下载文档原格式
若把电流也分解成和两个分量，则I &d I &q I &ψψcos sin I I I I I I I q d qd ==+=式中：&&&交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜，而直轴电枢反应磁动势对励磁磁动势起去磁作用，使气隙磁场减小。
－90o<ψ<0o 时，交轴电枢反应磁动势使气隙磁场扭斜，而直轴电枢反应磁动势对励磁磁动势起加磁作用，使气隙磁场加强。
结论：只有交轴电枢反应的存在，才能实现机械能与电能之间的转换，而直轴电枢反应的存在，将只引起气隙磁场的变化，进而引起电机端电压的变化。
交轴电枢反应，扭斜气隙磁场（交磁），实现机电能量转换的必要条件；直轴电枢反应，加磁或去磁，只引起气隙磁场的变化，进而引起电机端电压的变化。
电枢反应电抗：由于电枢反应电动势E a 正比于电枢反应磁通Φa ( E a ＝4.44 f w k w1Φa )。
不考虑饱和及定子铁耗时，电枢反应磁通Φa 又正比于电枢磁动势、电流，即IF E a a a ∝∝Φ∝IE a ∝于是在时间相位上，落后于以相角，而与同相，所以落后于以相角，因此可写成负的电抗压降的形式，即a E &a Φ&o 90I &I &o90aa x I j E &&−=aΦ&a E &aE &电枢反应电抗的物理意义：虽然、和都是某一相的物理量，但应理解为三相对称电流系统联合产生的电枢反应磁场所感应于一相中的电动势与相电流的比值，因此它实际上综合反映了三相对称电枢电流所产生的电枢反应磁场对于一相的影响，是一个等效电抗。
a E &I &a x a x漏电抗：漏磁电动势也可写成负的漏抗压降的形式，即σE &σσx I j E &&−=式中：为与漏磁通相对应的漏电抗。
σx不考虑饱和时隐极同步发电机的电动势方程式可写为：称为同步电机的同步电抗。
第十章同步发电机的基本电磁关系§10-1同步电机概述同步电机也是一种交流电机。
它可分为同步发电机、同步电动机和同步补偿机。
发电厂发出的三相正弦交流电，都是用三相同步发电机产生的。
同步电动机，可以改善电网功率因数；同步调相机，可以作为电网无功率调节手段。
一、同步电机的基本结构同步电机是由定子、转子两大部分组成的，定子也称电枢。
它和异步电机的定子在构造上是一致的，即定子由硅钢片叠装而成，上面开有槽，槽中放置绕组。
关于绕组刚刚讲过这里我们就不再必赘述。
同步电机的转子按照磁极的形状可分为凸极式，隐极式两类。
a）b）图10-1 同步电机结构图a）凸极式b）隐极式凸极式同步电机转子有明显突出的磁极，直流励磁，产生磁场，水轮发电机由水轮带动转速低，转子为凸极式。
隐极式同步电机从外形上看没有凸出的磁极，沿着转子的圆周上有齿和槽，励磁绕组分布开，它的转速高。
汽轮发电机由于转速高，为了加强机械强度和很好的固定励磁绕组，一般的都做成隐极式的。
n f（电枢电流的）和转子极对数p之间有严格不同步电机的特点，即转子转速、电动势频率变的关系：60f=（10-1）np例如：当f=50Hz时，n如果p=1，则=3000r/min；n如果p=2，则=1500r/min。
二、同步电机的额定值1． 额定电压U N 指额定运行时电机定子三相绕组上的线电压，单位为伏（V ）或千伏（kV ）。
2． 额定电流N I指电机在额定运行时，流过定子绕组的线电流，单位为安（A ）。
3． 额定功率N P电机的输出功率，同步发电机指输出的额定有功功率cos N N N P I N ϕ= （10-2）同步电动机指输出的机械功率cos NN N N P I N ϕη= （10-3）同步调相机指出线端的无功功率（Kvar ）。
§10-2 同步发电机的空载运行同步发电机被原动机拖到同步转速，转子绕组通入直流励磁电流而电枢绕组(定子)绕组开路，这种运行状态称为空载运行或无载运行（no-laod operation ）。
此时，电枢电流为零，电枢气隙中只有转子励磁电流f i 产生的磁动势f F 和磁场，称为励磁磁动势(excitation m.m.f )和励磁磁场(excitation field )。
图10-2表示一台凸极发电机的空载磁路，图中0Φ表示既链过转子，又通过气隙fE N U 0f f δ图10-2 同步发电机的空载磁路 图10-3 同步发电机的空载特性（磁化曲线）并与电枢绕组交链的磁通，称为主磁通，它就是空载时的气隙磁通，或称励磁磁通。
f σΦ表示只交链励磁绕组的主极漏磁通，它不参与电机的机电能量转换过程。
当原动机拖动转子以同步速旋转时，则主磁通0Φ将在气隙内形成一个旋转磁场。
若定子绕组是对称的，则主磁通切割电枢绕组感应出频率为f的三相对称电动势。
不计谐波时，三相励磁电动势为：0000000101202404.44A B C N E E E E E E E fNk =∠=∠−=∠−=Φ&&&0（10-4）这样，改变i 就可得到不同Φ和f00E ，曲线0()f Ef i =表示在同步转速下，空载电动势和励磁电流之间的关系，称为发电机的空载特性。
如图（10-3）所示。
由于，0E fi0E∝Φf f i F ∝，所以空载曲线实质上就反映了电机的磁化曲线。
当主磁通较小时，整个磁路处于不饱和状态，绝大部分磁动势消耗于气隙（即铁心所消耗的磁压降略去不计），所以空载特性的下部是一条直线。
与空成曲线下部相切的线OG ，称为气隙线。
随着0Φ0Φ的增大，铁心逐渐饱和（铁心所消耗的磁压降不能忽略不计）逐渐变弯。
空成特性是同步发电机的基本特性之一。
线段ab 表示消耗于铁心部分的磁动势；线段bc 表示消耗于气隙部分的磁动势。
一般设计的电机，空载电动势等于额定电压的一点在曲线转弯处，电机的饱和因数为：f f i ac k i ab µδ==（10-5）对普通电机的k µ值一般在左右。
1.1 1.25k µ= §10-3 三相同步发电机的电枢反应同步发电机空载时电机中只有一个同步旋转的励磁磁动势，带上负载以后，由于电枢绕组有电流通过，就出现第二个磁动势——电枢磁动势。
或者说定子三相绕组中将通过对称三相电流，产生电枢磁动势，这是在同步发电机的气隙中同时作用着两个磁场。
这种定子绕组中产生的电枢磁动势的基波对主极磁场基波的影响，就称为电枢反应。
因此，电枢磁动势又称为电枢反应磁动势。
同步发电机的气隙中同时作用着两个磁场，这两个磁势以相同的转速，相同的转向旋转着，彼此在空间保持相对静止。
实际上，定、转子磁动势相对静止是一切电磁感应型旋转电机能够正常运行的基本条件。
分析电枢反应时采用时间相量和空间矢量统一图，这种图简称为“时空相矢图”。
一．时空相矢图 1．空间矢量凡是沿空间按正弦分布的量都可表示为空间矢量。
基波励磁磁动势1f F 及磁密0B 为一空间矢量，该矢量位于转子的极轴线上，方向为N 极指向，以同步速旋转，如图10-4所示。
I &（a ） （b ）图10-4 励磁磁动势空间矢量 图10-5 电枢磁动势空间矢量电枢磁动势a F 也为空间矢量（1F ），它的位置这样确定，当某相电流达到最大时，电枢磁动势aF 刚好转到该相绕组的轴线上。
它的指向与绕线中的电流方向符合右手螺旋定则，而且转向与转子的一致，也是以同步速旋转，如图10-5所示。
图中A 相电流最大，所以a F 刚好转到A 相轴线上。
（电流的规定正方向仍由末端流向首端）。
2．时间相量凡是随时间按正弦规律变化的量都是时间相量，同主电机的电动势、电流等都是相间相量。
空间矢量1f F 和a F 都是指整个电机的量，没有三相之分，而时间相量却有三相之分。
一般仅画A 相，而且在相量符号中不再加注脚A ，其它相量可根据互差120°画出来。
A+ψE &t+I &（a ） （b ） 图10-6 空载电动势相位的确定同步电动机的空载电动势（励磁电动势）0E &是时间相量，它的相位由转子位置决定。
如转子处于图10-4位置，当电动势正方向与电流正方向一致时，A 相感应电动势为正的最大，所以0E &位于时间轴线上。
如图10-6（b ）所示。
电动势相量的角频率与转子旋转的角速度都是ω。
电枢电流也是时间相量，它的相位决定于电机内部分阻抗和负载的性质，电机内部阻抗和负载的性质决定了电枢电流和空载电动势之间的相位差I&ψ，ψ——称为内功率因数角。
如图10-6（b ）所示。
3．时空相矢图由于空间矢量和时间相量旋转的角速度都是ω，为了分析上的方便，把空间轴线+A 与时间轴线+t重合在一起，把空间矢量和时间相量画在一张图里，这种图就是时空相矢图。
例如转子位置如图10-7（a ）所示，此时1f F 在+A 轴前900，根据eb lv δ=可知，该瞬间A 相电动势最大，所以0E &()I &B1f 0aF（1）在时空相矢图上0E &总是落后于1f F 以90°； （a ） （b ） （c ）图10-7 时空相矢图的画法与+t 轴重合。
设电枢电流落后于I &0E &以ψ角，根据某相电流最大时，aF 刚好转到该相绕组的轴线上，可知a F 应落后于+A 轴ψ角。
因为当电流转过ψ角达到最大，此时a F 也转过ψ角与+A 轴重合，即得时空相矢图，如图10-7（c ）所示。
综合以上所述得出结论如下：（2）a F 总是与重合； I&（3）0E &与之间的相位差I &ψ随着负载的性质不同而改变，而a F 与1f F 之间相对位置完全取决于ψ角（它们之间的空间相位差为90o+ψ角），所以电枢反应的性质是由ψ角决定的。
即由负载的性质决定的。
二、不同ψ角时的电枢反应1．与I &0E &同相位(Ψ=00)时的电枢反应 如图10-8所示，1fF 超前+A 轴为900电角度，A 相电势0E &落后1f F 900电角度，A 相电流与I &0E &重合，和矢量相加得到合成磁动势：1f a F F F δ=+ （10-6）E &I&1f aF 0（a ） （b ）图10-8 ψ=0o 时的电枢反应结论：当时间+j 轴与空间参考轴都取同一相的量时，点枢电流将与I &aF 电枢磁动势重合。
电枢反应磁动势a F 落后励磁磁动势1f F 900空间电角度，a F 正好位于交轴上，所以这种情况称为交轴电枢反应，a F 称为交轴反应磁动势，图10-8（b ）表示了a F 、1f F 以及F δ的波形和相对位置。
由图10-8可以看出交轴电枢反应的作用：（1）对于主磁场而言，交轴电枢反应磁动势在前极端（顺转向看，极靴的前部）起去磁作用，在后极端起加磁作用，使合成磁动势F δ较1f F 扭斜了θ′角。
（2）只有具有交轴反应，定子合成磁动势和主磁极之间才会形成一定的θ′角，从而才能实现机、电能量转换，所以交轴电枢反应是实现机、电能量转换的必要条件。
2．落后I &0E &以900(Ψ=900)时的电枢反应 图10-9（a ）表示了这种情况的时空相矢图。
图10-9（b ）表示了1f F 、a F 以及合成磁动势F δ的波形和相对位置。
此时由于落后于I &0E &以900，A 相电流要等t ω再经过900以后才能达到最大，所以在所研发的瞬间，电枢反应磁动势应位于图10-9（b ）中所示的位置，该位置恰好满足当A 相电流相量转过900达到最大时，电枢磁动势波幅刚好转过900达到A 相绕组轴线上。
由图可知，电枢反应磁动势的波幅恰好和磁极轴线重合，所以这种电枢反应称为直轴电枢反应，a F 也称为直轴电枢反应磁动势。
ψ+t .+AE &I &1f F aF F δaF（a ） （b ）图10-9 ψ=900时的电枢反应由图可以看出ψ=900时的直轴电枢反应的作用： （1）对主磁场起去磁作用，使气隙合成磁动势减小；（2）由于合成磁动势没有扭曲现象（θ′=0o ），可以不产生切向力，所以也不产生电磁转矩，因而不能进行机电能量转换。
3．超前于I &0E &以90o(ψ=-900)时的电枢反应 如图10-10所示，表示了这种情况的时空相矢图和表示了1f F 、a F 以及合成磁动势F δ的波形及相对位置。
ψ+t .+A 0E&I&1f F F δa F（a ） （b ） 图10-10 ψ=-900的电枢反应a F 与1f F 同相位，对1f F 起助磁作用，也称为直轴电枢反应磁动势，使得气隙合成磁场增强；合成磁动势也没有扭斜现象，所以也不会产生电磁转矩，也不能进行机电能量转换。
