《电机原理与维修》课件第17章

第17章直流发电机17.1直流发电机的电枢电动势和电磁转矩17.2直流发电机的励磁方式17.3并励直流发电机的自励条件17.4直流发电机的基本方程式17.5直流发电机的运行特性习题17.1直流发电机的电枢电动势和电磁转矩17.1.1直流发电机的电枢电动势直流电机的电枢电动势表达式为

Ea=CeΦn(17-1)式中:Ce为电动势常数，；Φ为每极磁通；n为转子的转速；p为电机的磁极对数；N为电枢绕组总导体数；a为电枢绕组并联支路的对数。已制成的电机中p、N和a都是常数，取Φ的单位为Wb，则Ea的单位是V。分析式(17-1)，可以得到如下结论：

(1)当速度不变时，电机的感应电动势与每极磁通Φ成正比，因此可以通过改变励磁电流(即改变Φ)来调节直流发电机的输出电压。

(2)当每极磁通不变时，感应电动势与转速成正比，因此也可以通过改变转速来调节直流发电机输出电压。

(3)如电刷自中心线移动，在支路中有一部分导线在另一磁极下，使得一部分导线的电动势互相抵消，结果总电动势降低。17.1.2直流发电机的电磁转矩电机带上负载时，电枢绕组中有电流流过，载流导体在气隙磁场中将受到电磁力的作用，电磁力对电枢轴心所形成的转矩称为电磁转矩。设导体在电枢表面均匀分布，且为整距绕组，电刷放在几何中心线上。据电磁力定律，一根载流导体受到的平均电磁力为fav=BavLIa(17-2)式中:Bav为一个主磁极下的平均气隙磁通密度；L为载流导体的长度；Ia为流过导体的电流。假设电枢铁芯的直径为Da，则平均电磁转矩为

(17-3)总电磁转矩为

(17-4)把(Φ表示每极磁通，τ为极距，L为导体的有效长度)代入上式，得

(17-5)式中:CT为转矩常数,。如果Φ的单位为Wb、Ia的单位为A，则T的单位为N·m。17.2直流发电机的励磁方式直流电机的励磁方式即指电机励磁电流供给方式，励磁方式不同，对电机运行特性影响较大。直流发电机可分为他励和自励两大类。直流电动机的励磁电流均由外电源供给。按励磁绕组与电枢绕组的关系，可统一把直流电机分为四种。图17-1为直流电机按励磁分类接线图，其中实线表示发电机G，虚线表示电动机M的电流方向。图17-1直流电机按励磁分类接线图

(1)他励电机。励磁绕组由独立电源供电，如图17-1(a)所示。其特点是电枢电流Ia等于负载电流(发电机)或输入电流(电动机)I，而与励磁电流If无关，即Ia=I

(17-6)

(2)并励电机。励磁绕组与电枢绕组并联，见图17-1(b)。Ia、I与If的关系为:

发电机Ia=I+If(17-7)电动机I=Ia+If(17-8)

(3)串励电机。励磁绕组与电枢绕组串联，见图17-1(c)，这时Ia=I=If

(17-9)

(4)复励电机。它有两个励磁绕组，一个与电枢绕组并联，另一个与电枢绕组串联，如图17-1(d)所示。当串励和并励绕组产生的磁动势方向相同时,称为积复励；相反时称为差复励。图17-1(d)中的实线接法称为短复励，虚线接法称为长复励。对电机的运行性能来说，长短复励没有多大差别。17.3并励直流发电机的自励条件17.3.1并励直流发电机的自励过程并励发电机的励磁绕组与电枢并联，如图17-2所示。在电机中通常总有剩磁存在，当电机由原动机拖动至额定转速时，电枢绕组切割剩磁磁值，便会产生剩磁电动势Er(约为(2%~5%)UN)，这时在并励绕组中开始有励磁电流，从而产生一个不大的励磁磁动势。如这时并励绕组接到电枢两端的极性正确，则励磁磁动势产生的磁场与剩磁同方向，使电机内的气隙磁场增强，从而使发电机端电压升高。在这一较高端电压的作用下，励磁电流又进一步升高,如此反复作用,发电机的端电压便“自励”起来。最终稳定在电机的空载特性1与磁场电阻线2的交点A处，如图17-3所示。由该图可见，调节励磁回路总电阻rf，可改变磁场电阻线的斜率，相应可调节空载电压的稳定点。当rf逐渐增大时，空载电压逐渐减小；当rf=rfcr时，磁场电阻线与空载特性的直线部分相切(见图17-3中曲线3)，空载电压变为不稳定，这时的rfcr称为临界电阻，当rf>rfcr时，磁场电阻线与空载特性交点很低，所得电压与剩磁电动势相差无几，不能使发电机自励建压。图17-2并励发电机接线图图17-3并励发电机的自励过程17.3.2并励直流发电机的自励条件综上所述，并励发电机的自励建立稳定电压的条件是：

(1)电机应有剩磁。若无剩磁，可用外加直流电源向励磁绕组通电以获得剩磁。

(2)励磁绕组与电枢绕组的连接要与电枢转向正确配合，使励磁电流产生的磁场与剩磁方向一致。若发现接法不对，只要将励磁绕组并联到电枢绕组的两端点对调一下即可。

(3)励磁回路的总电阻应小于与发电机转速相对应的临界电阻。电机转速越高，其临界电阻值越大。一般发电机都在额定转速下运行，只要调节rf小于此时的临界电阻即可。17.4直流发电机的基本方程式17.4.1电动势平衡方程式当发电机的电枢旋转时，电枢绕组中将产生感应电动势Ea，其方向由右手定则判定。当并励发电机带负载时，有电枢电流Ia产生，其方向和电动势的方向一致，如图17-4所示。由于电枢回路有各个绕组的总电阻ra(包括电枢绕组、串励绕组、换向绕组)以及一对电刷下的接触压降2ΔUb(如电机的端电压为U)，以U、Ea、Ia的实际方向为正方向，由电路定律可得到电枢回路的电动势方程式为Ea=U+Iara+2ΔUb=U+IaRa(17-10)式中:Ra为电枢回路总电阻；ra为电枢中各个绕组的总电阻，简称电枢绕组电阻；为电刷接触电阻。图17-4并励直流发电机的电动势和电流方向17.4.2转矩平衡方程式当电机电枢中流过电流时，产生电磁力，形成电磁转矩，其方向由左手定则判定。发电机的电磁转矩是制动转矩，其转向与原动机的拖动方向相反。当电机恒速运转时，原动机的驱动转矩T1应与空载制动转矩T0和电磁转矩T相平衡，则有T1=T+T0

(17-11)17.4.3功率平衡方程式功率就是每秒钟内转矩对转子所做的功，机械功率就等于转矩和转子机械角速度Ω的乘积，由转矩平衡方程式可导出功率平衡方程式。把式(17-11)两边乘以Ω得T1Ω=TΩ+T0Ω(17-12)或P1=Pm+P0(17-13)式中:P1为原动机输入的机械功率，P1=T1Ω；Pm为电磁功率，Pm=TΩ；P0为发电机的空载损耗功率，P0=T0Ω。另外P0=pFe+pmec+pad

(17-14)式中:pFe为铁耗，主要包括电枢轭部和齿部的磁滞损耗和涡流损耗，它们是由主磁通在旋转的电枢铁芯内部交变引起的；pmec为机械损耗，包括轴承、电刷的摩擦损耗和空气摩擦损耗；pad为附加损耗，是由于电枢的齿槽等因素引起的，因其产生的原因复杂，难以准确计算，所以通常取额定功率的0.5%~1%。将式(17-10)乘以电枢电流Ia，可得

(17-15)

从上面的公式可以看出，从并励发电机电枢绕组获得的电磁功率EaIa中，去掉电枢绕组的铜耗pCua和电刷接触损耗以及励磁回路的铜耗pCuf(他励发电机的pCuf不包括在Pm中)之后，余下的是发电机的输出功率。所以P1=Pm+P0=P2+∑p(17-16)式中:∑p为并励直流发电机的总损耗。直流发电机的功率图如图17-5所示。直流发电机的效率为(17-17)图17-5直流发电机的功率图

【例17-1】一台四极并励直流发电机的额定数据为：PN=20kW，UN=230V，nN=1450r/min，电枢回路总电阻ra75℃=0.15Ω，并励回路总电阻Rf75℃=74.1Ω，2ΔUb=2V，空载损耗P0=pFe+pmec=1kW,pad=0.01PN。求额定负载下的电磁功率，电磁转矩和效率。

解额定电流

励磁电流额定负载时电枢电流Ia=IN+If=87+3.1=90.1A额定负载时电枢电动势E=UN+Iara+2ΔUb=230+90.1×0.15+2=245.5V额定负载时电磁功率Pm=EIa=245.5×90.1=22.1×103W另外，根据能量转换关系可知

Pm=P2+pCua+pCub+pCuf

=20×103+90.12×0.15+2×90.1+230×3.1 =22.1×103W上述两种方法计算所得结果相同。额定负载时电磁转矩

额定负载发电机的输入功率

P1=Pem+P0+pad

=22.1×103+1×103+0.01×20×103 =23.3×103W

额定负载时发电机的输入功率

P1=Pem+P0+pad

=22.1×103+1×103+0.01×20×103 =23.3×103W

额定负载时效率17.5直流发电机的运行特性17.5.1空载特性空载特性就是发电机在n=nN(额定转速)，I=0时，其端电压U0与励磁电流If的关系曲线。即U0=f(If)关系曲线。当发电机空载，即I=0时，端电压U0=Ea=CeΦn正比于空载主磁通Φ；而励磁电流If是正比于主磁势F0的，所以发电机的空载特性曲线与该电机的磁化曲线形状是相同的。图17-6所示为他励发电机特性试验的接线。启动发电机的原动机，调节原动机的转速，使它等于发电机的额定转速并保持不变。将接到负载的开关S2断开，使发电机空载。然后接通励磁电路的电源，通过移动电位器RW的滑触点，改变励磁绕组两端电压来调节励磁电流，因而发电机的电枢端电压也随之改变。在调节过程中，逐渐读取安培表A1和对应的电压表V的读数。即可作出空载特性曲线，如图17-7所示。求作这条曲线时，通常可以从电压U0=1.2UN开始，逐渐减少励磁电流直到为零，然后通过S1改变If的方向并使它逐渐增大，直到它的反向电压等于1.2UN为止，这样就得到空载特性的下降支线，如果将If作相反的调节，就可得到空载特性的上升支线，实际应用它们的是平均曲线(如图中的虚线所示)。它是和基本磁化曲线对应的。由图17-7可以看出，当If=0时，端电压U0≠0，有个剩磁电压，是由剩磁磁通产生的。图17-6他励直流发电机接线图图17-7他励直流电机的空载特性曲线发电机的空载特性表明：改变励磁电流时，发电机端电压变化的情况。发电机的额定工作点一般选在空载特性曲线的弯曲部分，如曲线中的C点，若在直线部分，电压不稳定，磁势稍有变化(通常是电枢反应而引起的)，电压就有很大变化，对一般要求在稳定电压下工作的负载是不合适的。若选在过饱和部分，要建立这样的电压和磁通，则需要更多的励磁安匝，增加电机用铜量，显然是不经济的。17.5.2外特性他励发电机的外特性是指发电机接上负载后，在保持励磁电流不变(通常等于额定励磁电流IfN)的情况下，负载电流变化时，端电压U变化的规律，即当n=nN，If=IfN时，U=f(I)。该特性仍然可以由图17-6的线路图求出。闭合开关S2接上负载RL，调节发电机的负载电流和励磁电流，使发电机运行于额定状态(即U=UN,I=IN，n=nN)，此时发电机的励磁电流为额定励磁电流IfN，然后保持IfN不变，逐步增大负载电阻，使负载电流减小，直到负载断开(I=0)。在每一负载下，同时测取端电压U和电流I的值，得到发电机的外特性曲线，如图17-8所示。从图中看出，当负载电流I增加时，外特性曲线稍微下降，曲线上的C点为额定运行点。图17-8他励直流发电机的外特性由电动势方程U=Ea-IaRa和Ea=CeΦn可知，随着负载电流的增加，引起他励发电机端电压下降的原因有两个:

(1)发电机带负载后，电枢反应的去磁作用使气隙磁通减小，使电枢感应电动势下降。

(2)负载电流的增加引起电枢回路总电阻压降IaRa的增加。这两个因素都随负载的增大而增大，所以负载增加时，发电机的端电压将逐渐下降。端电压的变化程度，可用电压变化率ΔU来衡量。根据国家标准规定，直流发电机的电压变化率是指当n=nN，If=IfN时，从额定负载(U=UN，I=IN)过渡到空载(I=0)时，电压升高的数值与额定电压之比的百分值，即

(17-18)一般他励直流发电机的ΔUN约为5%~10%，可认为是恒压电源。17.5.3调整特性调整特