第六章-同步电机

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

阻忽略不计。每相励磁电动势为7520V，试分析下列几种情况接上三相对称负载时的电枢电流值，并说明其电枢反应的性质：

（1）每相是7.52Ω的纯电阻；

（2）每相是7.52Ω的纯感抗；

（3）每相是15.04Ω的纯容抗；

（4）每相是(7.52－j7.52)Ω的电阻电容性负载。

[答案见后]

6.16 有一台P N＝25000kW，U N＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后）的汽轮发电机，X*t＝2.13，电枢电阻略去不计。试求额定负载下励磁电动势E0及E*0

与I*的夹角ψ。

[答案见后]

6.17 一台隐极同步发电机，在额定电压下运行，X*t＝2，R a≈0，试求：

（1）调节励磁电流使定子电流为额定电流时，cosφN＝1，空载电动势E*0是多少？

（2）保持上述E*0不变，当cosφN＝0.866（滞后）时，I*是多少？

[答案见后]

6.18 试验某台S N＝30000kVA，线电压U N＝11000V，I N＝1570A，功率因数cosφ＝0.8（滞后），n N＝3000r/min，f N＝50Hz，Y接法三相汽轮发电机，得到下列数据：（1）空载特性（线值）E0=kI f，k=100V/A ；（2）短路特性I k=24I f；（3）电机额定运行时漏磁电动势，电枢电阻R a=0，试求：（1）运行在额定状态时的励磁电流为多少？

（2）求额定负载下的电压变化率。

[答案见后]

6.19 一台三相隐极发电机与大电网并联运行，电网电压为380V，Y接法，忽略定子电阻，同步电抗X t=1.2Ω，定子电流I=69.51A，相电势E0=278V，cosφ=0.8（滞后）。试求：

（1）发电机输出的有功功率和无功功率；

（2）功率角。

[答案见后]

6.20 一台汽轮发电机额定功率因数为cosφ=0.8（滞后），同步电抗X*t＝0.8，该机并联于大电网，如励磁不变，输出有功功率减半，求电枢电流及功率因数。[答案见后]

6.21 一台三相Y接隐极同步发电机与无穷大电网并联运行，已知电网电压U ＝400V，发电机的同步电抗X t=1.2Ω ，当cosφ=1时，发电机输出有功功率为80kW。若保持励磁电流不变，减少原动机的输出，使发电机输出有功功率为

20kW，忽略电枢电阻，求功率角、功率因数、定子电流、输出的无功功率及其性质。

[答案见后]

6.22 试推导凸极同步电机无功功率的功角特性。

[答案见后]

6.23 一台隐极发电机，S N＝7500kVA，cosφN=0.8（滞后），U N＝3150V，Y接，同步电抗为1.6Ω。不计定子阻抗，试求：

（1）当发电机额定负载时，发电机的电磁功率P em、功角θ、比整步功率P syn及静态过载能力。

（2）在不调整励磁情况下，当发电机输出功率减到一半时，发电机的电磁功率P em、功角θ、比整步功率P syn及负载功率因数cosφ。

[答案见后]

6.24 三相隐极同步发电机，Y接法，S N＝60kVA，U N＝380V，同步电抗X t＝1.55 ，电枢电阻略去不计。试求：

（1）当S＝37.5kVA、cosφ=0.8（滞后）时的E0和θ；

（2）拆除原动机，不计损耗，求电枢电流。

[答案见后]

6.25 三相凸极同步电动机X q＝0.6X d，电枢绕组电阻不计，接在电压为额定值的大电网上运行。已知该电机自电网吸取功率因数为0.80（超前）的额定电流。在失去励磁时，尚能输出的最大电磁功率为电机的输入容量（视在功率）的37％，求该电机在额定功率因数为0.8（超前）时的励磁电动势E0（标么值）和功率角θ。

[答案见后]

6.26 设有一台三相、Y接法凸极同步发电机，测得各种参数如下：X d=1.45Ω, X q=1.05Ω,X-=0.599Ω, X0=0.20Ω。电机每相空载电势E0=220V时，试求：

(1) 三相稳态短路电流；

(2) 两相稳态短路电流；

(3) 单相对中点稳态短路电流；

[答案见后]

参考答案见后

6.1 答：空载时，定子绕组中没有电流，气隙磁场是转子绕组中直流电流激励的。负载以后，定子三相电流产生旋转磁动势，其基波以同步速度旋转，与转子相对静止。气隙磁场是由转子绕组中直流电流和定子绕组中三相交流电流共同激励的。

6.2 答：由于励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较为方便。电枢绕组电压高、电流大、容量大，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，为磁极旋转式。

6.3 答：在凸极同步电机中，采用双反应理论，即当电枢磁动势的轴线既不和直轴也不和交轴重合时，可以将它分解为直轴分量F ad和交轴分量F aq两部分，

再由Φad和Φaq分然后分别求出直轴电枢反应磁通Φad和交轴电枢反应磁通Φaq

，

别求出直轴电枢反应电动势E ad和交轴电枢反应电动势E aq，最后再将它们叠加。

6.4 答：在凸极同步电机中沿电枢圆周的气隙不是很均匀的，分析其电枢反应时，要用双反应理论，即把电枢反应磁动势分解成垂直和平行于电动势E0的两个分量F ad和F aq，它们分别产生直轴电枢反应磁通Φad和交轴电枢反应磁通Φaq，相应的电流也分解成两个分量。因此

，或，

，或，

由于直轴磁路的磁导比交轴磁路的磁导要大得多，同样大小的电流产生的磁通和相应的电动势也都大得多，所以电抗X ad > X aq。

6.5 答：因空载电势和转速成正比，如果转速降为0.95 n N, 则空载电势也降到额定转速下的0.95n N。同步电抗与频率成正比，也降低到0.95倍，所以短路电流I k=E0/X d不变。但当转速再降低时，由于E0和X d都与转速成正比的减小，而电枢电阻R a与转速无关，因此IR a在电动势方程式所占分量已较大，不能忽略不计，随着转速的降低，短路电流减小。

6.6 答：短路时由于电枢反应的去磁作用使气隙磁通很小，电机磁路处于不饱和状态，此时对应的X d是不饱和值。额定负载运行时，气隙磁通较大，直轴磁路处于饱和状态，此时对应的X d是饱和值。交轴磁路气隙大，磁路不饱和，故X q一般取不饱和值。

6.7 答：同步发电机三相突然短路瞬间，各绕组均要保持磁链不变。电枢反应磁通的突然变化。将在转子绕组感应出电流来抵制电枢反应磁通，迫使电枢反应

磁通只能从转子绕组外的漏磁通闭合，磁阻增加使电抗减小，短路电流受超瞬态电抗X"d限制。稳态短路时，电枢反应磁通穿过转子绕组磁路，磁阻小电抗大，短路电流受同步电抗X d限制。因为X"d<

转子各个绕组有电阻，所以短路电流会衰减，阻尼绕组的电抗与电阻的比值比励磁绕组的电抗与电阻的比值小得多，阻尼绕组电流衰减完毕，短路电流受瞬态电抗X′d限制。励磁绕组电流衰减完毕，短路电流受同步电抗限制，即为稳态短路电流，突然短路电流可达额定电流的10～20倍。突然短路电流与合闸瞬间有关，考虑一下两种情况：

（1）合闸瞬间，短路绕组中磁链ψ0=0，此时绕组感应电动势最大；短路电流为感性电流，滞后电动势90°，此时短路电流中只有交流分量而没有直流分量。短路电流起始之受X"d限制，幅值为I"m，如无阻尼绕组，则短路电流起始值受X′d限制，幅值为I′m，稳定短路电流幅值为I m。突然短路电流的表达式为

i k=E om[(1/X"d-1/X′d)exp(-(t/T"d))+(1/X′d-1/X d)exp(-(t/T′d)+1/X d]sinωt

（2）合闸瞬间，短路绕组中磁链最大，ψ0=ψmax，此时绕组感应电动势为零，短路电流滞后电动势90°，为负的最大值。为了保证磁链守恒，短路电流中除交流分量外还有直流分流，直流分量的初始值和交流分量的初始值相等，使总的瞬间电流为零。突然短路电流表达式为

i k=E om[(1/X"d-1/X′d)exp(-(t/T"d))+(1/X′d-1/X d)exp(-(t/T′d)+1/X d]sin(ωt-90o)+(E om /X"d)exp(-(t/T a)

由此可见，直流分量与短路初瞬间该绕组中磁链的大小有关，即与合闸瞬间有关，短路电流应为交流分量（周期性分量）和直流分量（非周期性分量）之和。

6.8 答：在同步电机中，励磁电动势和电机端电压都是向量，不能根据它们的大小来判断电机的运行状态，而应该根据气隙合成磁场与主磁极轴线的相对位置来决定。当主磁极场轴线超前气隙合成磁场轴线时，为发电机状态；重合时为调相机状态；滞后时为电动机状态。

6.9 答：不论是隐极还是凸极同步发电机，在单独运行时其功率因数由负载性质决定。由隐极同步发电机的电压方程式

可知

如果纯电阻负载，则；若为纯感性负载或纯容性负载，则；一般为阻抗性混合负载。改变发电机励磁电流大小，将影响发电机的电势、端电压及输出功率的大小，而不影响功率因数；但如果改变机组转速，将影响发电机的频率、电势、同步电抗和负载电抗，因而将影响功率因数。当同步发电机与大容量电网并联时，由于电网容量很大，电网电压U及频率可认为等于常数。发电机的有功电流由发电机组转矩的大小决定，而无功电流则由励磁电流I f及由其所产生的电动势E0所决定。在一定的有功电流下改变发电机的励磁电流就可以调节发电机的功率因数（详见同步发电机的V形曲线）。

在一定的励磁电流下，改变有功电流同时也调节了发电机的功率因数。故调节励磁电流与机组的输入转矩均可改变其功率因数。要保持功率因数一定，调节有功电流的同时还必须适当地调节无功电流。

6.10 答：当隐极同步发电机的电磁功率不变时，有

因E0=4.44fΦm N1k N1，即E0∝Φm。根据电机的磁化曲线Φm=f(I f)，对于某一I f 值，可以查得相应的E0值。根据电磁功率表达式，在一定的P em、X t及U下可求得功率角θ。又根据电动势平衡方程式

可求得定子电流I的大小及相位。若给出不同I f，可求出在一定P em下的曲线

I=f(I f)，由于该曲线呈V形，又称V形曲线。对应不同的P em值，可得V形曲线簇。

6.11 答：这时各电机的有功功率分配取决于两台原动机的转速－功率特性，无

功功率分配取决于两台电机的励磁电流和当时的端电压。当单独增加一台发电机的输入功率将提高系统频率并且改变有功功率分配，当单独增加一台发电机的励磁电流将提高系统电压并改变无功功率分配，为了保持频率与电压不变，必须将两台电机同时调节，而且往往需要将原动机功率和励磁电流联系在一起调节。

6.12 答：同步电动机与感应电动机相比，最突出的优点是功率因数可以根据需要在一定范围内调节。当不计凸极效应时，它的最大转矩和电网电压成正比，不像感应电机那样和电网电压的平方成正比，所以当电网电压下降时，同步电动机过载能力的减低不像感应电机那样显著。但同步电动机也有缺点；起动起来比较复杂；要有直流励磁电源，结构复杂，价格较贵。

6.13 解：参见图所示电动势相量图，

可知

E0=U cos(ψ-φ)+IX d sinψ+IR a cosψ

= U cosψcosφ+U sinψsinφ+IX d sinψ+IR a cosψ

=(U cosφ+IR a)cosψ+(U sinφ+IX d)sinψ

因

代入上式，得

6.14 答：直轴同步电抗是表征同步电机在对称稳态运行时电枢绕组反应磁场和电枢漏磁场作用的综合性参数，这时直轴电枢反应磁通Φad经过主磁通Φ0所经过的（直轴）磁路。同步电机在对称突然短路时，电枢反应磁通Φ''ad被挤到阻尼绕组和励磁绕组漏磁通的路径上去，与此相应的电抗称为直轴超瞬变电抗，这个磁路的磁阻比主极磁通Φ0（或者Φad磁通）所经过的磁路的磁阻大很多，即磁导小很多，相应的直轴电抗X"d也比X d小很多。由于阻尼绕组的时间常数较小，故其电流衰减快。当阻尼绕组电流衰减完毕后，与此相应的电枢反应磁通Φ'ad

可以穿过阻尼绕组，这时定子周期性电流改为由X'd限制，X'd称为直轴瞬变电抗。其表达式分别为

X d=X ad+Xσ

X'd=X'σ+1/(1/X ad+1/X fσ)

X"d=Xσ+1/(1/X ad+1/X fσ+1/X Ddσ)

同步电机练习题及标准答案

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 >>>>；

电机学答案第6章《同步电机》

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

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（ ）。

电机与拖动第六章自测题答案

（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

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

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

第六章同步电机的基本结构和运行状态

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

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？

第六章同步电机综合习题

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。