同步发电机中的电枢反应

同步发电机

同步发电机是一种利用电磁感应将机械能转化为交流电的设备。

交流发电机和交流发电机是同步发电机的其他名称。由于它产生交流电，因此被称为“交流发电机”。由于为了以所需的频率产生交流电而必须以同步速度运行，因此该发电机被称为同步发电机。

同步发电机有两种类型：单相和多相（通常为三相）。

交流发电机的原理和工作

当连接到导体的磁通量发生变化时，会在导体中产生电磁场（EMF）。这就是交流发电机或同步发电机的工作方式。当交流发电机的电枢绕组暴露在旋转磁场中时，绕组将产生电压。

当交流发电机的转子励磁绕组由直流励磁机供电时，转子上会产生交替的 N 极和 S 极。当原动机逆时针旋转转子时，转子极的磁场会切割安装在定子上的电枢导体。

因此，电磁感应会在电枢导体中感应出电动势。由于转子的 N 极和 S 极交替地经过电枢导体，因此感应电动势是交变的。

可以使用Fleming 右手法则来确定感应电动势的路径，频率由下式给出

其中，

同步转速为 Ns (RP)。

P 是转子极的总数。

产生的电压受转子转速和直流励磁电流的影响。当绕组平衡时，每相产生的电压相同，但在相位上电隔离 120°。

同步发电机中的电枢反应

根据法拉第定律，每个旋转的电气机器都在工作。每台电气设备都需要磁场、线圈（称为电枢）以及它们之间的相对运动。在使用交流发电机时，我们向极子供电以产生磁场，而电枢提供输出功率。由于场和电枢之间的相对运动，电枢导体切割磁场的磁通量，导致这些导体与变化的磁链发生变化。根据法拉第电磁感应定律，电枢将产生电磁场（EMF）。因此，一旦负载连接到电枢端子，电枢线圈就会开始导电。

一旦电流开始流过电枢导体，它就会对同步发电机主磁场（或交流发电机）产生一个可逆的影响。术语电枢反应用于描述交流发电机或同步发电机中这种不利影响。换句话说，电枢反应是指电枢（定子）磁场与转子励磁极产生的磁场之间的相互作用。

我们显然知道，载流导体自身会产生磁场，并且该磁场会影响交流发电机的初级磁场。

主磁场要么变形，要么主磁场磁通量减少，或者这两者都不利后果都发生。它们会导致机器的性能下降。当磁场变形时，会发生称为交叉磁化效应的现象。而当磁场流减小时，就会发生去磁效应。

磁场充当机电能量转换的通道。由于电枢导体和主磁场之间的相对运动，电枢绕组中会产生一个电动势，其大小取决于相对速度和磁场。电枢反应会导致磁场减弱或变形，进而影响净感应电动势，降低机器性能。

现在我们来看交流发电机中的电枢反应

交流发电机中的电枢反应，与其他所有同步机器一样，其影响取决于功率因数，即电枢电流和端子电压之间的相位关系。

当发电机为滞后负载供电时，它正在向负载输送磁能，因为无功功率（也称为滞后）是磁场能量。发电机的净无功功率减小，因为这部分功率是从同步机励磁中提取的。

因此，电枢反应是去磁的。类似地，发电机向超前负载供电（因为超前负载吸收超前 VAR），并从发电机接收滞后 VAR（磁能），这会产生磁化效果。当负载仅为电阻性时，唯一的电枢反应是交叉磁化。

定子电枢电流与交流发电机电枢绕组上的感应电压之间的相位角决定了交流发电机或同步发电机的电枢反应。

电枢电流和电压之间的相位差可以从 -90 度到 +90 度不等。

因此，我们可以说角度在 -90° 到 +90° 之间。

为了理解这个角度对交流发电机电枢反应的实际影响，我们将考察三个典型场景：

• 当 θ = 0 时
• 当 θ = +90° 时
• 当 θ = - 90° 时

1. 同步发电机在单位功率因数下的电枢反应

在单位功率因数下，电枢电流 I 和感应电动势 E 之间的角度为零。这表明电枢电流和感应电动势同相。然而，理论上我们知道，电枢的感应电动势是由连接到电枢导体的变化的主磁场磁通量产生的。

由于励磁由直流电供给，主磁场相对于励磁磁极保持恒定，但由于交流发电机中的场和电枢相对于彼此移动，它相对于电枢将是交变的。如果交流发电机的相对于电枢的主磁场可以表示为

Φ_f=Φ_fmsinwt……(1)

因此，电枢上的感应电动势与 dΦ_f/dt 成正比。

现在 dΦ_f/dt = -wΦ_fmcoswt……(2)

因此，从以上方程（1）和（2）可以看出，φf 与感应电动势 E 之间的角度将是 90°。

电枢磁通量现在与电枢电流 I 成反比。因此，电枢磁通量 Φa 和电枢电流 I 同相。

再次，在单位电气功率因数下，I 和 E 同相。因此，在单位功率因数下，a 和 E 同相。因此，此时，励磁磁通量与感应电动势 E 相位相差 90°，而电枢磁通量现在与 E 同相。因此，电枢磁通量 a 与主磁场磁通量 f 相位相差 90°。

由于两个磁通量的垂直关系，单位功率因数下交流发电机的电枢反应仅为变形或交叉磁化类型。

当电枢磁通量垂直驱动主磁场磁通量时，极靴下的主磁场磁通量分布实际上并非均匀。在超前极尖下方，磁通密度下降，而在滞后极尖下方则略有增加。

2. 滞后零功率因数下交流发电机的电枢反应

在滞后零电气功率因数下，电枢电流滞后电枢中的感应电动势 90 度。

由于主磁场磁通量在电枢线圈中感应出电动势，因此电动势比主磁场磁通量超前 90 度。场流从方程（1）获得。

Φ_f=Φ_fmsinwt

因此，感应电动势 E ∝-dΦ_f/dt

E ∝-wΦ_fmcoswt

因此，在时间 wt = 0 时，E 最大，Φ_f 为零。

在 wt = 90° 时，E 为零，Φ_f 达到最大值。

在 wt = 180° 时，E 最大，Φ_f 为零。

在 wt = 270° 时，E 为零，Φ_f 具有最大负值。

在这里，Φ_f 在 E 之前达到最大值。所以，f 比 E 超前 90 度。

电枢电流 I 现在滞后 E 90 度，并与电枢磁通量 a 成正比。因此，Φ_a 滞后 E 90 度。

因此，电枢磁通量和励磁磁通量之间存在完全相反的影响。因此，滞后零功率因数下的交流发电机的电枢反应是完全去磁的。这意味着电枢磁通量直接阻碍主励磁流。

3. 超前功率因数下交流发电机的电枢反应

在超前功率因数条件下，电枢电流“I”滞后感应电动势“E” 90° 角。我们再次证明，励磁磁通量 f 比感应电动势 E 超前 90° 角。

再次，电枢磁通量 an 与电枢电流 I 成反比。因此，Φ_a 和 I 同相。因此，电枢磁通量 Φ_a 像 I 一样，比 E 超前 90 度。在这种情况下，励磁磁通量和电枢磁通量被认为方向相同，因为它们都在 90° 角感应出电动势 E。因此，电枢和励磁的组合磁通量可以轻松计算。

因此，可以得出结论，由完全超前电气功率因数引起的交流发电机电枢反应是磁化类型的。

电枢反应的性质

1. 电枢反应磁通以同步速度旋转，并且具有恒定的幅度。
2. 当发电机在单位功率因数下产生负载时，电枢反应是交叉磁化的。
3. 当发电机运行在超前功率因数下并为负载供电时，电枢反应部分去磁，部分交叉磁化。
4. 当发电机以超前功率因数服务负载时，发电机中的电枢反应部分磁化，部分交叉磁化。
5. 主磁场磁通量不影响电枢磁通量。