(仅供参考)同步电机习题

第五章同步电机

5-1什么是同步电机？极数是怎样决定它的转速的？75r/min、50Hz 的电机有几极？

答：同步电机是一种交流电机。其特点是转子的旋转速度必须与旋转磁场旋转速度(即同步转速）严格同步。在频率一定时，其转速为一系列固定值。同步电机的转速与电流频率成f 正比，与极对数p 成反比，满足关系p

f

60n n 1==。当75r/min、50Hz 时，4075

50

60n f 60p =⨯==

。因此该电机有2p=80极。5-2汽轮发电机和水轮发电机的主要特点是什么？为什么具有这样的特点？

答：汽轮发电机的主要特点是：转速较高，一般都是一对极，转速为

min /r 30001

50

60p f 60n n 1=⨯==

=。原因是：考虑到转子受离心力的作用并为了很好地固定励磁绕组，将转子做成细而长的圆柱形，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且与转轴做成一个整体。转子铁心上开槽，槽中嵌放同心式的励磁绕组。

水轮发电机的主要特点是：转速较低，极对数较多，为凸极同步发电机。

电机直径很大，呈扁平形。有立式和卧式两种类型。为了使转子结构和加工工艺简单，转子一般做成凸极结构。励磁绕组是集中绕组，套在薄钢板叠成的磁极上。磁极的极靴上一般装有阻尼绕组。

5-4悬式和伞式发电机各有何优缺点？

答：悬式发电机

优点：转子重心在推力轴承下方，机组运行稳定性好，并且推力轴承在发电

机层，安装维护方便，轴承损耗小，适用于高水头电站。

缺点：要求上机架和机座强度要高，使机组长度增加和厂房高度增加。

伞式发电机

优点：充分利用水轮机和发电机之间的空间，结构紧凑，降低厂房高度，节省电站投资适用于低转速，大容量的低水头电站。

缺点：转子重心在推力轴承上方，机组稳定性差，推力轴承直径大，损耗大。

5-7一台转枢三相同步发电机，以转速逆时针旋转，主磁极对电枢是什么性质的磁场？对称负载运行时，电枢反应对电枢的转速和转向如何？对定子上主磁极的相对转速又是多少？主极绕组感应出电势吗？

答：转枢三相同步发电机是指主磁极在定子，电枢在转子的同步电机。此时转枢式三相同步发电机，电枢以转速n逆时针方向旋转，假定电枢（转子）不动，则主磁场对电枢来说是旋转磁场，转速为n，旋转方向为与电枢（转子）的旋转方向相反，即顺时针。

负载时，电枢绕组会有三相对称的电枢电流产生，电枢电流对应的电枢反应磁场的转向与转速决定于感生它的磁场，即定子上的主磁场。因为主磁场相对于电枢是顺时针旋转，所以电枢反应磁动势的也是相对于电枢顺时针旋转的，其转速也是n。

对定子上静止的主磁极转速，即电枢反应磁动势的绝对转速等于电枢反应磁动势相对于电枢的转速（转速为n，顺时针）加上电枢转速（即电枢相对于定子的转速，大小为n，方向为逆时针），相对转速和电枢转速大小相等、方向相反，因此电枢磁动势相对于主磁动势的相对转速为0，即相对静止。

因为电枢反应磁动势相对主极绕组是静止的，因此不能产生感应电动势。

5-8同步发电机的电枢反应主要取决于什么？在下列情况下电枢反应是助磁还是去磁？（1）三相对称电阻负载。（2）纯电容性负载；

(3)纯电感性负载。

答：同步发电机的电枢反应主要取决于电枢电流∙

I 和励磁电势0E 的相位差即内功率因数角度ψ。

（1）三相对称电阻负载，内功率因数角 0=ψ，电枢反应为交轴电枢反应。（2）纯电容性负载时，内功率因数角 90-=ψ，电枢反应为直轴增磁反应。(3)纯电感性负载时，内功率因数角 90=ψ，电枢反应为直轴去磁反应。

5-10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）气隙增大；（4）励磁绕组匝数增加。

答：直轴(或交轴)同步电抗表征了单位三相直轴(或交轴)电流联合产生的总磁场(包括在气隙中的旋转电枢反应磁场和漏磁场)在每相电枢绕组中感应的电动势。

同步发电机的气隙磁场由转子电流和定子电流共同建立，从运行稳定性考

虑，同步电抗的表达式为）（铁心

铁心气隙

气隙定

l l x 2

t 2t t A

A N N L μμωωω+=Λ==，气隙越大，

同步电抗越小，运行稳定性越高；但气隙大了会使转子用铜量增大，制造成本增加，选择气隙大小时要综合考虑。因此同步电抗的数值一般都比较大，不可能做得很小。

由式子l

x 2t 2

t t A

N N L μωωω=Λ==定

可知：

（1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增加（2）铁心饱和程度提高，铁心磁导率下降，同步电抗减小（3）气隙增大，同步电抗减小（4）励磁绕组匝数增加。同步电抗不变。

5-22有一W P N k 72500=，V U N k 5.10=，（滞后）8

.0cos =N ϕ汽轮发电机，13.2X *t =电枢电阻可略去不计，试计算额定负载下发电机的励磁电势

0∙E 和0∙E 与∙

I 的夹角ψ。

解：发电机额定运行时，以额定相电压和相电流为基准值。其额定相电压的标幺

值0.1*=φU ，额定相电流的标幺值0.1*=φI ，由

隐极同步发电机的相量图可如下计算：励磁电势）（t 0j X R I U E ++=∙

∙

∙

φφ，由于忽略电枢电阻。则有）t 0j X I U E φφ∙

∙

∙

+=，

6.0sin =N ϕ，（滞后）8

.0cos =N ϕ， 87.36=N ϕ，13

.2X *t =由相量图计算如下：

845

.26.013.2118.013.21sin cos 222N *t **2*t **

0=⨯⨯++⨯⨯=++=）（）（）（）（ϕϕφφφX I U X I E N 0∙E 与φ∙

U 的夹角

80.366

.013.2118

.013.21arctan

sin cos arctan

N

*t ***t *

=⨯⨯+⨯⨯=+=ϕϕθφφφX I U X I N 因此0E 的有名值为V U E U E E N k 25.173

5

.10845.23*

0*00=⨯=⨯

=⨯=φ0∙E 与∙

I 的夹角

67.7380.3687.36=+=+=N ϕθψ5-23有一W P N k 72500=，V U N k 5.10=，（滞后）8

.0cos =N ϕ水轮发电机，0R *a =，1X *d =，554.0X *

q =。

电枢电阻可略去不计，试计算额定负载下发电机的励磁电势0∙E 和0∙E 与∙

U 的夹角。