启动”按钮，将电源控制屏下方的直流电压指示开关切换到电枢电压一侧，接通电枢电源开关，调节“电压调节”旋钮，将电枢电压调到220V后，关断电枢电源开关，按下红色“停止”按钮直流他励电动机机械特性测定实验接线图。
图3-1 直流他励电动机机械特性测定实验接线图直流电动机按他励电动机接线。
8 直流他励电动机机械特性分析
电枢磁通密度
N
S
电枢磁动势
1560
转速n(r/min)
1540 1520 1500 1480 30 系列1 1540 171 1530 342 1520 513 1510 684 1505 855 1505 1026 1508 1094 1512
电枢电流Ia(A)
交轴电枢反应使主极磁场发生畸变，磁路饱 和时有效磁通减少，如图 3。在有效磁通随着电 枢电流增加而减少时，如果励磁电流保持一定， 则随着负载电流的增加，会引起电动机转速上 升，乃至得不到稳定运行。
图 2: 负载时电枢磁动势磁通密度分布
ZIa/8ap
n U ( I a Ra Ub ) / Ce
可见，当U为常数，电枢电流变化时，影响 转速特性的因素是电枢回路电阻压降与气隙磁 通 的变化。他励电机 I f =定值，气隙磁通 只 受电枢反应的影响。电枢电流 I a 增大，电枢电路 电阻压降使转速下降，电枢反应去磁效应使转速 上升，因而转速变小，为硬转速特性。通常电阻 压降影响较大，转速略为下倾。过载时，电枢反 应影响增大，转速曲线上翘。如下图(直流电动机 为 Z4-280-22 280KW 440V 1500RPM 他 励 180V)：
力拖动系统）在交点处稳定运行，由于出现某种 干扰作用，使原来两种特性的平衡变成不平衡， 电动机转速便稍有变化，这时，当干扰消除后， 拖动系统必须有能力使转速恢复到原来交点处 的数值。电力拖动系统如能满足这样的特性配合 条件，则该系统是稳定的，否则是不稳定的。 （1）下倾时机械特性曲线稳定性分析
n TL A A TL
参考文献
[1] 电机工程手册. 北京：机械工业出版社. [2] 上海电气科学研究所.中小型电机设计手册. 北京：机 械工业出版社. [3] 陈世坤. 电机设计[M]. 北京：机械工业出版社. [4] 汤蕴缪、史乃. 电机学. 北京：机械工业出版社
他励直流电机的机械特性
他励直流电机的固有机械特性
转速特性：他励直流电动机的转速特性整理后得到 2N
T e S a N e N C C R R C U n Φ+-Φ=
（3-1）
图3-2 直流电机的工作原理图
忽略电枢反应的去磁效应，转速与负载电流按照线性关系变化，负载电流增加时，转速会下降。
转矩特性：当N U U =,fN I I =时，)(a em I f T =的关系叫转矩特性。
根据直流电机电磁转矩的公式
a N T em I C T Φ=
（3-2）
由此公式得出，忽略电枢反应情况下电磁转矩与电枢电流成正比，考虑电枢反应主磁通的下降，电磁转矩上升的速度比电流上升的速度要慢一些，曲线的斜率也会有下降。
效率特性 ：当N U U =,N I I f =时，)(a I f =η的关系较效率特性。
a
N a a I U I R P P P P P P 2021211+-=∑+∑-==η (3-3)
空载损耗
P是不随负载变化的，负载电流较小时效率较低，输入的功
率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大效率也会增大，输入的功率大部分消耗在机械的负载上，但当负载电流增大到一定的时候铜损快速增大，此时的效率开始变小。
他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性他励电机属于直流电机，是指电机的励磁线圈和电枢绕组是分开的电机，励磁电流单独提供，与电枢电流无关。
他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电。
他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。
但这种电动机调运范围很宽，多用于主机拖动中。
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；
固有机械特性曲线如右上图所示，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 =UN ，Φ=ΦN ，R =Ra+Rpa，电枢回路串电阻人为机械特性的方程式为；
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”，如图中曲线1，2所示。
这类人为机械特性是一组通过n0但具有不同斜率的直线。
他励直流电动机串电阻时的机械特性
从图上可见，当负载转矩TL不变时，只改变电阻Rpa的大小，可以改变电动机的转速，例如TL=TN，电枢回路串电阻Rpa=0，转速na，当Rpa=Rpa1，转速nb，Rpa=Rpa2，转速nc，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。
直流电动机机械特性
（二）他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机电路原理图
002em em e e T U R n T n T n n C C C βφφ
=-=-=-∆ 机械特性曲线：当U 、R 、φ为常数时，他励直流电动机的机械特性是一条以β为斜率向下倾斜的直线，如图所示。
图2-14他励直流电动机的机械特性
机械特性的硬度: β越大，特性越陡，称为软特性；
β越小，特性越平，称为硬特性；
表明机械特性曲线的下垂程度。
1、他励直流电动机的固有机械特性
当N U U =,N φφ=,a R R =()0s R =时的机械特性称为固有机械特性。
其方程式为 2N a em e N e T N
U R n T C C C φφ=
-， 2、人为机械特性
1）电枢串电阻时的人为机械特性
保持N U U =,N φφ=不变，只在电枢回路串入电阻s R 的人为特性。
直流他励电动机在各种运转状态下的机械特性
3.能耗制动状态下的机械特性测量
二、实验原理（或设计方案）
他励直流电动机机械特性测定实验接线图
直流电动机的机械特性是指电机在额定电压与额定励磁电流的供给下，电动机轴上所产生的转矩M和相应的运行转速п之间的关系。机械特性是选用电动机的一个重要依据，各类电动机都因有自己的机械特性而适用于不同的场合。
3.表6-3：UN=220V IfN=85mA R2=400Ω
Ia(A)
0.96
0.9
0.85
0.8
0.75
0.7
n(r/min)
-1482
-1281
-1087
-927
-768
-601
Ia(A)
0.6
0.52
0.45
0.4
0.34
0.3
n(r/min)
-41
0
240
243
580
688
R2=1800Ω能耗制动状态下的机械特性
0.68
0.67
0.66
0.65
0.64
0.63
n(r/min)
-617
-609
-595
-588
-582
-573
-558
-548
6、实验结果及分析（或设计总结）
1.回馈制动，反接制动和能耗制动是什么意思？各自有什么特点？
回馈制动：回馈制动是一种是非常有效的节能方法。避免了制动时对环境及设备的破坏。
反接制动：反接制动是在电动机切断正常运转电源的同时改变电动机定子绕组的电源相序，使之有反转趋势而产生较大的制动力矩的方法。
（3）R1调到最小，R2、R3和R4调到最大。将开关S1合向1电源端，开关s2合向2短接端。
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电压平衡方程式为：U E I ( R R ) N a a ad
UN Ra Rad 得到的人为机械特性方程式为： n T 2 K e N K e K m N
UN Ra Rad UN Ra T 把n T 与n 2 2 K e N K e K m N K e N K e K m N 空载速度不变；
3．2 直流他励电动机的机械特性
一、机械特性的一般形式
电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。
不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介
绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。电枢回路Leabharlann 分U E I a Ra
励磁回路部分
由他励电动机的特性可知： 励磁电流If的大小与电枢电流 Ia
的大小无关，它的大小只取决
于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的 大小一定时, If为定值，即磁通 对应的机械特性如图所示：
为定值。
理想空载点
1. 理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转 速，用n0表示。
根据机械特性可知：
n0 U K e
在固有特性曲线之下。
3．改变磁通 时的人为特性 U U N , Rad 0
UN Ra UN Ra 把n T 与n T 2 2 K e N K e K m N K e K e K m 理想空载转速随磁通的改变而变化；
转速降随磁通的改变而变化。 特性变软
由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流 和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节； 当磁通过分削弱后：
（1）绝对硬特性 （2）硬特性>10 （3）软特性<10
dT Δ T 100% dn Δ n
二、固有机械特性
直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压
UN和额定磁通 N )下和电枢电路内不外接任何电阻时的 n=f(T)
即:
UN Ra n T 是一条直线。 2 K e N K e K m N
(4) 求额定转矩: PN PN TN 9.55 得 TN , nN N nN 注意这只是近似的，因 为T=KtФIN≠TN 两点，就可作出他励直流电动机近似是机械特性曲线 n f T 。 根据 0 , n0 、TN , nN
三、人为机械特性 人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁 通Φ的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。 1. 电枢回路中串接附加电阻时的人为特性 U U N , N
直流他励电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求
出(0,n0 )和(TN, nN)即可绘出固有的机械特性。
通常直流电动机铭牌上给出额定功率PN 、额定电压 UN 、额 定电流IN和额定转速 nN。 固有机械特性的计算步骤如下。
(1) 估算电枢电阻Ra 依据：电动机在额定负载下的铜耗Ia2Ra约占总损耗 PN的 50%～75%。
随着电阻的增加，转速降落增加；
特性变软
2. 改变电枢电压U时的人为特性 N , Rad 0
UN Ra 把n T 2 K e N K e K m N
转速降落不变；
与n
U K e N
Ra K e K m N
2
T
空载速度随着U的减小而减小；
特性硬度不变 由于电动机电枢绕组绝缘 耐压强度的限制，电枢电压只 允许在其额定值以下调节，所 以，不同值的人为特性曲线均
（1）如果负载转矩不变，将使电动机电流大大增加而严重过载； （2）当＝0时，从理论上说，空载时电动机速度趋近 ，通常
称为“飞车”；
当电动机轴上的负载转矩大于电磁转矩时，电动机不能启动，
电枢电流为Ist ，长时间的大电流会烧坏电枢绕组。 因此，直流他励电动机启动前必须先加励磁电流，在运转过程
中，决不允许励磁电路断开或励磁电流为零，为此，直流他励电动 机在使用中，一般都设有“失磁”保护。
故得
PN U N Ra (0.5 ~ 0.75)(1 ) UN IN IN
K e N (2) 求
额定运行条件下的反电势为： E N K e nN U N I N Ra
故 K e N
U N I N Ra nN (3) 求理想空载转速: UN n0 得 0 , n0 K e N
2. 转速降落
R a n n T 2 0 K K e m
3. 机械特性硬度 为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念， 其定义为： dT Δ T 100% dn Δ n
即转矩变化与所引起的转速
变化的比值，称为机械特性的硬
度。
根据值的不同，可将电
动机机械特性分为三类。
Δ PN＝输入功率－输出功率 ＝U NI N PN ＝U N I N NU N I N ＝(1 N )U N I N I a 2 Ra (0.5 ~ 0.75)(1 N )U N I N
式中： N
PN UN IN Ia I N
是额定运行条件下电动机的效率，且此时
式中: U ——外加电枢电压（V）；
E ——感应电势（V）；
I a ——电枢电流（A）；
Ra ——电枢回路内阻（Ω）
T K m I a ∴U K e n I a Ra ∵ E K e n、 Ra U 即：n I a ……转速特性 K e K e 注意这里的T Ra U 是电磁转矩 n T …… 机械特性 K e K e K m 2