同步发电机的电枢反应的性质

　　摘要：同步发电机运转时，转子由柴油发电机组驱动旋转，出现旋转磁场，定子绕组切割磁力线发生感应电动势。当定子绕组接上负载后，电流流过电枢绕组，这时候就会发生电枢反应。因此，电枢反应是指电枢（定子）绕组中的电流产生的磁场对转子主磁场的危害，其特点包括负荷分类的影响、电流大小的影响、对气隙磁场和端电压的危害、功角和容量传输的关系，以及不一样转子构成下的分析方法差异。

　　      同步发电机运行，并接上三相对称负载后，定子绕组中会出现三相对称电流及三相旋转磁场，此磁场称为电枢磁场。这样在气隙中就同时存在着两个旋转磁场，一个是直流励磁电流产生的转子主磁场，另一个则是电枢磁场。这两个磁场以相同的速度、相同的方向旋转，两者之间没有相对运动。它们迭加在一起形成同步发电机气隙中的合成磁场。这时，同步发电机的感应电势是由气隙中的合成磁场感应出现的。因此，定子绕组电势不仅决定于转子磁场的强弱，而且还受电枢磁场的影响。由此可知，当同步发电机接负荷运行时，因为电枢磁场的发生，气隙中的磁场由空载时的主磁场（磁极磁场）变成合成磁场，无论大小和位置都产生了变化，这种状况称为电枢反应。如果发电机所接的负载性质不一样，那么定子绕组中的电流和电势的相位也不一样，故而同步发电机电枢反应的程度不仅和定子电流大小有关，而且与负载性质有关。下面以四种负载的不同情形，进一步来叙述同步发电机的电枢反应。gnT柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      为便于讲解说明问题，设定子每相绕组只由一匝构造，三相绕组对称布置，励磁绕组磁势?1在空间按正弦分布。在发电机的带动下，以同步速度n1按逆时针方向旋转，如图1（a）所示。gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      旋转的主磁场将在定子三相绕组中产生三相对称的感应电势?o，在图1（a）中转子所画位置瞬间，A相绕组内的感应电势最大，电势方向用右手定则确定。其三相感应电势的向量图，如图1（c）所示。由于接的是纯电阻性负荷，电流和电势同相位，即ψ＝0，因此，三相定子统组各导体中的电流方向与电势方向一致，此时A相电流也达到最大值，图1（a）中⊙和⊕同时表示电势和电流的方向。根据绕组中电流方向可以判定电枢旋转磁场磁势轴线的方向与转子磁极轴线相垂直。又由于电枢磁场与转子磁场都以同步转速n1旋转，因此，它们之间的相对位置在任一瞬间都维持不变。从图1（a）可见，电枢磁势?s，在空间总是滞后于励磁磁势?f90°，两者相迭加，得合成磁势?R，如图1（d）所示。gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　图1  纯电阻性负载时的电枢反应gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      由此可知，当发电机接纯电阻性负载时，?s的轴线与?f的轴线互相垂直，故称为横轴（或交轴）电枢磁势。由它出现的电枢反应叫做横轴电枢反应。电枢反应的结果，不但使气隙中的合成磁势?R的轴线向逆时针旋转方向偏转一个角度θ，而且因转子磁极的前一半（即前极端）被电枢磁极削弱，转子磁极的后一半（即后极端）被电枢磁极加强。gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      主磁极半边提高半边减弱，在发电机铁心未饱和时，增加的磁通等于减轻的磁通，使总的合成磁通保持不变。但是，通常同步发电机在正常运转时，其磁路总是呈饱和状态的，因而就使得磁路增加的磁通稍小于降低的磁通，使总的合成磁通稍有减小，然而，更主要的是使主磁场出现畸变（即歪扭），对同步发电机造成一定的影响。gnT柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      当发电机接于电感性负荷时，若不考虑电枢绕组的电阻，那么，在这种负载下的电枢电流，必然在相位上将滞后电势90°，即ψ＝90°。其向量图如图2（a）所示。在这种状况下，如果转子磁极的位置仍和图1所示的瞬时位置一样，即仍然是A相绕组中的感应电势最大，其电势方向如图2（b）中线圈内层符号所示。但由于电流?s的相位比电势?s滞后90°，所以电流?s的最大值要向后（顺时针方向）移动90°，此时绕组中电流的实际方向用图2（b）中线圈外层符号表示，A相绕组中的电流为零，?s所发生的电枢磁势?s的方向，用右手螺旋定则来判断。可见?s的方向也是在主磁极的轴线上，但与?f的方向相反，如图2（c）所示，并对主磁极发生去磁功能。显然合成磁势?R与励磁磁势?f方向相同，但数值上减小了。这是同步发电机接入电感性负载时，端电压下降的具体起因。这时的电枢反应叫做纵轴（或直轴）去磁电枢反应。gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　       在纯电容性负载的情况下，如果不考虑电枢绕组电阻的用途，那么?s在相位上就比?o超前90°，即ψ＝-90°，如图3（a）所示。和前面研讨情况一样，当A组绕组正好在转子主磁极轴线上时，A相绕组中感应电势最大。但因为电流?s超前于电势?o90°，故而三相电枢电流出现的电枢磁势?s的轴线（b）所示。于是，电枢磁势?s也与详细极轴线相重合，并且?s与?f方向相同，如图3（c）所示。对主磁极磁场发生助磁作用，这就是同步发电机接电容性负载时，端电压上升的详细起因。这时的电枢反应就叫纵轴辅助磁电枢反应。gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      前面讨论了同步发电机在三种特殊状况下的电枢反应现状。从上面叙说可以推论，当同步发电机接电感性或电容性负载（即0＜ψ＜90°）供电时，其电枢反应的用途则介于横轴与纵轴电枢反应之间。gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      下面先来简述?s滞后?o的情况，即发电机给电感性负载供电。例如，发电机给异步发电机供电。此时电枢电流?s滞后?o一个ψ角三亚康明斯发电机，（而0＜ψ＜90°），由它发生的电枢磁场?s的作用也介于ψ＝0°和ψ＝90°两种情形之间，如图4所示。gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　图2  纯电感性负荷时的电枢反应gnT康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　图3  纯电容性负荷时的电枢反应gnT康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　图2.109 电感性负荷（ψ＜90°）时的电枢反应gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      若把三相电枢电流?A?B?C分解为两组分量，其中一组?Aq?Bq?cq分别与?A?B?C同相。它们的大小关系为gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      由于三相对称，于是IA＝IB＝Ic＝Is，IAq＝IBq＝Icq＝Iq，故上述关系可写为gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　Iq＝ Iscosψ                                                                           (2-26)gnT柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      另一组电流分量?Ad?Bd?Cd在相位上分别比?A?B?C滞后90°，它们的关系为gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      或写为gnT康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　Id＝ISsinψ                                                                          (2-28)gnT康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      这两组电流分量和三相电枢电流的关系是gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      或写为gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　?q＋?d＝?s                                                                                  (2-30)gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      如图5（a）所示。也就是说，在电枢电流?s的两个分量中，?q与电势?o同相叫做横轴分量。由?q出现的磁势?q对励磁磁势?f功能，使气隙磁场相对于主磁场扭歪一个角度θ。而?d在相位上比?o滞后90°，叫做?s的纵横分量。由?d出现的磁势?d对励磁磁势?f的功能，使主磁场起去磁作用。可见同步发电机接电感性负载时的电枢反应，不但使磁场发生歪扭，而且使主磁场减弱，端电压减轻，影响发电机各种运转特性。gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　图5  隐极式发电机一相定子绕组的等效电路 gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      用同样步骤可详解同步发电机对电容性负荷供电时，所产生的电枢反应情形。例如，长距离输电线对地具有较大的电容，发电机供给容性电流。这时?s超前于?o一个ψ角，由它产生的电枢反应介于横轴电枢反应与纵轴磁电枢反应之间。一方面使气隙中的合成磁场歪扭θ角，另一方面磁场有所增强，使输电线端电压升高。gnT柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      综上解读可得结论：同步发电机对电感性负荷或电容性负荷供电时康明斯发电机价格表，电枢磁势都有一部分产生横轴电枢反应，使磁场产生位移；另一部分对电感性负荷发生纵轴去磁电枢反应，使磁场削弱，对电容性负荷则出现纵轴助磁电枢反应长寿康明斯发电机，使磁场提高。只有对纯电阻负荷供电时，才只是产生横轴电枢反应。这个结论对同步发电机特性的解说极为有用。 gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（1）电阻性负荷：电枢磁场与主磁场正交（交轴反应），引起气隙磁场畸变，削弱有效磁场，呈现交磁用途。gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（2）电感性负载：电枢磁场与主磁场反向（直轴去磁反应），削弱主磁场，降低端电压。gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（3）电容性负荷：电枢磁场与主磁场同向（直轴助磁反应），提高主磁场，可能使端电压升高。gnT康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      电枢反应的强度与电枢电流（负载电流）成正比，电流越大，对主磁场的危害越显着。gnT康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      电枢磁场与主磁场迭加后，改变气隙磁场的分布和大小，进而危害发电机的感应电动势和端电压。例如，感性负荷的去磁效应会导致电压下降，需通过调节励磁电流补偿。gnT康明斯发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　      交轴电枢反应产生电磁转矩，是机电能量切换的核心。功角（转子磁场与合成磁场的夹角）的变化直接危害发电机的功率输出和稳定性。gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（1）隐极电机：气隙均匀，电枢反应视为单一等效磁场，用统一理论解述。gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　（2）凸极电机：气隙不均匀，需采用双反应理论，将电枢磁场分解为直轴（d轴）和交轴（q轴）分量分别处理。gnT康明斯发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      电枢磁场与转子主磁场以相同速度旋转（同步速），两者相对静止，形成稳定的相互作用，确保能量切换的持续性和稳定性。gnT柴油发电机组_cummins柴油发电机-康明斯动力

　　      负荷变化时，电枢反应致使的端电压波动需通过自动电压调节器（调压板）动态调整励磁电流，以维持电压稳定。gnT柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力

　　电枢反应是同步发电机运转中的核心情形，其特征直接关联到发电机的电压特性、功率传输能力和稳定性。理解其与负荷类型、电流大小、转子组成及功角的关系，对布置、控制和维护同步发电机至关重要。gnT柴油发电机组_康明斯柴油发电机-康明斯动力