第8章 直流發(fā)電機(jī)

1、8-1 概概 述述8-2 直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理8-3 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)直流電機(jī)的電樞反應(yīng)8-4 直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性第八章 直流發(fā)電機(jī) 基本要求：基本要求：1.掌握直流發(fā)電機(jī)的基本方程式，并會(huì)利用這些方程式進(jìn)掌握直流發(fā)電機(jī)的基本方程式，并會(huì)利用這些方程式進(jìn)行計(jì)算。行計(jì)算。2. 掌握電樞反應(yīng)的概念，了解電樞反應(yīng)的性質(zhì)。掌握電樞反應(yīng)的概念，了解電樞反應(yīng)的性質(zhì)。3.了解各種勵(lì)磁方式的直流發(fā)電機(jī)外特性曲線的形狀，以了解各種勵(lì)磁方式的直流發(fā)電機(jī)外特性曲線的形狀，以及影響電壓變動(dòng)的因素。及影響電壓變動(dòng)的因素。4.掌握并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)建壓的條件。掌握并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)

2、自勵(lì)建壓的條件。 第八章 直流發(fā)電機(jī)8-1 概 述勵(lì)磁磁場(chǎng)：勵(lì)磁磁場(chǎng)：勵(lì)磁繞組通以直流電流建立的磁場(chǎng)，也稱(chēng)為主勵(lì)磁繞組通以直流電流建立的磁場(chǎng)，也稱(chēng)為主磁場(chǎng)。磁場(chǎng)。勵(lì)磁方式：勵(lì)磁方式：勵(lì)磁繞組的供電方式。勵(lì)磁繞組的供電方式。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式不同時(shí)，其運(yùn)行特性有很大差別。直流電機(jī)的勵(lì)磁方式不同時(shí)，其運(yùn)行特性有很大差別。直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)1.他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)aII2.自勵(lì)直流發(fā)電機(jī)1）并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)）并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)afIIIfI +fUFIGaI +U+ IG

3、aI +U+ fIF2）串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)）串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)afIII3）復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)）復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)短復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)短復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)1fI1F+ UaI+ I2fI2FG+aI+ IfIFG U長(zhǎng)復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)長(zhǎng)復(fù)勵(lì)直流發(fā)電機(jī)1fI1F+ UaI+ I2fI2FG8-2 直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行原理 基本方程式：基本方程式：（1）電壓方程式；（）電壓方程式；（2）轉(zhuǎn)矩平衡方程式；）轉(zhuǎn)矩平衡方程式；（3）功率平衡方程式。）功率平衡方程式。各物理量的正方向按發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定。各物理量的正方向按發(fā)電機(jī)慣例規(guī)定。aIU+ fIaEI +jr并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)原理并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)原理n1TT0T他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)原理他勵(lì)直流

4、發(fā)電機(jī)原理aIU+ fIaEI +jrn1TT0T+ fU1.電壓方程式1）他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)）他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)aIIaaUI R電樞回路的電壓方程式：電樞回路的電壓方程式：aaabEUI RU 式中，式中，Ra 為串聯(lián)于為串聯(lián)于電樞回路中的各種繞組的總電阻；電樞回路中的各種繞組的總電阻； Ub為為一對(duì)電刷上的接觸電壓降；一對(duì)電刷上的接觸電壓降； baaaURRIRa為電樞回路的總電阻，為電樞回路的總電阻， 。 aIU+ fIaEI +jrn1TT0T+ fU式中，式中， Rf =rf+rj 勵(lì)磁回路的總電阻；勵(lì)磁回路的總電阻； rf 勵(lì)磁繞組本身的電阻；勵(lì)磁繞組本身的電阻； rj 勵(lì)磁繞組的調(diào)節(jié)電

5、阻。勵(lì)磁繞組的調(diào)節(jié)電阻。 ()fffjffUIrrI RaaaEUI R 直流發(fā)電機(jī)：直流發(fā)電機(jī)：EaU勵(lì)磁回路的電壓方程式：勵(lì)磁回路的電壓方程式：aIU+ fIaEI +jrn1TT0T+ fU2）并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)）并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)afIII fUU3）串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)）串勵(lì)直流發(fā)電機(jī)afIII注意：注意：電樞回路的電壓方程式中應(yīng)電樞回路的電壓方程式中應(yīng)加入串勵(lì)繞組的電阻壓降。加入串勵(lì)繞組的電阻壓降。aIU+ fIaEI +jrn1TT0TaE+aI+ IfIFG U2. 轉(zhuǎn)矩平衡方程式10TTT電磁轉(zhuǎn)矩：電磁轉(zhuǎn)矩：taTCI穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式：穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)矩平衡方程式：作用在直流發(fā)電機(jī)

6、轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩：作用在直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩：原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩原動(dòng)機(jī)輸入給發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1；電磁轉(zhuǎn)矩電磁轉(zhuǎn)矩T；機(jī)械摩擦及鐵耗引起的空載轉(zhuǎn)矩機(jī)械摩擦及鐵耗引起的空載轉(zhuǎn)矩T0。制動(dòng)轉(zhuǎn)矩制動(dòng)轉(zhuǎn)矩aIU+ fIaEI +jrn1TT0T+ fU3.電磁功率和功率平衡方程式1）電磁功率）電磁功率 電磁功率：電磁功率：機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的轉(zhuǎn)換功率。機(jī)電能量轉(zhuǎn)換過(guò)程中的轉(zhuǎn)換功率。60aepzEnCna 2atapZTICIaT2260apZnIa60aaapZE In Ia 電磁功率電磁功率MaaPE IT 物理意義：物理意義：直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)克服制動(dòng)性質(zhì)的電磁直流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)克服制

7、動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)矩T所消耗的機(jī)械功率所消耗的機(jī)械功率T 轉(zhuǎn)換為等量的電樞回路中的轉(zhuǎn)換為等量的電樞回路中的電功率電功率EaIa。2）功率平衡方程式01TTT01TTT即即10MPPp式中式中, 直流發(fā)電機(jī)的輸入功率；直流發(fā)電機(jī)的輸入功率； 直流發(fā)電機(jī)的空載損耗，直流發(fā)電機(jī)的空載損耗， ； 直流電機(jī)的附加損耗，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有補(bǔ)償直流電機(jī)的附加損耗，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定有補(bǔ)償繞組的按繞組的按 的的0.5%，無(wú)補(bǔ)償繞組的按，無(wú)補(bǔ)償繞組的按 的的1%估估 算。算。 11TP0paFempppp0apNPNP并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)aIU+ fIaEI +jrn1TT0TaaMIEPaaaRIUEfaIII

8、2fMaaUIUII RP 2fcuPpp式中式中, 直流發(fā)電機(jī)的輸出功率；直流發(fā)電機(jī)的輸出功率； 直流電機(jī)的勵(lì)磁損耗；直流電機(jī)的勵(lì)磁損耗； 電樞回路的銅耗。電樞回路的銅耗。UIP 2ffUIpaaCuRIp2并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)aIU+ fIaEI +jrn1TT0T2MfcuPPpp10MPPp12cufmFeaPPppppp2Pp式中式中, 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的總損耗。并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的總損耗。cufmFeap ppppp 0mFeapppp2CuaapI R并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖11PTMaaPTE I 2PUI并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)aIU+ fI

9、aEI +jrn1TT0T2fffpI R()aMaaaaE IUI R IP 2aaUII R他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)10MPPp2cuPp12cumFeaPPpppp2Pp式中式中, 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的總損耗。他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的總損耗。cumFeap pppp 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的功率流程圖0mFeapppp2CuaapI R11PTMaaPTE I 2PUIaIU+ fIaEI +jrn1TT0T+ fU8-3 直流電機(jī)的電樞反應(yīng)電樞磁場(chǎng)：電樞磁場(chǎng)：電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)。電樞反應(yīng)：電樞反應(yīng)：電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的影響。電樞磁動(dòng)勢(shì)對(duì)勵(lì)磁磁場(chǎng)的影響。1

10、.電樞磁動(dòng)勢(shì)的空間分布 1）電刷在幾何中性線上）電刷在幾何中性線上在電樞表面被電刷短路的元件邊在電樞在電樞表面被電刷短路的元件邊在電樞的幾何中性線上的幾何中性線上。規(guī)定磁動(dòng)勢(shì)的正方向：規(guī)定磁動(dòng)勢(shì)的正方向：磁力線從電樞指磁力線從電樞指向磁極為正，反之為負(fù)。向磁極為正，反之為負(fù)。取原點(diǎn)取原點(diǎn)o在主極軸線與電樞表面的交點(diǎn)處，則當(dāng)磁路不飽和在主極軸線與電樞表面的交點(diǎn)處，則當(dāng)磁路不飽和時(shí)，在時(shí)，在距原點(diǎn)距原點(diǎn)x處每個(gè)氣隙的電樞磁動(dòng)勢(shì)為處每個(gè)氣隙的電樞磁動(dòng)勢(shì)為12( )()2 2aaxfxZip2aZixp Ax A式中，式中，A電樞的線負(fù)荷電樞的線負(fù)荷(A/m)， 。2aZiApNS 0 x-x( )a

11、fx22xxf0bNS 0 x-x( )afxxf0b電刷位于幾何中性線上時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)為電刷位于幾何中性線上時(shí)的電樞磁動(dòng)勢(shì)為交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。在幾何中性線處，電樞磁動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大值，即在幾何中性線處，電樞磁動(dòng)勢(shì)達(dá)到最大值，即 1 2aqaFFAA0( )( )aab xHx電樞磁密電樞磁密0( )( )afxx0( )Axx( )ab xaqF2ANS xf02）電刷不在幾何中性線上）電刷不在幾何中性線上adFaqF電刷偏離幾何中性線時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)可分解成交軸電樞磁電刷偏離幾何中性線時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)可分解成交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)和直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。動(dòng)勢(shì)和直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。直軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的最大值直

12、軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的最大值2 adabFFAb A2() 2aqabFFAbA交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的最大值交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)的最大值aqFadF2bbaF2.直流電機(jī)的電樞反應(yīng)使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。使氣隙磁場(chǎng)發(fā)生畸變。使物理中性線偏移幾何中性線一個(gè)角度。使物理中性線偏移幾何中性線一個(gè)角度。考慮磁路飽和的影響，具有去磁作用?？紤]磁路飽和的影響，具有去磁作用。1）交軸電樞反應(yīng)）交軸電樞反應(yīng)交軸去磁電交軸去磁電樞反應(yīng)樞反應(yīng)NS GnMn 0( )b x( )ab x( )b x物理中性線物理中性線2）直軸電樞反應(yīng)）直軸電樞反應(yīng)adF電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)

13、直流電動(dòng)機(jī)直軸去磁直軸去磁直軸直軸去磁去磁直軸直軸助磁助磁直軸直軸助磁助磁adFaqFaqF電樞反應(yīng)的性質(zhì)電樞反應(yīng)的性質(zhì)電刷在幾何中性線上電刷在幾何中性線上電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷順轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移電刷逆轉(zhuǎn)向偏移直流發(fā)電機(jī)直流發(fā)電機(jī)直流電動(dòng)機(jī)直流電動(dòng)機(jī)交軸交軸交軸交軸交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁交軸和直軸去磁交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁交軸和直軸助磁adFadFaqFaqFaqF8-4 直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速一般保持為額定值，這時(shí)端電壓發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)轉(zhuǎn)速一般保持為額定值，這時(shí)端電壓U、負(fù)、負(fù)載電流載電流I、勵(lì)磁電流、勵(lì)磁電流If 3個(gè)物理量其中個(gè)物理量其

14、中1個(gè)保持不變，另外個(gè)保持不變，另外2個(gè)個(gè)量之間的關(guān)系就構(gòu)成發(fā)電機(jī)的一種運(yùn)行特性。量之間的關(guān)系就構(gòu)成發(fā)電機(jī)的一種運(yùn)行特性。 直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性：直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性：空載特性：當(dāng)空載特性：當(dāng)n=常數(shù)且常數(shù)且I=0時(shí)，時(shí)，U0=f(If)。外特性：當(dāng)外特性：當(dāng)n=常數(shù)且常數(shù)且If =常數(shù)（或勵(lì)磁回路總電阻常數(shù)（或勵(lì)磁回路總電阻Rf=常數(shù)）常數(shù)）時(shí)，時(shí)，U=f(I)。調(diào)節(jié)特性：當(dāng)調(diào)節(jié)特性：當(dāng)n=常數(shù)且常數(shù)且U=常數(shù)時(shí)，常數(shù)時(shí)，If =f(I) 。1.他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)1）空載特性）空載特性 定義：定義：當(dāng)當(dāng)n=常數(shù)且常數(shù)且I=0時(shí)，時(shí)，U0=f(If)。 空載特性可通過(guò)空載實(shí)驗(yàn)或空載特性可通過(guò)空載實(shí)

15、驗(yàn)或磁路計(jì)算求得磁路計(jì)算求得。NeanCEU000 空載特性曲線的形狀與磁化空載特性曲線的形狀與磁化特性曲線相同。特性曲線相同。O0UfIO0FIf平均空載特性平均空載特性曲線曲線rE2）外特性）外特性 定義：定義：當(dāng)當(dāng)n=nN且且If =IfN（對(duì)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，指勵(lì)磁回路（對(duì)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，指勵(lì)磁回路總電阻總電阻Rf =常數(shù)）時(shí)，常數(shù)）時(shí)，U=f( I )。aaaeaaUEI RCnI R 他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)外特性下垂的原因：他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)外特性下垂的原因：電樞反應(yīng)的去磁作用。電樞反應(yīng)的去磁作用。電樞回路電阻壓降的存在。電樞回路電阻壓降的存在。0UCNUNIUIOaI電樞反應(yīng)的電樞反應(yīng)的去磁作

16、用增強(qiáng)去磁作用增強(qiáng)aEaIaaRIUU 電壓調(diào)整率：電壓調(diào)整率：發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載發(fā)電機(jī)從額定負(fù)載(U=UN，I=IN)過(guò)渡到空載過(guò)渡到空載(U=U0，I=0)時(shí)，端電壓升高的數(shù)值對(duì)額定時(shí)，端電壓升高的數(shù)值對(duì)額定電壓的百分比，即電壓的百分比，即0100%NNUUUU他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)，他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)， U (5 10)%。 定義：定義：當(dāng)當(dāng)n=nN且且U=UN時(shí)，時(shí)，If =f(I) 。3）調(diào)節(jié)特性）調(diào)節(jié)特性fNINIfIIO0fI0UCNUNIUIO4）效率特性）效率特性2121PpPPp 0cumFeacuppppppp 2CuaapI R2aI可變損耗可變損耗0mFeapppp不變損耗不變損耗

17、 定義：定義：當(dāng)當(dāng)n=常數(shù)且常數(shù)且U=常數(shù)時(shí)，常數(shù)時(shí)， =f(P2) 。2NPPO1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.6 0.8 1.02aPUI當(dāng)當(dāng)不變損耗不變損耗= =可變損耗可變損耗時(shí)發(fā)生最大效率。時(shí)發(fā)生最大效率。2210aaaaUIPPUII Rp0addI20aaI Rp2NPPO1.00.80.60.40.20.2 0.4 0.6 0.8 1.00EA0()fUf IrEO0UfI1()ffUf I22.并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)建立電壓的過(guò)程稱(chēng)為并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)建立電壓的過(guò)程稱(chēng)為自勵(lì)自勵(lì)過(guò)程過(guò)程，滿足建壓的條件稱(chēng)為，滿足建壓的條件稱(chēng)為自勵(lì)條件自勵(lì)條件。1）并勵(lì)直流發(fā)

18、電機(jī)的自勵(lì)）并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì) 勵(lì)磁回路的電阻特性曲線勵(lì)磁回路的電阻特性曲線 空載特性曲線空載特性曲線0()fUf I0000aafaUEI REI RE()ffffUI Rf I1fI2fI1EIGaI +U+ fIF0E0()fUf IrEO0UfI1()ffUf I2A 并勵(lì)直流并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定工發(fā)電機(jī)的穩(wěn)定工作點(diǎn)：作點(diǎn)：空載特性曲線和勵(lì)磁空載特性曲線和勵(lì)磁回路電阻線的交點(diǎn)?；芈冯娮杈€的交點(diǎn)。0ffffdiUi RLdt0ffffdiLUi Rdt在發(fā)電機(jī)自勵(lì)過(guò)程中，在發(fā)電機(jī)自勵(lì)過(guò)程中，勵(lì)磁回路的電壓方程式為勵(lì)磁回路的電壓方程式為 臨界電阻臨界電阻Rcr：轉(zhuǎn)速一定時(shí)，轉(zhuǎn)速一定時(shí)，與

19、磁化曲線的直線部分重合與磁化曲線的直線部分重合的勵(lì)磁回路電阻線對(duì)應(yīng)的電的勵(lì)磁回路電阻線對(duì)應(yīng)的電阻。阻。4臨界電阻線臨界電阻線53fiffi RffdiLdtCB 并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件電機(jī)有剩磁；電機(jī)有剩磁；勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞兩端的極性正確；勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞兩端的極性正確；勵(lì)磁回路的總電阻勵(lì)磁回路的總電阻小于電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。小于電機(jī)運(yùn)行轉(zhuǎn)速下的臨界電阻。實(shí)際應(yīng)用中，并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)而電壓未能建立時(shí)，應(yīng)先實(shí)際應(yīng)用中，并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)自勵(lì)而電壓未能建立時(shí)，應(yīng)先減小勵(lì)磁回路的外串電阻，看電壓是否能建立，不行再改變減小勵(lì)磁回路的外串電阻，看電壓是否能建立，不行再改變勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接的極性，若電壓還不能建立，則應(yīng)勵(lì)磁繞組與電樞繞組連接的極性，若電壓還不能建立，則應(yīng)考慮可能沒(méi)有剩磁，充磁后，再進(jìn)行自勵(lì)發(fā)電?？紤]可能