第六章同步电机
一、填空
1.
★在同步电机中，只有存在电枢反应才能实现机电能量转换。答
交轴2.
同步发电机并网的条件是：（1）；（2）；（3）。答
发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致3.
★同步发电机在过励时从电网吸收，产生电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出，产生
电枢反应。答超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴助磁4.★同步电机的功角
δ有双重含义，一是和之间的夹角；二是和
空间夹角。
答
主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压5.
凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将。答
增加6.
凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将。
答减小7.★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为。
答si n 2
)X 1X 1
(mU d q 2二、选择
1.同步发电机的额定功率指（
）。A 转轴上输入的机械功率；
B 转轴上输出的机械功率；
C 电枢端口输入的电功率；
D 电枢端口输出的电功率。答
D 2.★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性
8.0cos ，则其电枢反应的性质为
（）。A 交轴电枢反应；
B 直轴去磁电枢反应；
C 直轴去磁与交轴电枢反应；
D 直轴增磁与交轴电枢反应。答
C 3.同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（）。
A 漏阻抗较大；
B 短路电流产生去磁作用较强；
C 电枢反应产生增磁作用；
D 同步电抗较大。答 B
第六章 同步电机 一、填空 1. ★在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。 答 交轴 2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3）。 答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致 3. ★同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出，产生 电枢反应。 答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁 4. ★同步电机的功角δ有双重含义，一是和之间的夹角；二是 和 空间夹角。 答 主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压 5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将 。 答 增加 6. 凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将 。 答 减小 7. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。 答 δs i n 2)X 1 X 1( mU d q 2 - 二、选择 1. 同步发电机的额定功率指（ ）。 A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率； C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。 答 D 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =?，则其电枢反应的性质为（ ）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应； C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。 答 C 3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。 A 漏阻抗较大； B 短路电流产生去磁作用较强； C 电枢反应产生增磁作用； D 同步电抗较大。 答 B 4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。 A q aq d ad X X X X X >>>>σ； B σX X X X X q aq d ad >>>>；
第六章 同步电机 6．1 同步电机和异步电机在结构上有哪些区别？ 同步电机：转子直流励磁，产生主磁场，包括隐极和凸极 异步电机：转子隐极，是对称绕组，短路，绕组是闭合的，定子两者都一样。 6．2 什么叫同步电机？怎样由其极数决定它的转速？试问75r/min 、50Hz 的电机是几极的？ 同步电机：频率与电机转速之比为恒定的交流电机601f p n = ，1 606050 7540f n P ?= ==（极） 6．3 为什么现代的大容量同步电机都做成旋转磁极式？ ∵励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较为方便，而电枢绕组电压高 ，电流大，放在转子上使结构复杂，引出不方便，故大容量电机将电枢绕组作为定子，磁极作为转子，称为旋转磁极式。 6．4汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？为什么有这样的特点？ 气轮发电机：转速高，一般为一对极，min 3000r n =，考虑到转子受离心力的作用，为很好的固定励磁绕组，转子作成细而长的圆柱形，且为隐极式结构。转子铁心一般由高机械强度和磁导率较高的合金钢锻成器与转轴做成一个整体，铁心上开槽，放同心式励磁绕组。 水轮发电机：n 低，2P 较多，直径大，扁平形，且为立式结构，为使转子结构和加工工艺简单，转子为凸极式，励磁绕组是集中绕组，套在磁极上，磁极的极靴行装有阻尼绕组。 6．6 为什么水轮发电机要用阻尼绕组，而汽轮发电机却可以不用？ 水轮发电机一般为凸极结构，为使转子产生异步转矩，即能异步起动，加阻尼绕组。 汽轮发电机一般为隐极结构，它起动时的原理与异步机相同，∴不必加起动绕组。 6．7 一台转枢式三相同步发电机，电枢以转速n 逆时针方向旋转，对称负载运行时，电枢反应磁动势对电枢的转速和转向如何？对定子的转速又是多少？ 对电枢的转速为n ，为定子的转速为0，方向为顺时针。原因是：要想产生平均转矩，励磁磁势与电枢反应磁势必然相对静止，而现在励磁磁势不变。∴电枢反应磁势对定子也是相对静止的，而转子逆时针转，∴它必须顺时针转，方能在空间静止。 6．11 试述交轴和直轴同步电抗的意义。为什么同步电抗的数值一般较大，不可能做得很小？请分析下面几种情况对同步电抗有何影响？ （1）电枢绕组匝数增加； （2）铁心饱和程度提高； （3）气隙加大； （4）励磁绕组匝数增加。 d X ，q X 表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A 时，三相联合产生的总磁场（包 括在气隙中的旋转电枢反应磁场和漏磁场）在电枢绕组中每相感应的电动势气隙大，同步电抗大，短路比大，运行稳定性高，但气隙大或同步电抗小，转子铜量大，成本增加，∴同步电抗不能太小。d ad X X X σ=+ q aq X X X σ=+ （1）电枢绕组匝数增加，产生的直轴交轴电枢反应磁通增大，∴d X ，q X 增加，（∵ E N ∝∴,ad aq E E ↑电流不变,ad aq X X ↑）
第六章 同步电机习题课 一、填空 1. ★在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。 答 交轴 2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3） 。 答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致 3. ★同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出 ，产生 电枢反应。 答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁 4. ★同步电机的功角δ有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。 答 励磁电动势，电压，主极轴线，气隙合成磁场轴线 5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使q X 和d X 将 。 答 不变 6. 凸极同步电机气隙增加使q X 和d X 将 。 7. 答 减小 8. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。 答 2 1 q d m U 11( )s i n 2 2X X δ- Ω 二、选择 1. 同步发电机的额定功率指（ ）。 A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率； C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。 答 D 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =?，则其电枢反应的性质为 （ ）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应； C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。 答 C 3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。 A 漏阻抗较大； B 短路电流产生去磁作用较强； C 电枢反应产生增磁作用； D 同步电抗较大。 答 B 4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。
（一）填空题： 1. 同步发电机的短路特性为一直线，这是因为在短路时电机的磁路处于不饱和状态。 2. 同步发电机正常情况下并车采用准同期法，事故状态下并车采用自同期法。 3. 同步调相机又称为同步补偿机。实际上就是一台空载运行的同步电动机，通常工作于过励状态。 4. 同步发电机带负载时，如0o<Ψ<90o，则电枢反应磁动势F a可分解为 F ad=F a sinΨ，F aq=F a cosΨ。其中F ad电枢反应的性质为去磁性质，F aq电枢反应的性质为交磁性质。 5. 同步发电机与无穷大电网并联运行，过励时向电网输出感性无功功率，欠励时向电网输出容性无功功率。 6. 一台汽轮发电机并联于无穷大电网运行，欲增加有功功率输出，应增大进汽量，欲增加感性无功功率输出，应增加励磁电流。（填如何调节） 7. 汽轮发电机气隙增大时，则同步电抗X t减小，电压调整率?U减小，电机制造成本增加，增加静态稳定性能增加。 8. 当同步电机作发电机运行时，在相位上，超前于；作电动机运行时，滞后于。 （二）判断题： 1. 凸极同步发电机由于其电磁功率中包括磁阻功率，即使该电机失去励磁，仍可能稳定运行。（√） 2. 采用同步电动机拖动机械负载，可以改善电网的功率因数，为吸收容性无功功率，同步电动机通常工作于过励状态。 （√） 3. 同步发电机过励运行较欠励运行稳定，满载运行较轻载运行稳定。（×） 4. 同步发电机采用准同期法并车，当其他条件已满足，只有频率不同时，调节发电机的转速，使其频率与电网频率相等时，合上并联开关，即可并车成功。（×） 5. 汽轮同步发电机与无穷大电网并联运行，只调节气门开度，既可改变有功功率又可改变无功功率输出。（√）
第六章同步电机 6.1 同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？[答案见后] 6.2 为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不采用电枢旋转式？ [答案见后] 6.3 在凸极同步电机中，为什么要采用双反应理论来分析电枢反应？ [答案见后] 6.4 凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗X ad大于交轴电枢反应电抗 X aq？ [答案见后] 6.5 测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降为原来0.95n N，对试验结果有什么影响？ [答案见后] 6.6 一般同步发电机三相稳定短路，当I k=I N时的励磁电流I fk和额定负载时的励磁电流I fN都已达到空载特性的饱和段，为什么前者X d取不饱和值而后者取饱和值？为什么X q一般总是采用不饱和值？ [答案见后] 6.7 为什么同步发电机突然短路，电流比稳态短路电流大得多？为什么突然短路电流大小与合闸瞬间有关？ [答案见后] 6.8 在直流电机中，E>U还是U>E是判断电机作为发电机还是作为电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？为什么？
[答案见后] 6.9 当同步发电机与大容量电网并联运行以及单独运行时，其cosφ是分别由什么决定的？为什么？ [答案见后] 6.10 试利用功角特性和电动势平衡方程式求出隐极同步发电机的V形曲线。[答案见后] 6.11 两台容量相近的同步发电机并联运行，有功功率和无功功率怎样分配和调节？ [答案见后] 6.12 同步电动机与感应电动机相比有何优缺点？ [答案见后] 6.13 凸极式同步发电机在三相对称额定负载下运行时，设其负载阻抗为R+jX，试根据不考虑饱和的电动势相量图证明下列关系式 [答案见后] 6.14 试述直流同步电抗X d、直轴瞬变电抗X′d、直轴超瞬变电抗X"d的物理意义和表达式，阻尼绕组对这些参数的影响？ [答案见后] 6.15 有一台三相汽轮发电机，P N＝25000kW，U N＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后），作单机运行。由试验测得它的同步电抗标么值为X*t＝2.13。电枢电
第六章 同步电机的稳态分析 ?同步电机亦是一种常用的交流电机。与感应电机相比较，同步电机的特点是转子的转速n 与电网频率f 之间具有固定不变的关系,即p f n n s /60==(单位为转/分），转速s n 称为同步转速。若电网的频率不变,则同步电机的转速恒为常值与负载的大小无关。 从原理上看，同步电机即可用作为发电机，亦可用作为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机。在工矿企业和电力系统中,同步电动机和补偿机用的也不少。 ?本章先简要地介绍同步电机的结构，然后说明空载和负载时同步发电机内的电磁过程，并导出其基本方程。再进一步讨论同步发电机的运行特性、并联运行及同步电动机和同步补偿机,最后分析同步发电机的不对称运行和特种同步电动机。 6.1 同步电机的基本结构和运行状态 ?先说明同步电机的基本结构和运行状态，并简要介绍同步电机的励磁方式和额定值。 一、 同步电机的基本结构 按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。前者的电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。对于高压、大容量的同步电机,长期的制造和运行经验表明，采用旋转磁极式结构比较合理。由于历次部分的容量和电压常较电枢小的多，把电枢装设在定子上,主磁极装设在转子上，电刷和集电环的负载就大为减轻。工作条件得以改善。所以目前旋转磁极式结构已
成为中、大型同步电机的基本结构形式。 ?在旋转磁极式电机中,按照转子主级的形状,同步电机又可分为隐极式和凸极式两种基本型式。如图6-1所示。隐极式转子做成圆柱形，气隙均匀;凸极式转子有明显的凸出的磁极，气隙不均匀。对于高速的同步电机（30０0ｒ/ｍiｎ),从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑,采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠。对于低速电机（10００r/ｍin及以下)，由于转子的圆周速度较低、离心力较小,故采用制造简单,励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。 大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动,前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机，大多做成凸极式,少数二极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。 ?隐极同步电机：以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一
第六章同步电机的稳态分析 6.1 同步电机的基本结构和运行状态 一、同步电机的基本结构 按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。 旋转电枢式——电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。 旋转磁极式——主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构型式。 在旋转磁极式电机中，按照主极的形状，又可分成隐极式和凸极式，如图6-l所示。 隐极式——转子做成圆柱形，气隙为均匀； 凸极式——转子有明显凸出的磁极，气隙为不均匀。 对于高速的同步电机(3000r／min)，从转子机械强度和妥善地 固定励磁绕组考虑，采 用励磁绕组分布于转 子表面槽内的隐极式 结构较为可靠。对于低 速电机(1000r／min及 以下)，转子的离心力
较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。大型同步发电机通常采用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机，大多做成凸极式，少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。 隐极同步电机 以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000r／min(对50Hz的电机)。由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式结构，图6-2表示一台汽轮发电机的外形图。汽轮发电机的定子由定子铁心、定子绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般用厚0.5mm的DR360硅钢片叠成，每叠厚度为3-6cm，叠与叠之间留有宽0.8～lcm的通风槽，整个铁心用非磁性压板压紧，固定在机座上。 图6-2汽轮发电机的外形图图6-3 汽轮发电机的转子
第六章 同步电机 6．1 同步电机和异步电机在结构上有哪些区别？ 同步电机：转子直流励磁，产生主磁场，包括隐极和凸极 异步电机：转子隐极，是对称绕组，短路，绕组是闭合的，定子两者都一样。 6．2 什么叫同步电机？怎样由其极数决定它的转速？试问75r/min 、50Hz 的电机是几极的？ 同步电机：频率与电机转速之比为恒定的交流电机601f p n =，1 60605075 40f n P ?= = =（极） 6．3 为什么现代的大容量同步电机都做成旋转磁极式？ ∵励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较为方便，而电枢绕组电压高 ，电流大，放在转子上使结构复杂，引出不方便，故大容量电机将电枢绕组作为定子，磁极作为转子，称为旋转磁极式。 6．4汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？为什么有这样的特点？ 气轮发电机：转速高，一般为一对极，min 3000r n =，考虑到转子受离心力的作用，为很好的固定励磁绕组，转子作成细而长的圆柱形，且为隐极式结构。转子铁心一般由高机械强度和磁导率较高的合金钢锻成器与转轴做成一个整体，铁心上开槽，放同心式励磁绕组。 水轮发电机：n 低，2P 较多，直径大，扁平形，且为立式结构，为使转子结构和加工工艺简单，转子为凸极式，励磁绕组是集中绕组，套在磁极上，磁极的极靴行装有阻尼绕组。 6．5 伞式和悬式水轮发电机的特点和优缺点如何？试比较之。 6．6 为什么水轮发电机要用阻尼绕组，而汽轮发电机却可以不用？ 水轮发电机一般为凸极结构，为使转子产生异步转矩，即能异步起动，加阻尼绕组。 汽轮发电机一般为隐极结构，它起动时的原理与异步机相同，∴不必加起动绕组。 6．7 一台转枢式三相同步发电机，电枢以转速n 逆时针方向旋转，对称负载运行时，电枢反应磁动势对电枢的转速和转向如何？对定子的转速又是多少？ 对电枢的转速为n ，为定子的转速为0，方向为顺时针。原因是：要想产生平均转矩，励磁磁势与电枢反应磁势必然相对静止，而现在励磁磁势不变。∴电枢反应磁势对定子也是相对静止的，而转子逆时针转，∴它必须顺时针转，方能在空间静止。 6．8 试分析在下列情况下电枢反应的性质。 （1）三相对称电阻负载； （2）纯电容性负载8.0=*C X ，发电机同步电抗0.1=* t X ； （3）纯电感性负载7.0=* L X ； （4）纯电容性负载2.1=*C X ，同步电抗0.1=* t X 。 6．9 三相同步发电机对称稳定运行时，在电枢电流滞后和超前于励磁电动势0E 的相 位差大于?90的两种情况下（即?<>?-18090ψ）， 电枢磁动势两个分量ad F 和aq F 各起什么作用？
第六章同步电机 1. ★在同步电机中，只有存在 _______________ 电枢反应才能实现机电能量转换。 答交轴 2. 同步发电机并网的条件是：（1） __________________________ ；（2） _________________ （3） ______________________ 。 答 发电机相序和电网相序要一致， 发电机频率和电网频率要相同， 发电机电压和电网电压 大小要相等、相位要一致 3. ★同步发电机在过励时从电网吸收 _____________ ，产生 ____________ 电枢反应；同步电 动机在过励时向电网输出 ___________ ，产生 _________ 电枢反应。 答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁 4. ★同步电机的功角 3有双重含义，一是 ______________ 和 __________ 之间的夹角；二是 和 ____________ 空间夹角。 答 主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压 5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使 X q 和X d 将 _________________ 。 答增加 6. 凸极同步电机气隙增加使 X q 和X d 将 __________________ 。 7. 答减小 8. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩 为 _____________________________ 。 2 1 1 答 mU 2（— —）s i n 2 X q X d 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性 COS’ =0.8，则其电枢反应的性质为 （）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应； C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。 答 C 3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。 A 漏阻抗较大； B 短路电流产生去磁作用较强; C 电枢反应产生增磁作用； D 同步电抗较大。 答B 4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。 填空 选择 1. 同步发电机的额定功率指（ A 转轴上输入的机械功率; C 电枢端口输入的电功率; 答 D ）。 B 转轴上输出的机械功率; D 电枢端口输出的电功率。