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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<<X d，故突然短路电流比稳态短路电流大得多。
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。
