《变压器与电动机》直流发电机的运行特性与特性分析 (举一反三考点练）-讲义

举一反三考点练 《变压器与电动机》直流发电机的运行特性与特性分析-讲义 1. 理解并励发电机的空载特性与自励建压过程。 2. 掌握并励发电机的外特性及其电压变化规律。 3.能够进行并励发电机额定状态下的基本电流与功率计算。 知识点一 并励发电机的空载特性与自励建压过程 一、空载特性的定义： 在额定转速、无负载条件下，发电机端电压随励磁电流变化的关系。其曲线形状与铁芯磁化曲线相似，反映铁芯的饱和特性。 图1 并励发电机原理图1 图2 并励发电机原理图2 图3 并励发电机空载特性曲线 二、自励建压过程： 并励发电机依靠自身剩磁建立电压的过程。电枢切割剩磁产生微小电动势，形成初始励磁电流，此电流增强磁场，使电动势进一步增大，形成正反馈，直至达到稳定。 三、建压成功条件： ①主磁极有剩磁；②励磁磁场与剩磁方向一致；③励磁回路电阻小于临界电阻值。 四、工作点选择： 发电机额定工作点通常设在空载特性曲线的“膝部”（转折点附近），以保证电压稳定性和经济性。 并励发电机空载特性的测试条件是什么（ ） A. 保持负载电流不变，改变转速 B. 保持转速和励磁电流都不变，改变负载 C. 保持额定转速不变，负载开路，改变励磁电流 D. 保持端电压不变，改变负载大小 【答案】C 【解析】空载特性的定义就是在恒定额定转速n = n_N和空载I_L = 0的条件下，研究端电压U_0（≈E_a）与励磁电流I_f之间的单值关系。 1. 并励发电机的空载特性曲线为什么与磁化曲线形状相似（ ） A. 因为励磁电流与负载电流成正比 B. 因为端电压与励磁电流的比值是常数 C. 因为端电压正比于磁通，而磁通与励磁电流的关系就是磁化曲线 D. 因为电枢电阻上的压降随励磁电流线性变化 【答案】C 【解析】在转速恒定时，电枢电动势E_a = C_eΦn，与每极磁通Φ成正比。而磁通Φ是由励磁电流I_f产生的，Φ与I_f的关系Φ=f(I_f)就是铁芯的磁化曲线。因此，反映U_0与I_f关系的空载特性曲线自然与磁化曲线形状相似。 2. 一台并励发电机转速正常，接线也正确，但无法建立电压，最可能的原因是（ ） A. 负载电阻太小 B. 励磁回路断路 C. 励磁回路电阻过大，超过了临界值 D. 电枢绕组短路 【答案】C 【解析】自励建压的三个必要条件中，剩磁和接线正确通常出问题较少。励磁回路电阻过大是运行中最常见的导致不能建压的原因。电阻过大，使得在初始剩磁电动势下产生的励磁电流太小，无法有效增强磁场，导致电压建立过程失败。 3. 当并励发电机的励磁绕组接反（即产生的磁场与剩磁方向相反），自励建压时会怎样（ ） A. 电压能建立，但极性反向 B. 电压能建立，且极性不变 C. 电压不能建立，且会削弱剩磁 D. 电压建立得比正常更快 【答案】C 【解析】如果励磁绕组接反，初始励磁电流产生的磁场方向与剩磁方向相反，这会削弱而不是增强原有的剩磁。结果，电动势不仅不会升高，反而会降低，导致整个自励过程无法启动，甚至可能将原有的剩磁抵消。 1. 并励发电机最经济、稳定的额定工作点通常位于空载特性曲线的（ ） A. 起始的直线部分 B. 膝部（开始弯曲的转折点附近） C. 深度饱和的平坦部分 D. 对应于剩磁电压的点 【答案】B 【解析】工作在直线部分，电压不稳定（励磁电流微小变动引起电压大幅变化）且铁芯未充分利用；工作在深度饱和部分，要获得所需电压需很大励磁电流或很多励磁匝数，不经济。工作在“膝部”附近，兼顾了铁芯利用率和电压稳定性。 2. “临界电阻”是指，在某一固定转速下，使发电机什么的励磁回路总电阻值（ ） A. 输出电流最大 B. 空载特性曲线为直线 C. 刚好能建立额定电压 D. 刚好不能自励建压 【答案】C 【解析】临界电阻是一个关键概念。当励磁回路总电阻等于该转速下的临界电阻值时，空载特性曲线与励磁电阻线U=I_f*R_f相切，此时发电机刚好能建立某一电压（不一定是额定电压）。若电阻大于此值，则两线无交点，不能自励。 3. 在并励发电机自励过程中，最初的励磁电流来源于（ ） A. 外部直流电源 B. 负载回路的反馈 C. 电枢切割剩磁产生的微小电动势 D. 电枢反应 【答案】C 【解析】自励的起点是剩磁。电枢旋转切割剩磁，产生一个很小的剩磁电动势（通常为额定电压的2%~5%）。这个微小的电动势加在励磁绕组两端，从而产生了最初的、极小的励磁电流，启动了整个正反馈建压过程。 · 空载特性揭示了无负载时发电机电压与励磁电流的关系，其形状由铁芯磁化特性决定。 · 自励建压是并励发电机的核心特点，成功需满足剩磁、磁场同向和回路电阻小于临界值三个条件。 · 额定工作点宜选在空载特性曲线膝部，以保证经济性和稳定性。 知识点二 并励发电机的外特性与电压调整 一、外特性的定义与测试： 并励发电机的外特性是指，在发电机保持额定转速和励磁回路电阻不变（即保持建压后的励磁电流I_f基本不变）的条件下，其输出端电压U随负载电流I_L变化而变化的规律。测试时，先将发电机调整至额定状态（U=U_N， I_L=I_N），然后固定励磁调节电阻，逐步增加负载（减小负载电阻），记录不同负载下的端电压和负载电流。 图4 并励发电机外特性测试电路 二、外特性曲线的特点： 并励发电机的外特性曲线是一条随负载电流增大而逐渐下降的曲线。它有以下特点：一是端电压随负载增加而下降；二是曲线存在“拐弯”现象，即当负载电阻减小到一定程度时，负载电流达到一个最大值（临界电流），随后若继续减小电阻，由于端电压急剧下降，负载电流反而会减小；三是稳态短路（U=0）电流不大。 图5 并励发电机外特性曲线 三、引起端电压下降的主要原因： 主要有三个原因。第一，电枢回路内阻压降：负载电流增大导致电枢电流增大，使得电枢绕组电阻压降I_a R_a增大，根据U = E_a - I_a R_a，端电压U下降。第二，电枢反应的去磁作用：负载电流增大，电枢反应增强，其产生的磁场削弱了主磁场，导致电动势E_a本身有所下降。第三，励磁电流的减小：由于U下降，而励磁回路电阻固定，使得励磁电流I_f = U / R_f随之减小，进一步削弱主磁场和E_a，加剧了电压下降。 四、“拐弯”现象与短路特性： 外特性曲线“拐弯”是由于端电压下降过快导致的。当负载很重时，上述三个原因共同作用使U快速降低，以至于负载电阻减小时，电流I_L = U / R_L的增加效应被U的减小效应所抵消甚至超越，从而电流出现最大值后开始回落。稳态短路时，端电压为零，励磁电流也为零，仅靠剩磁发电，因此短路电流不大，这是并励发电机的一个优点（与其它励磁方式相比，不易因短路损坏）。 五、电压变化率： 工程上用“电压变化率”来衡量发电机从空载到满载时电压的波动程度。对于并励发电机，其电压变化率较大，通常可达（10~30）%。这表明其输出端电压随负载变化的稳定性相对较差。 测试并励发电机外特性时，需要保持不变的量是（ ） A. 端电压和负载电流 B. 转速和励磁回路电阻 C. 转速和负载电阻 D. 励磁电流和负载功率 【答案】B 【解析】外特性的定义就是在n = n_N（额定转速）和R_f（励磁回路总电阻）不变的条件下，研究U = f(I_L)的关系。固定R_f意味着在负载变化过程中，我们不再人为调节励磁，让I_f自然随U变化。 1. 随着负载电流的增大，并励发电机的端电压逐渐下降，其主要原因不包括（ ） A. 电枢绕组电阻上的压降增大 B. 电枢反应的去磁效应使电动势减小 C. 转速因负载加重而降低 D. 端电压下降导致励磁电流减小 【答案】C 【解析】 在外特性测试条件中，明确要求保持转速n不变。因此，转速下降不是并励发电机外特性曲线下降的内在原因。 2. 并励发电机外特性曲线上出现的“拐弯”现象是指（ ） A. 电压突然上升 B. 电流达到最大值后，继续减小负载电阻，电流反而减小 C. 发电机突然失去励磁 D. 特性曲线变成一条水平线 【答案】B 【解析】“拐弯”是并励发电机外特性的一个显著特点。由于端电压U随负载加重下降得非常快，当达到某个临界点后，U下降对电流的影响超过了负载电阻R_L减小对电流的影响，使得I_L = U / R_L这个值在R_L减小时反而变小，曲线出现一个峰值后向下弯曲。 3. 与其它励磁方式的直流发电机相比，并励发电机稳态短路时的一个显著优点是（ ） A. 短路电流很大，能提供强大的短路功率 B. 短路电流很小，对发电机危害较小 C. 短路后电压反而升高 D. 不会发生短路 【答案】B 【解析】并励发电机稳态短路时，端电压U=0，因此励磁电压也为零，励磁电流消失，磁场仅剩微弱的剩磁。所以产生的短路电动势和短路电流都很小，通常不会对发电机造成毁灭性损坏，这是它的一个安全优点。 1. 电枢反应对并励发电机外特性的影响主要体现在（ ） A. 提高了发电机的效率 B. 增强了主磁场，使电压升高 C. 削弱了主磁场，使电动势下降 D. 改变了发电机的转速 【答案】C 【解析】电枢反应是电枢电流产生的磁场对主磁场的影响。在发电机中，通常情况下，电枢反应是去磁性的，即削弱主磁场。这使得在负载电流增大时，实际的气隙磁通和感应电动势E_a减小，从而加剧了端电压U的下降。 2. 如果希望提高并励发电机的电压稳定性（即减小负载变化时的电压波动），有效的做法是（ ） A. 增大电枢绕组的电阻 B. 采用自动励磁调节装置，根据电压变化自动调整励磁电流 C. 故意让发电机工作在空载特性曲线的直线部分 D. 增大负载电阻 【答案】B 【解析】并励发电机固有外特性较软（电压变化率大）。要提高电压稳定性，必须补偿因负载变化引起的电压降落。最有效的方法是采用自动电压调节器（AVR），它能够检测端电压，并自动、快速地调整励磁电流，以维持端电压基本恒定。 3. 并励发电机从空载到满载，其端电压下降的幅度范围大致是（ ） A. 1%~5% B. 5%~10% C. 10%~30% D. 50%以上 【答案】C 【解析】由于电枢内阻压降、电枢反应和励磁电流减少三大因素的综合影响，并励发电机的电压调整率较大。根据教材和工程实际，其电压变化率（从空载到满载的电压降落百分比）通常在10%到30%之间。 · 外特性描述了负载变化对发电机端电压的影响，并励发电机的外特性是下降的“软特性”。 · 电压下降由内阻压降、电枢反应和自励反馈三方面原因造成，并导致曲线出现“拐弯”现象。 · 其稳态短路电流较小，是结构带来的安全特性。 知识点三 并励发电机的电流分配关系与额定计算 一、各电流的定义与方向： 在并励发电机中，存在三个主要的电流。电枢电流I_a：流经电枢绕组和换向器的总电流。励磁电流I_f：流经并联在电枢两端的励磁绕组的电流。负载电流I_L（或称输出电流I）：发电机供给外部负载的电流。它们的正方向规定为：I_a从电枢绕组经换向器流出电刷，I_f从正电刷端流入励磁绕组，I_L从正电刷端流向负载。 二、电流分配的基本关系： 根据并联电路的基本原理（节点电流定律），在发电机的正电刷端（或负电刷端），电流关系满足：电枢电流I_a等于负载电流I_L与励磁电流I_f之和。即：I_a = I_L + I_f。空载时，I_L = 0，所以I_a = I_f。这个关系是分析并励发电机电路的基础。 三、额定值的意义与识别： 发电机的铭牌上标有额定值，如额定功率P_N、额定电压U_N、额定电流I_N、额定转速n_N等。其中，额定功率P_N是指发电机在额定状态下长期安全运行所能输出的最大电功率。额定电流I_N特指额定负载电流，即输出给负载的电流。额定电压U_N是输出端的额定电压。 四、额定状态下的基本计算步骤： 给定P_N、U_N等参数，计算步骤如下： (1) 额定负载电流I_N = P_N / U_N。 (2) 额定励磁电流I_fN ≈ U_N / R_f（R_f为励磁回路总电阻，包括绕组电阻和调节电阻）。 (3) 额定电枢电流I_aN= I_N + I_fN。 (4) 额定电枢电动势E_aN*≈ U_N + I_aN * R_a（R_a为电枢回路总电阻，包括电枢绕组电阻和电刷接触电阻等）。 五、功率与效率的概念关联： 在额定计算中，输出功率P_2就是额定功率P_N。输入机械功率P_1则需根据总损耗ΔP计算，P_1 = P_N + ΔP。发电机的效率η = P_N / P_1。这些计算将电路参数（电压、电流、电阻）与能量指标（功率、效率）联系了起来。 一台并励发电机带负载运行时，其电枢电流I_a、负载电流I_L和励磁电流I_f之间正确的关系是（ ） A. I_a = I_L - I_f B. I_a = I_L + I_f C. I_L = I_a + I_f D. I_f = I_a + I_L 【答案】B 【答案】这是并励发电机最基本的电流关系式。因为励磁绕组与负载并联后，再与电枢串联。从电路节点看，电枢电流流出后分为两路，一路流向负载（I_L），一路流向励磁绕组（I_f），所以I_a是总电流，I_a = I_L + I_f。 1. 发电机铭牌上标注的额定电流I_N，通常指的是（ ） A. 电枢电流I_a B. 励磁电流I_f C. 负载电流（输出电流）I_L D. 短路电流 【答案】C 【解析】额定电流I_N是指发电机在额定电压U_N下输出额定功率P_N时所对应的输出电流，也就是负载电流I_L。因为P_N = U_N * I_N。电枢电流I_a比I_N大，因为它还包含了励磁电流I_f。 2. 已知一台并励发电机的P_N=10kW， U_N=250V，其额定负载电流I_N为（ ） A. 25A B. 40A C. 250A D. 400A 【答案】B 【解析】根据输出功率公式 P_N = U_N * I_N，可直接计算额定负载电流 I_N = P_N / U_N = 10000W / 250V = 40A。这是必须掌握的基本计算。 3. 在额定状态下，若已知I_N=50A， I_f=2A，则电枢电流I_a为（ ） A. 48A B. 50A C. 52A D. 100A 【答案】C 【解析】直接应用电流关系式 I_a = I_L + I_f。在额定状态，I_L = I_N = 50A。所以 I_aN = I_N + I_fN = 50A + 2A = 52A。 1. 并励发电机空载运行时（开关闭合但未接负载），其电枢电流I_a0的大小约为（ ） A. 0 B. I_N（额定负载电流） C. I_f（励磁电流） D. 比I_f大很多 【答案】C 【解析】空载时，负载电流 I_L = 0。根据电流关系式 I_a = I_L + I_f，此时 I_a = I_f。即空载电枢电流仅仅等于用来建立磁场的励磁电流，其值很小（通常为额定电流的2%~10%）。 2. 发电机的额定功率P_N是指 ( ) A. 输入到发电机的机械功率。 B. 发电机内部转换的电磁功率。 C. 发电机可能输出的最大视在功率。 D. 发电机在额定条件下输出的有效电功率。 【答案】D 【解析】对于直流发电机这类设备，铭牌上标注的额定功率通常都是指其**输出的有效功率**，即能够供给负载使用的电功率。对于直流发电机，就是P_N = U_N * I_N。输入功率和电磁功率都大于P_N。 3. 计算并励发电机的额定电枢电动势E_aN时，一般采用哪个公 ( ) A. E_aN = U_N - I_aN R_a B. E_aN = U_N + I_aN R_a C. E_aN = U_N / I_aN D. E_aN = C_e Φ n_N 【答案】B 【解析】 这是由直流发电机的电动势平衡方程式 U = E_a - I_a R_a 直接变形而来。在额定状态下，额定端电压U_N、额定电枢电流I_aN和电枢内阻R_a共同决定了内部的电动势：E_aN = U_N + I_aN R_a。选项D虽然本质正确，但通常用于设计或原理说明，因为C_e和Φ不易直接获得。 · 掌握电流关系I_a = I_L + I_f是分析并励发电机电路的基础。 · 额定计算的核心是由输出功率和电压确定负载电流，再结合励磁电流求得电枢电流，并利用电动势平衡关系估算内部电动势。 · 这些计算将铭牌参数、运行数据和基本物理关系紧密结合。 原创精品资源学科网独家享有版权，侵权必究！2 学科网（北京）股份有限公司 学科网（北京）股份有限公司 $