3.3-直流电机机械特性

3．3直流电动机的机械特性3.3.1他励直流电动机的机械特性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。直流他励电动机的原理电路图:电枢回路部分励磁回路部分3．4直流他励电动机的启动特性一、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：aNstRUI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，可能引起绕组的损坏。（2）对机械系统的影响：与启动电流成正比的启动转矩使运动系统的动态转矩很大，过大的动态转矩会在机械系统和传动机构中产生过大的转矩冲击，使机械传动部件损坏。（3）对供电电网的影响：过大的启动电流将使保护装置动作，切断电源造成事故，或者引起电网电压的下降，影响其他负载的正常运行。二、启动方法限制直流电动机的启动电流，一般有降压启动和电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。电枢回路串电阻启动时电枢电路和启动特性：曲线1为电动机电枢回路串接启动电阻时的机械特性，曲线2为电动机的固有机械特性。电枢回路接入电网时，KM断开，电动机工作在特性曲线1上，在动态转矩的作用下，电动机速度上升。当速度上升到a点时，KM闭合，电动机的机械特性变为曲线2。由于在切换电阻的瞬间，机械惯性的作用使电动机的转速不能突变，在此瞬间速度维持不变，即电动机的工作点从a点切换到b点，在动态转矩的作用下，电动机的速度继续上升直到稳定点c。从图中不难看出：当电动机的工作点从a点切换到b点时，冲击电流仍很大，为了解决这种现象，通常采用逐级切除启动电阻的方法来实现。通常最大转矩T1=（1.6～2）TN；切换转矩T2=(1.1～1.2)TN。(1)电枢接入电网时，KM1、KM2和KM3均断开，电枢回路串接外加电阻Rad3=R1+R2+R3，此时，电动机工作在特性曲线a，在转矩T1的作用下，转速沿曲线a上升；(2)当速度上升使工作点到达2时，KM1闭合，即切除电阻R3，此时电枢回路串外加电阻Rad2=R1+R2，电动机的机械特性变为曲线b。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由2切换到3，速度又沿着曲线b继续上升；(3)当速度上升使工作点到达4时，KM1、KM2同时闭合，即切除电阻R2、R3，此时电枢回路串外加电阻Rad1=R1，电动机的机械特性变为曲线c。由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由4切换到5，速度又沿着曲线c继续上升；(4)当速度上升使工作点到达6时，KM1、KM2、KM3同时闭合，即切除电阻R1、R2、R3，此时电枢回路无外加电阻，电动机的机械特性变为固有特性曲线d，由于机械惯性的作用，电动机的转速不能突变，工作点由6切换到7，速度又沿着曲线d继续上升直到稳定工作点8。降压起动：当直流电源电压可调时，可采用降压方法起动。起动时，以较低的电源电压起动电动机，起动电流随电源电压的降低而正比减小。随着电动机转速的上升，反电动势逐渐增大，再逐渐提高电源电压，使起动电流和起动转矩保持在一定的数值上，保证按需要的加速度升速。降压起动需专用电源，设备投资较大，但它起动平稳，起动过程能量损耗小，因此得到广泛应用。aaRIEU式中:U——外加电枢电压（V）；E——感应电势（V）；Ia——电枢电流（A）；Ra——电枢回路内阻（Ω）直流电动机电压平衡方程式：nΦKEeatIΦKTaaeRInΦKU可得出：aeaeIΦKRΦKUn转速特性：TΦKKRΦKUn2teae机械特性：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。ΦKUne02.转速降：TΦKKRnn2tea0机械特性硬度：为了衡量机械特性的平直程度，引进一个机械特性硬度的概念，其定义为：%100ΔΔddnTnT理想空载点即转矩变化与所引起的转速变化的比值，称为机械特性的硬度。根据值的不同，可将电动机机械特性分为三类。（1）绝对硬特性——如同步电动机机械特性；（2）硬特性10——如他励直流电动机机械特性；（3）软特性10——如串励直流电动机机械特性。一、固有机械特性直流他励电动机的固有机械特性指的是在额定条件（额定电压UN和额定磁通N)下和电枢电路内不外接任何电阻时的n=f(T)直流电动机固有机械特性曲线可根据电动机的铭牌数据求出(0、n0)和(TN、nN)即可绘出固有的机械特性。固有机械特性的绘制：已知PN、UN、IN和nN，可求出两点:①理想空载点(T=0，n=n0)和②额定运行点(T=TN，n=nN)。具体步骤：（1）估算Ra：2NNNNa)32~21(IPIUR（2）计算keΦN：NaNNNenRIUΦkNeNt55.9ΦkΦk（3）计算理想空载点：NeN0,0ΦkUnT（4）计算额定工作点：NNNN55.9nPPT求出两点，就可作出他励直流电动机固有机械特性曲线。二、人为机械特性人为机械特性是指人为地改变电动机电枢外加电压U和励磁磁通Φ的大小以及电枢回路串接附加电阻Rad所得到的机械特性。1.电枢回路中串接电阻时的人为特性：（U=UN,Φ=ΦN)TΦKKRRΦKUn2NteadaNeN电枢回路部分励磁回路部分TTLnRan0nNa0bcn1Ra+Rad未串电阻时的工作点串电阻后,工作点由a→b→c2.改变电枢电压U时的人为特性：（Φ=ΦN,Rad=0)由于电动机电枢绕组绝缘耐压强度的限制，电枢电压只允许在其额定值以下调节，所以，不同值的人为特性曲线均在固有特性曲线之下。TΦKKRΦKUn2NteaNe•理想空载转速降低，•特性硬度不变。降压瞬间工作点T0nnNUTLNna1U01nbc1n调压前工作点稳定后工作点3．改变磁通时的人为特性：（U=UN,Rad=0)转速降随磁通的改变而变化。理想空载转速随磁通的改变而变化；TΦKKRΦKUn2teaeN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。01n1Φ1nTnTLNn调节磁场前工作点减弱磁通后的工作点0nNΦ当磁通过分削弱后：（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。at2teaeNΦIKTTΦKKRΦKUn3.3.2串励和复励直流电动机的机械特性一、串励电动机的机械特性：是一个非线性的软特性，转速n随T的增大而迅速降低。它具有优良的起动性能。二、复励电动机的机械特性：机械特性介于并励和串励的之间。1串励2复励3他励