船舶电力拖动Ⅰ 电机及拖动 教学课件 作者 宋谦 1.3.ppt

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1、第三节直流发电机的运行原理一、直流发电机的基本方程式直流发电机稳态运行时，其电压、电流、转速、转矩、功率等物理量都保持不变且相互制约，其制约关系与电机的励磁方式有关，本节以他励直流发电机为例介绍直流发电机的电动势平衡方程式、转矩平衡方程式和功率平衡方程式。(一)电动势平衡方程式1、发电机空载运行时的电动势平衡方程式他励直流发电机空载运行时，电枢电流Ia=0，则电枢绕组的感应电动势Ea等于端电压U。2、发电机负载运行时的电动势平衡方程式他励直流发电机负载运行时，原动机带动电枢旋转，电枢绕组切割气隙磁场产生感应电动势Ea，在感应电动势Ea的作用下形成电枢电流Ia，其方向与感应电动势Ea相同。

2、电枢电流流过电枢绕组时，形成电枢压降Iara；由于电刷与换向器之间存在接触电阻，电枢电流流过时，形成接触压降△U。各物理量的正方向如图1—11所示，则直流发电机的电动势平衡方程式为：Ea=U+Iara+2△U=U+Iara(1—5)式中ra——电枢电阻；2△U——正负电刷的总接触压降；Ra——电枢电阻和电刷接触电阻之和。由直流发电机的基本工作原理知，Ea>U。图1—11他励直流发电机(二)转矩平衡方程式原动机带动电动机的电枢旋转，提供给电动机的转矩为T1(称为输入转矩)，该转矩是拖动性质的转矩，其方向与电机旋转方向相同，它克服电磁转矩T(制动性质的转矩)和机械摩擦等引起的制动性转矩T0(

3、称为空载转矩)，使电机以某一转速稳定运行，因此Tl=T+T0(1—6)(三)功率平衡方程式直流发电机是把机械能转变成直流电能的装置。原动机拖动发电机的电枢旋转，输入机械能；电枢绕组切割磁力线，在绕组中产生交变的感应电动势，通过换向器与电刷的配合作用从电刷端输出直流电能。在能量转换过程中，因机械摩擦的作用会消耗一部分机械能，用机械损耗功率pm来表示；由于电枢旋转，使电枢铁心中形成交变磁场，从而产生磁滞和涡流损耗，用铁损耗功率pFe(简称铁耗)来表示；又因电路中存在电阻，会消耗一部分电能，用铜损耗功率pcu来表示；此外，还有一部分能量损耗称为附加损耗ps(又称杂散损耗)，其产生原因复杂，难以

4、准确计算，约占额定功率的0．5％～1％。根据能量守恒原理，所有损耗能量和输出能量之和等于输入的机械能。以上能量关系，可用功率平衡方程式表示P1=P2+∑p=P2+pm+pFe+ps+pcu(1—7)式中P1——输入功率；P2——输出功率；∑P——总损耗功率，∑p=pm+pFe+ps+pcu。其中pm、pFe、ps三项之和，称为空载损耗功率p0，其数值与负载无关，称为不变损耗，p0=，其中T0称为空载转矩。而pcu=是电枢铜损耗，为可变损耗。由电动势平衡方程式Ea=U+，两边乘以Ia可得EaIa=UIa+即PM=P2+pcu所以式(1—7)又可表示为P1=PM+p0二、直流发电机的运行特性

5、发电机的转速为额定转速时，其端电压U、负载电流I、励磁电流If、效率η之间的关系就是发电机的运行特性。下面以他励直流发电机为例介绍直流发电机的运行特性。空载特性图1—12空载特性试验线路图图1—13直流发电机的空载特性空载特性是指当n=nN、I=0时，U与If的关系曲线，即U=。根据电动势公式Ea=，当转速n=nN时，E∝Ф，空载时，U0=E0，所以，U0∝Ф。主磁通与励磁磁动势的关系曲线称为电机的磁化曲线，而励磁磁动势F正比于励磁电流If。综上分析，空载特性曲线与电机的磁化曲线相似。他励直流发电机的空载特性曲线通常可用试验的方法求得。试验线路如图1—12所示，由原动机拖动直流发电机以额

6、定转速旋转，使励磁电流从零开始增大，直到空载电压U0≈(1.1～1.3)UN，然后逐步减少励磁电流，记录其对应的空载电压，当励磁电流If=0时，空载电压并不等于零，此电压称为剩磁电压，其大小约为额定电压的(2～5)％；然后改变励磁电流的方向，逐步增大励磁电流，使空载电压由剩磁电压减小到零，再继续增大励磁电流，则空载电压逐步升高，但极性相反，直到U0≈(1.1～1.3)UN之后，再逐步减小励磁电流，直到励磁电流为零。在调节励磁电流的过程中，记录若干组空载电压和对应的励磁电流，即可绘出空载特性曲线，如图1—13所示。对于其他励磁方式的直流发电机，它们的空载特性曲线与他励直流发电机的空载特性曲

7、线相似。但当转速不同时，曲线将随转速的改变而成正比地上升或下降。（二）外特性直流发电机的外特性指是当n=nN、If=IfN时，U与I的关系曲线，即U=(I)。负载增加时，电枢反应的去磁作用使电枢电动势Ea略有减小，而电枢回路的电压降IaRa有所增加，根据发电机的电动势平衡方程式可知，端电压U略有下降，如图1—14所示。发电机端电压随负载变化的程度用额定电压调整率△UN来表示。直流发电机的额定电压调整率是指，当n=nN、If=IfN时