1、 1 第 七章 同 步 电 机 7-1 什么叫同步电机？一台 ZHr 50min,/250 的同步电机，其极数是多少？ 答 （ 1） 转子的转速恒等于定子旋转磁场的转速的电机称为同步电机，其感应电动势的频率与转速之间的关系是： 60pnf ，当电机的磁极对数 p 一定时， nf ，即：频率 f 与转速 n 之间保持严格不变的关系。 （ 2） 一台 ZHr 50min,/250 的同步电机，其极数是 24。 7-2 汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？ 答 汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是：汽轮发电机转速高、极数少，其转子一般采用隐极式结构，气隙均匀分布，机身比较细长；水轮发电机转
2、速低、极数多，其转 子一般采用凸极式结构，气隙不均匀，直径大，长度短。 7-3 同步电机在对称负载下运行时，气隙磁场由哪些磁势建立？它们各有什么特点？ 答 （ 1）同步电机在对称负载下运行时，除转子磁势外，定子三相电流也产生电枢磁势。电枢磁势的存在，会使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为电枢反应 。此时，气隙中的磁场是由转子磁场和电枢反应磁场共同产生的。 （ 2）它们的特点如下：电枢反应磁动势是交流励磁，励磁磁动势是直流励磁； 基波波形 大小 位置 转速 励磁磁动势 正弦波 恒定不变，由励磁电流大小决定 由转子位置决 定 由原动机的转速决定（根据p 、 f ） 电枢反应磁动势 正弦
3、波 恒定不变，由电枢电流大小决定 由电枢电流的瞬时值决定 由电流的频率和磁极对数决定 7-4 同步发电机的内功率因数角 由什么因数决定的？ 答 同步发电机的内功率因数角 既与负载阻抗的性质和大小有关，又与发电机本身的参数有关。 当负载阻抗为 LLLLL jxRZRZ 或 时，总阻抗 ）（或 sLLsL xxjRZjxRZ ，则 角 在 00 090 范围内； 当负载阻抗为 LL jxZ 时，总阻抗 ）（ sL xxjZ ，则 090 ； 当负载阻抗为 sLLL xxjxZ ，且 时，总阻抗 ）（ sL xxjZ ，则 090 ；当负载阻抗为sLLLL xxjxRZ ，且时，总阻抗 ）（ sLL
4、 xxjRZ ， 00 900 。 7-5 什么是同步电机的电枢反应，电枢反应的性质决定于 什么？ 答 同步电机在空载时，定子电流为零，气隙中仅存在着转子磁势。同步电机在负载时，随着电枢磁势的产生，使气隙中的磁势从空载时的磁势改变为负载时的合成磁势。因此，电枢磁势的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。同步发电机的电枢反应的性质主要决定于空载电势 0E 和负载电流 aI 之间的夹角 ，亦即决定于负载的性质。当 aI 和 0E 同相位，即 00 ：为交轴电枢反应；当 aI 滞后 0090E 电角度，即090 ：为直轴去磁电枢磁势；当 aI 超前 0090E 电角度，即
5、 090 ：为直轴增磁电枢磁2 势；当 任意角度时，即一般情况下：当 00 090 ：产生直轴去磁电 枢磁势和交轴电枢磁势，当 00 900 ：产生直轴增磁电枢磁势和交轴电枢磁势。 7-6 为什么说同步电抗是与三相有关的电抗，而它的数值又是每相值？ 答 同步电抗是由电枢反应电抗和漏电抗两部分组成，分别对应于定子电流产生的电枢反应磁通和定子漏磁通。电枢反应电抗综合反映了三相对称电枢电流所产生的电枢反应磁场对于一相的影响，它等于电枢反应磁场在一相中感应的电动势与相电流的比值。所以说同步电抗是与三相有关的电抗，而它的数值又是每相值。 7-7 隐极电机和凸极电机的同步电抗有何异同？ 答 对于隐极电机而
6、言， 气隙均匀，电枢反应磁 通为 a 不论作用在什么位置所遇到的磁阻相同，其在定子绕组感应电势所对应的电抗 aX ，与定子漏磁通 感应电势所对应的电抗X 之和，即 sX = aX + X 称为隐极同步电机的同步电抗。 对于凸极电机而言，直轴及交轴上气隙是不相等的，所以将电枢反应磁势分解为直轴和交轴分量，其相应的电抗分别为直轴和交轴电枢反应电抗，和定子漏抗相加，便可以得到直轴同步电抗 dX 和交轴同步电抗 qX ，即 XXX XXXaqqadd 在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻小，所以 adX 较大。在交轴磁路上，由于气隙很大，磁阻大，所以 aqX 较小，因此有 aqad XX ， qd XX 。
7、 由于磁路饱和 的影响，所以 aX 、 sX 和 qdaqad XXXX 、 的大小是随着磁路饱和程度的改变而改变的。 7-8 测定发电机短路特性时，如果电机转速由额定值降为原来的一半，对测量结果有何影响？ 答 由于 0E 和 dx 都与转速成正比的关系，而电枢电阻与转速无关，在电机转速为额定值测量时，由于 aIR 很小，可以忽略不计。如果电机转速由额定值降为原来的一半时，则 aIR 在电动势方程式中所占的比例将会增大，不能忽略不计，使测量结果产生较大误差。 7-9 为什么同步电机稳态对称短路电流不太大，而变压器的稳态对称短路电流值却很大？ 答 由于 同步电机稳态对称短路电流是由 同步电抗 d
8、X 或 sX 限制的。同步电抗是由电枢反应电抗和漏电抗两部分组成，电枢反应电抗 adX 或 aX 与异步电机的励磁电抗 mX 相似，是对应主磁路磁化性能的参数，其值很大（ 1dX 左右），所以 同步电机稳态对称短路电流不大。而变压器的稳态对称短路电流由 变压器的漏阻抗 kZ 限制的。 变压器漏电抗 是对应漏磁路磁化性能的参数，其值很小（ 05.0kZ 左右），因此 变压器的稳态对称短路电流值却很大 。 7-10 如何通过试验来求取同步电抗的饱和值与不饱和值？ 答 1)由开路特性的不饱和段及短路特性求取同步电抗 sX 或 dX 的不饱和值 3 101kds IEXX 不饱和值或 2） sX 或
9、dX 的饱和值可以按下述方法近似求得。在开路特性上找出对应于额定电压下的励磁电流 0fI ，再从短路特性上找出与该励磁电流对应的短路电流 kI ，则 kNds IUXX 饱和值或 3）利用开路特性和零功率因数特性，可以求得同步电抗的饱和值。以对应于 零功率因数特性上 NN IIUU , 点 C 作为电机磁路的饱和程度。过 O、 A 作直线，与 KC 延长线交于 T点。从图 13-15 中得 sX 或 Nd ITCX 饱和值此法比由开路及短路特性求取同步电抗的饱和 图 13-10 值更接近实际情况。 4）用转差法求 qd XX、 的不饱和值。将同步电机拖到接近同步转速（转差率 小于 0.01），
10、转子励磁绕组开路。用示波器同时拍摄电枢电压和电枢电流的波形。 得 minmax / IUX d maxmin / IUXq 7-11 有一台三相同步发电机 , ,5.10,2 5 0 0 KVUKWP NN Y 接法， 8.0cos N（滞后），作单机运行，已知同步电抗 52.7SX ，电枢电阻不计 .每相的励磁电势VE 75200 . 求下列几种负载下的电枢电流，并说明电枢反应的性质。 （ 1） 相值为 52.7 的三相平衡纯电阻负载 ; 4 （ 2） 相值为 52.7 的三相平衡纯电感负载 ; （ 3） 相值为 04.15 的三相平衡纯电容负载 ; （ 4） 相值为 52.752.7 j
11、的三相平衡电 阻电容负载 . 解 （ 1） 000 451.7 0 752.752.7 07 5 2 0 AjZjx EILs ， 为交轴与直轴去磁电枢反应； （ 2） 000 905 0 052.752.7 07 5 2 0 AjjZjx EI Ls ，为直轴去磁电枢反应； （ 3） 000 901 0 0 004.1552.7 07 5 2 0 AjjZjx EI Ls ，为直轴助磁电枢反应； （ 4） 000 01 0 0 052.752.752.7 07 5 2 0 AjjZjx EI Ls ，为交轴电枢反应； 7-12 有一台三相凸极同步发电机，电枢绕组 Y 接法，每相额定电压 VU
12、N 230 ，额定相电流 AIN 06.9 ，额定功率因数 8.0cos N (滞后 )，已知该机运行于额定状态，每相励磁电势行 VE 4100 ，内功率因数角 60 ，不计电阻压降 .试求： qdqd XXII , 各为多少 ? 解：（ 1）电势向量图如右下： 00 13.238.0a r c c o s60 sinNd II A060s in06.9 A85.7 AAII Nq 53.460c o s06.9c o s 0 3.2585.7 13.23c o s2 3 04 1 0c o s 00 AVVIUEX dd 9.1953.4 13.23s in2 3 0s in 0AVIUX
13、qq 7-13 有一台三相隐极同步发电机，电枢绕组 Y 接法，额定电 压 VUN 6300 ，额定电流AIN 572 ，额定功率因数 8.0cos N （滞后）。该机在同步速度下运转，励磁绕组开路，电枢绕组端点外施三相对称线电压 VU 2300 ，测得定子电流为 A572 ，如果不计电阻压降，求此电机在额定运行下的励磁电势 0E 。 5 解 同步电抗 32.25 7 232 3 0 03 AVIUX S 220 )s i n3()3( SNNNNN XIUc o nUE VV 4 5 5 9)32.25 7 26.036 3 0 0()8.036 3 0 0( 22 7-14 有 台三相隐极同
14、步发电机，电枢绕组 Y 接法，额定功率 KWPN 25000 ，额定电压 VUN 10500 ，额定转速 m in3000 rn N ，额定电流 AIN 1720 ，同步电抗 3.2SX ,不计电阻。求： （ 1） 8.0c o s, Na II （滞后）时的 0E ； （ 2） 8.0c o s, Na II （超前）时的 0E . 解：（ 1）如图 a）所示： 220 )s in()c o s( sN xIUUE kVkV 01.9)3.272.16.035.10()8.03 5.10( 22 （ 2）如图 b）所示 220 )s in()c o s( sN xIUUE kVkV 86.4
15、)3.272.1)6.0(35.10()8.03 5.10( 22 第 14 章 7-15 三相同步发电机投入并联时应满足哪些条件？怎样检查发电机是否已经满足并网 条件，如不满足某一条件，并网时，会发生什么现象？ 答 并网运行的条件是： （ 1）待并网发电机的电压与电网电压大小相等； （ 2）待并网发电机的电压相位与电网电压相位相同； （ 3）待并网发电机的频率与电网频率相等； （ 4）待并网发电机电压相序与电网电压相序一致。 若不满足这些条件： 检查发电机是否已经满足并网 条件，电压的大小可以用电压表来测量，频率及相序则可 以通过同步指示器来确定。最简单的同步指示器由三个同步指示灯组成，有灯
16、光熄灭法和灯6 光旋转法。 条件（ 1）和条件（ 2）不满足，发电机在并网瞬间会产生巨大的瞬态冲击电流，使定子绕组端部受冲击力而变形； 条件（ 3）不满足，发电机在并网时会产生拍振电流，在转轴上产生时正、时负的转矩，使电机振动，同时冲击电流会使电枢绕组端部受冲击力而变形； 条件（ 4）不满足的发电机绝对不允许并网，因为此时发电机电压和电网电压恒差 1200，它将产生巨大的冲击电流而危及发电机，不可能使 发电机牵入同步。 7-16 功角在时间上及空间上各表示什么含义？功角改变时，有功功率如何变化？无功功率会不会变化，为什么 ? 答 功角在时间上及空间上各表示为： 时间相位角：发电机空载电动势 0
17、.E 与端电压 .U 之间的相位角为功角 。 空间相位角： 可近似认为是主磁极轴线与气隙合成磁场轴线之间的夹角。 从功角特性可知，当电网电压和频率不变，发 电机励磁电流不变，在 稳定运行范围内 ，当功 角增大时，有功功率增加。 而对无功功率，由 sinmUIQ ,从同步发 电机相量图可得 ss xmUx UmEQ 20 c o s 可知，当功角增大时，发电机向电网送出的无功 功率减小。 也 可从向量图看，如上图所示， 020112 , EE ， 1212 , rraa IIII 但 ，因而向电网送出的无功功率减小。 7-17 并网运行时，同步发电机的功率因数由什么因素决定？ 答 并网运行时，同
18、步发电机的功率因数由同步发电机的励磁电流的大小或励磁状态决定的。当励磁电流较小，同步发电机处于欠励磁状态时，同步发电机的功率因数小于 1，超前；当励磁电流较大，同步发电机处于过励磁状态时，同步发电机的功率因数小于 1，滞后； 同步发电机处于正常励磁状态时，同步发电机的功率因数等于 1。 7-18 为什么 V 形曲线的最低点随有功功率增大而向右偏移？ 答 V 形曲线的最低点对应于 正常励磁情况，此时 1cos ，定子电流最小且与定子电压同相位。因 cos3UIPM ，当电压为常数、 1cos 时， IPM ，随着 MP 的增加， I 必将增大，根据电动势平衡方程式 IxIjUE s ,. 0 增
19、大时， 0.E 也增大，所需的励磁电流将会增加，故 V 形曲线最低点会随有功功率增大而向右偏移。 7-19 一台凸极三相同步发电机， VU 400 ，每相空载电势 VE 3700 ，定子绕组 Y 接法，每相直轴同步电抗 5.3dX ，交轴同步电抗 4.2qX 。该电机并网运行，试求： 7 （ 1） 额定功角 024N 时，输向电网的有功功率是多少 ? （ 2） 能向电网输送的最大电磁功率是多少 ? （ 3） 过载能力为多大？ 解 （ 1） 额定功角时，输向电网的有功功率 kWXXUXEUPP NdqNdMNN5 7 5.37242s i n)5.314.21(2)3/4 0 0(324s i
20、n5.33 7 0)3/4 0 0(32s i n)11(23s i n302020 （ 2） 向电网输送的最大电磁功率可令 0ddPM ，得 08 0 5.2s i n0 5 5.2s i ns i n210 8 1 8 4.0s i n102c o s)5.314.21(3/4 0 03c o s5.33 7 0302c o s)11(223c o s32422220 ）（）（dqd XXUXEU解得 051.75m ， kWXXUXEUP mdqmdM9 8 7.7551.752s i n)5.314.21(2)3/4 0 0(351.75s i n5.33 7 0)3/4 0 0(32
21、s i n)11(23s i n302020m a x）（ （ 3） 过载能力： 0 2 2.25 7 5.37/9 8 7.75/m a x NMm PPk 7-20 一台三相隐极同步发电机并网运行，电网电压 VU 400 ，发电机每相同步电抗 5.3sX ，定子绕组 Y 接法，当发电机输出有功功率为 KW80 时， 1cos ，若保持励磁电流不变，减少有功功率至 KW20 ，不计电阻压降，求此时的（ 1）功角 ；（ 2）功率因数 cos ；（ 3）电枢电流；（ 4）输出的无功功率 Q ，超前还是滞后？ 解：发电机输出有功功率为 KW80 ， 1cos 时 AU PI 5.1 1 514 0
22、 03 1080c o s3 3 VIXUE s 6.4 2 5)5.35.1 1 5()3/4 0 0()( 22220 03.603/400 5.35.115a r c t a na r c t a n UIX s 8 （ 1）保持励磁电流不变，则 0E 不变。当有功功率至 KW20 时，由 s i n342080s i n3 00sMsM XEUPX EUP ，得 00 5.12)3.60s i n41a r c s i n ()s i n41a r c s i n ( （ 2）由图 AjjXUEIs00048.639.585.33/4005.126.425 447.048.63c o
23、sc o s 0 （ 3） AI 9.58 （ 4）输出的无功功率 k Va rUIQ 5.3648.63s i n9.584003s i n3 0 ，滞后。 7-21 有一台三相隐极同步发电机并网运行，额定数据为： VUK V AS NN 3 1 5 0,7 5 0 0 ，定子绕组 Y 接法， 8.0cos （滞后），同步电抗 60.1sX ，电阻压降不计，试求： （ 1）额定运行状态时，发电机的电磁功率 MP 和功角 N ； （ 2）在不调节励磁的情况下，将发电机的输出功率减到额定值的一半时 的功角 ，功率因数 cos 。 解：（ 1） AUSINNN 6.1 3 7 43 1 5 03
24、107 5 0 03 3 VXIUUE sN3 5 9 8)60.16.1 3 7 46.033 1 5 0()8.033 1 5 0()s i n()c o s(22220 kWSPP NNNM 6 0 0 08.07 5 0 0c o s 0303.293598)3/3150(3 6.1106000a r c s i n3a r c s i n EU XP sMN 或由 NN 求出（略）。 （ 2）不调节励磁，则 0E 不变，由 NsNsM X EUPX EUP s in32121s in3 00 ，得 00 2.14)3.29s i n21a r c s i n ()s i n21a r
25、 c s i n ( N AjjX UEI s 000 1.621 1 8 060.1 3/3 1 5 02.143 5 9 8 9 468.01.62c o sc o s 0 7-22 有一台三相凸极同步发电机并网运行，额定数据为： KVUK V AS NN 11,8 7 5 0 ，定子绕组 Y 接法， 8.0cos （滞后） ，同步电抗 6.9,2.18 qd XX ，电阻不计，试求： （ 1）额定运行状态时，发电机的功角 N 和每 相励磁电势 0E ； （ 2）最大电磁功率 maxMP 。 解 （ 1）如图 4-7 所示 ： AUSINNN 4 5 91138 7 5 03 0333.5
26、83/8.01011 3/6.010116.9459a r c t a nc o ss i na r c t a n UUXI qa000 4.219.363.58 NN kVXIUE dd 02.132.183.58s i n4 5 94.21c o s31011c o s 0030 （ 2）最大电磁功率 maxMP 可令 0ddPM ，得 00 5 9 6.1s i n2 3 8 4.0s i ns i n211 9 0 9 4.0s i n102c o s)2.1816.91(3/1 1 0 0 03c o s2.181 3 0 2 0302c o s)11(223c o s324222
27、20 ）（）（dqd XXUXEU解得 025.73m ， kWXXUXEUPmdqmdM23.1 4 6 9 525.732s i n)2.1816.91(2)3/1 1 0 0 0(325.73s i n2.181 3 0 2 0)3/1 1 0 0 0(32s i n)11(23s i n302020m a x）（ 7-23 怎样使得同步电机从发电机运行方式过渡到电动机运行方式？其功角、电流、电 磁转矩如何变化？ 答 当原动机向同步电机输入机械功 率时为发电机运行，此时转子磁极轴线超前合成磁场轴线一个 角度，如图 15-1（ a），电磁转矩与转子转向相反，是一个制动转矩。如果逐渐10 减
28、少原动机的输出机械功率，从功率平衡观点来看，发电机所产生的电磁功率也减少，功角 逐渐变小。如果发电机所产生的电磁功率为零，则 =0，如图 15-1（ b），电磁转矩便为零。这是从同步发电机过度到电动机运行的临界状态。 a) b) c) 图 15-1 同步电机的运行方式 a) 发电机运行 b) 理想空载 c) 电动机运行 如果 将原动机从同步电机上脱离，电机本身轴承磨擦等阻力转矩和负载转矩的作用，转 子开始减速，使得转子磁极轴线滞后于合成磁场轴线 角度，如图 15-1（ c）。此时电磁转矩的方向与转子转向一致，是一个拖动转矩，于是同步电机就成为电动机运行了。设发电机运行时其功角、电流、电磁转矩为
29、正，则电动机运行时其功角、电流的有功分量、电磁转矩为负。 7-24 增加或减少同步电动机的励磁电流时，对电机内的磁场产生什么效应 ? 答 当同步电动机处于过励磁状态时，电枢磁势对电机内的磁场起去磁的作用，增加或减少同步电动机的励磁电流时，电枢磁势 对电机内的磁场去磁的作用增强或减弱。当同步电动机处于欠励磁状态时，电枢磁势对电机内的磁场起助磁的作用，增加或减少同步电动机的励磁电流时，电枢磁势对电机内的磁场助磁的作用减弱或增强。 7-25 比较同步电动机与异步电动机的优缺点。 答 相对于异步电动机，同步电动机的最大优点是功率因数可以根据需要在一定的范围内进行调节，当电网电压下降时，同步电动机的过载
30、能力的减低不像感应电机那样显著。但同步电动机也有缺点：起动比较复杂，要有直流励磁电源，结构复杂，价格较贵。 7-26 为什么起动过程中，同步转矩的平均值为零？ 答 因为在起动过程中，由于定、转子磁场之间的相互作用，倾向于使转子逆时针方向旋转。但由于惯性的影响，转子上受到作用力以后并不马上转动。在转子还来不及转动以前，定子磁场已转过 180，此时定、转子磁场之间的相互作用，倾向于使转子顺时针方向旋转。因此，转子上所受到同步转矩为交变转矩，其平均转矩为零，同步电动机不能起动。 7-27 一台三相凸极 Y 接同步电动机，额定线电压 VU N 6000 ，频率 HZfN 50 ，额定转速 min300 rnN ，额定电流 AIN 8.57 ，额定功率因数 8.0cos (超前 )，同步电抗 8.40,2.64 qd XX ，不计电阻压降。试求：
