直流发电机与同步发电机交轴电枢反应的比较研究_程小华

　收稿日期:2003-10-17.

　程小华　男　1963年生;1982年毕业于合肥工业大学电机系电机专业,1994年研究生毕业于华中科技大学电力系电机与控制专业,获博士学位,现任华南理工大学电力学院副教授,硕士生导师。主要从事电机理论、电机设计和电机控制的研究.

直流发电机与同步发电机交轴电枢反应的比较研究

程小华1　徐宏谋

2

　1华南理工大学电力学院,广州(510640)　2

长沙市电子技术研究所,湖南常德(415000)

摘　要　主要解释了现行电机学书籍中关于直流发电机和同步发电机交轴电枢反应的差异。通过引入有效磁通的概念,理清了电机学中每极磁通概念的混乱;通过引入视在磁通的概念,使交轴电枢反应的效应在直流发电机和同步发电机中统一起来,维护了电机学内在的逻辑一致性。

关键词　直流发电机　同步发电机　交轴电枢反应

Comparison Study of the q -Axis Armature Reaction of D .C .Generator and Synchronous Generator

C heng Xiaohua and Xu H ongmou

A bstract This paper explains the difference of the q -axis armature reaction between D .C .generator and synchronous generator in the current book about electrical machine ,the con -cept of flux per pole in electrical machine discipline is understood by introducing of the active

flux ,and the effect of q -axis armature reaction in D .C .generator and synchronous generator is united by introducing of the concept of appar ent flux ,thus the internal logic of electrical ma -chine discipline is c onsistent .

Key words D .C .generator ,synchronous generator ,q -axis armature reaction .

1　引言

传统的中、外电机学教科书或著作

[1,2,3,4,5,6,etc ]

对直流电机和同步电机都是分章论述的。然而,细心的具有归纳倾向的电机学研习者会注意到:

同样是交轴电枢反应,在直流发电机中没有增磁效应,而在同步发电机中却有增磁效应。这是为什么?本文试图对这一问题进行解释(见本文第2节),并通过提出有效磁通和视在磁通两个新概念对这一问题进行与现行电机学书籍不同的全新阐述(见本文第3节)。本文不考虑直轴电枢反应,并不计饱和。

2　交轴电枢反应的差异及其存在的

原因

2.1　交轴电枢反应的差异

直流发电机和同步发电机都有交轴电枢反应。现行的电机学告诉我们,这两个交轴电枢反应对气隙磁场的影响却有差异。直流发电机的交轴电枢反应仅使气隙磁场的波形发生畸变,并不改变每极气隙磁通;而同步发电机的交轴电枢反应在使气隙磁场发生扭斜的同时还使每极气隙磁通增大。

2.2　交轴电枢反应差异存在的原因

2.2.1　直流发电机交轴电枢反应不增磁的原因

1

图1是直流发电机交轴电枢反应的示意图。图中L g 1、L g 2是换向器的几何中心线,电刷就放在其上,L p 1、L p 2是气隙磁场的物理中性线,a 、b 、e 、f 各点所在的直线称为横轴。图中平顶波曲线B ox 是励磁磁场的波形,马鞍状曲线B ax 是交轴电枢反应磁场的波形,偏顶波曲线B δx 是气隙磁场的波形。气隙磁场是励磁磁势和交轴电枢反应磁场的合成磁场,相应地偏顶波曲线B δx 是平顶波曲线B ox 与马鞍状曲线B ax 的合成曲线

。

图1　直流发电机的交轴电枢反应

由图1可见,电机空载时,气隙磁场仅由励磁磁场构成,气隙磁密为零的点位于电刷的中心,换

句话说,气隙磁密的物理中性线与换向器上的几何中心线重合。电机负载时,气隙磁场由励磁磁场和交轴电枢反应磁场共同构成,此时气隙磁密为零的点偏离了电刷的中心,顺着转子的旋转方向沿电枢表面移动了α角,也就是说,气隙磁密的物理中性线与换向器上的几何中心线位移了α角。

由图1可见,在L g 1、L g 2之间,偏顶波与横轴所围的面积等于平顶波与横轴所围的面积。

仔细观察图1可见,计算电机支路电势所用的“每极磁通”在负载和空载时之所以相等,是因为无论空载、负载,“每极”的范围都是在几何中心线L g 1、L g 2之间。尽管事实上负载时气隙磁场的N 极范围已由L g 1、L g 2之间向左移到了L p 1、L p 2之间。从另一方面讲,在直流发电机中,气隙磁场不动,伪静止的电枢导体扫过气隙磁场。电机负载后,幅值增大了的气隙磁场不再与支路绕组范围(即L g 1、L g 2之间的范围,它为电刷所固定)相重合,因为负载时二者相移了α角。这就是直流发电机交轴电枢反应不具有增磁(准确地讲是增电势)的原因。

2.2.2　同步发电机交轴电枢反应增磁的原因

图2是同步发电机(以凸极同步发电机为例)交轴电枢反应的示意图。F f 1是励磁磁场的基波,F α是电枢反应磁势的基波,F δ是气隙磁势的基波。由于F f 1、F α都是空间矢量,故用平行四边形法则求得其合成矢量为F α。显然,电机负载时的气隙磁势F δ比空载时的气隙磁势F f 1要大。电机负载时按双反应理论分别求得直轴上的励磁磁密和交轴上的电枢反应磁密,然后合成可得气隙磁密。

同步发电机中每相的电枢导体在空间固定不动,气隙磁场扫过电枢导体,故每相绕组的每极磁通是变化的,而每相绕组的每极磁通的幅值(这个幅值在气隙磁场之轴线与该相绕组之轴线重合时

达到)与气隙磁场的幅值成正比。所以当气隙磁势增大从而气隙磁密也增大后,气隙磁场对每相绕组的每极磁通也就增大了。

图2　交流发电机的交轴电枢反应

3　直流电机中视在磁通、有效磁通

和磁通因数的概念

3.1　直流发电机和同步发电机气隙磁场波形的比较

如果仅考虑负载时气隙磁密的波形而不考虑它感生电势的效应,那么可以想见,直流发电机和同步发电机是一致的。也就是说,将图1中的偏顶波进行谐波分析并取其基波,又将图1中的平顶波进行谐波分析并取其基波,显然将有偏顶波的基波幅值大于平顶波的基波幅值。

由图1可见,如果按物理中性线L p 1、L p 2所界

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