他励直流电动机的机械特性曲线的分析
他励直流电动机的机械特性曲线的分析
浅析：他励直流电动机的机械特性在电源电压U 和励磁电路的电阻R f 为常数的条件下，表示电动机的转矩n 和转矩之间的关系n=f （T ）曲线，称为机械特性曲线。
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。
下图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。
由公式 ， 和 导出机械特性方程式 ( 1-1 )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Φ＝常数时，电动机的机械特性如下图所示，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n 0时的转速，称为理想空载转速。
他励直流电动机的机械特性a a a R I E U +=n E a Φe C =φa T em I C T =em T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=Φe 0C U n =实际上，当电动机旋转时，不论有无负载，总存在有一定的空载损耗和相应的空载转矩，而电动机的实际空载转速 将低于n 0。
由此可见式（1-1）的右边第二项即表示电动机带负载后的转速降，用 表示，则 ( 1-2 ) 式中 β——机械特性曲线的斜率。
β越大， 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，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△n N %来说明，转速调整率小，则机械特性硬度就高。
电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性 。
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 固有机械特性如下图中的 曲线 所示，由于 较小，故他励直流电动机固有机械特性较“硬”。
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
直流他励电动机实验
1-2 直流他励电动机一、实验目的1、掌握用实验方法测取直流他励电动机的工作特性和机械特性。
2、掌握直流他励电动机的调速方法。
二、预习要点1、什么是直流电动机的工作特性和机械特性？2、直流电动机调速原理是什么？三、实验项目1、工作特性和机械特性保持U=U N和I f=I fN不变，测取n、T2、η=f（I a）、n=f（T2）。
2、调速特性（1）改变电枢电压调速保持U=U N、I f=I fN=常数，T2=常数，测取n=f（U a）。
四、实验设备及仪表五、实验方法1、他励电动机的工作特性和机械特性（1）按图1-2接线。
涡流测功机T在此作为直流电动机M的负载，用于测量电动机的转矩和输出功率。
Rf 选用D44的1800Ω阻值。
Rst用D44的180Ω阻值。
图1－2 直流他励电动机接线图(2) 将直流他励电动机M的磁场调节电阻R f1调至最小值，电枢串联起动电阻R st调至最大值，接通电枢电源开关使其起动，其旋转方向应符合转速表正向旋转的要求。
（3）M起动正常后，调节电枢电源的电压为220V，将其电枢串联电阻R st 调至零，再调节给定调节增加负载和电动机的磁场调节电阻R f，使电动机达到额定值U＝U N，I＝I N，n＝n N。
此时M的励磁电流I f即为额定励磁电流I fN。
（4）保持U＝U N，I f=I fN的条件下，逐次减小电动机负载。
测取电动机电枢输入电流I a，转速n共取数据9-10组，记录于表1-2中。
表1－2 U＝U N＝V I f=I fN= mA实验数据I a（A）n（r/min）T2（N·m）计算P2（W）P1（W）2 、 调速特性（1）改变电枢端电压的调速1）直流电动机M 运行后，将电枢电阻R 1调至零，再调节给定调节增加负载、电枢电压及磁场电阻R f1，使M 的U=U N ，I=0.5I N ，I f ＝I fN 记下此时的T 2值。
2）保持此时的即T 2值和I f ＝I fN 不变，逐次增加R 1的阻值，降低电枢两端的电压U a ，使R 1从零调至最大值，每次测取电动机的端电压U a ，转速n 和电枢电流I a 。
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。
他励直流电动机的机械特性方程
他励直流电动机是一种利用直流电源进行驱动的电机，具有转矩大、速度稳定、结构简单、容易控制等优点。
它的机械特性方程是一种描述电动机的力学性能的数学表达式，其具体表达形式为：T=Kt*i，其中T表示他励直流电动机的转矩，Kt表示电机的转矩系数，i表示电机的电流。
他励直流电动机机械特性方程的另一种表达形式为：ω=Kω*i，其中ω表示他励直流
电动机的转速，Kω表示电机的转速系数，i表示电机的电流。
从上述两个机械特性方程可以看出，他励直流电动机的转矩和转速与电流成正比。
当电流增大时，他励直流电动机的转矩和转速也会相应增大；当电流减小时，他励直流电动机的转矩和转速也会相应减小。
此外，他励直流电动机的机械特性方程还可以描述转矩与转速之间的关系，即T=K*ω，其中K表示电机的功率系数，T表示他励直流电动机的转矩，ω表示电机的转速。
从这一关系可以看出，当转速增大时，他励直流电动机的转矩也会增大；当转速减小时，他励直
流电动机的转矩也会减小。
总之，他励直流电动机的机械特性方程可以用来描述电动机的力学性能，揭示转矩和转速与电流之间的关系以及转矩与转速之间的关系，为电动机的设计和控制应用提供了重要的参考。
他励直流电动机的机械特性
一.能耗制动 1.他励电动机能耗制动电路图及电路特点 1.他励电动机能耗制动电路图及电路特点
他励电动机能耗制动电路原理( 他励电动机能耗制动电路原理(图9-18)
能耗制动时的机械特性为：
Ra + R B Tem = 0 − β Tem 2 C eCT Φ N
n=−
n
制动瞬间 工作点
电动机状态工 作点
启动时电枢电流过渡过程( 启动时电枢电流过渡过程(图9-12)
(7)结论 请看下表： 可以看出： 理论上，只有当时间 n 趋于无穷 时，转速才能达到稳态值 ，但实 际上，由于当 t =（3 ~ 4）TtM 时 ，系统转速已达到稳定运行转速 nz 的 95% ~ 98% 所以，一般可认为经过 3 ~ 4 个 时间常数，转速便达到稳定值， 过渡过程结束
任意给出两点如 T = 0（空载点）和 T = TN通过这两点得连线即为固有机 械特性 (二)人为机械特性的绘制 二 人为机械特性的绘制 各种人为机械特性的计算较为简单，把相应的参数值代入对应的人为机械 特性方程式即可。
四.电力拖动系统稳定运行的条件
我们的任务是什么？ 分析生产机械负载转矩特性与电动机的机械特性的配合问题 1.稳态时电动机电流由负载大小决定 1.稳态时电动机电流由负载大小决定 (1)转矩平衡 当他励电动机机械特性 n = f(T)为 3，恒转矩负载特性 n = f(TZ)为 1 因转矩 T 与 TZ 方向相反、大小相等而相互平衡 时，转速为某一稳定值，拖动系统处于稳态 (2)稳态运行 两个特性的交点 A ，转速都是 nA，电磁转矩 等于负载转矩（= TZ1） 交点A表明电力拖动系统的某一稳态运行点 (3)负载发生变化 如负载增大，负载转矩特性由 1 变为 2 。 转速开始时仍为 nA，电磁转矩 T 还是由 A 点决定,因为 T = TZ1< TZ2 所以 dn/dt < 0 ，系统进入动态减速过程 两种不同负载的n= 31，2—两种不同负载的n=f(TZ) 3- n=f(T) 两种不同负载的
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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浅析：他励直流电动机的机械特性
在电源电压U 和励磁电路的电阻R f 为常数的条件下，表示电动机的转矩n 和转矩之间的关系n=f （T ）曲线，称为机械特性曲线。
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。
下图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。
由公式 ， 和 导出机械特性方程式 ( 1-1 ) 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Φ＝常数时，电动机的机械特性如下图所示，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n 0时的转速，称为理想空载转速。
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，总存在有一定的空载损耗和相应的空载转矩，
而电动机的实际空载转速 将低于n 0。
由此可见式（1-1）的右边第二项即表示电动机带负载后的转速降，用 表示，则 ( 1-2 ) 式中 β——机械特性曲线的斜率。
β越大， 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，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△n N %来说明，转速调整率小，则机械特性硬度就高。
电动机的机械特性分为固有机械特性和人为机械特性 。
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 固有机械特性如下图中的 曲线 所示，由于 较小，故他励直流电动机固有机械特性较“硬”。
他励直流电动机串电阻时的机械特性
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（1-1）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） 枢串电阻时的人为机械特性 此时 ，人为机械特性的方程式 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”,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。
如下图所示
（2） 改变电枢电压时的人为机械特性
a a a R I E U +
=n E a Φe C =φa T em I C T =em T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=Φ
e 0C U n =0
n 'n ∆em em T T R n βΦ==∆2T e C C n ∆em N
a N N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=pa a N N R R R U U +===,,ΦΦem N pa a N N T R R U n 2T e e C C C ΦΦ+-=0=pa R N
ΦΦ=
此时 ， ，特性方程式 ，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 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，如下图所示
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 或降低励磁电压 来减弱磁通，此时 ， 特性方程式 ，由于磁通Φ 的减少，使得理想空载转速 和斜率β 都增大，特性曲线如下图所示
他励直流电动机弱磁时的机械特性 0n pf R f U N U U =0=pa R em a N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=0n。