如何处理同步发电机的电枢反应？

当同步发电机接入三相对称负载后，如保持转速和励磁电流不变，发电机的端电压将随着负载的性质不同而变化。如带上电阻性负载时电压将减小，带上感性负载时电压下降更多，带上电容性负载时电压则可能增加。本阶段从同步发电机带上负载后对气隙磁场的影响来分析其原因。

同步发电机空载运行时，气隙中仅存在一个以同步转速旋转的主极磁场，在定子绕组中感应空载电动势当接上三相对称负载时，定子绕组中就有三相对称电流流过，产生一个旋转的电枢磁场，因此，负载时在同步发电机的气隙中同时存在着两个磁场，即主极磁场和电枢磁场。这两个磁动势以相同的转速、相同的转向旋转着，彼此没有相对运动。此时主极在励磁磁动势和电枢磁动势的基波两者之间构成了负载时气隙的合成磁动势。电枢磁动势的基波在气隙中将使气隙磁动势的大小及位置均发生变化，这种影响称为电枢反应。电枢反应的性质，取决于电枢磁动势基波和主极磁动势基波之间的相对位置，即与励磁电动势和电枢电流之间的夹角φ有关。φ定义为内功率因数角，与负载的性质有关。下面就φ角的几种情况，分别讨论电枢反应的性质。

为研究问题方便，电枢绕组的每一相均用一个等效整距集中绕组表示，励磁电动势和电枢磁动势仅取其基波。由交流旋转磁场原理可知，三相合成旋转磁动势的幅值总是和电流最大的一组绕组轴线重合，根据这一结论，下面以U相绕组和电枢磁动势轴向相重合的位置为基准进行分析。

1.和同相时的电枢反应

图4-3（a）为一台两极同步发电机的示意图。为便于分析，图中电枢绕组每相用一个集中线圈来表示，和的正方向规定为从绕组首端流出，从尾端流入。在如图4-3（a）所示瞬间，主极轴线与电枢A相绕组的轴线正交，A相链过的主磁通为零；因为电动势滞后于感生它的磁通90°，故A相激磁电动势的瞬时值达到正的最大值，其方向如图中所示（从X入，从A出）；B、C两相的激磁电动势，和分别滞后于以120°和240°，如图4-3（b）表示。

设电枢电流和激磁电动势同相位，即内功率因数角φ0＝0°，则在图示瞬间，A相电流也将达到正的最大值，B相和C相电流分别滞后于A相电流120°和240°，如图4-3（b）所示。在对称三相绕组中通以对称三相电流时，若某相电流达到最大值，则在同一瞬间，三相基波合成磁动势的幅值将与该相绕相的轴线重合，因此在如图4-3（a）所示瞬间，基波电枢磁动势Fa的轴线应与A相绕组轴线和转子交轴重合。由于Fa与转子均以同步转速旋转，所以在其他瞬间，Fa的轴线恒与转子交轴重合。由此可见，φ0＝0°时，Fa是一个交轴磁动势，即

交轴电枢磁动势所产生的电枢反应称为交轴电枢反应。

由于交轴电枢反应，使气隙合成磁场B与主磁场B0在空间形成一定的相角差，如图4-3（d）所示。对于同步发电机，当φ0＝0°时，主磁场将超前于气隙合成磁场，于是主极上将受到一个制动性质的电磁转矩，所以交轴电枢磁动势与产生电磁转矩及能量转换直接相关。(www.xing528.com)

从图4-3（a）、（b）可见，用电角度表示时，主磁场B0与电枢磁动势Fa之间的空间相位关系，恰好与链过A相的主磁通中与A相电流之间的时间相位关系相一致，且图4-3（a）的空间矢量与图4-3（b）的时间相量均为同步旋转。于是，若把图4-3（b）中的时间参考轴与图4-3（a）中A相绕组的轴线取为重合（如均取为水平），就可以把图4-3（a）和图4-3（b）合并，得到一个时间空间统一矢量图，如图4-3（c）所示。由于三相电动势和电流均为对称，所以在统一矢量图中，仅画出A相—相的激磁电动势、电流和与之匝链的主磁通，并把下标A省略，写成和在统一矢量图中，Ff既代表主极基波磁动势的空间矢量，也表示时间相量的相位；既代表A相电流相量，又表示电枢磁动势Fa的空间相位。

图4-3　Ψ0＝0°同步电机的电枢反应

2.和不同相时的电枢反应

下面进一步分析和不同相时的情况。在如图4-4（a）所示瞬间，A相绕组的激磁电动势达到正最大值。若电枢电流滞后于激磁电动势某一相角φ0（90°＞φ0＞0°），则A相电流在经过秒后，电枢磁动势的幅值才与A相绕组轴线重合。所以在如图4-4（a）所示瞬间，电枢磁动势Fa应在距离A相轴线φ0电角度处，即Fa滞后主极磁动势Ff于90°＋φ0电角度。由于Fa与Ff同向、同速旋转，这段时间后才达到其正的最大值；换言之，在所以它们之间的相对位置将始终保持不变。不难看出，此时Fa可以分成两个分量，一为交轴电枢磁动势Faq，另一为直轴电枢磁动势Fad，即

其中

交轴电枢磁动势所产生的交轴电枢反应，其作用已在前面说明。直轴电枢磁动势所产生的直轴电枢反应，对主极而言，其作用可为去磁，也可为增磁，由φ0角的正、负而定。从图4-4（b）、（c）不难看出，对于同步发电机，若电枢电流滞后于激磁电动势，则直轴电枢反应是去磁性的；若超前于，直轴电枢反应将是增磁性的。直轴电枢反应对同步电机的运行性能影响很大。若同步发电机单独供电给一组负载后，去磁或增磁性的直轴电枢反应将使气隙内的合成磁通减少或增加，从而使发电机的端电压发生变动。

图4-4　φ≠0同步电机的电枢反应