同步发电机的电枢反应的性质
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同步发电机的电枢反应的性质
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同步发电机的电枢反应
同步发电机运转，并接上三相对称负载后，定子绕组中会产生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转速、相同的方向旋转，两者之间没有相对运动。它们叠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产生的。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，当同步发电机接负载运行时，由于电枢磁场的出现，气隙中的磁场由空载时的主磁场（磁极磁场）变成合成磁场，无论大小和位置都发生了变化，这种现象称为电枢反应。如果发电机所接的负载性质不同，那么定子绕组中的电流和电势的相位也不同，所以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况，进一步来分析同步发电机的电枢反应。
1．纯电阻性负载时的电枢反应
为便于分析说明问题，设定子每相绕组只由一匝组成，三相绕组对称布置，励磁绕组磁势Ḟ1在空间按正弦分布。在发动机的带动下，以同步转速n1按逆时针方向旋转，如图1（a）所示。
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Ėo，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载，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断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Ḟs，在空间总是滞后于励磁磁势Ḟf90°，两者相叠加，得合成磁势ḞR，如图1（d）所示。
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图1 纯电阻性负载时的电枢反应 |
由此可知，当发电机接纯电阻性负载时，Ḟs的轴线与Ḟf的轴线互相垂直，故称为横轴（或交轴）电枢磁势。由它产生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ḞR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。
主磁极半边增强半边减弱，在发电机铁心未饱和时，增加的磁通等于减小的磁通，使总的合成磁通保持不变。但是，通常同步发电机在正常运行时，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减少的磁通，使总的合成磁通稍有减少，然而，更主要的是使主磁场发生畸变（即歪扭），对同步发电机造成一定的影响。
2．纯电感性负载时的电枢反应
当发电机接于电感性负载时，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。在这种情况下，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İs的相位比电势Ės滞后90°，所以电流İs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，İs所产生的电枢磁势Ḟs的方向，用右手螺旋定则来判断。可见Ḟs的方向也是在主磁极的轴线上，但与Ḟf的方向相反，如图2（c）所示，并对主磁极产生去磁作用。显然合成磁势ḞR与励磁磁势Ḟf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，端电压下降的主要原因。这时的电枢反应叫做纵轴（或直轴）去磁电枢反应。
3．纯电容性负载时的电枢反应
在纯电容性负载的情况下，如果不考虑电枢绕组电阻的作用，那么İs在相位上就比Ėo超前90°，即ψ＝-90°，如图3（a）所示。和前面讨论情况一样，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。但由于电流İs超前于电势Ėo90°，所以三相电枢电流产生的电枢磁势Ḟs的轴线在空间前移90°，如图3（b）所示。于是，电枢磁势Ḟs也与主要极轴线相重合，并且Ḟs与Ḟf方向相同，如图3（c）所示。对主磁极磁场产生助磁作用，这就是同步发电机接电容性负载时，端电压上升的主要原因。这时的电枢反应就叫纵轴辅助磁电枢反应。
4．混合型负载时的电枢反应
前面讨论了同步发电机在三种特殊情况下的电枢反应现象。从上面分析可以推论，当同步发电机接电感性或电容性负载（即0＜ψ＜90°）供电时，其电枢反应的作用则介于横轴与纵轴电枢反应之间。
下面先来分析İs滞后Ėo的情况，即发电机给电感性负载供电。例如，发电机给异步电动机供电。此时电枢电流İs滞后Ėo一个ψ角，（而0＜ψ＜90°），由它产生的电枢磁场Ḟs的作用也介于ψ＝0°和ψ＝90°两种情况之间，如图4所示。
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图2 纯电感性负载时的电枢反应 |
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图3 纯电容性负载时的电枢反应 |
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图2.109 电感性负载（ψ＜90°）时的电枢反应 |
若把三相电枢电流İAİBİC分解为两组分量，其中一组İAqİBqİcq分别与ĖAĖBĖC同相。它们的大小关系为
由于三相对称，所以IA＝IB＝Ic＝Is，IAq＝IBq＝Icq＝Iq，故上述关系可写为
Iq ＝ Iscosψ (2-26)
另一组电流分量İAdİBdİCd在相位上分别比ĖAĖBĖC滞后90°，它们的关系为
或写为
Id＝ISsinψ (2-28)
这两组电流分量和三相电枢电流的关系是
或写为
İq＋İd＝İs (2-30)
如图5（a）所示。也就是说，在电枢电流İs的两个分量中，İq与电势Ėo同相叫做横轴分量。由İq产生的磁势Ḟq对励磁磁势Ḟf作用，使气隙磁场相对于主磁场扭歪一个角度θ。而İd在相位上比Ėo滞后90°，叫做İs的纵横分量。由İd产生的磁势Ḟd对励磁磁势Ḟf的作用，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，端电压降低，影响发电机各种运行特性。
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图5 隐极式发电机一相定子绕组的等效电路 |
用同样方法可分析同步发电机对电容性负载供电时，所产生的电枢反应情况。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İs超前于Ėo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。
综上分析可得结论：同步发电机对电感性负载或电容性负载供电时，电枢磁势都有一部分产生横轴电枢反应，使磁场发生位移；另一部分对电感性负载产生纵轴去磁电枢反应，使磁场削弱，对电容性负载则产生纵轴助磁电枢反应，使磁场增强。只有对纯电阻负载供电时，才只是产生横轴电枢反应。这个结论对同步发电机特性的分析极为有用。
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