第8章 直流發(fā)電機

1、LabaaaRIURIE2UURIbaa21 1、直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式、直流發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時的基本方程式 以他勵式為例，如右以他勵式為例，如右圖，根據(jù)基爾霍夫電壓定圖，根據(jù)基爾霍夫電壓定律得：律得：RLIaRrUERfUEaRa2Ub/IaIaRLaR為電樞回路各繞組總電阻為電樞回路各繞組總電阻bU2為一對電刷下接觸電阻的電壓降為一對電刷下接觸電阻的電壓降) 18( aaaRIUE 則方程式可改寫為：則方程式可改寫為： abaaIURR/2 式式(8-1)(8-1)中中 , ,此式即為直流此式即為直流發(fā)電機的電壓平衡方程式。發(fā)電機的電壓平衡方程式。aRbU2 實際一般不用實際一般不

2、用 ，而是用一個等效電阻，而是用一個等效電阻 ，它是電樞回路總電阻。它是電樞回路總電阻。TT0T1SN nT1 = T + T0 （8-2）根據(jù)受力平衡原理得：根據(jù)受力平衡原理得： 原動機驅動轉矩原動機驅動轉矩 T1與與 n同方向；同方向；T與與n方向相反，為制動轉矩。方向相反，為制動轉矩。 上式即為直流發(fā)電機的轉上式即為直流發(fā)電機的轉矩平衡方程式，其中矩平衡方程式，其中T 為電為電磁轉矩，磁轉矩，T0 為空載阻轉矩。為空載阻轉矩。 當發(fā)電機接上負載，電樞電流當發(fā)電機接上負載，電樞電流 Ia與氣隙磁場與氣隙磁場互相作用產(chǎn)生制動性電磁轉矩互相作用產(chǎn)生制動性電磁轉矩 T。 式式（8-1）兩邊同乘）

3、兩邊同乘Ia得得：) 38(222PpRIRIIECuLaaaaa01TTTLaaRIUIP22aaCuRIp2 式中式中 為包括電樞回路串聯(lián)各繞組中為包括電樞回路串聯(lián)各繞組中的銅損耗和各電刷接觸電阻損耗的總損耗功率，的銅損耗和各電刷接觸電阻損耗的總損耗功率，簡稱銅耗；簡稱銅耗； 是發(fā)電機的輸出功率。是發(fā)電機的輸出功率。 把式把式（8-2）兩邊同乘機械角速度）兩邊同乘機械角速度得得：(8-4)01pTP或寫成或寫成 TnIapznIapzIEPaaaaM602260 aaMIEP 為電磁功率，即：為電磁功率，即：)58(201PpppppPPaFemCuM 式式中中P1為原動機輸入的機械功率；

4、為原動機輸入的機械功率； 是發(fā)電機空是發(fā)電機空載損耗功率，載損耗功率， ，其中，其中pm是機械損是機械損耗功率，耗功率，pFe是鐵損耗功率，是鐵損耗功率，pa附加損耗功率。附加損耗功率。aFempppTp000p 把式把式（8-3）代入式（）代入式（8-4）得）得： 式式（8-5）即為發(fā)電機的功率平衡方程式，由此）即為發(fā)電機的功率平衡方程式，由此式可畫出功率流程，如下圖所示：式可畫出功率流程，如下圖所示：11TPaFempppp0aaCuRIp2fpaaMIETPaUIP 2他勵直流發(fā)電機的功率流程他勵直流發(fā)電機的功率流程總損耗為：總損耗為：CuaFemfpppppppPpPP2121發(fā)電機的

5、效率為：發(fā)電機的效率為： 流程圖中還畫出了勵磁功率流程圖中還畫出了勵磁功率pf ，在他勵時該功，在他勵時該功率由直流電源供給，并勵時該功率為內(nèi)部損耗。率由直流電源供給，并勵時該功率為內(nèi)部損耗。 直流電機電樞繞組中有負載電流時，它所產(chǎn)生直流電機電樞繞組中有負載電流時，它所產(chǎn)生的磁動勢對勵磁繞組磁場的影響，稱為的磁動勢對勵磁繞組磁場的影響，稱為電樞反應電樞反應。 電樞反應對氣隙磁通的大小和分布、電機的運電樞反應對氣隙磁通的大小和分布、電機的運行性能、換向的好壞都有影響。行性能、換向的好壞都有影響。1、電樞磁動勢的空間分布、電樞磁動勢的空間分布 電樞磁動勢的空間分布只決定于電樞繞組中電電樞磁動勢的空

6、間分布只決定于電樞繞組中電流的分布，以電刷為界的電樞表面電流在空間上是流的分布，以電刷為界的電樞表面電流在空間上是不變的，因此其產(chǎn)生的磁場和磁動勢的分布也是固不變的，因此其產(chǎn)生的磁場和磁動勢的分布也是固定不變的。定不變的。下圖為電刷在幾何中線上時電樞磁場的空間分布：下圖為電刷在幾何中線上時電樞磁場的空間分布： 由磁場分布圖可知，磁極中心線下的氣隙處電由磁場分布圖可知，磁極中心線下的氣隙處電樞磁動勢為零，在幾何中性線處達到最大值。樞磁動勢為零，在幾何中性線處達到最大值。如何計算電樞磁動勢如何計算電樞磁動勢Fax？ 計算電樞線負荷計算電樞線負荷A 計算經(jīng)過距原點計算經(jīng)過距原點x處的閉合回路磁動勢處

7、的閉合回路磁動勢 磁動勢方向規(guī)定磁動勢方向規(guī)定 計算計算 Fax 計算每個氣隙段磁動勢計算每個氣隙段磁動勢 計算電樞線負荷計算電樞線負荷A 當當 ia（支路電流）一定時，（支路電流）一定時，A是常數(shù)。是常數(shù)。又稱電樞表面單位周長上的電流。又稱電樞表面單位周長上的電流。 pziDziAaaa2 計算經(jīng)過距原點計算經(jīng)過距原點x處的閉合回路磁動勢處的閉合回路磁動勢 根據(jù)安培環(huán)路定律，忽略鐵芯中的磁壓降進根據(jù)安培環(huán)路定律，忽略鐵芯中的磁壓降進行計算，行計算，注意注意 A 是常數(shù)，是常數(shù)，x是變量是變量。xALHHFeFe22xAH22 在一個極距范圍內(nèi)，距原點在一個極距范圍內(nèi)，距原點x處，每個氣隙處，

8、每個氣隙段的電樞磁動勢為段的電樞磁動勢為:AxAxFax)2(21 正磁動勢方向從電樞到主極，負磁動勢方正磁動勢方向從電樞到主極，負磁動勢方向從主極到電樞。向從主極到電樞。 每個氣隙段磁動勢計算每個氣隙段磁動勢計算 磁動勢方向規(guī)定磁動勢方向規(guī)定 電樞磁動勢沿空間呈三角形分布（實際電樞電樞磁動勢沿空間呈三角形分布（實際電樞有齒槽，呈階梯形波）在磁極中心線處為零，幾有齒槽，呈階梯形波）在磁極中心線處為零，幾何中心線處達最大值何中心線處達最大值Fa 。Fax=A xA為常數(shù)。為常數(shù)。x變化范圍是：變化范圍是：0 /2，- /20Fa= A /2 電樞磁通密度的空間分布電樞磁通密度的空間分布axaxH

9、B0AxFHaxaxAxHaxaxaxFAxB00極間范圍內(nèi)：極間范圍內(nèi)：氣隙氣隙增大，增大，Bax削弱，呈下削弱，呈下凹形。凹形。極靴下：極靴下：氣隙均勻，氣隙均勻， 為常值，為常值，Bax隨隨Fax變變化線性變化?；€性變化。NS 大大 常值常值 大大常值Bax為馬鞍形分布為馬鞍形分布 大大 當當電刷不在幾何中性線電刷不在幾何中性線而在電樞表面移動了一而在電樞表面移動了一段距離段距離b時，電樞表面電流分布的分界線也隨電刷時，電樞表面電流分布的分界線也隨電刷同時移動，此時可將電樞磁動勢分為兩個分量：同時移動，此時可將電樞磁動勢分為兩個分量：與主極軸線重合的與主極軸線重合的直軸磁勢直軸磁勢Fa

10、d和與主極軸線垂直和與主極軸線垂直的的交軸磁勢交軸磁勢Faq。交軸電樞磁動勢：交軸電樞磁動勢：)2(bAFaq直軸電樞磁動勢：直軸電樞磁動勢：bAFad曲線曲線3 3 表示交軸分量表示交軸分量Faq 。曲線曲線1 1 表示電刷移動表示電刷移動b時電樞磁動勢空間分布時電樞磁動勢空間分布曲線仍呈三角形波，整曲線仍呈三角形波，整個波形也隨電刷偏移個波形也隨電刷偏移b，曲線曲線1由曲線由曲線2和曲線和曲線3合成。合成。曲線曲線2 2 表示直軸分量表示直軸分量Fad 。x0213bNS fbFaFadFaq)2(b電刷不在幾何中性線時電刷不在幾何中性線時的電樞磁勢的電樞磁勢 。n 若將電刷逆旋轉方向移動

11、，若將電刷逆旋轉方向移動，則直軸電樞反應是增磁的則直軸電樞反應是增磁的 。 由右圖可知電刷順旋由右圖可知電刷順旋轉方向轉動轉方向轉動b時，直軸時，直軸反應磁勢反應磁勢Fad的方向與電的方向與電樞磁動勢樞磁動勢Ff的方向相反，的方向相反，即直軸電樞反應是即直軸電樞反應是去磁去磁的。的。1) )直軸電樞反應直軸電樞反應x0213bNS fbFaFadFaq)2(b電刷不在幾何中性線時電刷不在幾何中性線時的電樞磁勢的電樞磁勢 。n2) )交軸電樞反應交軸電樞反應NSBn123mm 右圖表示電刷在幾何中性線右圖表示電刷在幾何中性線處，只有交軸電樞反應磁勢時處，只有交軸電樞反應磁勢時氣隙磁場的分布圖。氣

12、隙磁場的分布圖。 曲線曲線1 1為主極繞組單獨通電為主極繞組單獨通電時主極磁密分布曲線。時主極磁密分布曲線。曲線曲線2 2為電樞繞組單獨通電時電樞磁為電樞繞組單獨通電時電樞磁密分布曲線，兩者疊加得到密分布曲線，兩者疊加得到曲曲線線3 3，即發(fā)電機電樞反應的合，即發(fā)電機電樞反應的合成磁密分布曲線。成磁密分布曲線。 圖中圖中m為物理中性線，即磁為物理中性線，即磁密為零的地方，可以看出，電密為零的地方，可以看出，電樞反應使得物理中性線偏離了樞反應使得物理中性線偏離了幾何中性線。幾何中性線。 實際電機中，考慮磁路飽實際電機中，考慮磁路飽和，負載時鐵心磁阻增大，和，負載時鐵心磁阻增大，實際合成氣隙磁密分

13、布曲線實際合成氣隙磁密分布曲線如圖如圖曲線曲線4 4所示，最高峰略所示，最高峰略微下降，即交軸電樞反應起微下降，即交軸電樞反應起去磁作用。去磁作用。NSBn123mm4電樞反應：電樞反應：電樞磁動勢對主極勵磁磁動勢建電樞磁動勢對主極勵磁磁動勢建立的氣隙磁場的影響。立的氣隙磁場的影響。具體表現(xiàn)具體表現(xiàn)（交軸電樞反應交軸電樞反應）： 使氣隙磁場分布發(fā)生畸變；使氣隙磁場分布發(fā)生畸變； 使物理中性線偏移（空載時，電機物理中性線使物理中性線偏移（空載時，電機物理中性線與幾何中性線重合；負載時，物理中性線發(fā)生與幾何中性線重合；負載時，物理中性線發(fā)生偏移）；偏移）； 考慮磁路飽和呈去磁作用。考慮磁路飽和呈去

14、磁作用。 本節(jié)介紹各種直流發(fā)電機的不同特性，均以本節(jié)介紹各種直流發(fā)電機的不同特性，均以轉速轉速n為常數(shù)進行分析，通常有以下三種特性：為常數(shù)進行分析，通常有以下三種特性：（1）n常數(shù)，常數(shù)，I常數(shù)，常數(shù)，Uf（If），負載特性。），負載特性。如果如果I0，這條特性稱為空載特性。，這條特性稱為空載特性。（2）n常數(shù)，常數(shù)，If常數(shù)，常數(shù)，Uf（I），外特性。），外特性。（3）n常數(shù)，常數(shù)，U常數(shù)，常數(shù)，Iff（I），調節(jié)特性。），調節(jié)特性。 原動機拖動發(fā)電機，觀看速度表，使原動機拖動發(fā)電機，觀看速度表，使n=nN；刀；刀閘閘K1打開，使打開，使I=0，空載；通過，空載；通過K2加上勵磁電流加上勵磁

15、電流If ，并由調節(jié)電阻并由調節(jié)電阻Rr使使If在較大范圍內(nèi)變化。在較大范圍內(nèi)變化。 調節(jié)調節(jié)Rr If 0U，使，使 U = E 0= CE 0nNRrRfVARLK1K2 測取他勵發(fā)電機空載特測取他勵發(fā)電機空載特性曲線的試驗線路如右圖性曲線的試驗線路如右圖所示。所示。01 2345UIf1.3UN-1.3UN空載實驗步驟：空載實驗步驟：縱坐標縱坐標U=CenN換為換為=U/CenN橫坐標橫坐標If換為換為zIf空載特性測取目的：空載特性測取目的： 空載特性曲線的縱橫坐標換個空載特性曲線的縱橫坐標換個比例常數(shù)就是電機的磁化曲線。比例常數(shù)就是電機的磁化曲線。膝點If0UNU 一般設計電機時，使

16、額定電壓工作點位于空載一般設計電機時，使額定電壓工作點位于空載特性曲線開始彎曲的膝點附近。特性曲線開始彎曲的膝點附近。If250230If0If02.8A2.5AU0 通過空載特性分析電樞反應通過空載特性分析電樞反應例如例如: : 空載電壓空載電壓 U0 = 230V 查空載特性查空載特性 If = 2.5A 負載電壓：負載電壓： U = 230V 將電樞反應去磁作用折算成等效勵磁電流：將電樞反應去磁作用折算成等效勵磁電流： Ifaq= Faqd/z = If0- If0 = 0.3 (A) 上式求出電樞反應的等效勵磁電流。上式求出電樞反應的等效勵磁電流。 換句話說，要想在負載時保持空載同樣的

17、電壓換句話說，要想在負載時保持空載同樣的電壓230V，勵磁電流要增大，勵磁電流要增大0.3A，產(chǎn)生，產(chǎn)生一方面去平一方面去平衡電樞反應的去磁效應，一方面使感應電動勢增衡電樞反應的去磁效應，一方面使感應電動勢增大，以彌補因大，以彌補因IaRa的增大使電樞電壓減小。的增大使電樞電壓減小。 刀閘刀閘K1合上，保持合上，保持n=nN，調節(jié)電阻，調節(jié)電阻Rr使得當負載使得當負載電流電流I=IN 時，端電壓時，端電壓U=UN，此時，此時If=IfN。保持。保持IfN不不變，調節(jié)電阻變，調節(jié)電阻RL使負載電流使負載電流I由零變到額定值，測由零變到額定值，測取外特性曲線取外特性曲線。 測取他勵發(fā)電機外特測取他

18、勵發(fā)電機外特性曲線的試驗線路如右性曲線的試驗線路如右圖所示。圖所示。RrRfVARLK1A 外特性下降的原因：外特性下降的原因：U0U0UNICIN IIaRa I電樞反應的去磁效應使電樞反應的去磁效應使E 外特性曲線如右圖，曲線隨外特性曲線如右圖，曲線隨負載電流負載電流I的增大而下降。的增大而下降。根據(jù)：根據(jù)：aaeaaaRInCRIEU 測外特性目的：測外特性目的： 外特性的軟硬通常由電壓調整率來表示，該值外特性的軟硬通常由電壓調整率來表示，該值可通過外特性算出：可通過外特性算出： 式中式中U0是空載時的端電壓，一般他勵直流發(fā)是空載時的端電壓，一般他勵直流發(fā)電機的電壓變化率約為電機的電壓變

19、化率約為510%。%1000NNUUUU 可看出隨著可看出隨著I變化變化U的變化規(guī)律。下降不大的特的變化規(guī)律。下降不大的特性稱硬特性，若曲線太陡，性稱硬特性，若曲線太陡， 則電機發(fā)電質量不好。則電機發(fā)電質量不好。3）短路電流）短路電流因為：因為：Ia=(E-U)/Ra短路電流：短路電流：Ia=E/Ra，電機會被燒壞。，電機會被燒壞。 當當U=0時，他勵發(fā)電機短路時，他勵發(fā)電機短路電流很大，是額定值的電流很大，是額定值的30倍倍。 所以發(fā)電機必須安裝過電流保護裝置，當負所以發(fā)電機必須安裝過電流保護裝置，當負載電流超過允許值時，保護裝置立即快速地切斷載電流超過允許值時，保護裝置立即快速地切斷電路，

20、以保護電機。電路，以保護電機。UI04）調節(jié)特性）調節(jié)特性n=nN，U=UN ， If=f(I)當當 RLI， U = CEnN IaRa ，U 將減小。將減小。IfIf0IfN0IINCRLRrRfAAV調節(jié)調節(jié) Rr IfU即即 RLIU5）效率曲線）效率曲線%100)1 (%100)1 (%100)1 (21aNaaamFefaNCuamFefIURIppppIUpppppPpamFefpppp 其中，其中， 為不變損耗，為不變損耗，aaCuRIp2為可變損耗。為可變損耗。I 負載電流變化時，效率也隨之負載電流變化時，效率也隨之改變，直流發(fā)電機的效率曲線如改變，直流發(fā)電機的效率曲線如右圖

21、。右圖。0adId令令 可得：可得：CuaaamFefpRIpppp2 與與Ia之間存在二次關系，之間存在二次關系， 效率曲線存在一個效率曲線存在一個最大值。最大值。 即當發(fā)電機在某負載下不變損耗等于可變損耗即當發(fā)電機在某負載下不變損耗等于可變損耗時，此時效率最高。時，此時效率最高。 一般直流發(fā)電機設計在一般直流發(fā)電機設計在3/43/4額定負載左右效率額定負載左右效率最大。最大。 并勵發(fā)電機的并勵發(fā)電機的特點特點是：不提供勵磁電源，由電是：不提供勵磁電源，由電樞電壓提供勵磁電源。樞電壓提供勵磁電源。 但是產(chǎn)生電樞電動勢（但是產(chǎn)生電樞電動勢（ U0=CenN）以存在勵）以存在勵磁電流為條件。磁電

22、流為條件。怎樣自勵？怎樣自勵？If 取決取決 U0= CenN取決取決 開關開關 K 斷開，原動機拖動發(fā)電機在額定轉速斷開，原動機拖動發(fā)電機在額定轉速nN空載運行，此時電樞電壓沒有自勵起來?？蛰d運行，此時電樞電壓沒有自勵起來。直流發(fā)電機：直流發(fā)電機：E = U + IaRa空載時：空載時：I=0，n=nN空載特性曲線空載特性曲線U = E0 = CEnNE0= If (Rf + Rr) + Lf (dif / dt )RrARfAV+-KIfE0RL勵磁回路的電阻特性曲線：勵磁回路的電阻特性曲線：Uf=If (Rf + Rr) 右圖表示并勵發(fā)電機自勵右圖表示并勵發(fā)電機自勵的條件和過程。由于負載電的條件和過程。由于負載電流為零，流為零，IaIf ，電樞端電壓，電樞端電壓UE0，這個電壓也是