发电机的空载运行和电枢反应

摘要：同步发电机由定子和转子两部分构成，定子与三相异步发电机的没有差别，也是由机座、定子铁心和三相对称绕组等构成的。这部分常称电枢。所谓电枢，就是电机出现感应电动势的枢纽部分。同步发电机的转子是磁极，其铁心上绕有励磁绕组，用直流励磁。由于转子在转动，于是励磁绕组的两端分别接在固定在转轴上的两个滑环上。环与环，环与轴，都是互相绝缘的。在滑环上，用弹簧压着两个固定的碳刷，直流励磁电流经此进入到励磁绕组。

      因为转子构成不一样，同步发电机可分为显极式和隐极式两种归类。显极式电机的转子具有凸出的磁极、显而常见，励磁绕组绕在磁极上。图3-1所示同步发电机的转子就是显极式的。隐极式电机的转子呈圆柱形，励磁绕组分布在转子大半表面的槽中。显极式电机的结构较大概，但是机械强度过低，宜用于低速柴油发电机，其速度在1000转/分钟以下。隐极式电机的制造工艺较复杂，但是机械强度偏高，宜用于高速柴油发电机和汽轮机，其转速为1500转/分钟。

      同步发电机被柴油发电机拖动到同步速度，转子励磁而定子绕组开路或电流为零时称为空载运行。此时电机气隙中只有励磁电流If所生的励磁磁动势Ff建立的励磁磁场。图1为一台凸极同步发电机空载运行时励磁磁场分布的示意图。图中，励磁磁通分成主磁通Φ和主极漏磁通Φfσ两部分。Φ通过气隙并与定、转子绕组交链，其磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布（凸极同步发电机一般选用极弧系数为0.68～0.72，气隙比值为1.3～1.8），以同步转速n1旋转；Φfσ不通过气隙，仅与励磁绕组交链，并不参与定、转子间的机电能量转换步骤。需要指出的是所有谐波磁通均被归属为漏磁通。凸极电机主极漏磁通占主极磁通的10%～20%。

      图2是同步发电机空载实验的接线图。空载时，电机中只有由直流励磁电流产生的磁极磁场。磁极由柴油发动机驱动，速度为n，磁极磁场在空间旋转。设磁极磁场的磁感应强度B沿空气隙是接近于按正弦规律分布的，因此，当磁极旋转时，经过每相电枢绕组的磁通也是随时间按正弦规律分布的。通过每相绕组的磁通较大值在数值上等于磁极磁通фo（每极的）。因为通过每相绕组的磁通是正弦量，所以就在电枢绕组中感应出对称的三相正弦电动势：

      每相电动势的有效值Eo＝4.44fkWφ。相等，相位相差120°电动势的频率f＝pn/60。

      图3所示的是同步发电机的空载特性曲线Eo＝f（If），它表示了当柴油发动机转速为额定值nN时，空载电动势Eo与励磁电流If的关系。由于Eo与Φo成正比，而Φo与If的关系是磁化曲线的关系，所以Eo与Ef也具有磁化曲线的关系。发电机的额定空载电动势Eo和额定励磁电流FfN一般设置在特点曲线的拐弯部分，即磁路的半饱和工作点No曲线，Eo＝Er，称为剩磁电动势。它是由磁极剩磁通出现的。对于自励发电机，剩磁电动势是很重要的。如果没有，发电机就不能建立电压。

图2 同步发电机的空载实验接线 发电机的空载特性曲线为同步发电机空载时的时空相量图。与异步发电机一样，图中磁通Φ、电动势E各时间相量均为综合相量，各代表一组对称的三相相量，E在时间上滞后Φ90°电角度；忽略磁滞效应，励磁磁动势f1和由它出现的气隙磁密基波f1同相位，以同步角速度ω1=2πf旋转。各相的时轴都重叠在其相轴上，在时空相量图上，Φ与f1同相位。

      磁极磁场（每极磁通为Φo）与电枢磁场（每极磁通为фa）既然转速相等，转向相同，所以两者是相对静止的。因此有负荷时，同步发电机的旋转磁场实际上可认为是由它们合成的结果。合成磁场的轴线及其每极磁通φ

的大小，与磁极磁场相比，都有所不同。这种电枢磁场对磁极磁场的影响，称为电枢反应。电枢反应的程度与发电机所接负荷的性质有关。2、负荷运转时的电枢反应

      同步发电机空载运行时，气隙中只存在励磁磁动势产生的机械旋转磁场。定子绕组中只感应有空载电势E，此时端电压U=E。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起结构闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流。当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的电枢磁动势。它的存在使气隙磁势的分布出现变化，从而使气隙磁场以及绕组中的感应电势出现变化。这种现象与直流发电机带负荷后的状况基本相同，即电枢电流发生的磁场对主极磁场出现危害，故仍称之为电枢反应。但与直流发电机的电枢反应不一样的是，在直流发电机中，两个磁场都是静止的，而同步发电机中两个磁场只是保持相对静止，本身都是旋转的，并且强调的是两个基波磁场之间的相互作用。

1和a之间的相对位置与励磁电动势E与电枢电流I之间的相角差ψ有关，ψ角在同步发电机中定义为内容量因数角，ψ＝0时，I与E同相；ψ＞0时，电流I滞后E；ψ＜0时，电流I超前E。下面先讨论ψ角对电枢反应的危害（助磁、去磁或交磁）。暂时只考虑隐极式同步发电机，并只考虑磁路不饱和的情形。

      理论上讲，ψ角可以是任意角度。图5表示一台同步发电机的剖面图，图中转子磁极的轴线定义为直轴，用d表示，将与直轴正交的方向定义为交轴，用q表示，AX、BY、CZ分别为定子等效三相集中绕组，各相时间参考轴与各相相轴重合，A相绕组的轴线作为空间相量的参考轴，图示瞬间，q轴与A相相轴重合。根据交流绕组磁动势解析结论，f1

      参照图6，可以将a分解成交轴aq和直轴ad两个分量，即a=ad+aq，写出幅值形式：

      磁极磁通Φ。的轴线方向与电枢磁通φ。的轴线方向在空间是正交的。这种称为交轴电枢反应。在磁极的前半边，中a与Φ。的方向相反，磁场被削弱了；在磁极的后半边，磁场被加强了。

（3）I比Eo超前90°的情况      φa与φo两轴线方向相同，使合成磁场的磁通Φ增加。这种状况的反应称为加磁电枢反应。

      在通常情况下，I与Eo的相位差介于0和90°之间。如果发电机接电感性负荷（多数情况是这样），则I比Eo滞后。这时可将电流相量I分解成两个分量，与E

同相的分量Iq（图4（a）），产生交轴电枢反应：滞后于Eo90°的分量Id，出现去磁电枢反应。图4（b）示出了φo、Φa和Φ的轴线方向，可见合成磁通中的轴线逆着转子旋转方向比磁极磁通Φo滞后了一个角度θ，而且电枢电流/越大，θ也越大。如果是电容性负荷，则与上相反。