不同ψ条件下的电枢反应性质

1.同相（ψ=0°）时的电枢反应

图3.14（a）是一台凸极同步发电机的原理图。此时转子磁极轴线（直轴或d轴）超前于U相轴线90°。旋转的励磁磁场在定子三相绕组中感应对称的三相电动势，感应电动势和电流的时间相量图如图3.14（b）所示。三相绕组合成的基波磁动势的 轴线总是和转子磁极轴线相差90°电角度，而与转子的交轴（或q轴）相重合。因此，ψ=0°时的电枢反应称为交轴电枢反应。

图3.14　ψ=0°时的电枢反应

（a）空间相量图；（b）时间相量图；（c）时间-空间相量图

由图3.14（c）可见，交轴电枢反应使气隙合成磁场轴线位置从空载时的直轴处逆转向后移一个锐角，其位移角度的大小取决于同步发电机的负载大小，而幅值也有所增加。

ψ=0°时，同步发电机的负载近似为电阻性负载。此时定子电流产生的交轴电枢磁场与流过励磁电流的转子励磁绕组相互作用产生电磁力，与转子形成电磁转矩。该电磁转矩的方向与转子的旋转方向相反，对转子起到制动作用，使发电机的转速下降。为了维持发电机的转速不变，需要相应地增加原动机的输入功率。

2.滞后090°（ψ=90°）时的电枢反应

三相绕组中电流的方向及产生的磁动势如图3.15（a）所示。此时电枢磁动势 的轴线滞后于转子的励磁磁动势180°电角度，即的方向相反。此时转子的励磁磁动势和电枢磁动势一同作用在直轴上，方向相反，电枢反应为纯去磁作用，合成磁动势的幅值减小。所以这一电枢反应称之为直轴去磁电枢反应。如图3.15（b）所示，为ψ=90°时三相空载电动势和电枢电流的相量图。

图3.15　ψ=90°时的电枢反应

（a）空间相量图；（b）时间相量图

ψ=90°时，同步发电机的负载电流为感性无功电流。电枢磁场对转子载流导体产生的电磁力不形成电磁转矩，则对发电机转子的转速不会产生制动作用，但会使发电机的端电压降低。若要维持端电压不变，需要相应地增加励磁电流。

3.超前090°（ψ=-90°）时的电枢反应

三相绕组中电流的方向及产生的磁动势如图3.16（a）所示。此时电枢磁动势 的轴线滞后于转子的励磁磁动势0°电角度，即的 方向相同。此时转子的励磁磁动势和电枢磁动势一同作用在直轴上，二者同相，电枢反应为纯助磁作用，合成磁动势的幅值增大。所以这一电枢反应称之为直轴助磁电枢反应。如图3.16（b）所示，为ψ=-90°时三相空载电动势和电枢电流的相量图。

图3.16　ψ=-90°时的电枢反应

（a）空间相量图；（b）时间相量图

ψ=-90°时，同步发电机的负载电流是容性无功电流。电枢磁场对转子载流导体产生的电磁力不形成电磁转矩，则对发电机转子的转速不会产生制动作用，但会使发电机的端电压升高。若要维持端电压不变，需要相应地减小励磁电流。

4.0°＜ψ＜90°时的电枢反应

一般情况下，同步发电机既向电网输出一定的有功功率，又向电网输送一定的电感性无功功率，此时0°＜ψ＜90°，即电枢电流滞后于励磁电动势一个锐角ψ，这时的电枢反应如图3.17所示。

此时电枢磁动势滞后励磁磁动势一个（90°+ψ）的空间电角度。该位置既不在电机的交轴上，又不在直轴上。所以，此时的电枢反应既非单纯交磁性质，也非纯去磁性质，而是兼有两种性质。因此可将此时的电枢磁动势Fa分 解成直轴和交轴两个分量。即

式中：为 交轴电枢反应分量，起交磁作用；为直轴电枢反应分量，起去磁作用。

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图3.17　0°＜ψ＜90°时的电枢反应

（a）空间相量图；（b）时间相量图

如图3.17（b）所示，为0°＜ψ＜90°时三相空载电动势和电枢电流的相量图，其中每相电枢电流可分解为直轴和交轴两个分量。即

0°＜ψ＜90°时，电枢反应既有交轴电枢反应，又有直轴去磁电枢反应，使发电机的转速和端电压均下降。若要维持发电机的转速和端电压不变，需要相应地增加原动机的输入功率和转子的励磁电流。

小　结

同步发电机对称负载运行时，电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影响称为电枢反应。电枢反应性质取决于负载的性质和电机内部的参数。

电枢反应的存在是同步发电机实现机电能量转换的关键。

ψ=0°时，电枢反应为交轴性质的。发电机输出有功功率，输出的有功功率对发电机转子会形成制动的电磁转矩，为了维持发电机的频率恒定，需要相应地增加原动机的输入功率。

ψ=90°时，电枢反应为直轴去磁性质的。为了维持发电机的端电压恒定，需要相应地增加直流励磁电流，此时发电机输出感性无功功率。

ψ=-90°时，电枢反应为直轴助磁性质的。为了维持发电机的端电压恒定，需要相应地减少直流励磁电流，此时发电机输出容性无功功率。

习　题

（1）试比较三相对称负载时同步发电机的电枢磁动势和励磁磁动势的性质，它们的大小、位置和转速各由哪些因素决定的？

（2）何谓同步发电机的电枢反应？电枢反应的性质主要取决于什么？

（3）试分析在下列情况下电枢反应各起什么作用？

1）三相对称电阻负载。

2）纯电容负载=0.8，发电机同步电抗=1.0。

3）纯电感性负载=0.7。

综合实训

1.实训目标

掌握测量同步发电机在对称负载下的运行特性的试验方法。

2.实训要求

（1）纯电阻负载特性曲线：在n=nN、I=IN、cosφ=1的条件下，测取纯电阻负载特性曲线。

（2）纯电感负载特性曲线：在n=nN、I=IN、cosφ≈0的条件下，测取纯电感负载特性曲线。