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 p
n =，1
60605075
40f 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。 6．5 伞式和悬式水轮发电机的特点和优缺点如何？试比较之。
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。 6．8 试分析在下列情况下电枢反应的性质。 （1）三相对称电阻负载；
（2）纯电容性负载8.0=*C X ，发电机同步电抗0.1=*
t X ；
（3）纯电感性负载7.0=*
L
X
；
（4）纯电容性负载2.1=*C X ，同步电抗0.1=*
t X 。
6．9 三相同步发电机对称稳定运行时，在电枢电流滞后和超前于励磁电动势0E 的相
位差大于?90的两种情况下（即?<>?-18090ψ），
电枢磁动势两个分量ad F 和aq F 各起什么作用？
6．10 在凸极同步电机中，如果ψ为一任意锐角，用双反应理论分析电枢反应磁通a
Φ 和电枢反应磁动势a F 两个矢量是否还同相？a Φ 与它所感应的电动势a
E 是否还差?90？ 6．11 试述交轴和直轴同步电抗的意义。为什么同步电抗的数值一般较大，不可能做得很小？请分析下面几种情况对同步电抗有何影响？
（1）电枢绕组匝数增加； （2）铁心饱和程度提高； （3）气隙加大；
（4）励磁绕组匝数增加。
d X ，q X 表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A 时，
三相联合产生的总磁场（包括在气隙中的旋转电枢反应磁场和漏磁场）在电枢绕组中每相感应的电动势气隙大，同步电
抗大，短路比大，运行稳定性高，但气隙大或同步电抗小，转子铜量大，成本增加，∴同步电抗不能太小。d ad X X X σ=+ q a q X X X σ=+
（1）电枢绕组匝数增加，产生的直轴交轴电枢反应磁通增大，∴d X ，q X 增加，（∵
E N ∝∴,ad aq E E ↑电流不变,ad aq X X ↑）
（2）铁心饱和程度提高，μ↓磁阻增大，∴d X ，q X 减小。 （3）气隙加大，磁阻增大，d X ，q X 减小。
（4）同步电抗反应的是电枢电流产生的磁场性质与励磁绕组无关，不管什么电抗都
有，2a l
X W N
μ=
6．12 试根据不饱和时的电动势相量图证明下列关系式。 （1）隐极同步发电机
?
?ψc o s s i n t a n
U IR U IX a t ++=
ψψθs i n c o s c o s
0t a IX IR U E ++= （2）凸极同步发电机
?
?
ψcos sin tan U IR U IX
a q
++=
ψψθs i n c o s c o s
0d a IX IR U E ++= 其中，?为I 滞后于U 的夹角，即功率因数角；ψ为I 滞后于0E 的夹角；θ为U 滞后于0
E 的夹角，且有?ψθ-=。
6．13 试证明不考虑饱和时ad X 和aq
X
的公式为
d N ad k p
k N k l mf X 2
12
04δ
πτμδ=
q N aq k p
k N k l mf
X 212
04δ
πτμδ=
6．15 为什么d X 在正常运行时应采用饱和值，而在短路时却采用不饱和值？为什么q X 一般总只采用不饱和值？
正常运行时d 轴是饱和的，∴用d X 的饱和值，而在短路时，由于d I 的去磁作用，使d 轴不饱和，∴用不饱和值。
6．16 测定同步发电机空载特性和短路特性时，如果转速降为N n 95.0，对实验结果将有什么影响？如果转速降为N n 5.0，则实验结果又将如何？
∵0E n ∝，当0.95N n n =，则'
000.95E E =同步电抗与频率成正比也降为0.95倍，∴
短路电流0d
E k X I =
不变。当0.05N n n =时，∵0E 和d X 都与转速成正比减小，而a R 与转速
无关，∴a IR 在电动势方程中所占分量已较大，不能忽略∴随n ↓，k I ↓
6．17 为什么同步发电机三相对称稳态短路特性为一条直线？
∵短路时，电极磁势基本上是一个纯去磁作用的直轴磁势，即'
'
f ad F F F δ=-合成电动
势E jIx σσ= 所以起对应的气隙合成磁通很大，电机磁路不饱和，而'F E I δδ∝∝ ad
F I ∝ ∴''
f ad F F F I δ=+∝ ∴()k f I f I =是一条直线。
6．18 什么叫短路比？它的大小与电机性能及成本的关系怎样？为什么允许汽轮发电机的短路比比水轮发电机的小一些？
同步发电机在额定转速下运行时，产生空载额定电压与产生额定稳态短路电流所需的励磁电流之比，它等于在产生空载额定电压的励磁电流下三相稳态短路电流的标么值，即
000()()
f N k fk k N N
I U U I c I I I I k ===
=
c k 小，U ?大，稳定度较差，但电机造价较便宜，增大气隙，可减小
d X
使短路比增大，电机性能变好，但转子用铜量增大，造价高。
气轮机的c k 小一些，水轮机0.8 1.8c k = ∵水电站输电距离长，稳定问题较严重。
6．19 一台同步发电机的气隙比正常气隙的长度偏大，d X 和U ?将如何变化？
δ↑ d X ↓ U ?↓
6．20 同步发电机发生三相稳态短路时，它的短路电流为何不大？
同步稳态短路时，短路电流主要由直轴同步电抗d X 限制，而d X 值一般较大，即去磁作用的电枢反应磁动势较大，使气隙合成磁动势较小，气隙电动势较小，∴短路电流不是很大。
6．21 同步发电机供给一对称电阻负载，当负载电流上升时，怎样才能保持端电压不变？
电阻负载，说明输出为有功功率，要增大负载电流，端电压不变，而增大有功功率输出，∴应增加原动机的输入功率。
6．22 为什么从开路特性和短路特性不能测定交轴同步电抗？
凸极同步发电机的电势平衡方程式：0a d d q
q E U I R j I X j I X =+++ 当0U =时，a R X ∴ 0d d q q
E jI X jI X =+ 是纯感性的，即90ψ= 0q I = d I I = ∴0d d d E jI X jIX =+ ∴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 （不饱和值），而此时0q I = ∴不能从空载和短路特性求出q X
6．23 低转差法测量d X 和q X 的原理是什么？如果在实验时转差太大，对测量结果会造成什么影响？
6．24 三相同步发电机投入并联运行的条件是什么？如果不满足条件会产生什么后
果？
①相序一致②频率相同③电压大小相等，相位相同。如不满足条件，在发电机和电网间产生环流，导致发生电磁冲击和机械冲击。
6．27 并联于无穷大电网的隐极同步发电机，当调节有功功率输出时欲保持无功功率输出不变，问此时θ角及励磁电流f I 是否改变，此时I 和0E 各按什么轨迹变化？
6．28 一台同步发电机单独供给一个对称负载（R 及L 一定）且转速保持不变时，定子电流的功率因数?cos 由什么决定？当此发电机并联于无穷大电网时，定子电流的?cos 又由什么决定？还与负载性质有关吗？为什么？此时电网对发电机而言相当于怎样性质的电源？
6．29 画出凸极同步发电机失去励磁（00=E ）时的电动势相量图，并推导其功角特性，此时θ角代表什么意义？
6．30 为何在隐极电机中定子电流和定子磁场不能相互作用产生转矩，但是在凸极电机中却可以产生？
6．33 试证明在计及定子电阻时，隐极发电机的输出功率2P 、电磁功率em P 和功率角θ的关系式各为 ()ρρθs i n s i n
2
02t
t
Z U
m Z U mE P -+=
()ρρθs i n s i n
2
00t
t
em Z E m Z U mE P +-=
式中，t
a X R arctan
=ρ；t Z 为同步阻抗的模，即2
2t a t X R Z +=。
6，37 同步电动机带额定负载时，如1cos =?，若在此励磁电流下空载运行，?cos 如何变？
6．38 从同步发电机过渡到电动机时，功率角θ、电流I 、电磁转矩em T 的大小和方向有何变化？
6．39 为什么当?cos 滞后时电枢反应在发电机的运行里为去磁作用而在电动机中却为助磁作用？
6．40 一水电厂供应一远距离用户，为改善功率因数添置一台调相机，此机应装在水电厂内还是在用户附近？为什么？
6．41 有一台同步电动机在额定状态下运行时，功率角θ为?30。设在励磁保持不变的情况下，运行情况发生了下述变化，问功率角有何变化（定子电阻和凸极效应忽略不计）： （1）电网频率下降5%，负载转矩不变；
（2）电网频率下降5%，负载功率不变；
（3）电网电压和频率各下降5%，负载转矩不变。
6．42 同步电动机为什么没有起动转矩？其起动方法有哪些？
6．43 为什么变压器的正、负序阻抗相同而同步电机的却不同？同步电机的负序阻抗与感应电机相比有何特点？
6．44 负序电抗-X 的物理意义如何？它和装与不装阻尼绕组有何关系？
6．45 有两台同步发电机，定子完全一样，但一个转子的磁极用钢板叠成，另一个为实心磁极（整块锻钢），问哪台电机的负序阻抗要小些？
6．46 为何单相同步发电机通常都在转子上装阻尼作用较强的阻尼绕组？ 6．55 步进电动机的原理是怎样的？步进电动机的相数与极数有何联系？
6．56 有一kW P N 25000=、kV U N 5.10=、Y 联接、8.0cos =N ?（滞后）的汽
轮发电机，13.2=*t X ，电枢电阻略去不计，试求额定负载下发电机的励磁电动势0E 及0
E 与I 的夹角ψ。
6．57 有一kW P N 72500=、kV U N 5.10=，Y 联接、8.0cos =N ?（滞后）的水
轮发电机，0≈*
a R ，1=*d
X
，554.0=*q X ，试求额定负载下发电机的励磁电动势0E 及0
E 与U
的夹角。 6．58 有一台三相1500kW 水轮发电机，额定电压为6300V ，Y 联接，额定功率因数
8.0cos =N ?（滞后），已知它的参数Ω=2.21d X ，Ω=7.13q
X
，电枢电阻可略去不计，
试绘相量图并计算发电机在额定运行状态时的励磁电动势0E 。
6．60 某三相72500kW 水轮发电机，kV U N 5.10=，Y 联接，8.0cos =N ?（滞后），554.0=*
q X 。电机的空载、短路和零功率因数特性如下：
零功率因数特性（N I I =时）
设p X X 9.0=σ，试求：
（1）*
d X （不饱和值），*
d X （饱和值），*
aq
X 和短路比；
（2）*
fN I 和U ?。
6．61 一台12000kW 的2极汽轮发电机，V U N 6300=，Y 联接，8.0cos =N ?（滞后）。已知定子有48槽，每槽两个导体，绕组节距201=y 槽，一条并联支路，转子励磁绕组每极240匝。a R 略去不计，0.1=f k ，空载特性如下：
短路特性为一过原点的直线。在N k I I =时，A I f
127=,试求：
（1）同步电抗t X （不饱和值）；
（2）额定负载运行时的励磁电流fN I 及电压调整率U ?。
6．64 一台汽轮发电机，8.0cos =?（滞后），0.1=*t X ，电枢电阻可以忽略不计。该发电机并联在额定电压的无穷大电网上。不考虑磁路饱和程度的影响，试求：
（1）保持额定运行时的励磁电流不变，当输出有功功率减半时，定子电流标幺值*I 和功率因数?cos 各等于多少？
解：设10U *= 136.87N I *=- 0.8em N P *
=
1(0.80.6) 1.60.8 1.7926.56O N N t
E U jI X j j j ****=+=+-=+= 输出有功功率减半时，有12
0.80.4em P *=?
=
**00.411.791
sin 0.223t em P
X E U
θ**
??=
=
= 12.89θ= ∴*0
1.791
2.89E = ∴**0
*
1.79(cos1
2.89sin 12.89)1
*
0.3990.7540.84561.83t
E U j j
jX I j -?+-=
=
=-=
∴定子电流标么值：0.845I *= 61.83?= cos cos 61.830.472?==
（2）若输出有功功率仍为额定功率的一半，逐渐减小励磁到额定励磁电流的一半，问发电机能否静态稳定运行？为什么？此时*I 和?cos 又各为多少？
12
f fN I I =
时，'*10020.895E E *
=
= '*
0*'sin t
E U
em X P θ**=
'
0.41
0.8951s i n 0.447
θ??=
= '
26.5590θ=<
能稳定运行 '***
*
0.89526.551
0.895(0.8950.447)1
0.80.41
'
t
E U j j j
j
j
jX I --?+-+-=
=
=
=
=0.40.20.44726.57j =+=
c o s c o s 26.57
.?==
6．65 一台汽轮发电机并联于无穷大电网，额定负载时功率角?=20θ，现因外线发生故障，电网电压降为N
U %60，问：为使θ角保持在?25，应加大励磁使0E 上升为原来
的多少倍？
6．67 一台50000kW 、13800V （Y 联接）、8.0cos =N ?（滞后）的水轮发电机并联于一
无穷大电网上，其参数为0≈a R ，15.1=*
d X ，7.0=*
q X ，并假定其空载特性为一直线，
试求：
（1）当输出功率为10000kW 、0.1cos =?时发电机的励磁电流*
f I 及功率角θ； 3
I =
=
100000.8500001
0.16N
I I
I I *
??=
=
=
=
*
sin 100.160.7
11
cos ar 6.39q
U I X U ctg
arctg
??
***
+?+??ψ=== 6.39θψ?=-=
*
*
**
*
*
*
0cos cos sin 1cos 6.390.16sin 6.39 1.15 1.014
d d d E U I X U I X θθψ=+=+=?+?=
00**
0 1.014f fN
N
I E f
I E I E ==
== ∵空载特性为一直线。
（2）若保持此输入有功功率不变，当发电机失去励磁时θ等于多少？发电机还能稳定运行吗？此时定子电流I 、?cos 各为多少？
发电机失去励磁00E = 则2
*
*
*
*
112
(
)sin 2q
d
U
em
X X P θ=
-
*
10000
100000.850000.16em P N N
N
P em S P ?=
=
=
= ∴1112
0.7 1.15
()sin 20.16θ?-= 17.46
θ=
∵ 17.4645θ= ∴发电机能稳定运行。
由相量图： **cos d
d I X U θ*
= *
*
c o s 1
c o s 17.46
1.15
0.829
d
U d X I θ*
?==
=
**sin q q I X U θ*
= *
*s i n 1
s i n 17.460.7
0.429
q
U q X
I θ*
?=
=
=
0.934I *=
=
=
3
0.9342442.2()N I I I A *==?=
3
cos 0.171?=
=
=（超前）
6．69 三相隐极式同步发电机额定容量kVA S N 60=，Y 联接，V U N 380=，Ω=55.1t X ，0≈a R 。当电机过励，8.0cos =?（滞后），kVA S 5.37=时，
（1）作相量图，求0E ，θ；
（2）移去愿动机，不计损耗，作相量图，求I ；
（3）改作同步电动机运行，em P 和f I 同第（1）项，作相量图；
（4）机械负载不变，em P 同第（1）项，使1cos =?，作相量图，求此时的0E 。
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q X 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 。 答 减小 7. ★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 1 X 1( mU d q 2 - 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 D 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =?，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 C 3. 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 B 4. ★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 >>>>；
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 p n = ，1 606050 7540f 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。 6．11 试述交轴和直轴同步电抗的意义。为什么同步电抗的数值一般较大，不可能做得很小？请分析下面几种情况对同步电抗有何影响？ （1）电枢绕组匝数增加； （2）铁心饱和程度提高； （3）气隙加大； （4）励磁绕组匝数增加。 d X ，q X 表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A 时，三相联合产生的总磁场（包 括在气隙中的旋转电枢反应磁场和漏磁场）在电枢绕组中每相感应的电动势气隙大，同步电抗大，短路比大，运行稳定性高，但气隙大或同步电抗小，转子铜量大，成本增加，∴同步电抗不能太小。d ad X X X σ=+ q aq X X X σ=+ （1）电枢绕组匝数增加，产生的直轴交轴电枢反应磁通增大，∴d X ，q X 增加，（∵ E N ∝∴,ad aq E E ↑电流不变,ad aq X X ↑）
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 2 1 q d m U 11( )s i n 2 2X 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 D 2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性8.0cos =?，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 C 3. 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 B 4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。
（一）填空题： 1. 同步发电机的短路特性为一直线，这是因为在短路时电机的磁路处于不饱和状态。 2. 同步发电机正常情况下并车采用准同期法，事故状态下并车采用自同期法。 3. 同步调相机又称为同步补偿机。实际上就是一台空载运行的同步电动机，通常工作于过励状态。 4. 同步发电机带负载时，如0o<Ψ<90o，则电枢反应磁动势F a可分解为 F ad=F a sinΨ，F aq=F a cosΨ。其中F ad电枢反应的性质为去磁性质，F aq电枢反应的性质为交磁性质。 5. 同步发电机与无穷大电网并联运行，过励时向电网输出感性无功功率，欠励时向电网输出容性无功功率。 6. 一台汽轮发电机并联于无穷大电网运行，欲增加有功功率输出，应增大进汽量，欲增加感性无功功率输出，应增加励磁电流。（填如何调节） 7. 汽轮发电机气隙增大时，则同步电抗X t减小，电压调整率?U减小，电机制造成本增加，增加静态稳定性能增加。 8. 当同步电机作发电机运行时，在相位上，超前于；作电动机运行时，滞后于。 （二）判断题： 1. 凸极同步发电机由于其电磁功率中包括磁阻功率，即使该电机失去励磁，仍可能稳定运行。（√） 2. 采用同步电动机拖动机械负载，可以改善电网的功率因数，为吸收容性无功功率，同步电动机通常工作于过励状态。 （√） 3. 同步发电机过励运行较欠励运行稳定，满载运行较轻载运行稳定。（×） 4. 同步发电机采用准同期法并车，当其他条件已满足，只有频率不同时，调节发电机的转速，使其频率与电网频率相等时，合上并联开关，即可并车成功。（×） 5. 汽轮同步发电机与无穷大电网并联运行，只调节气门开度，既可改变有功功率又可改变无功功率输出。（√）
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
第六章 同步电机的稳态分析 ?同步电机亦是一种常用的交流电机。与感应电机相比较，同步电机的特点是转子的转速n 与电网频率f 之间具有固定不变的关系,即p f n n s /60==(单位为转/分），转速s n 称为同步转速。若电网的频率不变,则同步电机的转速恒为常值与负载的大小无关。 从原理上看，同步电机即可用作为发电机，亦可用作为电动机或补偿机。现代发电站中的交流发电机几乎全部都是同步发电机。在工矿企业和电力系统中,同步电动机和补偿机用的也不少。 ?本章先简要地介绍同步电机的结构，然后说明空载和负载时同步发电机内的电磁过程，并导出其基本方程。再进一步讨论同步发电机的运行特性、并联运行及同步电动机和同步补偿机,最后分析同步发电机的不对称运行和特种同步电动机。 6.1 同步电机的基本结构和运行状态 ?先说明同步电机的基本结构和运行状态，并简要介绍同步电机的励磁方式和额定值。 一、 同步电机的基本结构 按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。前者的电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。对于高压、大容量的同步电机,长期的制造和运行经验表明，采用旋转磁极式结构比较合理。由于历次部分的容量和电压常较电枢小的多，把电枢装设在定子上,主磁极装设在转子上，电刷和集电环的负载就大为减轻。工作条件得以改善。所以目前旋转磁极式结构已
成为中、大型同步电机的基本结构形式。 ?在旋转磁极式电机中,按照转子主级的形状,同步电机又可分为隐极式和凸极式两种基本型式。如图6-1所示。隐极式转子做成圆柱形，气隙均匀;凸极式转子有明显的凸出的磁极，气隙不均匀。对于高速的同步电机（30０0ｒ/ｍiｎ),从转子机械强度和妥善地固定励磁绕组考虑,采用励磁绕组分布于转子表面槽内的隐极式结构较为可靠。对于低速电机（10００r/ｍin及以下)，由于转子的圆周速度较低、离心力较小,故采用制造简单,励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。 大型同步发电机通常用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动,前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机，大多做成凸极式,少数二极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。 ?隐极同步电机：以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一
第六章同步电机的稳态分析 6.1 同步电机的基本结构和运行状态 一、同步电机的基本结构 按照结构型式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。 旋转电枢式——电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上。这种结构在小容量同步电机中得到一定的应用。 旋转磁极式——主磁极装设在转子上，电枢装设在定子上。对于高压、大容量的同步电机，通常采用旋转磁极式结构。由于励磁部分的容量和电压常较电枢小得多，电刷和集电环的负载就大为减轻，工作条件得以改善。目前，旋转磁极式结构已成为中、大型同步电机的基本结构型式。 在旋转磁极式电机中，按照主极的形状，又可分成隐极式和凸极式，如图6-l所示。 隐极式——转子做成圆柱形，气隙为均匀； 凸极式——转子有明显凸出的磁极，气隙为不均匀。 对于高速的同步电机(3000r／min)，从转子机械强度和妥善地 固定励磁绕组考虑，采 用励磁绕组分布于转 子表面槽内的隐极式 结构较为可靠。对于低 速电机(1000r／min及 以下)，转子的离心力
较小，故采用制造简单、励磁绕组集中安放的凸极式结构较为合理。大型同步发电机通常采用汽轮机或水轮机作为原动机来拖动，前者称为汽轮发电机，后者称为水轮发电机。由于汽轮机是一种高速原动机，所以汽轮发电机一般采用隐极式结构。水轮机则是一种低速原动机，所以水轮发电机一般都是凸极式结构。同步电动机、由内燃机拖动的同步发电机以及同步补偿机，大多做成凸极式，少数两极的高速同步电动机亦有做成隐极式的。 隐极同步电机 以汽轮发电机为例来说明隐极同步电机的结构。现代的汽轮发电机一般都是两极的，同步转速为3000r／min(对50Hz的电机)。由于转速高，所以汽轮发电机的直径较小，长度较长。汽轮发电机均为卧式结构，图6-2表示一台汽轮发电机的外形图。汽轮发电机的定子由定子铁心、定子绕组、机座、端盖等部件组成。定子铁心一般用厚0.5mm的DR360硅钢片叠成，每叠厚度为3-6cm，叠与叠之间留有宽0.8～lcm的通风槽，整个铁心用非磁性压板压紧，固定在机座上。 图6-2汽轮发电机的外形图图6-3 汽轮发电机的转子
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 p n =，1 60605075 40f 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。 6．5 伞式和悬式水轮发电机的特点和优缺点如何？试比较之。 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。 6．8 试分析在下列情况下电枢反应的性质。 （1）三相对称电阻负载； （2）纯电容性负载8.0=*C X ，发电机同步电抗0.1=* t X ； （3）纯电感性负载7.0=* L X ； （4）纯电容性负载2.1=*C X ，同步电抗0.1=* t X 。 6．9 三相同步发电机对称稳定运行时，在电枢电流滞后和超前于励磁电动势0E 的相 位差大于?90的两种情况下（即?<>?-18090ψ）， 电枢磁动势两个分量ad F 和aq F 各起什么作用？
第六章同步电机 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 3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 X q 和X d 将 _________________ 。 答增加 6. 凸极同步电机气隙增加使 X q 和X d 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 _____________________________ 。 2 1 1 答 mU 2（— —）s i n 2 X q X d 2. ★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 C 3. 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B 4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。 填空 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; C 电枢端口输入的电功率; 答 D ）。 B 转轴上输出的机械功率; D 电枢端口输出的电功率。