第3章直流发电机 原理简述 直流发电机应用电磁感应原理将原动机的机械能转换为直流电能输出。本实验中 输入机械能的原动机采用直流电动机。直流电动机拖动直流发电机的电枢旋转，直流发 电机励磁绕组通入电流产生磁场，旋转的电枢导体切割磁场感应电势Ea-C中，可以看 出，感应电势正比于转速及每极磁通。在发电机带负载时，因为电枢电流与感应电势同方 向，即向外输出功率。 直流发电机的电势平衡方程式a=+a品+24（可用来分析直流发电机的运行特 性。 衡量直流发电机的性能，通常用其特性曲线来判定。最常用的特性曲线是空载特性、 外特性和调节特性。 原动机拖动直流发电机保持n的速度旋转，负载电流I=0时，改变励磁电流 :的大小，端电压U将跟着变化。这个变化关系U。=f)曲线被称为直流发电机的 空载特性曲线，该曲线可以看出电机运行点的磁路饱和程度。 若保持直流发电机的转速n=,保持励磁回路电阻R不变，调节直流发电机的负 载电流，端电压U随负载电流【变化的关系被称为直流发电机的外特性U=∫①。直 流发电机的主要运行性能指标之一是 UA 电压调整率△U,可由U=f曲线查 得。采用不同的励磁方式，其外特性 是不同的，他励直流发电机的电压调 整率△U=(5~10)%,并励发电机的 △U=(20一40)%。并励发电机的外特 性曲线比他励式下降程度大，是因为 无论是他励式或并励式直流发电机都 有电枢电阻压降的存在和电枢反应去 磁的影响，使得端电压下降，但并励直 IaN 流发电机的励磁绕组是并联在电枢两 图31直流发电机的外特性 端，那么由于前述原因使电枢端电压 下将而使得励磁电流进一步下降，其结果就必然造成并励式直流发电机的端电压又进一 步下降。所以并励式比他励式直流发电机的外特性曲线下降程度大，如图3-1所示 在图3-】中，曲线1是积复励发电机的外特性，曲线2是他励发电机的外特性，曲
第 3 章 直流发电机 原 理 简 述 直流发电机应用电磁感应原理将原动机的机械能转换为直流电能输出。本实验中 输入机械能的原动机采用直流电动机。直流电动机拖动直流发电机的电枢旋转，直流发 电机励磁绕组通入电流产生磁场，旋转的电枢导体切割磁场感应电势Ea=Cenφ,可以看 出,感应电势正比于转速及每极磁通。在发电机带负载时,因为电枢电流与感应电势同方 向,即向外输出功率。 直流发电机的电势平衡方程式 Ea=U+IaRa+2ΔUS 可用来分析直流发电机的运行特 性。 衡量直流发电机的性能,通常用其特性曲线来判定。最常用的特性曲线是空载特性、 外特性和调节特性。 原动机拖动直流发电机保持 n=nN 的速度旋转，负载电流 I = 0 时，改变励磁电流 If 的大小，端电压 U0 将跟着变化。这个变化关系 U0= f (If) 曲线被称为直流发电机的 空载特性曲线，该曲线可以看出电机运行点的磁路饱和程度。 若保持直流发电机的转速 n=nN，保持励磁回路电阻 Rf 不变，调节直流发电机的负 载电流，端电压 U 随负载电流 I 变化的关系被称为直流发电机的外特性 U= f (I)。直 流发电机的主要运行性能指标之一是 电压调整率ΔU,可由 U=f (I) 曲线查 得。采用不同的励磁方式，其外特性 是不同的，他励直流发电机的电压调 整率ΔU = (5～10)%, 并励发电机的 ΔU = (20～40)%。并励发电机的外特 性曲线比他励式下降程度大，是因为 无论是他励式或并励式直流发电机都 有电枢电阻压降的存在和电枢反应去 磁的影响，使得端电压下降，但并励直 IaN Ia 0 U UN 1 2 3 流发电机的励磁绕组是并联在电枢两 图 3-1 直流发电机的外特性 端，那么由于前述原因使电枢端电压 下将而使得励磁电流进一步下降，其结果就必然造成并励式直流发电机的端电压又进一 步下降。所以并励式比他励式直流发电机的外特性曲线下降程度大，如图 3-1 所示。 在图 3-1 中，曲线 1 是积复励发电机的外特性，曲线 2 是他励发电机的外特性，曲
线3是并励发电机的外特性。积复励发电机运行时，也存在电枢反应，但由于串励绕 组起着增加励磁磁势的作用，使得端电压有升高的趋势。如果随着负载电流的增加，端 电压上升，额定负载时U>U,称为过复励：如果随着负载电流的增加端电压下降，额 定负载时U<UN,称为欠复励：如果额定负载时U=N,称为平复励。由于积复励发 电机随负载电流的变化端电压变化较小，故用在要求电源电压基本不变的场合。 调节特性是指转速n=,端电压U=Uw,负载电流变化时，励磁电流随负载电流 而变化的规律1=f)。 并励和复励发电机由于其励磁电流由自身的感应电势产生，因此其电压的初始建立 需满足一定的条件，自励条件是：①铁芯中要有剩磁：②励磁绕组和电枢绕组的接法 正确：③励磁回路中的电阻要小于临界电阻。这也是本实验中需要完成的环节。 实验三直流发电机实验 一、实验目的 1.掌握用实验方法测定直流发电机不同励磁方式的运行特性。 2.通过实验观察并励发电机的自励过程和自励条件。 3.了解不同励磁方式对电机性能的影响。 二、预习要点 1.什么是发电机的运行特性？在求取直流发电机的特性曲线时，哪些物理量应保 持不变，哪些物理量应测取？ 2.做空载特性实验时，励磁电流为什么必须保持单方向调节？ 3.并励发电机的自励条件有哪些？当发电机不能自励时应如何处理？ 三、实验项目 1.他励发电机实验
线 3 是并励发电机的外特性。积复励发电机运行时，也存在电枢反应，但由于串励绕 组起着增加励磁磁势的作用，使得端电压有升高的趋势。如果随着负载电流的增加，端 电压上升，额定负载时 U>UN，称为过复励；如果随着负载电流的增加端电压下降，额 定负载时 U<UN，称为欠复励；如果额定负载时 U = UN，称为平复励。由于积复励发 电机随负载电流的变化端电压变化较小，故用在要求电源电压基本不变的场合。 调节特性是指转速 n=nN，端电压 U = UN，负载电流变化时，励磁电流随负载电流 而变化的规律 If = f (I)。 并励和复励发电机由于其励磁电流由自身的感应电势产生，因此其电压的初始建立 需满足一定的条件，自励条件是：① 铁芯中要有剩磁；② 励磁绕组和电枢绕组的接法 正确；③励磁回路中的电阻要小于临界电阻。这也是本实验中需要完成的环节。 实验三 直流发电机实验 一、实验目的 1．掌握用实验方法测定直流发电机不同励磁方式的运行特性。 2．通过实验观察并励发电机的自励过程和自励条件。 3．了解不同励磁方式对电机性能的影响。 二、预习要点 1．什么是发电机的运行特性？在求取直流发电机的特性曲线时，哪些物理量应保 持不变，哪些物理量应测取？ 2．做空载特性实验时，励磁电流为什么必须保持单方向调节？ 3．并励发电机的自励条件有哪些？当发电机不能自励时应如何处理？ 三、实验项目 1．他励发电机实验
(1)测空载特性保持n=nw使I-0,测取Uof(1r)。 (2)测外特性保持nmw使I=lN,测取U-(ID)。 (3)测调节特性保持nmv使U=UN,测取If(ID。 2.并励发电机实验 (1)观察并励发电机自励过程。 (2)测外特性保持n=nN使Ra=常数(I=lN),测取U=f(D。 四、实验设备及型号 1.实验设备 序号 名称 数量 序号 名 称 数量 1 转速表 1件 直流电流表 2件 2 直流发电机 1台 6 滑线变阻器 2台 3 直流电动机 1台 负载电阻箱 1台 4 直流电压表 1件 8 起动电阻箱 1台 2.直流电动机 型号 Z2-22 预定功举 1.5kW电枢 A 额定电压 220V 励磁方式 并 绝缘等级 定子E 额定电流 6.5A 励德电压 转速 1500 Mr/min 五、实验说明及操作步骤 1.并励直流发电机的自励 按图3-2接线。图中G是直流发电机。M为G的原动机（直流电动机）。Ra直流 电动机励磁回路变阻器，R直流发电机励磁回路变阻器。R,电动机电枢回路变阻器。 R为发电机的负载电阻，采用串并联接法。直流电流表、电压表选用选择合适的量程。 将负载开关K断开，发电机空载，起动电动机(R阳放最大位置，R,放最小位置 合上K),旋转方向应符合正向旋转的要求。起动正常后，发电机转速达到额定值， 观察剩磁电压，如果没有剩磁电压需要充磁，即将K4合向他励形式，合上K,进行充磁
（1）测空载特性 保持 n=nN 使 I=0， 测取 U0=f（If）。 （2）测外特性 保持 n=nN 使 If=IfN，测取 U=f（I）。 （3 *）测调节特性 保持 n=nN 使 U=UN，测取 If=f（I）。 2．并励发电机实验 （1）观察并励发电机自励过程。 （2）测外特性 保持 n=nN 使 Rf2=常数（If=IfN），测取 U=f（I）。 四、实验设备及型号 1．实验设备 序号 名 称 数 量 序号 名 称 数 量 1 转速表 1 件 5 直流电流表 2 件 2 直流发电机 1 台 6 滑线变阻器 2 台 3 直流电动机 1 台 7 负载电阻箱 1 台 4 直流电压表 1 件 8 起动电阻箱 1 台 2．直流电动机 型号 Z2-22 额定功率 1.5 kW 电枢 A 额定电压 220 V 励磁方式 并 绝缘等级 定子 E 额定电流 6.5 A 励磁电压 转速 1500 Mr/min 五、实验说明及操作步骤 1．并励直流发电机的自励 按图 3-2 接线。图中 G 是直流发电机。M 为 G 的原动机（直流电动机）。Rf1 直流 电动机励磁回路变阻器，Rf2 直流发电机励磁回路变阻器。Rq 电动机电枢回路变阻器。 RL 为发电机的负载电阻，采用串并联接法。直流电流表、电压表选用选择合适的量程。 将负载开关 K3 断开，发电机空载，起动电动机（Rf1 放最大位置， Rq 放最小位置， 合上 K1），旋转方向应符合正向旋转的要求。起动正常后，发电机转速达到额定值， 观察剩磁电压，如果没有剩磁电压,需要充磁,即将 K4 合向他励形式,合上 K5,进行充磁
如有剩磁，记录剩磁电压。 1d.20 6220 1 A0-0 RL 图3一2直流他励发电机接线图 2.他励发电机的空载特性 并励直流发电机在空载时电枢电流和励磁电流大小相等，因此，并励发电机的空载 特性和他励发电机的空载特性也基本相同。 合上K:形成他励形式，将励磁回路电阻放最大。合上K2,调节电阻R,在保证发 电机转速恒定为额定转速中，将发电机空载电压U6调至120%UN开始，将发电机励磁 电流逐次减小，每次记录发电机空载电压Uo和励磁电流1r,直至电流1=0。（即断开 励磁回路开关Ks),共测取5~7组，记录于表3-1。当1=0时，U6为剩磁电压，大约 为2~4%UN。注意调节励磁电流时，为避免磁滞，只能单方向调节。 表3-1 n=1450转/分 1=0时 Ir (A) Uo (V) 3.他励直流发电机外特性 保证发电机转速n=nw=1450r/min,励磁电流lr保持不变的情况下，电枢端电压U 随负载电流I而变化的规律，即U=①。()合上K1起动电动机，使发电机转速达到额
如有剩磁，记录剩磁电压。 M A A 220V _ K1 B1 B2 S1 S2 Rf1 Rq 0.5-1A 0-10A + K5 B1 B2 S1 S2 V A A K3 RL Rf2 G 0-10A 他 励 并 励 + K4 220V_ 0.5-1A 图 3－2 直流他励发电机接线图 2．他励发电机的空载特性 并励直流发电机在空载时电枢电流和励磁电流大小相等，因此，并励发电机的空载 特性和他励发电机的空载特性也基本相同。 合上 K4 形成他励形式，将励磁回路电阻放最大。合上 K2，调节电阻 Rf2，在保证发 电机转速恒定为额定转速中，将发电机空载电压 U0 调至 120%UN 开始，将发电机励磁 电流逐次减小，每次记录发电机空载电压 U0 和励磁电流 If ，直至电流 If =0。(即断开 励磁回路开关 K5)，共测取 5～7 组，记录于表 3-1。当 If =0 时，U0 为剩磁电压，大约 为 2~4%UN。注意调节励磁电流时，为避免磁滞，只能单方向调节。 表 3—1 n= 1450 转/分 Ia= 0 时 If（A） U0（V） 3．他励直流发电机外特性 保证发电机转速 n=nN=1450r/min，励磁电流 If 保持不变的情况下，电枢端电压 U 随负载电流 I 而变化的规律，即 U=f (I)。(1) 合上 K1 起动电动机，使发电机转速达到额
定转速1450rmin。(2)合上K,形成他励形式。(3)合上K2,调节发电机励磁电阻R2, 使发电机的输出电压达到额定电压230V。将负载电阻R放最大。(4)合上K,逐步调 节负载电阻R,使发电机的输出电流增大（保证n=m=1450rmin,=uw=230V, Ia=w=3.48A)时，这点就是发电机的额定运行工作点。此时的励磁电流为额定励磁电流 I=HN,记录发电机该组数据，然后保持转速n=n=1450 r/min,励磁电流I=l不变，逐 次增大负载电阻（即减小发电机负载电流），每次记录发电机输出电流和输出电压，直至 空载0（断开K),共记录5~6组数据。 表3-2 n=1450 r/min l=lN=0.41A 4.并励发电机外特性： 检查完自励过程，将K合向并励形式，合上K,调节R2,使电压达到额定值（即额 定运行工作点)，保持励磁电流不变，转速不变，逐次增大负载电阻R,每次记录发电 机输出电压U和输出电流，直至=0（断开K3空载时的电压），共记录5~6组。 表2-3 n=nN= r/min I=IN=A 5.调整特性 调节发电机的分压电阻Ra,保持m,使发电机空载达额定电压。在保持发电机 nw条件下，合上负载开关K,调节负载电阻R,逐次增加发电机输出电流I,同时 相应调节发电机励磁电流I,使发电机端电压保持额定值U=U。从发电机的空载至额 定负载范围内每次测取发电机的输出电流I和励磁电流【：，共取56组数据记录于表34 中。 表2-4 n=nN= r/min U=UN= IL (A) Ir(mA)
定转速 1450 r/min 。(2) 合上 K4，形成他励形式。(3) 合上 K2,调节发电机励磁电阻 Rf2， 使发电机的输出电压达到额定电压 230V。将负载电阻 RL 放最大。(4) 合上 K3，逐步调 节负载电阻 RL，使发电机的输出电流增大 (保证 n=nN=1450 r/min，u=uN=230V， Ia=IN=3.48A) 时，这点就是发电机的额定运行工作点。此时的励磁电流为额定励磁电流 If=IfN，记录发电机该组数据，然后保持转速 n=nN=1450 r/min，励磁电流 If=IfN 不变，逐 次增大负载电阻 (即减小发电机负载电流)，每次记录发电机输出电流和输出电压，直至 空载 I=0 (断开 K3)，共记录 5～6 组数据。 表 3—2 n = 1450 r/min If=IfN = 0.41 A Ia U 4．并励发电机外特性： 检查完自励过程，将 K4 合向并励形式，合上 K2，调节 Rf2，使电压达到额定值(即额 定运行工作点)，保持励磁电流不变，转速不变，逐次增大负载电阻 RL，每次记录发电 机输出电压 U 和输出电流，直至 I=0 (断开 K3 空载时的电压)，共记录 5~6 组。 表 2-3 n＝nN＝ r/min If＝IfN＝ A I U 5．调整特性 调节发电机的分压电阻 Rf2，保持 n=nN，使发电机空载达额定电压。在保持发电机 n=nN 条件下，合上负载开关 K3，调节负载电阻 RL，逐次增加发电机输出电流 I，同时 相应调节发电机励磁电流 If，使发电机端电压保持额定值 U＝UN。从发电机的空载至额 定负载范围内每次测取发电机的输出电流 I 和励磁电流 If，共取 5-6 组数据记录于表 3-4 中。 表 2-4 n=nN＝ r/min U＝UN＝ V IL（A） If（mA）
六、注意事项 1.直流电动机M起动时，要注意须将R调到最大，R调到最小，电动机起动运 转。起动完毕，应将R调到最小。 2.做外特性时，避免电流过大引起变阻器损坏。 七、实验报告 1.根据空载实验数据，作出空载特性曲线【o=了(1)，由空载特性曲线计算出被试电 机的剩磁电压的百分数 2.在同一座标纸上绘出他励、并励发电机的两条外特性曲线。分别算出两种励磁 方式的电压变化率并分析差异原因： 4U%-010% 3。绘出他励发电机调整特性曲线，分析在发电机转速不变的条件下，为什么负载增 加时，要保持端电压不变，必须增加励磁电流的原因。 八、思考题 1.为什么直流电动机起动时，电枢回路串的电阻调到最大值？而励磁回路电阻调 到最小值？ 2.并励发电机不能建立电压有哪些原因？ 3.在发电机一电动机组成的机组中，当发电机负载增加时，为什么机组的转速会 变低？为了保持发电机的转速n=,应如何调节？ 4.改变并励直流电动机电源极性，能否改变电机转向？
六、注意事项 1．直流电动机 M 起动时，要注意须将 Rq 调到最大，Rf1 调到最小，电动机起动运 转。起动完毕，应将 Rq 调到最小。 2．做外特性时，避免电流过大引起变阻器损坏。 七、实验报告 1．根据空载实验数据,作出空载特性曲线 U0= f（If）,由空载特性曲线计算出被试电 机的剩磁电压的百分数。 2．在同一座标纸上绘出他励、并励发电机的两条外特性曲线。分别算出两种励磁 方式的电压变化率并分析差异原因： 3．绘出他励发电机调整特性曲线，分析在发电机转速不变的条件下，为什么负载增 加时，要保持端电压不变，必须增加励磁电流的原因。 八、思考题 1．为什么直流电动机起动时，电枢回路串的电阻调到最大值？而励磁回路电阻调 到最小值？ 2．并励发电机不能建立电压有哪些原因？ 3．在发电机一电动机组成的机组中，当发电机负载增加时，为什么机组的转速会 变低？为了保持发电机的转速 n=nN，应如何调节？ 4．改变并励直流电动机电源极性，能否改变电机转向？ % 100% 0 N N U U U U − =