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第12章 思考题与习题参考答案12.1 试比较同步发电机带三相对称负载时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?答：电枢磁动势和励磁磁动势的比较见下表：12.2 同步发电机电枢反应性质主要取决于什么? 若发电机的同步电抗标么值0.1*=s X ，则在下列情况下电枢反应各起什么作用?(1)带电阻负载；(2)带电容负载8.0*=c X ， (3)带电感负载7.0*=L X 。
答：电枢反应的性质取决于负载电流I 与励磁电动势0E 的相位关系，或者说取决于负载的性质。
（1）带电阻负载时，由于同步电抗的存在，负载性质呈阻感性，故电枢反应起交磁和直轴去磁作用；（2）带电容负载8.0=*s X 时，由于它小于同步电抗（0.1*=s X ），总电抗仍为感抗，电枢电阻很小，因此电枢反应基本为直轴去磁作用；（3）带电感负载7.0=*L X 时，总电抗为更大的感抗，电枢反应主要为直轴去磁作用。
12.3 电枢反应电抗对应什么磁通？它的物理意义是什么？ 同步电抗对应什么磁通？它的物理意义是什么？答：电枢反应电抗对应电枢反应磁通，这个磁通是由电枢磁动势产生的主磁通，它穿过气隙经转子铁心构成闭合回路，它反映了电枢反应磁通的大小；同步电抗对应电枢磁动势产生的总磁通（即电枢反应磁通和定子漏磁通之和），它是表征电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。
同步电抗的大小直接影响同步发电机的电压变化率和运行稳定性，也影响同步发电机短路电流的大小。
12.4 什么是双反应理论？为什么分析凸极同步电机时要用双反应理论？答：由于凸极同步电机的气隙不均匀，直轴处气隙小，磁阻小，交轴处气隙大，磁阻大，同样的电枢磁动势作用在不同位置时，遇到的磁阻不同，产生的电枢反应磁通不同，对应的电枢反应电抗也不同，即电枢磁动势（电枢电流）与电枢反应磁通（电枢电动势）之间不是单值函数关系，因此分析凸极同步电机时，要采用双反应理论。
电枢反应电抗和同步电抗的概念1.隐极同步电机的电枢反应：隐极同步电机有一个特点就是定转子之间的气隙是均匀分布的。
电枢磁动势作用在任一位置，其效果是一样的其中的Xa 称为电枢反应电抗。
在同样大小电流情况下,如果Xa 越大，电枢反应电势也越大，表示着电枢磁势所产生的电枢磁通很强。
因此Xa 的大小可以说明电枢反应的强弱。
当然，电枢电流除了产生主磁通外，还要产生一定的漏磁通，由于漏磁通也会交链电枢绕组，所以对应产生电动势Eσ所以在三相对称电流通过电枢绕组后，所产生的匝链定子绕组的磁通为（α+σ），两者在电枢绕组中所产生的全部电势为称为隐极同步电机的同步电抗。
电枢反应磁通及漏磁通所产生的作用，可以通过同步电抗压降的形式来表示。
同步电机在正常状态下工作，磁路略呈饱和。
磁路的饱和程度越高，它的磁阻便越大，所对应的电抗便函越小。
所以Ｘa或ＸS的大小是随着磁路饱和程度的改变而改变的。
2.凸极同步电机：电枢磁动势作用在不同的位置，产生不同的效果双反应理论：磁动势Fa分解成沿直轴和交轴方向的两个分量，分别求它们的作用，最后将效果叠加。
直轴电枢磁势固定地作用在直轴磁路上，对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通ad。
交轴电枢磁势固定地作用在交轴磁路，也对应于一个恒定不变的磁阻，产生磁通aq。
磁通ad与aq分别切割定子绕组而在其中感应出电势Ead及Eaq。
由于交轴及直轴的磁阻都恒定不变，所以Ead正比于ad，Eaq正比于aq，因此，和隐极电机一样，直轴和交轴电枢反应电抗各和定子漏抗相加，便可以得到直轴同步电抗和交轴同步电抗，即注意：在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻小，所以Xad 较大。
在交轴磁路上，由于气隙很大，磁阻大，所以Xaq较小。
当直轴及交轴的同步电抗相等时，就是隐极电机。
同步发电机漏抗,电枢反应电抗、同步电抗的大小关系
同步发电机的漏抗、电枢反应电抗和同步电抗之间有一定的关系。
首先，漏抗是指同步发电机中转子和定子之间的漏磁作用所产生的电抗。
它是由转子绕组和定子绕组之间的磁链相互作用引起的，并且随着电机负载的变化而变化。
电枢反应电抗是指由于电枢激励电流而引起的定子磁场与额定旋转磁场产生的交流电动势所引起的电抗。
它是由于定子磁场相对于旋转磁场的相对运动（电枢激磁电流的影响）而产生的。
电枢反应电抗的大小取决于电枢磁链与同步磁链之间的相对运动速度。
同步电抗是指同步发电机在额定运行条件下，转子磁链在定子绕组中产生的交变电动势所引起的电抗。
同步电抗是由于转子磁链在定子绕组中的相对运动引起的。
一般来说，同步电抗的大小与漏抗和电枢反应电抗相比较小。
这是因为漏抗和电枢反应电抗都是由于转子磁链在定子绕组中的相对运动引起的，而同步电抗是由于转子绕组中的电流在定子绕组中产生的交变电动势所引起的。
因此，通常情况下，同步电抗的大小要小于漏抗和电枢反应电抗。
同步电机电枢反应
磁场分析
一．课题内容
通过电磁场仿真计算明确同步电机电枢反应概念，仿真，分析和理解在同步电机定子电流为交轴，直轴去磁，直轴助磁情况下电机磁场的
分布情况，并重点分析气隙磁场的分布波形以及电枢反应对磁场大小的影响，总结电机电枢反应的规律。
二．课题背景
在同步电机中，电枢反应既是学习的难点也是重点。
当同步电机作为发电机运行时，在空载时只有励磁绕组通有电流，主极磁场为直轴磁场，对称分布。
若带三相对称负载，电枢绕组中通过三相对称电流时，会产生相应的电枢磁场。
气隙内的磁场由电枢磁场和主极磁场合成。
电枢反应的性质取决于电枢磁场和主磁场在空间的相对位置，其变化情况较为复杂，因此，利用仿真软件对同步电机的电枢反应进行分析，有利于加深对电枢反应的理解，并熟练掌握不同的情况下电机内磁场的分布规律。
三．探究方式
利用Maxwell 电磁场数值计算软件，建立两极同步电机的二维模型。
通过改变定转子绕组电流，利用软件自带的作图系统，分布绘制电枢磁场分布，气隙磁场分布等图，对比分析得出同步电机磁场分布以及电枢反应影响的规律。
探究步骤
1单独给转子绕组通电流进行电磁场计算，画出空载时磁力线分布图和气隙磁场的磁密分布波形；
2单独定子绕组通交轴电流，画出电枢磁场的分布。
同时给转子绕组通电流，观察交轴电枢反应时磁场的扭斜情况，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；
3单独定子绕组通去磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。
同时给转子通电流，画出磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场是否减小，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；
4单独定子绕组通助磁直轴电流，画出电枢磁场的分布。
同时给转子绕组电流，画出电枢磁场的分布，观察直轴电枢反应时磁场的变化，画出磁力线分布图和气隙磁密的分布波形；
5比较上述几种情况下的磁力线分布和气隙磁密分布波形，对照电枢电流情况总结同步电机电枢反应规律。
6根据上述结果，分析当发电机负载为阻感性负载时，电枢反应情况.并自己设定电枢电流数值，计算此种情况下的气隙合成磁场分布，画出磁力线图，气隙磁密分布图，比较计算结果与理论分析结果是否相符。
四．仿真结果
交轴电流，去磁直轴电流，助磁直轴电流三种情况下，在所建模型中每相电流的数值如下：（取转子电流1000A定子最大200A）
I A I B I C
交轴100 -200 100 直轴去磁173 0 -173
直轴助磁-173 0 173
1.单独给转子绕组通电流
空载时磁力线分布图如下
空载时气隙磁密分布波形如下：
仅通交轴电流时，电枢磁场分布如下：
给予转子绕组电流后，磁力线分布如下：
气息磁场磁密分布：
3.去磁直轴
单独通去磁直轴电流时，电枢磁场分布如下：
通入转子电流之后，磁通分布如下：
磁力线分布图如下：
气隙磁密波形图如下
4.助磁直流
单独通助磁直流电流，电枢磁场分布如下
通入电枢电流之后，电枢磁场如下
磁力线分布如下：
气隙磁密波形图如下：
5.阻感性负载
设定三相电流分别为：A I A 5275cos 200=⨯=。
A
I B 5.155)45cos(220=-⨯=。
A I C 212)165cos(220-=-⨯=
用Maxwell 作图，得出电枢反应前后的电枢磁场如下：
磁场磁力线分布图如下：
气息磁场分布波形如下：
1.定子通交轴电流，直轴助磁电流，直轴去磁电流对比：
（1）合成磁场：通入交轴电流时，合成磁场net B 相对于仅通转子电流时有一定的偏移，而直轴助磁与直轴去磁合成磁场方向均没有变化。
如上图也可以看出，定子磁场最大值如下表。
单独通转子电流 定子通交轴电流 定子通直流助磁 定子通直流去磁 31095.3-⨯ 31095.3-⨯ 31051.3-⨯ 31039.4-⨯ 由以上可以看出，定子通入交轴电流时，合成磁场大小基本上不变；通入直流助磁时，合成磁场变大；通入直流去磁时，合成磁场变大。
原因分析：作出三种情况下的磁场示意图如下。
net B R B net B R B
R B net B S B S B S B
交轴电流 直流助磁电流 直轴去磁电流 如上图中，当定子中通入交轴电流时，定子磁场的方向与转子磁场成90度角；当定子中通入直轴助磁电流时，合成磁场大小相对于转子磁场有所增大，但是方向没有变化；当定子通入直流去磁电流时，合成磁场大小相对于转子磁场略有减小，但是方向保持不变。
（2）气隙磁密分布：观察以上各个气隙磁密分布图可以看出，与空载时气隙磁密分布相对比，当定子通入交轴电流时，波峰值基本上保持不变；当定子通入直流助磁电流时，波峰值变大；当定子中通入直流去磁电流时，波峰值下降。
整体上，波形基本保持不变。
（3）电枢反应规律：电枢磁势的存在，将使气隙磁场的大小和位置
发生变化，我们把这一现象称为电枢反应。
由于电枢反应的影响，电机内部的合成磁场以及气隙磁密都会受到影响。
当定子磁场跟转子磁
场成夹角为θ，若o 90±=θ时，电流为交轴电流，合成磁场相对于
原来的转子磁场方向有所偏移但是大小基本上保持不变，同时气隙磁场基本上保持不变。
当o 0=θ时，定子电流为直轴助磁，合成磁场相对方向保持不变但是大小变大，与此同时气隙磁场也变大。
当
o 180=θ时，定子电流为直轴去磁，合成磁场相对方向保持不变但是大小变小，与此同时气隙磁场变小。
当o o 18090〈〈θ，定子磁场与转子磁场形成的合成磁场也相对有所偏移，大小相对于转子磁场会有明显的变小，气隙磁场也相对变小。
2.电机加阻感性负载时
设定三相电流分别为：
A I A 5275cos 200=⨯=。
A
I B 5.155)45cos(220=-⨯=。
A I C 212)165cos(220-=-⨯=
合成磁场net B 的方向应该为斜向右偏离一定角度，大小变小，因此磁力线分布图应该是以上各个情况的图形顺时针旋转一定角度之后图形，同时，气隙磁密的波形峰值变小。
分析:当同步电机接阻感性负载时，定子电流滞后于电压一定角度，定子磁场与转子磁场成90-180之间的夹角。
根据本次仿真的电流取值，合成磁场的方向应该向又偏离一定角度。
同时，由下图可以看出
来，合成磁场的大小相对于转子磁场变小，与仿真结果一致。
R B n e t
B S B
六．心得体会
通过本次maxwell 仿真过程，主要有以下两方面的收获：对软件的使用以及对同步电机电枢反应的理解。
首先，本次同步电机的仿真过程，与以往进行电磁场仿真有较大的不同，由于上学期有电磁场仿真的基础，软件仿真的过程没有出现大的问题，但是同步电机的仿真过程需要更为细化的操作以及对软件更为深刻的理解。
在设定边界条件，以及最终作气隙磁密波形图时，也学习到了新的操作技巧。
通过本次电磁场仿真，也进一步熟悉了maxwell 软件的使用。
其次是对同步电机的理解，在设定各种情况下定子三相电流数值时，需要考虑定子形成磁场的方向，同时需要考虑三相电流的相序，这就需要对着两方面的知识有较为深入的了解，于是，在设定这些数值的时候，我又将这些知识重新学习了一次，也就在学习与计算的过程中，对同步电机的电枢反应有了完全不同层次的理解。
在看到仿真结果之后，特别是在与分析结果对比之后，更是对自己的分析有了实实在在的认识。
从此次研究性学习的过程中，既对软件有了更深层次的理解，也
对课本知识有了更为深入的认识，同时也学会了运用maxwell软件对电机知识中的难点与重点进行形象化的理解，相信对以后的学习会有相当大的帮助。
