直流电动机的电力拖动

第二章直流电动机的电力拖动第三节他励直流电动机的机械特性一、教学目的：1、掌握拖动系统的运动方程。

2、掌握生产机械的负载特性和直流电动机的机械特性。

3、掌握他励直流电动机的固有特性与人为机械特性。

4、掌握拖动系统获得稳定平衡的充要条件。

二、教学设想：教学重点他励直流电动机的机械特性，拖动系统获得稳定平衡的充要条件。

1、教学难点固有特性与人为机械特性。

2、教学方法：讲授→分析→小结。

3、教具：PC、投影机三．教学过程1．导入新课：直流电动机的机械特性。

2．讲授新课四. 实验安排：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端电压Ua、励磁电流I f、电枢总电阻R为恒值的条件下，电动机转速n与电磁转矩Tem之间的关系，即n = f (Tem)特性曲线，或者说电动机转速n与电枢电流Ia之间的关系，即n = f (Ia，)特性曲线，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n = f (Tem)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，应用电动机的机械特性可以分析电力拖动系统的启动、调速、制动等运行性能，因此，直流电动机的机械特性是十分重要的特性。

前面章节我们分析了，当电动机的电磁转矩Tem等于负载转矩T L时，电动机处于平衡状态，当电动机的电磁转矩Tem不等于负载转矩T L时，这种平衡状态被破坏，电动机的电磁转矩Tem要随着负载转矩T L变而变，当新电动机的电磁转矩Tem又等于新的负载转矩T L时，电动机从一个平衡状态变化到另一个平衡状态，称为过度过程，随着电磁转矩Tem变，电动机转速n也变。

直流电动机的励磁方式可分为他励、并励、串励、复励电动机等类型。

其中他励直流电动机的机械特性最“硬”，用途最广，所以我们研究他励直流电动机的机械特性。

2.3.1 他励直流电动机的机械特性图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（1-21）和式（1-16）；可求得机械特性方程式；（2-4）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。

（2-5）图2.12 他励直流电动机的机械特性曲线实际上，当电动机旋转时，不管是否有负载，总存在有一定的空载损耗和相应的空载转矩，所以电动机的实际空载转速n 0′将低于n 0。

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 （2-6）式中β——机械特性曲线的斜率。

β越大，∆n 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，∆n 比较小，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％来说明，见式（1-22），转速调整率小，则机械特性硬度就高。

图2.11 他励直流电动机电路原理图 R I E R R I E U a a s a a a +=++=)(Φ=a T em I C T n E a Φe C =em T e e T C C R C U n Φ-Φ=Φ=e C Un 0em em T T R n βΦ==∆2T e C C2.3.2 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；（2-7） 固有机械特性曲线如图2.12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 =U N , Φ=ΦN ,R =Ra+Rpa ，电枢回路串电阻人为机械特性的方程式为；（2-8） 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。

从图上可见，当负载转矩T L 不变时，只改变电阻Rpa的大小，可以改变电动机的转速，例如T L =T N ，电枢回路串电阻Rpa =0，转速n a ，当Rpa =Rpa 1，转速n b ，Rpa =Rpa 2，转速n c ，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保持Rpa =0，Φ=ΦN ，特性方程式为；（2-9）由于电动机的额定电压是工作电压的上限，受到绝缘强度的限制，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em N a N N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=图2.12他励直流电动机固有机械特性曲线 em N pa a N N T R R U n 2T e e C C C ΦΦ+-=）（N e N C U n Φ÷=0图2.12 他励直流电动机串电阻 时的机械特性 −−←−−←a b c −−←em N a N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=2.15 他励直流电动机弱磁时的机械特性 图2.14 他励直流电动机改电压时的机械特性载转速n 0随电压减小成正比减小，图2.14所示为改变电压时的人为他励直流电动机改特性，它是一组低于固有机械特性而与之平行的直线。

可见，当负载转矩不变时，改变电压的大小，可以改变电动机的转速，因此，改变电枢电压的方法，也可用于他励直流电动机调速。

3．减弱磁通时的人为机械特性在励磁回路内串接电阻Rpf ，或降低励磁电压U f 来减弱磁通，此时 ，减弱磁通时的人为机械特性方程式为； （2-10）由于磁通Φ 的减少，使得 理想空载转速n 0和斜率β都增大，其特性曲线如图2.15所图示 。

电机的磁通设计在磁化曲线的膝点，接近饱和点，因此一般采用减弱磁通方法，可见，当负载转矩不变时，减弱磁通方法也可用于他励直流电动机调速。

2.3.3 电力拖动系统稳定运行的条件根据前面分析的负载特性和电动机的机械特性结合起来，研究电力拖动系统稳定运行条件的问题。

负载特性和电动机的机械特性的相交的点为电动机的电磁转矩T em 等于负载转矩T L ，这是电力拖动系统稳定运行的必要条件，但是系统能否稳定运行呢？设有一电力拖动系统，原来匀速运行于某一个转速下，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），使电动机转速发生变化，离开了原来平衡状态。

当外界的扰动消失后，系统能恢复到原来的转速，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。

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。

em a N T R U n 2T e e C C C ΦΦ-=（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，dω/d t =0，即ω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。

假设由于外界的扰动，如电网电压波动，电压上升，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，电动机要加速，转速将沿机械特性曲线2从B 点增加到C 点。

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。

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C ′低到C 点，在′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，在 处 （2-11） 则系统能稳定运行，式（2-11）即为稳定运行充分必要条件。

对恒转矩负载, d TL /d n =0 则d Tem /d n < 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 ）中的A 点，d T /d n > 0 ，因此不能稳定运行。

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。

作业；课本P53 2-3 2-4dndT ＜dn dT L em L em T T。