第第 22 章 直流电机的建模与特性章 直流电机的建模与特性分析（第分析（第 22 部分）部分）

2.72.7 直流发电机的运行特性及自励建压直流发电机的运行特性及自励建压过程过程A 、直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性

1 、空载特性

定义： 在 、 条件下，正负电刷之间的空载端电压与励磁电流之间的关系曲线 ，即为空载特性。

Nnn 0aI

)( 00 fIfU

图 2.17 他励直流发电机的空载特性

2、外特性

定义： 在 、 条件下，端部输出电压与输出电流之间的关系曲线 ，即为外特性。

Nnn fNf II

)( 22 IfU

对于他励直流发电机，外特性可通过电压方程式（ 2-27 ）获得：

aaeaaaa IRnCIREUU 1 （ 3-37 ）

图 2.33 各种励磁方式下直流发电机的外特性

1 — 积复励 2— 他励 3— 并励结论 : 对他励直流电动机，影响端部电压随负载增加而下降的因素： 负载电流增加，电阻压降增加； 电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降。 定义 :电压变化率 ： 在 ， 的条件下， %1000

N

N

U

UUU （ 2-38 ）Nnn fNf II

式中， 为直流发电机的空载端电压。 0U

图 2.33 中，显然，并励直流发电机的电压变化率大于他励直流发电机。主要原因为： 负载电流增加，电阻压降增加； 电枢反应的去磁作用造成每极磁通减小，引起感应电势下降； 随着电枢电压下降，励磁电流减少，引起每极磁通和相应感应

电势的进一步下降；

3 、调节特性定义： 在 、 条件下，负载输出电流与励磁电流之间的关系曲线 , 即为调节特性。

Nnn NUU 2

)( 2IfI f

图 2.34 他励直流发电机的调节特性

4 、效率特性

定义： 电机的效率定义为输出功率 与输入功率 之比，即：1P 2P

%100)1(%100)(

%10011

1

1

2

P

p

P

pP

P

P （ 2-39 ）

式中，总损耗为：mecFeascua ppIUpp 2 （ 2-40 ）

其中，不变损耗即空载损耗为：

00 Tppp mecFe

asaa IUrIp 22

。

可变损耗为：

典型直流发电机的效率曲线如图 2.35 所示。

图 2.35 典型直流发电机的效率曲线

B、并励与复励直流发电机空载电压的建立并励与复励直流发电机空载电压的建立

定义： 并励或复励直流发电机空载电压的建立过程又称为发电机的自励过程。

图 2.36a 为并励直流发电机的接线图。图 2.36b 给出了并励直流发电机建压过程的曲线解释。

图 2.36 并励直流发电机的自励建压过程 图 2.36b 中，曲线 1 代表直流发电机的空载曲线： ；曲线 2 为励磁回路的

伏 - 安特性 ，又称为磁场电阻线，其表达式为： ；曲线 3 为临界磁

场电阻线，其对应的临界电阻为： 。

)(0 fIfU

)(0 fIfU fIRU 0

crR

并励（或复励）直流发电机自励建压需满足下列三个条件：• 电机主磁路须有剩磁。• 励磁回路与电枢回路的接线须正确配合。• 励磁回路的总电阻不能超过临界电阻值。

2.8 2.8 他励直流电动机的运行特性他励直流电动机的运行特性

2.8.1 他励直流电动机的工作特性定义： 直流电动机的工作特性定义为： ， ，且电枢回路无外接电阻条件下， 或 的关系曲线。

NUU 1 fNf II

)( 2PfTn em ，， )( aem IfTn ，，

A、转速特性

定义： 在 ， 条件下，转速与电枢电流之间的关系曲线： 定义为转速特性。

NUU 1 fNf II

)( aIfn

将电势平衡方程式（ 2-23 ）代入电势表达式（ 2-13 ）即可获得转速特性为：

aaNe

a

Ne

N

Ne

aa

Ne

a InIC

R

C

U

C

IRU

C

En

01 （ 2-41 ）

其中， 为理想空载转速； 为转速特性的斜率。 Ne

N

C

Un

0

Ne

a

C

R

根据上式绘出转速特性曲线如图 2.37 所示。

图 2.37 并励直流电动机的工作特性

结论： 随着负载的增加，转子转速下降。影响转子转速的因素有两个：（ 1）电枢的电阻压降；（ 2）电枢反应的去磁作用。

通常，直流电动机的转速变化用转速变化率来描述。转速变化率定义为：空载转速与额定转速的差值占额定转速的百分比，即：

%1000

N

NN n

nnn （ 2-42 ）

结论： 在运行过程中，他励直流电动机不能失磁亦即励磁绕组不能开路，否则转子转速将迅速上升，造成所谓的“飞车” 现象。

B 、转矩特性

定义： 在 ， 条件下，电磁转矩与电枢电流之间的关系曲线： 即为转矩特性。

NUU 1 fNf II )( aem IfT

由转矩表达式（ 2-16 ）得转矩特性为：

aaNTem KIICT （ 2-43 ）

式中， NTCK

根据上式绘出转矩特性如图 2.37 所示（见前面）。

C 、效率特性其定义和计算过程与直流发电机基本相同，见图 2.37 。

2.8.2 他励直流电动机的机械特性定义： 在 ， ，且电枢回路未串任何电阻条件下， 的关系曲线定义为机械特性。

NUU 1 fNf II )( emTfn

根据直流电动机的基本关系式： ， ，以及

得他励直流电动机的机械特性为：

nCE ea aTem ICT aaa IREU 1

emem

NTe

a

Ne

N

e

a TnTCC

R

C

U

C

En

02 （ 2-44 ）

根据上式绘出他励直流电动机的机械特性曲线如图 2.38 所示。

图 2.38 他励直流电动机的机械特性

由图 2.38 可见，随着转矩的增大，电机转速有所下降。故此，机械特性可进一步表示为：

nnTnn em 00 （ 2-45 ）

其中，转速降 。 越小，转速变化越小，称电动机具有较硬

的机械特性；反之，称电动机具有较软的机械特性。

emem

NTe

a TTCC

Rn

2

图 2.38 中，需注意：• 电机的理想空载转速 与实际空载转速 的区别；• 重载时由于电枢反应的去磁作用造成机械特性的上翘。

0n 0n

2.8.3 他励直流电动机的人工机械特性定义 : 在额定电压、额定励磁且电枢回路未串任何电阻条件下的机械特性又称为固有（或自然）机械特性。而把通过人工改变控制量或参数所获得的机械特性称为人工机械特性。

A、电枢回路外串电阻的人工机械特性

当 ， 时，电枢回路的总电阻为 （即电枢回路的外串

电阻为 ）时，利用类似于式（ 2-44 ）的推导，得他励直流电动机的人工机械特性为：

NUU 1 fNf II RRR a

em

NTe

a

Ne

N TCC

RR

C

Un

2

）（（ 2-46 ）

上式可用图 2.39 所示曲线表示之。

R

图 2.39 他励直流电动机电枢回路串电阻时的人工机械特性

B、改变外加电枢电压的人工机械特性

当 ， 时，仅改变电枢电压时的人工机械特性由下式给出： fNf II 0R

em

NTe

a

Ne

TCC

R

C

Un

21

（ 2-47 ）

式（ 2-47 ）可用图 2.40 所示的曲线表示之。

图 2.40 他励直流电动机改变电枢电压的人工机械特性

C 、弱磁时的人工机械特性当 ， 时，仅改变励磁时的人工机械特性为： NUU 1 0R

emTe

a

e

N TCC

R

C

Un

2

（ 2-48 ）

为了方便于起见，先绘出弱磁时的转速特性 ，然后在再绘出相应的人工机械特性。

)( aIfn

于是有：

ae

a

e

N IC

R

C

Un

（ 2-49 ）

根据上式，绘出弱磁条件下的转速特性如图 2.41a 所示。图中， 为起动电流

（对应于 ）。又根据 ，得弱磁条件下的人工机械特性如图 2.41b

所示。

stTst ICT

aNst RUI /

0n

(a) 转速特性 (b) 机械特性图 2.41 他励直流电动机弱磁时的人工机械特

性

D 、机械特性的人工绘制根据铭牌数据，便可以绘制他励直流电动机的固有机械特性。具体方法是：（ 1 ）求出理想空载点 ；

（ 2 ）求出额定运行点 。

通过上述两点绘制直线即可获得固有机械特性。

)0,( 0n

),( NN Tn

对于理想空载转速： ，其中，Ne

N

C

Un

0

N

NaN

N

NNe n

IRU

n

EC

0 （ 2-50 ）

式中，电枢回路的总电阻可根据下式估算：

2

)()

3

2~

2

1(

N

NNNa

I

PIUR

（ 2-51 ）

对于额定运行点处的额定转矩，可由下式给出：

NeNNTN CICT 55.9

同样的方法可求出控制参数改变后的人工机械特性。

2.9 2.9 串励直流电动机的机械特性串励直流电动机的机械特性

2.9.1 串励直流电动机的固有机械特性

图 2.43 串励直流电动机的接线图

串励直流电动机的电路接线如图 2.43 所示，其特点是： 。机械特性的表达式如他励直流电动机基本相同，即：

1III sa

emTe

sa

e

N TCC

RR

C

Un

2

当负载较轻、磁路未饱和时，由式（ 2-18 ）得： 。于是： ff IK

2aTaffTaTem ICIIKCICT （ 2-54 ）

则机械特性变为：

e

sa

emfe

sa

afeem

Te

sa

e C

RR

TK

U

KC

RR

IKC

UT

CC

RR

C

Un

11

21 )(

（ 2-56 ）

根据式（ 2-56 ）并结合上述结论，得串励直流电动机的固有机械特性曲线如图 2.44 所示。

图 2.44 串励直流电动机的机械特性值得一提的是：当负载较轻时，由式（ 2-56 ）可见，随着 ，转速 。 0emT n

结论：串励直流电动机不允许轻载或空载运行。

当负载较重、磁路饱和时， 近似不变。此时，转速随转矩的增加线性下降。

2.9.1 串励直流电动机的人工机械特性通过改变下列控制参数和控制量便可获得各种情况下的人工机械特性：• 电枢回路串电阻；• 降低电源电压；• 在串励绕组两端并联电阻实现弱磁；• 在电枢两端并联电阻实现增磁；下图给出了各种情况下串励直流电动机的人工机械特性。

图 2.45 串励直流电动机的人工机械特性。1- 固有机械特性 2- 电枢回路串电阻时的人工机械特性

3- 励磁绕组并联电阻时的人工机械特性 4- 电枢回路并联电阻时的人工机械特性

2.10 2.10 复励直流电动机的机械特性复励直流电动机的机械特性

图 2.46 复励直流电动机的接线图

积复励直流电动机的机械特性介于并励（或他励）和串励直流电动机之间，如图 2.47 所示。为便于比较，图 2.47 还同时绘出了并励和串励电动机的机械特性曲线。

图 2.47 复励直流电动机的机械特性

1— 并励 2— 串励 3— 复励

2.11 2.11 直流电机的换向直流电机的换向定义 : 换向是指：电枢元件在经过电刷前后其中的电流方向的改变。

换向过程如图图 2.48 所示。

图 2.48 电枢绕组元件的换向过程示意图

理想的换向被称为线性（或直线）换向，如图 2.49 所示。但由于电磁和机械等方面的原因，实际直流电机很难达到线性换向。换向不良会会带来换向问题，严重时会引起电位差火花，甚至环火。

图 2.49 理想换向时电枢元件中的电流波形

为解决换向问题，主要采取如下两种方法：（ 1）在两主极中间装设换向极（见图 2.50 ）；（ 2）在主极极靴上专门冲出均匀分布的槽并在槽内嵌放补偿绕组 （见图 2.51 ）。

图 2.50 直流发电机换向极的接线与极性

图 2.51 直流电机的补偿绕组

显然，对于发电机，沿电枢旋转方向，换向极极性与下一个主极的极性相同；而对电动机则相反。