《电机控制技术》课件-3.3.7直流电动机的工作特性与机械特性11

直流电动机的工作特性1

目录1直流电动机的机械特性234机械特性的求取3直流电动机的工作特性1

直流电动机的工作特性是指供给电机额定电压

UN额定励磁电流IfN

时，转速与负载电流之间的关系、转矩与负载电流之间的关系及效率与负载电流之间的关系。这三个关系分别称为电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。

他励直流电动机的工作特性与并励直流电动机的工作特性相同。本节以他励直流电动机为例分析直流电动机的工作特性。直流电动机的工作特性1（1）转速特性他励直流电动机的转速特性可表示为

，整理可得：

（3-19）

此式即为转速特性的表达式。如果忽略电枢反应的去磁效应，则转速与负载电流按线性关系变化，当负载电流增加时，转速有所下降。他励直流电动机的工作特性如图3-23所示。

图3-23他励电动机的工作特性直流电动机的工作特性1（2）转矩特性当U=UN，If=IfN时，

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：

（3-20）

由此式可见，在忽略电枢反应的情况下电磁转矩与电枢电流成正比，若考虑电枢反应使主磁通略有下降，电磁转矩上升的速度比电流的上升的速度要慢一些，曲线的斜率略有下降。直流电动机的工作特性1（3）效率特性当U=UN，If=IfN时，

的关系称为效率特性。

（3-21）

从前面叙述可知，空载损耗P0是不随负载电流变化的，当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；当负载电流增大时效率也增大，输入的功率大部分消耗在机械负载上；但当负载电流大到一定程度时铜损快速增大此时效率又开始变小。直流电动机的机械特性2(1）机械特性的概念

直流电动机的机械特性是指在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值的条件下，即电动机处于稳态运行时，电动机的转速n与电磁转矩之间的关系：n=f(Tem)。由于转速和转矩都是机械量，所以把它称为机械特性。以他励直流电动机为例分析直流电动机的机械特性。图3-24所示是他励直流电动机的电路原理图。

图3-24他励直流电动机电路原理图直流电动机的机械特性2图中U为外施电源电压，Ea是电枢电动势，Ia是电枢电流，Rs是电枢回路串联电阻，If是励磁电流，

是励磁磁通，Rf是励磁绕组电阻，Rsf是励磁回路串联电阻。按图中标明的各个量的正方向，可以列出电枢回路的电压平衡方程式 U=Ea+RIa（3-22）式中，R=Ra+Rs，为电枢回路总电阻，Ra为电枢电阻。由电枢电动势Ea=CeΦn和电磁转矩Tem=CTΦIa，可得他励直流电动机的机械特性方程式直流电动机的机械特性2

式中，Ce、Ct分别为电动势常数和转矩常数（CT=9.55Ce）;n=

n

0-为电磁转矩Tem=0时的转速,称为理想空载转速；

为机械特性的斜率；

为转速降。

由公式Tem=CTΦIa可知，电磁转矩Tem与电枢电流Ia成正比，所以只要励磁磁通Φ

保持不变，则机械特性方程式也可用转速特性方程式也可用转速特性代替，即 n=−(3-24)由式（3-24）可知，当U、Φ、R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3-25所示。图3-25他励直流电动机的机械特性直流电动机的机械特性2

必须指出，电动机的实际空载转速n´0比理想空载转速略低。这是因为电动机有摩擦等原因存在一定的空载转矩T0，空载运行时，电磁转矩不可能为零，它必须克服空载转矩，即Tem=T0，故实际空载转速应为转速降

是理想空载转速与实际转速之差，转矩一定时，他与机械特性的斜率

成正比。

越大，特性越陡，

越大；

越小，特性越平，

越小。通常称

大的机械特性为软特性，而

小的机械特性为硬特性。直流电动机的机械特性2（2）固有机械特性和人为机械特性事实上，电枢回路电阻R、端电压U和励磁磁通

Φ都是可以根据实际需要进行调节的，每调节一个参数可以对应得到一条机械特性，所以可以得到许多条机械特性。其中，电动机自身所固有的，反映电动机本来“面目”的机械特性是在电枢电压、励磁磁通为额定值，且电枢回路不外串电阻时的机械特性，称为电动机的固有（自然）机械特性；调节U、R、β等参数后得到的机械特性称为人为机械特性。直流电动机的机械特性2(1)固有机械特性当U=UN、Φ=ΦN、R=RS(RS=0)

时的机械特性称为固有机械特性，其方程式为因为电枢电阻R

很小，特性斜率

很小，通常额定转速降

nN只有额定转速的百分之几到百分之十几，所以他励直流电动机的固有机械特性是硬特性，如图3-26中的直线图形所示。图3-26直流电动机的固有机械特性直流电动机的机械特性2（2）人为机械特性a.电枢串电阻时的人为特性保持U=UN、Φ=ΦN

不变，只在电枢回路中串入电阻RS时的人为特性为与固有机械特性相比，电枢串电阻时的人为特性的理想空载转速n

不变，但斜率

随串联电阻R

的增大而增大，所以特性变软。改变R

大小，可以得到一簇通过理想空载点n

并具有不同斜率的人为特性，如图3-27所示。n=3-27图3-27电枢串电阻时的人为特性直流电动机的机械特性2b.降低电枢电压时的人为特性保持

R=Ra(Rs=0)、Φ=ΦN不变，只改变电枢电压U时的人为特性为n=（3-28）由于电动机的工作电压以额定电压为上限，因此改变电压时，只能在低于额定电压的范围内变化，与固有特性比较，降低电压时人为特性的斜率

不变，但理想空载转速n

随电压的降低而正比减小。因此降低电压时的人为特性是位于固有特性下方，且与固有特性平行的一组直线，如图3-28所示.图3-28降低电枢电压的人为机械特性直流电动机的机械特性2③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。

保持R=Ra（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。直流电动机的机械特性2（a）

(b)图3-29减弱磁通时的人为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所示直流电动机的机械特性2

当n=0时，堵转电流IK=常数，而n0随Φ

的减小而增大。因此n=f(Ia)的人为机械特性是一组通过横坐标I=Ik点的直线，如图3-29（a）所示。改变磁通可以调节转速，从图3-29（b）看出，当负载转矩不太大时，磁通减小使转速升高；当负载转矩特别大时，减弱磁通才会使转速下降，然而，这时的电枢电流已经过大，电动机不允许在这样大的电流下工作。因此，实际运行条件下，可以认为磁通越小，稳定转速越高。（3）机械特性的求取在设计电力拖动系统时，首先应知道所选择电动机的机械特性，可是电动机的产品目录或铭牌中都未直接给出机械特性的数据，因此通常是根据铭牌数据：PN、UN、IN、nS计算或通过实验来求取机械特性。（1）固有机械特性的求取他励直流电动机的固有机械特性为一条直线，所以只要求出直线上任意两点的数据就可以画出这条直线。一般计算理想空载点（Tem=0，n=n0）和额定运行点（Tem=TN，n=nN

）数据，具体步骤如下：机械特性的求取3a.估算Ra。电枢电阻Ra可用实测方法求得，也可用下式进行估算：

（3-31）是人为电动机额定运行时，电枢铜耗占总电阻的

。b.计算CeΦN、CTΦN

C.计算理想空载点数据D.计算额定工作点数据以上计算中，用到的额定功率

、额定电压

、额定电流

和额定转速n均可从电动机的铭牌中查得。

机械特性的求取3

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