新聞主題	交流發(fā)電機的電樞反應與同步電抗的區別

 

摘要：同步發(fā)電機的電樞反應是指當同步發(fā)電機接通負載時(shí)，三相電樞繞組流經(jīng)的電流產(chǎn)生的電樞旋轉磁場(chǎng)對主磁極磁場(chǎng)產(chǎn)生的某種確定性的影響。其反應條件是同步發(fā)電機在輸出功率時(shí)，電樞里有電流流過(guò)，這電流就會(huì )產(chǎn)生磁場(chǎng)，電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)將對主磁場(chǎng)發(fā)生作用，這就產(chǎn)生了電樞反應。在定子有電流的情況下，空載時(shí)是沒(méi)有電樞反應的。

 

      一般具備電力知識都知道同步發(fā)電機轉動(dòng)，并接上三相對稱(chēng)負載后，定子繞組中會(huì )產(chǎn)生三相對稱(chēng)電流，及三相旋轉磁場(chǎng)，此磁場(chǎng)稱(chēng)為電樞磁場(chǎng)。這樣在氣隙中就同時(shí)存在著(zhù)兩個(gè)旋轉磁場(chǎng)，一個(gè)是由直流勵磁電流產(chǎn)生的轉子主磁場(chǎng)，另一個(gè)則是電樞磁場(chǎng)。這兩個(gè)磁場(chǎng)以相同的轉速，相同的方向旋轉，兩者之間沒(méi)有相對運動(dòng)。它們疊加在一起形成同步發(fā)電機氣隙中的合成磁場(chǎng)這時(shí)同步發(fā)電機的感應電勢是由氣隙中的合成磁場(chǎng)感應產(chǎn)生的。因此，定子繞組電勢不僅決定于轉子磁場(chǎng)的強弱，而且還受電樞磁場(chǎng)的影響。由此可知，當同步發(fā)電機接負載運行時(shí)，由于電樞磁場(chǎng)的出現，氣隙中的磁場(chǎng)由空載時(shí)的主磁場(chǎng)（磁極磁場(chǎng)）變?yōu)楹铣纱艌?chǎng)，無(wú)論大小和位置都發(fā)生了變化，這種現象稱(chēng)為電樞反應。如果發(fā)電機所接的負載性質(zhì)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(fā)電機電樞反應的程度不僅和定子電流大小有關(guān)，而且與負載性質(zhì)有關(guān)。

 

一、同步發(fā)電機的電樞反應

 

下面以負載的不同情況，進(jìn)一步來(lái)分析同步發(fā)電機的電樞反應。

1、純電阻性負載時(shí)

      為便分析說(shuō)同題，設定每相繞組只由一匝組成，一相繞組對稱(chēng)布置，勵磁繞組磁勢F1在空間按正弦分布。在發(fā)動(dòng)機的帶動(dòng)下，以同步轉速按逆時(shí)針?lè )较蛐D。

      旋轉的主磁場(chǎng)將在定子三相繞組中產(chǎn)生三相對稱(chēng)的感應電勢EO，中轉子所畫(huà)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(shí)A相電流也達到最大值,同時(shí)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(chǎng)磁勢軸線(xiàn)的方向與轉子磁極軸線(xiàn)相垂直。又由于電樞磁場(chǎng)與轉子磁場(chǎng)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(fā)電機接純電阻性負載時(shí)，FS的軸線(xiàn)與Ff的軸線(xiàn)互相垂直，故稱(chēng)為橫軸（或交軸）電樞磁勢。由它產(chǎn)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(xiàn)方向逆轉子旋轉方向偏轉一個(gè)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(fā)電機鐵心未飽和時(shí)，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(fā)電機在正常運行時(shí)，其磁路總是呈飽和狀態(tài)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(chǎng)發(fā)生琦變（即歪扭），使同步發(fā)電機造成一定的影響。

2、純電感性負載時(shí)

      當發(fā)電機接于電感性負載時(shí)，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(shí)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(xiàn)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(shí)針?lè )较颍┮苿?dòng)90°，此時(shí)繞組中電流的實(shí)際方向用中線(xiàn)圈外層符號表示，A相繞組中的電流為零，IS所產(chǎn)生的電樞磁勢聲FS的方向，用右手螺旋定則來(lái)判斷?？梢?jiàn)FS的方向也是在主磁極的軸線(xiàn)上，但與FS的方向相反，并對主磁極產(chǎn)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(fā)電機接入電感性負載時(shí)，端電壓下降的主要原因。這時(shí)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(shí)

      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(xiàn)上時(shí)，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(chǎn)生的電樞磁勢FS的軸線(xiàn)在空間前移90°。于是，電樞磁勢FS也與主磁極軸線(xiàn)相重合，并且FS與聲Ff方向相同。對主磁極磁場(chǎng)產(chǎn)生助磁作用，這就是同步發(fā)電機接電容性負載時(shí)，端電壓上升的主要原因。這時(shí)的電樞反應叫做縱軸助磁電樞反應。

圖1 發(fā)電機的電樞磁場(chǎng)展開(kāi)圖

圖2 同步發(fā)電機對稱(chēng)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(shí)產(chǎn)生（若忽略電樞繞組電抗的影響，發(fā)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(shí)產(chǎn)生（此時(shí)發(fā)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(shí)產(chǎn)生（此時(shí)發(fā)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(lái)描述電路對交流電的阻礙程度。在同步發(fā)電機中，各電抗的物理意義是不同的，它們分別對應著(zhù)不同的電路元件。

（1）定子電抗

它是指定子線(xiàn)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(dòng)，從而使發(fā)電機能夠穩定地工作。定子電抗的大小取決于定子線(xiàn)圈的結構和材料，一般來(lái)說(shuō)，定子電抗越大，發(fā)電機的穩定性就越好。

（2）轉子電抗

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

（3）勵磁電抗

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

      同步發(fā)電機各電抗的物理意義是非常重要的，它們決定了發(fā)電機的電氣特性和性能。在實(shí)際應用中，需要根據具體的需求和條件來(lái)選擇合適的電抗，以保證發(fā)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(fā)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(gè)電流也會(huì )產(chǎn)生磁動(dòng)勢，叫電樞磁動(dòng)勢，這個(gè)電樞磁動(dòng)勢會(huì )影響勵磁磁動(dòng)勢，這個(gè)叫電樞反應。電樞反應的結果根據負載類(lèi)型的不同，分為三類(lèi)。而電樞反應電抗就是來(lái)反應這個(gè)電樞反應磁動(dòng)勢對勵磁磁動(dòng)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(guān)系，一個(gè)從屬關(guān)系。

 1、定子漏電抗的確定

 

圖3 發(fā)電機定子漏電抗

 

 

2、保梯電抗的測定

      實(shí)踐表明由試驗測得的零功率因數負載特性（如圖3中虛線(xiàn)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(shí)的情況。此勵磁電流全部作為有效勵磁電流來(lái)產(chǎn)生氣隙磁通，并在定子繞組中感應出氣隙電動(dòng)勢Eδ=E=DB′外還產(chǎn)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(shí)，雖然產(chǎn)生氣隙合成磁通所對應的等效勵磁電流Ifδ=OD，與空載時(shí)相同，但零功率因數負載時(shí)產(chǎn)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(zhù)增大，從而使轉子磁極和磁軛兩段磁路更加飽和，整個(gè)主磁路的磁阻變大。這時(shí)盡管氣隙合成磁動(dòng)勢不變，但氣隙電動(dòng)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(shí)際電壓值為KP＜KA′，即U＜UN。故同樣勵磁電流下實(shí)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(xiàn)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(tài)短路時(shí)，對應于短路點(diǎn)，縱邊為INXσ，橫邊為Ifa，這時(shí)的特性三角形稱(chēng)為短路三角形，而對應于額定點(diǎn)上所得的特性三角形稱(chēng)為保梯（Potier）三角形，相應的漏抗稱(chēng)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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