一、直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

直流電動(dòng)機(jī)的工作特性是指供給電機(jī)額定電壓額定勵(lì)磁電流時(shí)，轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流之間的關(guān)系、轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流之間的關(guān)系及效率與負(fù)載電流之間的關(guān)系。這三個(gè)關(guān)系分別稱為電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性和效率特性。

（一）他勵(lì)（并勵(lì)）直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性與并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性相同。

1．轉(zhuǎn)速特性

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性可表示為，把上一節(jié)式(1—19)代入式（1—20），整理可得：

                                                  

此式即為轉(zhuǎn)速特性的表達(dá)式。如果忽略電樞反應(yīng)的去磁效應(yīng)，則轉(zhuǎn)速與負(fù)載電流按線性關(guān)系變化，當(dāng)負(fù)載電流增加時(shí)，轉(zhuǎn)速有所下降。并勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性如圖1—24所示

圖1—24  并勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性

2．轉(zhuǎn)矩特性

由此式可見，在忽略電樞反應(yīng)的情況下電磁轉(zhuǎn)矩與電樞電流成正比，若考慮電樞反應(yīng)使主磁通略有下降，電磁轉(zhuǎn)矩上升的速度比電流的上升的速度要慢一些，曲線的斜率略有下降。

3．效率特性

從前面敘述可知，空載損耗P₀是不隨負(fù)載電流變化的，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)效率較低，輸入的功率大部分消耗在空載損耗上；當(dāng)負(fù)載電流增大時(shí)效率也增大，輸入的功率大部分消耗在機(jī)械負(fù)載上；但當(dāng)負(fù)載電流大到一定程度時(shí)銅損快速增大此時(shí)效率又開始變小。

（二）串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組相串聯(lián)，電樞電流即為勵(lì)磁電流。串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)有很大的區(qū)別。當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，磁路不飽和，主磁通與勵(lì)磁電流（負(fù)載電流）按線性關(guān)系變化，而當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，磁路趨于飽和主磁通基本不隨電樞電流變化。因此討論串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性、轉(zhuǎn)矩特性和機(jī)械特性必須分段討論。

由上述可知，當(dāng)負(fù)載電流較小時(shí)，轉(zhuǎn)速較大，負(fù)載電流增加，轉(zhuǎn)速快速下降，當(dāng)負(fù)載電流趨于零時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速趨于無窮大。因此串勵(lì)電動(dòng)機(jī)不可以空載或在輕載下運(yùn)行，電磁轉(zhuǎn)矩與負(fù)載電流的平方成正比。

當(dāng)負(fù)載電流較大時(shí)，磁路已經(jīng)飽和，磁通基本不隨負(fù)載電流變化，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的工作特性與并勵(lì)電動(dòng)機(jī)相同。

串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性曲線如圖1—25所示。

圖1—25    串勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

（三）復(fù)勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的工作特性

 如果是他勵(lì)（并勵(lì)）繞組磁勢(shì)起主要作用，復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性就與他勵(lì)（并勵(lì)）電動(dòng)機(jī)接近；如果是串勵(lì)繞組磁勢(shì)起主要作用，復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速特性就與串勵(lì)電動(dòng)機(jī)接近。由于有串勵(lì)和他勵(lì)（并勵(lì)）磁勢(shì)的存在，復(fù)勵(lì)電動(dòng)機(jī)既有較高的起動(dòng)能力和過載能力，又可允許空載或輕載運(yùn)行。

二、直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

（一）他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

1．機(jī)械特性的表達(dá)式

直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性是指在電動(dòng)機(jī)的電樞電壓、勵(lì)磁電流、電樞回路電阻為恒值的條件下，即電動(dòng)機(jī)處于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速n與電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系：n=f(T_em)。由于轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩都是機(jī)械量，所以把它稱為機(jī)械特性。

圖1—26  他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)電路原理圖

圖1—26所示是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電路原理圖。圖中U為外施電源電壓，E_a是電樞電動(dòng)勢(shì)，I_a是電樞電流，R_s是電樞回路串聯(lián)電阻，I_f是勵(lì)磁電流，是勵(lì)磁磁通，R_f是勵(lì)磁繞組電阻，R_sf是勵(lì)磁回路串聯(lián)電阻。按圖中標(biāo)明的各個(gè)量的正方向，可以列出電樞回路的電壓平衡方程式

                                 U=E_a+RI_a                                     （1—43）

2．固有機(jī)械特性和人為機(jī)械特性

事實(shí)上，式（1—46）中的電樞回路電阻R、端電壓U和勵(lì)磁磁通都是可以根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)節(jié)的，每調(diào)節(jié)一個(gè)參數(shù)可以對(duì)應(yīng)得到一條機(jī)械特性，所以可以得到許多條機(jī)械特性。其中，電動(dòng)機(jī)自身所固有的，反映電動(dòng)機(jī)本來“面目”的機(jī)械特性是在電樞電壓、勵(lì)磁磁通為額定值，且電樞回路不外串電阻時(shí)的機(jī)械特性，稱為電動(dòng)機(jī)的固有（自然）機(jī)械特性；調(diào)節(jié)U、R、等參數(shù)后得到的機(jī)械特性稱為人為機(jī)械特性。

（1）固有機(jī)械特性

（2）人為機(jī)械特性

①電樞串電阻時(shí)的人為特性

②降低電樞電壓時(shí)的人為特性

由于電動(dòng)機(jī)的工作電壓以額定電壓為上限，因此改變電壓時(shí)，只能在低于額定電壓的范圍內(nèi)變化，與固有特性比較，降低電壓時(shí)人為特性的斜率不變，但理想空載轉(zhuǎn)速n₀隨電壓的降低而正比減小。因此降低電壓時(shí)的人為特性是位于固有特性下方，且與固有特性平行的一組直線，如圖1—29所示。

              

圖1— 28  電動(dòng)機(jī)的固有特性和電樞串聯(lián)電阻的人為特性     圖1—29  電動(dòng)機(jī)的固有特性和降低電壓的人為特性           

③減弱勵(lì)磁磁通時(shí)的人為特性

在圖1—26中，改變勵(lì)磁回路調(diào)節(jié)電阻R_sf，就可以改變勵(lì)磁電流，進(jìn)而改變勵(lì)磁磁通。由于電動(dòng)機(jī)額定運(yùn)行時(shí)，磁路已經(jīng)開始飽和，即使再成倍增加勵(lì)磁電流，磁通也不會(huì)有明顯增加，何況由于勵(lì)磁繞組發(fā)熱條件的限制，勵(lì)磁電流也不允許大幅度地增加，因此，只能在額定值以下調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，即只能減弱勵(lì)磁磁通。

改變磁通可以調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，從圖1—30（b）看出，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩不太大時(shí)，磁通減小使轉(zhuǎn)速升高；當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩特別大時(shí)，減弱磁通才會(huì)使轉(zhuǎn)速下降，然而，這時(shí)的電樞電流已經(jīng)過大，電動(dòng)機(jī)不允許在這樣大的電流下工作。因此，實(shí)際運(yùn)行條件下，可以認(rèn)為磁通越小，穩(wěn)定轉(zhuǎn)速越高。

3．機(jī)械特性的求取

在設(shè)計(jì)電力拖動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，首先應(yīng)知道所選擇電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性，可是電動(dòng)機(jī)的產(chǎn)品目錄或銘牌中都未直接給出機(jī)械特性的數(shù)據(jù)，因此通常是根據(jù)銘牌數(shù)據(jù)：計(jì)算或通過實(shí)驗(yàn)來求取機(jī)械特性。

（1）固有機(jī)械特性的求取

他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的固有機(jī)械特性為一條直線，所以只要求出直線上任意兩點(diǎn)的數(shù)據(jù)就可以畫出這條直線。一般計(jì)算理想空載點(diǎn)數(shù)據(jù)，具體步驟如下：

①估算R_a

 

從電動(dòng)機(jī)的銘牌中查得。

根據(jù)計(jì)算所得

（2）人為特性的求取

[例1]  他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的銘牌數(shù)據(jù)為：P_N=22kW，U_N=220V，I_N=116A，n_N=1500r/min，試分別求取下列機(jī)械特性方程式并繪制其特性曲線。

（1）固有機(jī)械特性；

（2）電樞串入電阻R_s=0.7Ω時(shí)的人為特性；

（3）電源電壓降至110V時(shí)的人為特性；

（4）磁通減弱至時(shí)的人為特性；

（5）當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定轉(zhuǎn)矩時(shí)，要求電動(dòng)機(jī)以n=1000r/min的轉(zhuǎn)速運(yùn)轉(zhuǎn)，試問有幾種可能的方案，并分別求出它們的參數(shù)。

[解]（1）固有機(jī)械特性

（3）電源電壓降為110V時(shí)

 

其人為特性曲線如圖1—32中曲線2所示。

(5)當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩為額定值，轉(zhuǎn)速下降至n=1000r/min時(shí)，可以采用電樞串電阻或降低電源電壓的方法來實(shí)現(xiàn)。

（二）串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性

1．固有特性

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，勵(lì)磁電流I_f等于電樞電流Ia，主磁通Φ是電樞電流I_a的函數(shù)。

當(dāng)I_a較小，磁路未飽和時(shí)，Φ與I_a成正比，即

Φ=kI_a                                                       （1—53）

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的固有特性是在U=U_N，R_S=0時(shí)的特性（圖1—33所示），具有以下特點(diǎn)：

（1）它是一條非線性的軟特性，負(fù)載時(shí)的轉(zhuǎn)速降落很大。

（2）空載時(shí)，T_em=0，I_a=0，Φ=0，n₀=→∞，即理想空載轉(zhuǎn)速為無窮大。但實(shí)際上，即使I_a=0，由于存在剩磁通Φ₀，故空載轉(zhuǎn)速n₀為一有限值，但其值很高，一般可達(dá)（5~6）n_N，這就是所謂的“飛車”現(xiàn)象，因此，串勵(lì)電動(dòng)機(jī)是不允許空載或輕載運(yùn)行的。

圖1—33  串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的固有特性

（3）由于T_em∝I_a²，起動(dòng)和過載時(shí)I_a均較大，故串勵(lì)電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，過載能力強(qiáng)。

2．人為特性

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)同樣可以采用電樞串電阻、改變電源電壓和改變磁通的方法來獲得各種人為特性。

1、電樞串電阻時(shí)的人為特性

由式（1—56）或式（1—57）可見，串入電阻后，轉(zhuǎn)速降增大，所以電樞串電阻的人為特性位于固有特性的下方，且特性變得更軟，如圖1—34所示。

2、降低電源電壓時(shí)的人為特性

由式（1—56）可知，降低電源電壓時(shí)，理想空載轉(zhuǎn)速降低，其人為特性向下平移。如圖1—35所示。

         

    圖1—34 串電阻時(shí)的人為特性         圖1—35  降低電源電壓時(shí)的人為特性

3、改變磁通時(shí)的人為特性

串勵(lì)電動(dòng)機(jī)改變磁通的方法之一是在勵(lì)磁繞組上并聯(lián)一個(gè)分流電阻R_Pf，如圖1—36（a）所示。與固有特性相比，在I_a相同的情況下，因I_f ＜I_a，故Φ減小，因此人為特性位于固有特性的上方，如圖1—36（b）所示。

圖1—36   減弱磁通時(shí)的人為特性