电机学习题解答11

第四部分 同步电机

同步电机是将机械能与交流电能相互转换成的设备，可用作发电机或电动机。由于其中涉及机械能，它的结构上需要运动部件，所以同步电机通常是一种旋转电机，本书介绍磁极旋转旋转的同步电机。下面通过习题解答来讲授本部分内容。本章习题主要围绕同步电机的工作原理、结构、稳态运行过程分析、参数与性能的计算、并联运行、不对称运行、突然短路等内容。

第10章习题解答（Page 201~202）

本章内容包括同步电机的工作原理、分类、主要结构部件、额定值、电枢反应、电压方程与相量图等。

10-1 试比较隐极式和凸极式同步电机转子构造上各有什么特点？据此特点，在应用场合上有何区别？在性能和分析方法上又有何不同？

【解】两者共同之处都是通过在励磁绕组中通入直流来建立主磁场；通入直流的方法也相同，即通过电刷与集电环（俗称滑环），此即有刷励磁，或者直流电源与转子一道旋转，此即无刷励磁。区别是：隐极式同步电机的转子铁心是整体锻压件，兼备导磁和承载功能，铁心的外表对称的铣有槽，其中留出两个大齿各约占六分之一圆周，大齿中心连线就是磁极轴线（称为直轴或纵轴），可见隐极机一般都做成2极机；励磁绕组是分布绕组，它分布在铁心槽中。凸极式同步电机的转子由磁轭和磁极两部分构成，其中，磁轭是合金钢整体锻压件，兼备导磁和承载功能；主磁极铁心由1~3mm 的厚钢板冲片叠压而成，励磁绕组是集中绕组，它套在磁极铁心柱上，二者共同构成主磁极，主磁极对称地固定在磁轭上。由于隐极机的原动机汽轮机是一种高速原动机，故其转子直径相对较小；凸极机的原动机水轮机是一种低速原动机，需要做成多个磁极才能满足频率要求，故其直径相对较大。

10-2 已制成的同步发电机转速为何要求是其原动机转速？如果原动机转速改变，该发电机能否运行？若原动机转向改变，会有什么影响？

【解】同步发电机用来把机械能转换成交流电能，需要原动机拖动以输入机械能，所以原动机的转速就是其转速。原动机转速改变时，同步发电机照常工作，但是频率将发生变化。如果改变转向，同步发电机输出的三相交流电相序将改变。

10-3 分析同步电机时使用了时空相量图，有什么方便之处？在什么规定下，才可以作出时空相量图？要遵从哪些正方向规定的惯例？

【解】时空相量图将时间相量与空间相量联系起来，以便寻求某瞬间主极励磁磁动势1f F 与电枢反应

磁动势a F 的相对位置关系，以及各相励磁电动势0

E &与电流I &之间相位关系。在作时空相量图时，通常规定时间轴线与某相绕组轴线重合。作时空相量图时有关正方向有以下几个规定：规定绕组轴线正方向为电流自绕组首端流出时的右手螺旋方向；规定d 轴正方向为转子N 极磁力线穿出的方向，由d 轴逆转子转向转过90︒空间电角为q 轴正方向；时间相量沿用电工学课程规定，各时间相量在时间轴线（坐标轴）j 上的投影为起瞬时值。

10-4 同步发电机中电枢反应性质决定于内功率因数角ψ。那么当发电机负载功率因数cos ϕ改变时，电枢反应为何也会相应改变？可不可以说负载的cos ϕ决定了电枢反应性质？

【解】在同步电机中，各物理量之间是相互影响的，当内功率因数cos ϕ改变时，内功率因数角ψ将发生相应改变，所以电枢反应也会相应改变。由于电枢反应是根据主极磁场与电枢磁场的相对位置来确定的，它只取决于内功率因数角ψ，所以不能说负载的cos ϕ决定了电枢反应性质。

10-5 为什么引入电枢反应电抗？其物理意义是什么？隐极式和凸极式同步电机电枢反应电抗有何不同？为什么？

【解】引入电枢反应电抗a x 可将电枢反应电动势a E &与电枢电流a I &之间的关系量化，从而用a

x 来反映电枢反应的影响。隐极式和凸极式同步电机电枢反应电抗的区别有两点，即数目与大小，其原因为：隐极式同步电机在各方向上磁路均匀，所以它只用一个电枢反应电抗，即用一种电枢反应；凸式式同步电机在d 轴和q 轴磁路导磁性能不同，所以通常用d 轴和q 轴两个电枢反应电抗，这就是所谓的“双电枢反应法”。由于凸极机的气隙通常比隐极机小，所以隐极机的电枢反应电抗比凸极机大。

10-6 对称运行的同步发电机（隐极和凸极）总共有哪些电抗？请按大小顺序排列（略述理由）。 【解】隐极机有定子漏抗x σ、电枢反应电抗a x 、以及同步电抗t x ，三者顺序由小到大；凸极机有定子漏抗x σ、直轴电枢反应电抗ad x 、交轴电枢反应电抗aq x 、直轴同步电抗d ad x x x σ=+和交轴同步电抗q aq x x x σ=+，其大小顺序是x σ＜aq x ＜q x ＜ad x ＜d x 。

10-7 试用不计饱和与电枢电阻a r 的隐极同步发电机相量图分析以下情况：

⑴若保持端电压U 不变，则发电机从空载到满载，其励磁电动势E 0如何变化？为什么？ ⑵若保持端电压U 和负载大小不变，则发电机的功率因数从cos 0.866ϕ=变到cos 0.755ϕ=，励磁电动势E 0如何变化？为什么？

【解】由于端电压白变，所以根据电压方程00t

E U jIx =+=&&&知 空载时，I=0，0E U =

负载时，假定0U

U U =∠︒=&，则可令I I ϕ=∠-&，这里ϕ为功率因数角，于是有 0(cos sin )(sin )cos t t t t

E U jIx U jI j x U Ix jIx ϕϕϕϕ=+=+-=++&&&

0E =

可见，在感性或纯阻负载时，sin 0ϕ≥，0E U >，所以E 0将增大；在容性负载时， 当22sin ()0t t UIx Ix ϕ+>，即sin 2t

Ix U

ϕ>-时，E 0也增大 当22sin ()0t t UIx Ix ϕ+<，即sin 2t

Ix U

ϕ<-时，则E 0减小 当22sin ()0t t UIx Ix ϕ+=，即sin 2t

Ix U

ϕ=-

时，则E 0不变 由于同步发电机一般都带感性负载，所以E 0一般是增大的。 10-8 试分析下述几种情况下同步电抗有何变化： ⑴电枢绕组匝数增加。 ⑵电机气隙增大。 ⑶铁心饱和程度增大。