直流电机机械特性和动力学基础

电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com1直流电机的机械特性和动力学基础

直流发电机的运行特性直流电动机的工作特性直流电动机的机械特性电力拖动系统介绍电力拖动系统负载分类电力拖动系统稳定运行分析第1页/共29页第一页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com2直流发电机的运行特性

直流发电机的四个基本物理量：U、IL、If、n。（n由原动机拖动，保持不变）

运行特性：在U、IL、If

之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系。这样就可以找出电机在工作的过程中所展现的某些特性，并将这些特性用曲线的形式进行表示。主要有：

外特性、负载特性、调节特性1、负载特性指当n=常数且IL=常数时，U=f(If)的关系，其中当IL=0时的特性U0=f(If)称为发电机的空载特性。第2页/共29页第二页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com32、外特性指当n=常数且If=常数或Rf=常数时，U=f(IL)的关系。3、调节特性指当n=常数且U=常数时，If=f(IL)的关系。4、效率曲线下面进行详细的几种主要特性的介绍：直流发电机的运行特性第3页/共29页第三页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com4(一)空载运行当n=nN

时，励磁绕组端加上励磁电压Uf，调节励磁电流If0

，使发电机空载端电压U0=（1.1-1.3）UN

，然后再使If0

逐步降到零，这样测得的空载端电压U0

和励磁电流If0

关系，即为他励发电机空载运行时特性曲线U0=f(If0)直流发电机的运行特性第4页/共29页第四页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com5他励直流发电机的空载特性的实验条件，如图所示：直流发电机的运行特性第5页/共29页第五页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com6空载时，n等于常数空载特性实质即为磁化曲线确定磁路和运行点的饱和程度调节rIf单调增长U=1.1~1.3UNIf单调减小至0If反向单调增长U=－（1.1~1.3）UNIf单调减小至0直流发电机的运行特性第6页/共29页第六页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com7分析特性：1）由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的曲线是一闭合的回线。2）由于电机有剩磁，使得时仍有一个很低的电压，称之为剩磁电压，其值约为的２％～４%。实际使用时，一般取回线的平均值（如图中的虚线所示）作为空载特性。3）空载特性与电机的磁化曲线形状相似，只差一个比例常数。直流发电机的运行特性第7页/共29页第七页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com84）空载特性与励磁方式无关，因此并励发电机的空载特性也可以用上述方法求取，他励直流发电机的空载特性是直流电机最基本的特性曲线。（二）、他励直流发电机的外特性：实验条件：使发电机接上负载，当原动机保持，调节使之不变，然后改变负载使从零增加到，读取、U之值，即得到外特性曲线，如图所示。电流增大时，端电压下降，其原因有两个：直流发电机的运行特性第8页/共29页第八页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com9⑴负载增大时，电枢反映的去磁作用增强，使每极磁通量减小，从而使电枢电动势减小⑵电枢回路电阻上的压降随电流增大而增大，从而使端电压下降（绕组的电阻压降和电刷的接触压降）。他励并励直流发电机的运行特性第9页/共29页第九页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com10

而我们发现并励方式下，端电压下降的更快一些：负载增大时，电枢反应的去磁作用增强，使每极磁通量减小，这样不仅影响了电枢电动势，使端电压下降，同时端电压的下降进一不也影响了励磁电流使之减小，这样一来，又使得的电枢电动势双重减小，所以，并励下降的更快一些。

设U0为空载时的端电压，UN为额定时的端电压，由外特性上找出这两个特殊点，定义额定时的电压变化率或称电压调整率。直流发电机的运行特性第10页/共29页第十页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com11三、调节特性定义：当、时，调节特性曲线如图所示

由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻压降对对输出端电压的影响。直流发电机的运行特性第11页/共29页第十一页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com12直流电动机的工作特性工作特性速率特性：n＝f(P2)转矩特性：T＝f(P2)效率特性：η＝f(P2)机械特性（重点）n=f(T)运行特性与电动机的励磁方式有很大的关系。以下分他励、并励分别介绍…电力拖动系统的稳定运行条件第12页/共29页第十二页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com13他励电动机的工作特性前提：U=UN，If=IfN(Rf=C)；分析：n,T,η=f(P2)n0n=f(P2)T0T=f(P2)T2=f(P2)P2O励磁回路不允许断开！η=f(P2)第13页/共29页第十三页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com14他励（并励）电动机的机械特性我们以他励为例进行说明，如图所示：一、机械特性的表达式定义：在电动机的电枢电压、励磁电流、电枢回路电阻为恒值条件下，电机的转速与电磁转矩之间的关系：第14页/共29页第十四页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com15根据方程式组：可知：即：其中，他励（并励）电动机的机械特性前提：U=UN，Rf=C；分析：n＝f(T)第15页/共29页第十五页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com16n0：理想空载转速,即T=0时的转速。（实际工作时,由于有空载损耗，电机的T不会为0。）根据n-T公式画出特性曲线n0nNTNTnn

当T时n

，但由于他励电动机的电枢电阻Ra很小，所以在负载变化时，转速n的变化不大，属硬机械特性。他励（并励）电动机的机械特性第16页/共29页第十六页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com17固有机械特性分析：1、电磁转矩越大，转速越低，机械特性是一条下斜直线；2、当转矩等于零点，为理想空载转速。此时Ia＝0，Ea＝UN，是一种理想工作状态。3、n0’为电动机的实际空载转速，比n0略低。对应于空载转矩。4、为机械特性斜率。ß增大，也增大。通常称ß小的机械特性为硬特性，ß大的机械特性为软特性。他励（并励）电动机的机械特性第17页/共29页第十七页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com185、额定转速变化率，表示电机额定负载时的转速比n0降落的程度。6、n>n0时为发电机状态，此时Ea>U,Ia反向，Ea与Ia同向，向电网送出电功率。7、堵住点。此时电枢电流：为短路电流；电磁转矩：为电机堵转转矩。他励（并励）电动机的机械特性第18页/共29页第十八页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com19TeN他励电动机的机械特性TOnn0RaR’aR”aRa<R’a<R”a硬特性软特性第19页/共29页第十九页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com20I’f他励电动机的机械特性TeNTOnn0RaR’aR”aIf=CRa<R’a<R”an0IfI”fRa=CIf>I’f>I”fTOnTeN结论：增加电枢回路电阻Ra，机械特性变软，转速下降。增加励磁回路电阻Rf，机械特性变软，转速升高。第20页/共29页第二十页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com21他励电动机的机械特性前提：If=C；分析：n＝f(T)TOnU1>UN>U2>U3UNTeNU1U2U3一组平行线第21页/共29页第二十一页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com22三、减弱电动机主磁通时的人为机械特性；保持不变，只改变励磁回路调节电阻的人为特性：额定时，接近饱和，一般都为减弱的磁通。他励电动机的机械特性第22页/共29页第二十二页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com23减弱电机主磁通人为特性的特点：（1）由于’<N，理想空载转速比固有特性的理想空载转速高。（2）人为机械特性的斜率比固有机械特性大，即人为特性比固有特性软。注意事项：一般情况下，电动机额定负载转矩TN比堵转转矩Tk

小得多，故减弱磁通使电动机转速升高。但负载特别重或磁通Φ特别小时，如再减弱磁通Φ,转速会发生反而下降的现象。弱磁人为机械特性中，磁场能不能不断减弱。电机的机械强度问题。他励电动机的机械特性第23页/共29页第二十三页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com24电力拖动系统不稳定运行分析电压发生波动负载发生波动第24页/共29页第二十四页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com25电力拖动系统稳定运行分析电压发生波动负载发生波动第25页/共29页第二十五页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com26电力拖动系统稳定运行条件下降的机械特性曲线第26页/共29页第二十六页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com27一台他励直流电动机，铭牌数据为，试求：（1）固有机械特性时的转速。（3）转速时的电枢电流。

并画在坐标纸上。（2）例题第27页/共29页第二十七页，共30页。电机学教案，太原工业学院自动化系温志明，wasxty_99@163.com28谢谢大家！第28页/共29页第二十八页，共30页。电机学教案，太原工