下载文档原格式
同步电机知识点（整理：王子铟、包振）1.同步电机概述：主要用于发电机，也可用于电动机，其定子结构与异步电机相同，区别主要在转子侧。
同步电机的转子装有磁极，通入直流电流励磁，具有确定的极性。
“同步”的体现：转子旋转的速度必须严格和定子磁场同步。
2.同步电机的转速与负载的大小无关，计算公式为pfn 60=，当同步电机并入无穷大电网时，其转速固定，无法通过各类调节来改变。
3.同步电机的结构和分类：同步电机有旋转电枢式（磁极装在定子上，用于小容量同步电机中）和旋转磁极式（磁极装在转子上，为大中型同步电机的基本形式）两种，主要以旋转磁极式为主。
旋转磁极式同步电机又分为隐极式和凸极式两种隐极式电机的代表：汽轮发电机；凸极式代表：水轮发电机。
4.同步发电机的额定值①额定电压UN （V 、kV ）：额定运行时定子三相绕组上的线电压。
②额定电流IN （A 、kA ）：额定运行时流过定子绕组的线电流。
③额定功率因数cos φN:额定运行时输出有功功率和视在功率比值。
④额定效率ηN ：额定运行时的效率⑤额定容量S N =NN I U 3对发电机是出线端额定视在功率，单位为VA ，kVA 或MVA 对调相机是出线端额定无功功率，单位为var ，kvar 或Mvar ⑥额定功率P N对发电机是额定输出有功电功率P N =S N cos ϕN =N N I U 3cos ϕN对电动机是轴上输出额定机械功率P N =S N cos ϕN ηN =N N I U 3cos ϕN ηN5.同步发电机的空载运行（1）过程建立：转子励磁绕组通以直流励磁电流→形成静止磁场→转子由原动机拖动以同步转速旋转→静止磁场跟随转子一起转动，形成运动的磁场→交变的磁场在定子的三相对称绕组中感应出电动势。
因为定子电枢绕组开路，电枢电流为零，磁场全部由转子电流建立，因此漏磁通仅与转子励磁绕组交链。
感应电动势的计算：若主磁场B0在气隙中正弦分布，且以同步速n1旋转，则在定子绕组中产生对称三相电动势：︒∙︒∙︒∙∠=∠=∠=240,120,0000000E E E E E E C B A 有效值：0111044.4φN k N f E =(601pn f =)隐极机的励磁磁动势是矩形波，凸极机的励磁磁动势是阶梯波。
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 pn =，16060507540f 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。
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qX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 。
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 δs i n 2)X 1X 1(mU dq2-二、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 D2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =ϕ，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 C3. 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 B4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。
Aqaq d ad X X X X X >>>>σ； BσX X X X X q aq d ad >>>>； C σXXXXXad d aq q >>>>； D σX XXXXaqq ad d >>>>。
答 D5. 同步补偿机的作用是（ ）。
A 补偿电网电力不足；B 改善电网功率因数；C 作为用户的备用电源；D 作为同步发电机的励磁电源。
答 B三、判断1. ★负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零 。
（ ） 答 错2. 同步发电机的功率因数总是滞后的 。
（ ） 答 错3. 一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，因此原动机输入功率越大越好 。
（ ） 答 错4. 改变同步发电机的励磁电流，只能调节无功功率。
（ ） 答 错5. ★同步发电机静态过载能力与短路比成正比，因此短路比越大，静态稳定性越好。
（ ） 答 错6. ★同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。
（ ） 答 错7. ★同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。
（ ） 答 错8. 同步发电机的稳态短路电流很大。
（ ） 答 错9. 利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。
（ ） 答 错10. ★凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。
（ ） 答 对11. 与直流电机相同，在同步电机中，U E >还是U E <是判断电机作为发电机还是电动机运行的依据之一。
（ ） 答 错12. ★在同步发电机中，当励磁电动势0E与I 电枢电流同相时，其电枢反应的性质为直轴电枢反应 。
（ ） 答 错四、简答1. ★测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降至0.951n ，对试验结果有什么影响？答 因空载电势E 和转速成正比，如果转速降为195.0n ，则E 也降低到额定转速下的95.0倍。
同步电抗与频率成正比，也降低到95.0倍，所以短路电流d kXEI 0=不变。
2. ★为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不用电枢旋转式？答 由于励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较方便。
电枢绕组电压高、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，为旋转磁极式。
3. ★为什么同步电机的气隙要比容量相同的感应电机的大？答 感应电机的励磁电流由电源供给，需要从电网吸取感性无功功率，如果气隙大，则励磁电流大，电机的功率因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量小一些。
同步电机的气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从同步电机运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比大，运行稳定性高。
但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。
气隙大小的选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求。
4. ★同步发电机电枢反应性质由什么决定?答 电枢磁动势的基波与励磁磁动势同转速、同转向，在空间上始终保持相对静止的关系，但电枢反应的性质取决于这两个磁动势幅值的相对位置，而这一位置与励磁电动势0E和电枢电流I 之间的相位差，即角度ψ有关，角ψ由决定于负载的性质。
当0E与I 同相时，0=ψ，电枢反应为交轴电枢反应，交轴电枢反应使气隙合成磁场幅值增加，而其轴线从主极轴线逆转子转向后移一个锐角。
当I 滞后0E90时，电枢反应为直轴电枢反应，其性质完全是去磁的。
当I 超前0E90时，，也为直轴电枢反应，其性质完全是助磁的。
一般情况下，900<<ψ，此时的电枢反应兼有直轴去磁作用和交磁作用。
5. 试述直轴和交轴同步电抗的意义？如何用试验方法来测定？答 在凸极同步电机中，由于气隙不均匀为了计算方便，将电枢磁动势a F 分解为ad F 和aqF ，分别除以直轴磁阻和交轴磁阻，可得到ad Φ和aq Φ，它们分别在定子绕组感应电动势ad E 和aqE ，写成电抗压降形式，即ad d ad X I j E-= ， aq q aq X I j E -=和分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们分别反映出上述直轴和记者电枢反应磁通的强弱。
直轴同步电抗为 σX X X ad d += 交轴同步电抗为 σX X X ad d +=d X 和q X 表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为A 1时，三相总磁场在电枢绕组中每相感应的电动势。
利用空载和短路特性可测定的d X 不饱和值；利用空载和零功率因数负载特性可测定d X 的饱和值；利用转差法可测定d X 和qX的不饱和值。
6. ★凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗ad X 大于交轴电枢反应电抗aq X？ 答 在凸极电机中沿电枢圆周的气隙是很不均匀的，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0E 的两个分量ad F和aq F ，它们分别产生直轴电枢反应磁通ad Φ和交轴电枢反应磁通aqΦ，相应的电流也分解成两个分量。
因此ad ad ad d E F I ∝Φ∝∝ 或 ad d ad X I E =，d ad d I E X =ad ad ad d E F I ∝Φ∝∝ 或 aq q aqX I E =，q aq q IE X = 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大德多，所以电抗aq aqXX >。
7. ★为什么同步发电机的短路特性是一条直线？答 同步发电机稳态短路时，电枢磁动势基本上是一个纯去磁作用的直轴磁动势，气隙合成磁动势为adf F F F '-='δ，合成电动势为σδX I j E≈，即合成电动势只等于漏抗压降。
所以其对应的气隙合成磁通很小，电机的磁路处于不饱和状态，由于气隙合成磁动势I E F ∝∝'δδ，而I F k F ad ad ad∝='，所以励磁磁动势ad f F F F '+'=δ必然正比于I ，故短路特性)(fk I f I =是一条直线。
8. ★为什么从空载特性和短路特性不能测定交轴同步电抗？为什么从空载特性和短路特性不能准确测定直轴同步电抗？答 凸极同步发电机的电动势方程式为q q d d a X I j X I j R I U E +++=0三相短路时0=U ，由于发电机的电枢电阻远小于同步电抗，短路电流可认为是纯感性的，即 90=ψ，0=q I ，d I I =，d d d X I j X I j E ==0，所以由空载特性测出0E 和短路特性测出I 可求出直轴同步电抗d X 。
由于短路情况下电枢磁动势基基本上是一个纯去磁作用的直轴磁动势，使气隙合成磁动势很小，对应的气隙合成磁通很小，电机磁路处于不饱和状态，这时求出的是d X 的不饱和值。
由于=q I ，不能从空载和短路特性求出qX。
9. ★在直流电机中，U E >还是U E <是判断电机作为发电机运行还是电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？答 在同步电机中，励磁电动势0E和电机端电压U都是电压相量，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轴线与主磁极轴线的相对位置来决定。
当主磁极场轴线超前合成磁场轴线时，为发电机状态；重合时为调相机状态；滞后时为电动机状态。
10. ★什么是同步电机的功角特性？θ角有什么意义？答 当电网电压U 和频率f 恒定，参数d X 和q X为常数、励磁电动势0E 不变时，同步电机的电磁功率只决定于0E 与U的夹角θ，θ称为功率角，)(θf P em =为同步电机的功角特性。
由于电机的漏阻抗远小于同步电抗，从空间上看，功率角θ可近似认为时主磁极轴线与气隙合成磁场轴线之间的夹角；从时间上，功率角θ励磁电动势0E与电压U 之间的夹角。
11. ★一般同步发电机三相稳定短路，当N k I I =时的励磁电流fkI和额定负载时的励磁电流fNI都已达到空载特性的饱和段，为什么前者d X 取未饱和值而后者取饱和值？为什么d X 一般总是采用不饱和值？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，此时对应的是d X 的不饱和值。
额定负载运行时，气隙磁通较大，直轴磁路处于饱和状态，此时对应的是d X 的饱和值。
交轴磁路的气隙大磁阻大，磁路不饱和，故q X一般取不饱和值。
12. ★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 空载时，定子绕组中没有电流，气隙磁场是由转子绕组中的直流电流激励的。
负载后，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产生的。
13. ★同步电机转子表面气隙磁通密度分布的波形是怎样的?转子表面某一点的气隙磁通密度大小随时间变化吗?定子表面某一点的气隙磁通密度随时间变化吗?答：凸极同步电机转子表面气隙磁通密度分布的波形接近于正弦波，其中含有一系列 奇数次谐波；隐极同步电机转子表面气隙磁通密度分布的波形是接近正弦的阶梯状波，其 中也含有一系列奇数次谐波．转子表面某一点的气隙磁通密度大小不随时间变化＜电枢电流为零时)，但由于转子 是旋转的，因此定子表面某一点的气隙磁通密度是随时间变化的．五、计算1. ★有一台三相汽轮发电机，kW P N 25000=，kV U N 5.10=，Y 接法，8.0cos =N ϕ（滞后），作单机运行。
