远离发电机端的(无限大电源容量的)网络发生短路时，即以电源容量为基准的计算电抗X*js≥3时，( )是相等的。 _答案_百度高考
远离发电机端的(无限大电源容量的)网络发生短路时，即以电源容量为基准的计算电抗X*js≥3时，(
)是相等的。
A．短路全电流最大有效值B．短路后0.28的短路电流周期分量有效值C．稳态短路电流有效值D．超瞬变短路电流有效值
第-1小题正确答案及相关解析(C)UGR不应小于25，Ra不应小于80(D)；答案：Ａ；39．直接气体放电光源灯具，平均亮度≥500kc；(A)10°(B)15°(C)20°(D)30°；答案：Ｄ；40．额定电压AC220V的一般工作场所下列哪项；(A)195V-240V(B)210V-230V；答案：Ｂ；《工业及民用配电设计手册》第三版P256表6-3；二、多项选择题(共30题，每题
(C) UGR不应小于25，Ra不应小于80
(D) UGR不应小于25，Ra不应大于80
39．直接气体放电光源灯具，平均亮度≥500kcd/m2，其遮光角不应小于下列哪项数值?
40．额定电压AC220V的一般工作场所下列哪项照明灯具电源段电压波动在规范允许的范围内?
(A) 195V-240V
(B)210V-230V
(C) 185V-220V
(D)230V-240V
《工业及民用配电设计手册》第三版 P256表6-3。
二、多项选择题(共30题，每题2分。每题的备选项中有两个或两个以上符合题意。错选、少选、多选均不得分)
41．变电所高压接地故障引起低压设备绝缘承受的应力电压升高。低压电器装置绝缘允许承受的交流应力电压数值，下列各项中哪些是正确的?
(A)当切断故障时间＞5秒时，允许压力电压U0+500V
(B)当切断故障时间＞5秒时，允许压力电压U0+250V
(C)当切断故障时间≤5秒时，允许压力电压U0+1500V
(D)当切断故障时间≤5秒时，允许压力电压U0+1200V
42．低压配电接地装置的总接地端子，应与下列哪些导体连接?
(A)保护联接导体
(B)接地导体
(C)保护导体
GB第3.0.4条
43．供配电系统短路电流计算中，在下列哪些情况下，可不考虑高压异步电动机对短路峰值的影响?
(A)在计算不对称短路电流时
(B)异步电动机与短路点之间已相隔一台变压器
(C)在计算异步电动机附近短路点的短路峰值电流时
(D)在计算异步电动机配电电缆出短路点的短路峰值电流时
《工业及民用设计手册》第三版 P151
44．当35/10kV终端变电所需限制10kV侧短路电流时一般情况下可采取下列哪些措施?
(A)变压器分列运行
(B)采用高电阻的变压器
(C)10kV母线分段开关采用高分段能力的断路器
(D)在变压器回路装设电抗器
《工业及民用配电设计手册》第三版 P134或GB 第3.2.6条
45．远离发电机端的网络发生短路时，可认为下列哪些项相等?
(A)三相短路电流非周期分量初始位
(B)三相短路电流稳态值
(C)三相短路电流第一周期个电流有效值
(D)三相短路后0.2秒得周期分量有效值 答案：ABD
《工业及民用配电设计手册》第三版 P124-125 图4-1，需仔细分析
46．在进行短路电流计算时，如满足下列哪些项可视为远端短路?
(A)短路电流中的非周期分量在短路过程中由初始值衰减到零
(B)短路电流中的周期分量在短路过程中基本不变
(C)以供电电源容量为基准的短路电流计算电抗标么值不小于3
(D)变压器低压侧电抗与电力系统电抗之比不小于2
《工业及民用配电设计手册》第三版 P125
(1)，ABD需同时满足的三条件可称为远端短路，C选项为远端短路的单独条件，与同时满足ABD选项并列。
47．在电气工程设计中，采用下列哪些项进行高压导体和电器校验?
(A)三相短路电流非周期分量初始值
(B)三相短路电流持续时间T'时的交流分量有效值
(C)三相短路电流全电流有效值
(D)三相短路电流超瞬态电流有效值
《工业及民用配电设计手册》第三版 P206 2.短路电流计算的目的
48．在电气工程设计中，短路电流的计算结果的用途是下列哪些项?
(A)确定中性点的接地方式
(B)继电保护的选择与整定
(C)确定供配电系统无功功率的补偿方式
(D)验算导体和电器的动稳定、热稳定
《钢铁企业电力设计手册》上 P177 短路计算的作用
49．在电力系统中，下列哪些因素影响短路电流计算值?
(A)短路点距离电源的远近
(B)系统网的结构
(C)基准容量的取值大小
(D)计算短路电流时采用的方法
《工业及民用配电设计手册》第三版 P124
50．对3-20kV电压互感器，当需要零序电压时，一般选用下列哪几种型式?
(A)两个单相电压互感器V一V接线
(B)一个三相五柱式电压互感器
(C)一个三相三柱式电压互感器
(D)三个单相三线圈互感器，高压侧中性点接地
《钢铁企业电力设计手册》上 P576-577 表13-44
51．选择35kV以下变压器的高压熔断器熔体时，下列哪些要求是正确的?
(A)当熔体内通过电力变压器回路最大工作电流时不熔断
(B)当熔体内通过电力变压器回路的励磁涌流时不熔断
(C)跌落式熔断器的断流容量仅需按短路电流上限校验
(D)高压熔渐器还应按海拔高度进行校验
DL/T 第17.0.2条和第17.0.10条
52．选择低压接触器时，应考虑下列哪些要求?
(A)额定工作制
(B)使用类型
(C)正常负载和过载特性
(D)分断短路电流能力
《工业及民用配电设计手册》第三版 P647
7.选用原则
53．选择电流互感器时，应考虑下列哪些技术参数?
(A)短路动稳定性
(B)短路热稳定性
(C)二次回路电压
(D)一次回路电流
DL/T第15.0.1条
54．对于35kV及以下电力电缆绝缘类型的选择，下列哪些项表述符合规范规定?
(A)高温场所不宜用聚氯乙烯绝缘电缆
(B)低温场所宜用聚氯乙烯绝缘电缆
(C)防火有低毒要求时，不宜用聚氯乙烯电缆
(D)100度以上高温环境下不宜采用矿物绝缘电缆 答案：AC
GB 第3.4.5条、第3.4.6条、第3.4.7条
55．高层民用建筑消防用电设备的配电线路应满足火灾时连续供电的需要，下列哪些敷设方式是符合规范规定的?
(A)暗敷设时，应穿管并应敷设在不燃烧体结构内且保护层厚度不应小于30mm
(B)明敷设时，应穿有防火保护的金属管或有防火保护的封闭式金属线槽
(C)当采用阻燃或耐火电缆时，敷设在天棚内可不采用防火保护措施
(D)当采用矿物绝缘类不燃烧性电缆时，可直接敷设
GB(2005版) 第9.1.4条
56．低压配电设计中，有关绝缘导体布线的敷设要求，下列哪些表述符合规范规定?
(A)直敷布线可用于正常环境的室内场所，当导体垂直敷设至地面低于1.8m时，应穿管保护
(B)直敷布线可用于正常环境护套绝缘导线，其截面不宜大于6mm2；布线的固定点间距不应大于300mm
(C)在同一个管道里有几个回路时，所有绝缘导线都应采用与最高标称电压回路绝缘相同的绝缘
(D)明敷或暗敷与干燥场所的金属管布线应采用管壁厚度不小于1.2mm的电线管
GB 第5.2条，旧规范条文，新规范已有修改，可忽略。
57．人民防空地下室电气设计中，下列哪些表述符合国家规范要求?
(A)进、出防空地下室的动力、照明线路，应采用电缆或护套线
(B)电缆和电线应采用铜芯电缆和电线
(C)当防空地下室的电缆或导线数量较多时，且又集中敷设时，可采用电缆桥架敷设的方式，电缆桥架直接穿过临空墙、防护密闭隔墙、密闭隔墙
(D)电缆、护套线、弱电线路和各用预埋管临空墙、防护密闭隔墙、密闭隔墙，除平时有要求外，可不做密闭处理，临战时应采取防护密闭或密闭封墙，在30d转换时限内完成
GB第7.4.1条、第7.4.2条、第7.4.6条、第7.4.10条、
58．向屋顶有机房的电梯供电的电源线路和电梯专用线路的敷设，
(A)向电梯供电的电源线路，可敷设在电梯井道内
(B)除电梯的专用线路外，其它线路不得沿电梯井道敷设
(C)在电梯井道内明敷电缆应采用阻燃型
(D)在电梯并道内的明敷的穿线管、槽应是阻燃的
下列表述那些是正确的?
GB 第3.3.7条
59．下列哪些建筑物应划为二类防雷建筑物?
(A)工业企业内有爆炸危险的露天钢质封闭气罐
(B)预计雷击次数为0.05次/a的省级办公建筑物
(C)国际通讯枢纽
(D)具有10区爆炸危险环境的建筑物
GB (2000版) 第2.0.3条
60．建筑物防雷设计，下列哪些表述与国家规范一致?
(A)在烟囱上的防雷引下线采用圆钢时，其直径不应小于10mm
(B)架空避雷线和避雷网宜采用截面不小于35mm2镀锌铜绞线
(C)当建筑物利用金属屋面作为接闪器，金属板下面无易燃品，其厚度不应小于0.4mm
(D)避雷网和避雷带宜采用圆钢或扁钢，优先采用圆钢，圆钢直径不应小于8mm，扁钢截面不小于48mm2，厚度不应小于4mm
GB(2000版) 第4.1.2条
61．某一般性十二层住宅楼，经计算预计雷击次数o.1次/a，为防直击雷沿屋角、屋脊、屋檐和檐角等易受雷击的部位敷设避雷网，并在整个屋面组成避雷网格，按规范规定避雷网格不应大于下列哪项数值?
(A) 10m×10m
(B) 20m×x20m
(C) 12m×8m
(D) 24m×16m
GB (2000版) 第3.4.1条
62．某中学教室属于第二类防雷建筑物，下列哪些屋顶上金属物宜作为防雷装置的接闪器?
(A)高2..5m、直径80mm、壁厚4mm的钢管旗杆
(B)直径为50mm，壁厚2.0mm的镀锌钢管旗杆.
(C)直径为16mm镀锌钢管爬梯
(D)安装在接收无线电视广播的共用天线杆上的接闪器
GB (2000版) 第4.1.5条、第4.1.7条
63．10kV配电系统，系统接地电容电流30A，采用经消弧线圈接地。该系统下列哪些条件满足规定?
(A)系统故障点的残余电流不大于5A
(B)消弧线圈容量250kVA
(C)在正常运行情况下，中性点的长时间电压位移不超过1000V
(D)消弧线圈接于容量为500kVA接线为YN，d的双绕组中性点上
《工业及民用配电设计手册》第三版 P873 或 DL/T620-1997 第3.1.2条，DL/T 第18.1.条、第18.1.7条、第18.1.8-3条
64．下列哪些消防用电设备应按一级负荷供电?
(A)室外消防用水量超过30L/s的工厂、仓库
(B)建筑物高度超过50米的乙、丙类厂房和丙类库房
(C)一类高层建筑的防火门、窗、卷帘、阀门等
(D)室外消防用水量超过25L/s的办公楼
GB 第11.1.1条
65．某一10/0.4kV车间变电所、配电所变压器安装在车间外，高压侧为小电阻接地方式，低压侧为TN系统，为防止高压侧接地故障引起低压侧工作人员的电击事故，可采取下列哪些措施?
(A)高压保护接地和低压侧系统接地共用接地装置
(B)高压保护接地和低压侧系统接地分开独立设置
(C)高压系统接地和低压侧系统接地共用接地装置
(D)在车间内，实行总等电位联结
GB1 第442.4.2条及图44B，此题无对应条文，需理解规范后做答。
66．为避免电子设备信号电路接地导体阻抗无穷大，形成接收或辐射干扰信号的天线，下述接地导体长度要求哪些正确?
(A)长度不能等于信号四分之一波长
(B)长度不能等于信号四分之一波长的偶数倍
(C)长度不能等于信号四分之一波长的奇数倍
(D)不受限制
《工业及民用配电设计手册》第三版 P905 第12-14行
67．室外安装的建筑物立面照明投光灯需要由低压配电柜提供电源，为满足单相接地故障保护灵敏度的
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正常运行时,机端不出现基波零序电压。相间短路时,也 不出现零序电压。单相接地故障时,接地故障相对地电压为零, 不出现零序电压
没听懂，，两个都是在发电机单相接地短路。填空题是这样的。。。发电机在（）发生单相接地时，基波零序电压为相电压。在（）发生单相接地时，基波零序电流为零
对讲机有如下一些主要的性能指标：
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答: 八年级下册物理教育科学出版社的，八年级下册物理。急！急！！！！！！！！！！！！
答: 《物理教育》专业自学考试有哪些课程？有多少课程？课程名称是什么？
答: 找到了。可以吗
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　　同步电机是交流电机的一种。普通同步电机与异步电机的根本区别是转子侧（特殊结构时也可以是定子侧）装有磁极并通入直流电流励磁，因而具有确定的极性。由于定、转子磁场相对静止及气隙合成磁场恒定是所有旋转电机稳定实现机电能量转换的两个前提条件，因此，同步电机的运行特点是转子的旋转速度必须与定子磁场的旋转速度严格同步。如果定子侧旋转磁场的交流电流频率为f，电机的极对数为P，则同步电机转速n与电流频率和极对数的关系为
　　同步电机主要用作发电机，全世界的发电量几乎全部是由同步发电机发出。同步电机也可用作恒速的电动机，虽然其结构较异步电机复杂，但它可以运作在功率因数等于1或超前的功率因数下以改善电网的功率因数。此外还有一种同步调相机，实质上是不接机械负载的空载同步电动机，其目的是从电网吸取超前无功功率来补偿其它电力用户从电网吸取的滞后无功功率。
　　一、同步电机的原理和结构
　　1.同步电机的基本构造型式
　　同步电机可分为旋转电枢式和旋转磁极式两种。旋转电枢式如图6-1（c）所示，励磁绕组在定子上，电枢绕组在转子上。由于转动着的电枢绕组要通过滑动接触才能输出或输入电能，对于大容量电能则存在着诸多制约条件，因此旋转电枢式结构只适用于小容量同步电机中。旋转磁极式是同步电机的基本结构形式。在旋转磁极式中，又可分为隐极式和凸极式两种。隐极式结构如图6-1（a）所示，气隙均匀，转子机械强度高，直流励磁嵌放在槽中，两个大齿分别形成N、S极，适用于少极高速的同步电机，汽轮发电机都采用隐极式结构。凸极式结构如图6-1（b）所示，气隙不均匀，构造简单，励磁绕组绕在磁极上通入直流电形成N、S极。但由于旋转时的空气阻力大，比较适合于多极中速或低速旋转场合，是水轮发电机的基本结构型式。下面分别以汽轮发电机和水轮发电机来介绍隐极同步电机和凸极同步电机。
图6-1 同步电机结构的主要类型
　　1.隐极式同步电机
　　隐极式转子适合于高速旋转，而提高转速可以提高发电机组的效率、减小尺寸并降低造价，因此汽轮发电机大多做成具有最高同步速的两极结构。由于转速高、离心力巨大，汽轮发电机的外形必然细长。现代汽轮发电机转子长度与直径之比l/D=2.5~6.5，容量越大比值越大。图6-2为一台330MW汽轮发电机转子的实物照片。
图6-2 330MW汽轮发电机转子
　　汽轮发电机的主要结构部件有定子、转子、端部和轴承等。
　　（1）定子
　　定子由铁芯、绕组、机座以及固定这些部件的结构件组成。图6-3为汽轮发电机定子铁心的照片。
图6-3 330MW汽轮发电机定子铁心
　　定子铁芯一般采用0.5mm的含硅量较高的无取向冷轧硅钢片（如D41）叠成，每叠厚度约3～6cm，各叠之间有10mm的通风沟，整个铁芯用拉紧螺杆或非磁性压板压紧后固定在定子机座上。
　　定子机座用钢板焊成，它除了支撑铁芯外还构成所需的通风路径。要求它有足够的钢度和强度。
　　定子绕组一般采用三相双层短距叠绕组。由于汽轮发电机容量较大，定子绕组选用较高线电压，一般取6.3、10.5和13.8kV。为了限制电流密度，绕组导体的截面积都比较大，为了减少涡流损耗，每根导体由多股截面为15mm2以下的扁铜线并联组成，并且在槽内直线部分进行特殊的循环换位方式，使电流密度的分布趋于均匀。如图6-4所示。
图6-4定子绕组槽内换位方式
　　（2）转子
　　图6-5是两极空气冷却汽轮发电机转子结构示意图，可看出各部件结构和组装情况。由于高速下转子受到强大的离心力，故转子直径最多为1.5m。转子的主要部件有铁心、励磁绕组、护环、中心环和滑环等。
图6-5两极空气冷却汽轮发电机转子结构示意图
图6-6汽轮发电机转子结构
　　转子铁芯（也称转子本体）是汽轮发电机最关键的部件之一。既是转子磁极的主体也是巨大离心力的受体。因此要求它具有高导磁性能和高机械强度。转子铁芯一般采用整块的具有良好导磁性能的高强度合金钢锻件。并与转轴锻为一体。在转子铁芯表面，沿转子铁芯表面约2/3部分（对于每个半圆）铣出转子槽并嵌放转子绕组。不开槽的部分形成“大齿”，而大齿的中心线即为主极轴线。如图6-6所示。转子槽形一般采用开口槽。
　　励磁绕组由扁铜线绕成同心式线圈。各线匝之间垫有绝缘，线圈与槽壁之间用可靠的槽绝缘隔开。考虑承受高速旋转离心力的要求，在槽口嵌入非磁性低电阻率高强度的金属槽锲，如硬质铝合金和铝铁镍青铜。大容量汽轮发电机为了降低可能的不平衡运行时转子的发热，在每一槽楔与转子导体之间放置一条细长铜片，其两端接到转子两端的阻尼端环上形成一个短路绕组，称为阻尼绕组。
　　护环、中心环和滑环护环是一个厚壁的金属圆筒，共两只，用来保护励磁绕组的端部不会因离心力而甩出。中心环用来支持护环并阻止励磁绕组端部沿轴向移动。运行中护环的应力十分巨大，可达590N/mm2，因此要求采用高强度无磁性合金钢制成。滑环（也称集电环）装在转子轴上，用引线连通励磁绕组，并经电刷接到励磁电源。
　　端盖和轴承端盖将电机本体的两端封盖起来，并与机座、定子铁芯和转子一起构成电机内完整的通风系统。端盖通常用无磁性硅铝合金铸成。轴承需承受巨大的转子重量和离心力，采用油膜液体润滑的座式结构，并配有油循环系统。
　　2.凸极式同步电机
　　从支撑角度看，隐极式同步电机只有卧式结构，而凸极式同步电机有卧式和立式两类。大多数同步电动机、调相机以及内燃机拖动的发电机采用卧式结构，容量一般从几个千瓦到上万千瓦。低速、大型水轮发电机采用立式结构。
　　（1）卧式凸极同步电机结构
　　卧式凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机基本相同，但其绕组大都采用波绕组。其转子如图6-7所示。
1―转子支架；2―转子磁轭；3―滑环；
4―轴；5―励磁线圈; 6―阻尼绕组端环片；
7―阻尼绕组铜条；8―磁极铁心；9―磁极通风沟
图6-7 凸极同步电机转子的典型结构
　　转子由磁极、磁轭、励磁绕组、集电环、风扇和转轴等部件组成，并采用同轴的直流励磁机。磁极用1mm～3mm的钢板叠压而成，用铆钉沿轴向铆紧，两端用L形的钢压板以防止励磁绕组在离心力作用下甩出。磁轭可用铸钢，也可用冲片叠压。励磁绕组多数为同心式线圈套装结构。集电环用耐磨黄铜浇注（也可用青铜、磷青铜和钢制成），两个集电环与转轴间用玻璃酚醛作绝缘，经热压成为一个整体。当电机容量较大时，磁极中须装阻尼绕组以抑制转子的机械振荡，在同步电动机和调相机中作为起动绕组用。阻尼绕组和异步电机的笼形结构相似，由若干插在极靴槽中的钢条经两端环短接而成。
　　（2）立式凸极同步电机
　　水轮发电机由水轮机作为原动机拖动，水轮发电机转速较低，多数在每分钟几十转到一两百转的范围内，因此水轮发电机设计的磁极数较多，电机的铁芯外径较大而长度较小，它们的比值可达5～7或更大，呈扁平状。
　　在立式水轮发电机中，整个机组转动部分的重量和水流的轴向推力均由推力轴承负担，再通过机架传递到地基上，其总负荷可达数千吨。推力轴承是水轮发电机的一个关键部件。按照它的安放位置，立式水轮发电机可分为悬式和伞式两种结构，如图6-8所示。悬式的推力轴承装在转子上面，整个转子悬挂在上机架上；伞式的推力轴承装在转子下面，状如伞式。悬式机组运行较稳定，适用于高水头电站。对于转速在150r/min以下的低水头电站，多采用伞式结构，以降低厂房高度，节省投资。
1―上导轴承；2―上机架；
3―推力轴承；4―下导轴承；
5―下机架 图6-8
　　悬式和伞式水轮发电机的示意图
　　水轮发电机转子上的磁极、励磁绕组、磁轭和阻尼绕组等结构和卧式凸极同步电机相似。由于大容量水轮发电机直径很大，为了便于运输，通常将定子分成二、四或六瓣，分别制造好运到水电站后再拼装成一整体。又因转子外径很大而磁极和磁轭的径向尺寸有限，故在转轴和转子磁轭间增添了一个轮辐式支架作为过渡结构。
　　2.同步电动机的励磁方式
　　供给同步电机励磁电流的装置称为励磁系统。获得励磁电流的方式称为励磁方式。励磁系统的性能对电机运行有重大影响,励磁系统应满足的要求有：
　　（1）能够稳定地提供同步电机从空载到满载以及过载时所需的励磁电流；
　　（2）当电力系统发生故障而使电网电压下降时，励磁系统应能快速强行励磁，以提高系统的稳定性；
　　（3）当同步电机内部发生短路故障时，为迅速排除故障并使故障局限在最小范围内，应能快速灭磁；
　　（4）励磁系统能长期可靠地运行，维护要方便，且力求简单、经济。
　　目前采用的励磁系统可分为两大类：
　　a）直流发电机励磁系统;
　　b）通过整流装置将交流电流变为直流电流的励磁系统。
　　1.直流发电机励磁系统
　　直流发电机作为直流励磁机，直流励磁机与同步发电机同轴旋转，并采用并励接法。有时为了提高励磁系统的反应速度，并使励磁机在较低电压下也能稳定运行，直流励磁机也有采用他励接法。为了使同步发电机的输出电压保持恒定，常在励磁电流中加进反映发电机负载电流的反馈分量；当负载增加时，使励磁电流相应增大，以补偿电枢反应和漏抗压降的作用。
　　2.静止交流整流励磁系统
　　静止交流整流励磁系统分为自励式和他励式两种，见图6-9所示。
　　自励式原理图如图6-9（a）所示。可控硅整流桥供给发电机空载励磁，而当发电机带负载后，副励磁机又给发电机励磁绕组供给一路复励电流，从而对发电机随负载而变化的电压起自动调节作用。这种励磁系统便于维护，电压稳定度高、动态性能好，采用较多。
　　他励式原理图如图6-9（b）所示。此时主发电机轴上连结了一台交流励磁机（通常频率为100Hz）和一台中频副励磁机（多为400Hz，有时采用永磁发电机）。主励磁机的交流输出经静止的三相桥式不可控整流器整流后，通过集电环接到发电机的励磁绕组，以供给直流励磁，而主励磁机的励磁电流由交流副励磁机发出的交流电经静止的可控整流器整流后供给。副励磁机的励磁开始由外部直流电源供给，待电压建立后转为自励。自动电压调整根据主发电机端电压的偏差，对交流主励磁机的励磁进行调节，从而实现对主发电机励磁的自动调节。
图6-9(a)自励式静止半导体励磁系统原理图
图6-9（b）他励式静止半导体励磁系统原理图
　　3.旋转式交流整流励磁系统
　　静止式交流整流励磁系统去掉了直流励磁机的换向器，解决了换向火花的问题，但电刷和滑环依然存在。现代大容量发电机的励磁容量很大，当励磁电流超过2000A时，可引起集电环的严重过热。此时可采用旋转式交流整流励磁系统，其原理图如图6-10所示。此时采用转枢式同步发电机作为交流励磁机，并将整流器固定在转轴上一道旋转。这样将整流输出直接供给发电机的励磁绕组，不再需要集电环和电刷装置，构成无刷励磁系统。交流主励磁机的励磁，由同轴的交流副励磁机经静止的可控整流器整流后供给。发电机的励磁由电压调整器自动调节。该励磁系统大多用于大、中容量的汽轮发电机、补偿机以及特殊环境中工作的同步电动机。
图6-10旋转式交流整流励磁系统原理图
　　4.超导发电机
　　超导发电机是未来巨型汽轮发电机的一种很有前途的冷却方式，在超导状态下电机绕组的电阻损耗完全消失，彻底解决了电机的发热温升问题并大大提高了电机的效率。但是其中牵涉到很多关键技术问题，如强磁场、高电密、高温交流超导线材的制备等。
　　3.额定值
　　同步电机的额定值有：
　　（1）额定容量SN或额定功率PN同步电机的额定容量指出线端的额定视在功率，单位为kVA或MVA；而额定功率是指发电机输出的额定有功功率，或指电动机轴上输出的额定有效机械功率，单位为kW或MW。对于调相机用额定视在功率表示。
　　（2）额定电压UN指额定运行时定子的线电压，以V或kV为单位。
　　（3）额定电流IN指额定运行时定子的线电流，以A为单位。
　　（4）额定功率因数cosφN指额定运行时电机的功率因数。
　　（5）额定频率fN指额定运行时的频率。我国标准工频规定为50Hz。
　　（6）额定转速nN指同步电机的同步转速。
　　（7）额定效率ηN指额定运行时电机效率
　　综合上述定义，对三相交流发电机可得
　　对三相交流电动机来说，则为
　　除以上额定值外，电机铭牌上还常列出其它额定运行数据，例如额定负载时的温升、额定励磁容量、额定励磁电压和额定励磁电流等。
　　二、同步发电机的运行原理
　　1.同步电机的基本原理
　　从前面交流电机一般理论的分析中曾经说明，当对称三相电流流过对称三相绕组时，将在空气隙中产生旋转磁动势。其基波分量的旋转速度为同步转速n1，它的旋转方向从带有超前电流的相转向带有滞后电流的相。同步电机只要其定子三相绕组中流通三相电流，都将在空气隙中产生这个旋转磁动势，建立旋转磁场。该旋转磁场称为电枢磁场。
　　在同步机的转子上装有直流励磁的磁极，它与转子无相对运动。当转子旋转时，在气隙中又形成另一种旋转磁场。它由直流电流励磁，随转子一同旋转，该旋转磁场称为机械旋转磁场。这两种不同方式产生的旋转磁场同时存在于气隙中，只要它们在空间有位移，它们之间便会产生电磁力，犹如两块磁铁之间存在着相互作用力一样。当同步电机作发电机运行时，转子由外施机械转矩拖动，转子磁场超前与电枢磁场，对转子而言电枢磁场与转子磁场相互作用的力是电磁阻力。当同步电机作电动机运行时，电枢磁场依靠磁拉力驱动机械磁场同速同向旋转，电枢磁场超前与转子磁场，电枢磁场作用到转子上的转矩是驱动转矩。这两个磁场的相对位置如何确定，在后续章节中详细介绍。
　　异步电机也有定子磁场和转子磁场，相对于气隙空间以同步转速旋转，且彼此间亦无相对运动。但异步电机的转子磁场是由感应产生的，正由于这点不同，同步电机与异步电机有着不同特性，分析方法也不相同。
　　2.同步发电机的空载运行
　　当同步发电机被原动机拖动到同步转速，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。图6-11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。Φ通过气隙并与定、转子绕组交链，其磁密波形沿气隙圆周近似
图6-11凸极同步发电机的空载磁场
　　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），以同步转速n1旋转；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。需要指出的是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%。
图6-12 发电机空载特性曲线
　　由主磁通切割定子绕组，感应出一组对称的三相空载电动势，其有效值为
　　E=4.44fNkw1Φ(6-3)
　　式中：
　　Φ的单位为Wb时，E的单位为V。改变励磁电流If，即可得到不同的Φ和E值。在同步转速下，E与If的关系曲线E＝f（If）称为发电机的空载特性曲线，如图6-12所示。
　　由于E∝Φ,Ff∝If，换以适当比例尺后，空载特性曲线E＝f（If）即可表示为Φ=f(If)，为电机的磁化曲线。和前面磁化曲线的讨论相同，空载特性（磁化曲线）的开始段为一直线，其延长的直线（图6-12中曲线2）称为气隙线。随着Φ的增大，铁芯逐渐饱和，主磁路中铁芯段所需的磁压降很快上升，使空载特性逐渐变弯。
　　取图中oa代表额定电压，ac为空载磁动势，ab为消耗于气隙段的磁动势，则可得到此时电机磁路的饱和系数为
　　通常同步电机的饱和系数kμ值（对应额定电压时）约在1.1～1.25左右。由式（6-4）可见空载磁通饱和后，空载磁通和空载电动势都降低为未饱和时的1/kμ。
　　图6-13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f1和由它产生的气隙磁密基波f1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f1同相位。
　　实际电机中，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，其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为
　　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。
　　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。对于额定容量在300kVA以上者，要求ku＜5%，THF%＜1.5%。
图6-13 同步电机空载时的时-空矢量图
　　3.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a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f1彼此在空间相对静止。f1和a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6-14表示一台同步电机的剖面图，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，f1和Φ与d轴重合，E在q轴上，a与I重合。
图6-14 同步电机的电枢反应
图6-15交直轴电枢磁动势的作用
　　参照图6-15，可以将a分解成交轴aq和直轴ad两个分量，即a=ad+aq,写出幅值形式，
　　Fad=Fasinψ
　　Faq=Facosψ(6-7)
　　也可将每相电流都分解为Id和Iq两分量，即
　　I=Id+Iq(6-8)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aq，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ad，称为I的直轴分量。下面分析几个特殊ψ角时的情况。
　　（1）当ψ＝0&时，Fad＝0，Faq＝Fa，电枢磁势的轴线与转子的交轴重合；在任意瞬间，电枢磁势的轴线恒与转子交轴重合。电枢磁势是交轴磁势；交轴电枢反应使合成磁场幅值增加而轴线从极轴逆转向后移一个角度，从而产生一定的电磁转矩；
　　（2）当ψ＝90&时，Fad＝Fa，Faq＝0，电枢磁势的轴线落后转子交轴90&。在任意瞬间，电枢磁势的轴线恒与转子交轴相差90&，电枢磁势是直轴磁势。气隙合成磁动势的轴线与励磁磁势同方向，直轴分量起了去磁作用。
　　一般情况下，0＜ψ＜90&，电枢磁势的交、直轴分量同时存在，故电枢反应主要起交磁和去磁的作用。
　　4.隐极同步发电机的负载运行
　　隐极同步电机的结构特点是气隙均匀，下面分别对不考虑饱和和考虑饱和两种情况进行讨论。
　　1.不考虑饱和时
　　不考虑饱和时可认为主磁路为线性，可应用叠加原理，认为f1和a各自单独产生磁通Φ和Φa，并在定子绕组中感应出励磁电动势E和电枢反应电动势Ea，再把Φ和Φa相量相加得出合成气隙磁通Φδ，同理将E和Ea相量相加得出合成电动势Eδ，称为气隙电动势。此外电枢电流所生漏磁场还将产生每相漏磁通Φσ和每相的漏电动势Eσ。上述关系可表示为：
　　转子励磁电流：定子三相电流：
　　参照图6-16规定的正方向，可得电枢绕组任一相电动势平衡方程为：
　　∑E=E+Ea+Eσ=Eδ+Eσ=U+IRa(6-9)
　　式中：U为电枢一相绕组的端电压，IRa为电阻压降。根据电磁感应定律，
　　，可知E、Ea、Eδ和Eσ分别滞后于相应的磁通Φ、Φa、Φδ和Φσ为90&相角。把E、Ea和Eσ相量相加，即等于U加上IRa而得出图6-17（a）的电动势相量图。
图6-16同步发电机各物理量的正方向规定
　　图中另外还画出了忽略了电枢铁耗时与Φ同相的f1和与Φa同相的a，因此它又是同步发电机的时空相量图。图6-17（b）为对应等效电路。在忽略铁耗和饱和的假定下，有Ea∝Φa∝Fa∝I，故Ea正比于I，由图6-17可见，Ea滞后于Φa90&，Φa与I同相，故Ea滞后于I90&。因此Ea可写成负电抗压降的形式，即
　　Ea=-jIXa(6-10)
图6-17 隐极同步发电机的相量图和等效电路
　　式中：Xa为对应于电枢反应磁通的电抗，称为电枢反应电抗。由式（6-10）可见Xa就是对称负载下单位电枢电流所产生的电枢反应电动势值。必须指出Xa虽是一相的电抗值，但在物理意义上它综合反应了三相对称电流所生电枢反应磁场Ba对于一相的影响。实质上相当于异步电机中的激磁电抗Xm。
　　同样，漏电势Eσ可写为负漏抗压降的形式，即
　　Eσ=-jIXσ(6-11)
　　于是式(6-9)改写为
　　E=U+IRa+jIXσ+jIXa=U+IRa+jIXt(6-12)式中：Xt称为同步电机的同步电抗，它等于电枢反应电抗和定子漏抗之和，即
　　Xt=Xσ+Xa(6-13)
　　同步电抗是表征对称稳态运行时电枢旋转磁场和电枢漏磁场的一个综合参数，是对称电枢电流所产生的全部磁通在某一相中所感应的总电势（Eσ+Ea）与相电流之间的比例常数。在不计饱和时，它是一个常值。图6-18是与式(6-12)相对应的相量图和等效电路。从图可见，隐极同步发电机相当于励磁电动势E和同步阻抗Zt=Ra+jXt相串联所组成的电路。此电路简单明确，在工程中有广泛应用。
图6-18励磁电动势和同步电抗表示的相量图和等效电路
　　2.考虑饱和
　　实际的同步电机都在一定饱和程度下运行。这时磁路是非线性的，叠加原理不再适用，应当先求出作用在主磁路上的合成磁动势，然后利用电机的磁化曲线（空载特性曲线）求出负载时的气隙磁通及相应的合成电动势Eδ，即
　　此时气隙中合成磁动势的基波分量(简称气隙磁动势)δ为
　　δ=f1+a(6-14)
　　而电枢某一相的电动势方程为
　　Eδ=U+I(Ra+jXσ)(6-15)
　　相应的相量图及磁势F和电势E间的关系如图6-19所示。
图6-19电动势相量图
　　这里需要注意的是，为了从Eδ求出Fδ，需要利用电机的空载特性，它反映了磁动势和由它产生的电动势（基本上等于基波电动势）之间的关系。但是空载特性中的磁动势采用的是励磁磁动势波的实际幅值Ff=NfIf，而式（6-14）矢量相加得出的Fδ都是合成磁动势波中基波分量的幅值，因此必须将基波电枢磁动势Fa乘上一个电枢磁动势的折算系数，再折算成等效的励磁磁动势的幅值后才能用空载特性求出Eδ。
　　5.凸极同步发电机的负载运行
　　凸极同步电机的气隙沿电枢圆周是不均匀的，因此在定量分析电枢反应的作用时，需要应用双反应理论。
　　1.双反应理论
　　凸极同步电机的气隙是不均匀的，极面下气隙较小，两极之间气隙较大，因而沿电枢圆周各点处单位面积的气隙磁导λ=μ/δ是变化的，同样的电枢磁动势波如果处于空间不同位置，所生的电枢磁场波形和每极磁通量就都将不同，而使问题大为复杂化。图6-20表示同一大小的基波电枢磁动势分别作用在直轴和交轴位置时所得电枢磁场的分布图。由图可见，直轴电枢磁动势所产生磁场的形状是帽形，而交轴磁动势所产生磁场则为鞍形，同样大小的电枢磁动势所产生直轴磁场中基波的幅值Bad1将比交轴磁场中基波的幅值Baq1大许多。由图还可见，无论磁动势对准直轴（ψ＝90&）还是交轴（ψ＝0&）位置时，所产生的电枢磁场波形都是对称的，较易分析。但电机实际运行情况下的ψ为一任意角度，此时电枢磁动势既不在直轴，也不在交轴，磁场分布是不对称的，其具体形状取决于Fa和ψ两个因素，无法用解析式来表达和求解。
图6-20气隙磁场波形
　　为了解决这一困难，勃朗德（Blondel）提出了双反应理论，即考虑到凸极同步电机气隙的不均匀性，对于在空间任意位置的电枢磁动势a，将其分解为直轴和交轴两个分量ad和aq，分别求出直轴和交轴电枢反应，最后再把它们的效果叠加起来。实践证明，在不计饱和时用此分析方法效果令人满意。
　　在凸极电机中，直轴电枢磁动势Fad折算到励磁磁动势时应乘以直轴换算系数kad，交轴电枢磁动势换算到励磁磁动势时应乘以交轴折算系数kaq。kad和kaq的意义是，产生同样大小的基波气隙磁场时，一安匝的直轴或交轴电枢磁动势所相当的主极磁动势值。它可从电机设计手册中获得。
　　2.凸极同步发电机的负载运行
　　（1）不考虑饱和时的电动势相量图
　　凸极电机在不考虑饱和时，可利用双反应理论分别求出励磁磁动势、直轴和交轴电枢磁动势所产生的基波磁通及感应电动势。其关系可表示为：
图6-21 不计饱和时矢量图
　　按照前面各物理量正方向的规定，电枢一相的电动势方程式为
　　∑E=E+Ead+Eaq+Eσ=U+IRa(6-16)
　　相应的电动势相量图如图6-21所示。
　　与隐极电机相似，不计饱和时有下列关系：
　　即Ead∝Id和Eaq∝Iq。从相位上看，当不计定子铁耗时，Ead和Eaq分别滞后于Id和Iq为90&相角，故Ead和Eaq可以用相应的负电抗压降来表示
　　Xad和Xaq分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们分别表示对称负载下单位直轴或交轴电流系统联合产生直轴或交轴电枢反应电动势。当电机不饱和时，由于直轴磁路的磁导Λad显著大于Λaq，有Xad＞Xaq。
　　将式(6-17)代入式（6-16）并考虑到Eσ=-jIXσ，则电动势方程式可改写为
　　E=U+IRa+jIdXad+jIqXaq(6-19)
　　由于jIXσ=jIdXσ+jIqXσ，代入上式可得
图6-22 由电动势E确定角
　　E=U+IRa+jId(Xad+Xσ)+jIq(Xaq+Xσ)=U+IRa+jIdXd+jIqXq(6-20)
　　式中：Xd和Xq分别称为凸极同步电机的直轴和交轴同步电抗
　　它表征在对称负载下单位直轴或交轴电流系统产生的电枢总磁场（包括电枢反应磁场和漏磁场）在电枢每相绕组中感应的电动势。由于Xad＞Xaq，故Xd＞Xq。与式（6-20）相对应的电动势相量图如图6-22所示。
　　需要注意的是，要画出图6-22所示的相量图，除了需要给定的端电压U、电流I、负载的功率因数角ψ以及电机的参数Ra、Xd和Xq之外，还必须先把电枢电流I分解成直轴Id和交轴Iq两个分量，为此必须先确定ψ角。而它是励磁电动势E与电枢电流I之间的内功率因数角，无法用仪表测出。但是事实上可从图6-22各矢量间的关系来确定ψ角。
　　在图6-22中如果从R点画垂直于I的直线与E矢量交于Q点，显然RQ线段与相量jIqXq间的夹角为ψ，故其长度为
　　RQ=IqXq/cosψ=IXq(6-22)
　　进一步可得
　　由此可得相量图的实际作法如下
　　1）由已知条件，从O点开始，画出U和I；
　　2）画出相量EQ=U+IRa+jIXq，确定Q点，OQ线段与I的夹角即为ψ角；
　　3）根据求出的ψ角把I分解为Id和Iq；
　　4）从R点起依次画出jIqXq和jIdXd得到末端T，连接线段OT即得出E。
　　需要指出的是EQ为一虚拟电动势，由计算EQ相量的关系式也可得到对应的同步发电机等效电路，该电路在计算凸极同步电机在电网中的运行性能和功角时常常用到。
　　对于实际的同步电机，由于交轴方面的气隙较大，交轴磁路可以近似认为不饱和，直轴磁路则将受到饱和的影响。考虑饱和时，近似认为直轴和交轴磁场相互没有影响，应用双反应理论分别求出直轴和交轴上的合成磁动势，再用电机的磁化曲线来计及直轴磁路饱和的影响。总的电磁关系为：
　　其中F′d、F′′ad、F′′aq均为基波磁动势F′d、F′ad、F′aq折算到励磁绕组的等效励磁磁动势。电枢任一相的电动势平衡方程为
　　Ed+Eaq+Eσ=Eδ+Eσ=U+IRa(6-24)
　　考虑交轴磁路的不饱和，有
　　Ed=U+IRa+jIXσ+jIqXaq(6-25)
　　例6-1一台凸极同步发电机的直轴和交轴同步电抗分别为X*d=1.0,X*q=0.6，电枢电阻略去不计。试计算在额定电压、额定电流和额定功率因数cosφN＝0.8(滞后)时的励磁电动势E*，并画出相量图。上标*表示为标么值。
图6-23 例6-1的相量图
　　取电压U作为参考相量，即设U*=1.0∠0&则对应于cosφN=0.8可得
　　I*=1.0∠-36.8&
　　于是电动势EQ=U*+jI*X*q=1.0∠0&+j1.0&0.6∠-36.8&=1.44∠19.4&
　　因此ψ=19.4&+36.8&=56.2&
　　I*d=I*sinψ=1&sin56.2&=0.832
　　I*d=0.832∠－(90&－19.4&)=0.832∠－70.6&
　　I*q=I*cosψ=1&cos56.2&=0.555
　　I*q=0.555∠19.4&
　　最后可得励磁电动势为
　　E*=U*+jI*dX*d+jI*qX*q=1.0∠0&+j0.832&1∠－70.6&+j0.555&0.6∠19.4&=1.77∠19.4&
　　6.同步发电机的运行特性和参数测定
　　同步发电机的运行特性包括空载特性、短路特性、外特性、调整特性和效率特性。通过这些特性可以求出电机的主要参数和电压调整率、额定励磁电流、额定效率等有关的技术性能数据。和在变压器、异步电机中一样，同步电机的各物理量一般常用标么值表示，各量的基值（用下标b表示）规定如下
　　1）容量基值Pb=SN=mUNΦINΦVA或kVA
　　2）相电压基值Ub=UNΦ（额定相电压）V或kV
　　3）相电流基值Ib=INΦ（额定相电流）A
　　4）阻抗基值Zb=ZN=UNΦ/INΦ（Ω）
　　5）转子角速度基值Ωb=ΩN=2πnN/60（rad/s）（式中nN的单位为r/min）
　　6）励磁电流的基值Ifb根据运行情况而定。对应稳态对称运行，定、转子电路
　　互相独立，它们的电流基值间没有变压器中那样的约束关系，可根据应用方便来选取，实用上常取E＝UNM时的励磁电流值If0作为基值。
　　1.同步发电机的运行特性
　　（1）空载特性
图6-24 空载特性及其校正
　　空载特性本质上就是电机的磁化曲线，它既可用实验测出也可用磁路计算得到。用实验测取空载特性时，由于磁滞现象，上升和下降的磁化曲线不相重合。一般规定采用空载电压U≈1.3UN开始到If＝0为止的下降曲线并做成适当修正。由图6-24可见，当If＝0时，有剩磁电动势。这时应延长空载特性与横轴相交，将交点的横坐标绝对值ΔIf0作为校正量，加在测得的空载特性每一点的横坐标上，即可得出另一条通过原点的校正曲线，得到电机实用的空载特性。
　　在进行空载实验时，测出的原动机拖动同步发电机所耗的功率，即为发电机的空载损耗p。同步发电机的空载损耗中主要包含机械损耗pmec和由主极磁场切割定子铁芯产生的定子铁耗pFe。由于电机转速保持为同步转速，机械损耗恒定不变，只有定子铁耗随着空载电压（正比于主磁通）的变化而变化。在实验中，先记录发电机未加励磁时拖动发电机所需的功率，即为被试发电机的机械损耗。再从不同励磁时拖动发电机所需的功率中扣除此项机械损耗，即可算出定子铁耗，其中对应E＝UN时的铁耗值即可作为电机额定运行时的定子铁耗值。
　　（2）短路特性
　　短路特性是发电机在同步转速下，电枢出线端三相稳态短路时，电枢电流（短路电流）Ik与励磁电流If的关系曲线。如图6-25（a）所示，图6-25（b）为三相稳态短路时的同步发电机的矢量图。
图6-25 稳态短路的分析
　　因为U＝0，此时限制短路电流的仅仅是电机的同步阻抗，其中电枢电阻值远小于同步电抗可以忽略，故短路电流滞后于励磁电动势为90&，即ψ≈90&；于是电枢电流全部为直轴电流，电枢磁动势为一纯去磁的直轴磁动势，即Fa＝Fad。此时各磁动势矢量都在同一条直线上，合成磁动势为F′δ=Ff－F′ad=Ff－kadFad，由空载特性求出气隙电动势Eδ。此Eδ值与定子漏阻抗（忽略电阻时是漏电抗）相平衡，即
　　Eδ=I(Ra+jXσ)≈jIXσ(6-26)
　　由于Eδ与漏抗压降平衡，对于一般同步发电机，定子漏抗标么值为X*σ=0.1～0.2，则当短路电流达到额定值时，气隙电动势Eδ值仅为额定电压的10%～20%，故电机磁路处于不饱和状态，对应于图6-25（a）中的C点，F′δ∝Eδ∝I。由于F′ad=kadFad∝I，故励磁磁动势Ff=F′δ+F′ad必然与I成正比，所以短路特性是一条直线。
　　此时的励磁磁动势E′与直轴电枢反应电动势E′ad相加后得出气隙电动势E′δ=-E′σ。此E′是根据气隙电动势Eδ=AC的饱和程度，由OC延长线上查出为E′=BD而并非If=OB在发电机空载时所生的励磁电动势E=BF。
　　图6-25（a）中三角形ABC称为同步电机的特性三角形，它的底边AB为直轴电枢反应磁动势的折算值F′ad而另一直角边AC为漏电抗压降。
　　在进行短路试验时，应测出拖动同步发电机所需的功率，即为发电机的短路损耗pk，它包括机械损耗、电枢绕组基本铜耗和短路杂散损耗，后两者之和称为短路负载损耗。测出不同短路电流Ik时的短路损耗pk值，然后减去机械损耗，即可得到短路负载损耗随电枢电流变化的曲线，再从额定电流下的短路负载损耗减去电枢基本铜耗pcu1=mI2NRa后即为发电机的负载杂散损耗pad，Ra为电枢绕组的直流电阻。
　　由空载试验算出机械损耗pmec和铁耗pFe，再由短路试验算出Ik=IN时的定子铜耗pcu1和负载杂散损耗pad。此外在额定负载下测定出额定励磁电流IfN数值并算出励磁绕组铜耗pcuf=I2fNRf，再由励磁机效率算出同轴励磁机的输入功率，即可算出整个电机的总损耗为
为同步发电机额定负载下的额定功率。
　　当转速为同步转速、端电压为额定电压、功率因数为额定功率因数时，发电机的效率与输出功率的关系曲线，称为电机的效率特性。
　　（3）零功率因数负载特性
　　同步发电机的负载特性是指转速为同步速度，负载电流和功率因数为常值时，发电机的端电压与励磁电流之间的关系曲线U＝f（If）。负载特性是恒电流特性，其中最有意义的是IN＝常数、cosφ=0时的零功率因数负载特性。
　　零功率因数负载特性由电枢绕组接到可变的三相纯电感对称负载，使cosφ≈0，同时调节励磁电流和负载电抗，使负载电流保持为一常值得到。当电机容量较大时，可将电机并入电网作空载过励运行，使电枢输出的无功电流为I＝IN，得到零功率因数负载特性上U＝UN点。接着再作此发电机的三相对称稳态短路试验，测出对应Ik＝IN的励磁电流Ifk，得到零功率因数负载特性上U＝0点。工程中有这两点就够用了。
　　图6-26（a)为忽略电枢电阻Ra时的零功率因数负载的矢量图。此时ψ=φ=90&，电枢磁动势是去磁的直轴磁动势，于是磁动势之间和电动势之间的矢量关系都简化为代数加减关系，即
　　Eδ=U+IXσ
　　F′δ=Ff-F′a(6-29)
　　这样，在图6-26（b)中，额定相电压UNφ=OB所需的空载电流为线段BC，而在零功率因数负载时要保持同一电压却需要大得多的励磁电流If=BF。图中AE=IXσ而AF=Ifa=kadFa/Nf为克服直轴去磁磁动势kadFa=kadFad所需的励磁电流。显然CA是为了提供比UNφ大了的Eδ而增加的励磁电流。由此可见，零功率因数负载特性与空载特性之间相差一个特性三角形（图6-26(b)中画阴影线的直角三角形）。由于测取零功率因数负载特性时电流I为恒值，故该三角形大小不变。
图6-26零功率因数负载特性的分析
图6-27同步发电机的外特性
　　（4）外特性
　　外特性是发电机在n＝nN、If＝常数和cosφ＝常数时，端电压U和负载电流I的关系曲线。
　　图6-27表示不同功率因数时发电机的外特性。在感性负载和纯电阻负载时，电枢反应均有去磁作用，而且定子漏阻抗压降也使端电压减小，所以外特性都是下降的。在容性负载且内功率因数角ψ＜0时，由于电枢反应的增磁作用和容性电流的漏抗压降使端电压上升的作用，外特性可能是上升的。
　　由此可见，为了使不同功率因数下当I＝IN时均能得到U＝UN，在感性负载下应供给较大的励磁电流，此时称发电机在过励状态下运行，而在容性负载下可供给较小的励磁电流，此时称发电机在欠励状态下运行。
　　从外特性可以求出发电机的电压变化率。调节发电机的励磁使其在额定负载时（即I＝IN、cosφ=cosφN）电机端电压为额定电压，此时的励磁电流IfN称为发电机的额定励磁电流。如保持励磁电流和转速不变而卸去负载，即得到外特性上I＝0所对应的点。此时的电压值即等于励磁电动势。这一过程中端电压升高的百分值，就称为同步发电机的电压调整率，即
　　电压调整率是同步发电机的一项运行数据。对于凸极同步发电机，ΔU一般控制在18%～30%以内，对于隐极同步发电机，由于Xt值较大，ΔU一般控制在30%～48%（以上均指cosΦN=0.8滞后时的数值）。
　　（5）调整特性
　　当发电机负载电流变化时，为保持端电压不变，必须调节发电机的励磁电流。当n＝nN、U＝常数、cosφN＝常数时，励磁电流If和负载电流I的关系曲线If=f（I）称为发电机的调整特性。
　　图6-28表示带不同功率因数负载时，同步发电机的调整特性。由图可见，它与外特性的变化趋势正好相反，对于感性和纯电阻负载，转子电流随负载增加而增加，调整特性是上升的，而在容性负载下，因负载电流的助磁作用，特性是下降的。
图6-28同步发电机的调整特性
图6-29由空载和零功率因数特性确定定子漏电抗
　　2.同步发电机的参数计算
　　(1)由空载特性和零功率因数特性确定定子漏电抗
　　由于在空载特性曲线和零功率因数特性曲线之间存在一个不变的特性三角形，该特性三角形的纵边和横边分别对应同步电机的漏抗压降和电枢反应的等效励磁磁动势。如果知道了两条特性曲线，求出它们之间的特性三角形，则可求得对应的定子漏电抗。
　　假定空载特性和零功率因数特性曲线如图6-29所示。在曲线2上取额定电压点A′，过A′作AO的平行线A′O′，且使A′O′＝AO，再过O′作平行于空载特性起始段OB的直线O′B′交曲线1于B′，连B′A′并作B′C′垂直于A′O′交A′O′于C′，则得到特性三角形。平移至短路点即为三角形ΔABC，于是有AC=Ifa，BC=INXσ或Xσ=BC/IN。
　　（2）保梯（Poier）电抗的测定
　　实践表明由试验测得的零功率因数负载特性（如图6-29中虚线所示）与空载特性之间的特性三角形是变化的。
　　其原因如下：
　　首先考虑空载If=OD时的情况。此励磁电流全部作为有效励磁电流来产生气隙磁通，并在定子绕组中感应出气隙电动势Eδ=E=DB′外还产生少量的主极漏磁通。当电机在纯电感负载下运行且If=OK，Ifa=kadFa/Nf=DK时，虽然产生气隙合成磁通所对应的等效励磁电流Ifδ=OD，与空载时相同，但零功率因数负载时产生主极漏磁的励磁电流值却是比OD大得多的OK，因而主极漏磁将显著增大，从而使转子磁极和磁轭两段磁路更加饱和，整个主磁路的磁阻变大。这时尽管气隙合成磁动势不变，但气隙电动势受到磁路饱和度增加的影响，其数值将有所减少，即Eδ＜DB′，在扣除漏抗压降以后实际电压值为KP＜KA′，即U＜UN。故同样励磁电流下实际的零功率因数负载特性的电压值要低于前述的理想化曲线的电压值。
图6-30由空载和短路特性确定x
　　上述分析表明，当考虑转子漏磁影响后，在空载特性和零功率因数负载特性之间的特性三角形是逐渐变动的。在三相稳态短路时，对应于短路点，纵边为INXσ，横边为Ifa，这时的特性三角形称为短路三角形，而对应于额定点上所得的特性三角形称为保梯（Potier）三角形，相应的漏抗称为保梯电抗Xp，保梯电抗大于漏电抗。对隐极机极间漏磁很小，Xp＝（1.05～1.10）Xσ，而在凸极机中，Xp＝（1.1～1.3）Xσ。
　　（3）由空载和短路特性确定Xd的不饱和值
　　同步发电机短路时合成磁动势F′δ很小，它作用在空载特性的直线部分产生很小的气隙电动势Eδ来和漏抗压降IkXσ平衡，此时的电动势相量图可按线性磁路来考虑。因此直轴同步电抗Xd的不饱和值可从图6-30所示的空载特性和短路特性中求出。
　　假定Ff和F′ad分别沿着空载特性直线段的延长线（即气隙线）产生相应的E′和Ead=IkXad，所对应的Xad值为其不饱和值，电动势的平衡方程为
　　E′-jIkXad=Eδ=jIkXσ(6-31)
　　E′=jIk(Xσ+Xad)=jIkXd(6-32)式中：Xd为对应于E′的d轴同步电抗的不饱和值。
　　在图6-30中对任一励磁电流Ifk在气隙线和短路特性上查出励磁电动势E′和短路电流Ik，即可求出直轴同步电抗的不饱和值
　　Xd=E′/Ik(6-33)
　　用标么值表示为
　　（4）利用空载特性和零功率因数负载特性确定Xd的饱和值
图6-31空载特性和零功率因数负载特性确定X
　　当电机在额定电压下负载运行时，磁路已处在饱和状态。严格说此时只能采用磁动势-电动势矢量图，先求出气隙磁动势，在空载特性上求出气隙电动势，再根据电动势平衡式Eδ=U+I(Ra+jXσ)绘制各时间相量。随着电气隙磁动势的变化，电机饱和程度变化，同步电抗的饱和值实际上是气隙磁动势的函数，对不同的运行情况都有不同的数值。但因发电机主要在额定电压下运行，在不同负载电流和功率因数下，其气隙电动势值相差并不大（因为漏抗压降远小于UN），为简化分析，近似地取零功率因数负载特性上，I＝IN和U＝UN运行状态（图6-31中A点）的气隙磁动势Eδ=BL作为考虑发电机额定运行时饱和程度的依据，连O、B两点并将之延长作为此时的线性化空载特性，而由KA的延长线与该线的交点T得出E≈UN+INXd=KA+AT,AT=INXd，故Xd的饱和值为
　　X*d(饱和)=Xd/(UN/IN)=AT/KA
　　（5）短路比
　　短路比是指在一个能产生空载电动势E等于额定电压E＝UN的励磁电流If0下进行三相稳态短路试验，所得到的稳态短路电流Ik0与发电机的额定电流IN的比值，用kc表示。由于短路特性为一直线，此定义又可变为：产生空载额定电压（U＝UN）和产生额定短路电流（Ik＝IN）所需的励磁电流之比，即
　　其中I′f0是产生气隙线上额定电压的励磁电流，kμ为电机主磁路的饱和系数。由式（6-35）可知短路比等于直轴同步电抗不饱和值的标么值的倒数乘以空载额定电压时的饱和系数，是一个计及饱和影响的电机参数。短路比小意味着同步电抗大，发电机的ΔU%较大而且并联运行时的稳定度较差（见下一节）。增大气隙，由于气隙磁导的减小可减小X*d而使短路比增大，但励磁电动势和转子用铜量增大，造价增高。随着单机容量的增长，为了提高材料利用率，对短路比的要求值有所降低。对汽轮发电机，kc＝0.4～1.0；对水轮发电机，kc＝0.8～1.8。
　　（6）电压变化率和额定励磁电流
图6-32 凸极发电机的电压变化率
　　同步发电机的额定励磁电流是设计励磁绕组的根据。额定励磁电流和电压变化率可用直接负载法测出，也可用作图法求出。先分别对凸极和隐极发电机讨论如下。
　　1）凸极同步发电机
　　图6-32（a）是根据双反应理论并考虑了饱和影响时凸极同步发电机相量图。由于交轴气隙很大，可不计磁饱和影响，只考虑直轴磁路的饱和。设电机参数Ra、Xσ、kad和kaq已知，对应于额定负载U＝UN、I＝IN和cosφ=cosφN，作出气隙合成电动势Eδ=OA=UN+INRa+jINXσ。由于AM=AB/cosψ=IqXaq/cosψ=IXaq，故AM=XT的长度可由磁动势kaqFaq/cosψ=kaqFa查空载特性的直线部分而求出。确定了M点位置，即可绘出来确定ψ角，然后可算出Fad=kadFasinψ=kadFad值。
　　从A点作OM的垂线交于B点，OB即为气隙电动势Eδ的直轴分量Ed，再用OB从空载特性求出磁动势即为直轴合成磁动势F′d，把它加上F′ad后即为励磁磁动势Ff=OZ。用OZ在空载特性上求出E=ON后即可算出ΔU%的数值，而将OZ除以励磁绕组每极匝数Nf后即为发电机的额定励磁电流IfN。
图6-33 饱和时隐极电机的保梯图和电压相量图
　　隐极同步发电机饱和时的电磁关系可用保梯图表示，如图6-33所示。此图实际就是将隐极同步发电机的矢量图中的Xσ换成Xp。在图6-33中绘出Eδ=UN+INRa+jINXp，由Eδ值查空载特性得出所需的气隙磁动势F′δ，在矢量图中作F′δ超前Eδ90&，再由f=′δ-′a即可求出f。先由矢量关系画出Eδ，取垂直线段CC′=Eδ，从空载特性上求出Ifδ=OC。与CB=Ifa=kaFa/Nf矢量合成后得到IfN=OB，将OB旋转得IfN，再由此值由空载特性上查出E=DE值，ΔU=(E-UN)/UN&100%。
　　附带的，如果在图6-33中经过对应Eδ值的C′点作线性化空载特性OC′D′，并取OG=CB=Ifa，有GG′=Ea，故隐极同步电机电枢反应电抗的饱和值可确定为
　　从理论上讲，保梯图只适用于隐极电机，但实际应用中，在cosφ=0.8时对凸极发电机采用保梯图（此时取F′a=kadFa来代替Fa）所得出的IfN值的误差通常不超过5%～10%。因此在工程上求解IfN和ΔU时，无论对隐极或凸极电机均可采用保梯图法。
　　例6-2有一台水轮发电机，PN＝15000kW，UN＝13800V（Y接法），cosφN=0.8滞后，X*q=0.62,X*σ=0.24,Ra≈0，电枢磁动势按直轴折算得励磁电流为Ifa=kadFa/Nf=135A。电机的空载特性如下，试求额定负载下E与I的相位角ψ、励磁电流及电压变化率ΔU%
　　解：用标么值计算，设U*=1.0∠0&，则I*=1.0∠-36.87&。因为ψ未知，I*无法分解，故须先求E*Q
　　E*Q=U*+I*Ra+jI*Xq=1.0∠0&+0+j1.0∠－36.87&&0.62=1.46∠19.9&
　　故ψ=θ+φ=19.9&+36.87&=56.77&
　　于是I*d=I*sinψ∠θ-90&=1&sin56.77&∠(19.9&-90&)=0.836∠－70.1&I*q=I*cosψ∠θ=1&cos56.77&∠19.9&=0.55∠19.9&
　　因X*aq=X*q-X*σ=0.62-0.24=0.38
　　E*d=U*+jI*X*σ+jI*qX*aq=1+j1∠-36.87&&0.24+j0.55∠19.9&&0.38=1.14∠19.9&
　　由此电动势实际值ψ，查图6-34的空载特性得出直轴合成磁动势F′d折算的励磁电流值为265A。因为已知电枢磁动势Fa折算的励磁电流值为Ifa＝135A，故直轴电枢磁动势Fad=Fasinψ所折算的励磁电流应为
　　Ifad=kadEad/Nf=Ifasinψ=135sin56.7&=113A
　　所以额定负载时励磁电流为
　　IfN=265+113=378A
图6-34 例6-3图
　　按此值查空载特性可求得在此IfN值下卸去负载后的空载电压为E＝11500V，其标么值为1.27。
　　上述方法理论上较严格但计算较复杂并且必须先测出Xq数值。如果改用保梯图法就要简便得多而且准确度相差不大。
　　先求电动势Eδ，认为X*p≈X*σ，可得
　　E*δ=U*+jI*X*σ=1+j1∠-36.8&&0.24=1.155∠9.55&
　　Eδ与I之间的夹角Φ′=36.8&+9.55&=46.35&
　　由空载特性可求出对应的气隙磁动势折算为励磁电流Ifδ=275A，
　　把Ifδ和Ifa按空间矢量关系绘图，如图6-34所示。可算出
　　If=275+135∠(90&－46.35&)=384∠14&
　　由If＝384A可查得E*=1.274
　　来源于《电机学》，本书由潘再平、章玮、陈敏祥合作编写
　　版权归原作者所有，如有侵权，请联系删除
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