直流电动机的机械特性分析

1.机械特性

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T_e之间的关系n=f(T_e)。由于转速和转矩都是机械量,因而把它称为机械特性。利用机械特性和负载特性可以确定系统的稳态转速,在一定条件下还可以利用机械特性和运动方程式分析电力拖动系统的动态运行情况,如转速、转矩及电流随时间的变化规律。可见,电动机的机械特性对分析电力拖动系统的运行是非常重要的。

由前面的公式可求出直流电动机的转速公式:

由公式 T_e=C_TΦI_a,得,代入上式,有机械特性方程为

可写为n=n₀-βT_e,其中,

式中 n——电动机转速(r/min);

U——电动机端电压(V);

I_a——电枢电流(A);

R_a——电枢回路电阻(Ω);

n₀——电动机的理想空载转速;

β——机械特性的斜率,当改变转子回路的电阻或磁通时就改变了特性曲线图的斜率。

转速降Δn是理想空载转速与实际转速之差,转矩一定时,它与机械特性的斜率β成正比。β越大,机械特性曲线越陡,Δn越大;β越小,特性曲线越平,Δn越小。通常称β大的机械特性为软特性,β小的特性为硬特性。

直流电动机在使用时一定要保证U_f不能为零,即励磁回路要可靠连接,不能断开。若励磁电流为零,则电动机的主磁通将下降到很小数值(仅剩磁),若此时电动机为轻载,由上述转速公式可以看出,电动机的转速将飞速上升,造成飞车事故;若电动机为重载,则电磁转矩将小于负载转矩,引起电枢电流增大,电枢绕组可能会因过热而烧坏。

2.固有机械特性曲线

直流电动机在电枢电压、励磁电流均为额定值,即U=U_N,Φ=Φ_N,电枢外接电阻R_ad=0的情况下,所对应的机械特性称为固有机械特性。此时,n

因为电枢电阻R_a很小,特性斜率β很小,通常额定转速降Δn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4-14所示。(www.xing528.com)

3.人为机械特性

由公式可知,当改变电动机的电枢电压U、励磁电流I_f(Φ)、电枢外接电阻R_ad时,可以改变电动机的机械特性,这种人为改变参数形成的机械特性称为人为机械特性。

(1)改变电枢电压。他励直流电动的励磁电流为额定值,即保持主磁通Φ额定且不变时,电枢回路无外接电阻,只改变电动机的电枢电压U,可以得到一条人为机械特性曲线。多次改变电枢电压U,可以得到一组相互平行的曲线,如图4-15所示。

这组特性曲线的斜率相同,即硬度相同,仅理想空载转速不同。

图4-14 他励直流电动机的固有机械特性

图4-15 改变电枢电压的人为机械特性

(2)改变气隙磁通。一般电动机在额定励磁电压下运行时,磁路实际上已接近饱和,再增加励磁电流会使电动机的磁路过饱和,而磁通也不会明显增加,电动机的铁损耗增加,导致电动机发热,受励磁绕组发热条件的限制,励磁电流也不允许再大幅度地增加。因此,改变磁通实际上是通过减弱磁通来实现的。由公式可知

当磁通减小时,理想空载转速n₀升高,而斜率β增大,使特性曲线倾斜度增加,电动机的转速有所提高,人为曲线在固有特性曲线上方。磁通越小,理想空载转速n₀越高,特性越软,如图4-16所示。

(3)电枢回路串电阻。在保持电枢电压及磁通不变的情况下,转子回路串入电阻R_ad,即R=R_a+R_ad,此时由转速公式可知,人为特性和固有特性具有相同的理想空载转速n₀,但是β增大,且随着R_ad的增大,斜率增大,即特性曲线硬度降低,如图4-17所示。

图4-16 改变气隙磁通的人为机械特性

图4-17 电枢回路串电阻的人为机械特性