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1、第八章直流发电机第八章直流发电机本讲稿第一页，共二十六页2 2、并励：、并励：发电机的励磁绕组与电发电机的励磁绕组与电枢绕组并联。满足枢绕组并联。满足3 3、串励：、串励：励磁绕组与电枢绕组励磁绕组与电枢绕组串联。满足串联。满足本讲稿第二页，共二十六页4 4、复励：、复励：并励和串励两种励磁方式的结合。并励和串励两种励磁方式的结合。电机有两个励磁绕组，电机有两个励磁绕组，一个一个与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。与电枢绕组串联，一个与电枢绕组并联。本讲稿第三页，共二十六页二、二、直流发电机的运行原理直流发电机的运行原理如图规定各物理量的参考方向如图规定各物理量的参考方向1、电枢电动势和电动势
2、平衡方程、电枢电动势和电动势平衡方程 为电枢回路总电阻，为电枢回路总电阻，为正负电为正负电刷与换向器表面的接触压降刷与换向器表面的接触压降。则电动势平。则电动势平衡方程为：衡方程为：电枢电动势：电枢电动势：从方程式可见，从方程式可见，直流发电机直流发电机本讲稿第四页，共二十六页2、电磁转矩和转矩平衡方程、电磁转矩和转矩平衡方程电磁转矩：电磁转矩：直流发电机的励磁电流直流发电机的励磁电流直流发电机轴上有直流发电机轴上有三个转矩三个转矩：原动机输入给发电机的驱动转矩原动机输入给发电机的驱动转矩 、电磁转矩电磁转矩 和和机械摩擦及铁损引起的空载转矩机械摩擦及铁损引起的空载转矩 。平衡方程。平衡方程为
3、：为：3、励磁特性公式、励磁特性公式每极气隙磁通每极气隙磁通本讲稿第五页，共二十六页4、功率平衡方程、功率平衡方程原动机输入给发电机的机械功率原动机输入给发电机的机械功率 电磁功率电磁功率机械摩擦损耗机械摩擦损耗、铁损耗、铁损耗、附加损耗、附加损耗 。空载损耗空载损耗 包括：包括：电磁功率一方面电磁功率一方面代表电动势为代表电动势为 的电源输出电流的电源输出电流 时发出的电时发出的电功率，功率，一方面一方面又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。又代表转子旋转时克服电磁转矩所消耗的机械功率。电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的铜损耗电枢回路绕组电阻及电刷与换向器表面接触电阻是的
4、铜损耗输出的电功率输出的电功率自励发电机中还应减去励磁损耗自励发电机中还应减去励磁损耗本讲稿第六页，共二十六页功率和效率功率和效率功率平衡式：功率平衡式：效率：效率：本讲稿第七页，共二十六页8-3 直流电机的电枢反应直流电机的电枢反应u直直流流电电机机带带上上负负载载后后，电电枢枢绕绕组组中中有有电电流流，电电枢枢电电流流产产生生的的磁磁动动势势称称为为电电枢枢磁磁动动势势。电电枢枢磁磁动动势势的的出出现使电机的磁场发生变化。现使电机的磁场发生变化。uu主主主主磁磁磁磁极极极极的的的的中中中中心心心心线线线线称称称称为为为为直直直直轴轴轴轴，相相相相邻邻邻邻N N极和极和极和极和S S极的分界
5、线称为极的分界线称为极的分界线称为极的分界线称为交轴交轴交轴交轴uu一一一一般般般般情情情情况况况况下下下下，直直直直流流流流电电电电机机机机电电电电枢枢枢枢磁磁磁磁场场场场方方方方向向向向总总总总是是是是对对对对准准准准交交交交轴轴轴轴，称称称称为为为为交交交交轴轴轴轴电电电电枢反应枢反应枢反应枢反应。本讲稿第八页，共二十六页本讲稿第九页，共二十六页uu交轴电枢反应交轴电枢反应使磁场的零点偏移；使磁场的零点偏移；使磁场的零点偏移；使磁场的零点偏移；不饱和时，每极磁通量不变；不饱和时，每极磁通量不变；不饱和时，每极磁通量不变；不饱和时，每极磁通量不变；饱和时，每极磁通量会减少。饱和时，每极磁通
6、量会减少。饱和时，每极磁通量会减少。饱和时，每极磁通量会减少。本讲稿第十页，共二十六页由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：由图可知，电刷在几何中性线时的电枢反应的特点：2 2、对主磁场起去磁作用、对主磁场起去磁作用1 1、使气隙磁场发生畸变、使气隙磁场发生畸变 空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后空载时电机的物理中性线与几何中性线重合。负载后由于电枢由于电枢反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，反应的影响，每一个磁极下，一半磁场被增强，一半被削弱，物物理中性线偏离几何中性线理中性线偏离几何中性线 角角，磁通密度的曲线与空载时不同。，磁通密度的曲线与空载时不同
7、。磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量磁路不饱和时，主磁场被削弱的数量等于加强的数量，因此每极量的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，的磁通量与空载时相同。电机正常运行于磁化曲线的膝部，主磁极主磁极增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大增磁部分因磁密增加使饱和程度提高，铁心磁阻增大，增加的磁，增加的磁通少些，因此通少些，因此负载时每极磁通略为减少负载时每极磁通略为减少。即。即电刷在几何中性电刷在几何中性线时线时的的电枢反应电枢反应为为交轴去磁性质交轴去磁性质。本讲稿第十一页，共二十六页电刷偏离电刷偏离直轴电枢磁动势直轴电枢磁动势交轴电枢磁动势交轴电枢
8、磁动势本讲稿第十二页，共二十六页当电刷不在几何中性线上时当电刷不在几何中性线上时电刷从几何中性线偏电刷从几何中性线偏移移 角，角，电枢磁动势电枢磁动势轴线也随之移动轴线也随之移动 角。角。这时电枢磁动势可以分解这时电枢磁动势可以分解为两个垂直分量：为两个垂直分量：交轴电交轴电枢磁动势枢磁动势 和和直轴电枢直轴电枢磁动势磁动势 。电刷顺转向偏移电刷逆转向偏移发电机直轴去磁直轴助磁电动机直轴助磁直轴去磁本讲稿第十三页，共二十六页8-4 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性直流发电机的四个基本物理量：直流发电机的四个基本物理量：U、I、If、n。（。（n n由原动机拖动，保持由原动机拖动，保持不
9、变不变）运行特性运行特性：在在U、I、If 之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系数关系。主要特性：主要特性：（1 1）n常数，常数，I常数，常数，Uf（If）；负载特性负载特性（2 2）n常数，常数，If常数，常数，Uf（I）；外特性外特性（3 3）n常数，常数，U常数，常数，Iff（I）；调节特性调节特性本讲稿第十四页，共二十六页一、他励发电机的空载特性一、他励发电机的空载特性负载特性负载特性u=f(If)。在负载电流。在负载电流I0 0时，即为时，即为空载特性空载特性空载时，空载时，n等于常数等于常数空载特性实质即为空载特性
10、实质即为磁化曲线磁化曲线确定磁路和运行点确定磁路和运行点的饱和程度的饱和程度1 1、空载特性、空载特性本讲稿第十五页，共二十六页空载特性空载特性 Uof（If）空载特性可以通过实验的手段得到。空载特性可以通过实验的手段得到。调节调节r rIf单调增长单调增长U=1.11.3 UNIf单调减小至单调减小至0If反向单调增长反向单调增长U=-(1.11.3)UNIf单调减小至单调减小至0UfGAVr本讲稿第十六页，共二十六页2 2、外特性、外特性定义：当定义：当 、时，时，外特性曲线如图所示外特性曲线如图所示由曲线可见，由曲线可见，负载电流增大时，端电压有所负载电流增大时，端电压有所下降。下降。他
11、励他励并励并励 根据根据 可知，可知，端电压下降有两个原因端电压下降有两个原因：一是一是在在励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每励磁电流一定情况下，负载电流增大，电枢反应的去磁作用使每极磁通量减少，使电动势减少；极磁通量减少，使电动势减少；另一个另一个原因是电枢回路上的电阻原因是电枢回路上的电阻压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。压降随负载电流增大而增加，使端电压下降。本讲稿第十七页，共二十六页IU外特性外特性 Uf（I）外特性也可以通过实验的手段得到外特性也可以通过实验的手段得到调节调节R RL LI从零增至额定值从零增至额定值1 他励12 并励2n n不变不变I I
12、f f不变不变GAVrRL本讲稿第十八页，共二十六页电压调整率电压调整率u从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来从空载到负载，电压下降的程度由电压变化率来表示表示U U0 0是空载时的端电压，是空载时的端电压，一般他励直流发电机的一般他励直流发电机的电压变化率约为电压变化率约为5 510%10%。本讲稿第十九页，共二十六页3 3、调节特性、调节特性定义：当定义：当 、时，时，外特性曲线如图所示外特性曲线如图所示由曲线可见，由曲线可见，在负载电流变化时，若保持端电压不变，在负载电流变化时，若保持端电压不变，必须改变励磁电流，补偿必须改变励磁电流，补偿电枢反应及电枢回路电阻电枢反应及电枢回路电
13、阻压降对对输出端电压的影响压降对对输出端电压的影响。I=IN，U=UN 时的时的If，称为，称为额定励磁电流额定励磁电流IfN本讲稿第二十页，共二十六页二、二、并励发电机的自励条件和外特性并励发电机的自励条件和外特性u并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端并励的励磁是由发电机本身的端电压提供的，而端电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电压是在励磁电流作用下建立的，这一点与他励发电机不同。电机不同。u并励发电机建立电压的过程称为并励发电机建立电压的过程称为自励过程自励过程，满足建压，满足建压的条件称为的条件称为自励条件自励条件。本讲稿第二十一页，共二十六页Ifb1 1、自励条件、自
14、励条件 曲线曲线1为空载特性曲线，曲线为空载特性曲线，曲线2为励磁回路总电阻为励磁回路总电阻 特性曲线，特性曲线，也称场阻线也称场阻线 。增大增大 ，场阻线变为曲线，场阻线变为曲线3时，时，称为临界称为临界电阻电阻 。如图所示。如图所示。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。若再增加励磁回路电阻，发电机将不能自励。本讲稿第二十二页，共二十六页Ifb如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与如此不断增长，直到励磁绕组两端电压与 相等相等时，达到稳定的平衡工作点时，达到稳定的平衡工作点A A。原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组原动机带动发电机旋转时，如果主磁极有剩磁，则电枢绕组切割剩
15、磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生切割剩磁通感应电动势。在电动势作用下励磁回路产生 。如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，如果励磁绕组和电枢绕组连接正确，产生与剩磁方向相同产生与剩磁方向相同的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，的磁通，使主磁路磁通增加，电动势增大，增加。增加。1 1、自励条件（续）、自励条件（续）本讲稿第二十三页，共二十六页可见，可见，并励直流发电机的自励条件并励直流发电机的自励条件有：有：2 2、空载特性、空载特性 并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于由于励磁电压不能反向励磁电压不能
16、反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限。，所以它的空载特性曲线只在第一象限。（1 1）电机的主磁路有剩磁）电机的主磁路有剩磁（3 3）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻）励磁回路的总电阻小于该转速下的临界电阻（2 2）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确）并联在电枢绕组两端的励磁绕组极性要正确本讲稿第二十四页，共二十六页3 3、外特性、外特性4 4、调节特性、调节特性 并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电并励发电机的电枢电流，比起他励发电机仅仅多了一个励磁电流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。流，所以调节特性与他励发电机的相差不大。对并励发电机，除了像他励发电机存在
17、的电枢反应去磁作用和电枢对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。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。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。本讲稿第二十五页，共二十六页直流发电机的总结直流发电机的总结（1 1）三个平衡式，）三个平衡式，以及以及EUEU的发电状态判据。的发电状态判据。（2 2）发电机的励磁方式：）发电机的励磁方式：（3 3）不同励磁方式对工作特性的影响。）不同励磁方式对工作特性的影响。本讲稿第二十六页，共二十六页