同步电机在实际运行中,有多种原因可能导致振荡。比如原动机输入转矩的突然变化、电网参数的改变、励磁调节器发生故障、外部负载不稳定或突然变化等因素都能引起电机转速、电流、电压、功率以及转矩的振荡；用自同步法使同步发电机与电网并联以及同步电动机合闸时牵入同步过程也可能引起振荡。
电机振荡对于电机本身及相关联的电力系统和其它电器设备都是不利的,严重时可能造成电机与电力系统失去同步、中断供电或使与电网相关联的电器设备受到损坏。因此,了解和研究同步电机振荡的本质有重要的实际意义。
在振荡过程中电机的转速不再是恒速,同步电机的方程式呈非线性,振荡问题的分析十分复杂。
本文仅对同步电机的小值振荡进行定性分析。所谓小值振荡是指同步电机的功角围绕一个恒定值db作小幅度周期性变化(变化幅度一般为10度以下),电机转速也围绕着同步速作周期性变化。
小值振荡是比较常见的,同步发电机的有功功率的调节过程、同步电动机的拉入同步过程等都伴随有小值振荡。
举例来说,同步发电机与电网并联以后,气隙合成磁势F受电网频率的制约,以同步转速n1旋转,功角的大小仅决定于转子的转速及位置。参看图19.8,设发电机起初稳定运行于a点,此时原动机的输入功率与发电机的电磁功率相平衡,即Pa=PMa,原动机的转矩也和发电机的电磁转矩相平衡,即Ta=TMa 由于电网供电的需要,要求把发电机的电磁功率增大到PMb,整个调节过程为：
①增大原动机的输出功率到Pb,原动机的转矩也增大到Tb；
②由于DT=(Tb-TMa)>0,发电机转子在DT 的作用下加速,功角由da开始增大,达到db 时,发电机的电磁功率也达到PMb,电磁转矩达到TMb,并与原动机的转矩Tb相平衡,发电机转子的加速度变为零,但速度达到*大值；
③由于惯性作用,转子以大于同步速继续前进,功角由db继续增大到dc,发电机的电磁功率也增大到PMc,电磁转矩增大到TMc ④由于DT=(Tb-TMc)<0,发电机的转子在DT的作用下开始减速,功角由dc开始减小,达到db时,发电机的电磁功率也达到PMb,电磁转矩达到TMb,并与原动机的转矩Tb相平衡,发电机转子的加速度又变为零,但速度又达到*小值；
⑤由于惯性作用,转子以小于同步速前进,功角由db继续缩小到da,发电机的电磁功率也减小到PMa,电磁转矩减小到TMa。至此,完成了一个振荡周期,如果没有阻尼作用,这一过程会持续下去。
事实上,同步发电机均装设阻尼绕组。在振荡过程中,阻尼绕组中将出现感应电势和电流,并形成感应转矩。当转子转速高于同步速时,感应转矩起制动作用;而当转子转速低于同步转速时,感应转矩又具有驱动作用。采用阻尼绕组能大大抑制同步电机的振荡。
在了解了超瞬态电抗和瞬态电抗后,便可以分析突然短路后的电枢电流。以A相为例，电枢电流的交变分量iA~为
其中,I"= E0 / Xd",E0为短路前励磁电势有效值，I"称为电枢绕组的超瞬态电流。若无阻尼绕组,则I'= E0 / Xd',I'称瞬态电流。
同样,电枢电流非周期性分量为
由于实际绕组都有电阻,都要消耗能量,各绕组中的电流*终将衰减至稳态短路时的数值。
下面分析电枢电流衰减的规律。可以认为,电枢电流周期性分量的衰减分为两个阶段：
①从超瞬态电流I"衰减到瞬态电流,I'这一阶段的衰减量(I"-I')由阻尼绕组中对应电流的衰减而引起,其时间常数为 Td"=LZ"/RZ(LZ"为对应于阻尼绕组的等效电感,RZ为阻尼绕组的电阻)。
②从瞬态电流I'到稳态电流I,这一阶段的衰减量(I'-I)由励磁绕组中对应电流的衰减而引起,其时间常数为Td'=LF'/RF (LF'为对应于励磁绕组的等效电感,RF为阻尼绕组的电阻)。电枢电流的非周期性分量IA=的衰减由定子绕组本身的电阻引起,其时间常数为Ta"=La"/Ra(La"为对应于定子绕组的等效电感,Ra为定子绕组的电阻)。
以上衰减过程结束后,发电机进入稳态短路,电流变为I =E0/Xd。
根据以上分析,突然短路后电枢电流可以写为
图19.7画出了当a0=0电枢短路电流的情况。在这种情况下,经过半个周期电流达到*大值,通常认为它是超瞬态电流幅值的1.8倍左右。
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