直流发电机运行时，其转速由原动机带动保证其恒速运行，所以表征其运行的物理量主要有：发电机的电枢电压U、电枢电流Ia和励磁电流If。在U、Ia、If之间，保持其中一个量不变，则另外两个物理量之间的函数关系称为发电机的运行特性，主要有：
（1）空载特性
空载特性指当n＝常数，且Ia＝0时，输出电压U0随励磁电流If变化的关系曲线U0＝f（If）称为空载特性曲线。
（2）外特性
外特性指n＝常数，且If＝常数时，发电机电压U随电枢电流Ia变化的关系曲线U＝f（Ia）称为外特性曲线。
（3）调节特性
调节特性指U＝常数时，励磁电流If随电枢电流Ia的变化关系曲线If＝（Ia）称为调节特性曲线。
1.他励直流发电机特性
（1）他励发电机空载特性
他励发电机空载特性的实验线路如图2.6.4所示。在做实验时，合上励磁电源开关Q1，励磁绕组中有励磁电流If，切断负载开关Q2，保持转速n＝nN不变，调整励磁电位器的滑动端，使If＝0，从这点开始逐渐单方向增大励磁电流If，测量并记录相应的If与电机端电压U0。直到U0上升到（1.1～1.3）UN，再单方向调小If逐渐到零，记录多点If与对应的U0。然后将励磁电流反向，再次单方向增加If到U0为（1.1～1.3）UN，记录各点的If与对应的U0，再单方向减小If到零，记录各点的If和U0。将测得的If和对应的U0绘成曲线。如图2.6.5所示，由于铁磁材料的磁滞现象，使测得的U0＝f（If）曲线形成一闭合的回线。由于电机有剩磁，当If＝0时仍有一个很低的电压，称剩磁电压，数值一般为额定电压的2%～4%。U0＝f（If）的形状与磁化曲线Φ＝f（If）形状一致，这是因为空载时发电机端电压就是电动势，而Ea＝CeΦn，这时Ce与n为常数，所以Ea与Φ成正比。在实用中采用平均曲线作为空载特性曲线，如图2.6.5中虚线所示。
图2.6.4 他励直流发电机实验线路
图2.6.5 直流发电机空载特性曲线
发电机的额定电压工作点一般选在曲线开始饱和的弯曲处，常将该处称为膝点，如图2.6.5中c点所示。如果额定工作点c选在曲线的直线部分，磁密太低，铁心没有充分利用，发电机体积会偏大，成本增加，另外磁通势稍有变化（通常是电枢反应引起的），电压就有很大的变化，对要求在稳定电压下工作的负载是不适合的；如果c点选在饱和区域，增加励磁电流，发电机磁阻增大，损耗增大，效率降低，运行性能不好，另一方面可增加励磁绕组的匝数，这会增加用铜量。所以，设计发电机时，c点总是选在磁化曲线的膝点附近。
由上分析可知空载特性实质反映了If与U0（Ea）之间的关系，而与产生If的方式无关，要求并励发电机（或其他发电机）的空载特性，也可以用上述方法求得。
（2）他励直流发电机外特性
他励直流发电机的外特性实验线路仍用图2.6.4所示线路。实验时保持转速n＝nN不变，合上励磁电源开关Q1和负载开关Q2，然后逐渐增大励磁电流If，使发电机的电压U和负载电流I随之增大。调节负载电阻Rfz从最大值逐渐减小，同时适当调节励磁电流If，使U＝UN，Ia＝IN，电机工作在额定状态，这时的励磁电流If为额定励磁电流，以IfN表示。IfN保持不变，调节负载电位器使RfZ增大，使Ia由IN逐渐减小到零，测量并记录各点的Ia及对应的电压U，绘出U＝f（Ia）曲线，即为他励直流发电机的外特性曲线，如图2.6.6所示。
由图2.6.6中曲线可见，输出电压随负载电流增加而略有下降，是一条略微向下倾斜的曲线。他励直流发电机曲线下倾的原因有两个，其一是由于负载电流增加时，发电机内部电阻压降IaRa增大，由式U＝Ea－IaRa可知，这时Ea不会增大，输出电压将随IaRa的加大而减小；其二是负载电流增加时，电枢反应的去磁作用增强，这将使发电机的电动势Ea比空载时有所减小，从而使输出电压U有所下降。
图2.6.6 他励直流发电机外特性曲线
实际上，他励直流发电机的输出电压随负载电流的增加有所下降，但下降的并不很多，接近于恒压源。为了从数量上表示这个电压变化的程度，可用电压变化率衡量。按国家标准规定，用发电机由额定状态（n＝nN，If＝IfN，U＝UN，Ia＝IN）过渡到空载（Ia＝0，n＝nN，If＝IfN）时的电压升高对额定电压的比率表示：
式中，U0为空载时的电压；ΔU%为电压调整率，也称电压变化率。
他励直流发电机的电压调整率ΔU%约为5%～10%。
（3）他励发电机调节特性
当负载电流发生变化时，维持他励直流发电机的电压不变，需要调节励磁电流，负载电流增大时励磁电流也增大，图2.6.7是调节特性曲线。
图2.6.7 他励直流发电机的调节特性
2.并励直流发电机的特性
（1）并励直流发电机的自励条件及电压建立过程
图2.6.8是并励直流发电机的接线图，由图看出Ia＝If＋I。它与他励直流发电机不同之处是由它自己发出的直流电为它自己的励磁绕组励磁，不需要另外的励磁电源，所以又称“自励发电机”。并励直流发电机的励磁电流一般仅为电机额定电流的1%～5%，因此励磁电流对电枢电压的数值影响不大。既然并励直流发电机励磁方式是自励的，因而我们首先分析发电机的端电压是如何建立的这一个特殊问题。使发电机的转速保持nN不变，断开开关Q，使发电机运行在空载状态。开始电机并无正常的输出电压，要想建立起正常的电枢电压，必须满足一些必要的条件。首先发电机要有剩磁，电枢绕组切割剩磁的磁力线，便可产生一个不大的剩磁电压，它能在励磁绕组中产生一个不大的励磁电流。如果这个励磁电流产生的磁场方向与剩磁的磁场方向一致，就能使励磁磁场增强，从而使电枢电动势增加，进而又使励磁电流加大，这样循环进行下去，才有可能建立起正常的电枢电压。如果接线错误，则励磁电流所产生的磁场方向与剩磁的磁场方向相反，就会把仅有的剩磁电压削减，正常的电压建立不了。建立正常电枢电压的另一个条件是，励磁回路的总电阻必须小于临界电阻，这个问题可由图2.6.9得到解释。图中曲线1是发电机的空载特性曲线。由于空载时负载电流为零，所以电枢电流等于励磁电流。一般并励直流发电机励磁电流很小，它引起的电枢反应、电阻压降IaRa、IfRa及动态感应压降Ladif／dt都很小，可以略去。并励直流发电机空载特性U0＝f（If）曲线与他励直流发电机的空载特性曲线基本相同。图中直线2是励磁回路的伏安特性曲线，又称场阻线Uf＝IfRf，它的斜率为tga＝Uf／If＝Rf。在建立正常电枢电压的过程中，励磁电流If一直在上升，励磁回路的电压平衡方程式可以写成
图2.6.8 并励直流发电机接线图
图2.6.9 并励直流发电机的自励
在图2.6.9中，对应同一励磁电流If，空载特性上的U0高于场阻线上的电压IfRf的部分正是Lfdif／dt，由图可知，在A点之前Lfdif／dt总大于零，所以If一直上升，Lfdif／dt越大，If和U0上升越快。但是由于铁心饱和作用，Lfdif／dt越来越小。当达到A点时，空载特性与场阻线相交，U0＝IfRf，Lfdif／dt＝0不再变化，电压稳定在A点，这时发电机已经建立起正常电压。如果改变发电机的转速n和励磁电阻Rf，就可以改变交点A的位置。
如果励磁回路电阻过大，场阻线为直线4，它与空载特性曲线的交点B的电压很低，发电机稳定运行于此点，就不能建立起正常的输出电压，发电机不能自励。
当场阻线为图2.6.9中的直线3时，它与空载特性曲线的直线部分重合，这时发电机没有稳定的工作点，实际上发电机也不能正常自励，发电机的电压在剩磁电压相近的数值。我们把对应直线3的励磁回路总电阻称为临界电阻，所以并励直流发电机要想建立起正常的输出电压，励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。如果发电机的转速变为另外的一个转速n，它的空载特性曲线也随之变为另外一条空载特性曲线。相对应的临界电阻也随之变化，这点也必须予以注意。综上所述，并励直流发电机自励条件是：
·发电机必须有剩磁，如果无剩磁或剩磁太弱，可用另外的直流电源给励磁绕组通电（充磁）；
·励磁绕组并联到电枢两端，线端的接法应与旋转方向配合，以使励磁电流产生的磁场方向与剩磁的磁场方向一致。如果发现励磁绕组接入后，电枢电压不但不升，反而降低了，说明励磁绕组的接法不对。这时只要把励磁绕组接到电枢的两根引线对调即可；
·励磁回路的总电阻必须小于临界电阻。如果电机的转速太低，使得与此转速相对应的临界电阻值太小，甚至在极端情况下，励磁绕组本身的电阻值已超过所对应的临界电阻值，电机是不能自励的。唯一的办法是提高电机的转速，从而提高临界电阻值。
（2）并励直流发电机的外特性
图2.6.10 并励直流发电机外特性曲线
并励直流发电机的外特性也可用图2.6.8所示线路用实验的方法测得。在发电机建立正常电压之后合上开关Q，调节负载电位器以改变负载电流I，测量并记录各点的U与I，I与Ia区别不大，给出的特性曲线如图2.6.10中曲线2所示，并励发电机的电压调整率约在30%左右。为了比较在图中还画出了他励直流发电机的外特性曲线，如曲线1。由图2.6.10可以看到，当负载电流由零开始增加时，并励直流发电机的电压下降比他励直流发电机电压下降得大。这是因为在并励直流发电机中，除与他励直流发电机同样有电阻压降和电枢反应去磁使电机端电压下降外，还有电压下降又导致励磁电流的减小，进而使磁通减小。励磁电流的减小在磁路饱和时引起的电压下降尚不明显，但当Rfz减小到一定程度，电压下降较大，励磁电流明显减小，磁路退出饱和，这时励磁电流的减小影响就加大了。当Rfz再减小到一定程度，由于励磁电流下降导致电压降低，使负载电流不再增加，反而随Rfz的减小而减小，当Rfz变到零时，电压变为零。这时的短路电流实际上仅由剩磁电压产生，一般不超过额定电流，故并励直流发电机外特性有图2.6.10中曲线2的形状。图中负载电流I的最大值称为临界电流，一般不超过额定电流的2.5倍左右。
尽管并励直流发电机的短路电流和临界电流不十分大，但也避免并励直流发电机的突然短路，因为突然短路的冲击电流仍可超过这些数值，有可能损坏发电机。
（3）并励直流发电机的调节特性
并励直流发电机的电枢电流Ia比他励直流发电机仅多了一个励磁电流If，所以调节特性与他励直流发电机的调节特性相似。
例2－6 一台并励直流发电机，PN＝27kW，UN＝115V，nN＝1460r／min。满载时电枢绕阻铜耗pCua＝0.6kW，励磁回路总损耗pCuf＝0.3kW，电刷的接触电压降2ΔUb＝2V。试求：IN，If，Ia，Ra，Rf，T分别是多少？
3.复励直流发电机特性
复励直流发电机接线图如图2.6.1（d）和图2.6.1（e）所示。复励直流发电机的主磁极上有两个励磁绕组，即并励绕组和串励绕组。其中并励绕组的匝数多、导线细、电阻大；串励绕组的匝数少、导线粗、电阻小。按照两个励磁绕组磁通势方向是否相同，复励发电机也分为两种：两个励磁绕组磁通势方向相同的称为积复励发电机；两个励磁绕组磁通势方向相反的称为差复励发电机。由两者的磁通势共同产生电机的磁场，但以并励绕组为主，串励绕组为辅。复励发电机的自励条件和自励过程与并励发电机相同。在积复励发电机中，负载增加时，串励绕组的磁通势增加，使电机的磁通和电动势随之增加，可以补偿发电机由于负载增大而造成的输出电压的下降，使发电机的端电压在一定的负载范围内基本维持恒定。
复励直流发电机既不需要直流电源励磁，又能维持端电压恒定，因此，它作为直流电源具有较好的性能。一般复励直流发电机多为积复励发电机。差复励发电机用在直流电焊机等特殊场合。
