第二十三章 直流发电机.ppt

电机技术,直流电机篇,直流电机,第五篇,第二十三章直流发电机,第二十三章直流发电机,本章节基本要求：,掌握并励直流发电机的自励过程以及自励的条件；,理解直流发电机的电动势、功率和转矩这三个基本方程式，并能用相应的方程式解决相关的直流发电机的问题；,掌握他励直流发电机的空载特性、外特性和调节特性；知道并励直流发电机的特性；了解复励直流发电机的外特性。,本章节重点和难点：,重点:并励直流发电机的自励过程及条件；直流发电机的基本方程式；直流发电机的运行特性。,难点:并励发电机的自励过程；转矩方程式的导出；空载特性和外特性。,直流发电机是把机械能转化为直流电能的机器。它主要作为直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电及交流发电机的励磁等所需的直流电源。虽然在需要直流电的地方，也用电力整流元件，把交流电变成直流电，但从使用方便、运行的可靠性及某些工作性能方面来看，交流电整流还不能和直流发电机相比。,直流电机是电机的主要类型之一。一台直流电机即可作为发电机使用，也可作为电动机使用，用作直流发电机可以得到直流电源，而作为直流电动机，由于其具有良好的调速性能，在许多调速性能要求较高的场合，仍得到广泛使用。,第二十三章直流发电机,引言,供给发电机励磁绕组电流的方式称为励磁方式。分为他励和自励两大类，自励方式又分并励、串励和复励三种方式。,直流电机的励磁方式,他励,并励,串励,复励,特点:励磁磁场与电枢电流无关，永磁直流电机也属于他励直流电机。,特点:励磁电压等于电枢绕组端电压，励磁电流随电枢两端的电压的变化而变化。,特点:励磁电流等于电枢电流。,特点:兼有并励和串励。,他励直流发电机运行特性好，但励磁回路需一直流电源供电，若实际应用中没有条件，可采用并励，这样就不需设制专门的直流励磁电源了。并励发电机是应用较为广泛的直流发电机，因为它的励磁电流取自发电机本身而不需要其他直流电源供给励磁。,第一节并励直流发电机的自励条件,并励发电机是一种电机直接反馈系统。就性质而言，并励发电机的自励是一种正反馈作用，即输出量回授到输入端，以加强系统的输入量，使发电机的电压逐步建立起来。,问题：在发电机投入运行时，励磁绕组中并无电流，电枢绕组又如何能使发电机的电压逐步建立起来呢?,并励发电机刚投入运行时，电压尚未建立，励磁电流If=0，此时要使旋转的电枢绕组能产生电动势并开始发电，则发电机的铁芯必须要有剩磁，才能产生最初的电动势，从而获得最初的励磁电流。一般的说，电机的主磁极通常总有剩磁存在。,1.自励过程,当发电机在原动机带动下以恒定的额定转速nN运转时，在有剩磁条件下，电枢绕组切割剩磁，则电枢绕组中产生感应电势Er（约为25%UN），从而在发电机电枢两端建立剩磁电压Ur，在剩磁电压Ur作用下，产生一个不大的励磁电流If（If=Ur/Rf），此电流所产生的励磁磁势，如果其方向与剩磁方向相同而形成正反馈作用，则气隙磁场得以加强，使电枢的感应电势升高，端电压的升高，又使励磁电流增大，回授进一步增大，气隙磁场更加强，如此反复，最终使电枢端电压建立。,2.利用空载曲线说明自励条件,直流发电机励磁回路的场阻线是:励磁回路的电阻压降和励磁电流成正比的关系曲线，即U=IfRf。如图所示的曲线2。,直流发电机的空载特性是:空载时端电压U和励磁电流If的关系曲线，即U=f(If)。如图所示的曲线1。,图中交点F就是自励时发电机的稳定运行工作点(额定点)。,利用图象进一步分析并励发电机的建压过程，如图所示。,在自励过程中，发电机的电压是否会无限制地增长下去呢？,问题:,并励直流发电机的自励建压过程说明,当励磁磁势建立的气隙磁场，感应产生的端电压恰好等于该励磁电流通过励磁回路所需的电阻压降，励磁回路便没有了使励磁电流再增加的电压差，自励将达到稳定值。,一般的说，电机的主磁极通常总有剩磁存在，原动机拖动转子旋转，电枢绕组切割剩磁场，产生一个不大的剩磁感应电势。这一电势加到励磁绕组将产生一个不大的励磁电流。该励磁电流产生的磁势如果和剩磁同方向，将相互加强，会建立起稳定电压。该励磁电流产生的磁势如果和剩磁反方向，将相互减弱，无法建立稳定电压。可见励磁绕组的接线方式对建立电压很重要。,3.临界场阻线,若空载特性曲线与励磁电阻线有确定的交点，就有确定的稳定空载电压。,若增大励磁电阻Rf，励磁电阻线的斜率增大，交点F左移，自励建立的空载端电压降低，如图所示曲线3。,若继续增大励磁电阻Rf，励磁电阻线的斜率继续增大，当两线交点很低或无交点，空载端电压就建立不起来，如图所示曲线4。,若励磁电阻Rf增大到某一个数值时，励磁电阻线恰与空载特性的直线部分相切时，两线无固定的交点。此时，自励建立的空载端电压就不能稳定在某一数值上，如图所示曲线5。,与空载特性曲线相切的电阻线称为临界场阻线。对应的励磁电阻值称为临界电阻。,必须明确，发电机的转速不同时，空载特性也不同。因此，对应于不同的转速便有不同的临界电阻，转速降低，与之相对应的临界电阻也随之减小。,如果励磁绕组本身的电阻即已超过所对应的临界电阻值，电机是不可能自励的，这时唯一的办法是提高电机的转速，从而提高其临界电阻值。,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。,并励发电机自励建压条件：1.电机中要有剩磁；2.励磁绕组与电枢绕组并接正确；3.励磁回路电阻应小于电机运行转速相对应的建压临界电阻。,问题：并励直流发电机能自励的基本条件是什么？若某台并励发电机正转能自励，其他条件不变，以同样的速度反转能否自励？此时应如何处理？,1.并励发电机自励建立稳定电压的条件：(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，即“充磁”，使电机剩磁得到恢复。(2)励磁绕组与电枢的联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，故调节励磁回路总电阻小于此时的临界电阻即可。,2.并励发电机正转能自励，其他条件不变，以同样的速度反转不能自励,3.只要将励磁绕组并联到电枢的两端点对调一下即可。,第二节直流发电机的基本方程,直流发电机稳定运行时，电动势、功率和转矩等方面分别存在一定的平衡关系，这些平衡方程式是表征发电机运行状态的基本方程式，综合反映了电机内部基本的电磁关系。发电机的基本方程式与其励磁方式有关。,一、电动势方程式,发电机在原动机驱动下旋转，电枢绕组切割磁感线感应电动势，电动势方向可用右手定则判断。发电机带上负载后，电动势决定了电枢电流的方向，即电枢电流与电动势方向相同，如图所示。,按示意图中规定的各物理量方向，由基尔霍夫电压定律可得电枢回路的电动势方程式为:,式中:Ra为电枢回路的总电阻，它包括电枢绕组、换向绕组、补偿绕组的电阻以及电刷和换向器间的接触电阻等。,由接线图可知，对于并励发电机，由基尔霍夫电流定律可得:,式中:I为输出的负载电流，If为励磁电流。,上式表明:直流发电机的EaU，这是判断直流电机运行在发电机状态的依据。且Ea决定了Ia的方向，即Ea与Ia同方向。,二、功率方程式,并励发电机的功率流程图，如图所示。,由流程图可得功率平衡方程式为:,电磁功率PM可用对应的电磁转矩M表示为:,由上式可知，电磁功率PM一方面表现为电功率EaIa，另一方面表现为机械功率M。同时两者之间又存在相互转化。因此，电磁功率PM表明了直流电机通过电磁感应实现了机电能量的转化。,三、转矩方程式,式中:M1-原动机输入的转矩；M-发电机的电磁转矩；M0-发电机的空载转矩。,发电机转矩平衡关系图,由上式可知，当发电机转速n为常数时，原动机输入的驱动转矩M1的一部分用来克服空载转矩M0，剩下的转换为发电机的电磁转矩M,如图所示。,从而说明了，原动机输入的驱动转矩M1被空载转矩M0和电磁转矩M这两个制动转矩所平衡。其中空载转矩在空载时就存在，而电磁转矩只有有了电枢电流才存在。,发电机效率：,例题:一台并励直流发电机数据为：PN=82kW，UN=230V，nN=970r/min，电枢绕组总电阻Ra=0.0259，并励绕组内阻Rf=22.8，额定负载时，并励回路串入的调节电阻Rf=3.5，pFe+p=2.5kW，附加损耗p=0.005PN，试求额定负载时，发电机的输入功率、电磁功率、电磁转矩和效率。,解：（1）求电磁功率,励磁电流为：,额定负载电流为：,电枢电流为：,电枢电势为：,电磁功率为：,（2）求输入功率,（3）求电磁转矩,（4）求效率,直流发电机有四个基本物理量：U、I、If、n。（n由原动机拖动，保持不变）,运行特性：在U、I、If之间，保证其中一个量不变，另外两个物理量之间的函数关系。,主要特性：,（1）n常数，I常数，Uf（If）；负载特性,（2）n常数，If常数，Uf（I）；外特性,（3）n常数，U常数，Iff（I）；调节特性,第三节直流发电机的运行特性,运行特性与直流发电机的励磁方式有关，在分析过程，可以假定原动机的转速不变，即发电机的转速n=nN=常数，且电刷处于几何中性线上。下面我们分别讨论他励、并励和复励发电机的运行特性。,一、他励发电机的运行特性,1.空载特性,负载特性Uf(If)在负载电流I0时，即为空载特性。,空载时,空载特性实质即为磁化曲线,确定磁路和运行点的饱和程度,空载特性可以由实验测得，实验接线图如所示。,调节Rf,If单调增长,U=1.1-1.3UN,If单调减小至0,实验时一定要单方向改变励磁回路电阻测取数据，在测取的数据中应包含额定点，电压可测取到U0=（1.1-1.3）UN为止，线性部分测取的数据可稀疏一些，非线性部分测取的数据可密集一些，这样得到的曲线较准确。实验可测取上、下两个分支曲线，一般取平均值作为空载特性曲线。另外，特性曲线与转速有关，实验时一定要保持额定转速。,空载特性实验注意事宜:,空载特性曲线,直流发电机的空载特性是非线性的的，上升与下降的过程是不相同的。实际中通常取平均特性曲线作为空载特性曲线。,空载特性曲线说明:,空载特性可以由实验测出空载特性曲线，它是电机最基本的特性曲线，它反映了电机磁路的饱和情况，发电机额定电压工作点一般在曲线弯曲处，如图中A点。,图中可看出，随着If的增大,U0将逐渐增大。但由于电机磁路磁饱和的影响，空载特性曲线的形状与电机的磁化曲线形状相似。,若额定电压工作在A点以下，说明磁路不饱和，铁芯得不到充分利用，不经济；同时很小的磁动势变化，就会引起电动势和端电压的较大变动，使电压不稳定。若额定电压工作在A点之上，磁路过分饱和，要获得额定电压就需要较多的励磁磁动势，这样铜耗和用铜量都会增加，也不经济。,2.外特性,定义：当、时，,外特性可以由实验测出，实验接线图如所示。,调节RL,I从零增至额定值,问题:外特性曲线是一条稍略微下斜的曲线原因?,负载增大，电枢电流增大，使电枢回路电阻压降增大，则端电压下降；,电枢电流增大，使电枢反应的去磁作用增强，电动势(端电压)进一步下降。,由于电枢反应的去磁作用和内部的电压降，所以，随着负载电流I的增加，外特性曲线将会下降。曲线上C点为额定运行点，如图所示。,C,发电机端电压随负载变化而变化的程度，可用电压变化率U来衡量。如图所示:,电压变化率U,发电机的端电压随负载的变化程度可用电压变化率（或称电压调整率）表示。电压变化率是指发电机在额定转速n=nN下从额定负载（U=UN，If=IfN）过渡到空载（U=U0，I=0）时，电压升高的数值与额定电压的百分比，即：,通常他励直流发电机的电压变化率U%约为（5-10）%，说明变化不大，可认为是恒压电源。由于其励磁电流的调节不受电枢电压限制，因此调节范围大，但需要独立直流电源，设备复杂。适用于要求电压可调范围大，负载电流变化时电压又比较稳定的中型和大型机组。,外特性曲线是一条重要的曲线，它是选用发电机的依据之一。,3.调节特性,他励发电机的调节特性曲线,实验接线图如所示,问题:调节特性曲线是随着负载电流增大而向上翘的曲线?,当负载电流增大时，必须增加励磁电流去补偿电枢反应的去磁作用和内部的电压降，才能保持端电压不变。,二、并励发电机的运行特性,1、空载特性,并励发电机的空载特性与一般电机的空载特性一样，也是磁化曲线。由于励磁电压不能反向，所以它的空载特性曲线只在第一象限，如图所示。,并励发电机的空载运行时，Ia=If，由于励磁电流If很小，则电枢电流Ia也很小，故电枢回路电阻压降IaRa也很小，可以认为Ea=U0。因此，并励发电机的空载特性可用他励发电机接线图实验测定。,2、外特性,并励发电机的外特性与他励发电机相似，也是一条下降曲线，如图所示。,对并励发电机，除了像他励发电机存在的电枢反应去磁作用和电枢回路上的电阻压降使端电压下降外，还有第三个原因：由于上述两个原因使端电压下降，引起励磁电流减小，端电压进一步下降。,并励直流发电机的电压变化率U%约为（20-40）%。并励直流发电机的调整特性中的励磁电流的增加值需比他励直流发电机更大些，因而并励直流发电机的调整特性曲线更高。,并励直流发电机通常只用于供电线路较短的场合，如同步电机的励磁机和蓄电池充电电源等。,复励发电机的外特性界于并励发电机与串励发电机外特性之间。复励的程度决定于串联励磁与并联励磁的相对强度，并联励磁通常要比串联励磁强的多。有平复励（恰好补偿）、超复励（过补偿）、欠复励之分。,三、复励发电机的外特性,三、复励发电机的外特性,复励直流发电机中同时有并励绕组和串励绕组。若并励绕组磁通势与串励绕组磁通势方向相反时，称差复励，这种直流发电机的外特性如图中曲线5所示,是一条颇陡的曲线，不难看到，即使负载短路，端电压等于零，电流也不会太大，故适用于要求恒电流的场合，如电焊机等。,若并励绕组磁通势与串励绕组磁通势方向相同时，称积复励。这时随着负载电流的增大，串励磁通势将促使电压上升，有抵消电枢电阻压降和电枢去磁的作用。若发电机在额定电流IN时的端电压等