第8章 直流发电机.ppt

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1、第八章第八章 直流发电机直流发电机8-1 概述概述 现代的电力系统大多数是交流电，但有些场现代的电力系统大多数是交流电，但有些场合还需要用直流电。这时可用电力电子整流装置合还需要用直流电。这时可用电力电子整流装置将交流电变为直流电，也可直接由发电机得来。将交流电变为直流电，也可直接由发电机得来。直流发电机种类很多，按励磁方式可分为：直流发电机种类很多，按励磁方式可分为：他励发电机和自励发电机，其中自励发电机又分他励发电机和自励发电机，其中自励发电机又分为并励、串励和复励三种。为并励、串励和复励三种。8-2 直流发电机的运行原理直流发电机的运行原理1 1、直流发电机稳态运行时的基本方程式、直流发

2、电机稳态运行时的基本方程式 以他励式为例，如右以他励式为例，如右图，根据基尔霍夫电压定图，根据基尔霍夫电压定律得：律得：RLIaRrUERfUEaRa2Ub/IaIaRL为电枢回路各绕组总电阻为电枢回路各绕组总电阻为一对电刷下接触电阻的电压降为一对电刷下接触电阻的电压降1、直流发电机稳态运行时的基本方程式直流发电机稳态运行时的基本方程式 则方程式可改写为：则方程式可改写为：式式(8-1)(8-1)中中 ,此式即为直流此式即为直流发电机的电压平衡方程式。发电机的电压平衡方程式。实际一般不用实际一般不用 ，而是用一个等效电阻，而是用一个等效电阻 ，它是电枢回路总电阻。它是电枢回路总电阻。1、直流发

3、电机稳态运行时的基本方程式直流发电机稳态运行时的基本方程式TT0T1SN nT1=T+T0 （8-2）根据受力平衡原理得：根据受力平衡原理得：原动机驱动转矩原动机驱动转矩 T1与与 n同方向；同方向；T与与n方向相反，为制动转矩。方向相反，为制动转矩。上式即为直流发电机的转上式即为直流发电机的转矩平衡方程式，其中矩平衡方程式，其中T 为电为电磁转矩，磁转矩，T0 为空载阻转矩。为空载阻转矩。当发电机接上负载，电枢电流当发电机接上负载，电枢电流 Ia与气隙磁场与气隙磁场互相作用产生制动性电磁转矩互相作用产生制动性电磁转矩 T。2、稳态运行时的功率关系和电磁关系稳态运行时的功率关系和电磁关系 式式

4、（8-1）两边同乘）两边同乘Ia得得：式中式中 为包括电枢回路串联各绕组中为包括电枢回路串联各绕组中的铜损耗和各电刷接触电阻损耗的总损耗功率，的铜损耗和各电刷接触电阻损耗的总损耗功率，简称铜耗；简称铜耗；是发电机的输出功率。是发电机的输出功率。把式把式（8-2）两边同乘机械角速度）两边同乘机械角速度得得：(8-4)或写成或写成2、稳态运行时的功率关系和电磁关系稳态运行时的功率关系和电磁关系 为电磁功率，即：为电磁功率，即：式式中中P1为原动机输入的机械功率；为原动机输入的机械功率；是发电机空是发电机空载损耗功率，载损耗功率，其中，其中pm是机械损是机械损耗功率，耗功率，pFe是铁损耗功率，是铁

5、损耗功率，pa附加损耗功率。附加损耗功率。把式把式（8-3）代入式（）代入式（8-4）得）得：2、稳态运行时的功率关系和电磁关系稳态运行时的功率关系和电磁关系 式式（8-5）即为发电机的功率平衡方程式，由此）即为发电机的功率平衡方程式，由此式可画出功率流程，如下图所示：式可画出功率流程，如下图所示：他励直流发电机的功率流程他励直流发电机的功率流程总损耗为：总损耗为：2、稳态运行时的功率关系和电磁关系稳态运行时的功率关系和电磁关系发电机的效率为：发电机的效率为：流程图中还画出了励磁功率流程图中还画出了励磁功率pf ，在他励时该功，在他励时该功率由直流电源供给，并励时该功率为内部损耗。率由直流电源

6、供给，并励时该功率为内部损耗。8-3 直流发电机的电枢反应直流发电机的电枢反应 直流电机电枢绕组中有负载电流时，它所产生直流电机电枢绕组中有负载电流时，它所产生的磁动势对励磁绕组磁场的影响，称为的磁动势对励磁绕组磁场的影响，称为电枢反应电枢反应。电枢反应对气隙磁通的大小和分布、电机的运电枢反应对气隙磁通的大小和分布、电机的运行性能、换向的好坏都有影响。行性能、换向的好坏都有影响。1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布 电枢磁动势的空间分布只决定于电枢绕组中电电枢磁动势的空间分布只决定于电枢绕组中电流的分布，以电刷为界的电枢表面电流在空间上是流的分布，以电刷为界的电枢表面电流在空间上是不

7、变的，因此其产生的磁场和磁动势的分布也是固不变的，因此其产生的磁场和磁动势的分布也是固定不变的。定不变的。1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布下图为电刷在几何中线上时电枢磁场的空间分布：下图为电刷在几何中线上时电枢磁场的空间分布：1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布 由磁场分布图可知，磁极中心线下的气隙处电由磁场分布图可知，磁极中心线下的气隙处电枢磁动势为零，在几何中性线处达到最大值。枢磁动势为零，在几何中性线处达到最大值。如何计算电枢磁动势如何计算电枢磁动势Fax？计算电枢线负荷计算电枢线负荷A 计算经过距原点计算经过距原点x处的闭合回路磁动势处的闭合回路磁动势 磁动势方

8、向规定磁动势方向规定 计算计算 Fax 计算每个气隙段磁动势计算每个气隙段磁动势1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布 计算电枢线负荷计算电枢线负荷A 当当 ia（支路电流）一定时，（支路电流）一定时，A是常数。是常数。又称电枢表面单位周长上的电流。又称电枢表面单位周长上的电流。计算经过距原点计算经过距原点x处的闭合回路磁动势处的闭合回路磁动势 根据安培环路定律，忽略铁芯中的磁压降进根据安培环路定律，忽略铁芯中的磁压降进行计算，行计算，注意注意 A 是常数，是常数，x是变量是变量。1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布 在在一一个个极极距距范范围围内内，距距原原点点x处处，每每

9、个个气气隙隙段的电枢磁动势为段的电枢磁动势为:正正磁磁动动势势方方向向从从电电枢枢到到主主极极，负负磁磁动动势势方方向从主极到电枢。向从主极到电枢。每个气隙段磁动势计算每个气隙段磁动势计算 磁动势方向规定磁动势方向规定1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布 计算计算Fax 电电枢枢磁磁动动势势沿沿空空间间呈呈三三角角形形分分布布（实实际际电电枢枢有有齿齿槽槽，呈呈阶阶梯梯形形波波）在在磁磁极极中中心心线线处处为为零零，几几何中心线处达最大值何中心线处达最大值Fa。Fax=A xA为常数。为常数。x变化范围是：变化范围是：0/2，-/20Fa=A /21、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势

10、的空间分布1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布 电枢磁通密度的空间分布电枢磁通密度的空间分布1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布极间范围内：极间范围内：气隙气隙增大，增大，Bax削弱，呈下削弱，呈下凹形。凹形。极靴下：极靴下：气隙均匀，气隙均匀，为常值，为常值，Bax随随Fax变化线性变化。变化线性变化。NS 大大 常值常值 大大常值Bax为马鞍形分布为马鞍形分布 大大1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布 当当电刷不在几何中性线电刷不在几何中性线而在电枢表面移动了一而在电枢表面移动了一段距离段距离b时，电枢表面电流分布的分界线也随电刷时，电枢表面电流分布的分界线也

11、随电刷同时移动，此时可将电枢磁动势分为两个分量：同时移动，此时可将电枢磁动势分为两个分量：与主极轴线重合的与主极轴线重合的直轴磁势直轴磁势Fad和与主极轴线垂直和与主极轴线垂直的的交轴磁势交轴磁势Faq。1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布交轴电枢磁动势：交轴电枢磁动势：直轴电枢磁动势：直轴电枢磁动势：1、电枢磁动势的空间分布、电枢磁动势的空间分布曲线曲线3 3 表示交轴分量表示交轴分量Faq。曲曲线线1 1 表表示示电电刷刷移移动动b时时电电枢枢磁磁动动势势空空间间分分布布曲曲线线仍仍呈呈三三角角形形波波，整整个个波波形形也也随随电电刷刷偏偏移移b，曲曲线线1由由曲曲线线2和和曲曲

12、线线3合成。合成。曲线曲线2 2 表示直轴分量表示直轴分量Fad。x0213bNS fbFaFadFaq电刷不在几何中性线时电刷不在几何中性线时的电枢磁势的电枢磁势。n2、发电机中的电枢反应、发电机中的电枢反应 若若将将电电刷刷逆逆旋旋转转方方向向移移动动，则直轴电枢反应是增磁的则直轴电枢反应是增磁的。由由右右图图可可知知电电刷刷顺顺旋旋转转方方向向转转动动b时时，直直轴轴反反应应磁磁势势Fad的的方方向向与与电电枢枢磁磁动动势势Ff的的方方向向相相反反，即即直直轴轴电电枢枢反反应应是是去去磁磁的。的。1)直轴电枢反应直轴电枢反应x0213bNS fbFaFadFaq电刷不在几何中性线时电刷不

13、在几何中性线时的电枢磁势的电枢磁势。n2、发电机中的电枢反应、发电机中的电枢反应2)交轴电枢反应交轴电枢反应NSBn123mm 右图表示电刷在几何中性线右图表示电刷在几何中性线处，只有交轴电枢反应磁势时处，只有交轴电枢反应磁势时气隙磁场的分布图。气隙磁场的分布图。曲线曲线1 1为主极绕组单独通电为主极绕组单独通电时主极磁密分布曲线。时主极磁密分布曲线。曲线曲线2 2为电枢绕组单独通电时电枢磁为电枢绕组单独通电时电枢磁密分布曲线，两者叠加得到密分布曲线，两者叠加得到曲曲线线3 3，即发电机电枢反应的合，即发电机电枢反应的合成磁密分布曲线。成磁密分布曲线。2、发电机中的电枢反应、发电机中的电枢反应

14、 图中图中m为物理中性线，即磁为物理中性线，即磁密为零的地方，可以看出，电密为零的地方，可以看出，电枢反应使得物理中性线偏离了枢反应使得物理中性线偏离了几何中性线。几何中性线。实际电机中，考虑磁路饱实际电机中，考虑磁路饱和，负载时铁心磁阻增大，和，负载时铁心磁阻增大，实际合成气隙磁密分布曲线实际合成气隙磁密分布曲线如图如图曲线曲线4 4所示，最高峰略所示，最高峰略微下降，即交轴电枢反应起微下降，即交轴电枢反应起去磁作用。去磁作用。NSBn123mm4电枢反应总结电枢反应总结电枢反应：电枢反应：电枢磁动势对主极励磁磁动势建电枢磁动势对主极励磁磁动势建立的气隙磁场的影响。立的气隙磁场的影响。具体表

15、现具体表现（交轴电枢反应交轴电枢反应）：使气隙磁场分布发生畸变；使气隙磁场分布发生畸变；使物理中性线偏移（空载时，电机物理中性线使物理中性线偏移（空载时，电机物理中性线与几何中性线重合；负载时，物理中性线发生与几何中性线重合；负载时，物理中性线发生偏移）；偏移）；考虑磁路饱和呈去磁作用。考虑磁路饱和呈去磁作用。8-4 直流发电机的运行特性直流发电机的运行特性 本节介绍各种直流发电机的不同特性，均以本节介绍各种直流发电机的不同特性，均以转速转速n为常数进行分析，通常有以下三种特性：为常数进行分析，通常有以下三种特性：（1）n常数，常数，I常数，常数，Uf（If），负载特性。），负载特性。如果如果

16、I0，这条特性称为空载特性。，这条特性称为空载特性。（2）n常数，常数，If常数，常数，Uf（I），外特性。），外特性。（3）n常数，常数，U常数，常数，Iff（I），调节特性。），调节特性。1）空载特性曲线）空载特性曲线n=n=n nN N，I=I=0 0，U=fU=f（I If f）原动机拖动发电机，观看速度表，使原动机拖动发电机，观看速度表，使n=nN；刀；刀闸闸K1打开，使打开，使I=0，空载；通过，空载；通过K2加上励磁电流加上励磁电流If，并由调节电阻并由调节电阻Rr使使If在较大范围内变化。在较大范围内变化。调节调节Rr If 0U，使使 U=E 0=CE 0nNRrRfVARL

17、K1K21、他励直流发电机（空载特性）、他励直流发电机（空载特性）测取他励发电机空载特测取他励发电机空载特性曲线的试验线路如右图性曲线的试验线路如右图所示。所示。RrIf U0=1.3UN Rr If U0 If=0-IfU0=-1.3UN-IfIf=0 IfU0=1.3UN01 2345UIf1.3UN-1.3UN空载实验步骤：空载实验步骤：1、他励直流发电机（空载特性）、他励直流发电机（空载特性）从空载特性可以判断该电机磁路的饱和程度。从空载特性可以判断该电机磁路的饱和程度。纵坐标纵坐标U=CEnN换为换为=U/CEnN横坐标横坐标If换为换为zIf空载特性测取目的：空载特性测取目的：空载

18、特性曲线的纵横坐标换个空载特性曲线的纵横坐标换个比例常数就是电机的磁化曲线。比例常数就是电机的磁化曲线。膝点If0UNU 一般设计电机时，使额定电压工作点位于空载一般设计电机时，使额定电压工作点位于空载特性曲线开始弯曲的膝点附近。特性曲线开始弯曲的膝点附近。1、他励直流发电机（空载特性）、他励直流发电机（空载特性）1、他励直流发电机（空载特性）、他励直流发电机（空载特性）If250230If0If02.8A2.5AU0 通过空载特性分析电枢反应通过空载特性分析电枢反应例如例如:空载电压空载电压 U0=230V 查空载特性查空载特性 If=2.5A 负载电压：负载电压：U=230V 当当 I=4

19、3A，Ra=0.4，2Ub=2V时，时，E=U+Ia Ra+2Ub =230+43 0.4+2=250V If0-If0=2.8-2.5=0.3(A)1、他励直流发电机（空载特性）、他励直流发电机（空载特性）将电枢反应去磁作用折算成等效励磁电流：将电枢反应去磁作用折算成等效励磁电流：Ifaq=Faqd/z=If0-If0=0.3(A)上式求出电枢反应的等效励磁电流。上式求出电枢反应的等效励磁电流。换句话说，要想在负载时保持空载同样的电压换句话说，要想在负载时保持空载同样的电压230V，励磁电流要增大励磁电流要增大0.3A，产生产生一方面去平一方面去平衡电枢反应的去磁效应，一方面使感应电动势增大

20、，衡电枢反应的去磁效应，一方面使感应电动势增大，以弥补因以弥补因IaRa的增大使电枢电压减小。的增大使电枢电压减小。2）外特性曲线）外特性曲线n=n=n nN N，I If f=I IfNfN，U=fU=f（I I）刀闸刀闸K1合上，保持合上，保持n=nN，调节电阻，调节电阻Rr使得当负载使得当负载电流电流I=IN 时，端电压时，端电压U=UN，此时，此时If=IfN。保持。保持IfN不不变，调节电阻变，调节电阻RL使负载电流使负载电流I由零变到额定值，测由零变到额定值，测取外特性曲线取外特性曲线U=fU=f（I I）。1、他励直流发电机（外特性）、他励直流发电机（外特性）测取他励发电机外特测

21、取他励发电机外特性曲线的试验线路如右性曲线的试验线路如右图所示。图所示。RrRfVARLK1A1、他励直流发电机（外特性）、他励直流发电机（外特性）外特性下降的原因：外特性下降的原因：U0U0UNICIN IIaRa I电枢反应的去磁效应使电枢反应的去磁效应使E 外特性曲线如右图，曲线随外特性曲线如右图，曲线随负载电流负载电流I的增大而下降。的增大而下降。根据：根据：1、他励直流发电机（外特性）他励直流发电机（外特性）测外特性目的：测外特性目的：外特性的软硬通常由电压调整率来表示，该值外特性的软硬通常由电压调整率来表示，该值可通过外特性算出：可通过外特性算出：式中式中U0是空载时的端电压，一般

22、他励直流发电是空载时的端电压，一般他励直流发电机的电压变化率约为机的电压变化率约为510%。可看出随着可看出随着I变化变化U的变化规律。下降不大的特的变化规律。下降不大的特性称硬特性，若曲线太陡，性称硬特性，若曲线太陡，则电机发电质量不好。则电机发电质量不好。1、他励直流发电机（短路电流）他励直流发电机（短路电流）3）短路电流）短路电流因为：因为：Ia=(E-U)/Ra短路电流：短路电流：Ia=E/Ra，电机会被烧坏。电机会被烧坏。当当U=0时，他励发电机短路时，他励发电机短路电流很大，是额定值的电流很大，是额定值的30倍倍。所以发电机必须安装过电流保护装置，当负所以发电机必须安装过电流保护装

23、置，当负载电流超过允许值时，保护装置立即快速地切断载电流超过允许值时，保护装置立即快速地切断电路，以保护电机。电路，以保护电机。UI01、他励直流发电机（调节特性）他励直流发电机（调节特性）4）调节特性）调节特性 要保持端电压不变，必须增加励磁电流，以补要保持端电压不变，必须增加励磁电流，以补偿电枢反应的去磁作用和电枢回路总电阻压降的偿电枢反应的去磁作用和电枢回路总电阻压降的增大。增大。n=nN，U=UN，If=f(I)当当 RLI，U=CEnN IaRa ，U 将减小。将减小。IfIf0IfN0IINCRLRrRfAAV调节调节 Rr IfU即即 RLIU1、他励直流发电机（效率曲线）他励直

24、流发电机（效率曲线）5）效率曲线）效率曲线 其中，其中，为不变损耗，为不变损耗，为为可变损耗。可变损耗。I 负载电流变化时，效率也随之负载电流变化时，效率也随之改变，直流发电机的效率曲线如改变，直流发电机的效率曲线如右图。右图。1、他励直流发电机（效率曲线）他励直流发电机（效率曲线）令令 可得：可得：与与Ia之间存在二次关系，之间存在二次关系，效率曲线存在一个效率曲线存在一个最大值。最大值。即当发电机在某负载下不变损耗等于可变损耗即当发电机在某负载下不变损耗等于可变损耗时，此时效率最高。时，此时效率最高。一般直流发电机设计在一般直流发电机设计在3/43/4额定负载左右效率最额定负载左右效率最大

25、。大。1）并励直流发电机的自励）并励直流发电机的自励2、并励直流发电机（自励）、并励直流发电机（自励）并励发电机的并励发电机的特点特点是：不提供励磁电源，由电是：不提供励磁电源，由电枢电压提供励磁电源。枢电压提供励磁电源。但是产生电枢电动势（但是产生电枢电动势（U0=CenN）以存在励以存在励磁电流为条件。磁电流为条件。怎样自励？怎样自励？If 取决取决 U0=CenN取决取决 开关开关 K 断开，原动机拖动发电机在额定转速断开，原动机拖动发电机在额定转速nN空载运行，此时电枢电压没有自励起来。空载运行，此时电枢电压没有自励起来。直流发电机：直流发电机：E=U+IaRa空载时：空载时：Ia=0

26、，n=nN空载特性曲线空载特性曲线U=E0=CEnNE0=If(Rf+Rr)+Lf(dif /dt)RrARfAV+-KIfE0RL励磁回路的电阻特性曲线：励磁回路的电阻特性曲线：Uf=If(Rf+Rr)2、并励直流发电机（自励）、并励直流发电机（自励）2、并励直流发电机（自励）、并励直流发电机（自励）右图表示并励发电机自励右图表示并励发电机自励的条件和过程。由于负载电的条件和过程。由于负载电流为零，流为零，IaIf，电枢端电压，电枢端电压UE0，这个电压也是励磁绕，这个电压也是励磁绕组两端的电压。空载特性曲组两端的电压。空载特性曲线和励磁回路电阻特性曲线线和励磁回路电阻特性曲线的交点的交点A

27、即可近似代表此时的即可近似代表此时的工作点工作点。即电机端电压为。即电机端电压为U0，这时励磁电流为，这时励磁电流为If0。IfU0If1If2ErIf3If0E1 E2 E3U0A2、并励直流发电机（自励）、并励直流发电机（自励）剩磁剩磁 r Er If1 1 E1 If2 2 E2 If3 3助磁助磁电压建立过程如下：电压建立过程如下：IfU0If1If2ErIf3If0E1 E2 E3U0A 即电机中剩磁产生电动势即电机中剩磁产生电动势Er，Er在励磁回路产生在励磁回路产生励磁电流励磁电流If1。由于励磁绕组接法正确，。由于励磁绕组接法正确，If1产生的产生的磁动势起增磁作用，使电枢感应

28、电势增至磁动势起增磁作用，使电枢感应电势增至E1，E1又又产生产生If2，如此不断增长，直至，如此不断增长，直至A点为止。点为止。2、并励直流发电机（自励）、并励直流发电机（自励）若极性若极性正确正确，则，则 r与与 1方向方向相同，或相同，或If1产生产生 1是是助磁的。助磁的。IfU0If1If2ErIf3If0E1 E2 E3U0A 如果加大励磁回路电阻如果加大励磁回路电阻Rr，励磁回路总电阻就，励磁回路总电阻就会大于该转速下的临界电阻会大于该转速下的临界电阻Rcr，空载特性曲线和，空载特性曲线和励磁回路电阻特性曲线没有交点，发电机就不能励磁回路电阻特性曲线没有交点，发电机就不能自励建压。自励建压。若极性若极性不正确不正确，则，则 r与与 1方方向相反向相反此时此时E1 U的发电状态判据。的发电状态判据。（2）发电机的励磁方式。）发电机的励磁方式。（3）不同励磁方式对工作特性的影响。）不同励磁方式对工作特性的影响。S8-2S8-7S8-11X8-1本章习题本章习题