他励直流电动机的机械特性

第14章  他励直流电动机的机械特性
原  理  简  述
电动机的机械特性是指电动机的转速与转矩的关系。机械特性是电动机机械性能的主要表现，它与负载的机械特性，运动方程式相联系，将决定拖动系统稳定运行及过渡过程的工作情况。
机械特性中的是电磁转矩，它与电动机轴上的输出转矩是不同的，其间差一空载转矩，即

在一般情况下，因为空载转矩相比或很小，所以在一般的工程计算中可以略去，即

在《电机学》中已知直流电动机的机械特性方程式为

式中为电枢回路总电阻，包括及电枢回路串联电阻，为理想空载转速记为，记为，为机械特性的斜率。
当，，电枢回路没有串电阻时的机械特性称为直流电动机的固有机械特性。当改变或或电枢回路串电阻时，其机械特性的或将相应变化，此时称为直流电动机的人为机械特性。
若不计电枢反应的影响，当电动机正向运行时，其机械特性是一条横跨I、II、IV象限的直线。其中第I象限为电动机运行状态，其特点是电磁转矩的方向与旋转方向（转速的方向）相同，第II、IV象限为制动运行状态。电动机在制动状态运行，是产生一个与转向相反的阻力矩，以使电机拖动系统迅速停车或限制转速的升高。制动状态转矩的方向与转速的方向相反，此时电动机从输出轴上吸收机械能并转化为电能反馈回电网或消耗在电阻中。第III象限为反向电动运行。
制动运行的方式分为能耗制动、反接制动和回馈制动。
1．  能耗制动
能耗制动的接线图如图14-1所示，其机械特性为一过原点的直线，如图 14-2 所示。

图14-1 能耗制动接线原理图                  图14-2  能耗制动的机械特性
如果负载为反抗性负载，闸刀合向制动方向，电动机的运行点由A点变到B点，产生制动转矩使拖动系统很快停车，和的变化在机械特性的第II象限B0段，这一段称之为能耗制动过程。
若是位能性负载，转速由B点变到0点后，负载转矩，将拖动电动机反向转动，最后稳定在特性曲线的C点运行，制动转矩限制了转速的进一步增加，此种运行状态称为能耗制动运行。
电动机电枢回路串的电阻值不同，机械特性的斜率不同，运行点B、C不同。选择不同的阻值，可以得到不同的初始制动转矩。
能耗制动中，系统中的动能全部转换为电能消耗在电枢回路的电阻上。
能耗制动是一个转速连续变化的动态过程，为了测取曲线上的点，本实验采取将电动机同轴连接的发电机作为电动机拖动被试电动机转动，维持在某一转速时即可测出该转速和对应的电枢电流值。由于，而不变，则转矩和电枢电流成正比，所以和机械特性成比例关系。
本次实验只做能耗制动过程（第II象限）
2．反接制动
反接制动分为电压反接制动和电势反接制动两种。
（1）电压反接制动
电压反接制动的接线图如图14-3所示
闸刀合在上方为正向电动运行，合在下方，电枢回路串入电阻为电压反接制动。反接后不变，反向，反向，所以反向。在机械特性上，反接瞬间，运行点变到B，转矩为负，产生制动作用，转速逐渐降低为零，运行点变到C点，此时应立即拉开闸刀，否则电动机有可能反向转动。整个过程如图14-4所示。

图14-3 电压反接制动的接线原理图 图14-4  电压反接制动的机械特性
（2）电势反接制动
接线仍为电动机正向运行，负载为位能性负载。电动机正向运行时，电枢回路串入电阻，运行点由A点变到B点，然后随着转速的下降，经过C点转速为零，由于负载的作用，电动机将反向转动，最后在电动机的机械特性和负载的机械特性交于第IV象限的D点稳定运行，如图14-5所示。
 

图14-5  电势反接制动的机械特性
本实验中要做的是电势反接制动。用另一台直流电动机拖动被试电动机反向旋转，模拟位能性负载的作用。同样也是测取转速和电枢电流，因为，不变，则转矩和电枢电流成正比，以模拟与其成正比的机械特性。
3．  回馈制动（或称再生制动）
回馈制动分为正向回馈制动和反向回馈制动两种。
（1）正向回馈制动
电动机在正向运行时，由于负载或电枢电压降低等原因，使得转速高于时，电动机，这时电动机向电网回馈能量，运行在第II象限机械特性B~C，见图14-6所示，因为转向为正，所以称为正向回馈。

图14-6   正向回馈的机械特性
本次实验中做的是正向回馈。由另一台直流电动机拖动被试直流电动机，使其转速高于，测取转速和电枢电流。因为，不变，则转矩和电枢电流成正比，以模拟与其成正比的机械特性。
（2）反向回馈制动

反向回馈是在带动位能性负载的情况下发生的。电动机按反转接线，如图14-3所示。电动机在正向运行的状态，闸刀合向反接制动方向，运行点到B点，电动机经过反接制动过程，转速为零，运行点到C点，再反向起动，当转速为负，最后在位能性负载的带动下，直到，稳定在E点运行。整个变化过程如图14-7所示。
在E点，由于，所以，负载具有的动能转化为电能回馈到电网，同时由于转向为负，所以称为反向回馈。
实验十四  他励直流电动机的机械特性实验
一、实验目的
了解直流电动机各种运转状态时的机械特性。
二、实验内容
1．求取电动机电动及正向回馈制动时的机械特性曲线。
2．求取电动机电动及电势反接制动时的机械特性曲线。
3．求取直流电动机不同制动电阻值时的能耗制动曲线。
三、实验说明及操作步骤
实验线路如图14-8，图中为被试他励直流电动机，其额定值为： ，，，；为直流发电机，作的负载；为涡流测功机，与被试电机、直流发电机同轴相联（虚线所示）。
被试电机与直流发电机用同一直流稳压电源和励磁电源。
直流电压表选用挂件上的电压表，量程为；电流表选用挂件上的电流表，量程为；电流表选用直流电机励磁电源上的励磁电流表；电流表选用挂件上的电流表，量程为；电流表选用直流稳压电源上的电枢电流表。
开关、为挂件上的、。
电阻、、及依不同的实验而选不同的值。

图 14-8 直流电机机械特性接线图
1．电动及正向回馈制动特性
图14-8中，电阻选用挂件上的（接端，即两只电阻串联），电阻选用挂件上的（接端，即两只电阻串联），电阻选用挂件上的，电阻选用挂件上的（实际接线为：端短接，端短接，端引出，即两只串联的再和两只并联的相加）。
操作步骤如下：
（1）将挂箱上红色开关至“ON”位置；挂箱上红色开关至“ON”位置,“”开关合向下方，“转速控制/转矩控制”选择开关合向“转速控制”端；开关合向1-1′端，合向2-2′端；电阻、及置最大值，置最小值。
（2）合上电源开关（实验台左侧端面），按下“闭合”按钮（左下方绿色按钮），此时红灯灭，绿灯亮。合上直流电机励磁电源开关（红色开关至“ON”位置），再合上直流稳压电源开关（红色开关至“ON”位置），观察励磁电流表读数大小（若无读数，切不可起动电动机），按下可调直流稳压电源上的“复位”（白色）按钮，使电动机起动，然后把调至阻值最小。
（3）调节可调直流稳压电源上的“电压调节”旋钮，使电动机电压，调节电阻使电动机转速，调节电阻及使电动机电枢电流。注意：以上三个量的调节过程是互有影响的，必须互相配合反复调节才可调出。当电动机运行满足、、时，此时，即电动机的额定运行点。
（4）保持电动机的、不变，改变及阻值，测取电动机在额定负载至空载范围的电枢电流、转速，共取组数据记录于表14-1中。
表14-1  电动状态运行实验数据      


（5）拆掉开关的2-2′短接线，调节电阻，使发电机的空载电压与直流电源电压值相等，并且极性相同，把合向1-1′端。
（6）先将调至最小，再将阻值逐渐增加，发电机的转速升高，当电机转速超过其理想空载转速时，电动机则从第I象限进入到第II象限，进入回馈制动状态运行。
（7）继续增加阻值，测取电动机回馈制动状态运行时的、。做到电动机转速不超过转/分。共取组数据记录于表14-2中。
表14-2  回馈制动状态运行实验数据   


因为，而为常数，则，为简便起见，只要求画特性，见图14-9。
2．电动及电势反接制动特性
图14-8中，电阻选用上的，电阻选用上的的滑线电阻（端短接，端引出，即），不用，电阻仍用上的(接法同上)。
操作步骤如下：
（1）开关合向1-1′端，合向2-2′端(短接线拆掉)，把发电机电枢二端接线对调即电势反接，电阻置最小值，、置最大值。
（2）起动电动机（同上），测量发电机的空载电压看是否和直流稳压电源电压极性相反，若极性相反可把合向1-1′端。将电阻调至阻值为零。
（3）反复调节直流稳压电源电压及电阻、，使、、，此时，即电动机的额定运行点。
（4）先将调至最大，再将调至最大。
（5）保持电源电压及、值不变，逐渐减小阻值，电机速度将减至零，继续减小阻值，此时电动机进入到电势反接制动状态 (第IV象限)，直至电动机的。测取电机在I、IV象限的、，共取组数据记录于表14-3中。
表14-3 电动及反接制动运行实验数据      


为简便起见，画特性曲线，见图14-10。
3.能耗制动特性
图14-8中，电阻选用上的，电阻选用上的 (端短接，端引出，即四只电阻串联)，电阻选用上的（接端），选用上的（接法同上）。
操作步骤如下：
（1）把开关合向2-2′端，电阻置，电阻置最大值，电阻置最小值, 电阻置(把两只串联电阻调在零位，把两只并联电阻调在最大即位置)。
（2）开关合向1-1′端。起动发电机(此时作电动机用)，调节电源电压，使电压，调节使电动机的（前面已测出）。
（3）将调至最大, 缓慢减小，电流增加，当增加到时，再逐渐增加阻值，使电流减小到最小，在电动机的制动电流减小的过程中测取、,共取组数据记录于表14-4中。
表14-4 时能耗制动实验数据    


(4) 调节为(两只串联电阻调至最小)，重复上述实验步骤3）, 减小阻值，使电流增加到，再逐渐增加阻值，使电流减小到最小，测取、，共取组数据记录于表14-5中。
表14-5 时能耗制动实验数据    


画出以上二条能耗制动特性曲线，见图14-11。
 

图14-9 电动机电动及正向回馈　图14-10 电动及电势反接制动　图14-11 能耗制动曲线
制动时的机械特性曲线　　　　　　　 时的机械特性曲线
四、实验报告
1．根据表14-1和表14-2，画出电动机运行于电动及回馈制动状态时的特性曲线。
2．根据表14-3，画出电动机运行于电动及反接制动状态时的特性曲线。
3. 根据表14-4和表14-5，画出电动机能耗制动时的特性曲线。
五、思考题
1．回馈制动实验中，如何判别电动机运行在理想空载点?
2．直流电动机从第I象限运行到第II象限转子旋转方向不变，试问电磁转矩的方向是否也不变? 为什么?
3．电动机、发电机实验机组，当电动机从第I象限运行到第IV象限，其转向反了，而电磁转矩方向不变，为什么? 作为负载的，从第I到第IV象限其电磁转矩方向是否改变? 为什么?