电气基础知识题

1、同步发电机（同步电机的“同步”是指什么? 答:“同步”是指定子磁场和转子磁场以相同的方向、相同的速度旋转。

）按照结构形式，同步电机可以分为旋转电枢式和旋转磁极式两类。

（特有，与直流电机、感应电机不同）前者的电枢装设在转子上，主磁极装设在定子上，这种结构在小型同步电机中得到一定的应用。

对于高压、大型的同步电机，通常采用旋转磁极式结构。

由于励磁部分的容量和电压常比电枢小得多，把主磁极装设在转子上，电刷和集电环的负载可大为减轻，工作条件得以改善，运行稳定、可靠。

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。

1）同步电机的基本结构（旋转磁极式、隐极）转子是汽轮发电机很关键的部分，从机械应力和发热看是汽轮发电机最吃紧的部件。

它既是电机磁路的主要组成部分，又高速旋转而承受很大的机械应力，所以材料既要求有好的导磁性能，又需要有很高的机械强度。

所以转子一般用整块的具有良好导磁性的高强度合金钢锻成，转子表面约2/3部分铣有凹槽。

用以嵌放励磁绕组，不开槽部分形成一个大齿，嵌线部分和大齿一起构成主磁极。

槽内插有非磁性金属槽楔，端口套有高强度非磁性钢锻成的护环。

护环的作用是保证绕组端口不会因离心力甩动而损坏。

2）同步电机的运行状态若转子磁场超前于定子合成磁场δ>0，则此时转子将受到一个与其旋转方向相反的制动性质的电磁转矩。

为使转子能以同步速旋转，必须从轴上输入机械功率，电机作为发电机运行。

当δ=0时，此时电机内没有有功功率的转换电机处于补偿机状态，或空载状态。

当转子磁场滞后定子磁场，δ<0，则此时转子上受到一个与转向相同的拖动性质的转矩。

此时定子从电网吸收电功率，转子可拖动负载而输出机械功率，电机作为电动机运行。

3）同步电机的励磁供给同步电机励磁的装置，称为励磁系统。

获得励磁电流的方式称为励磁方式。

为保证同步电机的正常运行，励磁系统应满足以下要求：（1）能稳定地提供同步电机从空载到满载到过载所需的励磁电流；（2）当电力系统发生故障使电网电压降低时，励磁系统能快速强行励磁以提高系统稳定性；（3）当同步机内发生短路故障时，应能快速灭磁。

目前采用的励磁系统可分为两类：（1）直流发电机励磁系统；（2）交流整流励磁系统4）同步电机的空载运行将发电机用原动机拖动，使转子达到同步速，励磁绕组通入直流励磁电流，电枢绕组开路时的情况，称为空载运行。

空载运行时，同步电机内仅有由励磁电流所建立的主极磁场。

当转子以同步转速旋转时，主磁场将在气隙中形成一个旋转磁场，并切割对称的定子三相绕组，于是定子绕组内将感生一组频率为f 的对称三相电动势，称为激磁电动势，忽略高次谐波时，激磁电动势的有效值E 0为01100000000004.44(/60)0,120,240W A B C E fN K f pn E E E E E E ϕ===∠=∠-=∠-式中φ0为每极的主磁通量。

5）同步电机的电枢反应电机带上负载后，电枢三相绕组中将流过三相电流，此时电枢绕组就会产生电枢磁动势及相应的电枢磁场，气隙内的合成磁场将由电枢磁动势和主极磁动势共同作用产生。

电枢磁动势的基波在气隙中使气隙磁通的大小及位置均发生变化，这种影响称为电枢反应。

电枢反应的性质（增磁去磁或交磁），取决于电枢磁动势基波F a 和励磁磁动势基波F f 之间的相对位置。

由于E 0滞后Φ0（即F f ）900，而I 与F a 相位相同。

即电枢反应的性质与空载电动势E 0和电枢电流I 之间的夹角Ψ有关。

Ψ称为内功率因数角，电枢反应的性质取决于Ψ，即负载的性质。

空载电动势E 0和电枢电流I a 同相位时，电枢反应性质为交轴电枢反应。

空载电动势E 0超前电枢电流I a 90°时，电枢反应为直轴去磁电枢反应。

空载电动势E 0滞后电枢电流I a 90°时，电枢反应为直轴助磁电枢反应。

一般情况下的电枢反应既有交轴，还有直轴去磁/助磁电枢反应。

电枢反应是同步电机在负载运行时的重要物理现象，它不仅是引起端电压变化的主要原因，而且也是电机实现机---电能量转换的枢纽。

（注意表中负载性质对电机的影响）一般情况下，发电机既带有功负载，又带感性无功负载，有功电流的变化影响发电机的转速及频率，无功电流的变化影响发电机的电压。

为了保持发电机的频率和电压的稳定，必须随负载变化及时调节发电机的输入功率和励磁电流。

综上所述，交轴电枢反应的存在是实现机——电能量转换的关键。

5）同步电机方程隐极同步发电机同步发电机负载运行时，除了主极磁动势F f 之外，还有电枢磁动势F a 。

如果不计磁饱和（即认为磁路是线性的，磁化曲线为直线），则可利用叠加原理，把F f 和F a 单独作用时所产生的磁通分别求出，再把它们的结果叠加起来。

设F f 和F a 各自产生主磁通0Φ和电枢反应磁通a Φ，并在定子绕组内感应出相应的激磁电动势0E 和电枢反应电动势a E ，把0E 和a E 向量相加，可得电枢一相绕组的合成电动势E （也成为气隙磁动势）。

另一方面，电枢各相电流将产生电枢漏磁通Φσ，并感应出漏磁电动势E σ。

把E σ作为负漏抗压降，有σσE jIX =-，其中σX 为电枢漏抗。

不计磁路饱和时有下列关系：σσa aE jIX E jIX =-=-令σt a X X X =+，电动势平衡方程0a t E U IR jIX =++，其中t X --同步电抗凸极同步发电机凸极发电机的特点：气隙不均匀，d 轴气隙小，q 轴气隙大。

造成的结果：电枢圆周上的磁导各不相同解决办法：双反应理论：在一般情况下，电枢磁势既不在直轴也不在交轴，而是作用在空间任意位置时，应先将电枢磁势分解为直轴和交轴两个分量，再用直轴磁导和交轴磁导分别考虑直轴和交轴电枢磁势所产生的电枢反应。

最后再把他们叠加起来，这种考虑直、交轴气隙磁阻不同，把电枢反应分为直轴和交轴电枢反应的处理方法称为双反应理论。

不计饱和时，可利用双反应理论和叠加原理，即主极磁场，直轴电枢反应磁场和交轴电枢反应磁场各自在定子绕组中感应电势，这些电势的总和为一相绕组的合成电动势（即气隙电动势）。

由于d q I I I =+，且令σσd ad qaq X X X X X X =+⎧⎪⎨=+⎪⎩，则电动势平衡方程 0a d d q q E U IR jI X jI X =+++，，d q X X 分别为直轴同步电抗和交轴同步电抗。

为确定内功率因数角Ψ引入虚拟电动势，与E 0同相位且Q a q E U IR jIX =++直轴和交轴同步电抗：对于凸极电机，由于直轴下的气隙比交轴下的小，直轴磁通所经磁路的磁导要比交轴电枢反应磁通所经磁路的磁导大，所以ad aq X X >，因此在凸极同步电机中，d q X X >。

对于隐极电机，因气隙均匀，故d q s X X X ==。

由于转子凸极而有d q X X ，两个同步电抗，这是凸极同步电机的特点。

功率情况：若转子励磁损耗由另外的直流电源供给，并忽略杂散损耗p Δ ，则发电机轴上输入的机械功率P 1扣除机械损耗p Ω和定子铁耗p Fe 后，余下的功率将通过旋转磁场和电磁感应作用，转换成定子的电功率；所以，转换功率就是电磁功率P e ，即1Fe e P p p P Ω=++，再从电磁功率中扣除电枢铜耗，可得电枢端点输出的电功率P 2，即ua 2e C P p P =+。

6）同步发电机的运行特性（1）空载特性空载特性是发电机的基本特性之一。

它一方面表征了磁路的饱和情况，另一方面把它和短路特性、零功率因数负载特性配合，可确定电机的基本参数、额定励磁电流和电压变化率等。

实际生产中，它还可以检查三相电枢绕组的对称性、匝间短路、判断励磁绕组和定子铁心有无故障等。

（2）短路特性：短路特性与空载特性配合可以求出电机的同步电抗。

（3）外特性从外特性可以求出发电机的电压调整率。

调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数、端电压为额定电压，此时的励磁电流称为发电机的额定励磁电流。

保持励磁电流为额定励磁电流，转速为同步转速，卸去负载，此时端电压升高的百分值即为同步发电机的电压调整率，用Δu 表示，即0100%N N E U u U ΦΦ-∆=⨯ 凸极同步发电机的Δu 通常在18%~30%范围内；隐极同步发电机由于电枢反应较强，Δu 通常在30%~48%范围内。

（4）调整特性7）同步发电机与电网的并联运行必要性（与区域电网互联的意义比较记忆）：（1）电能的供应可以相互调剂，合理使用，从而更合理地利用动力资源和发电设备。

（2）增加供电的可靠性。

一台发电机的故障，不致于造成停电事故，同时，也减少了备用容量。

（3）供电的质量增加了。

由于系统容量很大，一台电动机的起动、加载、停机，对系统来说，几乎就没有影响，因此，电网的电压和频率能保持在要求的恒定范围内。

为了避免并联合闸时引起电流、功率以及由此引起的发电机内部的机械应力的冲击，将要投入电网的发电机应满足下列条件：1、发电机的电压幅值等于电网电压幅值，而且波形一致；2、投入时，发电机的电压相位与电网电压相位一致；3、发电机的频率等于电网的频率；4、发电机的相序必须与电网相序一致。

上述条件（4）一般在安装发电机时，根据发电机的转向确定了发电机的相序而满足，因此运行人员在并列时只需调节发电机使其满足其它三个条件即可。

相序不同是绝对不允许投入的。

因为即使某相满足了前面三个条件，但其它两相由于相序不同而使电压相位相差120度，它将引起很大的冲击环流，危害电机的安全运行。

由于汽轮机和水轮机有一定的转向，而且发电机出线都用颜色黄、绿、红标明，在装置开关时，首先就要布置好相序，所以在发电厂一般不会出现相序错误。

投入并联的方法：整步过程：把发电机投入到电网所进行的操作过程称为整步过程（或称并车)，整步方法：准整步和自整步。

准整步：把发电机调整到完全合乎并联投入，然后投入电网，这种方法叫准整步。

自整步：首先校验发电机的相序，并按照规定的转向(和定子旋转磁场的转向一致)把发电机拖动到接近同步速旋转，把励磁绕组通过一限流电阻短路(不加励磁)，然后把发电机投入电网，并立即加上励磁，依靠定、转子间形成的电磁力矩，把转子自动地拉入同步。

讨论：1）进行自整步操作时要注意，发电机投入电网时，励磁绕组不应开路，否则励磁绕组中将感生危险高压；励磁绕组也不直接短路，否则合闸时定子电流会有很大冲击。

通常的做法是把灭磁电阻接入闭合的励磁回路作为限流电阻。

2）自整步法主要缺点是投网时冲击电流稍大。

有功功率的调节和静态稳定为使同步发电机能够稳定运行并有一定的裕度，应使最大电磁功率比额定功率大很多。

同步电动机与同步补偿机与感应电动机相比，同步电动机的主要特点是：转速与负载大小无关始终保持为同步速，且功率因数可调。