1、 东北电力大学东北电力大学第25章 直流发电机直流发电机的电压平衡方程 直流发电机的功率平衡方程 直流发电机的转矩平衡方程 直流发电机的特性 东北电力大学东北电力大学25-1 直流发电机的电压平衡方程以并励发电机为例建立直流发电机的基本方程。并励发电机稳态运行时的等效电路如图25-1所示。其中电枢绕组电动势为 ，电枢绕组电阻为 ，励磁绕组电阻为 ，励磁回路调节电阻为 ，发电机端电压为 ，输出电流为 ，电枢电流为 ，励磁电流为 。图25-1 并励直流发电机等效电路aEarfrjrUIaIfI 东北电力大学东北电力大学根据图25-1，电枢回路的电压平衡方程式为 式中， 为正、负一对电刷上的接触电压
2、降，其大小与电刷型号有关，一般 =0.5 2 V。 为电枢回路的总电阻，包括电枢绕组的电阻 和电刷接触电阻。励磁回路的电压方程为 式中， 为励磁回路总电阻。 电流方程为 2aaaa asEU I rUUI R ffjffRIrrIUfaIII2sUaRraffjRrr 2sU 东北电力大学东北电力大学定义直流电机的电磁功率 为电枢绕组感应电动势 与电枢电流 的乘积，即 式中， 为转子的机械角速度。在电压平衡方程式两边同乘以 ，考虑到 ，有 即 式中， 为发电机输出的电功率， 为励磁铜耗， 为电枢回路的总铜耗。eaaaaaaeTnIapZnIapZIEP30260CuaCufaafaappPRI
3、UIUIIE22ePaEaIn602aIafIIIppPPCuaCufe22PUIfCufUIpRIpaaCua2直流发电机的功率平衡方程 东北电力大学东北电力大学机械功率 的一部分被用于平衡转子转动和实现能量转换所必然产生的损耗，这些损耗有： （1）机械损耗机械损耗 ，包括轴承、电刷摩擦损耗，空气摩擦损耗以及通风损耗等。 （2）铁耗铁耗 ，电枢铁心中磁场交变产生的磁滞损耗和涡流损耗。 （3）杂散损耗杂散损耗 ，又称附加损耗，包括主磁场脉动和畸变引起的铁耗、漏磁场在金属紧固件中产生的铁耗和换向元件内的附加损耗等。 因此有adFeepppPP11PpFepmecpad 东北电力大学东北电力大学发
4、电机的功率平衡方程为 式中： 为空载损耗 为并励发电机的总损耗 根据功率平衡方程，可画出直流发电机的功率图，如图25-2所示。 图25-2直流发电机的功率图 pPpppppPpPPCuaCufadFee2201ppppadFe0adFeCufCuaCupppppppp0p0p 东北电力大学东北电力大学直流发电机的转矩平衡方程式 两边同除以角速度 得 即这就是直流发电机的转矩平衡方程。式中， 是输入转矩，为拖动性质； 是电磁转矩，为制动性质； 为空载转矩，也是制动性质。 adFeepppPP101pPPe01TTTe/11PT/eePT/00pT 东北电力大学东北电力大学25-2 直流发电机特性
5、直流发电机的稳态运行特性包括：表征输出电压质量的外特性、励磁调节用的调整特性和表征力能指标的效率特性。空载特性空载特性是指转速 常值，输出电流 时，电枢的空载端电压与励磁电流之间的关系 。电机空载时，电枢电流为零或很小，可以认为发电机的空载端电压 就是空载感应电动势 ，因此 正比于主磁通，所以空载特性 与磁化曲线 的纵坐标之间仅相差一个比例常数，空载特性实质上就是电机的磁化曲线。空载特性常用来确定磁路的饱和程度。Nn n0I0fUf I0aE0U fIfU 0 fIf00U 东北电力大学东北电力大学空载特性可以用实验方法来求取，图25-3为空载实验的接线图。实验时，发电机空载，保持转速 ，调节
6、励磁电流 ，使空载电压 ，然后将 逐步减小到零，再将 反向，并逐步增加，直到反向时的 与正向时的 相等为止，记录每次的 和相应的 值。由于铁心有磁滞现象，所得到的 相当于整个磁滞回线的左半边。根据对称关系，可画出磁滞回线的另外半边，然后找出整个磁滞回线的平均曲线，如图25-4中虚线所示，此虚线即为电机的空载曲线。 Nnn fI0(1.11.3)NUU fIfU 0fIfI0UfI0U0U 东北电力大学东北电力大学直流电机励磁后，再将励磁切断，磁路中就会有剩磁，此后即使 ，电枢仍会出现由剩磁所感应的剩磁电压 ，通常 。图25-3 空载实验接线图 图25-4空载特性 0fI0rU0(2 4)%Nr
7、UU 东北电力大学东北电力大学他励发电机的外特性外特性外特性是当 常值、励磁电流 常值时，发电机的端电压与输出电流之间的关系 ，如图25-5所示。 外特性是一条随负载电流增大而下降的曲线。发电机端电压随负载电流变化而变化的程度可用额定电压调整率额定电压调整率 来衡量，定义为：当 、 时，发电机从额定负载过渡到空载时的电压变化率，即 图25-5 他励发电机的外特性 NnnfI IfU uNNnn NffII0100%NNNUUuU 东北电力大学东北电力大学他励发电机的调节特性调节特性调节特性是指 常值时，随着负载电流 的变化，保持 常值时励磁电流的调节规律 。调节特性表征负载变化时如何调节励磁电
8、流才能维持发电机端电压不变。如图25-6所示，调节特性随负载电流增大而上翘。 图25-6 他励发电机的调节特性 NnnINUU IfIf 东北电力大学东北电力大学他励发电机的效率特性效率特性效率特性是指在 常值， 常值时，效率与输出功率之间的关系 ，如图25-7所示。损耗分为两大类，一类是随负载变化很小的损耗，包括机械损耗、铁耗，称为不变损耗；另一类是随负载变化较大的损耗，包括电枢回路损耗、电刷接触损耗、励磁绕组铜耗（负载变化时励磁电流也要调整）和杂散损耗，称为可变损耗。 图25-7 他励发电机的效率特性NnnNUU2PfpPpPP2121 东北电力大学东北电力大学25-3 并励发电机的自励与
9、运行特性并励发电机的自励并励发电机的自励 并励发电机的接线图如图25-8所示。由于磁极铁心中存在剩磁，电枢在剩磁磁场内旋转时，就会产生剩磁电动势 。剩磁电动势由电枢端点输出，加到励磁绕组上，产生一个较小的励磁电流，其磁动势方向既可能与剩磁方向相同而形成正反馈正反馈作用，也可能与剩磁方向相反而形成负反馈负反馈作用。负反馈时，剩磁磁场被抑制，电压建立不起来；正反正反馈馈时，气隙磁场加强，使电枢的感应电动势升高，从而使励磁电流和气隙磁场进一步加强，如此往复，发电机的端电压将逐步建立起来。要实现励磁电流的正反馈，励磁绕励磁绕组端点与电枢绕组端点的连接要正确组端点与电枢绕组端点的连接要正确。 Eor 东
10、北电力大学东北电力大学并励发电机的自励与运行特性 图25-8 并励发电机的接线图 图25-9并励发电机自励时的稳态空载电压 东北电力大学东北电力大学从空载时励磁回路的电压方程 和图25-9可知，自励时发电机的空载运行点应由空载特性 和励磁回路的伏安特性 （励磁电阻线）的交点A来确定。与空载特性相切的电阻线，称为临界电阻线，对应的电阻称为临界电阻。综上所述，并励发电机的自励条件是：并励发电机的自励条件是：1 1）气隙中必须有）气隙中必须有剩磁；剩磁；2 2）励磁磁动势与剩磁磁场的方向必须相同；）励磁磁动势与剩磁磁场的方向必须相同；3 3）励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。励磁回路的总电阻必须小于
11、临界电阻。 ffaRIE0000faIfEffaRIE00 东北电力大学东北电力大学并励发电机的运行特性（并励发电机的运行特性（调整特性和效率特性与他励发电机相似） 并励发电机的外特性外特性是指 ， 常值时，发电机的端电压与负载电流间的关系 。由于并励发电机的励磁绕组与电枢绕组并联，励磁电流 与负载电流 互相影响，导致其外特性与他励发电机有明显的差别，如图25-10所示。 图25-10 并励发电机的外特性 NnnfR IfU fII 东北电力大学东北电力大学并励发电机的外特性有以下三个特点：负载增大时，端电压下降较快负载增大时，端电压下降较快 在同一负载下，并励发电机的端电压要比他励时下降得多
12、。 外特性有拐弯现象外特性有拐弯现象 当负载电阻 减小，负载电流增大，端电压下降到一定值时，磁路将处于不饱和状态，此时若进一步减小 ，端电压的下降使励磁电流下降，而励磁电流的下降将导致气隙磁通和感应电动势较大幅度的下降，结果使端电压的下降比负载电阻减小得更快，于是外特性就出现“拐弯”现象，即端电压下降，负载电流亦下降。稳态短路（端电压等于零）时，电流较小稳态短路（端电压等于零）时，电流较小 LRLR 东北电力大学东北电力大学复励发电机的运行特性复励发电机的励磁绕组包括并励和串励两部分，其接线图如图25-11所示。 复励发电机中，若串励磁动势与并励磁动势方向相同，称为积复励积复励；若串励磁动势与
13、并励磁动势方向相反，称为差差复励复励。常用的复励发电机都是积复励。 图25-11 复励发电机的接线图 东北电力大学东北电力大学复励发电机的外特性外特性可出现三种情况，如图25-12所示。若电机额定负载时串励绕组恰好能补偿电枢反应的去磁作用以及电枢回路的压降，则额定电压等于空载端电压，这种情况称为平复励平复励。若串励磁动势的作用较强，补偿作用有余，外特性就会上翘，这种情况称为过复励过复励。若补偿作用不足，外特性仍下降，称为欠复励欠复励。 图25-12 积复励发电机的外特性 东北电力大学东北电力大学调节特性调节特性 积复励发电机的调节特性与串励磁动势的大小有关，如图25-13所示。 图25-13积复励发电机的调节特性
