1、1第七章 同 步 电 机7-1 什么叫同步电机？一台 ZHr50min,/2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： 6pf，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 Zr50in,/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
2、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
3、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 LLLjxRZ或 时，总阻抗 ）（或 sLsL xjRZjx，则角 在 09范围内；当负载阻抗为 jxZ时，总阻抗 ）（ sj，则 09； 当负载阻抗为 sLL， 且 时，总阻抗 ）（ sLxjZ，则 09；当负载阻抗为 sLjRZ， 且 时，总阻抗 ）（ sLxjR， 00。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
4、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 ：为交轴电枢反应；当 aI滞后 09E电角度，即 09：为直轴去磁电枢磁势；当 aI超前 09电角度，即 0：为直轴增磁电2枢磁势；当 任意角度时，即一般情况下：当 009：产生直轴去磁电枢磁势和交轴电枢磁势，当 009：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
5、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 s= aX+ 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
6、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 d和交轴同步电抗 q，即Xaqd在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻小，所以 ad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 aqd， q。由于磁路饱和的影响，所以 、 s和 qdaqdX、 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
7、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 dX或 s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 ad或 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（ 1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.kZ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
8、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 d的不饱和值310kdsIEX不 饱 和 值或2） sX或 d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kNdsIUX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 NIU,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 NdITC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
9、差法求 qdX、 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） ，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 minax/IUdiq7-11 有一台三相同步发电机, ,5.10,250KVUKWPNNY接法，8.0cosN（滞后） ，作单机运行，已知同步电抗 .7SX，电枢电阻不计.每相的励磁电势 VE52.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 .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 041的三相平衡纯电容负载;（4） 相值为 .j的三相平衡电阻电容负载.解 （1）000 451
10、.752.7AjZjxEILs，为交轴与直轴去磁电枢反应；（2）09.jjjs，为直轴去磁电枢反应；（3）00 14.52.7xILs，为直轴助磁电枢反应；（4）02.7. AjjZjEs，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 VUN230，额定相电流 AIN06.9，额定功率因数 8.cosN(滞后 )，已知该机运行于额定状态，每相励磁电势行 VE1，内功率因数角 60，不计电阻压降 .试求： qdqdXI,各为多少?解：（1）电势向量图如右下： 0013.28.arcos6sinNdI A06in.957q .4co 3.258.cos400
11、VIUEXdd9153.2sinsin0AVq7-13 有一台三相隐极同步发电机，电枢绕组 Y接法，额定电压 VUN630，额定电流AIN572，额定功率因数 8.0cosN（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 VU23，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32.57320AVIUXS20 )sin()3( SNNN XIconEV45932.576.038.06 7-14 有 台三相隐极同步发电机，电枢绕组 Y 接法，额定功率KWPN250，额定电压 VUN1，额定转速 min0rnN，额定
12、电流AI17，同步电抗 .2SX,不计电阻。求：（1） 80cos,NaI（滞后）时的 0E；（2） .（超前）时的 .解：（1）如图 a）所示： 220 )sin()cos( sNxIUEkV01.93.7.16035.8.0351 （2）如图 b）所示 220 )sin()cos( sNxIEkV86.43.7.16035.18.351 2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；
13、（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
14、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.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 ssxxmEQ20co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， 0212
15、,E， 121,raII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 cos，定子电流最小且与定子电压同相位。因 cos3UIPM，当电压为
16、常数、 s时， IPM，随着 M的增加， I必将增大，根据电动势平衡方程式 IxjE,.0增大时， 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， V4，每相空载电势 V370，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 kWXUXEP NdqNdMN57.3 24sin)5.3142()3/40(2si
17、n.370)/40( sin1i 0020 （2） 向电网输送的最大电磁功率可令 dPM，得085.2sin05.2sinsi141 02cos)5.314(/3co.3712s4 20 ）（ ）（ dqd XUXE解得 7m，kWXUXEP mdqmdM987.5 51.72sin)5.3142()/40(351.7sin.30)/4( sini 000ax ）（3） 过载能力： 0.7.3/98./max NMP7-20 一台三相隐极同步发电机并网运行，电网电压 VU4，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 KW8时， 1cos，若保持励磁电流不变，减少
18、有功功率至 KW20，不计电阻压降，求此时的（ 1）功角 ；（2）功率因数 co；（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 8， 1cos时AUPI 5.1403cs VIXE 6.425).3()3/()(2220 06/40.arctnartns（1）保持励磁电流不变，则 E不变。当有功功率至 KW2时，由8 sin34208sin300MMXEUPXEUP，得 05.12).61arcsin()41arc( （2）由图 AjjXEIs00048.639.553/.12 7.cos（3） I.（4）输出的无功功率 kVarUQ5.3648.sin9.
19、58403sin0，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： VKASNN15,750，定子绕组 Y 接法， .co（滞后） ，同步电抗6.1sX，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）AUSIN6.13745037VXIEsN3598)6.1746.31()8.035( )sincos 2220 kWSPNNM 085cs030 .598)/1(.arinarinEUX或由 N求出（略） 。（2）不调节励磁，则 0不变，由 NsNs
20、MXEPXP in321in300，得 002.14)3.9arci()21arc( AjjUEIs00 686./31543598.co7-22 有一台三相凸极同步发电机并网运行，额定数据为：9KVUASNN1,8750，定子绕组 Y接法， 8.0cos（滞后） ，同步电抗6.92.1qdX，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：AUSINN 45913870303 3.58/8.016.6.945arctncosint XIqa042.8NkVXIUEd 02.1.sin9.cos3cos
21、000 （2）最大电磁功率 maxMP可令 dM，得0596.1sin2384.0sinsi291 02cos).18.(3/co. 02cos)1(2s34 20 ）（ ）（ dqd XX解得 57m，kWXUXEPmdqmdM23.14695 25.73sin).1869(2)3/10(5.73sin810)/( si)(i 002ax （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
22、。如果逐渐减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。10a) 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
23、矩为正，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，同步电动机的过载能力的减
24、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 VUN60，频率 HZfN50，额定转速 min30rnN，额定电流 AIN8.57，额定功率因数 8.cos(超前)，同步电抗 8.40,2.64qdX，不计电阻压降。试求：（1）额定负载时的励磁电势 E；（2）额定负载下的电磁功率 MP和电磁转矩 T。解 （1）如图 4-8 所示：
