第二节 直流电机的运行特性

一、直流发电机的运行特性

1.空载特性

当保持发电机的转速n不变，负载电流I=0时（发电机主开关处于断开状态），发电机的电枢电动势（或空载电压U₀）与励磁电流I_f之间的关系，即E=f（I_f）曲线称为空载特性。直流发电机的空载特性曲线如图2-8所示。空载特性曲线与磁化曲线相似，这时直流发电机的感应电动势为E=C_eΦn，Φ与励磁电流 I_f之间为磁化曲线关系。

空载特性曲线可通过试验的方法获得。在测量空载特性时，保持发电机的额定转速不变，调节励磁电流 I_f，使励磁电流由零逐渐增大，则与之对应的电枢端电压也会逐渐增大，通常测到空载电压U₀=1.25U_N为止。空载特性表明通过改变励磁电流可调节发电机的电压，同时描述了励磁电流对电机磁路饱和程度的影响。在E=f(I_f)曲线上，当I_f=0时，感应电动势并不等于零，这部分电动势称为剩磁电压U_r(E_r)。剩磁电压约为额定电压的2%～5%。自励发电机自励建压的初始电压是由剩磁产生的。

2.自励发电机的建压条件

并励和复励发电机均属于自励发电机，它们的并励绕组与电枢电路并联，由电枢电压产生励磁电流。自励发电机靠剩磁建立电压，即当发电机起动并达到一定的转速时，电枢绕组切割剩磁通量所产生的电动势作用于并励绕组，开始产生很小的励磁电流。如果励磁电流的磁场方向与剩磁通量方向一致，则磁通量和电动势将会进一步增加，由于感应电动势与励磁电流彼此互相促进，发电机的端电压就逐步建立起来，最后电压上升到某一稳定值，从而建立起正常的电压。如果两者方向相反，磁通量不仅不能进一步增加，反而被削弱，因此就不能自励起压，此时，必须将励磁绕组和电枢绕组相连的两端互换。

以并励发电机为例，设励磁绕组本身电阻与励磁回路所串的调节电阻总和为R_f，励磁绕组的电感为L_f，励磁电流在建压过程中是变化的，励磁回路的动态电动势平衡方程为

式中，u₀表示励磁回路的端电压，即发电机的开路电压。其函数关系 u₀=f(i_f)称为发电机的空载特性，如图2-9曲线1所示。电阻压降i_fR_f是一条过原点的直线，在图中用直线2表示。曲线1与直线2的差值便对应于式（2-5）中的自感电动势 L_f。当i_f由零开始增加，在电压未达到稳定值前，由于励磁电流产生的端电压u₀大于励磁回路的电阻压降i_fR_f，因此L_f＞0，这时励磁电流和感应电动势便不断上升。当i_f产生的u₀正好等于i_fR_f时，即空载特性和电阻压降直线相交的A点，此时L_f=0，励磁电流不再增加，端电压便稳定在某一数值，图2-9中A点便是发电机的稳定运行点。

稳定运行点随着励磁回路的电阻值的改变而移动，也就是说，改变R_f可以调节发电机的空载端电压。U=i_fR_f称为场阻线，R_f增大，场阻线的斜率增大。当R_f增大到使得场阻线与开路特性的直线部分相切时(见图2-9中的直线3)，便没有固定的交点，发电机的端电压将不稳定，与直线3对应的励磁回路电阻值称为建压临界电阻。当励磁回路的电阻大于建压临界电阻时(见图2-9中的直线4)，电枢的端电压是很低的剩磁电压。

综上可知，自励发电机的自励起压条件是：

1）发电机要有剩磁。若剩磁消失，可用外电源充磁。

2）励磁电流磁场与剩磁场方向相同。这与并励绕组和电枢电路的连接极性及电枢的转动方向有关。在固定转动方向下，主要决定于两并联电路的连接极性。

3）励磁电路的电阻要小于建压临界电阻。励磁电阻过大或发生断路时，不能自励建立正常电压。当然转速过低，空载特性曲线变低也使两曲线的交点变低，而无法建立起正常的电压。

3.外特性

直流发电机的外特性是指在保持额定转速不变和并励总电阻不变的条件下，改变负载大小时，发电机的端电压U随负载电流I而变化的特性，即U=f(I)；引起发电机端电压随负载电流而变化的程度不仅与电枢内阻压降有关，而且与励磁方式有关。

图2-6a、图2-6b、图2-6c分别为他励、并励和复励发电机的接线图。图中R_a表示电枢电路的电阻，I_a表示电枢电路的电流，E表示电枢感应电动势。从图2-6中电路可见，直流发电机电枢电路的电压平衡方程为

他励发电机(见图2-6a)的电枢电流I_a等于负载电流I，而自励发电机(图2-6b和图2-6c，并励和复励)的电枢电流等于负载电流和励磁电流之和，即

但由于I_f远小于额定负载电流I，因此他励和自励发电机的电枢电阻压降I_aR_a随负载的增加而使电压下降的情况差别不大。但它们的电动势E受负载电流影响的情况则不相同。

在图2-10中，他励发电机的励磁电流I_f与电枢电流无关，电动势E基本保持不变，因此只有很小的电枢电阻引起端电压的微小变化，其外特性曲线如曲线1所示。而并励发电机则不然，电枢电阻引起端电压的下降将进一步引起并励电流及感应电动势的减小，电动势的减小，又使电压进一步下降。故并励发电机的外特性曲线（曲线2）比他励的低。

在图2-11中，复励发电机可分为积复励发电机和差复励发电机。串励与并励磁场方向一致的复励发电机称为积复励发电机。因为主磁极上的串励绕组的励磁电流将随负载电流的增加而增加，主磁通量和电动势都将随负载电流的增加而增加，从而补偿了由于电枢电阻等所引起的端电压的下降，可使负载端电压基本保持不变。根据串励绕组对端电压的补偿程度又分为平复励、欠复励和过复励发电机，其外特性曲线分别如图2-11所示。当供电线路较长时通常采用过复励发电机，而船舶主电源直流发电机多采用平复励发电机。

串励与并励磁场方向相反的复励发电机称为差复励发电机，当负载电流较大时它的端电压随负载电流的增加而急剧下降。这种发电机一般是作为特殊用途的专用电源，例如直流电焊发电机、船舶电动舵机G-M系统中的发电机、某些起货机的专用电源发电机等。

二、直流电动机的运行特性

直流电动机接直流电源，输入电功率，轴上输出机械功率。图2-7a、图2-7b、图2-7c、图2-7d分别为他励、并励、串励和复励电动机的接线图。由于他励和并励电动机的励磁电路都是接到外电源上，励磁电流不受电枢电流变化的影响。因此，他励和并励电动机的特性基本相同。图2-7中R表示可能串入电枢电路的起动或调速用的电阻；R′_f表示调节励磁电流的外串电阻。由电路可知，当电动机稳定运行时电枢电路的电压平衡方程式为

并励和复励电动机的输入线路电流 I与电枢电流I_a、励磁电流I_f的关系分别为

R _f为并励电路的总电阻。一般励磁电流比负载电流小得多，I_f常可忽略，这时可认为I ≈ I_a。

直流电动机产生的电磁转矩T与负载转矩T₂和空载转矩T₀相平衡，即T=T₂ +T₀，一般T₀比T₂小得多，所以 T ≈ T₂。

1.直流电动机的机械特性

电动机的转速与转矩之间的关系n=f（T）称为机械特性，它表明了直流电动机在一定的条件下，转速与电磁转矩两个机械量之间的对应关系。直流电动机的机械特性是根据电动机的三个基本关系式：U=E+I_a（R_a+R），E=K_EΦn，T=K_TΦI_a，推导出来的。

即

式中 n₀——理想空载转速，n₀=；

Δn——直流电动机带上负载后，产生的转速降，Δn=。

当直流电动机空载运行时，电动机只产生很小的电磁转矩以克服空载转矩；当其转轴加上负载转矩时，首先引起电动机转速n和相应的反电动势E的下降，从而引起电枢电流I_a和电磁转矩T=K_TΦI_a的增加。当转矩达到新的平衡时，电动机将在较低的转速下稳定运行。可见直流电动机的转速随负载而变。另外，从式(2-10)也可以看出，对于并励电动机或他励电动机，若在空载或轻载运行时，发生并励励磁绕组断路，会因磁通量太小，而发生飞车。

再将I_a=T/（K_TΦ）代入式（2-10）中，则得到自然机械特性关系式（或称为固有机械特性，即在额定电压、额定磁通下，电枢回路没有串接电阻时的特性），即

式中 n₀——理想空载转速，n₀=；

Δn——直流电动机带上负载后，产生的转速降，Δn=。直流电动机的机械特性与励磁方式有关。

1)并(或他)励电动机：由于每极磁通量、理想空载转速和系数K均为常数，故转速n随转矩的增加而降低，如图2-12所示；但由于电枢电阻很小，转速随负载的变化不大，其转速变化率仅为3%～8%，故为硬机械特性。适于要求恒转速拖动的生产机械。

2)串励电动机：由于串励磁通量随负载的增加而增加，从而使转速随负载的增加而迅速下降，如图2-12所示。该特性曲线的特点是：空载转速非常高，机械特性比较软。当负载转矩很小时，转速将异常升高，产生“飞车”，导致电机机械结构的损坏。串励直流电动机绝对不允许空载起动及空载运行，所以采用串励直流电动机的拖动系统不允许使用带传动等容易脱节的传动方式。它的软特性、起动转矩比较大，适用于起动困难的场合。

3)复励电动机的励磁绕组既有并励绕组，又有串励绕组，一般复励电动机均是积复励，即串励绕组的磁势和并励绕组的磁势方向相同。积复励电动机的机械特性介于并励和串励电动机之间。

2.直流电动机的电枢反应和换向

（1）直流电机的电枢反应

直流电动机在主磁极建立了主磁场，当电动机有负载后，便有电流流过电枢绕组，产生电枢磁场，此时电动机的气隙磁场是由主磁场和电枢磁场共同作用的合成磁场。这种由电枢磁场引起主磁场畸变的现象称为电枢反应。电枢反应往往使得主磁极磁场的磁通有所削弱，对直流电动机的换向以及运行特性都会带来不利的影响。实际应用中需要根据情况调整电刷位置和励磁方式来尽量减小不利的电枢反应。

（2）直流电动机的换向

1）换向过程。直流电动机运行时，电枢绕组从定子主磁极的一个极面下方进入另一个极面下方时，通过换向片与电刷的连接，绕组中的电流将改变方向，这一过程称为直流电动机的换向。理想的换向条件是换向时绕组中的电流及电动势同时为零。而一般情况下，由于绕组本身存在电抗以及电枢反应引起的气隙磁通量的畸变，不仅换向时绕组中存在电抗电动势和电枢反应电动势，而且由于电感的电流不能突变，在换向时在两个换向片间会产生高压，导致电刷与换向片之间产生火花。

2）改善换向的方法。在定子主磁极之间换向极用于改善换向，换向极绕组与电枢绕组串联，由电枢电流所产生的换向极磁场与电枢绕组电流所产生的引起畸变的电枢磁场方向相反。它不仅用来抵消或削弱畸变的电枢磁场，而且使处于换向的绕组切割换向极磁场以产生可抵消电流突变引起的感应电动势，达到减少换向火花的目的。

在主磁极的极面下开槽嵌放补偿绕组也是用于改善换向的一种方法，一般用于负载变化较大的中、大型电动机中。补偿绕组与电枢绕组串联，其作用原理与换向极相同。

此外，正确选用不同材料的电刷以及适当调整电刷位置等也可在一定程度上减小电刷下的火花。