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文檔簡介
關于直流電機的工作原理及特性第1頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五3.1直流電機的基本結構和工作原理一、直流電機的基本結構直流電機包括靜止的和轉動的兩大部分,靜止部分稱為定子,轉動部分就是轉子,靜止和轉動部分之間要有一定大小的間隙(以后稱為氣隙)。定子的主要作用是產生磁場,由主磁極、換向極、機座和電刷裝置等組成。轉子(通常稱為電樞)的作用是產生電磁轉矩和感應電動勢,由電樞鐵心和電樞繞組、換向器、軸和風扇等組成。第2頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五直流電機的剖面主磁極勵磁繞組機座換向極換向極繞組電樞繞組電樞鐵心第3頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五主磁極的作用是建立主磁場。絕大多數直流電機的主磁極不是用永久磁鐵而是由勵磁繞組通以直流電流來建立磁場。1.主磁極主磁極由主磁極鐵心和套裝在鐵心上的勵磁繞組構成。主磁極鐵心靠近轉子一端的擴大的部分稱為極掌,它的作用是使氣隙磁阻減小,改善主磁極磁場分布,并使勵磁繞組容易固定。主磁極上裝有勵磁繞組,整個主磁極用螺桿固定在機座上。主磁極的個數一定是偶數,勵磁繞組的連接必須使得相鄰主磁極的極性按
N,S極交替出現。
第4頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五2.換向極換向極,又稱附加極或間極,是安裝在兩相鄰主磁極之間的一個小磁極,它的作用是改善直流電機的換向性能。換向極結構和主磁極類似。換向極的個數一般與主磁極的極數相等,在功率很小的直流電機中,也有不裝換向極的。換向極繞組與電樞繞組串聯。換向極繞組換向極鐵心第5頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五第6頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五3.機座機座通常由鑄鋼或厚鋼板焊成。它有兩個作用:一個是用來固定主磁極、換向極和端蓋;另一個作用是作為磁路的一部分。機座中有磁通經過的部分稱為磁軛。第7頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五4.電樞鐵心電樞鐵心既是主磁通的組成部分,又是電樞繞組支撐部分;電樞繞組就嵌放在電樞鐵心的槽內。為減少電樞鐵心內的渦流損耗,鐵心一般用硅鋼片疊壓夾緊而成。第8頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五直流電機電樞第9頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五第10頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五5.換向器換向器是由若干彼此間用云母片絕緣的銅片(即換向片)組成,如圖所示。換向器的作用:對于直流電動機,它將外加的直流電動勢逆變成電樞繞組的交流電流,以產生恒定的電磁轉矩。第11頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五6.電刷裝置電刷裝置是把直流電壓、直流電流引入或引出的裝置。電刷由石墨制成,放在刷握內,用彈簧壓緊在換向器上,刷握固定在刷桿上,刷桿裝在刷架上,彼此之間都絕緣。刷架裝在端蓋或軸承內蓋上,調整位置以后,將它固定。第12頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五現將國產直流電動機系列簡介如下:一.Z型系列
Z為直流電機的漢語拼音第一個字母。這種系列是通風保護式的。適用于調速范圍不大的機械拖動,少灰塵,少腐蝕及溫度低的場所。二.Z2型系列
它是Z型系列的改進型,也上保護式。調速范圍可達3比1,即可超過額定轉速的一倍。三.ZO型系列這種電機是封閉式的,用于多灰塵但無腐蝕性氣體的場所。四.ZD型系列
主要用于需要廣泛調速,具有較大的過載能力的場所。如大型機床、卷揚機、起重設備。五.ZQD型系列
它是直流牽引電動機,用于牽引車輛。第13頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五直流電動機的型號以Z2-31型電機為例:
Z2系列是一般用途的中小型直流電動機,共分11個機座號,每個機座號有二種鐵心長度,功率范圍為0.4~200kW;轉速范圍600~3000r/min。第14頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五直流電機的額定值主要有:
1.額定功率PN:指電機在銘牌規定的額定狀態下運行時,電機的輸出功率,以W為量綱單位。若大于1KW或1MW時,則用KW或MW表示。2.額定電壓UN:指額定狀態下電樞出線端的電壓,以V為量綱單位。3.額定電流IN:指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值,以A為量綱單位。第15頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五4.額定轉速nN:指額定狀態下運行時轉子的轉速,以r/min為量綱單位。5.額定勵磁電流If:指電機在額定狀態時的勵磁電流值。注意:對于直流發電機,PN是指輸出的電功率,它等于額定電壓和額定電流的乘積,即PN=μUN×IN第16頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五二、直流電機的基本工作原理為了討論直流電機的工作原理,可把復雜的直流電機結構簡化為電機具有一對主磁極,電樞繞組只是一個線圈,線圈兩端分別聯在兩個換向片上,換向片上壓著電刷A和B。1—主磁極:勵磁繞組上加上直流電壓,勵磁繞組上有勵磁電流通過,使定子鐵心產生固定磁場,即定子的主要作用是產生主磁場。第17頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五2—電樞繞組:在固定的磁場中旋轉,主要作用是產生感應電動勢或產生機械轉矩,實現能量的轉換。5—換向器:電刷固定不動,換向片與電樞繞組一起旋轉,主要作用對發電機而言是將電樞繞組內感應的交流電勢轉換成電刷間的直流電勢。對電動機而言,則是將外加的直流電流轉換為電樞繞組的交變電流,并保證每一磁極下,電樞導體的電流的方向不變,以產生恒定的電磁轉矩。3—電刷4—換向片第18頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五發電機原理:將機械能轉換為電能。電樞由原動機驅動而在磁場中旋轉,在電樞線圈的兩根有效邊(切割磁力線的導體部分)中便感應出電動勢e。顯然,每一有效邊中的電動勢是交變的,即在N極下是一個方向,當它轉到S極下時是另一個方向。但是,由于電刷A總是同與N極下的有效邊相聯的換向片接觸,而電刷B總是同與S極下的有效邊相聯的換向片接觸,因此,在電刷間就出現一個極性不變的電動勢或電壓,當電刷之間接有負載時,在電動勢的作用下就在電路中產生一定方向的電流。第19頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五直流發電機和直流電動機的電磁轉矩的作用是不同的發電機的電磁轉矩是阻轉矩,它與電樞轉動的方向或原動機的驅動轉矩的方向相反。因此,在等速轉動時,原動機的轉矩T1必須與發電機的電磁轉矩T及空載損耗轉矩T0相平衡。電動機的電磁轉矩是驅動轉矩,它使電樞轉動。因此,電動機的電磁轉矩TM必須與機械負載轉矩TL及空載損耗轉矩T0相平衡。第20頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五三、電動勢和電磁轉矩1.電動勢E
根據電磁學原理,兩電刷間的感應電動勢為:式中:E——感應電動勢(V);
Φ——一對磁極的磁通(Wb);
n——電樞轉速(r/min);
Ke——與電機結構有關的常數。直流發電機中,電動勢的方向總是與電流的方向相同,被稱為電源電動勢。直流電動機中,電動勢的方向總是與電流的方向相反,被稱為反電動勢。第21頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五2.電磁轉矩TM
電樞繞組中的電流和磁通相互作用,產生電磁力和電磁轉矩,其大小可用如下公式表示:式中:T——電磁轉矩(N·m);
Φ——對磁極的磁通(Wb);
Ia——電樞電流(A);
Kt——與電機結構有關的常數,Kt=9.55Ke第22頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五3.2直流他勵電動機的機械特性
一、機械特性的一般形式
電動機的機械特性指的是轉速與電磁轉矩之間的關系。不同勵磁方式的電動機,其運行特性也不盡相同,下面主要介紹在調速系統中應用的較廣泛的他勵電動機的機械特性。如圖所示為直流他勵電動機的原理電路圖。MEIaRaUfIfRfTnUI第23頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五式中:——外加電樞電壓(V);——感應電勢(V);——電樞電流(A);——電樞回路內阻(Ω)電樞回路部分勵磁回路部分MEIaRaUfIfRfTnUI第24頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五∵∴即:
……轉速特性……機械特性由他勵電動機的特性可知:勵磁電流If的大小與電樞電流Ia的大小無關,它的大小只取決于Rf、Uf的大小,當Rf、Uf的大小一定時,If為定值,即磁通為定值。△nnn00nNTN△TT第25頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五1.理想空載轉速:
T=0時的轉速稱為理想空載轉速,用n0表示。根據機械特性可知:2.機械特性硬度為了衡量機械特性的平直程度,引進一個機械特性硬度的概念,其定義為:理想空載點△nnn00nNTN△TT第26頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五即轉矩變化與所引起的轉速變化的比值,稱為機械特性的硬度。根據值的不同,可將電動機機械特性分為三類。(1)絕對硬特性(2)硬特性>10(3)軟特性<10
△nnn00nNTN△TT第27頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五二、固有機械特性直流他勵電動機的固有機械特性指的是在額定條件(額定電壓UN和額定磁通N
)下和電樞電路內不外接任何電阻時的
n=f(T)即:是一條直線。直流他勵電動機固有機械特性曲線可根據電動機的銘牌數據求出(0,n0)和(TN,nN)即可繪出固有的機械特性。通常直流電動機銘牌上給出額定功率PN
、額定電壓UN
、額定電流IN和額定轉速nN。第28頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五直流電動機的固有機械特性的計算分析:(1)已知PN、UN、IN、nN,機械特性是一條直線(2)只需知道直線上兩點(0,n0)、(TN,nN)(3)因此只需求出n0和TN(4)因n0=UN/(KeΦN),所以需求出KeΦN(5)TN=9.55PN/nN具體計算步驟如下:第29頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五(1)估算電樞電阻Ra
依據:電動機在額定負載下的銅耗Ia2Ra約占總損耗
PN的50%~75%。式中:是額定運行條件下電動機的效率,且此時故得第30頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五(2)求額定運行條件下的反電勢為:故(3)求理想空載轉速:得(4)求額定轉矩:得根據兩點,就可作出他勵直流電動機近似是機械特性曲線第31頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五三、人為機械特性人為機械特性是指人為地改變電動機電樞外加電壓U和勵磁磁通Φ的大小以及電樞回路串接附加電阻Rad所得到的機械特性。1.電樞回路中串接附加電阻時的人為特性電壓平衡方程式為:得到的人為機械特性方程式為:MEIaRaUIfUfФRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1<Rad2第32頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五
特性變軟空載速度不變;隨著電阻的增加,轉速降落增加;MEIaRaUIfUfФRad0Tn0nRad=0Rad1Rad2Rad1<Rad1第33頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五2.改變電樞電壓U時的人為特性由于電動機電樞繞組絕緣耐壓強度的限制,電樞電壓只允許在其額定值以下調節,所以,不同值的人為特性曲線均在固有特性曲線之下。空載速度隨著U的減小而減小;轉速降落不變;
特性硬度不變0Tn0nUNUN>
U1>
U2>
U3n01U1n02U2n03U3第34頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五3.改變磁通時的人為特性轉速降隨磁通的改變而變化。理想空載轉速隨磁通的改變而變化;
特性變軟n0Tn0ФN>Ф1>Ф2>Ф3n01n02n03Tst3ФNФ1Ф2Ф3Tst2Tst1Tst第35頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五由于勵磁線圈發熱和電動機磁飽和的限制,電動機的勵磁電流和它對應的磁通只能在低于其額定值的范圍內調節;當磁通過分削弱后:(2)當=0時,從理論上說,空載時電動機速度趨近,通常稱為“飛車”;當電動機軸上的負載轉矩大于電磁轉矩時,電動機不能啟動,電樞電流為Ist,長時間的大電流會燒壞電樞繞組。因此,直流他勵電動機啟動前必須先加勵磁電流,在運轉過程中,決不允許勵磁電路斷開或勵磁電流為零,為此,直流他勵電動機在使用中,一般都設有“失磁”保護。(1)如果負載轉矩不變,將使電動機電流大大增加而嚴重過載;第36頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五3.3直流他勵電動機的啟動特性
一、啟動特性電動機的啟動就是施電于電動機,使電動機轉子轉動起來,達到要求轉速的這一過程。對直流電動機而言,在未啟動之前n=0,E=0,而Ra一般很小。當將電動機直接接入電網并施加額定電壓時,啟動電流為:這個電流很大,一般情況下能達到其額定電流的(10~20)倍。過大的啟動電流危害很大:
(1)對電動機本身的影響:
?使電動機在換向過程中產生危險的火花,燒壞整流子;
?過大的電樞電流產生過大的電動應力,可能引起繞組的損壞;第37頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五(2)對機械系統的影響:與啟動電流成正比例的啟動轉矩使運動系統的動態轉矩很大,過大的動態轉矩會在機械系統和傳動機構中產生過大的動態轉矩沖擊,使機械傳動部件損壞;(3)對供電電網的影響:
過大的啟動電流將使保護裝置動作,切斷電源造成事故,或者引起電網電壓的下降,影響其他負載的正常運行。因此,直流電動機是不允許直接啟動的,即在啟動時必須設法限制電樞電流,例如普通的Z2型直流電動機,規定電樞的瞬時電流不得大于額定電流的1.5~2倍。第38頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五二、啟動方法
限制直流電動機的啟動電流,一般有降壓啟動和電樞回路串電阻啟動兩種方式。1.降壓啟動:所謂降壓啟動即在啟動瞬間,降低供電電源電壓,隨著轉速的升高,反電勢增大,再逐步提高供電電壓,最后達到額定電壓時,電動機達到所要求的轉速。2.電樞回路串電阻啟動啟動時,電樞回路串接啟動電阻Rst,此時啟動電流Ist=UN/(Ra+Rst)將受外加啟動電阻的限制。隨著轉速的升高,反電勢增大,再逐步切除外加電阻直到全部切除,電動機達到所要求的轉速。第39頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五電樞回路串電阻啟動時電動機電樞電路和啟動特性如圖所示:直線1為電動機電樞回路串接啟動電阻時的機械特性,直線2為電動機的固有機械特性。啟動電阻的大小就是保證啟動電流為額定值的兩倍。第40頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五電樞回路接入電網時,KM斷開,電動機工作在特性1上,在動態轉矩的作用下,電動機速度上升。當速度上升到a點時,KM閉合,電動機的機械特性變為2。由于在切換電阻的瞬間,機械慣性的作用使電動機的轉速不能突變,在此瞬間速度維持不變,即電動機的工作點從a點切換到b點,在動態轉矩的作用下,電動機的速度繼續上升直到穩定點c。第41頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五從圖中不難看出:當電動機的工作點從a點切換到b點時,沖擊電流仍很大,為了解決這種現象,通常采用逐級切除啟動電阻的方法來實現。圖所示為具有三段啟動電阻的原理電路和啟動特性。圖中:-尖峰(最大)轉矩;-換接(最小)轉矩第42頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五(1)電樞接入電網時,KM1、KM2和KM3均斷開,電樞回路串接外加電阻Rad3=R1+R2+R3,此時,電動機工作在特性曲線a,在轉矩T1的作用下,轉速沿曲線a上升;第43頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五(2)當速度上升使工作點到達2時,KM1閉合,即切除電阻R3,此時電樞回路串外加電阻Rad2=R1+R2,電動機的機械特性變為曲線b。由于機械慣性的作用,電動機的轉速不能突變,工作點由2切換到3,速度又沿著曲線b繼續上升;第44頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五(3)當速度上升使工作點到達4時,KM1、KM2同時閉合,即切除電阻R2、R3,此時電樞回路串外加電阻Rad1=R1,電動機的機械特性變為曲線c。由于機械慣性的作用,電動機的轉速不能突變,工作點由4切換到5,速度又沿著曲線c繼續上升;第45頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五(4)當速度上升使工作點到達6時,KM1、KM2、KM3同時閉合,即切除電阻R1、
R2、
R3,此時電樞回路無外加電阻,電動機的機械特性變為固有特性曲線d,由于機械慣性的作用,電動機的轉速不能突變,工作點由6切換到7,速度又沿著曲線d繼續上升直到穩定工作點8。第46頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五由上可見,啟動級數愈多,T1、T2愈與平均轉矩接近,啟動過程快而平穩,但所需的控制設備也就愈多。我國生產的標準控制柜都是按快速啟動原則設計的,一般啟動電阻為(3~4)段。多級啟動時,T1、T2的數值需按照電動機的具體啟動條件決定,一般原則是保持每一級的最大轉矩T1(或最大電流I1)不超過電動機的允許值,而每次切換電阻時的T2(或最小電流I2)也基本相同,一般選擇:第47頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五3.4直流他勵電動機的調速特性
一、速度調節和速度變化
調速(又稱速度調節)與速度變化是兩個完全不同的概念電動機的調速是在一定的負載條件下,人為地改變電動機的電路參數,以改變電動機的穩定轉速,如圖所示。轉速的改變是人為改變(或調節)電樞回路的電阻大小所造成的,故稱調速或速度調節。第48頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五速度變化是指由于電動機的負載轉矩發生變化(增大與減小)或其它不可預見因數引起電動機轉速的變化(下降或上升),如圖所示。總之,速度變化是在某條機械特性上,由于負載改變而引起的;而速度調節則是在某一特定的負載下,靠人為改變機械特性而得到的。第49頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五二、調速方法下面僅就他勵直流電動機的調速方法作一般性的介紹。從直流他勵電動機機械特性方程式可知:改變串入電樞回路的電阻Rad;改變電樞供電電壓U或主磁通,都可以得到不同的人為機械特性,從而在負載不變時可以改變電動機的轉速,以達到速度調節的要求,故直流電動機調速的方法有以下三種。
第50頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五1、改變電樞電路外串電阻直流電動機電樞回路串接電阻后,可以得到如圖所示的一簇機械特性。從特性可看出,在一定的負載轉矩TL下,串入不同的電阻可以得到不同的轉速。如在電阻分別為Ra、R1、R2、R3、的情況下,可以分別得到穩定工作點A、C、D和E,對應的轉速為nA、nB、nC、nD。第51頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五改變電樞回路串接電阻的大小調速存在如下問題:?機械特性較軟,電阻愈大則特性愈軟,穩定度愈低;?在空載或輕載時,調速范圍不大;?實現無級調速困難;?在調速電阻上消耗大量電能等。正因為缺點不少,目前已很少采用,僅在有些起重機、卷揚機等低速運轉時間不長的傳動系統中采用。第52頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五2.改變電動機電樞供電電壓U如圖所示特性為改變電樞供電電壓U調速的特性:從特性可看出,在一定的負載轉矩TL下,電樞外加不同電壓可以得到不同的轉速。如在電壓分別為UN、U1、U2、U3的情況下,可以分別得到穩定工作點a、b、c和d,對應的轉速為na、nb、nc、nd。即改變電樞電壓可以達到調速的目的。第53頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五改變電樞外加電壓調速有如下特點:1)當電源電壓連續變化時,轉速可以平滑無級調節,一般只能在額定轉速以下調節;2)調速特性與固有特性互相平行,機械特性硬度不變,調速的穩定度較高,調速范圍較大;3)調速時,因電樞電流與電壓U無關,且=
N,轉矩T=Kt
N
Ia不變,屬于有恒轉矩調速。調速過程中,電動機輸出轉矩不變的調速特性稱為恒轉矩調速。具有恒轉矩調速特性的調速方法適合于對恒轉矩型負載進行調速;4)可以靠調節電樞電壓來啟動電機,而不用其他啟動設備。第54頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五3.改變電動機主磁通
如圖所示曲線為改變電動機主磁通調速的特性:從特性可看出,在一定的負載功率PL下,不同的主磁通
N、
1、
2、,可以得到不同的轉速na、nb、nc。即改變主磁通可以達到調速的目的。第55頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五改變電動機主磁通特點:1)可以平滑無級調速,但只能弱磁調速,即在額定轉速以上調節;2)調速特性較軟,且受電動機換向條件等的限制。普通他勵電動機的最高轉速不得超過額定轉速的1.2倍,所以,調速范圍不大,若使用特殊制造的“調速電動機”,調速范圍可以增加,但這種調速電動機的體積和所消耗的材料都比普通電動機大得多;3)調速時維持電樞電壓U和電樞電流Ia不變時,電動機的輸出功率P=UIa電動機的輸出功率不變。在調速過程中,輸出功率不變的這種特性稱為恒功率調速,這種調速適合于對恒功率型負載進行調速。第56頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五3.5直流他勵電動機的制動特性
1.制動與啟動啟動:施電于電動機使電動機速度從靜止加速到某一穩定轉速的一種運動狀態;制動:從某一穩定轉速開始減速到停止或是限制位能負載下降速度的一種運轉狀態。2.制動與自然停車1)自然停車:電動機脫離電網,靠很小的摩擦阻轉矩消耗機械能使轉速慢慢下降,直到轉速為零而停車。這種停車過程需時較長,不能滿足生產機械快速停車的要求;2)制動:外加阻力轉矩使電動機迅速停車。為了提高生產效率,保證產品質量,需要加快停車過程,實現準確停車等,要求電動機運行在制動狀態,常簡稱為電動機的制動。第57頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五3.電動機的兩種工作狀態1)電動狀態:為拖動轉矩為阻轉矩電動機的作用是將電能轉換機械能。故稱這種狀態為電動狀態。
2)制動狀態:為阻轉矩為拖動轉矩電動機的作用是吸收或消耗重物的機械能。故稱電動機的這種工作狀態為制動狀態。MGUfTVnUMGUfTVnU第58頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五一、反饋制動
特點:1)在外部條件的作用下,實際轉速大于理想空載轉速;2)電動機輸出轉矩的作用方向與n的方向相反。1.電車走下坡路時的反饋制動設電車與地面的摩擦轉矩為Tr,阻轉矩;下坡時電車所產生的位能轉矩為Tp,拖動轉矩;且Tp>Tr,前進時速度n為正。電車由直流電動機拖動,機械特性如圖所示:第59頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五勻速走平路時(a點):輸出轉矩TM用來克服負載轉矩Tr。在a—n0段:TM與n的方向相同,故為電動狀態。在n0—b段:TM與n的方向相反,且電機轉速大于理想空載轉速,故電動機工作在反饋制動狀態。第60頁,共70頁,2023年,2月20日,星期五2.電樞電壓突然下降時的反饋制動設當電動機的電樞外加電壓為U1和U2,且U1>U2時的機械特性如圖所示:若電動機工作在A點時將電樞電壓突然降低為U2,電動機的機械特性變為曲線2,由于機械慣性,工作點由A轉換到B點。此時-T
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