第二十三章__直流發(fā)電機

1、直流電機篇直流電機篇第 五 篇第二十三章第二十三章 直流發(fā)電機直流發(fā)電機本章節(jié)基本要求：本章節(jié)基本要求：掌握并勵直流發(fā)電機的自勵過程以及自勵的條件；掌握并勵直流發(fā)電機的自勵過程以及自勵的條件；理解直流發(fā)電機的電動勢、功率和轉(zhuǎn)矩這三個基本方程式，并理解直流發(fā)電機的電動勢、功率和轉(zhuǎn)矩這三個基本方程式，并能用相應(yīng)的方程式解決相關(guān)的直流發(fā)電機的問題；能用相應(yīng)的方程式解決相關(guān)的直流發(fā)電機的問題；掌握他勵直流發(fā)電機的空載特性、外特性和調(diào)節(jié)特性；知道并掌握他勵直流發(fā)電機的空載特性、外特性和調(diào)節(jié)特性；知道并勵直流發(fā)電機的特性；了解復(fù)勵直流發(fā)電機的外特性。勵直流發(fā)電機的特性；了解復(fù)勵直流發(fā)電機的外特性。本章節(jié)重

2、點和難點：本章節(jié)重點和難點：重點重點: :并勵直流發(fā)電機的自勵過程及條件；直流發(fā)電機的基本方并勵直流發(fā)電機的自勵過程及條件；直流發(fā)電機的基本方程式；直流發(fā)電機的運行特性。程式；直流發(fā)電機的運行特性。難點難點: :并勵發(fā)電機的自勵過程；轉(zhuǎn)矩方程式的導(dǎo)出；空載特性和并勵發(fā)電機的自勵過程；轉(zhuǎn)矩方程式的導(dǎo)出；空載特性和外特性。外特性。 直流發(fā)電機是把直流發(fā)電機是把機械能機械能轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)化為直流電能直流電能的機器。它主要作為的機器。它主要作為直流電動機直流電動機、電解電解、電鍍電鍍、電冶煉電冶煉、充電充電及交流發(fā)電機的及交流發(fā)電機的勵磁勵磁等等所需的所需的直流電源直流電源。雖然在需要直流電的地方，也用電力

3、整流元件，。雖然在需要直流電的地方，也用電力整流元件，把交流電變成直流電，但從使用方便、運行的可靠性及某些工作把交流電變成直流電，但從使用方便、運行的可靠性及某些工作性能方面來看，性能方面來看，交流電整流交流電整流還不能和還不能和直流發(fā)電機直流發(fā)電機相比。相比。 直流電機是電機的主要類型之一。一臺直流電機即可作為直流電機是電機的主要類型之一。一臺直流電機即可作為發(fā)發(fā)電機電機使用，也可作為使用，也可作為電動機電動機使用，用作直流發(fā)電機可以得到使用，用作直流發(fā)電機可以得到直流直流電源電源，而作為直流電動機，由于其具有，而作為直流電動機，由于其具有良好的調(diào)速性能良好的調(diào)速性能，在許多，在許多調(diào)速性能

4、要求較高的場合，仍得到廣泛使用。調(diào)速性能要求較高的場合，仍得到廣泛使用。 供給發(fā)電機勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為供給發(fā)電機勵磁繞組電流的方式稱為勵磁方式。分為他勵他勵和和自勵自勵兩大類，自勵方式又分兩大類，自勵方式又分并勵并勵、串勵串勵和和復(fù)勵復(fù)勵三種方式。三種方式。aEaIUI+ +- -fIfU+ +- -aEaIUI+ +- -fIaEaIU+ +- -fIaEaIU2fI+ +- -1fIfaIII特點特點: :勵磁磁場與勵磁磁場與電樞電流無關(guān)，電樞電流無關(guān)，永永磁直流電機也屬于磁直流電機也屬于他勵直流電機。他勵直流電機。faIII特點特點: :勵磁電壓等于勵磁電壓等于電樞繞組

5、端電壓，勵電樞繞組端電壓，勵磁電流隨電樞兩端的磁電流隨電樞兩端的電壓的變化而變化。電壓的變化而變化。faIII特點特點: :勵磁電勵磁電流等于電樞電流等于電樞電流。流。2f2f1faIIIII;特點特點: :兼有并勵兼有并勵和串勵。和串勵。 他勵他勵直流發(fā)電機運行特性好，但勵磁回路需一直流電源供直流發(fā)電機運行特性好，但勵磁回路需一直流電源供電，若實際應(yīng)用中沒有條件，可采用電，若實際應(yīng)用中沒有條件，可采用并勵并勵，這樣就不需設(shè)制專門，這樣就不需設(shè)制專門的直流勵磁電源了。的直流勵磁電源了。并勵發(fā)電機并勵發(fā)電機是應(yīng)用較為是應(yīng)用較為廣泛廣泛的直流發(fā)電機，的直流發(fā)電機，因為它的因為它的勵磁電流勵磁電流取

6、自發(fā)電機本身而取自發(fā)電機本身而不需要不需要其他直流電源供給其他直流電源供給勵勵磁磁。第一節(jié)第一節(jié) 并勵直流發(fā)電機的自勵條件并勵直流發(fā)電機的自勵條件如圖所示為一并勵發(fā)電機的接線圖。如圖所示為一并勵發(fā)電機的接線圖。S-S-隔離開關(guān)；隔離開關(guān)；R RL L-負載；負載；r rj j-磁場調(diào)節(jié)電阻磁場調(diào)節(jié)電阻 并勵發(fā)電機是一種電機并勵發(fā)電機是一種電機直接反饋系統(tǒng)。就性質(zhì)而言，直接反饋系統(tǒng)。就性質(zhì)而言，并勵發(fā)電機的并勵發(fā)電機的自勵是一種正自勵是一種正反饋作用反饋作用，即輸出量回授到，即輸出量回授到輸入端，以加強系統(tǒng)的輸入輸入端，以加強系統(tǒng)的輸入量，使發(fā)電機的電壓逐步建量，使發(fā)電機的電壓逐步建立起來。立起

7、來。 問題：問題：在發(fā)電機投入運行時，勵磁繞組中并無電流，電樞繞在發(fā)電機投入運行時，勵磁繞組中并無電流，電樞繞組又如何能使發(fā)電機的電壓逐步建立起來呢組又如何能使發(fā)電機的電壓逐步建立起來呢? ? 并勵發(fā)電機剛投入運行時，電壓并勵發(fā)電機剛投入運行時，電壓尚未建立尚未建立，勵磁電流，勵磁電流I If f=0=0，此時要使旋轉(zhuǎn)的電樞繞組能產(chǎn)生電動勢并開始發(fā)電，則發(fā)電機的此時要使旋轉(zhuǎn)的電樞繞組能產(chǎn)生電動勢并開始發(fā)電，則發(fā)電機的鐵芯必須要有鐵芯必須要有剩磁剩磁，才能產(chǎn)生最初的電動勢，從而獲得最初的，才能產(chǎn)生最初的電動勢，從而獲得最初的勵勵磁電流磁電流。一般的說，電機的主磁極通?？傆?。一般的說，電機的主磁極

8、通?？傆惺４攀４糯嬖?。存在。 當發(fā)電機在原動機帶動下以恒定的當發(fā)電機在原動機帶動下以恒定的額定轉(zhuǎn)速額定轉(zhuǎn)速n nN N運轉(zhuǎn)時，在有運轉(zhuǎn)時，在有剩磁剩磁條件下，電樞繞組切割條件下，電樞繞組切割剩磁剩磁，則電樞繞組中產(chǎn)生，則電樞繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電勢感應(yīng)電勢ErEr（約為（約為2 25%UN5%UN），從而在發(fā)電機電樞兩端建立），從而在發(fā)電機電樞兩端建立剩磁電壓剩磁電壓UrUr，在剩，在剩磁電壓磁電壓UrUr作用下，產(chǎn)生一個不大的作用下，產(chǎn)生一個不大的勵磁電流勵磁電流I If f（I If f=Ur/R=Ur/Rf f），此電），此電流所產(chǎn)生的勵磁磁勢，如果其方向與剩磁方向相同而形成正反饋流所產(chǎn)生的勵

9、磁磁勢，如果其方向與剩磁方向相同而形成正反饋作用，則氣隙磁場得以作用，則氣隙磁場得以加強加強，使電樞的感應(yīng)電勢，使電樞的感應(yīng)電勢升高升高，端電壓的，端電壓的升高，又使升高，又使勵磁電流增大勵磁電流增大，回授進一步增大，氣隙，回授進一步增大，氣隙磁場更加強磁場更加強，如此反復(fù)，最終使如此反復(fù)，最終使電樞端電壓建立電樞端電壓建立。 直流發(fā)電機勵磁回路的場阻線是直流發(fā)電機勵磁回路的場阻線是: :勵磁回路的電阻壓降和勵勵磁回路的電阻壓降和勵磁電流成正比的關(guān)系曲線，即磁電流成正比的關(guān)系曲線，即U=IU=If fR Rf f。如圖所示的。如圖所示的曲線曲線2 2。 直流發(fā)電機的空載特性是直流發(fā)電機的空載特

10、性是: :空載時端電壓空載時端電壓U U和勵磁電流和勵磁電流I If f的關(guān)的關(guān)系曲線，即系曲線，即U=f(IU=f(If f) )。如圖所示的。如圖所示的曲線曲線1 1。fI0U12F 圖中交點圖中交點F F就是自勵時發(fā)電機的就是自勵時發(fā)電機的穩(wěn)定運行工作點穩(wěn)定運行工作點( (額定點額定點) )。NfINU 利用圖象進一步分析并勵發(fā)電利用圖象進一步分析并勵發(fā)電機的建壓過程，如圖所示。機的建壓過程，如圖所示。rUfrIabUabI 在自勵過程中，發(fā)電機的電壓在自勵過程中，發(fā)電機的電壓是否會無限制地增長下去呢？是否會無限制地增長下去呢？問題問題: :并勵直流發(fā)電機的自勵建壓過程并勵直流發(fā)電機的自

11、勵建壓過程說明說明 當勵磁磁勢建立的氣隙磁場，感應(yīng)產(chǎn)生的當勵磁磁勢建立的氣隙磁場，感應(yīng)產(chǎn)生的端電壓端電壓恰好等于該恰好等于該勵磁電流通過勵磁回路所需的勵磁電流通過勵磁回路所需的電阻壓降電阻壓降，勵磁回路便沒有了使勵，勵磁回路便沒有了使勵磁電流再增加的磁電流再增加的電壓差電壓差，自勵將達到，自勵將達到穩(wěn)定值穩(wěn)定值。 一般的說，電機的主磁極通常總有一般的說，電機的主磁極通?？傆惺４攀４糯嬖?，原動機拖動存在，原動機拖動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割剩磁場剩磁場，產(chǎn)生一個不大的，產(chǎn)生一個不大的剩磁感應(yīng)電剩磁感應(yīng)電勢勢。 這一電勢加到這一電勢加到勵磁繞組勵磁繞組將產(chǎn)生一個不大的將產(chǎn)生一個不

12、大的勵磁電流勵磁電流。該勵。該勵磁電流產(chǎn)生的磁電流產(chǎn)生的磁勢磁勢如果和如果和剩磁剩磁同方向，將相互加強，會建立起同方向，將相互加強，會建立起穩(wěn)定電壓。穩(wěn)定電壓。 該勵磁電流產(chǎn)生的該勵磁電流產(chǎn)生的磁勢磁勢如果和如果和剩磁剩磁反方向，將相互減弱，反方向，將相互減弱，無法建立穩(wěn)定電壓。無法建立穩(wěn)定電壓。 可見可見勵磁繞組的接線方式勵磁繞組的接線方式對建立電壓很重要。對建立電壓很重要。 fI0U U12FNfINU 若空載特性曲線與勵磁電阻線有確定的交點，就有確定的穩(wěn)若空載特性曲線與勵磁電阻線有確定的交點，就有確定的穩(wěn)定空載電壓。定空載電壓。 若增大勵磁電阻若增大勵磁電阻R Rf f，勵磁電阻線的，勵

13、磁電阻線的斜率斜率增大，交點增大，交點F F左移，自勵建立的空載端電壓左移，自勵建立的空載端電壓降低降低，如圖所示，如圖所示曲線曲線3 3。3F F 若繼續(xù)增大勵磁電阻若繼續(xù)增大勵磁電阻R Rf f，勵磁電阻線的，勵磁電阻線的斜率繼續(xù)增大，當斜率繼續(xù)增大，當兩線交點很低或無交點，兩線交點很低或無交點，空載端電壓就建立不起來，空載端電壓就建立不起來，如圖所示曲線如圖所示曲線4 4。4 若勵磁電阻若勵磁電阻R Rf f增大到某一個數(shù)值時，勵磁電阻線恰與空載特增大到某一個數(shù)值時，勵磁電阻線恰與空載特性的直線部分相切時，性的直線部分相切時，兩線無固定的交點。此時，自勵建立的空兩線無固定的交點。此時，自

14、勵建立的空載端電壓就不能穩(wěn)定在某一數(shù)值上，載端電壓就不能穩(wěn)定在某一數(shù)值上，如圖所示曲線如圖所示曲線5 5。5 5 與空載特性曲線相切的電阻線稱為臨界場阻線與空載特性曲線相切的電阻線稱為臨界場阻線。對應(yīng)的勵磁對應(yīng)的勵磁電阻值稱為臨界電阻。電阻值稱為臨界電阻。 必須明確，必須明確，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不同時，空載特性也不同。因此，發(fā)電機的轉(zhuǎn)速不同時，空載特性也不同。因此，對應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)速便有不同的臨界電阻，轉(zhuǎn)速降低，與之相對應(yīng)對應(yīng)于不同的轉(zhuǎn)速便有不同的臨界電阻，轉(zhuǎn)速降低，與之相對應(yīng)的臨界電阻也隨之減小。的臨界電阻也隨之減小。 如果勵磁繞組本身的電阻即已超過所對應(yīng)的臨界電阻值，電如果勵磁繞組本身的電阻即已超

15、過所對應(yīng)的臨界電阻值，電機是機是不可能自勵不可能自勵的，這時的，這時唯一的辦法唯一的辦法是提高電機的是提高電機的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)速，從而，從而提提高高其臨界其臨界電阻值電阻值。 實際應(yīng)用中，并勵直流發(fā)電機自勵而電壓未能建立時，實際應(yīng)用中，并勵直流發(fā)電機自勵而電壓未能建立時，應(yīng)先應(yīng)先減小減小勵磁回路的勵磁回路的外串電阻外串電阻，看電壓是否能建立，不行再，看電壓是否能建立，不行再改變改變勵磁勵磁繞組與電樞繞組連接的繞組與電樞繞組連接的極性極性，若電壓還不能建立，則應(yīng)考慮，若電壓還不能建立，則應(yīng)考慮可能可能沒有剩磁沒有剩磁，充磁充磁后，再進行后，再進行自勵發(fā)電自勵發(fā)電。并勵發(fā)電機自勵建壓條件：并勵發(fā)電機自勵建

16、壓條件： 1.1.電機中要有剩磁電機中要有剩磁；2.2.勵磁繞組與電樞繞組并接正確；勵磁繞組與電樞繞組并接正確；3.3.勵磁回勵磁回路電阻應(yīng)小于電機運行轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的建壓臨界電阻。路電阻應(yīng)小于電機運行轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的建壓臨界電阻。 問題：問題：并勵直流發(fā)電機能自勵的基本條件是什么？若某臺并并勵直流發(fā)電機能自勵的基本條件是什么？若某臺并勵發(fā)電機正轉(zhuǎn)能自勵，其他條件不變，以同樣的速度反轉(zhuǎn)能否自勵發(fā)電機正轉(zhuǎn)能自勵，其他條件不變，以同樣的速度反轉(zhuǎn)能否自勵？此時應(yīng)如何處理？勵？此時應(yīng)如何處理？1.1.并勵發(fā)電機自勵建立穩(wěn)定電壓的條件：并勵發(fā)電機自勵建立穩(wěn)定電壓的條件：(1)(1)電機應(yīng)有剩磁。電機應(yīng)有剩磁。若

17、無剩磁，可用外加直流電源向勵磁繞組通若無剩磁，可用外加直流電源向勵磁繞組通電，即電，即“充磁充磁”，使電機剩磁得到恢復(fù)。，使電機剩磁得到恢復(fù)。(2)(2)勵磁繞組與電樞的聯(lián)接要與電樞轉(zhuǎn)向正確配合，使勵磁電流勵磁繞組與電樞的聯(lián)接要與電樞轉(zhuǎn)向正確配合，使勵磁電流產(chǎn)生的磁場與剩磁方向一致。產(chǎn)生的磁場與剩磁方向一致。若發(fā)現(xiàn)接法不對，只要將勵磁繞組若發(fā)現(xiàn)接法不對，只要將勵磁繞組并聯(lián)到電樞的兩端點對調(diào)一下即可。并聯(lián)到電樞的兩端點對調(diào)一下即可。(3)(3)勵磁回路的總電阻應(yīng)小于與發(fā)電機轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。勵磁回路的總電阻應(yīng)小于與發(fā)電機轉(zhuǎn)速相對應(yīng)的臨界電阻。電機轉(zhuǎn)速越高，其臨界電阻值越大。一般發(fā)電機都在額定

18、轉(zhuǎn)速下電機轉(zhuǎn)速越高，其臨界電阻值越大。一般發(fā)電機都在額定轉(zhuǎn)速下運行，故調(diào)節(jié)勵磁回路總電阻小于此時的臨界電阻即可。運行，故調(diào)節(jié)勵磁回路總電阻小于此時的臨界電阻即可。2.2.并勵發(fā)電機正轉(zhuǎn)能自勵，其他條件不變，以同樣的速度反轉(zhuǎn)不并勵發(fā)電機正轉(zhuǎn)能自勵，其他條件不變，以同樣的速度反轉(zhuǎn)不能自勵能自勵3.3.只要將勵磁繞組并聯(lián)到電樞的兩端點對調(diào)一下即可。只要將勵磁繞組并聯(lián)到電樞的兩端點對調(diào)一下即可。第二節(jié)第二節(jié) 直流發(fā)電機的基本方程直流發(fā)電機的基本方程 直流發(fā)電機穩(wěn)定運行時，電動勢、功率和轉(zhuǎn)矩等方面分別存直流發(fā)電機穩(wěn)定運行時，電動勢、功率和轉(zhuǎn)矩等方面分別存在一定的平衡關(guān)系，這些平衡方程式是表征發(fā)電機運行狀

19、態(tài)的基在一定的平衡關(guān)系，這些平衡方程式是表征發(fā)電機運行狀態(tài)的基本方程式，綜合反映了電機內(nèi)部基本的電磁關(guān)系。發(fā)電機的基本本方程式，綜合反映了電機內(nèi)部基本的電磁關(guān)系。發(fā)電機的基本方程式與其勵磁方式有關(guān)。方程式與其勵磁方式有關(guān)。 發(fā)電機在原動機驅(qū)動下旋發(fā)電機在原動機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)，電樞繞組切割磁感線感應(yīng)轉(zhuǎn)，電樞繞組切割磁感線感應(yīng)電動勢，電動勢方向可用右手電動勢，電動勢方向可用右手定則判斷。發(fā)電機帶上負載后，定則判斷。發(fā)電機帶上負載后，電動勢決定了電樞電流的方向，電動勢決定了電樞電流的方向，即電樞電流與電動勢方向相同，即電樞電流與電動勢方向相同，如圖所示。如圖所示。并勵發(fā)電機并勵發(fā)電機的示意圖的示意圖并勵

20、發(fā)電機并勵發(fā)電機的接線圖的接線圖 按示意圖中規(guī)定的各物理量方向，由基爾霍按示意圖中規(guī)定的各物理量方向，由基爾霍夫電壓定律可得電樞回路的電動勢方程式為夫電壓定律可得電樞回路的電動勢方程式為: :aaaRIUE 式中式中: :RaRa為電樞回路的總電阻，它包括電樞繞組、換向為電樞回路的總電阻，它包括電樞繞組、換向繞組、補償繞組的電阻以及電刷和換向器間的接觸電阻等。繞組、補償繞組的電阻以及電刷和換向器間的接觸電阻等。 由接線圖可知，對于并勵發(fā)電機，由基爾由接線圖可知，對于并勵發(fā)電機，由基爾霍夫電流定律可得霍夫電流定律可得: :faIIIffRUI式中式中: :I I為輸出的負載電流，為輸出的負載電流

21、，I If f為勵磁電流。為勵磁電流。 上式表明上式表明: :直流發(fā)電機的直流發(fā)電機的EaUEaU，這是判斷直流這是判斷直流電機運行在發(fā)電機狀態(tài)的依據(jù)。電機運行在發(fā)電機狀態(tài)的依據(jù)。且且EaEa決定了決定了IaIa的方的方向，即向，即EaEa與與IaIa同方向。同方向。1 1P PM MP P2 2P PP PF Fe eP PP PCuaCuaP PCufCufP P 并勵發(fā)電機的功率流程圖，并勵發(fā)電機的功率流程圖，如圖所示。如圖所示。 由流程圖可得由流程圖可得功率平衡方功率平衡方程式程式為為: :)(1pppPPFeM01pPPM)p(pPPCufCuaM2pPP12ppppFe0并勵發(fā)電機

22、的總損耗。CufCuaFepppppp電磁功率電磁功率P PM M可用對應(yīng)的可用對應(yīng)的電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩M M表示表示為為: :aaaaMIEnIaNpnIaNpMP606022aaaaMIEnIaNpnIaNpMP606022 由上式可知，由上式可知，電磁功率電磁功率P PM M一方面表現(xiàn)為一方面表現(xiàn)為電功率電功率E Ea aI Ia a，另一方，另一方面表現(xiàn)為面表現(xiàn)為機械功率機械功率MM。同時兩者之間又存在相互轉(zhuǎn)化。因此，。同時兩者之間又存在相互轉(zhuǎn)化。因此，電磁功率電磁功率P PM M表明了直流電機通過表明了直流電機通過電磁感應(yīng)電磁感應(yīng)實現(xiàn)了實現(xiàn)了機電能量機電能量的轉(zhuǎn)化。的轉(zhuǎn)化。01pPPM

23、01pPPM代代入入上上式式和和將將0011MpMPMPM，01MMM 式中式中:M:M1 1-原動機輸入的轉(zhuǎn)矩；原動機輸入的轉(zhuǎn)矩； M-M-發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩；發(fā)電機的電磁轉(zhuǎn)矩； M M0 0-發(fā)電機的空載轉(zhuǎn)矩。發(fā)電機的空載轉(zhuǎn)矩。 01MMM發(fā)電機轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系圖發(fā)電機轉(zhuǎn)矩平衡關(guān)系圖 由上式可知，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速由上式可知，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速 n n 為常數(shù)時，原動機輸入的為常數(shù)時，原動機輸入的驅(qū)動驅(qū)動轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩M M1 1的一部分用來克服的一部分用來克服空載轉(zhuǎn)空載轉(zhuǎn)矩矩M M0 0，剩下的轉(zhuǎn)換為發(fā)電機的，剩下的轉(zhuǎn)換為發(fā)電機的電電磁轉(zhuǎn)矩磁轉(zhuǎn)矩M M , ,如圖所示。如圖所示。 從而說明了，原動機輸入的從而說

24、明了，原動機輸入的驅(qū)動轉(zhuǎn)矩驅(qū)動轉(zhuǎn)矩 M M1 1被被空載轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩 M M0 0和和電電磁轉(zhuǎn)矩磁轉(zhuǎn)矩M M 這兩個制動轉(zhuǎn)矩所平衡。其中這兩個制動轉(zhuǎn)矩所平衡。其中空載轉(zhuǎn)矩空載轉(zhuǎn)矩在在空載空載時就存在，時就存在，而而電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩只有有了只有有了電樞電流電樞電流才存在。才存在。%10012PP例題例題: :一臺并勵直流發(fā)電機數(shù)據(jù)為：一臺并勵直流發(fā)電機數(shù)據(jù)為：P PN N=82kW=82kW，U UN N=230V=230V，n nN N=970r/min=970r/min，電樞繞組總電阻，電樞繞組總電阻Ra=0.0259Ra=0.0259，并勵繞組，并勵繞組內(nèi)阻內(nèi)阻R Rf f=22.8=22

25、.8，額定負載時，并勵回路串入的調(diào)節(jié)電阻，額定負載時，并勵回路串入的調(diào)節(jié)電阻R Rff=3.5=3.5，p pFeFe+p+p=2.5kW=2.5kW，附加損耗，附加損耗p p=0.005PN=0.005PN，試求，試求額定負載時，發(fā)電機的輸入功率、電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩額定負載時，發(fā)電機的輸入功率、電磁功率、電磁轉(zhuǎn)矩和效率。和效率。（1 1）求電磁功率）求電磁功率勵磁電流為：勵磁電流為：)(75. 85 . 38 .22230ARRUIffNf額定負載電流為：額定負載電流為：)(52.35623010823AUPINNN電樞電流為：電樞電流為：電樞電勢為：電樞電勢為：電磁功率為：電磁功率為：)(

26、27.36575. 852.356AIIIfNa)(5 .239029. 027.365230VRIUEaaNa)(5 .8727.3655 .239kWIEPaaM（2 2）求輸入功率）求輸入功率)(4 .9082005. 05 . 25 .871kWpppPPFeM（3 3）求電磁轉(zhuǎn)矩）求電磁轉(zhuǎn)矩)(5 .861970105 .8755. 955. 93mNnPMNM（4 4）求效率）求效率%7 .90%1004 .9082%10012PP 直流發(fā)電機有直流發(fā)電機有四個基本物理量四個基本物理量：U U、I I、I If f、n n。（。（n n由原動機由原動機拖動，保持不變）拖動，保持不變

27、） 運行特性運行特性：在：在U U、I I、I If f 之間，保證其中一個量不變，另外之間，保證其中一個量不變，另外兩個物理量之間的函數(shù)關(guān)系。兩個物理量之間的函數(shù)關(guān)系。主要特性：主要特性：（1 1）n n常數(shù)，常數(shù)， I I常數(shù)，常數(shù)， U Uf f（I If f）；負載特性；負載特性（2 2）n n常數(shù)，常數(shù)， I If f常數(shù)，常數(shù)，U Uf f（I I）；外特性；外特性（3 3）n n常數(shù)，常數(shù)， U U常數(shù)，常數(shù)，I If ff f（I I）；調(diào)節(jié)特性；調(diào)節(jié)特性第三節(jié)第三節(jié) 直流發(fā)電機的運行特性直流發(fā)電機的運行特性 運行特性與直流發(fā)電機的勵磁方式有關(guān)運行特性與直流發(fā)電機的勵磁方式有關(guān)

28、，在分析過程，可以，在分析過程，可以假定原動機的轉(zhuǎn)速不變，即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速假定原動機的轉(zhuǎn)速不變，即發(fā)電機的轉(zhuǎn)速n=nn=nN N= =常數(shù)常數(shù)，且，且電刷處于電刷處于幾何中性線幾何中性線上。下面我們分別討論上。下面我們分別討論他勵他勵、并勵并勵和和復(fù)勵復(fù)勵發(fā)電機的運發(fā)電機的運行特性。行特性。負載特性負載特性U Uf(If(If f) )在負載電流在負載電流I I0 0時，時， 即為即為空載特性空載特性?？蛰d時空載時aEU nCEea n n等于常數(shù)等于常數(shù)aE)()(0ffIfIfu空載特性實質(zhì)即為磁化曲線空載特性實質(zhì)即為磁化曲線確定磁路和運行點的飽和程度確定磁路和運行點的飽和程度 空載特性可以

29、由實驗空載特性可以由實驗測得，實驗接線圖如所示。測得，實驗接線圖如所示。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R RffI If f單調(diào)單調(diào)增長增長U=1.1-1.3 UU=1.1-1.3 UN NI If f單調(diào)減小至單調(diào)減小至0 0I If f反向單調(diào)增長反向單調(diào)增長U=U=（1.1-1.31.1-1.3）U UN NI If f單調(diào)減小至單調(diào)減小至0 0 實驗時一定要單方向改變勵磁回路電阻測取數(shù)據(jù)，在測取實驗時一定要單方向改變勵磁回路電阻測取數(shù)據(jù)，在測取的數(shù)據(jù)中應(yīng)包含額定點，電壓可測取到的數(shù)據(jù)中應(yīng)包含額定點，電壓可測取到U U0 0= =（1.1-1.31.1-1.3）U UN N為止，為止，線性部分測取的數(shù)據(jù)可稀疏

30、一些，非線性部分測取的數(shù)據(jù)可密集線性部分測取的數(shù)據(jù)可稀疏一些，非線性部分測取的數(shù)據(jù)可密集一些，這樣得到的曲線較準確。實驗可測取上、下兩個分支曲線，一些，這樣得到的曲線較準確。實驗可測取上、下兩個分支曲線，一般取平均值作為空載特性曲線。另外，一般取平均值作為空載特性曲線。另外，特性曲線與轉(zhuǎn)速有關(guān)，特性曲線與轉(zhuǎn)速有關(guān)，實驗時一定要保持額定轉(zhuǎn)速。實驗時一定要保持額定轉(zhuǎn)速。 空載特性實驗空載特性實驗注意事宜注意事宜: : 空載特性曲線空載特性曲線空載特性曲線上升分支空載特性曲線上升分支空載特性曲線下降分支空載特性曲線下降分支平均空載特性曲線平均空載特性曲線UfI 直流發(fā)電機的空載特性是非線直流發(fā)電機的

31、空載特性是非線性的的，上升與下降的過程是不相性的的，上升與下降的過程是不相同的。實際中通常取平均特性曲線同的。實際中通常取平均特性曲線作為空載特性曲線。作為空載特性曲線。 空載特性曲線說明空載特性曲線說明: : 空載特性可以由實驗測出空載特空載特性可以由實驗測出空載特性曲線，它是電機最基本的特性曲線，性曲線，它是電機最基本的特性曲線，它反映了它反映了電機磁路的飽和電機磁路的飽和情況，發(fā)電情況，發(fā)電機額定電壓工作點一般在曲線彎曲處，機額定電壓工作點一般在曲線彎曲處，如圖中如圖中A A點。點。 圖中可看出，隨著圖中可看出，隨著I If f的增大的增大, , U U0 0將逐漸增大。但由于電機磁路磁

32、飽將逐漸增大。但由于電機磁路磁飽和的影響，空載特性曲線的形狀與和的影響，空載特性曲線的形狀與電機的磁化曲線形狀相似。電機的磁化曲線形狀相似。 若額定電壓工作在若額定電壓工作在A A點以下點以下，說明，說明磁路不飽和磁路不飽和，鐵芯得不到，鐵芯得不到充分利用，充分利用，不經(jīng)濟不經(jīng)濟；同時；同時很小的磁動勢變化很小的磁動勢變化，就會引起電動勢，就會引起電動勢和端電壓的和端電壓的較大變動較大變動，使，使電壓不穩(wěn)定電壓不穩(wěn)定。若額定電壓工作在。若額定電壓工作在A A點之點之上上，磁路過分飽和磁路過分飽和，要獲得額定電壓就需要，要獲得額定電壓就需要較多的勵磁磁動勢，較多的勵磁磁動勢，這樣這樣銅耗和用銅量

33、銅耗和用銅量都會都會增加增加，也，也不經(jīng)濟不經(jīng)濟。Nnn fNfII )(IfU 定義：當定義：當 、 時時， 外特性可以由實驗測出，實驗接線圖外特性可以由實驗測出，實驗接線圖如所示。如所示。調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)R RL LI I從零增至額定值從零增至額定值n n不變不變I If f不變不變I IU U外特性曲線外特性曲線0 01 1 他勵他勵12 2 并勵并勵2N NU UNI問題問題: :外特性曲線外特性曲線是一條稍是一條稍略微下斜略微下斜的曲線原因的曲線原因? ?aaeaaaRInCRIEU 負載增大，電樞電流增大，負載增大，電樞電流增大，使電樞回路使電樞回路電阻壓降電阻壓降增大，則增大，則端電壓下

34、降端電壓下降；電樞電流增大，使電樞反應(yīng)電樞電流增大，使電樞反應(yīng)的的去磁作用增強去磁作用增強，電動勢電動勢( (端電端電壓壓) )進一步下降。進一步下降。 由于電樞反應(yīng)的去磁作用和內(nèi)部的由于電樞反應(yīng)的去磁作用和內(nèi)部的電壓降，所以，隨著負載電流電壓降，所以，隨著負載電流I I的增加，的增加，外特性曲線外特性曲線將會將會下降下降。曲線上。曲線上C C點點為為額定額定運行點運行點，如圖所示。，如圖所示。 I IU U0 01 1 他勵他勵12 2 并勵并勵2N NU UNIC CU U 發(fā)電機端電壓隨負載變化而變化的發(fā)電機端電壓隨負載變化而變化的程度，可用程度，可用電壓變化率電壓變化率UU來衡量。如來

35、衡量。如圖所示圖所示: : 發(fā)電機的端電壓隨負載的變化程度可用電壓變化率（或稱電發(fā)電機的端電壓隨負載的變化程度可用電壓變化率（或稱電壓調(diào)整率）表示。電壓變化率是指發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速壓調(diào)整率）表示。電壓變化率是指發(fā)電機在額定轉(zhuǎn)速n=nn=nN N下從額下從額定負載定負載（U=UU=UN N，I If f=I=IfNfN）過渡到空載（過渡到空載（U=UU=U0 0，I=0I=0）時，電壓升高）時，電壓升高的數(shù)值與額定電壓的百分比，即：的數(shù)值與額定電壓的百分比，即：%100%0NNUUUU 通常他勵直流發(fā)電機的電壓變化率通常他勵直流發(fā)電機的電壓變化率U%U%約為約為（5-105-10）% %，說明變化

36、不大，可認說明變化不大，可認為是為是恒壓電源恒壓電源。由于其勵磁電流的調(diào)節(jié)不。由于其勵磁電流的調(diào)節(jié)不受電樞電壓限制，因此調(diào)節(jié)范圍大，但需受電樞電壓限制，因此調(diào)節(jié)范圍大，但需要獨立直流電源，要獨立直流電源，設(shè)備復(fù)雜設(shè)備復(fù)雜。適用于要求。適用于要求電壓可調(diào)范圍大電壓可調(diào)范圍大，負載電流變化時電壓又，負載電流變化時電壓又比較穩(wěn)定的比較穩(wěn)定的中型中型和和大型大型機組。機組。 外特性曲線是一條重外特性曲線是一條重要的曲線，它是選用發(fā)電要的曲線，它是選用發(fā)電機的依據(jù)之一。機的依據(jù)之一。1Cn2CU )(IfIf定義：當定義：當 、 時時， 外特性曲線如圖所示外特性曲線如圖所示 他勵發(fā)電機的調(diào)節(jié)他勵發(fā)電機的

37、調(diào)節(jié)特性曲線特性曲線實驗實驗接線接線圖如圖如所示所示問題問題: :調(diào)節(jié)特性曲線是隨著負載電流增大而調(diào)節(jié)特性曲線是隨著負載電流增大而向上翹向上翹的曲線的曲線? ? 當負載電流增大時，必須增加勵磁電流去當負載電流增大時，必須增加勵磁電流去補償補償電樞反應(yīng)的電樞反應(yīng)的去磁作用去磁作用和和內(nèi)部的電壓降內(nèi)部的電壓降，才能保持端電壓不變。，才能保持端電壓不變。 并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空并勵發(fā)電機的空載特性與一般電機的空載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵磁電壓載特性一樣，也是磁化曲線。由于勵磁電壓不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一不能反向，所以它的空載特性曲線只在第一象限，如圖所示。象限，如圖所

38、示。 并勵發(fā)電機的空載運行時，并勵發(fā)電機的空載運行時，Ia=IIa=If f，由于，由于勵磁電流勵磁電流I If f很小，很小，則電樞電流則電樞電流IaIa也很小，故電樞回路也很小，故電樞回路電阻壓降電阻壓降IaRaIaRa也很小，可以認也很小，可以認為為Ea=UEa=U0 0。因此，并勵發(fā)電機的空載特性可用他勵發(fā)電機接線圖實。因此，并勵發(fā)電機的空載特性可用他勵發(fā)電機接線圖實驗測定。驗測定。 并勵發(fā)電機的外特性與他勵發(fā)電機并勵發(fā)電機的外特性與他勵發(fā)電機相似，也是一條下降曲線，如圖所示。相似，也是一條下降曲線，如圖所示。 對并勵發(fā)電機，除了像他勵發(fā)電機對并勵發(fā)電機，除了像他勵發(fā)電機存在的存在的電

39、樞反應(yīng)去磁作用電樞反應(yīng)去磁作用和和電樞回路上電樞回路上的電阻壓降使端電壓下降外的電阻壓降使端電壓下降外，還有第三，還有第三個原因：由于上述兩個原因使個原因：由于上述兩個原因使 并勵直流發(fā)電機的電壓變化率并勵直流發(fā)電機的電壓變化率U%U%約為（約為（20-4020-40）% %。并勵直。并勵直流發(fā)電機的調(diào)整特性中的勵磁電流的增加值需比他勵直流發(fā)電機流發(fā)電機的調(diào)整特性中的勵磁電流的增加值需比他勵直流發(fā)電機更大些，因而并勵直流發(fā)電機的調(diào)整特性曲線更高。更大些，因而并勵直流發(fā)電機的調(diào)整特性曲線更高。 并勵直流發(fā)電機通常只用于供電線路較短的場合，如同步電并勵直流發(fā)電機通常只用于供電線路較短的場合，如同步

40、電機的勵磁機和蓄電池充電電源等。機的勵磁機和蓄電池充電電源等。 復(fù)勵發(fā)電機的外特性界于并勵發(fā)電機與串勵發(fā)電機外特性之間。復(fù)勵發(fā)電機的外特性界于并勵發(fā)電機與串勵發(fā)電機外特性之間。復(fù)勵的程度決定于串聯(lián)勵磁與并聯(lián)勵磁的相對強度，并聯(lián)勵磁復(fù)勵的程度決定于串聯(lián)勵磁與并聯(lián)勵磁的相對強度，并聯(lián)勵磁通常要比串聯(lián)勵磁強的多。通常要比串聯(lián)勵磁強的多。 有平復(fù)勵（恰好補償）、超復(fù)勵（過補償）、欠復(fù)勵之分。有平復(fù)勵（恰好補償）、超復(fù)勵（過補償）、欠復(fù)勵之分。三、復(fù)勵發(fā)電機的外特性三、復(fù)勵發(fā)電機的外特性 復(fù)勵直流發(fā)電機中同復(fù)勵直流發(fā)電機中同時有時有并勵繞組并勵繞組和和串勵繞組串勵繞組。若若并勵繞組并勵繞組磁通勢與磁通勢

41、與串勵串勵繞組繞組磁通勢方向磁通勢方向相反相反時，時，稱稱差復(fù)勵差復(fù)勵，這種直流發(fā)電，這種直流發(fā)電機的外特性如圖中曲線機的外特性如圖中曲線5 5所示所示, ,是一條頗陡的曲線，是一條頗陡的曲線，不難看到，即使負載短路，不難看到，即使負載短路，端電壓等于零，電流也不端電壓等于零，電流也不會太大，故適用于要求恒會太大，故適用于要求恒電流的場合，如電焊機等。電流的場合，如電焊機等。 若并勵繞組磁通勢與串勵繞組磁通勢方向若并勵繞組磁通勢與串勵繞組磁通勢方向相同時，稱相同時，稱積復(fù)勵積復(fù)勵。這時隨著負載電流的。這時隨著負載電流的增大，串勵磁通勢將促使電壓上升，有抵增大，串勵磁通勢將促使電壓上升，有抵消電樞電阻壓降和電樞去磁的作用。