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） ＜
em
em
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。
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
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，d / dt 0 即为一定值，说明系统运行于 一个确定的转速（匀速），在图2.16（a）的情况下，系统原 来运行在电动机特性曲线和负载特性曲线的交点A处，A点为 运行工作点。 设由于外界的扰动，如电网电压波动，使机械特性偏高, 由曲线1转为曲线2，扰动作用使原平衡状态受到破坏，但由 于惯性，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增加到C。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，机械 特性由曲线2恢复到原机械特性曲线 1，这时电动机的特性由C点瞬间过 渡到D点，由于电磁转矩小于负载 转矩，故转速下降，最后又恢复到 原运行点A，重新达到平衡。
2 e e T
em
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（2-4）
图2.11 他励直流电动机电路原理图
当电源电压U=常数，电 枢回路总电阻R＝常数，励 磁磁通＝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。
U n C
0 e
图2.12 他励直流电动机的机械特性
实际上，当电动机旋转时，不论有无负载，总存在有一定 将 的空载损耗和相应的空载转矩，而电动机的实际空载转速 n0 低于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 n T Tem （2-6） 2 em Ce CT 式中 ——机械特性曲线的斜率。
2.15 他励直流电动机 弱磁时的机械特性
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。
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
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。
n 越大，机械特性就 越大， 越“软”，通常称大的机械特
性为软特性。一般他励电动机在 电枢没有外接电阻时，机械特性 都比较“硬”。机械特性的硬度 n N 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。
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 U R n T （2-7） C CC 固有机械特性如图2.13中 的曲线 R Ra 所示，由于 Ra 较小，故他励直流电动机固 有机械特性较“硬”。
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。
（ 2 ）改变电枢电压时的人为机 械特性 此时 R pa 0 ， N ，
特性方程式为 U Ra n T （2-9） 2 em Ce N Ce CT N 由于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。与固有 特性相比较，特性曲线的斜率不变， 理想空载转速 n 0 随电压减小成正比 减小，故改变电压时的人为特性是一 组低于固有机械特性而与之平行的直 线，如图2.14所示。
N a e N e T 2 N em
图2.13 他励直流电动机串电阻 时的机械特性
2．人为机械特性 人为机械特性是人为地改变电动机电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）电枢串电阻时的人为机械特性 此时 U U N , N , R Ra R pa ，人为机械特性的方 程式为; Ra R pa UN n T 2 em Ce N CeCT N （2-8） 与固有特性相比，理想空载 转速 n 0不变，但是，转速降 n 增大 。 R pa 越大， n 也越大， 特性变“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。
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、电枢总电阻为恒值的条件下 ,电动机转速n与 Tem n f (T 电磁转矩 的关系曲线 或电动机转 em ) 速 n 与电枢电流 I a 的关系曲线 n f ( I a )，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，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 是十分重要的。