直流电机的一些特性

直流发电机的特性

直流发电机运行时，主要有四个主要物理量，即发电机转速 n 、发电机端电压 U 、电枢电流 I a （或输出电流 I ）和励磁电流 I f 。直流发电机的稳态特性主要有两条：一条是外特性，表征输出电压质量；一条是励磁调节用的调整特性。

一、他励直流发电机

1. 空载特性

当 n= n N 时， I a =0 ，励磁绕组加上励磁电压 U ，调节励磁电流 I f0 ，直流发电机的空载端电压 U 0 和励磁电流 I f0 关系，即为空载运行时特性曲线 U 0 =f( I f0 ) 。

空载特性可以通过空载实验来测定，发电机的转子由原动机拖动，转速 n 保持恒定，逐步调节励磁回路的电阻 R ，使励磁电流单方向增大测取 U 0 和 I f0 ，直到电枢电压 U 0 =1.25 U N ，然后单方向减少 R ，测取 U 0 及 I f0 ，取其各点的平均值 U 0 ，作出的特性曲线。

图2-7-1-1 直流发电机空载特性

由于电动势 E a 与磁通Φ 成正比，所以空载特性曲线的形状与磁化曲线相似。空载特性不经过零点，即 I f0 =0 时，电枢绕组中仍有电动势 E r 存在，这主要是因为主磁极中有剩磁存在的缘故。通常为电机额定电压的 2%~4% 。因为空载特性表明的是直流电机磁路特性，所以对于并励和复励发电机空载特性也可以他励方式测取。

二、并励直流发电机

1. 并励直流发电机的自励过程与条件

并励直流发电机的励磁电流 I f 由发电机自身电压供给，不需要其他直流电源，应用方便，但是励磁绕组若不是先有了励磁电流 I f 建立磁场，发电机电压就无法产生。如何在一定条件下使并励直流发电机自励，即使其发电机电压建立并与励磁电流 I f 配合，达到所需要的数值,这种发电机自己建立电压的过程，称为自励过程。

图2-7-1-2 并励直流发电机的自励建压过程

图2-7-1-2中的曲线l是发电机的空载特性曲线，即 U 0 =f( I f ) ；直线2是励磁回路的伏安特性曲线，即 R f I f = U f =f( I f ) ；其中 R f 是励磁绕组本身的电阻，伏安特性曲线是一条通过原点的直线。

并励直流发电机电压建立的过程与条件如下：当发电机以额定转速旋转时，由于主磁极有剩磁，电枢切割剩磁磁感线产生剩磁电动势为 E r ，在励磁回路产生励磁电流 I f1 ，即图中a点横坐标对应的电流。如果极性正确，励磁电流 I f1 会在主磁路里产生与剩磁方向相同的磁通，使气隙磁场增强，并产生了新的电动势 E 1 ，电枢电动势增大。 E 1 在励磁回路又产生励磁电流，自励过程沿着图2-7-1-2中折线反复进行下去，直到A点。如果励磁绕组与电枢绕组的连接不正确，由剩磁电动势 E r 产生的励磁电流 I f1 所产生的磁场与剩磁磁场方向相反，剩磁被削弱，发电机就不能自励，电压就建立不起来。在并励直流发电机电压逐渐建立的过程中，发电机电压U在励磁回路产生励磁电流 I f1 ，而由励磁电流I f1 产生电枢电动势 E ，所以既要满足电机的空载特性又要满足励磁回路的伏安特性，因此最后必然稳定在这两条特性的交点 A 上， A 点所对应的电压为发电机自励建立起来的空载电压。

伏安特性曲线的斜率与励磁回路总电阻的大小有关，增大电阻，斜率加大， A 点沿空载特性下移，空载电压降低。当励磁回路总电阻增加到 R ef 时，伏安特性与空载特性直线部分相切，空载电压没有稳定值，这时励磁回路的电阻值 R ef 为临界电阻，如图2-7-1-2曲线3。如果励磁回路总电阻大于临界电阻，空载电压就无法建立。如图2-7-1-2曲线4所示。

综上所述，并励发电机的自励条件有三个：

(1) 发电机的主磁路必须有剩磁；

(2) 励磁绕组并接在电枢两端的极性应正确，使励磁绕组产生的磁通势方向必须与剩磁相同；

(3) 励磁回路的总电阻必须小于该转速下的临界电阻 R ef 。

三、他励直流发电机外特性

当转速 n 和励磁电流 I f 保持不变时，发电机的输出电压 U 与输出电流 I 的关系

U=f(I) 称为发电机的负载运行特性即外特性。外特性可以通过负载实验来测定，他励直流发电机与负载接通以后，电机向负载供电。负载增加时，输出电流增加，电枢电阻上的分压R a I a 增大，使发电机的输出电压 U 下降。负载增加时，当输出电流增加时，由于电枢反应的去磁作用也加强， E 减小，故输出电压也下降。

他励直流发电机负载运行特性曲线是一微微下垂的特性。如果转速 n 和励磁电流 I f 都为额定值，当输出电流 I=I 时，发电机输出电压为 U=U 为满载。

图2-7-2-1 他励直流发电机外特性

负载对输出电压的影响还可以通过电压调整率表示，即

Δ U N = U 0 − U N U N ×100%

一般的他励直流发电机的电压变化率约为5～10%。

当他励发电机在额定励磁下短路，即端电压为零，由于 R a 很小，所以 I k 很大，可达到额定电流的二三十倍，故他励发电机不允许在额定励磁下发生持续短路。

四、并励直流发电机的外特性

并励发电机的运行特性中的调整特性与他励相似，我们这里只讨论并励发电机的外特性。与他励直流发电机的负载运行特性曲线相比，并励发电机的外特性有三个特点：

(1) 负载增大时，端电压下降较快，电压变化率要大得多，约在15%～30%。这是因为，在并励时，除了像他励时存在的电枢反应去磁效应和电枢回路电阻的压降两个因素外，还有第三个因素，即当端电压降低后又引起励磁电流的减小，使每极磁通和感应电动势减少，还会使端电压进一步降低。

(2) 并励发电机的外特性有拐弯现象。这是由于 I=U/R ，当负载电阻 R 减小、负载电流增大、端电压降到一定值时，磁路将处于低饱和状态，此时若进一步减小 R ，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电枢电动势较大幅度的下降，结果使端电压 U 的下降比 R 减小的更快，于是外特性出现拐弯现象，即端电压下降、负载电流也下降，一般拐点处的电流值约为2～3倍 I N 。