直流电动机机械特性
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
直流电动机的方程式与机械特性
-
↓
电磁力与电枢铁心半径之积为电
磁转矩，电磁转矩是带动电枢旋
S
转的动力矩。
2.直流电动机的工作原理
图a
图b
图c
图d
直流电动机工作过程分解图
电刷两端接入的是直流电源，经过换向片和电刷流到电枢 线圈中的电流，却是交变的。
在恒定的励磁磁场作用下，位于N极下的电枢导体受力方向 始终不变，位于S极下的电枢导体受力方向也始终不变。
机械损耗和铁心损耗在“电动机空载运行时就存在”，二者 之和又称为“空载损耗”。
☆ 空载损耗P0： P0= Pm＋PFe
空载损耗产生空载转矩T0，T0与旋转方向相反，是制动转矩。
2.功率平衡方程式
☆附加损耗Ps：
附加损耗又称杂散损耗，其值很难计算和测定，通常取：
Ps =（0.5%~1%）PN。
总损耗：
实际电机有多个位于不同角度的电枢线圈，它们产生的电磁 转矩方向始终不变，能够带动电枢朝某个方向连续旋转。
二、直流电动机的电磁转矩
电磁转矩T是带动直流电动机旋转的动力矩，它是个 既有大小、又有方向的向量。 电磁转矩的方向由左手定则判断。
电磁转矩的大小为：
其中p为磁极对数，N为电枢绕组总导体数，a为单波绕组并联支 路对数，CT为转矩常数。这些参数只与电机的结构有关。
1.电动势平衡方程式（电路系统）
2.转矩平衡方程式（机械系统）
他励直流电动机电路图
3.功率平衡方程式（能量转换过程）
1.电动势平衡方程式
他励直流电动机的励磁电压Uf与电枢电压Ua彼此无关。
励磁电路： Uf →If →Φ 电枢电路：Ua → Ia→T → n →Ea
利用基尔霍夫电压定律，可得 电动势平衡方程式为：
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）。
3.3.7直流电动机的工作特性与机械特性11
2
直流电动机的机械特性
③减弱励磁磁通时的人为特性
改变励磁回路调节电阻Rsf，就可以改变励磁电流，进而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时，磁路已经 开始饱和，即使再成倍增加励磁电流，磁通也不会有明显增加，何况由于励磁绕组发热条件的限制，励磁电
流也不允许大幅度地增加，因此，只能在额定值以下调节励磁电流，即只能减弱励磁磁通。
的去磁效应，则转速与负载电流按线性关系变化，
当负载电பைடு நூலகம்增加时，转速有所下降。他励直流电 图3-23 他励电动机的工作特性
动机的工作特性如图3-23所示。
1
直流电动机的工作特性
（2）转矩特性 当U=UN，If=IfN时，Tem f (I a ) 的关系称为转矩特性。根据直流电
机电磁转矩公式可得电动机转矩特性表达如下：
保持R=R a（Rs =0）、U= UN不变，只减弱磁通时的人为机械特性为
n=
(3-29)
对应的转速特性为 n=
（3-30）
在电枢串电阻和降低电压的人为特性中，因为 不变，T ∝I ，所以他们的机械特性n=f(T )曲线也代表了转速 特性n=f(I )曲线。
2
直流电动机的机械特性
但是在讨论减弱磁通的人为特性时，因为磁通 是个变量，所以n=f(I )与n=f(T )两条曲线是不同 的，如图3-29所示
3
机械特性的求取
根据计算所得 (0,n0)和（TN，Nn)两点就可以在 Tem-n平面内画出电动机的固有机械特性。通过式 求出β 后，便可求得他励电动机的固有机械特性方程式n=n0- 。
(2). 人为特性的求取
在固有特性方程式 n=n0-
(n0、β为已知 基础上，根据人为机械特性对应的参数 （U、Rs或Φ）
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
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
《机电传动控制》实验1-直流电动机机械特性
《机电传动控制》实验1-直流电动机机械特性《机电传动控制》实验指导书实验⼀直流电动机的机械特性⼀、实验⽬的掌握⽤实验⽅法测取直流并励电动机的机械特性。
⼆、实验内容1、实验设备1)、电源控制屏、D31直流数字电压电流表（2件）、D42三相可调电阻器、D44可调电阻器，挂箱排列顺序见图1-1。
2）、DD03导轨、测速发电机及转速表DJ23校正直流测功机参数：I N=2.2A，P N=355W，n N=1500r/min，U fN=220A，R f=26Ω，R=2090ΩDJ15直流并励电动机参数：I N=1.2A，P N=185W，n N=1600r/min，U fN=220A，R f=57Ω，R=1387Ω转速表DJ23 DJ15 DJ15直流并励电动机电阻串联接法：旋钮在最⼤值时R=1800Ω电阻并联接法：旋钮在最⼤值时R=450Ω图1-1实验挂件及顺序D 42 D 31 （1） D 31 （2）D 44电源控制屏量程选择1000v量程选择200m A励磁电源电枢电源接线图2、实验步骤1）按上图接线。
图中直流电动机M⽤DJ15，其额定电压U N=220V，额定励磁电流I fN<0.16A。
校正直流测功机MG⽤DJ23，MG按他励发电机连接，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。
R f1选⽤D44的1800Ω阻值，R f2选⽤D42的900Ω串联900Ω共1800Ω阻值，R1⽤D44的180Ω阻值，R2⽤D42的900Ω串联900Ω再加900Ω并联900Ω共2250Ω阻值。
接好线后，检查M、MG之间是否⽤联轴器直接联接好。
2）将直流并励电动机M的磁场调节电阻R f1调⾄最⼩值，电枢串联起动电阻R1调⾄最⼤值，接通控制屏下边右⽅的电枢电源开关使其启动，其旋转⽅向应符合转速表正向旋转的要求。
3）M启动正常后，将其电枢串联电阻R1调⾄零，调节电枢电源的电压为220V，调节校正直流测功机的励磁电流I f2为校正值（100mA），再调节其负载电阻R2和电动机的磁场调节电阻R f1，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。
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（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。