他勵直流電動機的機械特性

1、2.3 2.3 他勵直流電動機的機械特性他勵直流電動機的機械特性 他勵直流電動機的機械特性是指電動機在電樞電壓、勵磁電流、電樞總電阻為恒值的條件下,電動機轉速n與電磁轉矩 的關系曲線 或電動機轉 速 與電樞電流 的關系曲線 ，后者也就是轉速調整特性。由于轉速和轉矩都是機械量，所以把它稱為機械特性。利用機械特性和負載轉矩特性可以確定拖動系統(tǒng)的穩(wěn)定轉速，在一定條件下還可以利用機械特性和運動方程式分析拖動系統(tǒng)的動態(tài)運動情況，如轉速、轉矩及電流隨時間的變化規(guī)律?？梢?，電動機的機械特性對分析電力拖動系統(tǒng)的啟動、調速、制動等運行性能是十分重要的。emT)(emTfn naI)(aIfn 2.3.1 2.3

2、.1 機械特性方程式機械特性方程式 圖2.11是他勵直流電動機的電路原理圖，他勵直流電動機的機械特性方程式，可由他勵直流電動機的基本方程式導出。由式 、 和 式 可求得機械特性方程式; （2-4） emTRUn2TeeCCC圖2.11 他勵直流電動機電路原理圖 aaaRIEUnEaeCaTemICT 當電源電壓U=常數，電樞回路總電阻R常數，勵磁磁通常數時，電動機的機械特性如圖2.12所示，是一條向下傾斜的直線，這說明加大電動機的負載，會使轉速下降。特性曲線與縱軸的交點為 時的轉速 ，稱為理想空載轉速。 0emT0ne0CUn 圖2.12 他勵直流電動機的機械特性 實際上，當電動機旋轉時，不論

3、有無負載，總存在有一定的空載損耗和相應的空載轉矩，而電動機的實際空載轉速 將低于n0。由此可見式（2-4）的右邊第二項即表示電動機帶負載后的轉速降，用 表示，則（2-6）式中 機械特性曲線的斜率。 0nnememTTRn2TeCCnNn 越大， 越大，機械特性就越“軟”，通常稱大的機械特性為軟特性。一般他勵電動機在電樞沒有外接電阻時，機械特性都比較“硬”。機械特性的硬度也可用額定轉速調整率 來說明，見式（1-22），轉速調整率小，則機械特性硬度就高。2.3.2 固有機械特性和人為機械特性 1固有機械特性 固有機械特性是當電動機的電樞工作電壓和勵磁磁通均為額定值，電樞電路中沒有串入附加電阻時的機

4、械特性，其方程式為 （2-7） 固有機械特性如圖2.13中 的曲線 所示，由于 較小，故他勵直流電動機固有機械特性較“硬”。 emNaNNTRUn2TeeCCCaRR aR圖2.13 他勵直流電動機串電阻 時的機械特性 2 2人為機械特性人為機械特性 人為機械特性是人為地改變電動機電路參數或電樞電壓而得到的機械特性，即改變公式（2-4）中的參數所獲得的機械特性，一般只改變電壓、磁通、附加電阻中的一個，他勵電動機有下列三種人為機械特性。（1）電樞串電阻時的人為機械特性 此時 ，人為機械特性的方 程式為; （2-8）paaNNRRRUU,emNpaaNNTRRUn2TeeCCC0nnpaRn0n

5、與固有特性相比，理想空載轉速 不變，但是，轉速降 增大 。 越大， 也越大，特性變“軟”，如圖2.13中曲線1, 2所示。 這類人為機械特性是一組通過 ,但具有不同斜率的直線。 （2）改變電樞電壓時的人為機械特性 此時 ， ，特性方程式為 （2-9） 由于電動機的額定電壓是工作電壓的上限，因此改變電壓時，只能在低于額定電壓的范圍內變化。與固有特性相比較，特性曲線的斜率不變，理想空載轉速 隨電壓減小成正比減小，故改變電壓時的人為特性是一組低于固有機械特性而與之平行的直線，如圖2.14所示。 0paRNemNaNTRUn2TeeCCC0n圖2.14 他勵直流電動機改變電樞電壓時的機械特性 3減弱磁

6、通時的人為機械特性 可以在勵磁回路內串接電阻 或降低勵磁電壓 來減弱磁通，此時 ， 特性方程式為； （2-10） 由于磁通 的減少，使得理想空載轉速 和斜率 都增大，其特性曲線如圖2.15所圖示。 pfRfUNUU 0paRemaNTRUn2TeeCCC0n2.15 他勵直流電動機弱磁時的機械特性2.3.3 2.3.3 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件 設有一電力拖動系統(tǒng)，原來勻速運行于某一轉速，由于受到外界某種短時的擾動，如負載的突然變化或電網電壓波動等（注意：這種變化不是人為的控制調節(jié)），而使電動機轉速發(fā)生變化，離開了原平衡狀態(tài)，當外界的擾動消失后，系統(tǒng)能恢復到原來的轉

7、速，或在新的條件下達到新平衡狀態(tài)，就稱該系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，否則就稱為不穩(wěn)定運行。顯然，穩(wěn)定運行是拖動系統(tǒng)所必須滿足的條件。 為了使系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，電動機的機械特性和負載的轉矩特性必須配合得當，這就是電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的條件。 為了分析電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行的問題，將電動機的機械特性和負載的轉矩特性曲線畫在同一張坐標圖上，如圖2.16所示。圖（a）和圖（b）表示了電動機的兩種不同的機械特性。 （a）穩(wěn)定運行 （b）不穩(wěn)定運行 圖2.16 電力拖動系統(tǒng)穩(wěn)定運行條件 根據運動方程式，當電動機的電磁轉矩 等于總負載轉矩 時， 即為一定值，說明系統(tǒng)運行于一個確定的轉速（勻速），在圖2.16（a）的情況下，

8、系統(tǒng)原來運行在電動機特性曲線和負載特性曲線的交點A處，A點為運行工作點。 設由于外界的擾動，如電網電壓波動，使機械特性偏高,由曲線1轉為曲線2，擾動作用使原平衡狀態(tài)受到破壞，但由于慣性，轉速還來不及變化，電動機的工作點瞬間從A點變到B點。這時電磁轉矩將大于負載轉矩，轉速將沿機械特性曲線emTLT0d/dt2 由B增加到C。隨著轉速的升高，電動機轉矩也逐漸減小，最后在C點得到新的平衡，在一個較高的轉速下穩(wěn)定運行。當擾動消失后，機械特性由曲線2恢復到原機械特性曲線1，這時電動機的特性由C點瞬間過渡到D點，由于電磁轉矩小于負載轉矩，故轉速下降，最后又恢復到原運行點A，重新達到平衡。 反之，如果電網電

9、壓波動使機械特性偏低，由曲線1轉為曲線3，則瞬間工作點將轉到 點，電磁轉矩小于負載轉矩，轉速將由 點降低到 點，在 點取得新的平衡；而當擾動消失后，工作點將又恢復到原工作點A。這種情況我們就稱為系統(tǒng)在A點能穩(wěn)定運行，而圖2.16（b）則是一種不穩(wěn)定運行的情況，讀者可自己分析。 由以上分析，可得出如下結論：若兩條特性曲線有交點（必要條件），且在工作點上滿足 （2-11） BBCC0d/dnTem0d/dnTL0d/dnTemdndTdndTLem（充分條件）則系統(tǒng)能穩(wěn)定運行，式（2-11）即為穩(wěn)定運行條件。對恒轉矩負載, 則 即電磁轉矩的變化與轉速的變化要異號,圖示則為電動機的機械特性曲線應是往下傾斜的。顯然在圖2.16（b）中的A點， ，因此不能穩(wěn)定運行。 由于大多數負載轉矩都是隨轉速的升高而增大或者保持恒值，因此只要電動機具有下降的機械特