11章 同步发电机的基本工作原理和结构 课后答案

14-1水轮发电机和汽轮发电机结构上有什么不同，各有什么特点？14-2 为什么同步电机的气隙比同容量的异步电机要大一些？14-3 同步电机和异步电机在结构上有哪些异同之处？14-4 同步发电机的转速为什么必须是常数？接在频率是50Hz电网上，转速为150r/min的水轮发电机的极数为多少？14-5 一台三相同步发电机S N=10kV A，cosφN=0.8（滞后），U N=400V，试求其额定电流I N和额定运行时的发出的有功功率P N和无功功率Q N。

14-6 同步电机在对称负载下稳定运行时，电枢电流产生的磁场是否与励磁绕组匝链？它会在励磁绕组中感应电势吗？14-7 同步发电机的气隙磁场在空载状态是如何激励的，在负载状态是如何激励的？14-8 隐极同步电机的电枢反应电抗与与异步电机的什么电抗具有相同的物理意义？14-9 同步发电机的电枢反应的性质取决于什么，交轴和直轴电枢反应对同步发电机的磁场有何影响？答案：14-3 2p=4014-4 I N=14.43A，P N=8kW，Q N=6 kvar15-1 同步电抗的物理意义是什么？为什么说同步电抗是与三相有关的电抗，而它的值又是每相的值？15-2 分析下面几种情况对同步电抗有何影响：（1）铁心饱和程度增加；（2）气隙增大；（3）电枢绕组匝数增加；（4）励磁绕组匝数增加。

15-9 (1) *0E =2.236， (2) *I =0.78（补充条件： Ｘ*S 非=1.8） 15-10 (1) *0E =1.771, 0E =10.74kV ，4.18=θ 15-11 0 2.2846E *=, 013.85kv E =，32.63θ=15-12 012534.88v E =，57.42ψ=，387.61A d I =，247.7A q I =16-1 为什么同步发电机的稳态短路电流不大，短路特性为何是一直线？如果将电机的转速降到0.5n 1则短路特性，测量结果有何变化？16-2 什么叫短路比，它与什么因素有关？16-3 已知同步发电机的空载和短路特性，试画图说明求取Ｘd 非和Kc 的方法。

11第11章同步发电机的基本工作原理和结构第3篇同步电机现代电力系统中的交流电能几乎都是发电厂中的同步发电机发出的。

但从运行原理上讲，同步电机不仅可以用作发电机运行、也可作为电动机或调相机运行。

本篇主要介绍同步发电机的工作原理、性能、参数及运行方式，对同步电动机和调相机作简要介绍。

大型同步发电机与异步电动机比较，二者的定子相同，其三相绕组流过三相对称电流都将产生一个旋转磁场；但二者的转子却差别很大。

同步发电机转子的主要特点是：①转子绕组外加直流励磁电流而产生一个恒定磁场；②转子转速与定子旋转磁场转速相同，即转子与定子磁场严格保持同步旋转。

因此称为同步电机。

第11章同步发电机的基本工作原理和结构[内容]本章论述同步发电机的基本工作原理、分类与额定值，简述其基本结构与励磁方式。

[要求]●掌握同步发电机的基本工作原理、类型和额定值。

●了解同步发电机的基本结构及各主要部件的作用。

● 了解同步发电机的励磁系统。

11.1 同步发电机的工作原理、分类与额定值一、同步发电机的基本工作原理同步发电机是将机械能转换为电能的电磁装置。

三相同步发电机的基本工作原理可用图11.1.1说明。

同步电机的定子铁心槽内安放着空间相隔o 120电角度的三相对称绕组U1U2、V1V2、W1W2。

转子主要由磁极铁心和励磁绕组组成。

当励磁绕组通入直流电流后，建立恒定的转子磁场。

转子由原动机拖动以转速n 匀速旋转时，转子磁场不断切割定子三相对称绕组，在三相绕组中感应出三相交变电动势,其方向可用右手定则确定。

由于定子三相绕组在空间位置上互差o 120电角度，所以三相电动势在时间上互差o 120相位。

1．感应电动势的波形根据感应电动势公式Blv e =可知,当导体有效长度l 和导体切割磁场线速度v 为常数时，B e ∝，即导体感应电动势的波形取决于转子磁场沿气隙空间分布的波形。

若把转子磁极的极弧设计制造成适当的形状，使它产生的磁场沿气隙空间按正弦规律分布，则定子绕组就能得到正弦波形的感应电动势。

同步电机习题与答案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]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]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]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]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，对试验结果有什么影响[答案见后]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]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]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]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]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]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]同步电动机与感应电动机相比有何优缺点[答案见后]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]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]有一台三相汽轮发电机，P N＝25000kW，U N＝，Y接法，cosφN＝（滞后），作单机运行。

由试验测得它的同步电抗标么值为X*t＝。

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Ω的纯电阻；（2）每相是Ω的纯感抗；（3）每相是Ω的纯容抗；（4）每相是－Ω的电阻电容性负载。

《电机学》习题解答(吕宗枢)-11章-CAL-FENGHAI.-(YICAI)-Company One1第11章 思考题与习题参考答案11.1 同步发电机感应电动势的频率和转速有什么关系? 在频率为50H Z 时，极数和转速有什么关系答:频率与转速的关系为：60pn f = 当频率为Hz 50时，30005060=⨯=pn 。

11.2 为什么汽轮发电机采用隐极式转子，水轮发电机采用凸极式转子？答：汽轮发电机磁极对数少（通常p =1），转速高，为了提高转子机械强度，降低转子离心力，所以采用细而长的隐极式转子；水轮发电机磁极对数多,转速低，所以采用短而粗的凸极式转子。

11.3 试比较同步发电机与异步电动机结构上的主要异同点。

答：同步发电机和异步电动机的定子结构相同，都由定子铁心、定子三相对称绕组、机座和端盖等主要部件组成。

但这两种电机的转子结构却不同，同步发电机的转子由磁极铁心和励磁绕组组成，励磁绕组外加直流电流产生恒定的转子磁场。

转子铁心又分为隐极式和凸极式两种不同结构。

异步电动机的转子分为笼型和绕线型两种结构形式，转子绕组中的电流及转子磁场是依靠定子磁场感应而产生的，故也称为感应电动机。

11.4 一台汽轮发电机，极数22=p ，MW 300=N P ，kV 18=N U ，85.0cos =N ϕ，Hz 50=N f ，试求：（1）发电机的额定电流；（2）发电机额定运行时的有功功率和无功功率。

解：（1）A U P I N N NN 6.1132085.010********cos 336=⨯⨯⨯⨯==ϕ（2）MW P N 300= MVA P S N N N 94.35285.0/300cos /===ϕv ar 186527.094.352sin M S Q N N N =⨯==ϕ11.5一台水轮发电机，极数402=p ，MW 100=N P ，kV 813.U N =，9.0cos =N ϕ，Hz 50=N f ，求：（1）发电机的额定电流；（2）发电机额定运行时的有功功率和无功功率；（3）发电机的转速。

同步发电机工作原理
发电机是将机械能转换为电能的设备，同步发电机是一种常见的发电机类型。

它的工作原理可以简单概括为根据法拉第电磁感应定律，在磁场中通过转子与定子之间的相对运动来产生电压。

同步发电机包括转子和定子两部分。

转子是由电磁铁芯和线圈构成的，线圈中通有直流电流。

定子是由电磁铁芯和线圈构成的，线圈中通有交流电流。

在工作时，首先将外部的机械能输入到发电机的转子上，使其开始旋转。

转子产生的旋转运动会使得转子上的电磁铁芯与定子之间产生相对运动。

当转子上的电磁铁芯与定子线圈相对运动时，定子线圈中的磁感线会切割过线圈，根据法拉第电磁感应定律，磁感线的变化会在定子线圈中感应出电动势。

由于定子线圈中通有交流电流，因此在定子线圈中就会产生交流电压。

这样，通过定子线圈中的电压输出，同步发电机就将机械能转换为了电能。

这里需要注意的是，因为转子上的电磁铁芯与定子之间的相对运动速度不是无限大的，所以同步发电机产生的电压是交流电。

需要指出的是，同步发电机的特点是其输出电压的频率和电网的频率一致。

这是因为电机的转速是由输入的机械能决定，而电压的频率又与转速相关。

在电力系统中，通过调整同步发电
机的转速可以使得输出的电压频率与电网的频率保持一致，从而保证电力系统的正常运行。

同步发电机的基本结构和工作原理同步发电机是一种采用电磁感应原理将机械能转化为电能的设备。

它是电力系统中最常用的发电机类型之一，其结构和工作原理对于我们深入了解发电机的工作机制具有重要意义。

本文将介绍同步发电机的基本结构和工作原理。

一、基本结构同步发电机的基本结构包括定子、转子、励磁系统和机械部分。

1. 定子：定子是发电机的不动部分，通常由一组三相绕组和铁心构成。

三相绕组均匀分布在铁心上，并通过定子上的三个相序对称的绕组实现电能的产生。

2. 转子：转子是发电机的旋转部分，通常由一组绕组和铁心构成。

转子的绕组称为励磁绕组，其目的是通过旋转产生磁通，并与定子磁通相互作用，从而引发电磁感应。

3. 励磁系统：励磁系统是发电机提供直流电源的部分，通常由励磁机、整流器和调压器组成。

励磁机通过机械能驱动，产生直流电流，并经过整流器和调压器进行稳定和调节。

励磁系统的主要功能是提供足够的电流，以激励转子产生磁通。

4. 机械部分：机械部分包括轴、轴承和飞轮等设备，用于支持转子的旋转以及传递机械能。

二、工作原理同步发电机的工作原理基于电磁感应和电磁力的相互作用。

1. 励磁：当发电机启动时，励磁机产生的直流电流通过励磁绕组，形成转子磁通。

转子磁通的大小和方向决定了转子在定子磁场中受到的电磁力。

若磁通与定子磁场同相，转子将受到斥力；若磁通与定子磁场反相，转子将受到吸力。

通过调整励磁电流的大小和方向，可以控制电机的输出功率和功角。

2. 电磁感应：当励磁电流形成转子磁通后，转子通过与定子磁场的相互作用，产生感应电动势并输出电能。

根据电磁感应定律，当转子绕组被电磁力驱动旋转时，绕组中将产生感应电动势，从而产生电流。

这些感应电流通过定子绕组，形成电磁场，并与转子磁场相互作用，维持着发电机的运转。

3. 同步：同步是指发电机输出的频率和电流与电网频率和电流相匹配。

在发电机输出电能时，通过调整励磁电流和转速来保持发电机的同步，以确保发电机与电网的稳定运行。

6.1交流绕组的基本知识答案1、2、6 2 3、4、1 0.966 5、（B）6、27、0.866 0.9668、（B）6.2交流绕组的电动势答案1、频率一条支路线圈的匝数N 绕组系数每极下的磁通2、使气隙磁密在空间尽可能按正弦波分布三相绕组接成Y接线采用短距绕组采用分布绕组3、 Y接线4、（D）5、答：同步发电机无论采用星形接线还是角形接线都能改善线电动势的波形，而问题是采用角形接线后，角形接线的三相绕组中有3及3的奇次倍谐波环流，增大附加损耗，会使电机效率下降，温度升高，故同步发电机一般不用角形接线来改善电动势波形；而变压器只有采用角形接线来改善电动势波形。

6.3交流绕组的基波磁动势答案1、脉动相绕组的轴线上2、脉动磁动势幅值的一半相反同相3、答：一相绕组短线：为旋转磁动势；一相电源短线：为脉动磁动势。

4、答：一相绕组短线或一相电源短线均为脉动磁动势。

5、答：短距系数分布系数故短距线匝电动势=分布绕组电动势=因为，，故短距绕组电动势或分布绕组电动势等于整距线匝电动势或集中绕组电动势打了一个折扣，故它们的物理意义实为一个折扣系数。

构成整距线匝的两槽导体电动势在时间相位上互差（反相），故其电动势为两槽导体电动势的代数和，而构成短距线匝的两槽导体电动势的相位差小于，故短距线匝电动势为两槽导体电动势的相量和，由数学知识可知，相量和小于等于代数和，故K总是小于等于1。

同样构成集中绕组各线圈电动势同相（因集中在同一槽内），故集中绕组电动势为各线圈电动势的代数和，而构成分布绕组的各线圈电动势不同相（因分布于各槽内）故分布绕组电动势为各线圈电动势的几何和，因此 6、三相对称绕组通入三相对称电流 9000 W相绕组轴线上7、（C）8、答：合成磁动势为0（不存在幅值、转速、转向与正序的比较）支路电流极距每极每相槽数槽距角基波短距系数基波分布系数基波绕组系数每相串联匝数基波磁动势同步转速10、答：转速升高，为原来转速的倍，既，（1）频率，故频率增加1.02倍。

同步发电机的工作原理同步发电机是一种通过机械能转化为电能的设备，它是电力系统中的重要组成部分。

在发电厂、风力发电场、水力发电站等地方，同步发电机都发挥着重要的作用。

它的工作原理是将机械能转化为电能，并与电网同步运行，稳定地输出电能。

下面将详细介绍同步发电机的工作原理。

1. 磁场和电流的相互作用。

同步发电机的工作原理基于磁场和电流的相互作用。

在同步发电机中，通过转子的旋转产生磁场，而定子绕组中通过交流电流产生磁场。

当这两个磁场相互作用时，就会产生电磁感应，从而使发电机产生电能。

2. 三相交流发电。

同步发电机一般采用三相交流发电。

在同步发电机中，转子上的磁场是由直流电源提供的，而定子绕组中则通过交流电流产生磁场。

这样，当转子旋转时，就会在定子绕组中感应出交流电流，从而产生三相交流电。

这种方式可以有效地提高发电机的效率和稳定性。

3. 同步运行。

同步发电机的另一个重要特点是能够与电网同步运行。

在发电机运行时，它的转子速度会与电网的频率保持同步，这样就可以稳定地输出电能。

同时，同步发电机还可以通过调节励磁电流来控制输出电压和频率，以满足电网的需求。

4. 励磁系统。

同步发电机的励磁系统是保证其正常运行的关键。

励磁系统通过提供适当的励磁电流，使发电机的转子产生恒定的磁场，从而保持稳定的输出电压和频率。

励磁系统的设计和控制对于发电机的性能和稳定运行至关重要。

5. 调压系统。

为了保证同步发电机稳定地输出电能，通常还需要配备调压系统。

调压系统可以根据电网的负载变化，实时调节发电机的输出电压，以保持电网的稳定运行。

调压系统通常采用自动控制，能够快速、准确地响应电网的需求。

总之，同步发电机是一种通过磁场和电流相互作用，将机械能转化为电能的设备。

它能够稳定地与电网同步运行，输出稳定的电能。

励磁系统和调压系统是保证同步发电机正常运行的关键。

通过对同步发电机的工作原理进行深入了解，可以更好地理解其在电力系统中的重要作用。

电机学第11章同步发电机的基本工作原理和结构同步发电机是一种利用电力机械装置将机械能转化为电能的设备。

它与其他发电机相比，具有稳定性高、功率因数优、无功功率调节范围广等特点，被广泛应用于电力系统中。

本文将介绍同步发电机的基本工作原理和结构。

一、同步发电机的基本工作原理同步发电机的基本工作原理是基于磁场的相互作用。

当同步发电机的转子与定子的磁场达到同步时，电机就能够正常运转并发电。

1. 磁场产生同步发电机中的磁场产生方式主要有两种：励磁电流产生磁场和永磁产生磁场。

励磁电流产生磁场通过电励磁方式，在定子绕组上通入一定的励磁电流，产生一个旋转的磁场。

这个旋转的磁场称为励磁磁场。

永磁产生磁场则是指在转子上安装具有恒定磁场的永磁体，这种磁场可以不需要外部电流供给而一直存在。

2. 磁场相互作用同步发电机的转子磁场与定子磁场之间会发生相互作用，从而产生电势差。

当转子的磁场与定子的磁场达到同步时，其相互作用最强，电势差也最大。

这个电势差就是同步发电机的输出电压。

3. 转子与定子的同步为了保持转子磁场与定子磁场的同步，同步发电机需要维持一个稳定的转速。

这可以通过机械方式（如涡轮机、风力机）或电子方式（如电子调速装置）来实现。

二、同步发电机的结构同步发电机的结构主要分为转子部分和定子部分。

下面将分别介绍。

1. 转子部分同步发电机的转子部分主要由转子铁心和励磁机构组成。

转子铁心是由导磁材料制成的，可以有效地导引磁场。

励磁机构则提供励磁电流，使转子产生磁场。

2. 定子部分同步发电机的定子部分主要由定子铁心、定子绕组和绕组固定装置组成。

定子铁心用来固定定子绕组，减少能量损耗。

定子绕组则是通过电流产生磁场，与转子产生相互作用。

三、同步发电机的应用同步发电机广泛应用于电力系统中，主要用于发电、补偿、调节等方面。

1. 发电同步发电机能够将机械能转化为电能，通过与电网连接，将发电产生的电能输送到电网供电。

在电网中，同步发电机能够提供稳定的电能，满足用户的用电需求。

同步发电机的基本结构和工作原理一、同步发电机的类型同步发电机按其原动机的不同，可分为汽轮发电机和水轮发电机两种。

在火电厂中，用汽轮机作为发电机的原动机，转速高（常为1500~3000r/min）；在水力发电站中，用水轮机作为发电机的原动机，转速低（通常在 1000r/min 以下）。

按发电机转子结构的不同，同步发电机可分为隐极式和凸极式两种，如图1-1 所示。

隐极式转子呈圆形，转速高，转子直径小，但长度长，汽轮发电机通常为隐极式。

凸极式转子具有突出的磁极，发电机的励磁绕组绕在磁极上，转速低，常用于水轮发电机。

按发电机与原动机的连接方式不同，同步发电机又有立式和卧式之分，汽轮发电机均为卧式的，水轮发电机两种型式都有；按冷却介质及冷却方式可分为：空气冷却、氢气冷却、水冷却和混合冷却方式等；按照发电机励磁方式来分，同步发电机可分为他励方式和自励方式；按发电机旋转部分划分，有旋转磁场式和旋转电枢式，以旋转磁场式发电机居多，其电枢绕组是定子的一部分，又叫定子绕组。

图1-1（a）隐极式；（b）凸极式二、同步发电机的基本结构同步发电机由定子(固定部分)和转子(转动部分)两部分组成。

1.定子定子是同步发电机的电枢部分,用以产生三相交流电能。

定子由定子铁芯、定子绕组、机座等组成。

定子铁芯由内圆冲有嵌线槽的硅钢片叠装而成,定子绕组用绝缘扁铜线或漆包线绕制而成,并三相对称地嵌放在定子铁芯槽内,如图1-1、图1-2 所示。

定子三相绕组通常接成星形,机座是用来固定铁芯和承受荷重的2.转子由上述,同步发电机的转子有两种结构型式,即凸极式和隐极式。

水轮发电机的转子是凸极式,凸极式转子由磁极铁芯、磁轭、励磁绕组、转子支架、转轴等主要部分组成。

磁极是用1~1.5mm 厚的钢板冲成磁极冲片后铆装成一个整体。

在磁极铁芯上套有励磁绕组。

励磁绕组是由扁铜线绕成,匝间垫有绝缘,励磁绕组与磁极本身之间隔有绝缘。

各励磁绕组串联后接到滑环上。

磁轭通常由整块钢板或用铸钢做成,它用来固定磁极,是磁路的一部分。