固有机械特性和人为机械特性

1.固有机械特性

当电动机外加电压为额定值UN，气隙磁通也为额定值ΦN，且电枢回路中不外串电阻Rc时，电动机的机械特性称为固有机械特性（也称自然机械特性）。

固有机械特性方程式为

图4.1.4为他励直流电动机的固有机械特性曲线，它是一条略微向下倾斜的直线。

他励直流电动机固有机械特性的理想空载转速及斜率分别为n0＝UN／CeΦN及βN＝Ra／（CeΦNCTΦN），所以固有机械特性也可表示为

在固有机械特性上，当电磁转矩为额定值TN时，转速也为额定值nN，即

式中，ΔnN＝βNTN称为额定转速降。

由于电枢回路只有很小的电枢绕组电阻Ra，所以βN的值较小，属于硬特性。

电枢回路电阻Ra不在电动机铭牌上标出，对于小功率的实际电动机可采用伏安法实测，如果没有实际电机，则可以根据铭牌数据估算Ra的值。估算的依据是，普通直流电动机在额定状态下运行时，其电枢铜耗约占总损耗的1／2～2／3。

电动机的总损耗为

额定电枢铜耗为

因此，电枢电阻Ra为

2.人为机械特性

人为机械特性就是通过改变电动机电源电压U、磁通Φ以及电枢回路中外串电阻Rc等电气参数得到的机械特性。有以下三种人为机械特性。

（1）电枢串电阻的人为机械特性

电枢回路串电阻时，电动机的接线图如4.1.5（a）所示。改变电枢回路外串电阻时，电源电压及气隙磁通均保持为额定值不变，因此电枢外串电阻Rc的人为机械特性方程式为：

由于理想空载转速n0与电枢外串电阻Rc无关，而机械特性的斜率β则随Rc的增加而增大，使机械特性软。所以当Rc为不同值时，可以得到一簇放射形的人为机械特性曲线，如图4.1.5（b）所示。

图4.1.4　他励直流电动机的固有机械特性

图4.1.5　电枢串电阻时的接线图及人为机械特性

（2）改变电源电压的人为机械特性

他励直流电动机的电枢回路可以由他励直流发电机（或其他电源）供电，通过调节发电机的励磁电流来改变电动机的电枢电压。目前广泛采用晶闸管可控整流器给他励直流电动机供电，通过改变晶闸管的控制角来调节电动机的电枢电压。

改变电源电压的人为机械特性是在Φ＝ΦN以及电枢回路不串电阻的条件下，对应于不同的电枢电压的机械特性。

由于电机电压不能超过额定值，所以通常只在额定值以下改变电源电压。此时电动机的人为机械特性方程式为

由上式可以看出，对应不同的电枢电压，人为机械特性的理想空载转速与电源电压成正比，但其斜率则不变，与固有机械特性的斜率相等。所以当电源电压为不同值时，各人为机械特性曲线都与固有机械特性曲线平等，如图4.1.6所示。

图4.1.6　改变电源电压的人为机械特性

图4.1.7　减弱磁通的接线图及人为机械特性

（3）减弱气隙磁通的人为机械特性

减弱气隙磁通的人为机械特性是指U＝UN、电枢回路不串电阻的条件下，对应不同气隙磁通Φ（Φ＜ΦN）的人为机械特性。此时机械特性方程式为

图4.1.7（a）是减弱磁通Φ的接线图。当减小励磁电流If时，即可减弱磁通。因为当Φ＝ΦN时电机的磁通已接近饱和，所以只能在ΦN的基本上通过减小励磁电流If，使Φ＜ΦN。当Φ为不同值时相应的人为机械特性曲线如图4.1.7（b）所示。从图中可以看出，减弱磁通Φ时，不仅人为特性的理想空载转速升高，机械特性曲线的斜率也增大，结果使特性变软。

在图4.1.7表现出改变磁通可以改变电动机的转速。转矩不太大时，磁通减小引起理想空载转速和转速降增加。因为电枢电阻很小，转速降增加的比理想空载转速增加的少，所以转速升高。当转矩大到一定程度时，减弱气隙磁通反而使转速降低，这时电流过大，超过了电动机的额定电流，所以电动机不允许工作在这样的大电流下。

例4－1　一台他励直流电动机，铭牌数据如下：PN＝40kW，UN＝220V，IN＝210A，nN＝750r／min。负载转矩为额定值不变。试求

①电动机的固有机械特性；

②Rc＝0.4Ω的人为机械特性及电动机转速；

③U＝110V的人为机械特性及电动机转速；

④Φ＝0.8ΦN的人为机械特性及电动机转速；

解

1.电动机的固有机械特性

（1）估算电枢电阻Ra

（2）计算CeΦN

（3）理想空载转速n0

（4）计算斜率β

因此，电动机的固有机械特性为n＝804－0.0979T

2.Rc＝0.4Ω的人为机械特性

额定负载时，电动机的电磁转矩为

电动机的转速为

3.U＝110V的人为机械特性

电动机在额定负载时转速为

4.Φ＝0.8ΦN的人为机械特性

电动机在额定负载时转速为