《電機(jī)原理與維修》課件第17章

第17章直流發(fā)電機(jī)17.1直流發(fā)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩17.2直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式17.3并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件17.4直流發(fā)電機(jī)的基本方程式17.5直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性習(xí)題17.1直流發(fā)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)和電磁轉(zhuǎn)矩17.1.1直流發(fā)電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)直流電機(jī)的電樞電動(dòng)勢(shì)表達(dá)式為

Ea=CeΦn(17-1)式中:Ce為電動(dòng)勢(shì)常數(shù)，；Φ為每極磁通；n為轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速；p為電機(jī)的磁極對(duì)數(shù)；N為電樞繞組總導(dǎo)體數(shù)；a為電樞繞組并聯(lián)支路的對(duì)數(shù)。已制成的電機(jī)中p、N和a都是常數(shù)，取Φ的單位為Wb，則Ea的單位是V。分析式(17-1)，可以得到如下結(jié)論：

(1)當(dāng)速度不變時(shí)，電機(jī)的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與每極磁通Φ成正比，因此可以通過改變勵(lì)磁電流(即改變?chǔ)?來調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)的輸出電壓。

(2)當(dāng)每極磁通不變時(shí)，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與轉(zhuǎn)速成正比，因此也可以通過改變轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)直流發(fā)電機(jī)輸出電壓。

(3)如電刷自中心線移動(dòng)，在支路中有一部分導(dǎo)線在另一磁極下，使得一部分導(dǎo)線的電動(dòng)勢(shì)互相抵消，結(jié)果總電動(dòng)勢(shì)降低。17.1.2直流發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩電機(jī)帶上負(fù)載時(shí)，電樞繞組中有電流流過，載流導(dǎo)體在氣隙磁場(chǎng)中將受到電磁力的作用，電磁力對(duì)電樞軸心所形成的轉(zhuǎn)矩稱為電磁轉(zhuǎn)矩。設(shè)導(dǎo)體在電樞表面均勻分布，且為整距繞組，電刷放在幾何中心線上。據(jù)電磁力定律，一根載流導(dǎo)體受到的平均電磁力為fav=BavLIa(17-2)式中:Bav為一個(gè)主磁極下的平均氣隙磁通密度；L為載流導(dǎo)體的長(zhǎng)度；Ia為流過導(dǎo)體的電流。假設(shè)電樞鐵芯的直徑為Da，則平均電磁轉(zhuǎn)矩為

(17-3)總電磁轉(zhuǎn)矩為

(17-4)把(Φ表示每極磁通，τ為極距，L為導(dǎo)體的有效長(zhǎng)度)代入上式，得

(17-5)式中:CT為轉(zhuǎn)矩常數(shù),。如果Φ的單位為Wb、Ia的單位為A，則T的單位為N·m。17.2直流發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁方式直流電機(jī)的勵(lì)磁方式即指電機(jī)勵(lì)磁電流供給方式，勵(lì)磁方式不同，對(duì)電機(jī)運(yùn)行特性影響較大。直流發(fā)電機(jī)可分為他勵(lì)和自勵(lì)兩大類。直流電動(dòng)機(jī)的勵(lì)磁電流均由外電源供給。按勵(lì)磁繞組與電樞繞組的關(guān)系，可統(tǒng)一把直流電機(jī)分為四種。圖17-1為直流電機(jī)按勵(lì)磁分類接線圖，其中實(shí)線表示發(fā)電機(jī)G，虛線表示電動(dòng)機(jī)M的電流方向。圖17-1直流電機(jī)按勵(lì)磁分類接線圖

(1)他勵(lì)電機(jī)。勵(lì)磁繞組由獨(dú)立電源供電，如圖17-1(a)所示。其特點(diǎn)是電樞電流Ia等于負(fù)載電流(發(fā)電機(jī))或輸入電流(電動(dòng)機(jī))I，而與勵(lì)磁電流If無關(guān)，即Ia=I

(17-6)

(2)并勵(lì)電機(jī)。勵(lì)磁繞組與電樞繞組并聯(lián)，見圖17-1(b)。Ia、I與If的關(guān)系為:

發(fā)電機(jī)Ia=I+If(17-7)電動(dòng)機(jī)I=Ia+If(17-8)

(3)串勵(lì)電機(jī)。勵(lì)磁繞組與電樞繞組串聯(lián)，見圖17-1(c)，這時(shí)Ia=I=If

(17-9)

(4)復(fù)勵(lì)電機(jī)。它有兩個(gè)勵(lì)磁繞組，一個(gè)與電樞繞組并聯(lián)，另一個(gè)與電樞繞組串聯(lián)，如圖17-1(d)所示。當(dāng)串勵(lì)和并勵(lì)繞組產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)方向相同時(shí),稱為積復(fù)勵(lì)；相反時(shí)稱為差復(fù)勵(lì)。圖17-1(d)中的實(shí)線接法稱為短復(fù)勵(lì)，虛線接法稱為長(zhǎng)復(fù)勵(lì)。對(duì)電機(jī)的運(yùn)行性能來說，長(zhǎng)短復(fù)勵(lì)沒有多大差別。17.3并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件17.3.1并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過程并勵(lì)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁繞組與電樞并聯(lián)，如圖17-2所示。在電機(jī)中通?？傆惺４糯嬖?，當(dāng)電機(jī)由原動(dòng)機(jī)拖動(dòng)至額定轉(zhuǎn)速時(shí)，電樞繞組切割剩磁磁值，便會(huì)產(chǎn)生剩磁電動(dòng)勢(shì)Er(約為(2%~5%)UN)，這時(shí)在并勵(lì)繞組中開始有勵(lì)磁電流，從而產(chǎn)生一個(gè)不大的勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)。如這時(shí)并勵(lì)繞組接到電樞兩端的極性正確，則勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生的磁場(chǎng)與剩磁同方向，使電機(jī)內(nèi)的氣隙磁場(chǎng)增強(qiáng)，從而使發(fā)電機(jī)端電壓升高。在這一較高端電壓的作用下，勵(lì)磁電流又進(jìn)一步升高,如此反復(fù)作用,發(fā)電機(jī)的端電壓便“自勵(lì)”起來。最終穩(wěn)定在電機(jī)的空載特性1與磁場(chǎng)電阻線2的交點(diǎn)A處，如圖17-3所示。由該圖可見，調(diào)節(jié)勵(lì)磁回路總電阻rf，可改變磁場(chǎng)電阻線的斜率，相應(yīng)可調(diào)節(jié)空載電壓的穩(wěn)定點(diǎn)。當(dāng)rf逐漸增大時(shí)，空載電壓逐漸減?。划?dāng)rf=rfcr時(shí)，磁場(chǎng)電阻線與空載特性的直線部分相切(見圖17-3中曲線3)，空載電壓變?yōu)椴环€(wěn)定，這時(shí)的rfcr稱為臨界電阻，當(dāng)rf>rfcr時(shí)，磁場(chǎng)電阻線與空載特性交點(diǎn)很低，所得電壓與剩磁電動(dòng)勢(shì)相差無幾，不能使發(fā)電機(jī)自勵(lì)建壓。圖17-2并勵(lì)發(fā)電機(jī)接線圖圖17-3并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)過程17.3.2并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的自勵(lì)條件綜上所述，并勵(lì)發(fā)電機(jī)的自勵(lì)建立穩(wěn)定電壓的條件是：

(1)電機(jī)應(yīng)有剩磁。若無剩磁，可用外加直流電源向勵(lì)磁繞組通電以獲得剩磁。

(2)勵(lì)磁繞組與電樞繞組的連接要與電樞轉(zhuǎn)向正確配合，使勵(lì)磁電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)與剩磁方向一致。若發(fā)現(xiàn)接法不對(duì)，只要將勵(lì)磁繞組并聯(lián)到電樞繞組的兩端點(diǎn)對(duì)調(diào)一下即可。

(3)勵(lì)磁回路的總電阻應(yīng)小于與發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相對(duì)應(yīng)的臨界電阻。電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，其臨界電阻值越大。一般發(fā)電機(jī)都在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行，只要調(diào)節(jié)rf小于此時(shí)的臨界電阻即可。17.4直流發(fā)電機(jī)的基本方程式17.4.1電動(dòng)勢(shì)平衡方程式當(dāng)發(fā)電機(jī)的電樞旋轉(zhuǎn)時(shí)，電樞繞組中將產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ea，其方向由右手定則判定。當(dāng)并勵(lì)發(fā)電機(jī)帶負(fù)載時(shí)，有電樞電流Ia產(chǎn)生，其方向和電動(dòng)勢(shì)的方向一致，如圖17-4所示。由于電樞回路有各個(gè)繞組的總電阻ra(包括電樞繞組、串勵(lì)繞組、換向繞組)以及一對(duì)電刷下的接觸壓降2ΔUb(如電機(jī)的端電壓為U)，以U、Ea、Ia的實(shí)際方向?yàn)檎较?，由電路定律可得到電樞回路的電?dòng)勢(shì)方程式為Ea=U+Iara+2ΔUb=U+IaRa(17-10)式中:Ra為電樞回路總電阻；ra為電樞中各個(gè)繞組的總電阻，簡(jiǎn)稱電樞繞組電阻；為電刷接觸電阻。圖17-4并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)和電流方向17.4.2轉(zhuǎn)矩平衡方程式當(dāng)電機(jī)電樞中流過電流時(shí)，產(chǎn)生電磁力，形成電磁轉(zhuǎn)矩，其方向由左手定則判定。發(fā)電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，其轉(zhuǎn)向與原動(dòng)機(jī)的拖動(dòng)方向相反。當(dāng)電機(jī)恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，原動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩T1應(yīng)與空載制動(dòng)轉(zhuǎn)矩T0和電磁轉(zhuǎn)矩T相平衡，則有T1=T+T0

(17-11)17.4.3功率平衡方程式功率就是每秒鐘內(nèi)轉(zhuǎn)矩對(duì)轉(zhuǎn)子所做的功，機(jī)械功率就等于轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)子機(jī)械角速度Ω的乘積，由轉(zhuǎn)矩平衡方程式可導(dǎo)出功率平衡方程式。把式(17-11)兩邊乘以Ω得T1Ω=TΩ+T0Ω(17-12)或P1=Pm+P0(17-13)式中:P1為原動(dòng)機(jī)輸入的機(jī)械功率，P1=T1Ω；Pm為電磁功率，Pm=TΩ；P0為發(fā)電機(jī)的空載損耗功率，P0=T0Ω。另外P0=pFe+pmec+pad

(17-14)式中:pFe為鐵耗，主要包括電樞軛部和齒部的磁滯損耗和渦流損耗，它們是由主磁通在旋轉(zhuǎn)的電樞鐵芯內(nèi)部交變引起的；pmec為機(jī)械損耗，包括軸承、電刷的摩擦損耗和空氣摩擦損耗；pad為附加損耗，是由于電樞的齒槽等因素引起的，因其產(chǎn)生的原因復(fù)雜，難以準(zhǔn)確計(jì)算，所以通常取額定功率的0.5%~1%。將式(17-10)乘以電樞電流Ia，可得

(17-15)

從上面的公式可以看出，從并勵(lì)發(fā)電機(jī)電樞繞組獲得的電磁功率EaIa中，去掉電樞繞組的銅耗pCua和電刷接觸損耗以及勵(lì)磁回路的銅耗pCuf(他勵(lì)發(fā)電機(jī)的pCuf不包括在Pm中)之后，余下的是發(fā)電機(jī)的輸出功率。所以P1=Pm+P0=P2+∑p(17-16)式中:∑p為并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的總損耗。直流發(fā)電機(jī)的功率圖如圖17-5所示。直流發(fā)電機(jī)的效率為(17-17)圖17-5直流發(fā)電機(jī)的功率圖

【例17-1】一臺(tái)四極并勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的額定數(shù)據(jù)為：PN=20kW，UN=230V，nN=1450r/min，電樞回路總電阻ra75℃=0.15Ω，并勵(lì)回路總電阻Rf75℃=74.1Ω，2ΔUb=2V，空載損耗P0=pFe+pmec=1kW,pad=0.01PN。求額定負(fù)載下的電磁功率，電磁轉(zhuǎn)矩和效率。

解額定電流

勵(lì)磁電流額定負(fù)載時(shí)電樞電流Ia=IN+If=87+3.1=90.1A額定負(fù)載時(shí)電樞電動(dòng)勢(shì)E=UN+Iara+2ΔUb=230+90.1×0.15+2=245.5V額定負(fù)載時(shí)電磁功率Pm=EIa=245.5×90.1=22.1×103W另外，根據(jù)能量轉(zhuǎn)換關(guān)系可知

Pm=P2+pCua+pCub+pCuf

=20×103+90.12×0.15+2×90.1+230×3.1 =22.1×103W上述兩種方法計(jì)算所得結(jié)果相同。額定負(fù)載時(shí)電磁轉(zhuǎn)矩

額定負(fù)載發(fā)電機(jī)的輸入功率

P1=Pem+P0+pad

=22.1×103+1×103+0.01×20×103 =23.3×103W

額定負(fù)載時(shí)發(fā)電機(jī)的輸入功率

P1=Pem+P0+pad

=22.1×103+1×103+0.01×20×103 =23.3×103W

額定負(fù)載時(shí)效率17.5直流發(fā)電機(jī)的運(yùn)行特性17.5.1空載特性空載特性就是發(fā)電機(jī)在n=nN(額定轉(zhuǎn)速)，I=0時(shí)，其端電壓U0與勵(lì)磁電流If的關(guān)系曲線。即U0=f(If)關(guān)系曲線。當(dāng)發(fā)電機(jī)空載，即I=0時(shí)，端電壓U0=Ea=CeΦn正比于空載主磁通Φ；而勵(lì)磁電流If是正比于主磁勢(shì)F0的，所以發(fā)電機(jī)的空載特性曲線與該電機(jī)的磁化曲線形狀是相同的。圖17-6所示為他勵(lì)發(fā)電機(jī)特性試驗(yàn)的接線。啟動(dòng)發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)，調(diào)節(jié)原動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，使它等于發(fā)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速并保持不變。將接到負(fù)載的開關(guān)S2斷開，使發(fā)電機(jī)空載。然后接通勵(lì)磁電路的電源，通過移動(dòng)電位器RW的滑觸點(diǎn)，改變勵(lì)磁繞組兩端電壓來調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流，因而發(fā)電機(jī)的電樞端電壓也隨之改變。在調(diào)節(jié)過程中，逐漸讀取安培表A1和對(duì)應(yīng)的電壓表V的讀數(shù)。即可作出空載特性曲線，如圖17-7所示。求作這條曲線時(shí)，通?？梢詮碾妷篣0=1.2UN開始，逐漸減少勵(lì)磁電流直到為零，然后通過S1改變If的方向并使它逐漸增大，直到它的反向電壓等于1.2UN為止，這樣就得到空載特性的下降支線，如果將If作相反的調(diào)節(jié)，就可得到空載特性的上升支線，實(shí)際應(yīng)用它們的是平均曲線(如圖中的虛線所示)。它是和基本磁化曲線對(duì)應(yīng)的。由圖17-7可以看出，當(dāng)If=0時(shí)，端電壓U0≠0，有個(gè)剩磁電壓，是由剩磁磁通產(chǎn)生的。圖17-6他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)接線圖圖17-7他勵(lì)直流電機(jī)的空載特性曲線發(fā)電機(jī)的空載特性表明：改變勵(lì)磁電流時(shí)，發(fā)電機(jī)端電壓變化的情況。發(fā)電機(jī)的額定工作點(diǎn)一般選在空載特性曲線的彎曲部分，如曲線中的C點(diǎn)，若在直線部分，電壓不穩(wěn)定，磁勢(shì)稍有變化(通常是電樞反應(yīng)而引起的)，電壓就有很大變化，對(duì)一般要求在穩(wěn)定電壓下工作的負(fù)載是不合適的。若選在過飽和部分，要建立這樣的電壓和磁通，則需要更多的勵(lì)磁安匝，增加電機(jī)用銅量，顯然是不經(jīng)濟(jì)的。17.5.2外特性他勵(lì)發(fā)電機(jī)的外特性是指發(fā)電機(jī)接上負(fù)載后，在保持勵(lì)磁電流不變(通常等于額定勵(lì)磁電流IfN)的情況下，負(fù)載電流變化時(shí)，端電壓U變化的規(guī)律，即當(dāng)n=nN，If=IfN時(shí)，U=f(I)。該特性仍然可以由圖17-6的線路圖求出。閉合開關(guān)S2接上負(fù)載RL，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的負(fù)載電流和勵(lì)磁電流，使發(fā)電機(jī)運(yùn)行于額定狀態(tài)(即U=UN,I=IN，n=nN)，此時(shí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流為額定勵(lì)磁電流IfN，然后保持IfN不變，逐步增大負(fù)載電阻，使負(fù)載電流減小，直到負(fù)載斷開(I=0)。在每一負(fù)載下，同時(shí)測(cè)取端電壓U和電流I的值，得到發(fā)電機(jī)的外特性曲線，如圖17-8所示。從圖中看出，當(dāng)負(fù)載電流I增加時(shí)，外特性曲線稍微下降，曲線上的C點(diǎn)為額定運(yùn)行點(diǎn)。圖17-8他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的外特性由電動(dòng)勢(shì)方程U=Ea-IaRa和Ea=CeΦn可知，隨著負(fù)載電流的增加，引起他勵(lì)發(fā)電機(jī)端電壓下降的原因有兩個(gè):

(1)發(fā)電機(jī)帶負(fù)載后，電樞反應(yīng)的去磁作用使氣隙磁通減小，使電樞感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)下降。

(2)負(fù)載電流的增加引起電樞回路總電阻壓降IaRa的增加。這兩個(gè)因素都隨負(fù)載的增大而增大，所以負(fù)載增加時(shí)，發(fā)電機(jī)的端電壓將逐漸下降。端電壓的變化程度，可用電壓變化率ΔU來衡量。根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，直流發(fā)電機(jī)的電壓變化率是指當(dāng)n=nN，If=IfN時(shí)，從額定負(fù)載(U=UN，I=IN)過渡到空載(I=0)時(shí)，電壓升高的數(shù)值與額定電壓之比的百分值，即

(17-18)一般他勵(lì)直流發(fā)電機(jī)的ΔUN約為5%~10%，可認(rèn)為是恒壓電源。17.5.3調(diào)整特性調(diào)整特