电机学课堂进义第六部分直流电机6h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 第二十六讲直流电机的特性 重点：发电机空载特性、外特性和调节特性，电动机机械特性，工作特性中的速率特性。 难点：并励发电机外特性，串励电动机机械特性。 问题：直流发电机有哪些运行特性？直流电动机机械特性是什么？直流电动机有哪些人为机械特 性？直流电动机有哪些工作特性？利用工作特性如何实现不同运行状态转换与切换？直流电动机转 速调整率的定义是什么？ 1、直流发电机的运行特性 直流发电机的运行特性是指转速恒定的条件下，保持输出电压U、输出电流I和励磁电流三者之一恒 定，其他两个量之间的关系曲线。利用发电机的磁化特性、电压平衡方程和电枢反应去磁来分析他 励、并励和复励发电机的运行特性。 (1)空载特性 转速恒定，外部输出电流等于零，电枢端电压与励磁电流的关系U=, 通常空载特性从剩磁电压 开始上升，随着磁路饱和而进入饱和状态。 A、他励直流发电机 因转速恒定且电枢电流为零，因此电势等于端电压，空载特性就是励磁电流与电势的关系。空载特 性也可以理解为负载时电势与等效励磁电流的关系。所谓等效励磁电流是指负载时发电机励磁磁势 和电枢反应去磁磁势的合成磁势用励磁电流表示。 B、并励直流发电机 尽管转速恒定且输出电流等于零，但励磁电流与端电压的关系是动态变化的，最终稳定点取决于励 磁回路电阻，即场阻线。 Vo-R!,+4(L).Eo-Vo+R dt C、复励直流发电机 转速恒定但励磁磁势包括并励、串励和电枢反应磁势，后两者很小可以忽略不计。这样复励直流发 电机具有并励直流发电机的自励功能，空载特性也是动态的，空载稳态工作点需要通过试验获得。 对于不同励磁回路电阻的空载稳态工作点，可以利用并励绕组独立励磁时的空载特性，即电枢电势 与等效励磁电流关系，再加上复励直流发电机电压方程和实际电枢反应去磁情况计算确定。 (2)外特性 转速恒定，励磁电流恒定，输出电压与电枢电流的关系U=)。对于并励直流发电机要求励磁回路电 阻恒定，而励磁电流随端电压变化而变化。 外特性中从空载电压到额定负载电压的变化率用电压调整率来表征，它是直流发电机很重要的性能 之一。龟压调整率表示为 △UU= 0。-Ux×100% UN A、他励直流发电机 励磁电流和转速恒定，电枢电阻压降与电枢电流呈正比，电枢反应去磁随负载增大而增强，电枢电 势随负载电流增大略有下降，因此他励直流发电机的通常外特性是下垂的曲线。 B、并励直流发电机 1
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 1 第二十六讲 直流电机的特性 重点：发电机空载特性、外特性和调节特性，电动机机械特性，工作特性中的速率特性。 难点：并励发电机外特性，串励电动机机械特性。 问题：直流发电机有哪些运行特性？直流电动机机械特性是什么？直流电动机有哪些人为机械特 性？直流电动机有哪些工作特性？利用工作特性如何实现不同运行状态转换与切换？直流电动机转 速调整率的定义是什么？ 1、直流发电机的运行特性 直流发电机的运行特性是指转速恒定的条件下，保持输出电压U、输出电流I和励磁电流If三者之一恒 定，其他两个量之间的关系曲线。利用发电机的磁化特性、电压平衡方程和电枢反应去磁来分析他 励、并励和复励发电机的运行特性。 （1）空载特性 转速恒定，外部输出电流等于零，电枢端电压与励磁电流的关系U0=f(If)。通常空载特性从剩磁电压 开始上升，随着磁路饱和而进入饱和状态。 A、他励直流发电机 因转速恒定且电枢电流为零，因此电势等于端电压，空载特性就是励磁电流与电势的关系。空载特 性也可以理解为负载时电势与等效励磁电流的关系。所谓等效励磁电流是指负载时发电机励磁磁势 和电枢反应去磁磁势的合成磁势用励磁电流表示。 B、并励直流发电机 尽管转速恒定且输出电流等于零，但励磁电流与端电压的关系是动态变化的，最终稳定点取决于励 磁回路电阻，即场阻线。 ! U0 = Rf If + d dt (Lf If ), ! E0 = U0 + Ra If C、复励直流发电机 转速恒定但励磁磁势包括并励、串励和电枢反应磁势，后两者很小可以忽略不计。这样复励直流发 电机具有并励直流发电机的自励功能，空载特性也是动态的，空载稳态工作点需要通过试验获得。 对于不同励磁回路电阻的空载稳态工作点，可以利用并励绕组独立励磁时的空载特性，即电枢电势 与等效励磁电流关系，再加上复励直流发电机电压方程和实际电枢反应去磁情况计算确定。 （2）外特性 转速恒定，励磁电流恒定，输出电压与电枢电流的关系U=f(I)。对于并励直流发电机要求励磁回路电 阻恒定，而励磁电流随端电压变化而变化。 外特性中从空载电压到额定负载电压的变化率用电压调整率来表征，它是直流发电机很重要的性能 之一。电压调整率表示为 ! "U = U0 #UN UN $100% A、他励直流发电机 励磁电流和转速恒定，电枢电阻压降与电枢电流呈正比，电枢反应去磁随负载增大而增强，电枢电 势随负载电流增大略有下降，因此他励直流发电机的通常外特性是下垂的曲线。 B、并励直流发电机
电机学课堂进义第六部分直流电机6h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 励磁回路电阻和转速恒定，负载电流增大，如果励磁电流不变，那么电枢电流增大，电枢反应去磁 和电枢电阻压降增大，输出电压下降，进一步削弱励磁电流，因此电势也将下降，但下降的程度取 决于磁路的饱和程度。开始时，磁路比较饱和，电势下降不明显，因此并励比他励外特性稍低一 些，随着负载电流增大，电压不断降低，直到负载电流达到临界值。如继续减小负载电压，那么负 载电流将不断减小。这是因为电枢反应的去磁和电枢回路电阻压降，使得端电压随负载增大而减 小。这一现象可以通过不同负载电流时励磁电流与电压的关系曲线与场阻线的交点变化获得解释。 E=(R+- RL) R+R RL1 1=R+RL C、复励直流发电机 复励直流电机的串励绕组对主磁极并励绕组起助磁作用称为积复励直流电机，起去磁作用则称为差 复励直流电机。在额定负载下，积复励直流电机串励绕组磁势如果超过电枢反应去磁磁势，那么称 为过复励，如果正好平衡称为平复励，如果不足则称为欠复励。由此形成不同的外特性。 (3)调整特性 转速恒定，电压恒定，电枢电流与励磁电流的关系)。 为了补偿电枢反应去磁和电枢回路电阻压降，励磁电流因磁路饱和随负载电流增加而上翘的调整特 性。为了增大励磁，他励直流发电机要增加励磁电压，并励发电机需要减小励磁回路外接串联电 阻。复励可以改变串励绕组分流电阻或者并励绕组串联电阻。 2、直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性是在额定电压和电枢电阻和励磁电阻恒定条件下的转速与电磁转矩的关系。 对于并励直流电动机要求励磁电流恒定。这种机械特性称为自然机械特性。通过改变电压，电枢回 路电阻或励磁回路电阻等的机械特性称为人工机械特性。 分析机械特性的方法，根据电压平衡关系，考虑到电势与转速的关系，电磁转矩与电枢电流的关 系，每极磁通与励磁电流、电枢反应去磁等因素，就可以获得转速与电磁转矩的关系。 (1)他励和并励直流电动机) 他励和并励的励磁恒定，因此忽略电枢反应对每极主磁通的影响可以认为 发电 磁通恒定，机械特性线性如图1所示。 o 电动 n=no-KT 能轮制动 其中，空载转速o和系数K分别为 no 7 CΦ CC,Φ 电动0，发电 电枢回路电阻通常很小，因此机械特性倾斜度很小，他励和并励直流电动 机的机械特性很硬。 图1直流电机机械特性 励磁电流与励磁电压呈正比，磁路线性时磁通与励磁电流呈正比吗？ 影响他励直流电机机械特性的因素有电枢电压、励磁电压或者励磁回路电阻、电枢回路电阻、电枢 反应和电机结构参数。改变其中的电压或电阻都将改变机械特性曲线，称为人工机械特性。 在电机结构不变且忽略电枢反应的情况下，电枢电压大小直接影响空载转速，但不影响机械特性的 斜率，因此改变电枢电压可以改变电动机转速（直流电机调压调速）。 2
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 2 励磁回路电阻和转速恒定，负载电流增大，如果励磁电流不变，那么电枢电流增大，电枢反应去磁 和电枢电阻压降增大，输出电压下降，进一步削弱励磁电流，因此电势也将下降，但下降的程度取 决于磁路的饱和程度。开始时，磁路比较饱和，电势下降不明显，因此并励比他励外特性稍低一 些，随着负载电流增大，电压不断降低，直到负载电流达到临界值。如继续减小负载电压，那么负 载电流将不断减小。这是因为电枢反应的去磁和电枢回路电阻压降，使得端电压随负载增大而减 小。这一现象可以通过不同负载电流时励磁电流与电压的关系曲线与场阻线的交点变化获得解释。 ! E = (Ra + Rf RL Rf + RL )Ia ! If = RL Rf + RL Ia C、复励直流发电机 复励直流电机的串励绕组对主磁极并励绕组起助磁作用称为积复励直流电机，起去磁作用则称为差 复励直流电机。在额定负载下，积复励直流电机串励绕组磁势如果超过电枢反应去磁磁势，那么称 为过复励，如果正好平衡称为平复励，如果不足则称为欠复励。由此形成不同的外特性。 （3）调整特性 转速恒定，电压恒定，电枢电流与励磁电流的关系If=f(I)。 为了补偿电枢反应去磁和电枢回路电阻压降，励磁电流因磁路饱和随负载电流增加而上翘的调整特 性。为了增大励磁，他励直流发电机要增加励磁电压，并励发电机需要减小励磁回路外接串联电 阻。复励可以改变串励绕组分流电阻或者并励绕组串联电阻。 2、直流电动机的机械特性 直流电动机的机械特性是在额定电压和电枢电阻和励磁电阻恒定条件下的转速与电磁转矩的关系。 对于并励直流电动机要求励磁电流恒定。这种机械特性称为自然机械特性。通过改变电压，电枢回 路电阻或励磁回路电阻等的机械特性称为人工机械特性。 分析机械特性的方法，根据电压平衡关系，考虑到电势与转速的关系，电磁转矩与电枢电流的关 系，每极磁通与励磁电流、电枢反应去磁等因素，就可以获得转速与电磁转矩的关系。 （1）他励和并励直流电动机 他励和并励的励磁恒定，因此忽略电枢反应对每极主磁通的影响可以认为 磁通恒定，机械特性线性如图1所示。 ! n = n0 "KTem 其中，空载转速n0和系数K分别为 ! n0 = Ua Ce", ! K = Ra CeCt "2 电枢回路电阻通常很小，因此机械特性倾斜度很小，他励和并励直流电动 机的机械特性很硬。 励磁电流与励磁电压呈正比，磁路线性时磁通与励磁电流呈正比吗？ 影响他励直流电机机械特性的因素有电枢电压、励磁电压或者励磁回路电阻、电枢回路电阻、电枢 反应和电机结构参数。改变其中的电压或电阻都将改变机械特性曲线，称为人工机械特性。 在电机结构不变且忽略电枢反应的情况下，电枢电压大小直接影响空载转速，但不影响机械特性的 斜率，因此改变电枢电压可以改变电动机转速（直流电机调压调速）。 图1 直流电机机械特性 Tem n n0 -n0 0 电动 发电 电动 发电 能耗制动
电机学课堂进义第六部分直流电机6h 上海交通大学电气工程系EE SJTU 电枢回路串电阻后，总电枢电阻直接影响机械特性的斜率，但不会改变机械特性的空载转速。电枢 回路串联电阻越大，机械特性越软，相同负载转矩的转速也越小，因此电枢回路串电阻也可以调 速，最重要的是用来起动直流电动机。 改变他励直流电机的励磁电压或励磁回路串联电阻，不仅可以改变空载转矩，而且还改变特性曲线 的斜率。通常励磁电流是朝额定励磁电流以下方向调节，因此励磁磁通是减小的，磁通越小，特性 曲线变得越软，空载转速越高，恒转矩负载转速大小取决于负载的轻重（弱磁调速）。重载转速下 降，而轻载则转速上升。 并励电动机励磁磁通通常有励磁回路的串联电阻调节。如果不改变励磁回路电阻，那么改变电枢电 压，将同时改变磁通，这样空载转速变化就可能不大，但特性曲线将变软。 (2)串励直流电动机 假设串励励磁磁通与电枢电流呈正比，即Φ=K1,那么电磁转矩与电流平方呈正比，机械特性 n-KTo2 -1 其中，极端负载转速nm和系数K分别为 R.+R..K=- U no= CK C.K 串励直流电动机的机械特性很软。 (4)长复励直流电动机 并励绕组电压恒定，励磁磁通也恒定，串励绕组电流等于电枢电流，假设串励绕组的励磁磁通与电 枢电流呈正比，那么电压方程和电磁转矩表达式 U=RIa+C(Φ+k,la)n Tm=C,(Φ+k,la)I 消除电枢电流后得到长复励直流电动机的机械特性 a- T VCΦ2+4k,C,Tm+C,Φ 2C, 2R Tm n= 0- C.(CΦ2+4k,CTm+C) VCΦ2+4k,C,Tm+C,④ 当串励绕组起助磁作用时系数k为正：起去磁作用时，系数k为负：不存在时，系数k为零。 (5)短复励直流电动机 短复励直流电动机串励绕组电流等于输入电流，并励绕组电流受电枢电流和串励绕组电阻影响 U=R(In+I)4RIn+C(Φ，+Φ-Φ)n U-RU。+I)+Rl Tm=C,(④j+Φ，-ΦL。 Φ，=kl,Φ，=k(Lr+Ia),Φa=k1a 消除磁通得到电流关系，其中k=k,+飞，kma=k,一k。 3
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 3 电枢回路串电阻后，总电枢电阻直接影响机械特性的斜率，但不会改变机械特性的空载转速。电枢 回路串联电阻越大，机械特性越软，相同负载转矩的转速也越小，因此电枢回路串电阻也可以调 速，最重要的是用来起动直流电动机。 改变他励直流电机的励磁电压或励磁回路串联电阻，不仅可以改变空载转矩，而且还改变特性曲线 的斜率。通常励磁电流是朝额定励磁电流以下方向调节，因此励磁磁通是减小的，磁通越小，特性 曲线变得越软，空载转速越高，恒转矩负载转速大小取决于负载的轻重（弱磁调速）。重载转速下 降，而轻载则转速上升。 并励电动机励磁磁通通常有励磁回路的串联电阻调节。如果不改变励磁回路电阻，那么改变电枢电 压，将同时改变磁通，这样空载转速变化就可能不大，但特性曲线将变软。 （2）串励直流电动机 假设串励励磁磁通与电枢电流呈正比，即Φ=KfIa，那么电磁转矩与电流平方呈正比，机械特性 ! n = KTem "1/ 2 " n# 其中，极端负载转速n∞和系数K分别为 ! n" = Ra + Rs CeKf , ! K = U CeKf 串励直流电动机的机械特性很软。 （4）长复励直流电动机 并励绕组电压恒定，励磁磁通也恒定，串励绕组电流等于电枢电流，假设串励绕组的励磁磁通与电 枢电流呈正比，那么电压方程和电磁转矩表达式 ! U = RasIa + Ce (" + ki Ia )n ! Tem = Ct(" + ki Ia )Ia 消除电枢电流后得到长复励直流电动机的机械特性 ! Ia = 2Tem Ct 2 "2 + 4ki Ct Tem + Ct " ! n = 2Ct Ce ( Ct 2 "2 + 4ki Ct Tem + Ct ") [U # 2RasTem Ct 2 "2 + 4ki Ct Tem + Ct " ] 当串励绕组起助磁作用时，系数ki为正；起去磁作用时，系数ki为负；不存在时，系数ki为零。 （5）短复励直流电动机 短复励直流电动机串励绕组电流等于输入电流，并励绕组电流受电枢电流和串励绕组电阻影响 ! U = Rs(Ia + If ) + Ra Ia + Ce ("f + "s # "a )n ! U = Rs(Ia + If ) + Rf If ! Tem = Ct("f + "s # "a )Ia ! "f = kf If , ! "s = ks(If + Ia ), ! "a = ka Ia 消除磁通得到电流关系，其中 ! kfps = k f + ks, ! ksma = ks " ka
电机学课堂进义第六部分直流电机6h 上海交通大学电气工程系EE SJTU U=(R,+Ckmn)I+(R +Ra+Cksman)la U=R,J。+(R,+R)H Tem =C(kl+k mala)Ia 消除电流后，短复励直流电动机的机械特性。 3、直流电动机的稳定性 根据直流电动机的机械特性和负载机械特性可以得到直流电动机稳定运行的条件：电磁转矩对转速 的变化率小于负载转矩对转速的变化率。因为在稳定运行点，忽略机械损耗转矩，电磁转矩与负载 转矩平衡。若外部因素扰动使得转子转速下降，那么电磁转矩上升超过负载转矩增加，转子净转矩 为驱动加速转矩，于是扰动消失后，转子将加速，直到电磁转矩与负载转矩重新达到平衡为止。 4、直流电动机的工作特性 直流电动机的工作特性是在电压额定，电枢电阻恒定，并励励磁绕组电流不变的条件下，转速，电 磁转矩，效率与输出功率的关系。分析方法是电压平衡、转矩平衡、 率平衡和电枢反应影响。 (1)速率特性 他励和并励直流电动机的速率特性是下垂的曲线，转速调整率是直流电动机的重要参数，它是指空 载转速与额定负载转速之差占额定转速的百分数。 △n=0-"y×100% nN 串励直流电动机的特点是转速与功率乘积近似为常数，因此不能轻载运行，否则出现飞车现象，上 述转速调整率表达式中的空载转速要用四分之一负载功率对应的转速取代。 复励直流电动机兼有并励和串励的特点，从差复励、欠复励、平复励、过复励、到串励转速特性由 上升到下降逐渐变化的过程。 (2)转矩特性 通常功率增大转速下降，转矩增大，因此转矩特性是上翘的曲线。 (3)效率特性 绝大部分电动机的效率特性是随着负载增大效率迅速增大，在半载与满载之间效率比较平坦，未满 载时效率达到最大，此后效率缓慢下降。 U 他励 R R 0<l1<2<l3<4 0 lak 图1直流他（并）励发电机空载特性 图2直流发电机负载特性图3直流发电机外特性
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 4 ! U = (Rs + Ce k fpsn)If + (Rs + Ra + Ce ksma n)Ia ! U = Rs Ia + (Rs + Rf )If ! Tem = Ct(k fpsIf + ksma Ia )Ia 消除电流后，短复励直流电动机的机械特性。 3、直流电动机的稳定性 根据直流电动机的机械特性和负载机械特性可以得到直流电动机稳定运行的条件：电磁转矩对转速 的变化率小于负载转矩对转速的变化率。因为在稳定运行点，忽略机械损耗转矩，电磁转矩与负载 转矩平衡。若外部因素扰动使得转子转速下降，那么电磁转矩上升超过负载转矩增加，转子净转矩 为驱动加速转矩，于是扰动消失后，转子将加速，直到电磁转矩与负载转矩重新达到平衡为止。 4、直流电动机的工作特性 直流电动机的工作特性是在电压额定，电枢电阻恒定，并励励磁绕组电流不变的条件下，转速，电 磁转矩，效率与输出功率的关系。分析方法是电压平衡、转矩平衡、功率平衡和电枢反应影响。 （1）速率特性 他励和并励直流电动机的速率特性是下垂的曲线，转速调整率是直流电动机的重要参数，它是指空 载转速与额定负载转速之差占额定转速的百分数。 ! "n = n0 # nN nN $100% 串励直流电动机的特点是转速与功率乘积近似为常数，因此不能轻载运行，否则出现飞车现象，上 述转速调整率表达式中的空载转速要用四分之一负载功率对应的转速取代。 复励直流电动机兼有并励和串励的特点，从差复励、欠复励、平复励、过复励、到串励转速特性由 上升到下降逐渐变化的过程。 （2）转矩特性 通常功率增大转速下降，转矩增大，因此转矩特性是上翘的曲线。 （3）效率特性 绝大部分电动机的效率特性是随着负载增大效率迅速增大，在半载与满载之间效率比较平坦，未满 载时效率达到最大，此后效率缓慢下降。 图3 直流发电机外特性 Ia U 0 3 U0 Iak Icr IaN 4 5 6 1 2 图2 直流发电机负载特性 If U 0 0<I1<I2<I3<I4 Rf 图1 直流他（并）励发电机空载特性 If U0 0 Rfc Rf Ur If U0 0 他励
电机学课堂进义第六部分直流电机6 上海交通大学电气工程系EE SJTU 教学方法： 直流发电机运行特性 空载特性一一负载特性(1恒定，U与关系)一一外特性一一电压调整率一一调节特性： 直流电动机机械特性 电压平衡一—一电势转速关系—一电流转矩关系一一自然机械特性—一人工机械特性： 直流电动机工作特性 转速特性—一转速调整率一转矩特性—一效率特性。 发电 朵 no 电动 1o2 能耗制动 no no S.ITU 电动-0 ,发电 P PN 图2直流电机基本特性 图1直流电机机械特性 图3串励直流电机特性 电动机转速一转矩特性，即机械特性： 负载转速一转矩特性：恒转矩负载，恒功率负载，风机与泵类负载： 电动机与负载转速一转矩特性的交点为工作点，两者工作点的稳定性判据： dn dn dTi dTem EE Xie 5
电机学课堂讲义 第六部分 直流电机 6h 上海交通大学电气工程系 EE SJTU 5 教学方法： 直流发电机运行特性 空载特性——负载特性（Ia恒定，Ｕ与If关系）——外特性——电压调整率——调节特性； 直流电动机机械特性 电压平衡——电势转速关系——电流转矩关系——自然机械特性——人工机械特性； 直流电动机工作特性 转速特性——转速调整率——转矩特性——效率特性。 电动机转速－转矩特性，即机械特性； 负载转速－转矩特性：恒转矩负载，恒功率负载，风机与泵类负载； 电动机与负载转速－转矩特性的交点为工作点，两者工作点的稳定性判据： ! dn dTL > dn dTem 图2 直流电机基本特性 Tem n n0 -n0 0 电动 发电 电动 发电 能耗制动 图1 直流电机机械特性 Tem n n0 5 0 1 2 4 3 n01 n02 图3 串励直流电机特性 P2 n n0 0 P1/4 PN