第2章直流電機的建模與特性分析（第2部分）2.7直流發(fā)電機的運行特性及自勵建壓過程A、直流發(fā)電機的運行特性1、空載特性定義：在、條件下，正負電刷之間的空載端電壓與勵磁電流之間的關系曲線，即為空載特性。圖2.17他勵直流發(fā)電機的空載特性2、外特性定義：在、條件下，端部輸出電壓與輸出電流之間的關系曲線，即為外特性。對于他勵直流發(fā)電機，外特性可通過電壓方程式（2-27）獲得：（3-37）圖2.33各種勵磁方式下直流發(fā)電機的外特性1--—積復勵2—他勵3—并勵結論:對他勵直流電動機，影響端部電壓隨負載增加而下降的因素：負載電流增加，電阻壓降增加；電樞反應的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應電勢下降。

定義:電壓變化率

：在，的條件下，（2-38）式中，為直流發(fā)電機的空載端電壓。圖2.33中，顯然，并勵直流發(fā)電機的電壓變化率大于他勵直流發(fā)電機。主要原因為：負載電流增加，電阻壓降增加；電樞反應的去磁作用造成每極磁通減小，引起感應電勢下降；隨著電樞電壓下降，勵磁電流減少，引起每極磁通和相應感應電勢的進一步下降；3、調(diào)節(jié)特性定義：在、條件下，負載輸出電流與勵磁電流之間的關系曲線,即為調(diào)節(jié)特性。圖2.34他勵直流發(fā)電機的調(diào)節(jié)特性從外特性可知，負載電流增加時，發(fā)電機的端電壓要下降，如要維持端電壓為一常值，勵磁電流應相應地增加，以抵消電樞反應的去磁作用和電樞回路電阻壓降的作用。4、效率特性定義：電機的效率定義為輸出功率與輸入功率之比，即：（2-39）式中，總損耗為：（2-40）其中，不變損耗即空載損耗為：

?？勺儞p耗為：對Ia求導當可變損耗等于不變損耗時，其效率最高。效率特性的這一特點具有普遍意義，可適用于各種電機。設計制造電機時，通常要求在額定運行附近的效率最高。(實際上額定運行點并不是效率最高)通常在設計電機時，需要將各種損耗作適當?shù)姆峙?，使最大效率出現(xiàn)在（0.75~1）PN范圍內(nèi)，這樣電機在實際使用時，能夠處在較高的效率下運行，比較經(jīng)濟。這種要求同樣適用于其它各種類型電機（包括交流電機和變壓器）如何估算電樞繞組電阻Ra?圖2.35典型直流發(fā)電機的效率曲線B、并勵與復勵直流發(fā)電機空載電壓的建立定義：并勵或復勵直流發(fā)電機空載電壓的建立過程又稱為發(fā)電機的自勵過程。

圖2.36a為并勵直流發(fā)電機的接線圖。圖2.36b給出了并勵直流發(fā)電機建壓過程的曲線解釋。典型直流發(fā)電機的效率曲線如圖2.35所示。

對于并勵和復勵直流發(fā)電機，其勵磁電流要靠發(fā)電機自身提供的電壓產(chǎn)生，而發(fā)電機電壓的產(chǎn)生則需要有勵磁電流才行。由此可見，并勵和復勵直流發(fā)電機在起始階段需要有一個自我勵磁并建立電壓的過程，這稱之為自勵過程。圖2.36給出了并勵和復勵直流發(fā)電機空載電壓建立的過程：當原動機拖動發(fā)電機以恒定轉(zhuǎn)速n旋轉(zhuǎn)時，由于主磁極存在剩磁，電樞繞組切割剩磁磁通會產(chǎn)生一個較小的感應電動勢Er，由Er在勵磁回路中產(chǎn)生勵磁電流If1；如果極性正確，將在磁路中產(chǎn)生與剩磁方向相同的磁通，使主磁路中磁通增加，使感應電動勢增大為E01，E01又使勵磁電流增大為If2；如此循環(huán)，使得感應電動勢和勵磁電流不斷增加，最終建立起發(fā)電機的空載電動勢。例如，在圖2.36中的A點（E0A，IfA）穩(wěn)定工作。圖2.36并勵直流發(fā)電機的自勵建壓過程圖2.36b中，曲線1代表直流發(fā)電機的空載曲線：；曲線2為勵磁回路的伏-安特性，又稱為磁場電阻線，其表達式為：；曲線3為臨界磁場電阻線，其對應的臨界電阻為：。并勵（或復勵）直流發(fā)電機自勵建壓需滿足下列三個條件：電機主磁路須有剩磁。勵磁回路與電樞回路的接線須正確配合。勵磁回路的總電阻不能超過臨界電阻值。三是勵磁回路的電阻不能太大，即其伏安特性的斜率U/If不能太陡（如曲線2），否則如果伏安特性的斜率太陡，與發(fā)電機空載特性交點很低或無交點（見曲線線3），就無法建立空載電壓?？傊?，自勵發(fā)電機的運行首先要在空載階段建立電壓，然后才能帶負載運行。

2.8他勵直流電動機的運行特性2.8.1他勵直流電動機的工作特性定義：直流電動機的工作特性定義為：，，且電樞回路無外接電阻條件下，或的關系曲線。

A、轉(zhuǎn)速特性

定義：在，條件下，轉(zhuǎn)速與電樞電流之間的關系曲線：定義為轉(zhuǎn)速特性。將電勢平衡方程式（2-23）代入電勢表達式（2-13）即可獲得轉(zhuǎn)速特性為：（2-41）其中，為理想空載轉(zhuǎn)速；為轉(zhuǎn)速特性的斜率。根據(jù)上式繪出轉(zhuǎn)速特性曲線如圖2.37所示。圖2.37并勵直流電動機的工作特性結論：隨著負載的增加，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降。影響轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的因素有兩個：（1）電樞的電阻壓降；（2）電樞反應的去磁作用。

通常，直流電動機的轉(zhuǎn)速變化用轉(zhuǎn)速變化率來描述。轉(zhuǎn)速變化率定義為：空載轉(zhuǎn)速與額定轉(zhuǎn)速的差值占額定轉(zhuǎn)速的百分比，即：（2-42）結論：在運行過程中，他勵直流電動機不能失磁亦即勵磁繞組不能開路，否則轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速將迅速上升，造成所謂的“飛車”現(xiàn)象。B、轉(zhuǎn)矩特性定義：在，條件下，電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流之間的關系曲線：即為轉(zhuǎn)矩特性。由轉(zhuǎn)矩表達式（2-16）得轉(zhuǎn)矩特性為：（2-43）式中，根據(jù)上式繪出轉(zhuǎn)矩特性如圖2.37所示（見前面）。電動機的電磁轉(zhuǎn)矩是驅(qū)動性質(zhì)的，但為什么電磁轉(zhuǎn)矩增大時電動機轉(zhuǎn)速反而會下降？（Φ不變）C、效率特性其定義和計算過程與直流發(fā)電機基本相同，見圖2.37。2.8.2他勵直流電動機的機械特性定義：在，，且電樞回路未串任何電阻條件下，的關系曲線定義為機械特性。

根據(jù)直流電動機的基本關系式：，，以及得他勵直流電動機的機械特性為：（2-44）根據(jù)上式繪出他勵直流電動機的機械特性曲線如圖2.38所示。圖2.38他勵直流電動機的機械特性由圖2.38可見，隨著轉(zhuǎn)矩的增大，電機轉(zhuǎn)速有所下降。故此，機械特性可進一步表示為：（2-45）其中，轉(zhuǎn)速降。越小，轉(zhuǎn)速變化越小，稱電動機具有較硬的機械特性；反之，稱電動機具有較軟的機械特性。圖2.38中，需注意：電機的理想空載轉(zhuǎn)速與實際空載轉(zhuǎn)速的區(qū)別；重載時由于電樞反應的去磁作用造成機械特性的上翹。

2.8.3他勵直流電動機的人工機械特性定義:在額定電壓、額定勵磁且電樞回路未串任何電阻條件下的機械特性又稱為固有（或自然）機械特性。而把通過人工改變控制量或參數(shù)所獲得的機械特性稱為人工機械特性。A、電樞回路外串電阻的人工機械特性當，時，電樞回路的總電阻為（即電樞回路的外串電阻為）時，利用類似于式（2-44）的推導，得他勵直流電動機的人工機械特性為：（2-46）上式可用圖2.39所示曲線表示之。圖2.39他勵直流電動機電樞回路串電阻時的人工機械特性B、改變外加電樞電壓的人工機械特性當，時，僅改變電樞電壓時的人工機械特性由下式給出：（2-47）式（2-47）可用圖2.40所示的曲線表示之。(1)在不同的R下，n0不變；(2)斜率絕對值隨R增大而增大;(3)所有人為特性均在固有特性之下;(4)調(diào)速只能在固有特性之下進行。特點：圖2.40他勵直流電動機改變電樞電壓的人工機械特性C、弱磁時的人工機械特性當，時，僅改變勵磁時的人工機械特性為：（2-48）為了方便于起見，先繪出弱磁時的轉(zhuǎn)速特性，然后在再繪出相應的人工機械特性。(1)斜率β不變，與固有機械特性相同，各條人為特性互相平行；(2)理想空載轉(zhuǎn)速n0與U成正比;(3)所有人為特性均在固有特性之下。特點：注意：實際上只能降壓，而不能升壓，以免損壞電動機。于是有：（2-49）根據(jù)上式，繪出弱磁條件下的轉(zhuǎn)速特性如圖2.41a所示。圖中，為起動電流（對應于）。又根據(jù)，得弱磁條件下的人工機械特性如圖2.41b所示。(a)轉(zhuǎn)速特性(b)機械特性圖2.41他勵直流電動機弱磁時的人工機械特性(1)磁通減弱會使n0升高，因n0與磁通成反比；(2)磁通減弱會使斜率β大，因β與磁通的平方成反比；(3)人為機械特性是一組直線，它們既不平行也非放射狀。磁通減弱時．特性上移而且變軟。(4)在有效負載范圍內(nèi)，人為機械特性在固有特性之上。(5)對恒轉(zhuǎn)矩負載，弱磁后，速度升高同時電流相應也增大。特點：弱磁調(diào)速一般不單獨使用，往往同降壓調(diào)速配合使用，可使調(diào)速范圍變寬。注意：磁通不可太小，否則理想空載轉(zhuǎn)速太高，電動機的 換向能力和機械強度承受不了。D、機械特性的人工繪制根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)，便可以繪制他勵直流電動機的固有機械特性。具體方法是：（1）求出理想空載點；（2）求出額定運行點。通過上述兩點繪制直線即可獲得固有機械特性。對于理想空載轉(zhuǎn)速：，其中，其中小容量電機取小系數(shù)，大容量電機取大系數(shù)。若Ra未給出，如何求Ra?若Ra未給出，可用估算法或伏安法求取對于額定運行點處的額定轉(zhuǎn)矩，可由下式給出：同樣的方法可求出控制參數(shù)改變后的人工機械特性?！舴卜╒AUIRc測量時，在I=(0.5～1.2)IN中取幾點，讀取電壓表和電流表的數(shù)值，計算Rai（i=1、2、……、N），最后取平均值，得他勵直流電動機在拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，降低電機端電壓，其穩(wěn)態(tài)下的電樞電流大小如何變化？感應電勢、電機的轉(zhuǎn)速、輸入功率、輸出功率、銅耗、鐵耗、機械損耗如何變化？他勵直流電動機在拖動恒轉(zhuǎn)矩負載時，增大電樞回路串接電阻時，其穩(wěn)態(tài)下的電樞電流大小如何變化？感應電勢、電機的轉(zhuǎn)速、輸入功率、輸出功率、銅耗、鐵耗、機械損耗如何變化？若降低電機端電壓，他勵電動機的輸入功率P1=UIa要減小，Ea=U-IaRa要減小，從而n要減小，輸出功率P2=TΩ減小，鐵耗減?。ㄒ蜣D(zhuǎn)速變化使鐵心中磁通的交變頻率改變），機械損耗減?。ㄒ蛩俣茸兓６姌谢芈返你~耗不變增大電樞回路串接電阻，電樞電流不變，感應電勢減小、電機轉(zhuǎn)速減小、輸出功率減小、鐵耗pFe減小、機械損耗pmec減小、銅耗pcua增大，輸入功率不變一臺并勵電動機原在某一狀態(tài)穩(wěn)定運行，現(xiàn)設負載轉(zhuǎn)矩增大，試分析電動機將發(fā)生怎樣的過渡過程，并將最后穩(wěn)定的Ia、n、Ea和Tem的數(shù)值與原值進行比較。穩(wěn)定運行時Tem=T0+T2，當T2增大時Tem<T0+T2′，從而使轉(zhuǎn)速n下降,Ea下降而端電壓不變，所以Ia增加，Tem=CTφIa也上升,這個過程一直持續(xù)到新的平衡Tem=T0+T2′為止，電動機在新的狀態(tài)下穩(wěn)定運行。與原值相比，Ia增大、n減小、E減小、Tem增大。2.9串勵直流電動機的機械特性2.9.1串勵直流電動機的固有機械特性圖2.43串勵直流電動機的接線圖串勵直流電動機的電路接線如圖2.43所示，其特點是：。機械特性的表達式如他勵直流電動機基本相同，即：當負載較輕、磁路未飽和時，由式（2-18）得：。于是：（2-54）則機械特性變?yōu)椋海?-56）根據(jù)式（2-56）并結合上述結論，得串勵直流電動機的固有機械特性曲線如圖2.44所示。圖2.44串勵直流電動機的機械特性值得一提的是：當負載較輕時，由式（2-56）可見，隨著，轉(zhuǎn)速。結論：串勵直流電動機不允許輕載或空載運行。

當負載較重、磁路飽和時，近似不變。此時，轉(zhuǎn)速隨轉(zhuǎn)矩的增加線性下降。2.9.1串勵直流電動機的人工機械特性通過改變下列控制參數(shù)和控制量便可獲得各種情況下的人工機械特性：

電樞回路串電阻；降低電源電壓；在串勵繞組兩端并聯(lián)電阻實現(xiàn)弱磁；在電樞兩端并聯(lián)電阻實現(xiàn)增磁；下圖給出了各種情況下串勵直流電動機的人工機械特性。圖2.45串勵直流電動機的人工機械特性。1-固有機械特性2-電樞回路串電阻時的人工機械特性3-勵磁繞組并聯(lián)電阻時的人工機械特性4-電樞回路并聯(lián)電阻時的人工機械特性2.10復勵直流電動機的機械特性圖2.46復勵直流電動機的接線圖

積復勵直流電動機的機械特性介于并勵（或他勵）和串勵直流電動機之間，如圖2.47所示。為便于比較，圖2.47還同時繪出了并勵和串勵電動機的機械特性曲線。圖2.47復勵直流電動機的機械特性1—并勵2—串勵3—復勵2.11直流電機的換向定義:換向是指：電樞元件在經(jīng)過電刷前后其中的電流方向的改變。換向過程如圖圖2.48所示。圖2.48電樞繞組元件的換向過程示意圖直流電機的某一個元件經(jīng)過電刷，從一條支路換到另一條支路時,元件里的電流方向改變，即換向。2.11換向概述電樞移到電刷與換向片2接觸時，元件1的被短路，電流被分流。如b圖所示。電刷與換向片1接觸時，元件1中的電流方向如a圖所示，大小為。電刷僅與換向片2接觸時，元件1中的電流方向如c圖所示，大小為。為了分析方便假定換向片的寬度等于電刷的寬度。元件從開始換向到換向終了所經(jīng)歷的時間，稱為換向周期。換向周期通常只有千分之幾秒。直流電機在運行中，電樞繞組每個元件在經(jīng)過電刷時都要經(jīng)歷換向過程。換向問題很復雜，換向不良會在電刷與換向片之間產(chǎn)生火花。當火花大到一定程度，可能損壞電刷和換向器表面，使電機不能正常工作。產(chǎn)生火花的原因很多，除了電磁原因外，還有機械的原因。此外換向過程還伴隨著電化學和電熱學等現(xiàn)象。理想的換向被稱為線性（或直線）換向，如圖2.49所示。但由于電磁和機械等方面的原因，實際直流電機很難達到線性換向。換向不良會會帶來換向問題，嚴重時會引起電位差火花，甚至環(huán)火。圖2.49理想換向時電樞元件中的電流波形改善換向的方法改善換向一般采用以下方法：選擇合適的電刷，增加換向片與電刷之間的接觸電阻裝設換向磁極位于幾何中性線處裝換向磁極。換向繞組與電樞繞組串聯(lián)，