摘要： 同步发电机由定子和转子两部分组成，转子分为显极式和隐极式两种类型。本文阐述同步发电机空载运行时的励磁磁场分布、空载特性曲线及电压波形畸变率等性能指标，详细分析负载运行时电枢反应的形成机理及其对气隙合成磁场的影响，重点讨论交轴、直轴电枢反应及去磁、加磁三种不同情况下的磁场变化规律，为理解同步发电机的电磁关系奠定基础。
一、空载运行
同步发电机被柴油机拖动到同步转速，转子励磁而定子绕组开路或电流为零时称为空载运行。此时电机气隙中只有励磁电流If所生的励磁磁动势Ff建立的励磁磁场。
1. 空载励磁磁场的分布
（1）磁通的分流与路径。图1为一台凸极同步发电机空载运行时励磁磁场分布的示意图。图中，励磁磁通分成主磁通Φ和主极漏磁通Φfσ两部分。主磁通Φ通过气隙并与定、转子绕组交链，是参与机电能量转换的有效磁通；主极漏磁通Φfσ不通过气隙，仅与励磁绕组交链，并不参与定、转子间的机电能量转换过程。
（2）气隙磁密的分布规律。主磁通Φ的磁密波形沿气隙圆周近似作正弦分布。凸极同步电机通常选用极弧系数为0.68～0.72，气隙比值为1.3～1.8（气隙比值指极弧中心气隙长度与极尖处气隙长度之比），以保证磁密波形接近正弦且电机具有较好的经济性。
（3）漏磁通的比例与影响。所有谐波磁通均被归属为漏磁通。凸极电机主极漏磁通占主极磁通的10%～20%，漏磁通虽然不参与能量转换，但会影响励磁绕组的电感参数和电机的短路特性。
图1 凸极式发电机的空载磁场示意
2. 空载感应电动势及其频率
（1）电动势的产生原理。图2是同步发电机空载实验的接线图。空载时，电机中只有由直流励磁电流产生的磁极磁场。磁极由原动机驱动，转速为n，磁极磁场在空间旋转。设磁极磁场的磁感应强度B沿空气隙是接近于按正弦规律分布的，因此，当磁极旋转时，经过每相电枢绕组的磁通也是随时间按正弦规律分布的。通过每相绕组的磁通最大值在数值上等于磁极磁通Φo（每极的）。
（2）电动势的计算公式。因为通过每相绕组的磁通是正弦量，于是就在电枢绕组中感应出对称的三相正弦电动势：
每相电动势的有效值Eo＝4.44f kW Φo，各相电动势大小相等，相位相差120°，电动势的频率f＝pn/60。式中，p为磁极对数，n为转子转速（r/min），kW为绕组因数（由分布因数和短距因数的乘积决定）。
3. 空载特性曲线与工作点选择
（1）空载特性的定义。图3所示的是同步发电机的空载特性曲线Eo＝f(If)，它表示了当原动机转速为额定值nN时，空载电动势Eo与励磁电流If的关系。因为Eo与Φo成正比，而Φo与If的关系是磁化曲线的关系，所以Eo与If也具有磁化曲线的关系（先线性上升，随后趋于饱和）。
（2）额定工作点的设置原则。发电机的额定空载电动势EoN和额定励磁电流IfN一般设置在特性曲线的拐弯部分，即磁路的半饱和工作点N。这样设置的好处是：一方面保证发电机有一定的电压调节裕量，另一方面避免磁路过度饱和导致励磁电流过大、铁耗增加。
（3）剩磁电动势及其重要性。曲线中的If＝0时，Eo＝Er，称为剩磁电动势。它是由磁极剩磁通产生的。对于自励发电机，剩磁电动势是很重要的——如果没有剩磁，发电机就不能建立电压（自励过程需要利用剩磁电动势建立初始电流，再由电流增强磁场，形成正反馈）。如果剩磁消失，需对励磁绕组通入直流电进行充磁。
图2 同步发电机的空载实验接线图
图3 发电机的空载特性曲线
4. 空载时空相量关系
图4为同步电机空载时的时空相量图。与异步电机一样，图中磁通Φ、电动势E各时间相量均为综合相量，各代表一组对称的三相相量。E在时间上滞后Φ90°电角度；忽略磁滞效应，励磁磁动势Ff和由它产生的气隙磁密基波Bf同相位，以同步角速度ω1＝2πf旋转。各相的时轴都重叠在其相轴上，在时空相量图上，Φ与Ff同相位。
图4 发电机空载矢量图
5. 电压波形质量指标
（1）电压波形畸变的成因。实际发电机中，由于气隙磁密波形不可能为理想正弦，定子绕组实际线电动势（空载线电压）波形与正弦波形总有一定的偏差。
（2）电压波形正弦性畸变率。偏差程度一般用电压波形正弦性畸变率（简称电压波形畸变率）来表示。电压波形正弦性畸变率ku即该电压波形中不包括基波在内的所有各次谐波幅值平方和的平方根值与该波形基波分量的幅值的百分比。
（3）电话谐波因数。为了衡量电压波形中各次谐波对电讯线路的干扰，规定了电话谐波因数THF：
式中：U为线电压的有效值；Un为线电压中n次谐波的有效值；λn为谐波的权衡系数（通常按通信干扰的权重取值，λn随频率升高而增大）。权衡系数反映了不同频率的谐波对电话线路干扰程度的差异，频率越高的谐波干扰越大。
（4）标准限值要求。对于额定容量在300kVA以上者，要求ku＜5%，THF%＜1.5%。这两项指标是考核同步发电机空载电压质量的重要依据，也是电机设计中优化绕组分布和气隙形状的主要目标。
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图1 凸极式发电机的空载磁场示意 |
图2 同步发电机的空载实验接线图 |
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图3 发电机的空载特性曲线 |
图4 发电机空载矢量图 |
二、电枢反应
1. 什么是电枢反应
当发电机三相绕组接有三相对称负载时，在三相对称电动势作用下，三相电枢绕组中便流动着三相对称电流。三相对称电流流经三相对称绕组也会产生旋转磁场，其转速为n0＝60f/p。由此可见，n＝n0，即转子磁极磁场的转速n与电枢旋转磁场的转速n0相等，故称同步电机。
磁极磁场（每极磁通为Φo）与电枢磁场（每极磁通为Φa）既然转速相等，转向相同，所以两者是相对静止的。因此有负载时，同步发电机的旋转磁场实际上可认为是由它们合成的结果。合成磁场的轴线及其每极磁通Φ的大小，与磁极磁场相比，都有所不同。这种电枢磁场对磁极磁场的影响，称为电枢反应。电枢反应的程度与发电机所接负载的性质有关。
2. 负载运行时的电枢反应
同步发电机空载运行时，气隙中只存在励磁磁动势产生的机械旋转磁场。定子绕组中只感应有空载电势E，此时端电压U＝E。当电枢绕组接上三相对称负载后，电枢绕组和负载一起构成闭合通路，通路中流过的是三相对称的交流电流。当三相对称电流流过三相对称绕组时，将会形成一个以同步速度旋转的电枢磁动势。它的存在使气隙磁势的分布发生变化，从而使气隙磁场以及绕组中的感应电势发生变化。这种现象与直流电机带负载后的情况基本相同，即电枢电流产生的磁场对主极磁场产生影响，故仍称之为电枢反应。但与直流电机的电枢反应不同的是，在直流电机中，两个磁场都是静止的，而同步电机中两个磁场只是保持相对静止，本身都是旋转的，并且强调的是两个基波磁场之间的相互作用。
根据前面的旋转电机理论可以知道，在对称负载时电枢磁动势的基波分量Fa是一个与转子同方向同转速的圆形旋转磁动势，它与基波励磁磁动势Ff彼此在空间相对静止。Ff和Fa之间的相对位置与励磁电动势E与电枢电流I之间的相角差ψ有关，ψ角在同步电机中定义为内功率因数角，ψ＝0时，I与E同相；ψ＞0时，电流I滞后E；ψ＜0时，电流I超前E。下面先讨论ψ角对电枢反应的影响（助磁、去磁或交磁）。暂时只考虑隐极式同步电机，并只考虑磁路不饱和的情况。
理论上讲，ψ角可以是任意角度。图5表示一台同步发电机的剖面图，图中转子磁极的轴线定义为直轴，用d表示，将与直轴正交的方向定义为交轴，用q表示。AX、BY、CZ分别为定子等效三相集中绕组，各相时间参考轴与各相相轴重合，A相绕组的轴线作为空间相量的参考轴，图示瞬间，q轴与A相相轴重合。根据交流绕组磁动势分析结论，Ff和Φ与d轴重合，E在q轴上，Fa与I重合。
参照图6，可以将Fa分解成交轴Faq和直轴Fad两个分量，即：
幅值形式为：
也可将每相电流都分解为Id和Iq两分量，即：
式中，Id＝Isinψ；Iq＝Icosψ。
其中Iq与所属相的E同相位，三相Iq系统合成交轴电枢磁势Faq，称为I的交轴分量；Id滞后所属相E90°，三相Id系统合成直轴电枢磁势Fad，称为I的直轴分量。
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图5 同步发电机负载时的电枢反应 |
图6 发电机交直轴电枢磁动势作用 |
3. 电枢反应的三种情况
（1）I与Eo同相位的情况。磁极磁通Φo的轴线方向与电枢磁通Φa的轴线方向在空间是正交的，这种称为交轴电枢反应。在磁极的前半边，Φa与Φo的方向相反，磁场被削弱了；在磁极的后半边，磁场被加强了。交轴电枢反应使气隙合成磁场的轴线发生偏移（偏向转子旋转方向的前方），但不改变每极磁通的大小。这种现象与直流电机的交轴电枢反应类似，影响的是磁场分布而非幅值。
（2）I比Eo滞后90°的情况。Φa与Φo两轴线方向相反，使合成磁场的磁通减小。这种情况的反应称为去磁电枢反应。去磁电枢反应会降低发电机的端电压，使外特性下降，需要增大励磁电流来补偿。电感性负载（如电动机、变压器）会产生去磁效应，这也是同步发电机带感性负载时端电压下降的主要原因。
（3）I比Eo超前90°的情况。Φa与Φo两轴线方向相同，使合成磁场的磁通Φ增加。这种情况的反应称为加磁电枢反应。加磁电枢反应会升高发电机的端电压，常见于接电容性负载（如空载长输电线路、补偿电容器组）时。
在一般情况下，I与Eo的相位差介于0和90°之间。如果发电机接电感性负载（多数情况是这样），则I比Eo滞后。这时可将电流相量I分解成两个分量：与Eo同相的分量Iq，产生交轴电枢反应（如图7（a）所示）；滞后于Eo90°的分量Id，产生去磁电枢反应。图7（b）示出了Φo、Φa和Φ的轴线方向，可见合成磁通Φ的轴线逆着转子旋转方向比磁极磁通Φo滞后了一个角度θ，而且电枢电流I越大，θ也越大。如果是电容性负载，则与上相反——电流超前电动势，产生加磁电枢反应，合成磁通的轴线顺着转子旋转方向偏移，同时磁通幅值增大。
图7 发电机接电感性负载的电枢反应
三、同步发电机的电压调整率与励磁调节
1. 电压调整率的概念
（1）定义。同步发电机的电压调整率是指从额定负载（通常为额定电流、额定功率因数）突然卸去全部负载，而转速和励磁电流保持不变时，端电压的升高值与额定电压之比：
式中，U0为空载端电压，UN为额定负载时的端电压。
（2）电压调整率的物理意义。电压调整率反映了发电机端电压随负载变化的程度，是衡量发电机输出电压稳定性的重要指标。电枢反应去磁效应越强，电压调整率越大。一般同步发电机的电压调整率在20%～40%之间（具体值与功率因数和电机设计有关）。
2. 影响电压调整率的主要因素
（1）负载功率因数。感性负载（功率因数滞后）时，电枢反应兼有去磁和交轴两种作用，端电压下降最显著，电压调整率最大。阻性负载（功率因数＝1）时，仅有交轴电枢反应，电压调整率中等。容性负载（功率因数超前）时，电枢反应兼有加磁和交轴两种作用，端电压可能不降反升，电压调整率较小甚至为负值。
（2）励磁电流的调节作用。增大励磁电流可以抵消去磁电枢反应的影响，维持端电压恒定。因此，同步发电机通常配备自动电压调节器（AVR），根据负载变化自动调整励磁电流，将端电压保持在额定值附近。AVR的调节范围和响应速度直接决定了发电机的动态电压性能。
（3）电机磁路饱和程度。磁路饱和时，励磁电流变化对磁通的影响减弱，因此电压调整率在饱和区域有所减小，但铁耗增加。额定工作点通常设置在磁化曲线的拐弯处，以兼顾电压调节裕度和经济性。
3. 电枢反应与励磁调节的关系
（1）感性负载时。感性负载电流产生去磁电枢反应，使气隙磁通减小，端电压下降。AVR检测到电压下降后，自动增大励磁电流，补偿磁通损失，使端电压回升至额定值。AVR的动态响应时间通常在20～100ms范围内。
（2）容性负载时。容性负载电流产生加磁电枢反应，使气隙磁通增大，端电压上升。AVR自动减小励磁电流，防止端电压过高损坏设备或绝缘。
（3）突加突卸负载时的暂态过程。突加负载时，由于AVR调节需要时间，端电压会经历一个短暂的跌落过程；突卸负载时，端电压会经历一个短暂的上升过程。暂态电压偏差和恢复时间是衡量发电机动态性能的重要指标，标准要求电压恢复时间通常不超过3～5秒。
总结： 同步发电机空载运行时，励磁磁场在气隙中近似正弦分布，空载特性曲线反映了磁路的饱和特性，额定工作点通常设置在拐弯处以保证电压稳定性和调节裕度。电压波形畸变率和电话谐波因数用于评价空载电压波形质量。负载运行时，电枢磁动势与励磁磁动势相互作用产生电枢反应，其性质取决于负载的功率因数——纯电阻负载产生交轴电枢反应，使磁场轴线偏移；纯感性负载产生去磁电枢反应，降低端电压；纯容性负载产生加磁电枢反应，升高端电压。一般感性负载兼有交轴和去磁两种电枢反应，导致合成磁场幅值减小且轴线滞后于磁极轴线，由此产生较大的电压调整率。自动电压调节器通过检测端电压变化自动调整励磁电流，补偿电枢反应的影响，维持输出电压稳定。电枢反应的存在是同步发电机电压调整率产生的根本原因，也是励磁调节器发挥作用的物理基础。
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