直流电动机的人为机械特性(精)
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
直流电动机的机械特性
直流电动机的机械特性直流电动机按励磁方式不同可分为他励、并励、串励和复励四种。
下面一常用的他励和并励电动机为例介绍其机械特性、起动、反转和调速，他励和并励电动机只是连接方式上的不同，两者的特性是一样的。
直流电机的接线图图是他励和并励直流电动机的接线原理图。
他励电动机的励磁绕组与电枢是分离的，分别由励磁电源电压Uf和电枢电源电压U两个直流供电；而在并励电动机中两者是并联的，由同一电压U供电。
并励电动机的励磁绕组与电枢并联，其电压与电流间的关系为：U=E+RaIa 即：Ia=（Ra为电枢电压）If=I=Ia+If≈Ia当电源电压U和励磁电路的电阻Rf（包括励磁绕组的电阻和励磁调节电阻）保持不变时，励磁电流If以及由它所产生的磁通Φ也保持不变，即Φ=常数。
则电动机的转距也就和电枢电流成正比，T= KTΦIa= KIa这是并励电动机的特点。
当电动机的电磁转距T必须与机械负载转距T2及空载损耗转距T0相平衡时，电动机将等速转动；当轴上的机械负载发生变化时，将引起电动机的转速、电流及电磁转距等发生变化。
，称为：n===－Ｔ＝n0－式中并励电动机的起动与反转并励电动机在稳定运行时，其电枢电流位：Ia＝，因电枢电阻Ra很小，所以电动机在正常运行时，电源电压U与反电动势E近似相等。
在起动时，n=０，所以E＝kEΦn＝０。
这时电枢电流及起动电流为Iast=，由于Ra很小，因此起动电流I ast可达额定电流IN的10～20倍，这时不允许的。
同时并励电动机的转距正比于电枢电流Ia，这么大的起动电流引起极大的起动转距，会对生产机械的传动机构产生冲击和破坏。
限制起动电流的方法就是在起动时的电枢电路中串接起动电阻Rst，见图。
这时起动电枢中的起动电流的初始值为：Iast=则起动电阻为：Rst=－Ra一般：Iast=（1.5～2.5）IN起动时，可将起动电阻Rst放在最大值处，待起动后，随着电动机转速的上升，再把它逐段切除。
注意：直流电动机在起动或工作时，励磁电路一定要保持接通，不能断开（满励磁起动）。
电机及其控制技术复习题
名词解释：1. 直流电动机的机械特性：直流电动机的转速n与电磁转矩T之间的关系，即n=(T)，称为直流电动机的机械特性。
2. 直流电动机的固有机械特性：电动机的工作电压、励磁磁通为额定值，电枢回路中没有串附加电阻时的机械特性。
3. 直流电动机的人为机械特性：人为地改变电动机的参数，如电枢电压、电枢回路电阻与励磁磁通，相应得到的机械特性即是人为机械特性。
1、电器：对电力网或电力电路实行通、断式转换的电工器械。
2、触头：电气设备中连接或分断电路的接点称为触点或触头。
3、熔断器及作用：熔断器是电路中用作严重过载或短路保护的一种电器。
4、接触器及作用：接触器是一种用来接通或切断交、直流主电路与控制电路的自动控制电器。
5、欠压保护：当线路电压低于额定值时所采取的保护措施称为欠压保护。
6、失压保护：由于外界原因造成突然断电而采取的保护措施称为失压保护。
7、自锁：依靠接触器自身常开辅助触头而使线圈保持通电的效果称为自锁(又称自保)。
8、联锁：利用两只控制电器的常闭触头使一个电路工作，而另一个电路绝对不能工作的相互制约的作用称为联锁(或称互锁)。
9、点动控制：按一下按钮，电动机就转一下，松开按钮，电动机就停顿，这种控制叫点动控制。
10、顺序控制：根据生产需要，按照一定顺序实现的控制称为顺序控制。
11、多地控制：为操作方便，在两个或两个以上地点进展控制操作称为多地控制。
1、异步电动机定子的作用：定子的主要作用是用来产生旋转磁场，它包括铁心、绕组与机座。
2、转子的作用：转子的主要作用是带动其它机械设备旋转，由铁心、转轴与转子绕组构成。
3、异步电动机的转差率：电动机的旋转磁场及转子的转速之差叫做转差，转差及同步转速(或旋转磁场转速)之比叫转差率。
4、异步电动机的转矩特性：异步电动机的转矩特性是指转矩及转差率之间的关系。
5、变极调速：当电源频率不变时，改变电机的磁极对数(变绕组接线)，电机的转速将随之改变的调速方法为变极调速。
直流电动机的机械特性
分析方法： 结构 基本工作原理
转矩方程式 电势方程式 电压平衡方程式
启动、调速和制动
机械特性
分析依据：
电磁力定律、电磁感应定 律
3.1 直流电机的构造和工作原理
直流电动机 — 将直流电能变为机械能 直流发电机 — 将机械能变为直流电能
一、 直流电机的结构
直流电机
定子 转子
直流电机的工作原理:基于电磁力定律和电磁感应定律
电动机的电压平衡方程式
I
Ia
UE M
Ra
Rf'
Tn
If Uf
T = Kt Ia E = Ke n，
U = E + IaRa
电路原理图
n = —E—
Ke
= —U–—I—aR–a
Ke
= —KUe—– – —K—ReKa—t·T—2
转速特性
机械特性
n
= —KUe—T– – —K—RTeK0a—t·T—2
TN -- 额定负载转矩
T （N.m） TN 近似固有机械特性为过（0，n0），（TN，nN）的一条直线
利用电动机的铭牌数据来求近似固有机械特性。
已知铭牌数据（PN，UN，IN，nN）（0，n0），（TN，nN）
步骤：
（1）估算
Ra（或测量）
Ra = （0.5
0.75）（1
-
——P—N —）—U—N
保持 If = IfN n = nN，当调整负载电阻 R U I
反映发电机电枢端电压 U 随负载电流 I 变化的特性。
U
U0
电压调整率：
UN
U —U—0 —– U—N– 100%
0
I
UN
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。
直流电动机的机械特性
动过程
起动条件：1、起动转矩要足够大，
2、起动电流不要太大，
注意：因为在起动时，n=0,反电动势Ea=0
I st
UN Ra
二. 起动方法
1、降压启动 电压调节，现已逐步被晶闸管可控整流电源所取代。这种启动 方法需要专用电源，投资较大大但启动电流小，启动转矩容易 控制，启动平稳启动能耗小，是一种较好的启动方法。 2、串电阻分级启动 无须可调电源，实现方便。但电阻耗能严重，调节平滑性差。
n
n0
Ra Rz CeCT 2
Tz
n0
Ra Rz Ce
Iz
二、反接制动－电枢反接的反接制动
1．原理与方法
+U–
运行
R
If
M
Uf
制动
电枢反接制动是将正在正向 运行的他励直流电动机电枢回路 的电压突然反接，电枢电流也将 反向，主磁通不变，则电磁转矩 反向，产生制动转矩。
2. 机械特性
机械特性分析： U U N , ，N 电动机的机械特性方程式为
n
UN
Ce N
Ra R
C
e
CT
2 N
T
n0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
T
n0
n
说明
式中
Ra R
C
e
CT
2 N
称为人为特性的斜率，当改变外串电阻RΩ的大小，可得到 一簇人为特性曲线，如图所示。
特性的特点是： ①理想空载点n0与固有机械特性的相同； ②斜率β随外串电阻RΩ的增大而增大，使特性变软。电枢 回路串电阻时的人为机械特性可用于电机起动和调速。
n0
UN
Ce N
式中
Ce N
EaN nN
他励直流电动机的人为机械特性设计
他励直流电动机的人为机械特性（串电阻）一.直流电机基本工作原理与结构直流电机是指能输出直流电流的发电机，或通入直流电流而产生机械运动的电动机。
直流电动机具有良好的起动性能和宽广平滑的调速特性，因而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和起动设备等需要经常起动并调速的电气传动装置中。
直流发电机主要作直流电源。
此外，小容量直流电机大多在这种控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行元件使用。
1.直流电动机的工作原理图1.直流电动机工作原理若把上述电机模型作为直流电动机模型，如图2所示，由外电源由电刷A引入直流电源，使电流从正极电刷A流入，由负极电刷B流出。
此时，线圈中电流的路径：电源正极——电刷A——a——b——c——d——电刷Ｂ——电源负极。
根据左手定则确定的电磁方向可知，此时的电磁转矩是逆时针的。
设电枢在电磁转矩的作用下按逆时针方向旋转，当线圈边ａｂ由Ｎ极下面转到Ｓ极下面，线圈边ｃｄ由Ｓ极下面到Ｎ极下面时，由于换向器的作用，使线圈中的电流改变方向，此时电流的路径：电源正极——电刷——ｄ——ｃ——ｂ——ａ——电刷Ｂ——电源负极。
因为各磁极下线圈中的电流方向并不改变，所以就保证了电磁转矩的方向不变，从而使电枢能够连续旋转。
2.直流电机的基本结构（1）直流电机的静止部分1、主磁极2、机座3、换向极4、电刷装置（2）直流电机的转动部分1、电枢铁心2、电枢绕组.3、换向器.图2.电枢铁芯直流电机的额定值直流电机的额定数据有：1、额定功率 P N（瓦/千瓦，W/KW）2、额定电压 U N（伏V）3、额定电流 I N（安A）4、额定转速 n N (转/分 r/min)5、额定励磁电压 U Fn（伏V）6、额定励磁电流 I fN（安A）二、他励直流电动机的工作特性直流电动机的工作特性是指：在U1=UN，If=IfN的条件下，电枢回路无外接电阻时，转速n和转矩Tem以及效率与输出功率之间的关系。
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直流电动机的人为机械特性
直流电动机可以通过改变电枢回路电阻、电枢电源电压、励磁磁通等方法使机械特性发生变化，以适应负载和工艺的要求。
参数改变后对应的机械特性称为人为机械特性。
下面以他励直流电动机为例说明三种人为机械特性。
（1）电枢回路串电阻的人为机械特性
电枢加额定电压U N ，每极磁通为额定值φN ，电枢回路串入电阻R 后，机械特性表达式为
T C C R R C U n N
T e a N e N 2Φ+-Φ= 电枢串入电阻(R)值不同时的人为机械特性如图1所示。
图1 电枢回路串电阻的人为机械特性 图2 改变电枢电压的人为机械特性
显然，理想空载转速Φ=e C U n 0，与固有机械特性的n 0相同，斜率2
Φ=T e a C C R α与电枢回路电阻有关，串入的阻值越大，特性越倾斜。
电枢回路串电阻的人为机械特性是一组放射形直线，都过理想空载转速点。
（2）改变电枢电压的人为机械特性
保持每极磁通为额定值不变，电枢回路不串电阻，只改变电枢电压时，机械特性表达式为
T C C R C U n N
T e a N e 2Φ-Φ= 电压U 的绝对值大小不能比额定值高，否则绝缘将承受不住，但是电压方向可以改变。
改变电压大小的人为机械特性见图32所示。
显然，U 不同，理想空载转速Φ
=e C U n 0随之变化，并成正比关系，但是斜率都与固有机械特性斜率相同，因此各条特性彼此平行。
改变电压U 的人为机械特性是一组平行直线。
（3）减少气隙磁通量的人为机械特性
减少气隙每极磁通的方法是用减小励磁电流来实现的。
由于电动机磁路接近于饱和，增大每极磁通难以做到，改变磁通时，都是减少磁通。
图3 减少气隙磁通量的人为机械特性
电枢电压为额定值不变。
电枢回路不串电阻，仅改变每极磁通的人为机械特性表达式为
T C C R C U n T e a e N 2Φ-Φ=
显然理想空载转速n 0 ∝Φ1，Φ越小，n 0越高；而斜率α∝21Φ
，Φ越小，特性越倾斜。
改变每极磁通的人为机械特性如图3所示，是既不平行又不呈放射形的一组直线。