交流发电机的电枢反应与同步电抗的差异

摘要：发电机的电枢反应电抗和同步电抗是同步发电原理论中的两个关键概念，它们在物理本质、作用制度和应用细说中具有显着差异。电枢反应电抗就是来反应电枢反应磁动势对励磁磁动势的危害程度，是电枢反应的外在特点和特点；而同步电抗是发电机规划、运转和浅谈的枢纽数据，需在电磁性能、经济性和可靠性之间综合权衡，其包含了电枢反应电抗和定子漏抗。因此，同步电抗和电枢反应电抗之间的关系就是一个从属关系。

      同步发电机的电枢反应是指当同步发电机接通负载时，三相电枢绕组流经的电流产生的电枢旋转磁场（如图1所示），对主磁极磁场出现的某种确定性的影响。其反应因素是同步发电机在输出功率时，电枢里有电流流过，这电流就会发生磁场，电枢电流发生的磁场将对主磁场产生功能，这就出现了电枢反应。在定子有电流的情况下，空载时是没有电枢反应的。

      通常具备电力常识都知道同步发电机转动，并接上三相对称负载后，定子绕组中会产生三相对称电流，及三相旋转磁场，此磁场称为电枢磁场。这样在气隙中就同时存在着两个旋转磁场，一个是由直流励磁电流产生的转子主磁场，另一个则是电枢磁场。这两个磁场以相同的速度，相同的方向旋转，两者之间没有相对运动。它们迭加在一起形成同步发电机气隙中的合成磁场这时同步发电机的感应电势是由气隙中的合成磁场感应产生的。因此，定子绕组电势不仅决定于转子磁场的强弱，而且还受电枢磁场的影响。由此可知，当同步发电机接负荷运转时，因为电枢磁场的产生，气隙中的磁场由空载时的主磁场（磁极磁场）变为合成磁场，无论大小和位置都出现了变化，这种情形称为电枢反应。如果发电机所接的负荷性质不同，那么定子绕组中的电流和电势的相位也不同，故而同步发电机电枢反应的程度不仅和定子电流大小有关，而且与负载性质有关。

      下面以负载的不同状况，进一步来诠释同步发电机的电枢反应，案例如图2所示。

      为便详述说同题，设定每相绕组只由一匝构造，一相绕组对称设计，励磁绕组磁势F1在空间按正弦分布。在发动机的带动下，以同步转速按逆时针方向旋转。

      旋转的主磁场将在定子三相绕组中出现三相对称的感应电势E0，中转子所画位置瞬间，A相绕组内的感应电势较大，电势方向用右手定则确定。其三相感应电势的向量图。因为接的是纯电阻性负载，电流和电势同相位，即U=0，因此，三相定子绕组各导体中的电流方向与电势方向一致，此时A相电流也达到较大值，同时表示电势和电流的方向。根据绕组中电流方向可以预判电枢旋转磁场磁势轴线的方向与转子磁极轴线相垂直。又由于电枢磁场与转子磁场都以同步转速n1旋转，因此，它们之间的相对位在任一瞬态都维持不变。电枢磁势Fs在空间总是滞后于励磁磁势，两者相迭加，得合成磁势声FR。

      由此可知，当发电机接纯电阻性负荷时，Fs的轴线与Ff的轴线互相垂直，故称为横轴（或交轴）电枢磁势。由它出现的电枢反应叫做横轴电枢反应。电枢反应的结果，不但使气隙中的合成磁势FR的轴线方向逆转子旋转方向偏转一个角度θ，而且因转子磁极的前一半（即前极端）被电枢磁极削弱，转子磁极的后一半（即后极端）被电枢磁加强。主磁极半边提升半边减弱，在发电机铁心未饱和时，增加的磁通等于减小的磁通，使总的合成磁通保持不变康明斯发电机图片。但是，通常同步发电机在正常运转时，其磁路总是呈饱和状态的，因而就使得磁路增加的磁通稍小于减少的磁通，使总的合成磁通稍有减少，然而，更详细的是使主磁场发生琦变（即歪扭），使同步发电机造成一定的影响。

      当发电机接于电感性负载时，若不考虑电枢绕组的电阻，那么，在这种负荷下的电枢电流，必然在相位上将滞后电势90°，即U=90°。在这种情况下，如果转子磁极的位置仍的瞬时位置一样，即仍然是A相绕组中的感应电势较大，其电势方向线圈内层符号所示。但因为电流Is的相位比电势E0滞后90°，于是电流Is的较大值要向后（顺时针方向）移动90°，此时绕组中电流的实际方向用中线圈外层符号表示，A相绕组中的电流为零，Is所产生的电枢磁势声Fs的方向，用右手螺旋定则来判断发电机十大名牌。可见Fs的方向也是在主磁极的轴线上，但与FS的方向相反，并对主磁极出现去磁功能。显然合成磁势FR与励磁磁势方向相同，但数值上减轻了。这是同步发电机接入电感性负荷时，端电压下降的主要原因。这时的电枢反应叫做纵轴（或直轴）去磁电枢反应。

      在纯电容性负荷的状况下，如果不考虑电枢绕组电阻的功能，那么Is在相位上就比E。超前90°，即U=90°。和前面研讨状况一样，当A相绕组正好在转子主磁极轴线上时，A相绕组中感应电势较大。但因为电流Is超前于电势E090°，于是三相电枢电流发生的电枢磁势Fs的轴线°。所以，电枢磁势Fs也与主磁极轴线相重合，并且Fs与声Ff方向相同。对主磁极磁场发生助磁功用，这就是同步发电机接电容性负载时，端电压上升的详细原因。这时的电枢反应叫做纵轴助磁电枢反应。

      典型的电枢反应效应具体有如下三种，即：

① 交轴电枢反应，在E0与Ia同相位时产生（若忽略电枢绕组电抗的危害，发电机相当于带纯阻性负荷）；

      发电机同步电抗（Synchronous Reactance，Xs）是同步电机解惑和运行中的核心参数，其功用贯穿于电机的电路建模、性能叙述、稳定性控制及工程布置中。

      同步电抗是同步电机的定子漏抗与电枢反应电抗之和，它是电路中的一种阻抗，用来描述电路对交流电的阻碍程度。在同步发电机中，各电抗的物理意义是不一样的，它们分别对应着不同的电路元件。

      它是*子线圈中的电感和电容的总和。定子电抗的功能是阻碍电流的流动，从而使发电机能够稳定地工作。定子电抗的大小取决于定子线圈的结构和材料柴油发电机组型号及参数，通常来说，定子电抗越大，发电机的稳定性就越好。

      它是指转子线圈中的电感和电容的总和。转子电抗的功用是发生磁场，从而使发电机能够发生电能。转子电抗的大小取决于转子线圈的构造和材料，一般来说，转子电抗越大，发电机的输出功率就越大。

      它是指励磁线圈中的电感和电容的总和。励磁电抗的功用是控制发电机的输出电压，从而使发电机能够适应不一样的负载。励磁电抗的大小取决于励磁线圈的结构和材料，一般来说，励磁电抗越大，发电机的输出电压就越稳定。

      同步发电机各电抗的物理意义是非常重要的，它们决定了发电机的电气特点和性能。在实际运用中，需要根据具体的需求和要素来采取合适的电抗，以保证发电机的稳定性和可靠性。

      同步电抗是同步电机等效电路模型的核心结构部分，用于描述电枢电流对发电机端电压的影响。

       通过此方程，可以概述负荷变化时端电压的波动（如电压调整率）以及励磁电流对电压的补偿功用。

      电压调节率是发电机从空载到额定负载时端电压的变化百分比，其大小直接取决于同步电抗：

      同步电抗越大，负载变化致使的端电压波动越显着（电压调整率更高）；需要更强的励磁调整（通过自动电压调整器，稳压板）来维持电压稳定。

      同步电抗是发电机功率传输特点的关键参数，直接危害较大输出功率和功角特性。

      式中，P——传输的有功功率；δ——功角（转子磁场与定子合成磁场的夹角）。

      同步电抗越小，相同功角下传输的功率更大；发电机的静态稳定极限更高。

      短路比是衡量发电机过载能力和稳定性的重要指标。高短路比的发电机电压稳定性更好；更适合并网运行或弱大电环境。

      电枢反应是电枢绕组（定子绕组）中电流出现的磁场对转子主磁场的危害，属于物理现状。当发电机带负载时，定子电流产生的磁动势（MMF）会与转子励磁磁场相互作用，改变气隙中的合成磁场分布，引起电压波形畸变或端电压变化。

      同步电抗是描述电枢反应和漏磁效应的等效电路数据，属于数学模型，同步电抗相量图和等效电路。由电枢反应电抗（Xa）和定子漏电抗（Xl）组成，它反映了发电机在稳态运行时对电流的阻碍用途。

① 去磁或助磁效应：感性负荷电流发生去磁功能（削弱主磁场），容性负载电流发生助磁作用（提升主磁场）。

② 稳定性叙述：同步电抗危害发电机的静态稳定极限【Pmax=（EV/Xs）sinδ】。

      因为在空载特点曲线和零功率因数特征曲线之间存在一个不变的特点三角形，该特点三角形的纵边和横边分别对应同步发电机的漏抗压降和电枢反应的等效励磁磁动势。如果知道了两条特征曲线，求出它们之间的特征三角形，则可求得对应的定子漏电抗。

      假定空载特点和零容量因数特性曲线上取额定电压点A，过A作AO的平行线AO，且使AO＝AO，再过O作平行于空载特性起始段OB的直线于B，连BA并作BC垂直于AO交AO于C，则得到特点三角形。平移至短路点即为三角形ΔABC，所以有AC=Ifa，BC=INXσ或Xσ=BC/IN。

      实践表明由试验测得的零功率因数负荷特点（如图4中虚线所示）与空载特点之间的特性三角形是变化的。其因由如下：

      首先考虑空载If=OD时的状况。此励磁电流全部作为高效励磁电流来发生气隙磁通，并在定子绕组中感应出气隙电动势Eδ=E=DB外还发生少量的主极漏磁通。当发电机在纯电感负荷下运行且If=OK，Ifa=kadFa/Nf=DK时，虽然出现气隙合成磁通所对应的等效励磁电流Ifδ=OD，与空载时相同，但零容量因数负荷时产生主极漏磁的励磁电流值却是比OD大得多的OK，因而主极漏磁将显着增大，从而使转子磁极和磁轭两段磁路更加饱和，整个主磁路的磁阻变大。这时尽管气隙合成磁动势不变，但气隙电动势受到磁路饱和度增加的危害，其数值将有所降低，即Eδ＜DB，在扣除漏抗压降以后实际电压值为KP＜KA，即U＜UN。故同样励磁电流下实际的零功率因数负载特点的电压值要低于前述的理想化曲线的电压值。

      上述解述表明，当考虑转子漏磁影响后，在空载特点和零容量因数负载特征之间的特征三角形是逐渐变的。在三相稳态短路时，对应于短路点，纵边为INXσ，横边为Ifa，这时的特性三角形称为短路三角形，而对应于额定点上所得的特征三角形称为保梯（Potier）三角形，相应的漏抗称为保梯电抗Xp，保梯电抗大于漏电抗。对隐极机极间漏磁很小，Xp＝（1.05～1.10）Xσ，而在凸极机中，Xp＝（1.1～1.3）Xσ。

综上所述，电枢反应是“因”，同步电抗是“果”。电枢反应是电流对磁场的实际影响，而同步电抗是这种危害在电路模型中的量化体现。同步电抗的数值直接反映了电枢反应的强弱，两者共同决定了发电机的运转特性。通过以上对比，可以清晰区分电枢反应与同步电抗的物理意义、功用机制和工程运用场景。