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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21qdm U11()s i n 22X 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 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（ ）。
A q aq d ad X X X X X >>>>σ；B σX X X X X q aq d ad >>>>；C σX X X X X ad d aq q >>>>；D σX X X X X aq q 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。
由试验测得它的同步电抗标么值为13.2*=s X 。
电枢电阻忽略不计。
每相励磁电动势为V 7520，试求分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Ω52.7纯电阻； (2) 每相是Ω52.7纯电感；(3) 每相是Ω-)52.752.7(j 电阻电容性负载。
解 阻抗基值 Ω=Ω⨯⨯⨯====Φ53.31025000108.05.10cos 33622NN NNNNN N P UI UI U Z ϕ同步电抗 Ω=Ω⨯==52.753.313.2*N s s Z X X（1） 纯电阻负载时 电枢电流 A A j jXR E I s4570752.752.7075200-∠=+∠=+=电流滞后于0E 的角度为 45=ψ,故电枢反应是直轴去磁兼交磁作用。
（2） 纯电感负载时电枢电流 A A j X Xj E I s90500)52.752.7(07520)(0-∠=+∠=+=此时为 90=ψ,故电枢反应是直轴去磁作用。
（3） 阻容性负载且s X X =时，电枢电流 A A X Xj R E I s0100052.707520)(0∠=∠=-+=此时为0=ψ,故电枢反应是交磁作用。
2. ★有一台kW P N 25000=，kV U N 5.10=，Y 联接，8.0cos =ϕ（滞后）的汽轮发电机，13.2*=sX，电枢电阻略去不计。
试求额定负载下励磁电动势0E 及0E 与I 的夹角ψ。
解 845.2)13.216.0(8.0)sin ()cos (222***2**0=⨯++=++=s X I U U E ϕϕ故 kVkV E E 25.1735.10845.235.10*0=⨯==4425.187.36cos 87.36sin 1554.01cos sin tan =⨯+⨯=+=NNU U IX ϕϕψ因 281.0845.28.0c o s c o s *===EU ϕψ得 67.73=ψ3. ★有一台kW P N 725000=，kV U N 5.10=，Y 接法，8.0cos =N ϕ（滞后）的水轮发电机，0*=a R ，1*=dX，554.0*=q X ，试求在额定负载下励磁电动势0E 及0E 与I 的夹角。
解 8.0c o s =N ϕ 87.36=ϕ 故 27.55=ψ有 822.027.55sin 1sin **=⨯==ψI I d令 01*∠=I87.361*∠=U 则73.34822.09027.55822.0*-∠=-∠=dI 又 57.027.55cos 1cos **=⨯==ψI I q则27.5557.0*∠=q I*****0qq d d X I j X I j U E ++= 544.027.5557.073.34822.0187.361⨯∠+-∠⨯+∠= j j 27.55771.1∠= 故 kV kV U E E N 74.1035.10771.1*00=⨯==4.1887.3627.55=-=-=ϕψθ4. ★★有一台三相1500kW 水轮发电机，额定电压是6300V ，Y 接法，额定功率因数8.0cos =N ϕ（滞后），已知额定运行时的参数：Ω=2.21d X ，Ω=7.13qX，电枢电阻可略去不计。
试计算发电机在额定运行时的励磁电势。
解：Ω===17.21cos 321NN NNNN P UI UZ ϕ11**==NddZ XX646.01**==NqqZ X X43.20481.1)87.3690(646.01****∠=-∠+=+=qQ X I j U E 则3.5743.20=+=N ϕϕ将参考向量改为QE ，则有 349.0937.043.201*j U-=-∠=90842.0sin *-∠=-=ϕj I d54.0cos *==ϕq I则 ******0qq d d X I j X I j U E ++= 78.1646.054.0842.0349.0937.0=⨯++-=j j故 V V UE E N4.64743630078.13*0=⨯==5. ★★有一台凸极同步发电机，其直轴和交轴同步电抗标幺值分别等于1.0,0.6d q X X **==，电枢电阻可以忽略不计。
试计算发电机的额定电压，额定容量，cos 0.8φ=（滞后）时发电机励磁电动势*0E 。
解：（方法一） 令 *1.00U =∠ 1*cos0.836.871.036.87I φ-==∴=∠-计算电动势**** 1.00 1.036.870.60.48 1.44219.44Q qE E jI X j j =+=∠+∠-⨯=1.36+=∠ 019.4436.8756.31I E ψ =+=与的夹角直轴电枢电流 **sin 1sin 56.310.832d I I ψ==⨯=励磁电动势 *****0()1.4420.832(10.6)1.775Q d d qE E I X X =+-=+-= （方法二） ***sin 0.60.6arctan arctan arctan 1.556.31cos 0.8q I X U U φψφ++====直轴电枢电流 **sin 1sin 56.31d I I ψ==⨯励磁电动势****0c o s ()1.0c o s (56.3136.87)0.83211.775d d E U I X ψφ=-+=⨯-+⨯ =0.943+0.832=。
