直流他励电动机机械特性(选做).
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
直流他励电动机的机械特性
电压平衡方程式为：U E I ( R R ) N a a ad
UN Ra Rad 得到的人为机械特性方程式为： n T 2 K e N K e K m N
UN Ra Rad UN Ra T 把n T 与n 2 2 K e N K e K m N K e N K e K m N 空载速度不变；
3．2 直流他励电动机的机械特性
一、机械特性的一般形式
电动机的机械特性指的是转速与电磁转矩之间的关系。
不同励磁方式的电动机，其运行特性也不尽相同，下面主要介
绍在调速系统中应用的较广泛的他励电动机的机械特性。 如图所示为直流他励电动机的原理电路图。电枢回路Leabharlann 分U E I a Ra
励磁回路部分
由他励电动机的特性可知： 励磁电流If的大小与电枢电流 Ia
的大小无关，它的大小只取决
于 Rf、 Uf的大小，当 Rf、 Uf的 大小一定时, If为定值，即磁通 对应的机械特性如图所示：
为定值。
理想空载点
1. 理想空载转速： T=0时的转速称为理想空载转 速，用n0表示。
根据机械特性可知：
n0 U K e
在固有特性曲线之下。
3．改变磁通 时的人为特性 U U N , Rad 0
UN Ra UN Ra 把n T 与n T 2 2 K e N K e K m N K e K e K m 理想空载转速随磁通的改变而变化；
转速降随磁通的改变而变化。 特性变软
由于励磁线圈发热和电动机磁饱和的限制，电动机的励磁电流 和它对应的磁通只能在低于其额定值的范围内调节； 当磁通过分削弱后：
（1）绝对硬特性 （2）硬特性>10 （3）软特性<10
他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机额定数据为：PN=29kW，UN=440V， IN =76.2A，nN=1050rpm，Ra=0.393。电动机拖动额定恒转距
负载工作，试计算：
（1）额定电压和额定励磁时，电枢串入2.5 电阻时的转速。
（2）额定励磁不串电阻时，电压U=220V时的转速。
（3）额定电压不串电阻时，磁通减少15％时的转速。
注意：他励（或并励）电 动机在运行时，励磁绕组绝对
不能断开。否则， If=0，电枢
电流迅速增大；若负载较小，
则会造成“飞车”事故。
例2-2 P43
0
TN
T
2
§2-3 他励直流电动机的机械特性
三、他励直流电动机的人为机械特性
1、电枢回路串电阻时的人为机械特性
n
UN Ce N
Ra R CeCM N
（4）额定电压、电枢串入2.5 电阻，并将磁通减少15％时
的转速。
解：
CeΦN
UN
IaN Ra nN
440
76.2 0.393 1050
0.3905
6
§2-3 他励直流电动机的机械特性
（1） Ia IaN 76.2 A
n U N (Ra RΩ )Ia 440 76.2 (0.393 2.5) 562 .3rpm
CeΦN
0.3905
（2） Ia IaN 76.2 A
n U Ra Ia 220 76.2 0.393 486 .7rpm
CeΦN
0.3905
（3） 由于： T CeΦN IaN CeΦI a 所以：
Ia
CeΦN IaN CeΦ
CeΦN IaN 0.85 CeΦN
89.65 A
CeΦ
他励直流电动机的机械特性(精)
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。
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”。
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。
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
他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性一、实验目的了解和测定他励直流电动机在各种运转状态的机械特性二、预习要点1、改变他励直流电动机机械特性有哪些方法？2、他励直流电动机在什么情况下，从电动机运行状态进入回馈制动状态？他励直流电动机回馈制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性又是什么情况？3、他励直流电动机反接制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性。
三、实验项目1、电动及回馈制动状态下的机械特性2、电动及反接制动状态下的机械特性3、能耗制动状态下的机械特性四、实验方法1、实验设备2、屏上挂件排列顺序D51、D31、D42、D41、D31、D44按图1接线，图中M用编号为DJ15的直流并励电动机(接成他励方式)，MG用编号为DJ23的校正直流测功机，直流电压表V1、V2的量程为1000V，直流电流表A1、A3的量程为200mA，A2、A4的量程为5A。
R1、R2、R3、及R4依不同的实验而选不同的阻值。
3、R2=0时电动及回馈制动状态下的机械特性(1) R 1、R 2分别选用D44的1800Ω和180Ω阻值，R 3选用D42上4 只900Ω串联共3600Ω阻值，R 4 选用D42上1800Ω再加上D41上6只90Ω串联共2340Ω阻值。
(2) R 1阻值置最小位置，R 2、R 3及R 4阻值置最大位置，转速表置正向1800r/min 量程。
开关S 1、S 2选用D51挂箱上的对应开关，并将S 1合向1电源端，S 2合向2'短接端。
(3) 开机时需检查控制屏下方左、右两边的“励磁电源”开关及“电枢电源”开关都须在断开的位置，然后按次序先开启控制屏上的“电源总开关”，再按下“开”按钮，随后接通“励磁电源”开关，最后检查R 2阻值确在最大位置时接通“电枢电源”开关，使他励直流电动机M 起动运转。
调节“电枢电源”电压为 220V ；调节R 2阻值至零位置，调节R 3阻值，使电流表A 3为100mA 。
他励直流电机的机械特性
他励直流电机的固有机械特性
转速特性：他励直流电动机的转速特性整理后得到 2N
T e S a N e N C C R R C U n Φ+-Φ=
（3-1）
图3-2 直流电机的工作原理图
忽略电枢反应的去磁效应，转速与负载电流按照线性关系变化，负载电流增加时，转速会下降。
转矩特性：当N U U =,fN I I =时，)(a em I f T =的关系叫转矩特性。
根据直流电机电磁转矩的公式
a N T em I C T Φ=
（3-2）
由此公式得出，忽略电枢反应情况下电磁转矩与电枢电流成正比，考虑电枢反应主磁通的下降，电磁转矩上升的速度比电流上升的速度要慢一些，曲线的斜率也会有下降。
效率特性 ：当N U U =,N I I f =时，)(a I f =η的关系较效率特性。
a
N a a I U I R P P P P P P 2021211+-=∑+∑-==η (3-3)
空载损耗
P是不随负载变化的，负载电流较小时效率较低，输入的功
率大部分消耗在空载损耗上；负载电流增大效率也会增大，输入的功率大部分消耗在机械的负载上，但当负载电流增大到一定的时候铜损快速增大，此时的效率开始变小。
他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性
他励直流电动机的机械特性他励电机属于直流电机，是指电机的励磁线圈和电枢绕组是分开的电机，励磁电流单独提供，与电枢电流无关。
他励电动机的励磁绕组和电枢绕组分别由两个电源供电。
他励电动机由于采用单独的励磁电源，设备较复杂。
但这种电动机调运范围很宽，多用于主机拖动中。
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；
固有机械特性曲线如右上图所示，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 =UN ，Φ=ΦN ，R =Ra+Rpa，电枢回路串电阻人为机械特性的方程式为；
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”，如图中曲线1，2所示。
这类人为机械特性是一组通过n0但具有不同斜率的直线。
他励直流电动机串电阻时的机械特性
从图上可见，当负载转矩TL不变时，只改变电阻Rpa的大小，可以改变电动机的转速，例如TL=TN，电枢回路串电阻Rpa=0，转速na，当Rpa=Rpa1，转速nb，Rpa=Rpa2，转速nc，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。
他励直流电动机的机械特性
四、 人为机械特性
R R p a N 固有机械特性：n U M 2 C e N
人为机械特性可用改变电动机参数的方 法获得，即机械特性三个变量中任有一个 或一个以上值非额定时得到的机械特性即 为人为机械特性。 （U，Φ，Rad）
C C e t N
1. 串联电阻时的人为机械特性
此时增加了Rad：U＝UN，Φ ＝Φ N，R＝Ra＋ Rad 电枢串联电阻Rad时，人为机械特性的方程式 U R R N a ad 为：n T n n
2 K K eN K e t N 0
当U和Φ 都是额定值时，理想空载转速不变， 转速降增加，特性变软。 Rad越大，特性越软 。
特点和机械特性图
特点
人为机械特性由交纵 坐标轴于一点，但具 有不同斜率的射线族 组成。
机械特性图
电枢串联电阻时的人 为机械特性
2. 改变电压时的人为机械特性
特性曲线图
因为，当n＝0时， I＝Ist＝U/Ra＝常数， 所以，Tst＝KtΦ Ist 随Φ 的降低而减小，而 n0随Φ 的降低而增大。 改变磁通Φ 的人为特性 曲线图如右图。
注意
根据固有机械特性估算数据
根据固有机械特性可估算以下数据： 电枢电阻Ra：通常电机在额定负载下的铜耗 I2aRa占总损耗ΣΔPN的50％～75％。因 ΣΔPN＝输入功率－输出功率 ＝UNIN－PN ＝UNIN－ηN UNIN ＝（1－ηN ）UNIN 即 Δ P铜＝ I2aRa＝(0.5～0.75)(1-ηN )UNIN 式中， ηN ＝ PN/(UNIN) 是额定运行条件下电 动机的效率，且此时Ia＝IN
T N
TN是电动机轴上的输出转矩， 电磁转矩
9 .55 n N
他励直流电动机的机械特性
当U、R、Φ为常数时，得他励直 流电动机的机械特性n=f(Mem)— 一条向下倾斜的直线
转速n随转矩Mem的增大而降低
M0 MN Mem
二、新课导入
利用机械特性和负载转矩特性，可以确 定电动机在拖动系统的稳定转速。
Байду номын сангаас
在一定条件下还可以利用机械特性和运 动方程来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。
EN U N I N Ra Ce N nN nN
其中，IN、UN及nN为已知，Ra可实测或由经验公 式估算： 1 2 U N I N PN Ra ~ 2 2 3 I N
四、机械特性曲线的绘制
• 额定运行点（MN, nN）：
M N CMN I N 9.55CeN I N
CM——转矩常数
•R ——电枢电路总电阻，包括电枢电阻Ra和串联电阻RΩ •Ce——电动势常数
Ce pN / 60a
CM pN / 2 a
CM 9.55Ce
二、新课导入
电动机的机械特性：是指电动机的转速n与转矩M 的关系n=f(M)。 机械特性方程式：
U R n M em 2 Ce CeCM
2、人为机械特性的绘制
• 只要把相应的参数值代入相应的人为机械特性方 程式即可计算出来。
四、机械特性曲线的绘制
例：Z2 型他励直流电动机的铭牌数据如下，计算其机 r / min 械特性。 PN 22kW U N 220V I N 116A nN 1500
解
2 U N I N PN 2 220116 22000 Ra Ω 0.174Ω 2 2 3 IN 116 3
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实验一直流他励电动机机械特性（选做）
一．实验目的
了解直流电动机的各种运转状态时的机械特性
二．预习要点
1．改变他励直流电动机械特性有哪些方法？
2．他励直流电动机在什么情况下，从电动机运行状态进入回馈制动状态？他励直流电动机回馈制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性又是什么情况？
3．他励直流电动机反接制动时，能量传递关系，电动势平衡方程式及机械特性。
三．实验项目
1．电动及回馈制动特性。
2．电动及反接制动特性。
3．能耗制动特性。
四．实验设备及仪器
1．MEL系列电机系统教学实验台主控制屏。
2．电机导轨及转速表（MEL-13、MEL-14）
3．三相可调电阻900Ω（MEL-03）
4．三相可调电阻90Ω（MEL-04）
5．波形测试及开关板（MEL-05）
6．直流电压、电流、毫安表（MEL-06）
7．电机起动箱（MEL-09）
五．实验方法及步骤
1．电动及回馈制动特性
按线路图5-1接线。
mA2、A2分别选用量程为200mA、5A的毫伏表、安培表（MEL-06）
R1选用900Ω欧姆电阻（MEL-03）
R2选用180欧姆电阻（MEL-04中两90欧姆电阻相串联）
R3选用3000Ω磁场调节电阻（MEL-09）
R4选用2250Ω电阻（用MEL-03中两只900Ω电阻相并联再加上两只900Ω电阻相串联）开关S1、S2选用MEL-05中的双刀双掷开关。
接好线路后，在开启电源前，检查开关、电阻等的设置：
（1）开关S1合向“1”端，S2合向“2”端。
（2）电阻R1至最小值，R2、R3、R4阻值最大位置。
（3）直流励磁电源船形开关和220V可调直流稳压电源船形开关须在断开位置。
实验步骤。
a．按次序先按下绿色“闭合”电源开关、再合励磁电源船型开关和220V电源船形开关，使直流电动机M起动运转，调节直流可调电源，使V1读数为U N=220伏，调节R2阻值至零。
b．分别调节直流电动机M的磁场调节电阻R1，发电机G磁场调节电阻R3、负载电阻R4（先调节相串联的900Ω电阻旋钮，调到零用导线短接以免烧毁熔断器，再调节900Ω电阻相并联的旋钮），使直流电动机M的转速n N=1600r/min，I f+I a=I N=0.55A，此时I f=I fN，记录此值。
c．保持电动机的U=UN=220V，If=IfN不变，改变R4及R3阻值，测取M在额定负载至空载范围的n、Ia，共取5-6组数据填入表中。
d．折掉开关S2的短接线，调节R3，使发电机G的空载电压达到最大（不超过220伏），并且极性与电动机电枢电压相同。
e．保持电枢电源电压U=UN=220V，If=IfN，把开关S2合向“1”端，把R4值减小，直至为零（先调节相串联的900Ω电阻旋钮，调到零用导线短接以免烧毁熔断器）。
再调节R3阻值使阻值逐渐增加，电动机M的转速升高，当A1表的电流值为0时，此时电动机转速为理想空载转速，继续增加R3阻值，则电动机进入第二象限回馈制动状态运行直至电流接近0.8倍额定值（实验中应注意电动机转速不超过2100转/分）。
测取电动机M的n、Ia，共取5-6组数据填入表5-2中。
N fN
因为T2=CMφI2，而CMφ中为常数，则T∝I2，为简便起见，只要求n=f（Ia）特性，
在断电的条件下，对图5-1作如下改动：
（1）R1为MEL-09的3000Ω磁场调节电阻，R2为MEL-03 的900Ω电阻，R3不用，R4不变。
（2）S1合向“1”端，S2合向“2”端（短接线拆掉），把发电机G的电枢二个插头对调。
实验步骤：
a．在未上电源前，R1置最小值，R2置300Ω左右，R4置最大值。
b．按前述方法起动电动机，测量发电机G的空载电压是否和直流稳压电源极性相反，若极性相反可把S2含向“1”端。
c．调节R2为900Ω，调节直流电源电压U=UN=220V，调节R1使If=IfN，保持以上值不变，逐渐减小R4阻值，电机减速直至为零，继续减小R4阻值，此时电动机工作于反接制动状态运行（第四象限）；
d．再减小R4阻值，直至电动机M的电流接近0.8倍IN，测取电动机在第1、第4象限的n、I2，共取5-6组数据记录于表5-3中。
为简便起见，画n=f（Ia），见图5-3。
3．能耗制动特性
图5-1中，R1用3000Ω，R2改为360欧（采用MEL-04中只90Ω电阻相串联），R3采用MEL-03中的900欧电阻，R4仍用2250Ω电阻。
操作前，把S1俣向“2”端，R1、R2置最大值，R3置最大值，R4置300欧（把两只串联电阻调至零位，并用导线短接，把两只并联电阻调在300欧位置），S2合向“1”端。
按前述方法起动发电机G（此时作电动机使用），调节直流稳压电源使U=UN=220伏，调节R1使电动机M的If=IfN,调节R3使发电机G的If=80mA，调节R4并先使R4阻值减小，使电机M的能耗制动电流Ia接近0.8IaN数据，记录于表5-4中。
2fN
调节R2的180Ω，重复上述实验步骤，测取I a、n，共取6-7组数据，记录于表5-5中。
当忽略不变损耗时，可近似为电动机轴上的输出转矩等于电动机的电磁转矩T=CMΦIa，他励电动机在磁通Φ不变的情况下，其机械特性可以由曲线n=f（Ia）来描述。
画出以上二
七．实验报告
根据实验数据绘出电动机运行在第一、第二、第四象限的制动特性n=f（Ia）及能耗制动特性n=f（Ia）。
八．思考题
1.回馈制动实验中,如何判别电动机运行在理想空载点?
2.直流电动机从第一象限运行到第二象限转子旋转方向不变,试问电磁转矩的方向是否也不变? 为什么?
3.M-G实验机组,当电动机M从第一象限运行到第四象限,其转向反了,而电磁转矩方向不变,为什么? 作为负载的G,从第一到第四象限其电磁矩方向是否改变? 为什么?。