一、直流电动机的工作特性
直流电动机的工作特性是指供给电机额定电压
额定励磁电流
时,转速与负载电流之间的关系、转矩与负载电流之间的关系及效率与负载电流之间的关系。这三个关系分别称为电动机的转速特性、转矩特性和效率特性。
(一)他励(并励)直流电动机的工作特性
他励直流电动机的工作特性与并励直流电动机的工作特性相同。
1.转速特性
他励直流电动机的转速特性可表示为
,把上一节式(1—19)代入式(1—20),整理可得:
此式即为转速特性的表达式。如果忽略电枢反应的去磁效应,则转速与负载电流按线性关系变化,当负载电流增加时,转速有所下降。并励直流电动机的工作特性如图1—24所示
图1—24 并励电动机的工作特性
2.转矩特性
由此式可见,在忽略电枢反应的情况下电磁转矩与电枢电流成正比,若考虑电枢反应使主磁通略有下降,电磁转矩上升的速度比电流的上升的速度要慢一些,曲线的斜率略有下降。
3.效率特性
从前面叙述可知,空载损耗P0是不随负载电流变化的,当负载电流较小时效率较低,输入的功率大部分消耗在空载损耗上;当负载电流增大时效率也增大,输入的功率大部分消耗在机械负载上;但当负载电流大到一定程度时铜损快速增大此时效率又开始变小。
(二)串励直流电动机的工作特性
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组相串联,电枢电流即为励磁电流。串励电动机的工作特性与并励电动机有很大的区别。当负载电流较小时,磁路不饱和,主磁通与励磁电流(负载电流)按线性关系变化,而当负载电流较大时,磁路趋于饱和主磁通基本不随电枢电流变化。因此讨论串励电动机的转速特性、转矩特性和机械特性必须分段讨论。
由上述可知,当负载电流较小时,转速较大,负载电流增加,转速快速下降,当负载电流趋于零时,电机转速趋于无穷大。因此串励电动机不可以空载或在轻载下运行,电磁转矩与负载电流的平方成正比。
当负载电流较大时,磁路已经饱和,磁通
基本不随负载电流变化,串励电动机的工作特性与并励电动机相同。
串励直流电动机的工作特性曲线如图1—25所示。
图1—25 串励直流电动机的工作特性
(三)复励直流电动机的工作特性
如果是他励(并励)绕组磁势起主要作用,复励电动机的转速特性就与他励(并励)电动机接近;如果是串励绕组磁势起主要作用,复励电动机的转速特性就与串励电动机接近。由于有串励和他励(并励)磁势的存在,复励电动机既有较高的起动能力和过载能力,又可允许空载或轻载运行。
二、直流电动机的机械特性
(一)他励直流电动机的机械特性
1.机械特性的表达式
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与电磁转矩之间的关系:n=f(Tem)。由于转速和转矩都是机械量,所以把它称为机械特性。
图1—26 他励直流电动机电路原理图
图1—26所示是他励直流电动机的电路原理图。图中U为外施电源电压,Ea是电枢电动势,Ia是电枢电流,Rs是电枢回路串联电阻,If是励磁电流,
是励磁磁通,Rf是励磁绕组电阻,Rsf是励磁回路串联电阻。按图中标明的各个量的正方向,可以列出电枢回路的电压平衡方程式
U=Ea+RIa(1—43)
2.固有机械特性和人为机械特性
事实上,式(1—46)中的电枢回路电阻R、端电压U和励磁磁通
都是可以根据实际需要进行调节的,每调节一个参数可以对应得到一条机械特性,所以可以得到许多条机械特性。其中,电动机自身所固有的,反映电动机本来“面目”的机械特性是在电枢电压、励磁磁通为额定值,且电枢回路不外串电阻时的机械特性,称为电动机的固有(自然)机械特性;调节U、R、
等参数后得到的机械特性称为人为机械特性。
(1)固有机械特性
(2)人为机械特性
①电枢串电阻时的人为特性
②降低电枢电压时的人为特性
由于电动机的工作电压以额定电压为上限,因此改变电压时,只能在低于额定电压的范围内变化,与固有特性比较,降低电压时人为特性的斜率
不变,但理想空载转速n0随电压的降低而正比减小。因此降低电压时的人为特性是位于固有特性下方,且与固有特性平行的一组直线,如图1—29所示。
图1— 28 电动机的固有特性和电枢串联电阻的人为特性 图1—29 电动机的固有特性和降低电压的人为特性
③减弱励磁磁通时的人为特性
在图1—26中,改变励磁回路调节电阻Rsf,就可以改变励磁电流,进而改变励磁磁通。由于电动机额定运行时,磁路已经开始饱和,即使再成倍增加励磁电流,磁通也不会有明显增加,何况由于励磁绕组发热条件的限制,励磁电流也不允许大幅度地增加,因此,只能在额定值以下调节励磁电流,即只能减弱励磁磁通。
改变磁通可以调节转速,从图1—30(b)看出,当负载转矩不太大时,磁通减小使转速升高;当负载转矩特别大时,减弱磁通才会使转速下降,然而,这时的电枢电流已经过大,电动机不允许在这样大的电流下工作。因此,实际运行条件下,可以认为磁通越小,稳定转速越高。
3.机械特性的求取
在设计电力拖动系统时,首先应知道所选择电动机的机械特性,可是电动机的产品目录或铭牌中都未直接给出机械特性的数据,因此通常是根据铭牌数据
:计算或通过实验来求取机械特性。
(1)固有机械特性的求取
他励直流电动机的固有机械特性为一条直线,所以只要求出直线上任意两点的数据就可以画出这条直线。一般计算理想空载点
数据,具体步骤如下:
①估算Ra
从电动机的铭牌中查得。
根据计算所得
(2)人为特性的求取
[例1]他励直流电动机的铭牌数据为:PN=22kW,UN=220V,IN=116A,nN=1500r/min,试分别求取下列机械特性方程式并绘制其特性曲线。
(1)固有机械特性;
(2)电枢串入电阻Rs=0.7Ω时的人为特性;
(3)电源电压降至110V时的人为特性;
(4)磁通减弱至
时的人为特性;
(5)当负载转矩为额定转矩时,要求电动机以n=1000r/min的转速运转,试问有几种可能的方案,并分别求出它们的参数。
[解](1)固有机械特性
(3)电源电压降为110V时
其人为特性曲线如图1—32中曲线2所示。
(5)当负载转矩为额定值,转速下降至n=1000r/min时,可以采用电枢串电阻或降低电源电压的方法来实现。
(二)串励电动机的机械特性
1.固有特性
串励电动机的励磁绕组与电枢绕组串联,励磁电流If等于电枢电流Ia,主磁通Φ是电枢电流Ia的函数。
当Ia较小,磁路未饱和时,Φ与Ia成正比,即
Φ=kIa(1—53)
串励电动机的固有特性是在U=UN,RS=0时的特性(图1—33所示),具有以下特点:
(1)它是一条非线性的软特性,负载时的转速降落很大。
(2)空载时,Tem=0,Ia=0,Φ=0,n0=→∞,即理想空载转速为无穷大。但实际上,即使Ia=0,由于存在剩磁通Φ0,故空载转速n0为一有限值,但其值很高,一般可达(5~6)nN,这就是所谓的“飞车”现象,因此,串励电动机是不允许空载或轻载运行的。
图1—33 串励电动机的固有特性
(3)由于Tem∝Ia2,起动和过载时Ia均较大,故串励电动机的起动转矩大,过载能力强。
2.人为特性
串励电动机同样可以采用电枢串电阻、改变电源电压和改变磁通的方法来获得各种人为特性。
1、电枢串电阻时的人为特性
由式(1—56)或式(1—57)可见,串入电阻后,转速降增大,所以电枢串电阻的人为特性位于固有特性的下方,且特性变得更软,如图1—34所示。
2、降低电源电压时的人为特性
由式(1—56)可知,降低电源电压时,理想空载转速降低,其人为特性向下平移。如图1—35所示。
图1—34 串电阻时的人为特性 图1—35 降低电源电压时的人为特性
3、改变磁通时的人为特性
串励电动机改变磁通的方法之一是在励磁绕组上并联一个分流电阻RPf,如图1—36(a)所示。与固有特性相比,在Ia相同的情况下,因If