电工机械-04直流发电机之分类特性及运用

感應電勢 E b If E V 負載電發 電 機 之 分 類 、 特 性 及 運 用
c a IF1
激磁電流 IF
▲ 圖 4-7 他激式發電機的接線圖與無載特性
87
1
外部特性曲線
他激式發電機的外部特性曲線，係指發電機在定轉速與定激磁電流 IF 下， 端電壓 V 與負載電流 IL 的關係曲線，如圖 4-8 所示，為下垂曲線。公式（4-1） 為他激式發電機電壓公式。
磁通=0 轉向
磁場繞組
E=0
4
直 流 發 電 機 之 分 類 、 特 性 及 運 用
▲ 圖 4-9 沒有磁通，電樞不能感應電勢
89
1
原來自激式發電機在沒有運轉時，主磁極仍然有少量剩磁 r 存在，以分激 發電機為例，如圖 4-10 所示，發電機開始運轉，電樞繞組切割主磁極剩磁
r
，感應很小的應電勢E1，此應電勢 E1 加到磁場繞組（磁場電路電阻為 RF） E1 ）。 RF
短分路（short shunt）複激式：特徵為分激 場繞組先與電樞繞組並聯，再與串激場繞組 串聯（先並後串），如圖 4-5(b)所示。
第 一 種 分 類 方 式
電樞繞組 串激場繞組(S)
串激場繞組(S)
分 激 場 繞 組 (F) 分激場繞組(F) 長分路（long shunt）複激式
▲ 圖 4-5 複激式直流發電機
將發電機運轉，並且維持轉速固定，在負載變動的情況下，電樞電流 IA 也 會跟著變動，理論上端電壓 V 也會跟著變動，因此激磁電流 IF 要適度調整，才 能維持端電壓 V 為定值。所以為了維持端電壓 V 為定值的情況下， 激磁電流 IF 與電樞電流 IA 之間的關係曲線， 稱為電樞特性曲線。 上述三種特性曲線整理如表 4-1 所示。
積複激式（cumulative compound）：串激場 繞組與分激場繞組所生之磁通方向相同者， 稱為積複激式，如圖 4-6(a)所示。 第 二 種 分 類 方 式
負載 積複激式
短分路（short shunt）複激式
▲ 圖 4-5 複激式直流發電機
差複激式（differential compound）：串激場 繞組與分激場繞組所生之磁通方向相反者， 稱為差複激式，如圖 4-6(b)所示。
零時，磁路上仍有少許剩磁，應電勢 E 很小，如 a 點所示。IF 增加時， 增 加，E 也增大，但由於磁路有飽和問題，所以 無法隨 IF 呈線性無限量增
加，當 IF 的量增大後，E 增加的速度會減緩，曲線會逐漸趨於水平，最後 將不再增加。 到達 b 點後，若降低 IF，由於磁滯現象，上升與下降到同一大小的 IF，會 有不同的磁通量，導致應電勢也不同。如圖 4-7 所示，以到達同一大小的 IF1 值而言，若激磁電流是下降到此，對應的 E2 值要大於激磁電流是上升到 此所對應的 E1 值。 將 IF 降到 0 時，應電勢仍因剩磁而有少許電壓值，如 c 點所示。
上，產生激磁電流 I1 （I1 ＝
I1 使磁場繞組產生一些磁通，並與剩磁相加，使發電機有多一點的磁通， 這樣一來，電樞繞組感應更大的應電勢 E2。 E2又使激磁電流升高到I2，進而使磁場繞組產生更多的磁通，讓電樞繞組感 應更大的應電勢。如此反覆作用，直到場電阻線（直線）與無載飽和曲線 相交的 f 點為止，電樞感應電勢建立到 En 值。
公式 4-1
V ＝ E － IARA － VB ＝ K． ．n － IARA － VB
＊ 表 4-2 他激式發電機端電壓公式的名稱和單位
代號 名稱 單位 V 端電壓 伏特 V E 感應電勢 伏特 V IA 電樞電流 安培 A RA 電樞繞組電阻 歐姆 VB 電刷壓降 伏特 V
式中 IARA 為電樞內部之壓降，電樞電流 IA 就是負載電流 IL，當 IL 增加（就 是負載增加）時，端電壓 V 會下降（比無載時低），因為 電樞電流 IA 通過電樞繞組 RA 引起 IARA 壓降。 電樞反應使總磁通量 減少，應電勢 E 也會下降。 更多電流通過電刷引起更多電刷壓降。
轉向 剩磁 場磁通 IF
E
IF IL
感應電勢 E En
場電阻線 RF f 無載飽和曲線
RF
E E3 E2 E1 I1 I2 I3 In
場電流 IF
▲ 圖 4-10 分激式發電機的接線圖與電壓建立
90
場電阻（RF）線
RF 為分激場電路的總電阻，依公式 RF ＝ E ，可以在圖 4-11（橫座標為激磁 IF
4
直 流 發 電 機 之 分 類 、 特 性 及 運 用
85
1
外部特性曲線（external characteristic curve）
係指發電機之轉速 n 和激磁電流 IF 固定時，外接負載變化的情況下，它的 端電壓 V 與負載電流 IL 之間的關係曲線； 外部特性曲線是最常用的曲線。
電樞特性曲線（armature characteristic curve）
電流 IF、縱座標為感應電勢 E）上繪成一條通過原點的直線，稱做「場電阻 線」。場電阻 RF 之值可藉場變阻器做調節，若 RF 越大，場電阻線斜率越大， 所以圖中 RF2 ＞ RF1。 分激發電機的無載飽和曲線會隨轉速不同 而變化，轉速越大者，曲線位置越高，道理很 簡單，因為 E ＝ K n 所以轉速 n 越大，能感應 的應電勢 E 也就越大，所以圖 4-11 中 n2 ＞ n1。 分激發電機應電勢建立的高低，必須由轉 速與場電阻來決定，分析圖 4-11 如下： 在轉速為 n1、場電阻為 RF1 時，應電勢建 立為 E1 （兩曲線相交的點）。 若轉速增為 n2、場電阻仍然為 RF1 時，應電勢建立為 E2 （兩曲線相交的 點），其值增大了。 但是在轉速為 n1 時，若場電阻升到 RF2，即兩曲線恰好沒有相交的情況下， 以轉速 n1 而言，此時 RF2 稱為 n1 轉速下的臨界場電阻， 正因為兩曲線此 時沒有相交，所以電壓無法建立，也就是說，電機轉速為 n1 時，若要能夠 建立電壓，則場電阻必須小於臨界場電阻 RF2 才可以。 反之， 以場電阻 RF2 而言，n1 稱為 RF2 場電阻下的臨界轉速， 若是將轉速提 升到 n2，即轉速大於臨界轉速 n1，使得兩曲線有相交，此時 RF2 自然就不是 該轉速 n2 下的臨界場電阻了，n2 也不是該場電阻 RF2 下的臨界轉速了，感應 電勢也就可以順利建立到 E3。 由此可知， 發電機之場電阻若為定值，則電機轉速在臨界轉速以上時，才 能建立電壓。若轉速為定值，場電阻必須要比臨界電阻值低，發電機的電 壓才能建立。
＊ 表 4-1 各種特性曲線分析表
名稱 無載特性曲線 外部特性曲線 電樞特性曲線 關係 E 對應 IF V 對應IL IF 對應 IA 測定時應保持不變的因素 n（轉速） n、IF（激磁電流） n、V（端電壓）
直流發電機的無載特性曲線，係指以定轉速運轉之發電機，不接負載時， 它的 與 之間的關係曲線。
IF RF2大 RF1小 E2 E3 E1 n1小 n2大
▲ 圖 4-11 臨界場電阻與臨界轉速
4
直 流 發 電 機 之 分 類 、 特 性 及 運 用
91
1
範 例 1
如圖 4-12(a)所示，為某分激發電機在轉速為 1200rpm 時之無 載特性曲線，若場電阻小於臨界場電阻，當場電流為 5A 時， 此發電機電樞繞組可感應多少伏特應電勢？轉速為 1200rpm 之 臨界場電阻為多少？實際場電阻值為多少？
無載特性曲線（no-load characteristic curve）
將發電機運轉，並且維持轉速固定，在不接負載的情況下，改變激磁電流 IF，並觀察發電機的電樞感應電勢 E 有何對應關係，稱為無載特性。而無載特 性曲線，就是 電樞感應電勢 E 與激磁電流 IF 之間的關係曲線， 又稱為無載飽和 曲線或磁化曲線。
端電壓 V V=K n IARA VB IARA壓降 電刷壓降 VB 電樞反應造成 減少，引起的壓降
E
負載電流 IL
▲ 圖 4-8 他激式發電機的外部特性曲線
88
他激式發電機由於磁路有
問題，所以無載特性曲線不是一條直線。
4-4
分激式發電機電壓建立過程
自激式發電機的磁場繞組是與電樞繞組連接，在電樞繞組未感應電勢時， 磁場繞組沒有電源激磁，也就沒有磁通（ ＝ 0）。如此，發電機開始運轉，雖 然有轉速 n，但沒有磁通 ，電樞繞組應該不能感應電勢才對（E ＝ K n，與 成 正比），如圖 4-9 所示，但是為什麼自激式發電機還是可以發電呢？分析如下：
磁 場 繞 組
電 樞 繞 組
構造圖
接線圖
▲ 圖 4-2 他激式直流發電機
82
自激式
自激式發電機的磁場繞組與電樞繞組有電路連接，但為什麼稱為自激式？ 發電機磁場繞組之激磁電流是由電機本身之電樞繞組感應電壓而供應的，不必 仰賴其他電源來激磁，所以稱為自激式。本來發電機需要磁場繞組有磁通才可 以發電（先有磁通才能發電），然而磁場繞組之激磁電流卻也要電機本身之電 樞繞組先感應電壓才能產生（先發電才能有磁通），相互矛盾該如何是好？待 下一節分析！ 自激式發電機又可以分為三類： 串激式（series excited）：串激式之磁場繞組與電樞繞組串聯，如圖 4-3 所示。
匝 數 少 ， 線 徑 粗 ， 電 阻 小 串 激 場 繞 組
串激場繞組
磁場繞組
電樞繞組
構造圖
接線圖
▲ 圖 4-3 串激式直流發電機
分激式（shunt excited）：分激式之磁場繞組與電樞繞組並聯，如圖 4-4 所示。
匝 數 多 ， 線 徑 細 ， 電 阻 大 構造圖 分 激 場 繞 組
4
直 流 發 電 機 之 分 類 、 特 性 及 運 用
認識直流發電機的分類。 熟悉直流發電機的無載特性。 熟悉各式直流發電機的外部特性。 了解分激式發電機電壓建立的條件。 熟悉發電機電壓調整率的計算。 了解直流發電機並聯運用的條件與負載分配。