新聞主題	交流發電機的電樞反應與同步電抗的區別

 

摘要：同步發電機的電樞反應是指當同步發電機接通負載時，三相電樞繞組流經的電流產生的電樞旋轉磁場對主磁極磁場產生的某種確定性的影響。其反應條件是同步發電機在輸出功率時，電樞里有電流流過，這電流就會產生磁場，電樞電流產生的磁場將對主磁場發生作用，這就產生了電樞反應。在定子有電流的情況下，空載時是沒有電樞反應的。

 

      一般具備電力知識都知道同步發電機轉動，并接上三相對稱負載后，定子繞組中會產生三相對稱電流，及三相旋轉磁場，此磁場稱為電樞磁場。這樣在氣隙中就同時存在著兩個旋轉磁場，一個是由直流勵磁電流產生的轉子主磁場，另一個則是電樞磁場。這兩個磁場以相同的轉速，相同的方向旋轉，兩者之間沒有相對運動。它們疊加在一起形成同步發電機氣隙中的合成磁場這時同步發電機的感應電勢是由氣隙中的合成磁場感應產生的。因此，定子繞組電勢不僅決定于轉子磁場的強弱，而且還受電樞磁場的影響。由此可知，當同步發電機接負載運行時，由于電樞磁場的出現，氣隙中的磁場由空載時的主磁場（磁極磁場）變為合成磁場，無論大小和位置都發生了變化，這種現象稱為電樞反應。如果發電機所接的負載性質不同，那么定子繞組中的電流和電勢的相位也不同，所以同步發電機電樞反應的程度不僅和定子電流大小有關，而且與負載性質有關。

 

一、同步發電機的電樞反應

 

下面以負載的不同情況，進一步來分析同步發電機的電樞反應。

1、純電阻性負載時

      為便分析說同題，設定每相繞組只由一匝組成，一相繞組對稱布置，勵磁繞組磁勢F1在空間按正弦分布。在發動機的帶動下，以同步轉速按逆時針方向旋轉。

      旋轉的主磁場將在定子三相繞組中產生三相對稱的感應電勢EO，中轉子所畫位置瞬間，A相繞組內的感應電勢最大，電勢方向用右手定則確定。其三相感應電勢的向量圖。由于接的是純電阻性負載，電流和電勢同相位，即u=0，因此，三相定子繞組各導體中的電流方向與電勢方向一致，此時A相電流也達到最大值,同時表示電勢和電流的方向。根據繞組中電流方向可以判斷電樞旋轉磁場磁勢軸線的方向與轉子磁極軸線相垂直。又由于電樞磁場與轉子磁場都以同步轉速n1旋轉，因此，它們之間的相對位在任一瞬間都維持不變。電樞磁勢FS在空間總是滯后于勵磁磁勢，兩者相疊加，得合成磁勢聲FR。

      由此可知，當發電機接純電阻性負載時，FS的軸線與Ff的軸線互相垂直，故稱為橫軸（或交軸）電樞磁勢。由它產生的電樞反應叫做橫軸電樞反應。電樞反應的結果，不但使氣隙中的合成磁勢FR的軸線方向逆轉子旋轉方向偏轉一個角度θ，而且因轉子磁極的前一半（即前極端）被電樞磁極削弱，轉子磁極的后一半（即后極端）被電樞磁加強。主磁極半邊增強半邊減弱，在發電機鐵心未飽和時，增加的磁通等于減少的磁通，使總的合成磁通保持不變。但是，通常同步發電機在正常運行時，其磁路總是呈飽和狀態的，因而就使得磁路增加的磁通稍小于減少的磁通，使總的合成磁通稍有減少，然而，更主要的是使主磁場發生琦變（即歪扭），使同步發電機造成一定的影響。

2、純電感性負載時

      當發電機接于電感性負載時，若不考慮電樞繞組的電阻，那么，在這種負載下的電樞電流，必然在相位上將滯后電勢90°，即U=90°。在這種情況下，如果轉子磁極的位置仍的瞬時位置一樣，即仍然是A相繞組中的感應電勢最大，其電勢方向線圈內層符號所示。但由于電流IS的相位比電勢EO滯后90°，所以電流IS的最大值要向后（順時針方向）移動90°，此時繞組中電流的實際方向用中線圈外層符號表示，A相繞組中的電流為零，IS所產生的電樞磁勢聲FS的方向，用右手螺旋定則來判斷。可見FS的方向也是在主磁極的軸線上，但與FS的方向相反，并對主磁極產生去磁作用。顯然合成磁勢FR與勵磁磁勢方向相同，但數值上減小了。這是同步發電機接入電感性負載時，端電壓下降的主要原因。這時的電樞反應叫做縱軸（或直軸）去磁電樞反應。

3、純電容性負載時

      在純電容性負載的情況下，如果不考慮電樞繞組電阻的作用，那么IS在相位上就比E。超前90°，即U=90°。和前面討論情況一樣，當A相繞組正好在轉子主磁極軸線上時，A相繞組中感應電勢最大。但由于電流Is超前于電勢EO90°，所以三相電樞電流產生的電樞磁勢FS的軸線在空間前移90°。于是，電樞磁勢FS也與主磁極軸線相重合，并且FS與聲Ff方向相同。對主磁極磁場產生助磁作用，這就是同步發電機接電容性負載時，端電壓上升的主要原因。這時的電樞反應叫做縱軸助磁電樞反應。

圖1 發電機的電樞磁場展開圖

圖2 同步發電機對稱負載的電樞反應示意圖

 

 

 

二、電樞反應效應

 

典型的電樞反應效應主要有如下三種，即：

① 交軸電樞反應，在E0與Ia同相位時產生（若忽略電樞繞組電抗的影響，發電機相當于帶純阻性負載）；

② 直軸去磁電樞反應，在Ia滯后于E 0 90°時產生（此時發電機帶純感性負載）；

③ 直軸增磁電樞反應，在Ia超前于E 0 90°時產生（此時發電機帶純容性負載）。

 

三、同步電抗的物理意義

 

      同步電抗是同步電機的定子漏抗與電樞反應電抗之和，它是電路中的一種阻抗，用來描述電路對交流電的阻礙程度。在同步發電機中，各電抗的物理意義是不同的，它們分別對應著不同的電路元件。

（1）定子電抗

它是指定子線圈中的電感和電容的總和。定子電抗的作用是阻礙電流的流動，從而使發電機能夠穩定地工作。定子電抗的大小取決于定子線圈的結構和材料，一般來說，定子電抗越大，發電機的穩定性就越好。

（2）轉子電抗

它是指轉子線圈中的電感和電容的總和。轉子電抗的作用是產生磁場，從而使發電機能夠產生電能。轉子電抗的大小取決于轉子線圈的結構和材料，一般來說，轉子電抗越大，發電機的輸出功率就越大。

（3）勵磁電抗

它是指勵磁線圈中的電感和電容的總和。勵磁電抗的作用是控制發電機的輸出電壓，從而使發電機能夠適應不同的負載。勵磁電抗的大小取決于勵磁線圈的結構和材料，一般來說，勵磁電抗越大，發電機的輸出電壓就越穩定。

      同步發電機各電抗的物理意義是非常重要的，它們決定了發電機的電氣特性和性能。在實際應用中，需要根據具體的需求和條件來選擇合適的電抗，以保證發電機的穩定性和可靠性。

 

四、電樞反應電抗和同步電抗區別

 

      電樞反應電抗就是在同步發電機加上負載后，形成了回路，定子繞組，也就是電樞繞組中形成了電流，這個電流也會產生磁動勢，叫電樞磁動勢，這個電樞磁動勢會影響勵磁磁動勢，這個叫電樞反應。電樞反應的結果根據負載類型的不同，分為三類。而電樞反應電抗就是來反應這個電樞反應磁動勢對勵磁磁動勢的影響程度了。電樞反應電抗是電樞反應的外在特征，外在特性。對待同步電抗包含了電樞反應電抗，另外還有定子漏抗。這就是同步電抗和電樞反應電抗之間的關系，一個從屬關系。

 1、定子漏電抗的確定

 

圖3 發電機定子漏電抗

 

 

2、保梯電抗的測定

      實踐表明由試驗測得的零功率因數負載特性（如圖3中虛線所示）與空載特性之間的特性三角形是變化的。其原因如下：

      首先考慮空載If=OD時的情況。此勵磁電流全部作為有效勵磁電流來產生氣隙磁通，并在定子繞組中感應出氣隙電動勢Eδ=E=DB′外還產生少量的主極漏磁通。當電機在純電感負載下運行且If=OK，Ifa=kadFa/Nf=DK時，雖然產生氣隙合成磁通所對應的等效勵磁電流Ifδ=OD，與空載時相同，但零功率因數負載時產生主極漏磁的勵磁電流值卻是比OD大得多的OK，因而主極漏磁將顯著增大，從而使轉子磁極和磁軛兩段磁路更加飽和，整個主磁路的磁阻變大。這時盡管氣隙合成磁動勢不變，但氣隙電動勢受到磁路飽和度增加的影響，其數值將有所減少，即Eδ＜DB′，在扣除漏抗壓降以后實際電壓值為KP＜KA′，即U＜UN。故同樣勵磁電流下實際的零功率因數負載特性的電壓值要低于前述的理想化曲線的電壓值。

      上述分析表明，當考慮轉子漏磁影響后，在空載特性和零功率因數負載特性之間的特性三角形是逐漸變的。在三相穩態短路時，對應于短路點，縱邊為INXσ，橫邊為Ifa，這時的特性三角形稱為短路三角形，而對應于額定點上所得的特性三角形稱為保梯（Potier）三角形，相應的漏抗稱為保梯電抗Xp，保梯電抗大于漏電抗。對隱極機極間漏磁很小，Xp＝（1.05～1.10）Xσ，而在凸極機中，Xp＝（1.1～1.3）Xσ。

 

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