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1、第六节 直流发电机的运行原理,一、直流发电机的基本方程式二、直流发电机的运行特性,一、直流发电机的基本方程式,1、电势平衡方程式2、转矩平衡方程式3、功率平衡方程式,他励直流发电机的结构示意图及电路图,1、电势平衡方程式,根据直流发电机的工作原理，我们已知直流发电机的电枢电势Ea是电枢电流形成的原因，因此电枢电流与电枢电势同方向。根据他励直流发电机的电路图和基尔霍夫电压定律可得电枢回路的电势平衡方程式：对于直流发电机，,2、转矩平衡方程式,在发电机运行时，作用在转子上的力矩有外力矩T1、电磁转矩T和空载阻力转矩T0，方向如图所示。在电机稳定运行时，作用在转子上的力矩平衡，因此：,3、功率平衡方
2、程式,（1）电机的损耗 铜耗Pcu 铜耗是绕组有电流流过时的电阻损耗，包括电刷与换向器间接触电阻的损耗。铜耗的大小与电流的平方成正比，随负载变化而变化，又称可变损耗。铁耗 在直流电机中，虽然主极建立的是直流磁场，但由于电枢在旋转，因此对电枢铁心而言，磁场是交变的，从而产生磁滞损耗与涡流损耗，总称铁耗用 表示。铁耗的大小除了与铁心材料和厚度有关外，还决定于磁密B和磁通的交变频率f（或电机的转速），一般认为铁耗与B的平方成正比，与f的1.21.6次方成正比。,机械摩擦损耗pM 机械摩擦损耗包括轴承的摩擦损耗、电刷的摩擦损耗以及旋转部分与空气的摩擦损耗。其大小主要与转速有关。、pm在电机空载时就存在
3、，称为空载损耗p0 空载损耗p0与电机的负载无关，也称不变损耗。,附加损耗ps 附加损耗产生的原因很多，如因电枢反应使磁场畸变而引起的铁耗增加；电刷表面电流分布不均匀而引起的铜耗增加等。附加损耗很难精确计算，一般估计为电机输出功率的0.51%，即 严格的说,ps有一部分空载时就存在，另一部分随负载而变化，但为计算方便，常把附加损耗和空载损耗归为一类。,电机的总损耗 为：,（2）功率传递与损耗之间的关系用原动机拖动直流发电机旋转，原动机输送给发电机的机械功率为P1，P1中一小部分能量被由于转动引起的机械摩擦和铁心的磁滞、涡流损耗及附加损耗所消耗，其余部分才是转子获得的机械功率，此功率通过电磁感应
4、转换成转子的电功率（电磁功率）Pem，转子获得的电功率一部分被电枢绕组的电阻消耗，剩下的部分输出给发电机的负载。输入功率、输出功率、损耗之间满足能量守恒定律。,直流发电机的功率流程图,（3）功率平衡方程式 根据功率流程图可以很容易列出直流发电机的功率平衡方程式：,二、直流发电机的运行特性,发电机的运行特性一般指发电机运行时，端电压U、负载电流I、励磁电流If这三个物理量之间的关系。保持其中的一个量不变，其余两个量就构成一种特性，一般用函数关系表示。,1、他励直流发电机,（1）空载特性 是指、时，空载电压U0与励磁电流If的关系曲线，即,空载时，I=Ia=0，此时电枢回路的电阻压降IaRa=0，
5、发电机的端电压U0等于感应电势Ea，即 他励直流发电机试验接线图,由于n为常数，所以U0。同时Ff=If Nf，IfFf，则空载特性曲线 与电机的磁化曲线 形状完全相同。空载特性表明了电机磁路的性质。,空载特性曲线可用试验方法测定：试验时开关Q断开，发电机有原动机拖动旋转，励磁电路接到外电源上，调节励磁电阻Rpf，使励磁电流If从零开始增加，空载电压随之增大，直到U0=（1.11.3）UN为止。然后逐渐减小If直到回到零，测取空载电压U0及励磁电流If，即可得出发电机的空载特性曲线。因为磁路中磁滞现象，所以正、反空载特性是整个磁滞回线的一半。还有另一半或者直接测取（改变励磁电流的方向，重复上述
6、步骤），或者根据对称的关系画出。一般空载特性取整个磁滞回线的平均线，如图中的虚线，即为他励直流发电机的空载特性。,（2）外特性 是指发电机接上负载后，在保持，情况下，发电机端电压U随负载电流I变化而变化的规律，即。由图可见：随着负载电流增加，发电机的端电压逐渐下降。,外特性曲线可由电压方程 进行分析。U下降的原因为：电枢反应的去磁作用,外特性的测取方法：将Q闭合，负载RL接入，在 时，调RL 和使，此时，然后保持、不变，改变 RL 使I逐渐减小，测取U、I，即得。,（3）电压调整率发电机端电压随负载而变化的程度用电压调整率来衡量，发电机从额定负载过渡到空载时，端电压变化的数值与额定电压的比值，
7、称为额定电压调整率。他励发电机的N大约在510%这一范围内。可见，他励发电机的端电压随负载变化较小，基本上可看成是一个恒压的直流电源。,2、并励直流发电机,（1）空载特性 并励发电机空载时，I=0，电枢电流Ia=If，通常If只为额定电流的13%，这样小的电流可以忽略不计，故空载时端电压也等于感应电势。因此，并励直流发电机的空载特性和他励直流发电机相同。,（2）并励发电机的空载自励过程并励直流发电机必须有磁场才能进行电磁感应，而并励发电机的主极磁场又要靠发电机本身的直流电压来提供励磁电流，这对相互制约的矛盾，使并励发电机必须在满足一些条件的情况下才能建立起稳定的电压。,自励过程 曲线1：并励发
8、电机的空载特性 曲线2：励磁回路电阻压降与励磁电流的关系曲线，即 U=If Rf=f（If）当励磁电阻Rf不变时，励磁回路电阻压降与励磁电流成正比，其斜率由励磁回路电阻决定。故曲线2称为磁场电阻线，简称场阻线。,在自励过程中，电压的建立首先依靠剩磁。由于发电机磁路里总有一定的剩磁，当发电机由原动机拖动旋转时，发电机电枢两端将有一个不大的剩磁电压，同时加在励磁绕组两端，励磁绕组中便有一个不大的励磁电流通过，从而产生一个不大的励磁磁场。如励磁绕组接法适当，可使励磁磁场的方向与电机剩磁方向相同，从而使电机的磁通和由它产生的端电压 增加。随着电机的磁通和电枢两端电压的增加，励磁电流又进一步加大，最终稳
9、定在空载特性和场阻线的交点A，A点所对应的电压即为空载稳定电压。若调节励磁回路电阻，可调节空载电压稳定点。加大，则场阻线斜率加大，交点A向原定移动，空载电压降低。当场阻线与空载特性直线部分相切时，没有固定交点，空载电压不稳定，此时励磁电阻 称为临界电阻。如果励磁回路总电阻大于临界电阻，则场阻线与空载特性交点很低，空载电压约等于剩磁电压，则发电机不能自励。必须指出，对应不同的转速，发电机有不同的空载特性，其临界电阻值就不同。,自励条件a电机必须有剩磁。如电机失磁，可用其他直流电源激励一次，以获剩磁。b励磁绕组与电枢绕组的连接必须正确。否则电枢电势不但不会增大反而会下降，如有这种现象，可将励磁绕组两端对调。c励磁回路的电阻应小于临界电阻。,（3）外特性 是指在、条件下，发电机端电压U随负载电流I变化而变化的规律，即。并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线。在同一负载电流下，并励直流发电机的端电压下降较多。并励直流发电机的电压调整率一般在20%左右。,并励直流发电机端电压随负载电流的增大而下降的原因:(1)与他励直流发电机相同的电枢反应的去磁作用和电枢回路的电阻压降。(2)因为励磁电流随端电压下降而减小，从而引起主磁通和电枢电势的进一步下降。所以并励直流发电机的外特性比他励时下降得快。,
