第8章 直流发电机
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2 pCu I a Ra —电枢回路的铜耗。
•并励直流发电机
P 1 P M p0
PM P2 p f pcu
P 1P 2 pcu p f pm pFe pa
P2 p
p0 pm pFe pa
式中, p pcu p f pm pFe pa — 并励直流发电机的总损耗。
交轴
8-4 直流发电机的运行特性
发电机运行时转速一般保持为额定值，这时端电压 U 、负 载电流 I 、励磁电流 If 3个物理量其中 1 个保持不变，另外 2 个量之间的关系就构成发电机的一种运行特性。
直流发电机的运行特性：
空载特性：当n=常数且I=0时，U0=f(If)。 外特性：当n=常数且If =常数（或励磁回路总电阻Rf=常数） 时，U=f(I)。 调节特性：当n=常数且U=常数时，If =f(I) 。
1.0 0.8 0.6
d 0 dI a
2 Ia Ra p0
0.4 0.2
O
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
P2 PN
当不变损耗=可变损耗时发生最大效率。
U
+
I
2.并励直流发电机
并励直流发电机建立电压的过程称为自励 过程，满足建压的条件称为自励条件。
G
+
Ia
1）并励直流发电机的自励
空载特性曲线 U0 f (I f )
第八章 直流发电机
8-1 概 述
8-2 直流发电机的运行原理
8-3 直流电机的电枢反应
8-4 直流发电机的运行特性
第八章 直流发电机
基本要求：
1. 掌握直流发电机的基本方程式，并会利用这些方程式进
行计算。
2. 掌握电枢反应的概念，了解电枢反应的性质。 3. 了解各种励磁方式的直流发电机外特性曲线的形状，以 及影响电压变动的因素。 4.掌握并励直流发电机自励建压的条件。
P2 p
UI I Ra P2 pcu
2 a
式中, p pcu pm pFe pa — 他励直流发电机的总损耗。
U
Ea
+
I
p0 pm pFe pa
2 pCu I a Ra
T1
+
n
Ia
P 1 T 1
PM T Ea I a P 2 UI
U
Ea
+
I
T1
+
n
Ia
Ea U I a Ra Ub
Uf
+
T0
T
If
U I a Ra
Ub为一对电刷上的接触电压降；
rj
式中，Ra 为串联于电枢回路中的各种绕组的总电阻；
U b Ra为电枢回路的总电阻，Ra Ra 。 Ia
Ea U I a Ra
2.直流电机的电枢反应 1）交轴电枢反应
nG
N
S
b ( x)
ba ( x)
nM
b0 ( x)
使气隙磁场发生畸变。 使物理中性线偏移几何中性线一个角度。 考虑磁路饱和的影响，具有去磁作用。
物理中性线
交轴去磁电 枢反应
U
Ea
+
I
T Ct I a
T1
稳态运行时的转矩平衡方程式：
+
n
Ia
T1 T T0
Uf
+
T0
T
If
rj
3.电磁功率和功率平衡方程式
1）电磁功率
电磁功率：机电能量转换过程中的转换功率。
pz Ea n Ce n 60a
pZ T I a Ct I a 2 πa
di f dt
Lf
di f dt
U0 i f Rf
临界电阻线
U f f (I f )
U0 f ( I f )
1
并励直流发电机的稳定工 作点：空载特性曲线和励磁 回路电阻线的交点。
U0
E0
C
5
4பைடு நூலகம்
2
A
临界电阻 Rcr ：转速一定时， 3 与磁化曲线的直线部分重合 的励磁回路电阻线对应的电 阻。
U
Ea
+
I
+
n
Ia
T1 T T0
即
T1 T T0
T1
T
P 1 P M p0
T0
If
式中, P — 直流发电机的输入功率； 1 T 1
rj
p0 — 直流发电机的空载损耗， p0 pm pFe pa ；
p a— 直流电机的附加损耗，国家标准规定有补偿 绕组的按 PN 的0.5%，无补偿绕组的按 PN 的1%估 算。
2）直轴电枢反应
Fad
Faq
Fad
Faq
电刷顺转向偏移 电刷逆转向偏移 直流发电机 直轴去磁 直轴助磁
直轴助磁 直轴去磁
直流电动机
Fad
Faq Faq
Fad
Faq
电枢反应的性质
电刷在几何中性线上 电刷顺转向偏移 直流发电机 直流电动机 交轴 交轴和直轴去磁 交轴和直轴助磁 电刷逆转向偏移 交轴和直轴助磁 交轴和直轴去磁
F
+
2.自励直流发电机 1）并励直流发电机
U
+
I
Ia I I f
G
+
Ia
If
F
2）串励直流发电机
U
+
F
Ia I f I
3）复励直流发电机
I
U
I
If
G
U
+
Ia
+
+
If2
G
F2
+
Ia
I
If2
G
F2
+
Ia
I f1
F1
I f1
F1
短复励直流发电机
长复励直流发电机
8-2 直流发电机的运行原理
N
S
-x
0 f b
x
fa ( x)
0
x
取原点o在主极轴线与电枢表面的交点处，则当磁路不饱和 时，在距原点x处每个气隙的电枢磁动势为
Zia 1 2x x Ax[ A] f a ( x) ( Zia ) 2 p 2 2 p
2
x
2
Zia 式中，A—电枢的线负荷(A/m)，A 。 2 p
T1
T
+
n
Ia
Ia I I f
3）串励直流发电机
T0
If
Ia I I f
注意：电枢回路的电压方程式中应 加入串励绕组的电阻压降。
I
rj
U
+
F
If
G
Ea
+
Ia
2. 转矩平衡方程式
作用在直流发电机转轴上的转矩： •原动机输入给发电机的驱动转矩T1； •电磁转矩T； •机械摩擦及铁耗引起的空载转矩T0。 电磁转矩： 制动转矩
Lf
di f dt
Er B O
i f Rf
if
If
并励直流发电机的自励条件
电机有剩磁； 励磁绕组并联到电枢两端的极性正确； 励磁回路的总电阻小于电机运行转速下的临界电阻。
实际应用中，并励直流发电机自励而电压未能建立时，应先 减小励磁回路的外串电阻，看电压是否能建立，不行再改变 励磁绕组与电枢绕组连接的极性，若电压还不能建立，则应 考虑可能没有剩磁，充磁后，再进行自励发电。
2）空载特性
并励发电机的空载特性和他励直流发电机相同。
3）外特性
定义：当n=nN且励磁回路总电阻 Rf =常数时，U=f(I)。
U
并励直流发电机外特性下垂的原因： 电枢反应的去磁作用。 电枢回路电阻压降的存在。 端电压下降，引起励磁电流减小。
U0
If
E0
2
F
U f f (I f )
U0 f ( I f )
1
U 0 E0 I a Ra E0 I f Ra E0
励磁回路的电阻特性曲线
E1
A
U f I f Rf f (I f )
Er
O I f1 I f 2
If
在发电机自励过程中，励磁回路的电压方程式为
U0 i f Rf Lf
U
U0 UN
C
U0 U N U 100% UN
他励直流发电机，U(510)%。
O
IN
I
If
3）调节特性
I fN
If0
定义：当 n=nN 且 U=UN 时， If =f(I) 。
O
IN
I
4）效率特性
定义：当n=常数且U=常数时，=f(P2) 。
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
8-1 概 述
•励磁磁场：励磁绕组通以直流电流建立的磁场，也称为主 磁场。
•励磁方式：励磁绕组的供电方式。
直流电机的励磁方式不同时，其运行特性有很大差别。
他励直流发电机 直流发电机
并励直流发电机
自励直流发电机
串励直流发电机
复励直流发电机
1.他励直流发电机
U
+
I
Ia I
Uf
G +
Ia
If
U0 UN
C
U Ea I a Ra Cen I a Ra
Ia
Ia
电枢反应的 去磁作用增强
O
IN
I
Ea
U
I a Ra
U
电压调整率：发电机从额定负载 (U=UN ， I=IN) 过渡到空载 (U=U0 ， I=0)时，端电压升高的数值对额定 电压的百分比，即
直流发电机：Ea>U 励磁回路的电压方程式：
U
Ea
+
I
T1
+
n
Ia
U f I f (rf rj ) I f R f
式中， Rf =rf+rj — 励磁回路的总电阻； rf — 励磁绕组本身的电阻；
Uf
+
T0
T
If
rj
rj — 励磁绕组的调节电阻。
U
Ea
+
I
2）并励直流发电机
U f U
1.他励直流发电机
1）空载特性
定义：当n=常数且I=0时，U0=f(If)。 空载特性可通过空载实验或 磁路计算求得。
U0
平均空载特性 曲线
U0 Ea Ce0nN 0
I f F0
空载特性曲线的形状与磁化 特性曲线相同。
Er O
O
If
2）外特性
定义：当 n=nN且If =IfN（对并励直流发电机，指励磁回路 总电阻Rf =常数）时，U=f( I )。 U 他励直流发电机外特性下垂的原因： 电枢反应的去磁作用。 电枢回路电阻压降的存在。
2）电刷不在几何中性线上
N S
Fad
Faq
f
Fad
Fa
Faq
0
b 2
x
b
电刷偏离几何中性线时，电枢磁动势可分解成交轴电枢磁 动势和直轴电枢磁动势。
2b •交轴电枢磁动势的最大值 Faq Fa A( b)[ A] 2 2b •直轴电枢磁动势的最大值 Fad Fa Ab[ A]
P2 p 1 P P2 p 1
p pcu pm pFe pa pcu p0
pCu I Ra I —可变损耗
2 a
2 a
O
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
p0 pm pFe pa —不变损耗
P2 PN
P2 UI a
UI a P2 2 P UI I 1 a a Ra p0
基本方程式：（1）电压方程式；（2）转矩平衡方程式； （3）功率平衡方程式。 各物理量的正方向按发电机惯例规定。
U
Ea
+
I
U
Ea
+
I
T1
T
+
n
Ia
T1
+
n
Ia
T0
If
Uf
+
T0
T
If
rj
并励直流发电机原理
rj
他励直流发电机原理
1.电压方程式 1）他励直流发电机 I a I
电枢回路的电压方程式：
Uf
+
T0
T
If
他励直流发电机的功率流程图
rj
8-3 直流电机的电枢反应
•电枢磁场：电枢电流产生的磁场。
•电枢反应：电枢磁动势对励磁磁场的影响。
1.电枢磁动势的空间分布
1）电刷在几何中性线上
在电枢表面被电刷短路的元件边在电枢 的几何中性线上。
规定磁动势的正方向：磁力线从电枢指 向磁极为正，反之为负。
pZ 2 πn pZ I a T Ea I a n I a 2 πa 60 60a
电磁功率
PM Ea I a T
物理意义：直流发电机转子旋转时克服制动性质的电磁 转矩 T 所消耗的机械功率 T 转换为等量的电枢回路中的 电功率EaIa。
2）功率平衡方程式
•并励直流发电机
•并励直流发电机
U
Ea
+
I
PM Ea I a
Ea U I a Ra
T1
T
+
n
Ia
Ia I I f
PM UI UI f I Ra
2 a
T0
If
rj
P2 p f pcu
式中, P2 UI — 直流发电机的输出功率；
p f UI f —直流电机的励磁损耗；
N
S
Faq
-x
0 f b
x
ba ( x)
fa ( x)
A 2
0
x
电刷位于几何中性线上时的电枢磁动势为交轴电枢磁动势。
在几何中性线处，电枢磁动势达到最大值，即
1 Faq Fa A [ A] 2
电枢磁密
Ax f a ( x) 0 ba ( x) 0 Ha ( x) 0 ( x) ( x)
U
Ea
+
I
2 pCu I a Ra
pf I 2 f Rf
T1
T
+
n
Ia
P 1 T 1
PM T Ea I a
P2 UI
T0
If
并励直流发电机的功率流程图
rj
•他励直流发电机
P 1 P M p0
PM Ea I a (U I a Ra )I a
P 1P 2 pcu pm pFe pa
•并励直流发电机
P 1 P M p0
PM P2 p f pcu
P 1P 2 pcu p f pm pFe pa
P2 p
p0 pm pFe pa
式中, p pcu p f pm pFe pa — 并励直流发电机的总损耗。
交轴
8-4 直流发电机的运行特性
发电机运行时转速一般保持为额定值，这时端电压 U 、负 载电流 I 、励磁电流 If 3个物理量其中 1 个保持不变，另外 2 个量之间的关系就构成发电机的一种运行特性。
直流发电机的运行特性：
空载特性：当n=常数且I=0时，U0=f(If)。 外特性：当n=常数且If =常数（或励磁回路总电阻Rf=常数） 时，U=f(I)。 调节特性：当n=常数且U=常数时，If =f(I) 。
1.0 0.8 0.6
d 0 dI a
2 Ia Ra p0
0.4 0.2
O
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
P2 PN
当不变损耗=可变损耗时发生最大效率。
U
+
I
2.并励直流发电机
并励直流发电机建立电压的过程称为自励 过程，满足建压的条件称为自励条件。
G
+
Ia
1）并励直流发电机的自励
空载特性曲线 U0 f (I f )
第八章 直流发电机
8-1 概 述
8-2 直流发电机的运行原理
8-3 直流电机的电枢反应
8-4 直流发电机的运行特性
第八章 直流发电机
基本要求：
1. 掌握直流发电机的基本方程式，并会利用这些方程式进
行计算。
2. 掌握电枢反应的概念，了解电枢反应的性质。 3. 了解各种励磁方式的直流发电机外特性曲线的形状，以 及影响电压变动的因素。 4.掌握并励直流发电机自励建压的条件。
P2 p
UI I Ra P2 pcu
2 a
式中, p pcu pm pFe pa — 他励直流发电机的总损耗。
U
Ea
+
I
p0 pm pFe pa
2 pCu I a Ra
T1
+
n
Ia
P 1 T 1
PM T Ea I a P 2 UI
U
Ea
+
I
T1
+
n
Ia
Ea U I a Ra Ub
Uf
+
T0
T
If
U I a Ra
Ub为一对电刷上的接触电压降；
rj
式中，Ra 为串联于电枢回路中的各种绕组的总电阻；
U b Ra为电枢回路的总电阻，Ra Ra 。 Ia
Ea U I a Ra
2.直流电机的电枢反应 1）交轴电枢反应
nG
N
S
b ( x)
ba ( x)
nM
b0 ( x)
使气隙磁场发生畸变。 使物理中性线偏移几何中性线一个角度。 考虑磁路饱和的影响，具有去磁作用。
物理中性线
交轴去磁电 枢反应
U
Ea
+
I
T Ct I a
T1
稳态运行时的转矩平衡方程式：
+
n
Ia
T1 T T0
Uf
+
T0
T
If
rj
3.电磁功率和功率平衡方程式
1）电磁功率
电磁功率：机电能量转换过程中的转换功率。
pz Ea n Ce n 60a
pZ T I a Ct I a 2 πa
di f dt
Lf
di f dt
U0 i f Rf
临界电阻线
U f f (I f )
U0 f ( I f )
1
并励直流发电机的稳定工 作点：空载特性曲线和励磁 回路电阻线的交点。
U0
E0
C
5
4பைடு நூலகம்
2
A
临界电阻 Rcr ：转速一定时， 3 与磁化曲线的直线部分重合 的励磁回路电阻线对应的电 阻。
U
Ea
+
I
+
n
Ia
T1 T T0
即
T1 T T0
T1
T
P 1 P M p0
T0
If
式中, P — 直流发电机的输入功率； 1 T 1
rj
p0 — 直流发电机的空载损耗， p0 pm pFe pa ；
p a— 直流电机的附加损耗，国家标准规定有补偿 绕组的按 PN 的0.5%，无补偿绕组的按 PN 的1%估 算。
2）直轴电枢反应
Fad
Faq
Fad
Faq
电刷顺转向偏移 电刷逆转向偏移 直流发电机 直轴去磁 直轴助磁
直轴助磁 直轴去磁
直流电动机
Fad
Faq Faq
Fad
Faq
电枢反应的性质
电刷在几何中性线上 电刷顺转向偏移 直流发电机 直流电动机 交轴 交轴和直轴去磁 交轴和直轴助磁 电刷逆转向偏移 交轴和直轴助磁 交轴和直轴去磁
F
+
2.自励直流发电机 1）并励直流发电机
U
+
I
Ia I I f
G
+
Ia
If
F
2）串励直流发电机
U
+
F
Ia I f I
3）复励直流发电机
I
U
I
If
G
U
+
Ia
+
+
If2
G
F2
+
Ia
I
If2
G
F2
+
Ia
I f1
F1
I f1
F1
短复励直流发电机
长复励直流发电机
8-2 直流发电机的运行原理
N
S
-x
0 f b
x
fa ( x)
0
x
取原点o在主极轴线与电枢表面的交点处，则当磁路不饱和 时，在距原点x处每个气隙的电枢磁动势为
Zia 1 2x x Ax[ A] f a ( x) ( Zia ) 2 p 2 2 p
2
x
2
Zia 式中，A—电枢的线负荷(A/m)，A 。 2 p
T1
T
+
n
Ia
Ia I I f
3）串励直流发电机
T0
If
Ia I I f
注意：电枢回路的电压方程式中应 加入串励绕组的电阻压降。
I
rj
U
+
F
If
G
Ea
+
Ia
2. 转矩平衡方程式
作用在直流发电机转轴上的转矩： •原动机输入给发电机的驱动转矩T1； •电磁转矩T； •机械摩擦及铁耗引起的空载转矩T0。 电磁转矩： 制动转矩
Lf
di f dt
Er B O
i f Rf
if
If
并励直流发电机的自励条件
电机有剩磁； 励磁绕组并联到电枢两端的极性正确； 励磁回路的总电阻小于电机运行转速下的临界电阻。
实际应用中，并励直流发电机自励而电压未能建立时，应先 减小励磁回路的外串电阻，看电压是否能建立，不行再改变 励磁绕组与电枢绕组连接的极性，若电压还不能建立，则应 考虑可能没有剩磁，充磁后，再进行自励发电。
2）空载特性
并励发电机的空载特性和他励直流发电机相同。
3）外特性
定义：当n=nN且励磁回路总电阻 Rf =常数时，U=f(I)。
U
并励直流发电机外特性下垂的原因： 电枢反应的去磁作用。 电枢回路电阻压降的存在。 端电压下降，引起励磁电流减小。
U0
If
E0
2
F
U f f (I f )
U0 f ( I f )
1
U 0 E0 I a Ra E0 I f Ra E0
励磁回路的电阻特性曲线
E1
A
U f I f Rf f (I f )
Er
O I f1 I f 2
If
在发电机自励过程中，励磁回路的电压方程式为
U0 i f Rf Lf
U
U0 UN
C
U0 U N U 100% UN
他励直流发电机，U(510)%。
O
IN
I
If
3）调节特性
I fN
If0
定义：当 n=nN 且 U=UN 时， If =f(I) 。
O
IN
I
4）效率特性
定义：当n=常数且U=常数时，=f(P2) 。
1.0 0.8 0.6 0.4 0.2
8-1 概 述
•励磁磁场：励磁绕组通以直流电流建立的磁场，也称为主 磁场。
•励磁方式：励磁绕组的供电方式。
直流电机的励磁方式不同时，其运行特性有很大差别。
他励直流发电机 直流发电机
并励直流发电机
自励直流发电机
串励直流发电机
复励直流发电机
1.他励直流发电机
U
+
I
Ia I
Uf
G +
Ia
If
U0 UN
C
U Ea I a Ra Cen I a Ra
Ia
Ia
电枢反应的 去磁作用增强
O
IN
I
Ea
U
I a Ra
U
电压调整率：发电机从额定负载 (U=UN ， I=IN) 过渡到空载 (U=U0 ， I=0)时，端电压升高的数值对额定 电压的百分比，即
直流发电机：Ea>U 励磁回路的电压方程式：
U
Ea
+
I
T1
+
n
Ia
U f I f (rf rj ) I f R f
式中， Rf =rf+rj — 励磁回路的总电阻； rf — 励磁绕组本身的电阻；
Uf
+
T0
T
If
rj
rj — 励磁绕组的调节电阻。
U
Ea
+
I
2）并励直流发电机
U f U
1.他励直流发电机
1）空载特性
定义：当n=常数且I=0时，U0=f(If)。 空载特性可通过空载实验或 磁路计算求得。
U0
平均空载特性 曲线
U0 Ea Ce0nN 0
I f F0
空载特性曲线的形状与磁化 特性曲线相同。
Er O
O
If
2）外特性
定义：当 n=nN且If =IfN（对并励直流发电机，指励磁回路 总电阻Rf =常数）时，U=f( I )。 U 他励直流发电机外特性下垂的原因： 电枢反应的去磁作用。 电枢回路电阻压降的存在。
2）电刷不在几何中性线上
N S
Fad
Faq
f
Fad
Fa
Faq
0
b 2
x
b
电刷偏离几何中性线时，电枢磁动势可分解成交轴电枢磁 动势和直轴电枢磁动势。
2b •交轴电枢磁动势的最大值 Faq Fa A( b)[ A] 2 2b •直轴电枢磁动势的最大值 Fad Fa Ab[ A]
P2 p 1 P P2 p 1
p pcu pm pFe pa pcu p0
pCu I Ra I —可变损耗
2 a
2 a
O
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
p0 pm pFe pa —不变损耗
P2 PN
P2 UI a
UI a P2 2 P UI I 1 a a Ra p0
基本方程式：（1）电压方程式；（2）转矩平衡方程式； （3）功率平衡方程式。 各物理量的正方向按发电机惯例规定。
U
Ea
+
I
U
Ea
+
I
T1
T
+
n
Ia
T1
+
n
Ia
T0
If
Uf
+
T0
T
If
rj
并励直流发电机原理
rj
他励直流发电机原理
1.电压方程式 1）他励直流发电机 I a I
电枢回路的电压方程式：
Uf
+
T0
T
If
他励直流发电机的功率流程图
rj
8-3 直流电机的电枢反应
•电枢磁场：电枢电流产生的磁场。
•电枢反应：电枢磁动势对励磁磁场的影响。
1.电枢磁动势的空间分布
1）电刷在几何中性线上
在电枢表面被电刷短路的元件边在电枢 的几何中性线上。
规定磁动势的正方向：磁力线从电枢指 向磁极为正，反之为负。
pZ 2 πn pZ I a T Ea I a n I a 2 πa 60 60a
电磁功率
PM Ea I a T
物理意义：直流发电机转子旋转时克服制动性质的电磁 转矩 T 所消耗的机械功率 T 转换为等量的电枢回路中的 电功率EaIa。
2）功率平衡方程式
•并励直流发电机
•并励直流发电机
U
Ea
+
I
PM Ea I a
Ea U I a Ra
T1
T
+
n
Ia
Ia I I f
PM UI UI f I Ra
2 a
T0
If
rj
P2 p f pcu
式中, P2 UI — 直流发电机的输出功率；
p f UI f —直流电机的励磁损耗；
N
S
Faq
-x
0 f b
x
ba ( x)
fa ( x)
A 2
0
x
电刷位于几何中性线上时的电枢磁动势为交轴电枢磁动势。
在几何中性线处，电枢磁动势达到最大值，即
1 Faq Fa A [ A] 2
电枢磁密
Ax f a ( x) 0 ba ( x) 0 Ha ( x) 0 ( x) ( x)
U
Ea
+
I
2 pCu I a Ra
pf I 2 f Rf
T1
T
+
n
Ia
P 1 T 1
PM T Ea I a
P2 UI
T0
If
并励直流发电机的功率流程图
rj
•他励直流发电机
P 1 P M p0
PM Ea I a (U I a Ra )I a
P 1P 2 pcu pm pFe pa