专题四十 直流发电机及运作特性（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题四十 直流发电机及运作特性 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 基础公式应用：给定直流发电机的电枢转速n、磁通Φ、电枢绕组匝数N和支路数2a，要求计算其电枢感应电动势 运行特性判断：给出他励直流发电机的外特性曲线（U-I曲线），让学生指出曲线趋势 转矩平衡方程式理解：判断直流发电机稳定运行时，原动机输入转矩T1、电磁转矩Tem和空载损耗转矩T0的关系 考纲解读—考试要求 能识别他励直流发电机外特性曲线（U-I曲线）的变化趋势，解释负载电流增大时端电压下降的原因。 能清晰阐述直流发电机转矩平衡方程式中各转矩的作用，以及电磁功率与电枢感应电动势、电枢电流的内在联系。 能准确回忆并应用电枢感应电动势公式、电磁功率公式，根据题目给出的已知条件，正确计算对应物理量的数值。 4 考纲解读—易考题型 简述直流发电机负载电流增大时，端电压下降的原因 简答题 直流发电机电枢感应电动势Ea与磁通Φ、电枢转速n成______关系 填空题 主要考查电枢感应电动势公式的变量关系，如“其他条件不变时，增大直流发电机的电枢转速n，其电枢感应电动势Ea会（ ） 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 1.电枢绕组的感应电动势 当外界动力机械带动电枢旋转时,电枢绕组切割气隙磁场产生感应电动势,即正负电刷间的电动势。导体在匀强磁场中做垂直切割磁感线运动时,产生电动势的表达式为 e = BLv （7-1） 式中 e —— 导体中感应电动势,单位是V(伏); B —— 导体所在处的磁感应强度,单位是T(特); L —— 导线在磁场中的有效长度,单位是m(米); v —— 导体运动的速度,单位是m/s(米/秒)。 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 在直流发电机中,磁极表面的磁感应强度是不均匀的,如果能求出发电机气隙中的平均磁感应强度,每根导体的平均感应电动势为 ep = BpLv (7-2) 式中 ep —— 导体中平均感应电动势; Bp —— 发电机气隙中的平均磁感应强度; L —— 导体在磁场中的有效长度; v —— 导体运动速度。 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 如果电枢绕组中总有效边数是N,共有2a条并联支路数,则每条支路串联的有效边数为N/2a,所以每条支路的总电动势为 Ea = ep = BpLv (7-3) 式中 Ea —— 电枢电动势,单位是V(伏); N —— 电枢绕组有效边总数; a —— 电枢绕组并联支路对数。 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 在式(7-3)中,对一定的发电机来说,N、a、L只与电机结构有关。而Bp和v又是通过每极的磁通Ф和发电机转数n计算出来的,这样就可以得到Ea的值。则有 Bp = = （7-4） 式中 Ф —— 每极磁通,单位是Wb(韦); D —— 电枢直径,单位是m(米);7 Sa —— 每极气隙的面积,单位是m(米’); p —— 电机主磁极对数。 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 v = (7-5) 式中 n —— 电枢的转数,单位是r/min(转/分)。 将式(7-4)和式(7-5)代人式(7-3)中,可得Ea=··=n （7-6） 可将pN/(60a)定义为电机的电动势常数,其大小只与电机结构有关,并令其为Ce,则 Ea = CeФn (7-7) 由式(7-7)可看出,发电机的电动势与电枢转速n和主磁极的磁通Ф有关。改变其中任何个量,都能使Ea发生变化。 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 2.电磁转矩 直流电机作为发电机运行时,电机由原动机拖动(输入转矩为T)并以恒转速旋转。发电机接有负载时,电枢内有电流通过,它与电枢的电动势方向是一致的。它在磁场中要产生一个转矩,转矩方向与输人转矩方向相反,如图7-29所示。对输人的机械转矩来说,它是制动转矩,又因为它是由电磁力产生的,所以称为电磁转矩。 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 电磁转矩的导出过程如下:在发电机内,一根有效边长为L,通过电流为I，气隙平均磁感应强度为Bp，其受到的电磁力为 Fa = BpIL 电枢表面导体受力与电枢半径垂直,形成的电磁转矩为 T = Fa 由上可知,导体总数为N,电枢有2a条并联支路,电枢总电流为Ia,则每条支路电流为I=Ia/2a,每极磁通为Ф,则电磁转矩 T = · L · · N = ФIa (7-8) 因为p、N、a只与电机结构有关,令C1为电机转矩常数,则C1 = 所以式(7-8)可写成 T = C1ФIa (7-9) 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 3.电磁功率 直流发电机在工作时,电枢中有电动势Ea存在,并且有电流Ia输出,如果电枢本身有电阻Ra,输出电压为U,它们之间的关系可有 Ea = U+IaRa 或 U = Ea - IaRa （7-10） 式(7-10)称为发电机电动势平衡方程式。如果将上式两边乘以Ia,则得 EaIa = UIa + I2aRa （7-11） 式中EaIa称为电磁功率,它表示输人发电机的机械功率通过电磁作用而转变成电磁功率,且Pe=EaIa。式(7-11)称为发电机电磁功率平衡方程式。 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 式(7-11)中,Ua是电刷两端输出的功率P2,I2aRa是电枢绕组上的铜损Pcu。如果电机转速n用角速度Ω表示，Ω = n = (7-12) 将式(7-6)、式(7-12)代人式(7-11),可得 Pe = EaIa = · Ia = · ΦIaΩ = TΩ （7-13） 式(7-13)说明,发电机的电磁功率,来源于输入发电机的机械功率TΩ。 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 4.发电机的效率及转矩平衡方程式 发电机除了电枢绕组铜损外,还存在电枢铁心中 由磁滞和涡流产生的铁损pFc,以及机械摩擦产 生的机械损耗pΩ,不管发电机有无负载,铁损和机 械损耗都存在,所以又称空载损耗,统称P0。如图7-34(a)所示的并励发电机的功率平衡图可以形象地说明各功率之间的关系。 一、电枢感应电动势、电磁转矩、电磁功率、效率及转矩平衡方程式 知识点梳理和重点概念复习 直流发电机的运行特性一般是指发电机运行时,端电压U、负载电流I、励磁电流IE,这三个基本量之间的关系。下面主要叙述发电机的空载特性和外特性。 1.并励发电机的空载特性 并励发电机原理图如图7-30所示,电路特点是:电枢绕组与励磁绕组并联,励磁电流由发电机本身的电枢绕组供给。励磁电流占额定负载时电流的极小部分。大、中型直流发电机的励磁电流为额定电流的2%~3%,小型直流发电机的励磁电流为额定电流的5%~10%。 二、直流发电机的运行特性 知识点梳理和重点概念复习 并励发电机空载特性曲线的画出,就是并励发电机自建电动势的过程。并励发电机自建电动势必须满足三个条件: ①主磁极必须有剩磁,电枢旋转时能切割剩磁产生励磁电流。②励磁绕组与电枢绕组接法正确,使励磁电流产生的磁通与剩磁通方向一致。③励磁电路的电阻应小于临界值。励磁回路的电阻是调节励磁电流的,磁路饱和时的励磁回路电阻值称为临界值。励磁回路电阻小于临界值,励磁电流大于磁路饱和时的电流值。 二、直流发电机的运行特性 知识点梳理和重点概念复习 并励发电机工作时,其额定工作电压位于曲线弯曲的a点处,称为膝部。若位于a点以下，说明磁路未饱和,铁心未得到充分利用,不经济。励磁电流稍有变化,电压就会有较大的变化,电压不稳定。若在a点以上,磁路比较饱和,要获得额定电压,就要求有较大的电流或者有较多的励磁绕组匝数,这样铜损或铜用量要增加,也不经济。所以最适宜的工作点就在a点附近。 二、直流发电机的运行特性 知识点梳理和重点概念复习 2.并励发电机的外特性 并励发电机的外特性是指发电机接上负载后,保持励磁电流IE不变时,端电压U随负载电流IL的变化关系,可表示为U=f(IL)。 并励发电机外特性测试电路如图7-32所示。求取外特性时,测试时应保持n=nN,同时调节励磁电流和负载电流,使电机达到额定状态,即U=UN，I=IN。然后保持励磁电阻Rp不变,求取不同负载时的端电压,可得如图7-33所示并励发电机外特性曲线。 二、直流发电机的运行特性 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：转矩平衡方程式（T1=Tem+T0）描述的是各转矩之间的平衡关系，仅在发电机转速稳定（角速度不变）的运行状态下成立；启动瞬间转速变化，转矩不平衡，停机过程同理，故选择B。 1.直流发电机的转矩平衡方程式适用于（ ） A. 启动瞬间 B. 稳定运行状态 C. 停机过程 D. 任何状态 21 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：并励发电机励磁电流随端电压下降而减小，导致磁通进一步减小，端电压下降更显著；他励发电机励磁电流不变，端电压仅因电枢电阻和电枢反应下降，故外特性曲线更平缓，选择B。 2.他励直流发电机的外特性曲线比并励直流发电机的外特性曲线（ ） A. 下降更明显 B. 下降更平缓 C. 完全重合 D. 无规律 22 常考习题练习与讲解—选择题 答案：D 解析：叠绕组的支路数等于磁极对数，支路数少、每条支路匝数多，适合产生高电压；波绕组支路数恒为2，适合大电流电机，故选择D。 3.直流发电机中，电枢绕组采用叠绕组时，其特点是（ ） A. 支路数多 B. 适用于大电流电机 C. 每极下绕组元件多 D. 适用于高电压电机 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：电磁功率一部分用于克服电枢电阻的铜损（转化为热能），剩余部分才是输出给负载的功率，因此电磁功率大于输出功率，并非全部转化为输出功率，故选择C。 4.下列关于直流发电机电磁功率的说法，错误的是（ ） A. 电磁功率是机械能向电能转换的中间功率 B. 电磁功率等于电枢感应电动势乘以电枢电流 C. 电磁功率全部转化为输出功率 D. 电磁功率大于输出功率 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：负载短路时，端电压近似为零，电枢感应电动势几乎全部降落在电枢电阻上，根据欧姆定律（Ia≈Ea/Ra），电枢电阻很小，因此电枢电流会急剧增大，可能损坏电机，故选择A。 5.直流发电机运行时，若负载短路，其电枢电流会（ ） A. 急剧增大 B. 急剧减小 C. 保持额定值 D. 为零 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：电枢反应的去磁作用会使主磁通减小，根据电枢感应电动势公式，电动势减小，在电枢电阻压降的共同作用下，端电压会降低，故选择B。 6.电枢反应对直流发电机端电压的影响是（ ） A. 使端电压升高 B. 使端电压降低 C. 无影响 D. 不确定 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：空载损耗是发电机空载运行时的损耗，包括机械摩擦、风阻等机械损耗和铁芯损耗；电枢铜损是电流通过电枢绕组产生的损耗，空载时电枢电流很小，铜损可忽略，故不属于空载损耗，选择A。 7.直流发电机的空载损耗不包括（ ） A. 电枢铜损 B. 机械摩擦损耗 C. 铁芯损耗 D. 风阻损耗 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：励磁电流为零时，主磁场消失，但电枢铁芯仍有少量剩磁，电枢旋转切割剩磁磁感线会产生很小的感应电动势，并非完全为零，故选择C。 8.他励直流发电机在额定转速下运行，若励磁电流为零，其电枢感应电动势（ ） A. 等于额定电动势 B. 约为额定电动势的一半 C. 仅由剩磁产生，数值很小 D. 为零 28 常考习题练习与讲解—填空题 答案：换向器 解析：电枢绕组旋转时产生的是交流电，换向器通过与电刷配合，在电枢旋转过程中不断切换接触的绕组元件，使电刷两端的电流方向保持不变，实现交流电向直流电的转换。 1.直流发电机中，______的作用是将电枢绕组产生的交流电转换为电刷两端的直流电，确保外部电路获得直流电。 29 常考习题练习与讲解—填空题 答案：空载损耗转矩 解析：T₀是空载损耗对应的转矩，由机械损耗和铁损产生，其大小取决于电枢转速（转速越高，摩擦、风阻越大）和电机结构（如轴承类型、铁芯材质），与负载无关。 2. 转矩平衡方程式中，T₀代表______，其大小主要与电机的转速和结构有关。 30 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电枢反应 解析：负载增大时，电枢电流增大，电枢反应的去磁作用增强，导致主磁通减小，同时电枢电阻压降（IaRa）增大，两者共同使端电压下降；若去磁作用过强，会加剧电压下降趋势。 3.直流发电机负载增大时，若端电压下降过快，可能是由于______的去磁作用过强或电枢电阻过大导致的。 31 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电枢铜 解析：直流发电机的损耗包括铜损（随负载增大而增大）和固定损耗（铁损、机械损耗，基本恒定），当铜损等于固定损耗时，总损耗最小，效率达到最大值。 4.直流发电机的效率达到最大值时，其______损耗与铁损、机械损耗之和近似相等。 32 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：端电压U=Eₐ-IₐRₐ，电枢电阻Rₐ增大时，电枢电阻压降（IₐRₐ）增大，在电枢感应电动势Eₐ不变的情况下，端电压会降低，而非升高。 1.电枢电阻增大时，直流发电机的端电压会升高，因为电枢电阻压降增大。（ ） 33 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：效率随负载变化的规律是“先升后降”：空载时效率为0，轻载时效率随负载增大而升高，当铜损与固定损耗（铁损、机械损耗）相等时效率最高，负载继续增大（过载），铜损急剧增大，效率反而下降。 2.直流发电机的效率随负载电流增大而单调增大，负载越大效率越高。（ ） 34 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：励磁电流为零时，主磁场消失，但电枢铁芯中仍存在少量剩磁，电枢旋转时切割剩磁磁感线，会产生很小的感应电动势（剩磁电动势），不会立即降为零。 3.直流发电机失去励磁电流后，电枢感应电动势会立即降为零。（ ） 35 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：电刷的核心作用是与换向器配合，将电枢绕组产生的直流电引出到外部电路（发电机），或向电枢绕组输入直流电（电动机）；固定电枢的部件是轴承和端盖，而非电刷。 4.电刷的主要作用是固定电枢，防止电枢旋转时发生偏移。（ ） 36 常考习题练习与讲解—简答题 答案：产生条件：一是存在由磁极提供的主磁场；二是电枢（带动电枢绕组）在磁场中做旋转运动。原理：电枢绕组随电枢旋转时，绕组导体切割主磁场的磁感线，根据电磁感应原理，导体中会产生感应电动势，多个导体的电动势叠加后，形成电枢感应电动势，再通过换向器和电刷转换为直流电输出。 1.简述直流发电机产生电枢感应电动势的条件和原理。 37 常考习题练习与讲解—简答题 答案：电磁转矩的作用是阻碍电枢旋转的制动转矩。在直流发电机中，电枢电流通过电枢绕组时，会在主磁场中受到电磁力，根据左手定则，电磁力产生的电磁转矩方向与电枢旋转方向相反，需原动机提供的输入转矩克服该制动转矩，才能维持电枢稳定旋转，实现机械能向电能的转换。 2.直流发电机中电磁转矩的作用是什么？它与电枢旋转方向的关系如何？ 38 常考习题练习与讲解—简答题 答案：变化趋势：在励磁电流、电枢转速不变的条件下，随着负载电流增大，发电机端电压逐渐下降，曲线呈略微向下倾斜的趋势。主要原因：①电枢电阻压降：负载电流增大，电枢电流增大，电枢电阻上的压降（IₐRₐ）增大，导致端电压（U=Eₐ-IₐRₐ）下降；②电枢反应去磁作用：电枢电流增大，电枢反应的去磁作用增强，主磁通减小，电枢感应电动势（Eₐ）降低，进一步导致端电压下降。 3.简述他励直流发电机外特性曲线的变化趋势，并说明导致电压下降的主要原因。 39 常考习题练习与讲解—简答题 答案：各转矩含义及作用：①T₁：由原动机提供的驱动转矩，方向与电枢旋转方向相同；②Tₑₘ：电枢电流在磁场中产生的制动转矩，方向与电枢旋转方向相反；③T₀：由机械摩擦（轴承摩擦、风阻）和铁损（电枢铁芯涡流、磁滞损耗）产生的损耗转矩，方向与电枢旋转方向相反。 4.直流发电机的转矩平衡方程式式中各转矩的含义是什么？ 40 重点复习知识点： 1.电枢感应电动势是电枢绕组切割磁感线的产物，决定发电机的电能产生能力；电磁转矩是电枢电流在磁场中受力形成的制动转矩，需原动机克服以维持旋转；电磁功率是机械能向电能转换的“中间功率”，等于电枢感应电动势与电枢电流的乘积，是连接电动势和转矩的关键物理量。 2.稳定运行时的转矩平衡关系：T₁=Tₑₘ+T₀。 3.外特性的定义（励磁电流、转速不变时，端电压与负载电流的关系）和趋势（随负载电流增大，端电压逐渐下降），并能解释电压下降的两大核心原因。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 41 $