第8章 直流发电机.ppt

1、第八章 直流发电机,8-1 概述,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：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。,8-2 直流发电机的运行原理,1、直流发电机稳态运行时的基本方程式,以他励式为例，如右图，根据基尔霍夫电压定律得：,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,1、直流发电机稳态运行时的基本方程式,则方程式可改写为：,式(8-1)中 ,此式即为直流发电机的电压平衡方程式。,实际一般不用 ，而是用一个等效电阻 ，它是电枢回路总

2、电阻。,1、直流发电机稳态运行时的基本方程式,T1 = T + T0 （8-2）,根据受力平衡原理得：,原动机驱动转矩 T1与 n同方向；T与n方向相反，为制动转矩。,上式即为直流发电机的转矩平衡方程式，其中T 为电磁转矩，T0 为空载阻转矩。,当发电机接上负载，电枢电流 Ia与气隙磁场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,式（8-1）两边同乘Ia得：,式中 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，简称铜耗； 是发电机的输出功率。,把式（8-2）两边同乘机械角速度得：,2、稳态运行时的功率关系和电磁关系,为电磁功率，即：,式中P1为原

3、动机输入的机械功率； 是发电机空载损耗功率， ，其中pm是机械损耗功率，pFe是铁损耗功率，pa附加损耗功率。,把式（8-3）代入式（8-4）得：,2、稳态运行时的功率关系和电磁关系,式（8-5）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：,总损耗为：,2、稳态运行时的功率关系和电磁关系,发电机的效率为：,流程图中还画出了励磁功率pf ，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。,8-3 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，它所产生的磁动势对励磁绕组磁场的影响，称为电枢反应。,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。,

4、1、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流的分布，以电刷为界的电枢表面电流在空间上是不变的，因此其产生的磁场和磁动势的分布也是固定不变的。,1、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：,1、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Fax？, 计算电枢线负荷A, 计算经过距原点x处的闭合回路磁动势, 磁动势方向规定, 计算 Fax, 计算每个气隙段磁动势,1、电枢磁动势的空间分布, 计算电枢线负荷A,当 ia（支路电流）一定时，A是常数。,又称电枢表面单位周长上的

5、电流。, 计算经过距原点x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行计算，注意 A 是常数，x是变量。,1、电枢磁动势的空间分布,在一个极距范围内，距原点x处，每个气隙段的电枢磁动势为:,正磁动势方向从电枢到主极，负磁动势方向从主极到电枢。, 每个气隙段磁动势计算, 磁动势方向规定,1、电枢磁动势的空间分布, 计算Fax,电枢磁动势沿空间呈三角形分布（实际电枢有齿槽，呈阶梯形波）在磁极中心线处为零，几何中心线处达最大值Fa 。,Fax=A x,A为常数。x变化范围是：0/2，- /20,Fa= A /2,1、电枢磁动势的空间分布,1、电枢磁动势的空间分布, 电枢磁通密度的空间

6、分布,1、电枢磁动势的空间分布,极间范围内：气隙增大，Bax削弱，呈下凹形。,极靴下：气隙均匀，为常值，Bax随Fax变化线性变化。,1、电枢磁动势的空间分布,当电刷不在几何中性线而在电枢表面移动了一段距离b时，电枢表面电流分布的分界线也随电刷同时移动，此时可将电枢磁动势分为两个分量：与主极轴线重合的直轴磁势Fad和与主极轴线垂直的交轴磁势Faq。,1、电枢磁动势的空间分布,交轴电枢磁动势：,直轴电枢磁动势：,1、电枢磁动势的空间分布,曲线3 表示交轴分量Faq 。,曲线1 表示电刷移动b时电枢磁动势空间分布曲线仍呈三角形波，整个波形也随电刷偏移b，曲线1由曲线2和曲线3合成。,曲线2 表示直

7、轴分量Fad 。,2、发电机中的电枢反应,若将电刷逆旋转方向移动，则直轴电枢反应是增磁的 。,由右图可知电刷顺旋转方向转动b时，直轴反应磁势Fad的方向与电枢磁动势Ff的方向相反，即直轴电枢反应是去磁的。,1)直轴电枢反应,2、发电机中的电枢反应,2)交轴电枢反应,右图表示电刷在几何中性线处，只有交轴电枢反应磁势时气隙磁场的分布图。 曲线1为主极绕组单独通电时主极磁密分布曲线。曲线2为电枢绕组单独通电时电枢磁密分布曲线，两者叠加得到曲线3，即发电机电枢反应的合成磁密分布曲线。,2、发电机中的电枢反应,图中m为物理中性线，即磁密为零的地方，可以看出，电枢反应使得物理中性线偏离了几何中性线。,实际

8、电机中，考虑磁路饱和，负载时铁心磁阻增大，实际合成气隙磁密分布曲线如图曲线4所示，最高峰略微下降，即交轴电枢反应起去磁作用。,电枢反应总结,电枢反应：电枢磁动势对主极励磁磁动势建立的气隙磁场的影响。,具体表现（交轴电枢反应）：,使气隙磁场分布发生畸变； 使物理中性线偏移（空载时，电机物理中性线与几何中性线重合；负载时，物理中性线发生偏移）； 考虑磁路饱和呈去磁作用。,8-4 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，均以转速n为常数进行分析，通常有以下三种特性：,（1）n常数，I常数，Uf（If），负载特性。如果I0，这条特性称为空载特性。,（2）n常数，If常数，Uf（I），外

9、特性。,（3）n常数，U常数，Iff（I），调节特性。,1）空载特性曲线 n = nN，I=0，U = f（If）,原动机拖动发电机，观看速度表，使n=nN；刀闸K1打开，使I=0，空载；通过K2加上励磁电流If ，并由调节电阻Rr使If在较大范围内变化。 调节Rr If 0U，使 U = E 0= CE 0nN,1、他励直流发电机（空载特性）,测取他励发电机空载特性曲线的试验线路如右图所示。, RrIf U0 = 1.3UN Rr If U0 If = 0 -IfU0 = -1.3UN -IfIf = 0 IfU0 = 1.3UN,空载实验步骤：,1、他励直流发电机（空载特性）, 从空载特性

10、可以判断该电机磁路的饱和程度。,纵坐标U=CenN换为=U/CenN,横坐标If换为zIf,空载特性测取目的：, 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。,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。,1、他励直流发电机（空载特性）,1、他励直流发电机（空载特性）, 通过空载特性分析电枢反应,例如: 空载电压 U0 = 230V 查空载特性 If = 2.5A 负载电压： U = 230V,当 I = 43A，Ra= 0.4， 2Ub = 2V时， E = U + Ia Ra +2Ub = 230 + 43 0.4 + 2 = 250V If0- If0

11、= 2.8 - 2.5 = 0.3 (A),1、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：,Ifaq= Faqd/z = If0- If0 = 0.3 (A),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230V，励磁电流要增大0.3A，产生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，以弥补因IaRa的增大使电枢电压减小。,2）外特性曲线 n = nN，If=IfN，U = f（I）,刀闸K1合上，保持n=nN，调节电阻Rr使得当负载电流I=IN 时，端电压U=UN，此时If=IfN。保持IfN不变，调节电阻RL使负载电流I由零

12、变到额定值，测取外特性曲线U = f（I）。,1、他励直流发电机（外特性）,测取他励发电机外特性曲线的试验线路如右图所示。,1、他励直流发电机（外特性）,外特性下降的原因：, IIaRa, I电枢反应的去磁效应使E,外特性曲线如右图，曲线随负载电流I的增大而下降。,根据：,1、他励直流发电机（外特性）,测外特性目的：, 外特性的软硬通常由电压调整率来表示，该值可通过外特性算出： 式中U0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510%。, 可看出随着I变化U的变化规律。下降不大的特性称硬特性，若曲线太陡， 则电机发电质量不好。,1、他励直流发电机（短路电流）,3）短路电流,因为：I

13、a=(E-U)/Ra 短路电流：Ia=E/Ra，电机会被烧坏。,当U=0时，他励发电机短路电流很大，是额定值的30倍。,所以发电机必须安装过电流保护装置，当负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。,1、他励直流发电机（调节特性）,4）调节特性,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增大。,n=nN，U=UN ， If=f(I),当 RLI， U = CEnN IaRa ，U 将减小。,调节 Rr IfU,即 RLIU,1、他励直流发电机（效率曲线）,5）效率曲线,其中， 为不变损耗，,为可变损耗。,负载电流变化时，效率也随之改变

14、，直流发电机的效率曲线如右图。,1、他励直流发电机（效率曲线）,令 可得：,与Ia之间存在二次关系， 效率曲线存在一个最大值。,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。,一般直流发电机设计在3/4额定负载左右效率最大。,1）并励直流发电机的自励,2、并励直流发电机（自励）,并励发电机的特点是：不提供励磁电源，由电枢电压提供励磁电源。,但是产生电枢电动势（ U0=CenN）以存在励磁电流为条件。,怎样自励？,开关 K 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。,直流发电机：E = U + IaRa,空载时：I=0，n=nN,空载特性曲线U = E

15、0 = CEnN,E0= If (Rf + Rr) + Lf (dif / dt ),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）,2、并励直流发电机（自励）,右图表示并励发电机自励的条件和过程。由于负载电流为零，IaIf ，电枢端电压UE0，这个电压也是励磁绕组两端的电压。空载特性曲线和励磁回路电阻特性曲线的交点A即可近似代表此时的工作点。即电机端电压为U0，这时励磁电流为If0。,2、并励直流发电机（自励）,电压建立过程如下：,即电机中剩磁产生电动势Er，Er在励磁回路产生励磁电流If1。由于励磁绕组接法正确， If1产生的磁动势起增磁作用，使电枢感

16、应电势增至E1， E1又产生If2，如此不断增长，直至A点为止。,2、并励直流发电机（自励）,若极性正确，则r与1方向相同，或If1产生1是助磁的。,如果加大励磁回路电阻Rr，励磁回路总电阻就会大于该转速下的临界电阻Rcr，空载特性曲线和励磁回路电阻特性曲线没有交点，发电机就不能自励建压。,若极性不正确，则r与1方向相反此时E1 Er0，则电机不能自励。,2、并励直流发电机（自励）, 电机应有剩磁 r 产生 Er。,并励发电机自励建压的条件：, 励磁回路的总电阻必须小于一定转速下的临界电阻值。, 励磁绕组并联于电枢的极性正确。励磁绕组并联于电枢两端的极性与剩磁方向一致。,空载特性曲线与转速n成

17、正比，故励磁回路总电阻对某一转速能自励时，当转速降低到另一值可能不能自励。,2）空载特性,2、并励直流发电机（空载特性）,并励发电机的空载特性曲线 E0=f (If) 一般用他励方法试验或按他励计算而得。因为空载特性的定义是指只有励磁绕组有电流，所以应该用他励空载特性曲线。,由于并励直流发电机励磁电压一般不反向，故空载特性曲线只作第一象限就够了。,n=nN ，(Rf + Rr) RfN ，U= f(I)。,2、并励直流发电机（外特性）,3）外特性,试验步骤： n=nN，调节Rr，电压自励后合上 开关K。 调节Rf和RL，使U=UN，I=IN， 此时 (Rf + Rr) =RfN，保持 RfN 不变。 调节 RLIU。,2、并励直流发电机（外特性）,右图为他励和并