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n1?60fp，P?60fn1?50 ?6075?40（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，n?3000rmin，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。
三相联合产生的总磁场（包Xd ，Xq表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A时，
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。Xd?Xad?X? Xq?Xaq?X?
（1）电枢绕组匝数增加，产生的直轴交轴电枢反应磁通增大，∴Xd ，Xq增加，（∵
E?N∴Ead,Eaq?电流不变Xad,Xaq?）
（2）铁心饱和程度提高，??磁阻增大，∴Xd ，Xq减小。 （3）气隙加大，磁阻增大，Xd ，Xq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，X?WN2?al
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 tan??IXt?Usin?
IRa?Ucos? E0?Ucos??IRacos??IXtsin? （2）凸极同步发电机
tan??IXq?Usin?IRa?Ucos?
E0?Ucos??IRacos??IXdsin?
?滞后于U?的夹角，?滞后于E?的夹角；?为U??为I?滞后于E其中，?为I即功率因数角；00的夹角，且有?????。
6．13 试证明不考虑饱和时Xad和Xaq的公式为 Xad2?0?lN2kN1?4mfkd
?k??p2?0?lN2kN1?4mfkq
?k??p Xaq6．15 为什么Xd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Xq一般总只采用不饱和值？
正常运行时d轴是饱和的，∴用Xd 的饱和值，而在短路时，由于Id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0.95nN，对实验结果将有什么影响？如果转速降为0.5nN，则实验结果又将如何？
'∵E0?n，当n?0.95nN，则E0?0.95E0同步电抗与频率成正比也降为0.95倍，∴
短路电流Ik?E0Xd不变。当n?0.05nN时，∵E0和Xd都与转速成正比减小，而Ra与转速
无关，∴IRa在电动势方程中所占分量已较大，不能忽略∴随n?，Ik?
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?'?Ff?Fad合成电动
??jIx?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 F?I 势Ead????'∴Ff?F?'?Fad?I ∴Ik?f(If)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
kc?If0(U0?UN)Ifk(Ik?IN)?Ik0IN kc小，?U大，稳定度较差，但电机造价较便宜，增大气隙，可减小Xd
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kc小一些，水轮机kc?0.8?1.8∵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，Xd和?U将如何变化？
?? Xd? ?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Xd限制，而Xd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？
??U??IR??jI?X?jI?X 当U?0时，凸极同步发电机的电势平衡方程式：E0addqq??jI?X?jI?X是纯感性的，即??90? I??0 I??I Ra?X ∴ Ed0ddqqq??jI?X?jIX? ∴由空载特性测出E和短路特性测出I可求出直轴同步电抗X（不∴E0d0ddd饱和值），而此时Iq?0 ∴不能从空载和短路特性求出Xq
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。
6．33 试证明在计及定子电阻时，隐极发电机的输出功率P2、电磁功率Pem和功率角?的关系式各为
mE0UU2 P2?sin??????msin?
ZtZt2mE0UE0 Pem?sin??????msin?
ZtZt式中，??arctan
Ra22；Zt为同步阻抗的模，即Zt?Ra?Xt。 Xt6．64 一台汽轮发电机，cos??0.8（滞后），Xt??1.0，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？
???????1?36.8解：设U?10 I 7PNemN?0.8
????U???jI??X??1?j(0.8?j0.6)?1.6?j0.8?1.7926.56? EONNt?1输出有功功率减半时，有Pem?0.8?2?0.4
sin???*?∴I?PemXt?**E0U?0.4?1?*?1.7912.89? ??12.89 ∴?1.79?0.223E0?1?*?U?*E0jXt*?1.79?(cos12.89??jsin12.89?)?1j??0.399?j0.754?0.84561.83?
∴定子电流标么值：I?0.845 ??61.83? cos??cos61.83??0.472
（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？
?If?IfN时，E?E?0.895 P?1212'?0*0?em'?*E0UXt*1sin?' sin ?'?00..8?4?95?10.447?'?26.55??90?能稳定运行 I'??*?'*?U?*E0jXt*?0.89526.55??1j?0.895?(0.895?j0.447)?1j?0.8?jj0.4?1
=?0.4?j0.2?0.44726.57 cos??cos26.?57? 0.
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??20?，现因外线发生故障，电网电压降为60%UN，问：为使?角保持在25?，应加大励磁使E0上升为原来的多少倍？
6．67 一台50000kW、13800V（Y联接）、cos?N?0.8（滞后）的水轮发电机并联于一
??无穷大电网上，其参数为Ra?0，Xd?0.7，并假定其空载特性为一直线，?1.15，Xq试求：
（1）当输出功率为10000kW、cos??1.0时发电机的励磁电流I?f及功率角?；
I?P23UNcos??I10000?103 3?13800?1I??IIN???arctgPN3Ucos?NN?0.8 ?1000050000?1?0.16*U?sin??I?XqUcos?????0.7 ?arctg1?0?0.16?6.39??????6.391?1****E0?U*cos??IdXd?U*cos??I*sin?Xd?1?cos6.39??0.16sin6.39??1.15?1.014 If?*IfIfN?E0E0N*?E0?1.014 ∵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?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E0?0 则P?*Pem?PemSN*emU*22(X1*?X1*)sin2?
qd??0.811?10000?10000?0.16 ∴1 ??17.46 PN50002?(0.7?1.15)sin2??0.16cos?N∵
??17.4645? ∴发电机能稳定运行。
*?d?*X*?U?cos? Id?Uc*o?s?由相量图： IddX?1cos?17.461.15?0.829
?*X*?U?sin? Iqq I??.46?*?U?s*i?n??1sin?17?I0.42 9q0.7Xq?2*2Ia?Iq?0.8292?0.4292?0.934
5000?1033?13800?0.8? I?IIN?0.934??2442.2(A)
cos??
Pem3UNI?10000?1033?13800?2442.2?0.171（超前）
电机学答案第6章
