电机学-同步电机的基本知识和结构

电机学第四篇同步电机第四章同步电机一、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Xq和Xd将。

答增加6. 凸极同步电机气隙增加使Xq和Xd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mU(211?)sin?2 XqXd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 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 X??Xad?Xd?Xaq?Xq；B Xad?Xd?Xaq?Xq?X?；C Xq?Xaq?Xd?Xad?X?；D Xd?Xad?Xq?Xaq?X?。

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。

电机学知识点总结电机，作为现代工业和日常生活中不可或缺的设备，其背后的电机学知识体系庞大而复杂。

下面我们来对电机学的重要知识点进行一番梳理。

首先，电机的分类是我们需要了解的基础。

电机主要分为直流电机和交流电机两大类。

直流电机结构相对简单，调速性能好，常用于对调速要求较高的场合，比如早期的电车和一些工业生产中的调速系统。

交流电机则又包括异步电机和同步电机。

异步电机结构简单、价格低廉、运行可靠，在工农业生产中应用广泛，像常见的风机、水泵大多采用异步电机驱动。

同步电机的转速与电源频率严格同步，具有功率因数可调等优点，常用于大型发电厂以及需要高精度转速控制的场合。

电机的工作原理是电机学的核心内容之一。

直流电机是依靠通电导体在磁场中受到电磁力的作用而转动。

其电磁转矩的大小与电枢电流和磁通成正比。

对于交流电机，异步电机是基于电磁感应原理工作的，定子绕组中通以三相交流电产生旋转磁场，转子绕组中的导体在旋转磁场的作用下产生感应电流，从而受到电磁力使转子转动。

同步电机则是通过转子磁场与定子旋转磁场的相互作用实现同步运行。

在电机的结构方面，无论是直流电机还是交流电机，都由定子和转子两大部分组成。

定子是电机的固定部分，主要包括定子铁芯、定子绕组等。

转子是电机的旋转部分，其结构形式则因电机类型的不同而有所差异。

例如，直流电机的转子有电枢铁芯、电枢绕组和换向器等；异步电机的转子有鼠笼式和绕线式两种，鼠笼式转子结构简单，绕线式转子则可以通过外接电阻来调节转速。

电机的参数也是非常重要的知识点。

比如，直流电机的主要参数有电枢电阻、电枢电感、励磁电阻和励磁电感等。

这些参数对于分析电机的性能和设计控制系统都有着至关重要的作用。

交流电机的参数则包括定子电阻、定子电感、转子电阻、转子电感以及互感等。

电机的运行特性是我们关注的重点之一。

直流电机的运行特性包括转速特性、转矩特性和效率特性等。

通过对这些特性的分析，可以了解电机在不同负载下的性能表现。

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。

同步电动机和同步调相机§12-1 同步电动机的基本方程式和相量图➢从发电机状态过渡到电动机状态E 0定子合成磁场等效磁极Sn1 NTMT1 主极(a)发电机状态NθS jI xsUIθE0jI x sUI (b)空载发电机状态Nθ= S0 0Sn1 T 1NTE 0定子合成磁场等效磁极Sn 1 NT 2T M主极(c) 电动机状态SθNIjI x sU➢从发电机状态过渡到电动机状态当同步发电机变为电动机运行时，功率角和相应的电磁转矩、电磁功率均由正值变为负值，电磁转矩由制动转矩变为驱动性质的转矩。

➢ 电动势方程式和相量图AEX 图12-2同步电动机的规定正方向IU➢电动势方程式和相量图U --I rajI xsEE 0=U -I ra- jI xsU = E0+I ra+ jI xsIθ图12-3 隐极同步电动机相量图E 0E 0=U-I ra-jIdxd-jIqxqU =E0+Ira+ jIdxd+ jIqxq Id图12-4 凸极同步电动机相量图-jIdxdU-I ra-jI xqI -jIqxqψθIq➢时空相矢图 E0=U -I ra- jI xsEF f 1U-jI xs-I raIϕ θFa➢起动方法辅助电动机、调频、异步改变励磁可以调节电动机的功率因数，这是同步电动机最可贵的特性。

因为在电网上主要的负载是异步电动机和变压器，它们都要从电网中吸收电感性无功功率，如果将运行在电网上的同步电动机工作在过励状态，使它们从电网中吸收电容性无功功率（即向电网发出感性无功功率），从而提高了电网的功率因数。

同步调相机：不带机械负荷，运行于电动机状态，专用来改善电网功率因数的同步电机称为同步调相机或称为同步补偿机。

除供应本身损耗外，它并不从电网吸收更多的有功功率，因此同步调相机总是在接近于零的电磁功率和零功率因数的情况下运行。

忽略同步调相机的全部损耗，则电枢电流全是无功分量，其电动势方程式为U = E0 + jI xsjI x sU jI x sE 0 E 0UII (a)过励(b)欠励图12-14 同步调相机的相量图同步调相机在过励时可看作是电网的一个电容性无功负载，而欠励时则为一个电感性的无功负载，只要调节励磁电流，就能灵活地调节它的无功功率大小。

电机的根底知识和详细介绍电机泛指能使机械能转化为电能、电能转化为机械能的一切机器。

特指发电机、电能机、电动机。

电机及电机学概念电机定义：是指依据电磁感应定律实现电能的转换或传递的一种电磁装置。

电动机也称电机〔俗称马达〕，在电路中用字母“M〞〔旧标准用“D〞〕表示。

它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源。

发电机在电路中用字母“G〞表示。

它的主要作用是利用机械能转化为电能，目前最常用的是，利用热能、水能等推动发电机转子来发电，随着风力发电技术的日趋成熟，风电也慢慢走进我们的生活。

变压器，在有的书上称之为静止的电机。

从电机的定义发现，这么说也有它的道理的。

电动机的种类1．按工作电源分类根据电动机工作电源的不同，可分为直流电动机和交流电动机。

其中交流电动机还分为单相电动机和三相电动机。

2．按构造及工作原理分类根据电动机按构造及工作原理的不同，可分为直流电动机，异步电动机和同步电动机。

同步电动机还可分为永磁同步电动机、磁阻同步电动机和磁滞同步电动机。

异步电动机可分为感应电动机和交流换向器电动机。

感应电动机又分为三相异步电动机、单相异步电动机和罩极异步电动机等。

交流换向器电动机又分为单相串励电动机、交直流两用电动机和推斥电动机。

直流电动机按构造及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。

有刷直流电动机可分为永磁直流电动机和电磁直流电动机。

电磁直流电动机又分为串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机和复励直流电动机。

永磁直流电动机又分为稀土永磁直流电动机、铁氧体永磁直流电动机和铝镍钴永磁直流电动机。

3．按起动及运行方式分类根据电动机按起动及运行方式不同，可分为电容起动式单相异步电动机、电容运转式单相异步电动机、电容起动运转式单相异步电动机和分相式单相异步电动机。

4．按用途分类可分为驱动用电动机和控制用电动机。

驱动用电动机又分为电开工具〔包括钻孔、抛光、磨光、开槽、切割、扩孔等工具〕用电动机、家电〔包括洗衣机、电风扇、电冰箱、空调器、录音机、录像机、影碟机、吸尘器、照相机、电吹风、电动剃须刀等〕用电动机及其它通用小型机械设备〔包括各种小型机床、小型机械、医疗器械、电子仪器等〕用电动机。

同步电动机和同步调相机§12-1 同步电动机的基本方程式和相量图¾从发电机状态过渡到电动机状态¾从发电机状态过渡到电动机状态当同步发电机变为电动机运行时，功率角和相应的电磁转矩、电磁功率均由正值变为负值，电磁转矩由制动转矩变为驱动性质的转矩。

¾功角特性、功率、转矩平衡关系¾V形曲线¾起动方法辅助电动机、调频、异步改变励磁可以调节电动机的功率因数，这是同步电动机最可贵的特性。

因为在电网上主要的负载是异步电动机和变压器，它们都要从电网中吸收电感性无功功率，如果将运行在电网上的同步电动机工作在过励状态，使它们从电网中吸收电容性无功功率（即向电网发出感性无功功率），从而提高了电网的功率因数。

同步电动机和同步调相机§12-5 同步调相机电网的负载主要是异步电动机和变压器，它们从电网吸取感性无功功率，而使电网的功率因数降低，减少有功功率的传输能力，并使整个电力系统的设备利用率和效率降低。

如能在适当地点把负载所需的感性无功功率就地供给，避免远距离输送，则既减小线路损耗和电压降，又可减轻发电机的负担而充分利用它的容量，应用同步调相机便是解决这一问题的一个有效方法。

同步调相机：不带机械负荷，运行于电动机状态，专用来改善电网功率因数的同步电机称为同步调相机或称为同步补偿机。

除供应本身损耗外，它并不从电网吸收更多的有功功率，因此同步调相机总是在接近于零的电磁功率和零功率因数的情况下运行。

忽略同步调相机的全部损耗，则电枢电流全是无功分量，其电动势方程式为sx I j E U &&&+=0同步调相机在过励时可看作是电网的一个电容性无功负载，而欠励时则为一个电感性的无功负载，只要调节励磁电流，就能灵活地调节它的无功功率大小。

由于电力系统中大多数为感性负载所以同步调相机通常在过励状态下运行，它的额定容量也是指过励运行的容量。

只在电网基本空载，由于长输电线对地电容的影响，使受电端电压偏高时，才让同步调相机在欠励下运行以保持电网电压的稳定。