直流电机的基本特性解析

【学习任务】（1）正确分析直流电机的工作特性。

（2）正确分析直流电机的机械特性。

1.直流电动机的工作特性

直流电动机的工作特性有转速特性、转矩特性、效率特性和机械特性。前三种特性是指供给电动机额定电压UN、额定励磁电流IfN时，电枢回路不串外电阻的条件下，电动机的转速n、转矩TM和T2及效率η随输出功率P2变化的关系曲线，在实际应用中，由于电枢电流Ia容易测量，且Ia与P2基本成正比变化，故这三种特性常以n＝f（Ia），TM＝f（Ia），η＝f（Ia）表示。机械特性是指U＝常数、If＝常数、电枢回路电阻为恒值的条件下，电动机的转速与电磁转矩间的关系曲线，即n＝f（TM）特性曲线。从使用电动机的角度看，机械特性是最重要的一种特性。

1）他励（并励）直流电动机的工作特性

他励（并励）直流电动机的工作特性是指在U＝UN、If＝IfN，电枢回路的附加电阻Rfj＝0时，电动机的转速n、电磁转矩TM和效率η三者与输出功率P2（Ia）之间的关系，即n＝f（Ia）、TM＝f（Ia）、η＝f（Ia），可用试验得出工作特性曲线，如图10－2所示。

（1）转速特性。

电动机转速n为

对于某一直流电动机，Ce为一常数，影响转速的因素有两个：一是电枢回路的电阻压降IaRa；另一个是气隙磁通Φ。随着负载的增加，当电枢电流Ia增加时，一方面使电枢压降IaRa增加，从而使转速n下降；另一方面由于电枢反应的去磁作用增加，使气隙磁通Φ减小，从而使转速n上升。

电动机转速从空载到满载的变化程度称为电动机的额定转速变化率Δn%，他励（并励）直流电动机的转速变化率很小，为2%～8%，基本上可认为是恒速电动机。

（2）转矩特性。

输出转矩T2＝9.55P2/n，当转速不变时，T2＝f（P2）将是一条通过原点的直线。但实际上，当P2增加时，n略有下降，因此T2＝f（P2）的关系曲线略向上弯曲。

而电磁转矩TM＝T2＋T0（空载转矩T0数值很小且近似为一常数），只要在T2＝f（P2）曲线上加上空载转矩T0便得到TM＝f（P2）的关系曲线。

（3）效率特性

效率特性是指U＝UN时的η＝f（P2）关系。效率是指输出功率P2与输入功率P1之比。当电动机的不变损耗p0等于可变损耗pCua时，效率达到最大值。

2）串励直流电动机的工作特性

因为串励直流电动机的励磁绕组与电枢绕组串联，故励磁电流If＝Ia与负载有关。这就是说，串励直流电动机的气隙磁通Φ将随负载的变化而变化，正是这一特点，使串励直流电动机的工作特性与他励直流电动机有很大的差别，如图10－3所示。

图10－2　并励直流电动机的工作特性

图10－3　串励电动机的工作特性

与他励直流电动机相比，串励直流电动机的转速n随输出功率P2的增加而迅速下降。这是因为P2增大时，Ia随之增大，电枢回路的电阻压降IaRa和气隙磁通Φ同时也增大，这两个因素均会使转速n下降。另外由于串励直流电动机的转速n随P2的增加而迅速下降，所以TM＝f（P2）的曲线将随P2的增加而很快地向上弯曲。

需要注意的是，当负载很轻时，由于Ia很小，磁通Φ也很小。因此，电动机的运行速度将会很高（飞车），易导致事故发生。

2.直流电动机的机械特性

1）他励电动机的机械特性

（1）固有机械特性。

固有机械特性是指当电动机的工作电压U和气隙磁通Φ均为额定值时，电枢电路中没有串入附加电阻时的机械特性，其方程为

固有机械特性如图10－4中R＝Ra曲线所示，由于Ra较小，故他励直流电动机的固有机械特性较“硬”。n0为T＝0时的转速，称为理想空载转速；Δn为额定转速降。

（2）人为机械特性。

人为机械特性是指人为地改变电动机参数（U，Ra，Φ）而得到的机械特性。

①电枢回路串电阻的人为机械特性。

此时U＝UN，Φ＝ΦN，R＝Ra＋Rfj，人为机械特性与固有特性相比，理想空载转速n0不变，但转速降Δn相应增大，Rfj越大，Δn越大，特性越“软”，如图10－4中曲线1、2所示。

②改变电枢电压时的人为机械特性。

此时Rfj＝0、Φ＝ΦN，由于电动机的电枢电压一般以额定电压UN为上限，因此要改变电压，通常只能在低于额定电压的范围内。

降压时的人为机械特性曲线是低于固有机械特性曲线的一组平直线，如图10－5所示。

图10－4　他励直流电动机固有机械特性及串电阻时的人为机械特性

图10－5　他励直流电动机降压时的人为机械特性

（3）减弱磁通时的人为机械特性。

减弱磁通可以在励磁回路内串接电阻Rf或降低励磁电压Uf，此时U＝UN、Rfj＝0。因为气隙磁通Φ是变量，所以n＝f（Ia）和n＝f（TM）必须分开表示，其特性曲线分别如图10－6（a）和图10－6（b）所示。

图10－6　他励直流电动机减弱磁通时的人为机械特性

当电动机带负载，元件中的电流经过电刷时，电流方向会发生变化。若换向不良，则会产生电火花或环火，严重时将烧毁电刷，导致电动机不能正常运行，甚至引起事故。

3.直流发电机的运行特性

直流发电机的运行特性常用下述四个可测物理量来表示，即电枢转速n、电枢端电压U、励磁电流If和负载电流IL。直流发电机运行时通常转速n＝nN，而另外三个物理量中任意两个量之间的关系即构成空载特性、外特性和调节特性。励磁方式不同，特性曲线也有所不同，下面将分别介绍。

1）他励直流发电机的运行特性

（1）空载特性。

当n＝nN，IL＝0时，发电机端电压U0与励磁电流If的关系，即U0＝f（If）称为发电机的空载特性。空载特性曲线可通过图10－7接线求得。做空载试验时，将刀闸K打开，保持n＝nN，调节励磁电阻Rf，使励磁电流If由零逐渐增大，直到U0＝（1.1～1.3）UN为止，在升流过程中逐点记取安培表Af和伏特表V的读数，便得到空载特性的上升曲线，如图10－8所示。然后逐渐减小励磁电流，直至If＝0，即得到空载特性的下降曲线。空载特性曲线通常取上升曲线和下降曲线的平均值，如图10－8中的虚线所示。

图10－7　他励直流发电机空载试验接线图

图10－8　他励直流发电机空载特性曲线

空载时，U0＝E0，由于E0∝Φ，励磁磁动势Ff∝If，所以空载特性曲线与铁芯磁化曲线形状相似。由于主磁极铁芯存在剩磁，所以当励磁电流为零时，仍有一个不大的剩磁电动势，其大小一般为额定电压的2%～4%。

（2）外特性。

当n＝nN，If＝常数时，端电压U与负载电流IL的关系，即U＝f（IL）称为直流发电机的外特性。用图10－7接线可求得发电机的外特性曲线，使发电机在额定转速下运行，闭合开关K，调节励磁电流If，使发电机在额定负载时U＝UN。保持转速n＝nN和励磁电流If不变，逐渐增大负载电阻RL来减小负载电流，直至IL＝0。在增大电阻RL的过程中，逐点记取安培表和伏特表的读数，最后用描点法得出发电机的外特性曲线，如图10－9所示。(www.xing528.com)

由外特性曲线可知，发电机的端电压U随负载电流IL的增加而有所下降。由公式U＝Ea－IaRa和Ea＝CenΦ可知，发电机端电压下降的原因有两点：一是负载电流在电枢电阻上产生电压降；二是电枢反应呈现的去磁作用。

发电机端电压随负载的变化程度可用电压变化率来表示。他励发电机的额定电压变化率是指发电机从额定负载过渡到空载时，端电压变化的数值对额定电压的百分比，即

电压变化率ΔU是表征发电机运行性能的一个重要数据，他励直流发电机的ΔU≈5%～10%，故可认为是恒压源。

（3）调节特性。

当U＝UN，n＝nN时，励磁电流If随负载电流IL的变化关系，即If＝f（IL）称为发电机的调节特性。他励直流发电机的调节特性曲线如图10－10所示，曲线表明，欲保持端电压不变，当负载电流增加时，励磁电流也应随着增加，故调节特性曲线是一条上翅的曲线。曲线上翅的原因有两点：一是补偿电枢电阻的压降，二是补偿电枢反应的去磁作用。

图10－9　他励直流发电机的外特性曲线

图10－10　他励直流发电机的调节特性曲线

2）并励直流发电机的外特性

当n＝nN，Rf＝常数时，发电机端电压U与负载电流IL的关系，即U＝f（IL）称为并励直流发电机的外特性。与他励直流发电机相比，不是保持If＝常数，而是保持Rf＝常数，Rf是励磁回路的总电阻。用试验方法求并励直流发电机外特性曲线的接线如图10－11所示，闭合开关K，调节励磁电流If使并励直流发电机在额定负载时U＝UN，保持励磁回路Rf＝常数，然后逐点测出不同负载时的端电压值，便可得到并励发电机的外特性曲线，如图10－12所示，为方便比较，图中还画出同一台直流发电机他励时的外特性曲线。由图10－12可以看出，并励发电机的外特性也是一条向下弯的曲线，而且比他励直流发电机外特性曲线下弯得更大，其原因是，除了电枢电阻压降IaRa和电枢反应的去磁外，还由于发电机端电压下降，使与电枢绕组并联的励磁线圈中的励磁电流If也要减小。并励直流发电机的电压变化率一般为20%～30%，如果负载变化较大，则不宜作恒压源使用。

图10－11　并励直流发电机原理接线图

图10－12　并励直流发电机的外特性曲线

3）复励直流发电机的外特性

复励直流发电机是在并励直流发电机的基础上增加一个串励绕组，其原理接线如图10－13所示。复励又分为积复励和差复励两种：当串励绕组磁场对并励磁场起增强作用时，叫积复励；当串励绕组磁场对并励磁场起减弱作用时，叫差复励。

积复励直流发电机能补偿并励直流发电机电压变化率较大的缺点。一般来说串励磁场要比并励磁场弱得多，并励绕组使直流发电机建立空载额定电压，串励绕组在负载时可补偿电枢电阻压降和电枢反应的去磁作用，使直流发电机端电压能在一定的范围内稳定。

积复励中根据串励磁场补偿的程度又分为三种情况：若直流发电机在额定负载时端电压恰好与空载时相等，则称为平复励；若补偿过剩，使得额定负载时端电压高于空载电压，则称为过复励；若补偿不足，则称为欠复励。复励发电机的外特性曲线如图10－14所示。差复励直流发电机的外特性曲线是随负载增大，端电压急剧下降。

图10－13　复励发电机的原理接线图

图10－14　复励发电机的外特性曲线

积复励直流发电机用途比较广，如电气铁道的电源等。差复励直流发电机只用于要求恒电流的场合，如直流电焊机等。

自测题

答案10.1

一、填空题

1.元件从换向开始到换向终了所经历的时间，称为__________。

2.直流电机中，换向元件中的总电动势∑e＝__________，如果换向极磁动势大于交轴电枢反应磁动势，则__________，否则____________。

3.直流电动机的工作特性有（1）__________、（2）__________、（3）__________、（4）__________。

4.直流电机的转速n＝____________________。

5.直流电机降压时的人为机械特性是低于固有机械特性曲线的______________。

二、选择题

1.他励直流电动机的人为特性与固有特性相比，其理想空载转速和斜率均发生了变化，那么这条人为特性一定是（　　）。

A.串电阻的人为特性　　　B.降压的人为特性　　　C.弱磁的人为特性　　　D.不清楚

2.并励直流电动机带恒转矩负载，当在电枢回路中串接电阻时，其（　　）。

A.电动机电枢电流不变，转速下降　B.电动机电枢电流不变，转速升高

C.电动机电枢电流减小，转速下降　D.电动机电枢电流减小，转速升高

3.对于直流电动机，运行效率最高时应是（　　）。

A.不变损耗与机械损耗相等时　B.铁耗与铜耗相等时

C.铁耗与磁滞损耗相等时　D.可变损耗与不变损耗相等时

4.他励直流电机电枢串电阻的人为机械特性曲线是以（　　）为共同点的一组直线。

A.理想空载转速　B.原点　C.临界转矩点　D.不清楚

5.在讨论直流电动机的工作特性时，他励电动机的理想空载转速应是（　　）。

A.Ea/CeΦ　B.Ua/CeΦ　C.IaRa/CeΦ　D.Ua/CTΦ

三、判断题

1.在电枢绕组中串接的电阻越大，启动电流就越小。（　　）

2.直流电机中减弱磁通人为机械特性，Φ下降，n上升。（　　）

3.直流电机中电枢串接电阻时的人为机械特性变“硬”，稳定性变好。（　　）

4.直流电机降压时的人为机械特性变“软”，稳定性变差。（　　）

5.电枢串接电阻时的人为机械特性不变，稳定性好。（　　）

四、分析计算题

1.试利用机械特性公式，分析并励直流电动机负载过大烧毁电动机的原因。

2.他励直流电动机的机械特性指的是什么？是根据哪几个方程推导出来的？