第 6 章 直流發電機的特性及運用 學習重點 1.認識直流發電機的特性曲線。 2.瞭解發電機電壓調整率的定義及比較。 第 6 章　直流發電機的特性及運用 學習重點 1.認識直流發電機的特性曲線。 2.瞭解發電機電壓調整率的定義及比較。 3.瞭解直流發電機的並聯運用。

6-1 直流發電機的特性曲線 6-2 直流發電機的特性 6-3 電壓調整率 6-4 直流發電機的並聯運用 本章彙總

6-1 直流發電機的特性曲線 1.無載特性曲線 係指發電機以額定速率 n 運轉，且不接負載時（無負載），電樞感應電勢 Ea 與激磁電流 If 之間的關係曲線，又稱為磁化曲線或磁飽和曲線。 節目次

2.外部特性曲線 係指發電機以額定速率運轉，且維持激磁電流 If 為定值時，在外接負載變化的情形下，端電壓 VL 與負載電流 IL 之間的關係曲線，又稱為負載特性曲線。

3.電樞特性曲線 係指發電機以額定速率運轉，且在負載變動的情況下，維持負載端電壓 VL 為定值時，激磁電流 If 與電樞電流 Ia 之間的關係曲線，又稱為磁場調整特性曲線。

4.場電阻線 係指發電機以額定速率運轉時，發電機端電壓 VL 與激磁電流 If 之間的關係曲線，且該曲線為通過原點 的一直線，其斜率 m＝tan＝　 ＝Rf。 節目次

6-2 直流發電機的特性 6-2.1　他激式直流發電機的特性 他激式直流發電機電路圖 節目次

1.無載特性曲線 (1)電樞感應電勢 Ea＝Knm，即 Ea 與 m 成正比，而 m＝f＋r，r 為主磁極鐵心的剩磁，f 則由 If 產生。 (2)在 If＝0 安培時，f＝0， 故 m＝r，此時其感應 電勢為很小的剩磁應電 勢 Er，如圖中之 a 點。

(3)當 If 增加時，m 增大，Ea 亦增大，但磁路有磁飽和現象，m 無法隨 If 線性增加，故曲線乃漸趨水平；到達圖中之 b 點。 (4)若減少 If，由於磁滯現象，無載特性曲線上升與下降到同一大小的激 磁電流 If 時（即圖中 的 If1），會有不同的 磁通量 f，導致感應 電勢大小亦不同，如 圖中之 E1 及 E1。

(5)當 If 降到零時，應電勢仍有因剩磁而產生的應電勢，如圖中 c 點所示。

2.外部特性曲線 負載端電壓 VL＝Ea－IaRa－Vb＝Knm－IaRa－Vb 式中 Ia＝IL，而 VL 會隨 IL 增加而下降，原因如下： (1)電樞電阻 Ra 的壓降 VRa＝IaRa。 (2)電樞反應的去磁效應 d，使總磁通量 m 減少（m＝f＋r－d），致 使應電勢 Ea 因而 下降。 (3)電刷壓降 Vb 隨通 過電流的加大而 增加。

6-2.2　分激式直流發電機的特性 分激式直流發電機電路圖

(1)分激式直流發電機開始以額定轉速運轉時，電樞繞組會切割主磁極鐵心中的剩磁，感應產生很小的剩磁應電勢 Er。 1.自激電壓建立過程 圖例 (1)分激式直流發電機開始以額定轉速運轉時，電樞繞組會切割主磁極鐵心中的剩磁，感應產生很小的剩磁應電勢 Er。 (2)此應電勢加到場電阻為 Rf 的磁場繞組上，會產生激磁電流 I1，I1 令磁場繞組產生的磁通與原剩磁相加，使電樞繞組感應產生更大的應電勢 E1。 (3) E1 使激磁電流增加到 I2，又令電樞繞組感應更大的應電勢，生出更多磁通，如此相互交替影響，直到場電阻線與無載飽和曲線相交的 F 點為止，此時電樞的感應電勢值為 Emax。

2.無載特性曲線與場電阻線 場電阻 Rf 可藉場變電阻器作調節，若 Rf 愈大，場電阻線斜率愈大，故 Rf3＞Rf2＞ Rf1。 分激式發電機的無載飽和特性曲線會隨轉速而改變，轉速愈快，曲線位置愈高，故 n3＞n2＞n1。

(1)直流發電機以額定速率 n 運轉時，無載特性曲線的直線部分與場電阻線重疊時的場電阻，稱為臨界場電阻 RfC，以上頁左圖為例，RfC＝Rf2。 (2)場電阻 Rf 調整至某一定值時，某一轉速所得的無載特性曲線直線部分與場電阻線重疊時的轉速，稱為臨界轉速 nC，以上頁右圖為例，nC＝n2。 (3) 由前述可知，在某一定轉速條件下，場電阻須小於臨界場電阻（Rf1＜RfC）方可建立應電勢 Emax；而在某一定場電阻值下，轉速則須大於臨界轉速（n3＞nC）方可建立應電勢 Emax。

3.整理 (1)分激式直流發電機建立電壓的必要條件為： ①要有剩磁 r。 ②場電阻 Rf 須小於臨界場電阻 RfC。 ③轉速 n 須高於臨界轉速 nC。 ④場繞組所產生的磁通須與剩磁同方向。 (2)其中須注意的是，若場繞組所產生的磁通與剩磁方向相反，由於會互相抵消，因此自激電壓 Ea 會建立失敗。

　　　1 如圖所示，為一部分激式直流發電機在轉速為 1800 轉／分時之無載特性曲 線，試求：(1)臨界場 電阻值 RfC；(2)當 Rf ＜RfC，If＝6 安培時， 該發電機電樞繞組的 感應電勢 Ea 為若干伏 特？(3)該電機實際場 電阻值 Rf；(4)剩磁應 電勢 Er 為多少？

　 (1)圖中無載飽和特性曲線直線部分 CD 線段的斜率即為其臨界場電阻值 RfC 　 (2)當 If＝6 安培時，在無載特性曲線應對應 E 點 　 　∴ Ea＝210（伏特） 　 (3)實際場電阻通過 E 點的斜率 　 　∴ Rf＝　　　 ＝35（歐姆） 　 (4)當 If＝0 安培的應電勢，即為剩磁應電勢 Er，如圖中 A 點所示 　 　∴ Er＝20（伏特）

4.外部特性曲線 當逐次增加負載，即 IL 增加時，會導致 VL 下降，其原因有下列幾項： (1)電樞電阻 Ra 的壓降 VRa＝IaRa。 (2)電樞反應的去磁效應 d，使總磁通量 m 減少，導致應電勢 Ea 因而下降。 (3)電刷壓降 Vb 會隨通過電樞 電流的加大而增加。 (4)端電壓 VL 下降，致使激磁 　 電流 If 減少（If＝　 ）， 　 主磁通量 f 減弱，應電勢 因而下降。（負載效應）

5.整理 分激式直流發電機輸出端若發生短路時，其負載端電壓 VL＝0 伏特，此時場繞組兩端的端電壓也會迅速變為 0 伏特，只剩下剩磁 r；而電樞繞組只感應 很小的剩磁應電勢 Er，因此其短路電流 Isc＝　 也 極小，故分激式直流發電機相當於具有自我保護功能。 相反地，其他型式直流發電機若輸出端短路，電流會變得很大，易發生短路危險，因此他激式及分激式直流發電機均可作為直流電源使用。

6-2.3　串激式直流發電機的特性 1. 說明 串激式直流發電機的磁場 繞組 Rs、電樞繞組 Ra 與 負載都是串聯，故無負載 時，電流不能產生，是唯 一無負載時無法建立應電 勢的直流發電機。 串激式直流發電機電路圖

2. 特性 若負載電流愈大，激磁電流也愈大，此時所產生的磁通會愈多，電樞應電勢 Ea 就愈大，端電壓也愈大，因此由其電壓上升 特性可知，串激式直流 發電機並不適合作為一 般的直流電源，但可作 為直流電路系統的升壓 機使用，以補償電源電 壓與線路的壓降。 外部特性曲線

故利用串激式直流發電機 具有極大的電樞反應的特 性，可使一段負載電流維 持恆流，因此可作為電焊 機的電源。 3. 改善及應用 當負載太大時，磁路已經飽和，因此磁通量無法增加，若電樞反應未加以改善，加上各壓降 Ia(Ra＋Rs)＋Vb 大量增加，負載端電 壓反而有下降的趨勢。 故利用串激式直流發電機 具有極大的電樞反應的特 性，可使一段負載電流維 持恆流，因此可作為電焊 機的電源。 電樞反應未改善的外部特性曲線

6-2.4 複激式直流發電機的特性 1. 分類 複激式直流發電機的磁場係以分激場繞組所產生的磁通 f 為主，串激場繞組的磁通 s 較少。 6-2.4　複激式直流發電機的特性 1. 分類 複激式直流發電機的磁場係以分激場繞組所產生的磁通 f 為主，串激場繞組的磁通 s 較少。 依兩磁通方向的異同， 可分為積複激式（m ＝f＋s）與差複激式 （m＝f－s）兩種。 複激式直流發電機電路圖

2. 積複激式發電機 圖例 串激場繞組 Rs 並聯分流器 Rsh，若分流器 Rsh 的電阻值比串激場繞組 Rs 的電阻值大很多的話，則流過串 激場繞組的電流 Is 也會較大，此時磁通 s 對發電機的影響也較大。 3. 差複激式發電機 串激場磁通 s 與分激場磁通 f 方向相反的差複激式直流發電機，當負載增加時，會有更大的 s 抵消 f，使應電勢更小，故其外部特性曲線的下降幅度更大，同樣可作為電焊機的電源使用。

節目次 4. 積複激式發電機分類 (1)過複激式： 發電機的輸出電壓 VL 隨負載增加而上升，使滿載端電壓 VFL 比無載端電壓 VNL 還大時，即為過複激式。 (2)平複激式： 若將分流器 Rsh 的電阻值調低，流過串激場繞組的電流 Is 也會減少，使 s 變小，對發電機的影響也會減小，此時其滿載端電壓 VFL 與無載端電壓 VNL 相同，稱為平複激式。 (3)欠複激式： 若分流器 Rsh 的電阻值再調低，則流過串激場繞組的電流 Is 也會更小，因此 s 也更小，此時其滿載端電壓 VFL 會小於無載端電壓 VNL，稱為欠複激式。

6-3 電壓調整率 直流、交流發電機或變壓器，當負載變動時，其端電壓變動的程度，稱為電壓變動率，其定義為： 節目次 直流、交流發電機或變壓器，當負載變動時，其端電壓變動的程度，稱為電壓變動率，其定義為： 分激式直流發電機可以調整磁場變阻器來穩定其輸出電壓，而串激式直流發電機則可調整與串激場繞組並聯的分流器來穩定電壓，此一過程稱為電壓調整，其可調整的比率稱為電壓調整率，其定義為： 【註】VF 為滿載（Full load）端電壓，Vo 為無載（No load）端電壓。

由各種直流發電機的外 部特性曲線可知，直流 發電機若以電壓調整率 分類，可分列如下表。 直流發電機依電壓調整率分類 分類方式 直流發電機種類 特性 o＞0 他激式、分激式、欠複激式、差複激式 Vo＞VF o ＝0 平複激式 Vo＝VF o ＜0 串激式、過複激式 Vo＜VF o ＝－1 串激式 Vo＝0 伏特

　　　2 某直流發電機，無載時輸出電壓 Vo＝100 伏特，滿載時輸出電壓 VF＝120 伏特，試求：(1)電壓調整率 o；(2)電壓變動率 ；(3)該發電機應為何種型式？ 　 (1)∵ Vo＝100 伏特，VF＝120 伏特 　 　∴ o＝　　　　　　　　　　　　　 ＝－16.7% 　 (2)∴ ＝　　　　　　　　　　　　　　＝－20% 　 (3)∵ o＝－16.7%＜0 但≠－1 　 　 ∴該發電機應為過複激式發電機 節目次

6-4 直流發電機的並聯運用 將數台發電機並聯，共同分擔供電系統中的全部負載，稱為並聯運用。優點如下： 1.運轉效率高 發電機並聯運用的數量，可視總負載量增減，令每一台發電機於運轉時達到滿載或接近滿載狀態，故可得最高的運轉效率。 2.提高供電可靠度 若採用單機供電，當發生故障或進行維修時，系統就必須停電；但採並聯運用時，任一發電機發生故障或進行維修，仍可由其他發電機繼續供電，故無斷電之虞。 節目次

3.不受單機容量限制 系統若只採用單機供電，其容量必然有一極限，若改採並聯運用，可以使系統獲得更多的容量，且不受限制。 4.可減少備用發電機容量 單機供電時，若發電機故障，需提供備用發電機以代替運轉；而並聯運用時，每一台發電機的容量較小，故所需備用發電機的容量可以更小。

發電機欲獲得良好的並聯效果，應具備下列條件： 1.每部發電機的額定電壓須相同，避免無效環流產生。 2.每部發電機的外部特性曲線須具有相同的下垂特性，如此方可獲得穩定的運轉及合理的負載分配。 3.極性須正確連接，即正端接正端，負端接負端。 4.積複激式發電機若採並聯運用，須加裝均壓線，以防止負載分配不均。 圖例 圖例

　　　3 如圖所示，G1 及 G2 兩部分激式直流發電機並聯供電，其電樞電阻均為 0.02 歐姆，G1 發電機感應電勢為 600 伏特，G2 發電機感應電勢為 610 伏特，設負載電流共計 5000 安培，激磁電流不計時，試求：(1)G1 及 G2 兩機分擔負載電流 IL1 及 IL2 各為若干安培？ (2)負載端電壓 VL 為若干伏特？(3) 兩機各供應若干 電功率 P1 及 P2？

　 Ra1＝Ra2＝0.65 歐姆，E1＝600 伏特，E2＝610 伏特，IL＝5000 安培 　 (1) IL1＝IL2＝IL＝5000（安培）…① 　　 VL＝E1－IL1Ra1＝E2－IL2Ra2 ＝600－0.02IL1＝610－0.02IL2…② 　　 由②式可得：－2IL1＋2IL2＝1000（安培）…③ 　　 ①×2＋③得：4IL2＝11000（安培） → IL2＝2750（安培） 　　 代入①式得：IL1＝2250（安培） 　 (2) 將 IL1 代入②式可得： VL＝600－0.02×2250＝555（伏特） 　 (3) P1＝VLIL1＝555×2250＝1248750（伏特） 　　 P2＝VLIL2＝555×2750＝1526250（伏特）

　　　4 如圖所示， G1 及 G2 兩部短並積複激式直流發電機，額定容量均為 55 仟瓦，電壓為 110 伏特，轉速為 900 轉／分，串激場電阻各為 0.01 歐姆及 0.015 歐姆，電樞電阻各為 0.09 歐姆及 0.08 歐姆，分激場電流可忽略不計，若在額定轉速 下，供給 900 安培 電流作為負載，則 G1 及 G2 兩機分別 分擔的電流為若干 安培？

Rs1＝0.01 歐姆，Rs2＝0.015 歐姆，IL＝5000 安培 兩串激場繞組並聯端電壓相等，即： 　 IL1Rs1＝IL2Rs2＝0.01IL1＝0.015IL2 →　　　 … ① 　 IL1＝IL2＝IL＝900（安培）… ② 　 解①②式聯立可得： 　 IL1＝540（安培），IL2＝360（安培） 節目次

本章彙總 1.無載（磁化 or 磁飽和）特性曲線： 定義：發電機應電勢 Ea 與激磁電流 If 之間的關係曲線。 條件：①無載；②額定速率 n 驅動；③他激。 2.外部特性曲線： 定義：發電機負載端電壓 VL 與負載電流 IL 之間的關係曲線。 條件：①額定轉速 n 驅動；②激磁電流 If 不變。 節目次

本章彙總 3.電樞特性曲線： 定義：發電機激磁電流 If 與電樞電流 Ia 之間的關係曲線。 條件：①額定速率 n 驅動；②負載端電壓 VL 維持定值。 4.場電阻線（　　　）： 定義：發電機負載端電壓 VL 與激磁電流 If 之間的關係曲線。 條件：①額定轉速 n 驅動；②調整負載。 節目次

本章彙總 5.電壓調整率 o＝ 電壓變動率 ＝ 6.直流發電機的並聯運用： 電壓變動率 ＝　 6.直流發電機的並聯運用： (1)優點：①運轉效率高。②提高供電可靠度。③不受單機容量限制。④可減少預備容量。 (2)條件：①額定電壓須相同。②極性須正確連接。③外部特性曲線須具相同下垂特性。④積複激式發電機並聯運用須加均壓線。 節目次

本章彙總 (3)負載分配原則： ①分激式發電機並聯： 　 IL1＝IL2＝IL 　 VL＝E1－Ia1Ra1－Vb1＝E2－Ia2Ra2－Vb2 　 Po1＝VLIL1 　 Po2＝VLIL2 ②積複激式發電機並聯： 　 IL1Rs1＝IL2Rs2 　 VL＝E1－Ia1Ra1－IL1Rs1＝E2－Ia2Ra2－IL2Rs2 　 Po1＝VLIL1 　 Po2＝VLIL2 節目次

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分激式直流發電機自激電壓的建立 如此相互扶持至 F 點，此時感應電勢為 Emax，完成自激電壓的建立 I1＋Er 形成 E1 Er 結合場電阻 Rf，產生激磁電流 I1 E1＋Rf 形成 I2 BACK

補充一 補充二 分激式直流發電機可藉由調整場變阻器的電 阻值，改善電壓下降的問題，以獲得理想的輸出電壓。 BACK 補充二 理想的發電機或變壓器，其電壓調整率應為零，即端電壓大小維持固定。 BACK

複激式發電機的外部特性曲線 積複激式 BACK

分激式直流發電機的並聯運用 BACK

積複激式直流發電機的並聯運用 BACK