直流电动机的运行特性

直流电动机的运行特性主要包括直流电动机的工作特性和直流电动机的机械特性。直流电动机的工作特性是指电动机的转速特性、转矩特性和效率特性,即在保持额定电压、额定励磁电流(他励、并励)或励磁调节不变(串励、复励)的情况下,电动机的转速、电磁转矩和效率随电枢电流(或输出功率)变化的特性。

直流电动机的机械特性是指在电源电压恒定、励磁调节电阻和电枢回路电阻不变的情况下,其转速与电磁转矩之间的关系,又称为转矩－转速特性,是电动机的重要特性。

不同励磁方式直流电动机的运行特性是不同的,现分别予以介绍。

1.他励直流电动机的工作特性

他励直流电动机的运行特性是指,当外加电压为额定值(即),励磁电流为额定值(即),电机带有机械负载条件下:电动机的转速、电磁转矩、效率以及输出功率与电枢电流的关系,即与的关系。

关于直流电动机的额定励磁电流是这样规定的:当直流电动机加上额定电压U d＝U N,带上负载后,电枢电流、转速、输出的机械功率都达到额定值时,电机的励磁电流为额定励磁电流图5-14是他励直流电动机的工作特性,下面说明它们的变化规律。

1)转速特性

根据直流电动机电动势平衡方程式,可得转速特性为:

图5-14　他励直流电动机的工作特性

从式(3－3)可见,当电枢电流增加时,如气隙磁通中不变,转速将随的增加而直线下降。一般他励直流电动机电枢回路电阻的值很小,转速下降不多。如果考虑去磁的电枢反应,会变小,转速下降会更小些。如图5-14所示。

2)转矩特性

由可知,当气隙磁通不变时,电磁转矩与电枢电流成正比,转矩特性应是直线关系。实际上,随着电枢电流的增加,气隙磁通必略有减少。因此,转矩特性略有减小。如图5-14所示。

3)效率特性

前面已经得出直流电动机的效率为

,其中。可见电流较小时,随电流增加较小,效率增加较快,当电流较大时,随电流增加较大,效率增加变慢。在一定时,达到最大值,之后随电流增加,效率反而减小。如图5-14所示。

在额定负载时,小容量电动机的效率约为0.75～0.85;中大容量电动机的效率在0.85～0.94左右。

2.并励直流电动机的工作特性

并励直流电机的励磁绕组与电枢绕组相并联。作为并励发电机来说,是电机本身发出来的端电压为励磁绕组供电;作为并励电动机来说,励磁绕组与电枢共用同一电源,从性能上讲与他励直流电动机相同。

3.串励直流电动机的工作特性

串励直流电动机的原理电路如图5-15a所示,它的励磁绕组与电枢回路串联,电流关系为。显然,串励直流电动机的气隙磁通随电枢电流而变化,这是它的主要特点。

图5-15　串励直流电动机

a)串励直流电动机的原理图;b)串励直流电动机的特性

如果不计磁路不饱和,串励电动机的气隙磁通与电枢电流和励磁电流成正,即:

将式(3－4)代入转矩公式,得串励电动机的电磁转矩为:转矩特性如图5-15b所示。如果不计电刷的接触电压降,串励电动机得转速公式为:

图5-15b画出了曲线。

串励电动机的机械特性是软特性。随着电磁转矩(即)的增大,转速下降很快。当电磁转矩较小时,由于气隙磁通的减小,转速迅速增大,为零时,理想空载转速为无穷大。由此可见,串励直流电动机不允许空载运行,也不允许以平皮带传动方式带动负载。因为不慎皮带脱落时,可能引起电动机过速。

空载时会产生“飞速”是串励电动机的不足之处,要保持串励电动机的优点,而又不发生“飞速”现象,应采用复励电动机。

4.复励直流电动机的运行特性

他励直流电动机速率特性很硬,串励直流电动机的速率特性很软,且不能空载运行。复励直流电动机则折中二者的特性。如果复励电动机中得串励绕组磁动势与并励绕组的磁动势方向相同,叫积复励直流电动机;方向相反的,叫差复励直流电动机。后者使用时,易发生不稳定现象,通常不用。

为了便于比较,将几种不同励磁方式的电动机的转速特性画在同一图中,如图5-16所示。其中曲线1是他励直流电动机的转速特性;曲线2是并励为主的复励电动机转速特性;曲线3是以串励为主的复励电机转速特性。曲线4是串励的转速特性。曲线5是差复励时的转速特性。

图5-16　直流电动机的转速特性