摘要： 三相同步发电机的电枢绕组为三相对称绕组，感应的电势为三相对称电势，在对称负载下稳定运行是其主要运行方式。发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行，此时定子三相绕组只有励磁电流感生出的空载电动势，其大小随励磁电流的增大而增加。由于磁路铁心有饱和现象，两者不成正比，反映空载电动势与励磁电流关系的曲线称为同步发电机空载特性。本文围绕空载磁场、空载特性以及对空载电势的要求三个方面进行系统论述，分析主磁通与漏磁通的分布规律、空载特性的形状与饱和系数、标幺值标准空载特性，以及电压波形正弦性畸变率和三相对称性要求，为同步发电机的设计、试验和运行提供参考。
一、空载磁场
1. 空载运行的基本概念
（1）空载运行的定义
同步发电机被柴油机拖动到同步转速，转子的励磁绕组通以直流电流，而定子绕组开路时的运行称为空载运行。空载运行是同步发电机最基本的运行状态之一，是分析发电机电磁关系和确定空载特性的基础。
（2）空载磁场的特点
此时发电机气隙中唯一存在的磁场就是由直流励磁电流产生的励磁磁场，因为同步发电机处于空载状态，所以又称为空载磁场或主磁场。空载磁场仅由励磁电流产生，与电枢电流无关。
（3）空载运行的意义
空载运行是同步发电机试验的重要内容，通过空载试验可以测定发电机的空载特性曲线，检验励磁系统的工作情况，判断电枢绕组连接是否正确，为发电机的运行和维护提供依据。
2. 主磁通与漏磁通
（1）主磁通
空载磁场分布如图1所示，图1中既交链转子又交链定子的磁通称为主磁通，即空载时的气隙磁通，它的磁密波是沿气隙圆周空间分布的近似正弦波形。忽略高次谐波分量，主磁通基波每极磁通量用Φ0表示。
（2）主极漏磁通
励磁电流建立的磁通还有一小部分仅交链励磁绕组本身，而不穿过气隙与定子绕组交链，称其为主极漏磁通，用Φf0表示，它不参与同步发电机的机电能量转换。漏磁通的存在增加了励磁绕组的漏抗，但不影响发电机的输出电压。
（3）主磁通与漏磁通的比较
主磁通所经路径称为主磁路。它由主极铁芯（转子N极）→气隙→电枢（定子）齿→电枢磁轭→电枢齿→气隙→另一主极铁芯（转子S极）→转子磁轭，形成闭合磁路。漏磁通的路径主要由空气和非磁性材料等组成，两者相比，主磁路的磁阻要小得多，所以在磁极磁势的作用下，主磁通远大于漏磁通。电枢工作过程如图2所示。
3. 空载磁场的分布
（1）磁场分布的波形
空载磁场的磁密波沿气隙圆周空间分布，近似为正弦波形。由于磁极形状和气息分布的影响，实际磁密波形中可能含有高次谐波分量。忽略高次谐波，主磁通基波每极磁通量为Φ0。
（2）凸极式发电机的磁场分布
凸极式发电机的磁极突出于转子表面，气隙不均匀，磁密波形与隐极式发电机有所不同。凸极式发电机通常用于水轮发电机和柴油发电机。
（3）隐极式发电机的磁场分布
隐极式同步发电机的转子为圆柱形，气隙均匀，磁密波形更接近正弦波。隐极式发电机通常用于汽轮发电机。
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图1 凸极式同步发电机的空载磁场分布 |
图2 发电机电枢线圈工作原理 |
二、空载特性
1. 感应电势的计算
（1）感应电势的有效值
在柴油机驱动下，转子以同步速度n1旋转，主磁通切割定子绕组，感应出频率为f的三相基波电势，感应电势的有效值为：
式中，E0为基波电势，V；f为感应电势的频率，Hz；W为每相定子绕组串联匝数；Kw1为基波绕组系数；Φ0为主磁通基波每极磁通量，Wb。
（2）感应电势的频率
感应电势的频率f与极对数p以及同步转速n1之间的关系为：
式中，p为极对数；n1为同步转速，r/min。对于50Hz的发电机，4极电机对应1500r/min，6极电机对应1000r/min。
（3）空载电势与励磁电流的关系
由于I＝0，同步发动机的电枢电压等于空载电势E0，由三相基波感应电势的有效值公式E0＝4.44fWKw1Φ0可知，电势E0取决于空载气隙磁通Φ0。Φ0取决于励磁磁势或励磁电流If。因此，空载时的端电压或电势是励磁电流的函数，即E0＝f（If），E0与If的关系曲线称为同步发电机的空载特性（曲线），如图3中的曲线1。
2. 空载特性的形状
（1）磁化曲线的概念
由于E0∝Φ0，Ff∝If，因此在改换适当的比例尺后，空载特性曲线E0＝f（If）即可表示主磁通Φ0和励磁磁势Ff之间的函数关系[Φ0＝f（Ff）]，Φ0＝f（Ff）称为电机的磁化曲线。这就说明励磁磁势Ff和主磁通Φ0之间具有内在联系。因此任何一台电机的空载特性实际上也反映了它的磁化特性。
（2）不饱和段
从图2可以看出，当磁通较小时，磁路不饱和，此时铁芯部分所消耗的磁势很小，可略去不计，磁化曲线近于直线。不饱和段反映了气隙磁势与主磁通之间的线性关系。
（3）饱和段
当磁通值较大时，磁路中的铁磁部分已饱和，因而所消耗的磁势较大，空载特性曲线就逐渐弯曲。饱和段反映了铁芯磁阻对励磁磁势的影响。
（4）额定工作点
在电机设计时，既要充分利用铁磁材料，又要考虑到不因过分饱和而增加励磁磁势，从而增加发电机的用铜量，所以使电机的空载额定电压运行于空载特性曲线的弯曲部分，如图3中的c点。
3. 气隙线与饱和系数
（1）气隙线
若将空载特性曲线的直线部分延长得到图3-17中的直线2，这条直线称为气隙线。它表示气隙磁势Fδ与基波每极磁通Φ0之间的关系。图中oa代表额定电压，ac表示产生额定电压所需要的磁势Ff0。
（2）磁势的组成
Fδ为气隙磁势，Ffe为克服铁芯磁阻所需磁势，铁芯越饱和，Ffe增长得越快。当E0＝UN时，总磁势Ff0和气隙磁势Fδ之比称为电机磁路的饱和系数Ks，即：
（3）饱和系数的意义
由上式可得dc＝dn/Ks。式中，dc为额定电压；dn为在相同励磁磁势下，磁路未饱和时的励磁电势；一般空载额定电压时的Ks值为1.1～1.25。可见在磁路饱和后，由励磁磁势所建立的磁通和它感应的电势都降低到未饱和时的1/Ks。
4. 标幺值空载特性
（1）标幺值的基值
发电机的空载特性曲线可用标幺值表示，以额定电压UN为电势的基值，If0为励磁电流的基值（If0为电机空载时E0＝UN的励磁电流）。
（2）标准空载特性曲线
不同的电机用标幺值绘出的空载特性都相差不大，由此可认为电机有一条标准的空载特性曲线存在。标准空载特性曲线的数据如表1所示。
表1 标准空载曲线数据表
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励磁电流1f*
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0.5
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1.0
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1.5
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2.0
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2.5
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3.0
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3.5
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空载电势E0*
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0.58
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1.0
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1.21
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1.33
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1.40
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1.46
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1.51
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（3）空载特性的实用价值
空载特性曲线是发电机中一条最基本的特性曲线，它的用途很广，通过空载特性还可以检验电机励磁系统的工作情况，电枢绕组连接是否正确。空载特性代表了电机中磁和电两方面的联系，表达了由励磁磁势产生感应电势的能力。在有负载的情况下，如果能获得磁路中的总磁势，也可利用这个特性来求取气隙磁通在电枢绕组中所感应的气隙电势。发电机空载试验电路如图4所示。
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图3 同步发电机的空载特性曲线 |
图4 同步发电机空载试验电路 |
三、对空载电势的要求
现代交流同步发电机要求其产生的电势是三相对称；频率恒定；波形接近于正弦；具有一定的幅值。这几项要求标志着发电机输出电能的质量。另外，从设计和制造的角度考虑还要求：制造加工容易；节约材料；维修方便，保证发电机的运行性能等。然而对发电机输出电能质量上的要求和制造上的经济性有时会发生矛盾，因此必须从整体全面考虑，不能片面地强调某一方面。事实上要求电能质量绝对化，既是不可能的，而且也没有必要，反而会给发电机的制造带来困难，增加不必要的制造费用。根据国家标准GB/T 755-2019，允许电势波形和电势的不对称程度有一定范围的偏差。
1. 对电势波形的要求
（1）电压波形正弦性畸变率的定义
同步发电机空载线电压的波形应在额定电压和额定转速情况下测定。空载线电压波形与正弦波形的偏差程度，一般用所谓电压波形正弦性畸变率来表示。根据国家标准GB/T755-2019的规定，电压波形正弦性畸变率Ku可按下式算出：
式中，u1为基波电压有效值，也可用线电压的有效值来代替；un为n次谐波电压的有效值。
（2）畸变率的限值
对于额定容量在300千伏安（kV·A）以上的发电机，Ku要求不超过5％；对于额定功率在10～300千伏安（kV·A）的发电机，Ku要求不超过10％。
（3）畸变率的测量方法
电压波形正弦性畸变率的数值可用专用测量仪测定；也可用示波器拍摄电压波形，然后用数学分析法确定各次谐波的数值，再按上式算出电压波形正弦性畸变率。当前采用计算机辅助设计编程来求电压波形正弦性畸变率是较好的方法。
（4）正弦波形的判定
事实上，如果所拍摄电压波形曲线与其基波分量的最大瞬时偏差ΔE（如图5所示）不超过基波E1m的5％时，即可认为其是正弦波形，如图6所示。
（5）波形畸变的不良后果
如果电势波形正弦性畸变率太高，将产生许多不良后果。例如使发电机本身和由它所供电的电动机的损耗增加和效率降低等。因此对正弦波形畸变率应有足够重视。
2. 在三相系统中对电势对称的要求
（1）三相电势对称的条件
在三相系统中电势要对称，即要求各相电势幅值相等而相位相差120°电气角度。这就要求三相绕组中每相应具有相同的匝数，并且安置在恰当的位置上。
（2）实际对称电压系统的定义
按照GB/T 755-2019规定：多相系统中，如电压的负序和零序分量均不超过正序分量的2％时，即称为实际对称电压系统。国家标准要求三相发电机的输出电压能满足实际对称系统的要求。
（3）不对称的原因与影响
三相电势不对称可能由绕组匝数不等、绕组位置偏差、磁路不对称等原因引起。不对称的电势会导致三相电流不平衡，增加发电机的损耗和温升，影响用电设备的正常运行。
（4）对称性的检验方法
三相电势对称性的检验可通过测量三相电压的幅值和相位进行。三相电压幅值应相等，相位差应为120°。如发现不对称，应检查绕组连接和磁路情况。
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图5 发电机电势基波分量的最大瞬时偏差与基波的比较 |
图6 发电机正弦交流电电压波形 |
总结
三相同步发电机空载运行是分析发电机电磁关系的基础。空载磁场仅由励磁电流产生，分为主磁通和漏磁通两部分。主磁通交链转子和定子，参与机电能量转换；漏磁通仅交链励磁绕组，不参与能量转换。空载特性曲线反映空载电势与励磁电流的关系，其形状与电机磁化曲线相似，分为不饱和段和饱和段，额定工作点位于弯曲部分。气隙线和饱和系数用于分析磁路饱和程度。标幺值空载特性表明不同电机的空载特性相差不大，存在标准空载特性曲线。对空载电势的要求包括波形接近正弦、三相对称、频率恒定和幅值一定。电压波形正弦性畸变率应满足国家标准要求，三相电势应对称，负序和零序分量不超过正序分量的2％。空载特性是发电机最基本的特性曲线，对发电机的设计、试验和运行具有重要意义。
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