第六章 同步电机稳态分析 _ 习题与解答 _
电机第liu章习题答案
2. 根据获得旋转磁场方式不同，单相异步电动机可 分为分相电动机和罩极电动机两大类。
3.
直线异步电动机转差率的定义式为
s v1 v v1
，其中v1
为行波磁场的移动速度，v为次级的移动速度。
4. 磁滞式同步电动机的磁滞转矩大小与转速无关。
5. 影响永磁式同步电动机不能自行起动的因素主要有（1） 转子本身存在惯性；（2）定、转子磁场之间转速相差过大。
答：调大气门开度的同时，相应增大励磁电流。变化前后 的电动势相量图如图6.13所示。
第六章 同步电机
2. 按电动机惯例画出隐极同步电动机工作于过励状态时的 电动势相量图。
答：如图6.14所示。
E02E01j X 来自 I1j X t I2
I2
U
2 1
I1
图6.13 作图题1图
IM
M
M
U j X t IM
6.9 有一台PN=300MW，UN=18kV,星形联结，cos φN=0.85 （滞后）的汽轮发电机，Xt*=2.18（不饱和值），电枢电阻略 去不计，当发电机运行在额定情况下，试求：不饱和的励磁电 动势E0；（2）功角δN；（3）电磁功率Pem；（4）过载能力λ 。 （答案）
6.10 一台三相水轮发电机，PN=1500MW，UN=6300V，Y
4. 交流伺服电机的转子电阻一般都做得较大，其目 的是使转子在转动时产生制动转矩，使它在控制绕组不 加电压时，能及时制动，防止自转。（ √ ）
5. 单相罩极式异步电动机中，只要改变电源两个端点 的接线，就能改变它的转向。（ × ）
（三）选择题：
1. 下列电机中哪些不需要装设笼型绕组：（ ③ ）
第七章 驱动和控制微电机
8. 当同步电机作发电机运行时，在相位上，E0 超前于U； 作电动机运行时，E0 滞后于U。
第六章同步电机的稳态分析
表征电枢合成磁场的等效磁极
ns
δ
S
N
(a) 发电机
Te
ns
N0
S0
主极 表征电枢合成磁场的等效磁极
ns ns
S
N
(b) 补偿机
N0
Te=
0
S0
主极 表征电枢合成磁场的等效磁极
ns
S
δ
N
(c) 电动机
N0 主极 S0
ns
Te
五、同步电机的励磁方式
指同步电机获得直流励磁电流的方式； 而供给励磁电流的整个系统，称为励磁系统。
B
紫色为流入 红色为流出
ns
A
0
C
f
N
设转子 顺时针旋转
S
主极磁通
主磁通0
主极漏磁通f
f ( 0.1~ 0.2) 0
主磁路包括气隙、电枢齿、电枢轭、磁极极身 和转子轭五部分。
1、空载时的电磁关系 激磁电动势的有效值 E 4 . 44 fN k 0 1 w 1 0
If
定子上装有三相对称绕组互差120°电角度。 转子上安放直流励磁绕组。 B
紫色为流入 红色为流出
N
A
C
集电环 电刷
设转子 顺时针旋转
ns
S
+-
当同步发电机被原动机拖动以同步转速旋转， 转子励磁绕组通入直流励磁电流时，转子将 产生主极磁动势及相应的主极磁场（包括在 气隙中以同步转速旋转的主磁场和主极漏磁 场）。 主磁场通过气隙并与定子绕组交链，在定子 绕组中感应出三相交流电动势，若定子绕组 带有负载，发电机将输出电功率。
1、电动势的波形 若主磁场的气隙磁密沿圆周按正弦规律分布， 则定子导体感应电动势随时间按正弦规律变化：
第6章 同步电机《电机学(第2版)》王秀和、孙雨萍(习题解答)
习题解答 6-1 同步电机有哪几种运行状态，如何区分？ 答：同步电机有三种运行状态，分别是发电机运行状态、电动机运行状态和补偿 机运行状态。发电机运行状时，电机的功率角大于 0°，电机把机械能转化为电 能；电动机运行状态时，功率角小于 0°，电机把电能转化为机械能；补偿机运 行状态时功率角等于 0°，电机只发出无功功率，实质上补偿机就是空载运行的 同步电动机。 6-2 何谓同步电机的电枢反应？电枢反应的性质取决于什么？ 答：电枢磁动势的基波对气隙基波磁场的影响称为电枢反应。电枢反应的性质取 决于内功率因数角，也就是电枢电流滞后于励磁电动势的角度。当内功率因数角 等于 0°时，只产生交轴电枢反应；当内功率因数角大于 0°且小于 90°时，除产生 交轴电枢反应外，还产生去磁的直轴电枢反应；当内功率因数角小于 0°且大于 -90°时，除产生交轴电枢反应外，还产生助磁的直轴电枢反应。 6-3 试述交轴和直轴电枢反应对同步发电机中能量转换和运行性能的影响。 答：同步发电机并网运行时，直轴电枢反应影响着电机输出的无功功率，交轴电 枢反应影响电机输出的有功功率。同步发电机单机运行时，直轴电枢反应影响发 电机的输出电压，交轴电枢反应影响发电机的有功输出。 6-4 试述电枢反应电抗 X a 的意义。
X s(饱和）
E0 I
6300 / 887
3 4.10Ω
饱和同步电抗标幺值
X
s ( 饱1和）
4.10 2.645
1.55Ω
（2）
短路比 KC
X
1
* s（饱和）
1 1.55
0.645
KC
If0 I fk
102 158
0.646
第六章同步电机稳态分析
第六章同步电机稳态分析第六章同步电机的稳态分析前⾔：①同步电机是⼀种交流电机，主要作发电机使⽤；也可作电动机和调相机（专门⽤于电⽹的⽆功补偿）使⽤；②同步电机定义：同步电机转速n与定⼦电流频率f和极对数p保持严格不变的关系，即p fn60 ；③主要内容：电枢反应；有功和⽆功调节；并联运⾏；不对称和突然短路6.1同步发电机的基本结构和运⾏状态1.旋转磁极式定⼦-放置三相交流绕组转⼦-放置励磁绕组(主磁极) 凸极式隐极式2旋转电枢式定⼦-放置励磁绕组(主磁极)转⼦-放置三相交流绕组(需三个滑环引出或引⼊三相电流)⼀、同步电机基本结构(⼀)隐极同步电机(以汽论发电机为例)特点:转速⾼为保证频率f=50Hz,则发电机的极对数P少(⼀般为⼆极,2P=2)离⼼⼒⼤,需细长转⼦(隐极式)0.5mm硅钢⽚叠压⽽成定⼦铁⼼⼤型电机由扇型⽚拼成圆形1. 定⼦矩形开⼝槽,径向,轴向通风道定⼦绕组-三相双层绕组,扁铜线绕制⽽成,采⽤成型线圈外壳-⽤钢板焊接⽽成2.转⼦ (1)由合⾦钢锻成,与转轴制成⼀个整体,外园开槽,⼤齿和⼩齿(2)励磁绕组为同⼼式绕组(3)采⽤⾼强度铝合⾦槽楔,端部采⽤保护环固定3.滑环(集电环)与电刷装置(⼆)凸极同步电机(以⽔轮发电机为例)特点:转速低为保证f=50Hz,则需发电机的极对数P增⼤为保证放置P对磁极,则需转⼦的直径⼤.1.定⼦ : 定⼦铁⼼-硅钢⽚叠成,直径可达20多⽶,矩形开⼝槽.励磁绕组由扁铜线绕制⽽成阻尼绕组(起动绕组)-由铜条和端环构成,⽤于同步电动机异步起动.⼆、同步电机的运⾏状态1. 稳态运⾏情况下,定转⼦磁场相对静⽌2. 功率⾓δ-定⼦合成磁场轴线与主极磁场(转⼦磁场)轴线之间夹⾓.(⽤电⾓度表⽰)3. 三种运⾏状态(1)发电机运⾏①物理过程:直流电流→电刷→滑环→励磁绕组→磁场原动机拖动转⼦绕组感应三相交流电动势(频率为60pnf ),接⼊负载后,三相对称电流,定⼦旋转磁场以n1旋转. ②特点:<1>功率⾓δ>0(即主极磁场超前定⼦合成磁场) <2>转⼦受到制动性质的电磁转矩Te<3>f ∝1n ,为保证f=50Hz 恒定,需保证1n 恒定,应输⼊转矩T1与Te 平衡.(2)补偿机运⾏状态(或空载运⾏状态) 当δ=0时→Te=0①物理过程:转⼦同发电机运⾏状态,-主极磁场以1n 旋转定⼦接⼊三相对称电源-定⼦合成磁场以1n 旋转②特点:<1>δ=0.(主磁场与定⼦合成磁场重合) <2>电机内没有有功功率转换(3)电动机运⾏当δ<0时→Te →(即主机磁场滞后定⼦合成磁场①物理过程:定⼦接三相电源-定⼦合成磁场以1n 旋转转⼦接直流电源-恒定磁场,去掉原动机.②特点:<1>δ<0<2>外施T2↑→δ↑→Te ↑(与T2+T0平衡)保证n=1n =常数 <3>转⼦转速n=1n =60f/p,即当f ⼀定,p ⼀定时,n 恒定.三.同步电机的励磁⽅式励磁系统-共给励磁电流的整个系统-直流励磁机励磁系统,整流器励磁系统励磁系统应满⾜的条件:(1)能稳定的提供发电机从空载到满载(及过载)所需的I f (2)当电⽹电压u 减⼩时,能快速强⾏励磁,提⾼系统的稳定性.(3)当电机内部发⽣短路故障时,能快速灭磁. (4)运⾏可靠,维护⽅便,简单,经济. 1. 直流励磁机励磁副励磁机(并励直流发电机)→主励磁机(他励直流发电机)→同步发电机 *⼀般励磁机与同步发电机同轴特点:采⽤独⽴电源(直流发电机)与交流电⽹没关系,运⾏可靠. 2. 静⽌整流器励磁(1)他励式静⽌流器励磁系统副励磁机(中频三相同步发电机)(电磁式或永磁式)→主励磁机(三相同步发电机)→同步发电机───────────────┛特点:①副励磁机先他励待建⽴电压后改为他励(3)励磁电流由电⽹或主发电机提供3. 旋转整流器励磁(⽆触点式或⽆刷励磁)副励磁机(永磁式三相同步发电机)→主励磁机(旋转电枢式)→主发电机┕──────────────┛特点:(1)主励磁为旋转电枢式 (2)采⽤旋转整流器 4. 三次谐波励磁特点:(1)发电机定⼦嵌⼊三次谐波绕组(2)将三次谐波电压整流后→主发电机励磁(3)⾃励恒压(负载电流↑→电枢反应↑→波形畸变↑→φ3↑→E 3↑→I 3↑→I f ↑→稳压;负载电流↑→端电压↓→稳压) 四.额定值1.额定容量S N (或额定功率P N )-指输出功率发电机⽤视在功率(KVA)或有功功率电动机⽤有功功率(KW)表⽰补偿机⽤⽆功功率(Kvar)表⽰2.额定电压U N —定⼦线电压(V)3.额定电流I N —定⼦线电流(A)4.其他: N ?cos ,ηN ,f N ,n N ,θN ,U fN ,I fN 等三相同步发电机 cos N N N N P I ? 三相同步电动机 N N N N N I U P ?ηcos 3=6.2 空载和负载时同步发电机的磁场⼀、空载运⾏1.定义：n=n N 、I=0时E 0=f(I f )2.空载时电磁过程：Φ0→01044.4Φ=w fNk E （频率为60pn f =） I f →F f →Φf σ→只增加磁极部分的饱和程度3.空载特性曲线特性曲线：E 0=f(I f )E 0f ) 磁化曲线 U N f ) f (orF f )分析：I f 较⼩时，磁路不饱和，f I E ∝0直线；I f 较⼤时，磁路饱和，fI E 与0不成⽐例；不考虑饱和，E 0=f(I f )为⽓隙线。
电力系统稳态分析复习思考题答案附后课件可编辑完整版
电力系统稳态分析复习思考题答案附后课件可编辑HEN system office room 【HEN16H-HENS2AHENS8Q8-HENH1688】设节点1电压为1U ，节点2的电压2U ，节电1电压超前节点2电压的相角为δ，Q P 、分别为从节点1向节点2传输的有功功率和无功功率。
由于高压电力网络中R X >>，NN U QX U QX PR U U U ≈+≈-=∆21，22111112221NN N N U PX U QR PX U U U U tg U U U tg U U U tg ≈-=≈≈∆-=∆+=---δδδδδ， 所以XU U U Q N )(21-=，X U P N 2δ=，当21U U >时，0>Q ；当21U U <时，0<Q 。
即无功功率总是从电压高的节点向电压低的节点传输。
当0>δ时，0>P ；当0<δ时，0<P ，即有功功率总是从电压相位超前的节点向电压相位滞后的节点传输。
8、求图示网络的有功分点、无功分点。
线路单位长度参数+Ω/km 。
解：将电网在电源点1拆开得到以下的两端电压相等的两端供电网。
由于各线路的单位长度的参数相等，所以该电网为均一网，根据均一网供载功率的计算公式得：)(6.0533.0)58()6.5533.8(~~~)(4.6467.9)161217()1217()710(17)58(~)(6.5533.8)161217(16)710()1612()58(~212231312MVA j j j S S S MVA j j j S MVA j j j S +=+-+=-=+=+++⨯++⨯+=+=++⨯+++⨯+= 电力网的初步功率分布如图，由图可知负荷点③既是有功功率分点，也是无功功率分点。
9、图示环网中变压器的变比均为实际变比，请指出是否存在循环功率如存在循环功率，请指出循环功率的方向若忽略电网各元件的电阻，请指出循环功率的性质。
电机学答案第6章《同步电机》
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601f pn =，16060507540f n P ⨯===（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，min 3000r n =，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。
第六章同步电机稳态分析
2 空载电势
只有主磁通才在定子绕组中产生感应电势 主磁通0
三相电势 对称
E 0A E000
E0BE01200 E0CE01200
漏磁通
E 04.4f4N 1kN 1 0
•励磁电势大小取决于？
当空载运行时，励磁电势随励磁电流变化的关系，称 为空载特性，其为同步电机的一条基本特性。 如图6—12所示
No
S
ns
Te
No
Te
Te 0
N So
主极
N
So N
So
同 发电机 步
电 机 的 三 补偿机 种 运
行
状 电动机 态
第9章 同步电动机
四、三相同步电机的基本结构
1. 主要部件
①定子铁心： 由硅钢片叠成。 (1) 定子（电枢） ②定子绕组： 对称三相绕组。
③机座和端盖等。 ①转子铁心：
由整块铸（锻）钢制成。 (2) 转子 ②励磁绕组：
工作时施加直流励磁。 ③阻尼绕组和转轴等。 按转子结构的不同：隐极式、凸极式。 阻尼绕组
凸极式 3 ~
+
N
×
－
S
隐极式 3 ~
+ －
·····
N S
× × × ×
×
优点：制造方便； 缺点：机械强度较差。 应用：在离心力较小、转速较低的中小 型电机中或用在水轮发电机中。
优点：机械强度好 缺点：制造工艺较复杂； 应用：因此多用在离心力较大、转速 较高的电机中。例如汽轮发电机多采 用隐极结构。
◆载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势 或者感应电流的载体。
◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电 机输入机械能），极性相间的励磁磁场 随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组。
电工学课后习题第6章电动机习题及答案
6.2.4 某三相异步电动机，定子电压为 380 V，三角形联
结。当负载转矩为 51.6 N · m 时，转子转速为 740 r/min，效率为 80
％功率因数为 0.8。求：（1）输出功率；（2）输入功率；（3）定子 线流和相电流
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下一页
第6章 电 动 机
6.3.1 某三相异步电动机，PN＝30 kW，nN＝ 980 r/min， KM＝ 2.2，KS＝2.0，求: （1）U1l＝UN 时的 TM 和 TS；（2） U1l＝0.8 UN 时的 TM 和 TS。
频率 f2 。
【解】
第七页, 共三十一页。
返 回练习题题集
下一题
第6章 电 动 机
6.2.2 某三相异步电动机, p＝1, f1＝50 Hz, s＝0.02,
P2＝30 kW，T0 = 0.51N · m 。求: （1）同步转速；（2）转子转 速；（3 ）输出转矩；（4）电磁转矩。
【解】 （1）
（2）
【解】 （1） 由于TN<TL，故不能带此负载长期运行。 （2） 由于 ,故可以带此负载短时运行。 （3）
第十八页, 共返三十回一页练。习题题集
上一题
下一页
下一题
第6章 电 动 机
虽然
, 但由于
, 故不可带此负载直接起动。
第十九页, 共三返十回一回页练。习 题题集
上一题
上一页
下一题
第6章 电 动 机
（2） （3）
第九页, 共三十一页。 返 回练习题题集
上一题
下一页
下一题
（4）
第6章 电 动 机
第十页, 共三十一页返。 回练习题题集
上一题
华中科技大学_电机学_第六章_同步电机(完美解析)概要
汽轮发电机完工后的定子
汽轮发电机转子加工
5
凸极同步电机
凸极同步电机的定子结构与隐极同步电机或异步电机的 基本相同，所不同的只是转子结构。
凸极同步电机转子由磁极、励磁线圈、磁轭和阻尼绕 组等部分构成。
6
凸极同步电机结构实物图
带阻尼绕组的凸极同步电机转子 水轮发电机定子分段铁心
7
三、 同步电机的励磁方式
21
双反应理论：
当 处于任意位置且不计饱和时：
分解
I Fa
E Fad ad ad
E Faq aq aq
或
I
分解
I d Fad ad Ead
I q Faq aq Eaq
气隙合成磁场：
B
E E E E ad aq 0
U＝U Nφ，必须增加 If △AEF称为特性三角形，其中：
AE IX σ AF I f 为等效励磁电流
I 不变， 特性三角形不变
33
四、外特性及电压调整率
n=nN、If=常数、cos =常数时， U= f (I) 的关系曲线称为外特性。 电流 I 引起电压 U 变化的原因： 定子漏阻抗压降影响 电枢反应影响 电压调整率：
34
五、同步发电机稳态参数的计算与测定方法
1. 由空载和零功率因数特性确定定子Xδ,Ifa(Ffa)
由空载与零功率因数特性两特性之间存 在特性三角形的关系，确定Xσ, Ifa (Ffa)
IX σ Ffa
UN
磁路不饱和时， I X σ在线性段： 1）作直线OB； 2）过UN作直线平行于x轴，交零功 率因素曲线于A'，取A'O'=AO 3）过O'作OB的平行线O'B'， 三角形A' B' C'为所求的特性三角形。
同步电机习题和答案解析
同步电机习题与答案6.1 同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？[答案见后]6.2 为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不采用电枢旋转式？[答案见后]6.3 在凸极同步电机中，为什么要采用双反应理论来分析电枢反应？[答案见后]6.4 凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗Xad大于交轴电枢反应电抗Xaq？[答案见后]6.5 测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降为原来0.95nN，对试验结果有什么影响？[答案见后]6.6 一般同步发电机三相稳定短路，当Ik =IN时的励磁电流Ifk和额定负载时的励磁电流IfN 都已达到空载特性的饱和段，为什么前者Xd取不饱和值而后者取饱和值？为什么Xq一般总是采用不饱和值？[答案见后]6.7 为什么同步发电机突然短路，电流比稳态短路电流大得多？为什么突然短路电流大小与合闸瞬间有关？[答案见后]6.8 在直流电机中，E>U还是U>E是判断电机作为发电机还是作为电动机运行的依据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？为什么？[答案见后]6.9 当同步发电机与大容量电网并联运行以及单独运行时，其cosφ是分别由什么决定的？为什么？[答案见后]6.10 试利用功角特性和电动势平衡方程式求出隐极同步发电机的V形曲线。
[答案见后]6.11 两台容量相近的同步发电机并联运行，有功功率和无功功率怎样分配和调节？[答案见后]6.12 同步电动机与感应电动机相比有何优缺点？[答案见后]6.13 凸极式同步发电机在三相对称额定负载下运行时，设其负载阻抗为R+jX，试根据不考虑饱和的电动势相量图证明下列关系式[答案见后]6.14 试述直流同步电抗Xd 、直轴瞬变电抗X´d、直轴超瞬变电抗X"d的物理意义和表达式，阻尼绕组对这些参数的影响？[答案见后]6.15 有一台三相汽轮发电机，PN ＝25000kW，UN＝10.5kV，Y接法，cosφN＝0.8（滞后），作单机运行。
电机学第五版课后参考答案
第一章磁路电机学1-1磁路的磁阻如何计算？磁阻的单位是什么？答：磁路的磁阻与磁路的几何形状（长度、面积）和材料的导磁性能有关，计算公式为，单位：1-2铁心中的磁滞损耗和涡流损耗是怎样产生的，它们各与哪些因素有关？答：磁滞损耗：铁磁材料置于交变磁场中，被反复交变磁化，磁畴间相互摩擦引起的损耗。
经验公式。
与铁磁材料的磁滞损耗系数、磁场交变的频率、铁心的体积及磁化强度有关；涡流损耗：交变的磁场产生交变的电场，在铁心中形成环流（涡流），通过电阻产生的损耗。
经验公式。
与材料的铁心损耗系数、频率、磁通及铁心重量有关。
1-3图示铁心线圈，已知线圈的匝数N=1000，铁心厚度为（铁心由的DR320硅钢片叠成），叠片系数（即截面中铁的面积与总面积之比）为，不计漏磁，试计算：(1) 中间心柱的磁通为Wb，不计铁心的磁位降时所需的直流励磁电流；(2) 考虑铁心磁位降时，产生同样的磁通量时所需的励磁电流。
解：磁路左右对称可以从中间轴线分开，只考虑右半磁路的情况:铁心、气隙截面(考虑边缘效应时，通长在气隙截面边长上加一个气隙的长度；气隙截面可以不乘系数)气隙长度铁心长度铁心、气隙中的磁感应强度(1)不计铁心中的磁位降：气隙磁场强度磁势电流(2)考虑铁心中的磁位降：铁心中查表可知：铁心磁位降1-4图示铁心线圈，线圈A为100匝，通入电流，线圈B为50匝，通入电流1A，铁心截面积均匀，求PQ两点间的磁位降。
解：由题意可知，材料的磁阻与长度成正比，设PQ段的磁阻为，则左边支路的磁阻为：1-5图示铸钢铁心，尺寸为左边线圈通入电流产生磁动势1500A。
试求下列三种情况下右边线圈应加的磁动势值：(1) 气隙磁通为Wb时；(2) 气隙磁通为零时；(3) 右边心柱中的磁通为零时。
解：(1)查磁化曲线得气隙中的磁场强度中间磁路的磁势左边磁路的磁势查磁化曲线得查磁化曲线得右边线圈应加磁动势(2)查磁化曲线得查磁化曲线得右边线圈应加磁动势(3) 由题意得由(1)、(2)可知取则查磁化曲线得气隙中的磁场强度中间磁路的磁势查磁化曲线得已知，假设合理右边线圈应加磁动势第二章变压器2-1 什么叫变压器的主磁通，什么叫漏磁通？空载和负载时，主磁通的大小取决于哪些因素？答：变压器工作过程中，与原、副边同时交链的磁通叫主磁通，只与原边或副边绕组交链的磁通叫漏磁通。
第六章 同步电机
电枢反应：电枢磁动势对主极磁场的影响。 电枢反应除使气隙磁场发生畸变，从而直接关 联到机电能量转换外，还有去磁或增磁作用， 对同步电机的运行性能产生重要的影响。同步 电动机的励磁系统分为直流发电机励磁系统和 半导体 励磁系统。 电枢反应的性质取决与电枢磁动势和主磁场在 空间的相对位置。分析表明，这一相对位置与 激磁电动势
即
P M
m ax
UE 0 m Xs
它正比于E0（即励磁电流）,反比于同步电 抗。从功角特性可以决定电磁转矩与功角 之间的关系，由此可以得出相应的电磁 转矩，为 mUE 0 PM T s in 1 1 X s 式 中 ， 单 位 是 W； 单 位 是 rad/s； 单 位 是 N· m。
PM mUI a cos muI a cos( ) mUI a cos cos mUI a sin sin
从图得：
U sin I a X s cos
E0 U cos I a X s sin
U sin I a cos Xs 所以有 E 0 U cos I a sin Xs
6.1.3 冷却问题简述 ： 在中、小型电机中，都采用空气作为冷却介质。 当电机的容量很大时，电机内部的损耗及发热 量迅速增加，冷却问题显得格外重要，此时必 须加强通风或采用其他的冷却方式。 1）在大型汽轮发电机中，为了提高其冷却效 率，往往用氢气冷却，是氢气与空气混合后， 有爆炸危险，必须有一套控制设备来保证外界 空气不会渗入到电机内部。 目前在更大容量的发电机中，可以采用导线内 部直接冷却。例如采用空心导体（如图），冷 却介质直接在导体中流通而把热量带走，这样 能更有效地降低电机的温升。所采用的冷却介 质一般有氢气 及水等。
同步电机(第六章)
列出电压方程：
E 0 E ad E aq U I Ra j I X
Fad Fa sin 0 Faq Fa cos 0
I f Ff 0 E 0
I
Id
Fad ad E ad Faq aq E aq
U E I ( Ra jX )
Ea a Fa I
所以：
Ea j I Xa
Xa是电枢反应磁通相应的电抗，称为电枢反应电抗。 （电枢电流产生电枢反应磁场，在定子每相绕组中感应 电势可以表示为电枢绕组相电流与电枢反应电抗的乘积） 所以：
E 0 U E a I ( Ra jX ) U I Ra jI ( X X a ) U I Ra j I X s
(3) 灯泡贯流式水轮发电机
(4)转子结构
10000kw水轮机转子
凸极极通常有卧式和立式两种结构，通常同步电动机、 同步补偿机、内燃机和冲击式水轮机拖动同步发电机采用 卧式结构，而大型水轮发电机采用立式结构，立式水轮发 电机的推力轴承是关键部件。
除了转子励磁绕组，通常在转子上还装有阻尼绕组。 起抑制转子转速的作用。在同步电动机和补偿机中，主要
汽轮发电机一般采用细长结构
（国产200MW汽轮发电机）
（国产600MW汽轮发电机）
Stator of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机）
Stator Core of Turbo-dynamo with 330MW Made in China （国产330MW汽轮发电机定子铁心）
同步电机练习题及答案讲解
第六章同步电机一、填空1.★在同步电机中，只有存在____________ 电枢反应才能实现机电能量转换。
答交轴2.同步发电机并网的条件是：(1) ________________________ :(2) __________________ :(3) _____________________ o答发电机相序和电网相序要一致,发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致3.★同步发电机在过励时从电网吸收_________ ,产生_________ 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出_________ .产生 _________ 电枢反应。
答超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁4.★同步电机的功角&有双重含义，一是____________ 和_________ 之间的夹角；二是和_______ 空间夹角。
答主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压5.凸极同步电机转子励磁匝数增加使X?和X,将 _____________ 。
答增加6.凸极同步电机气隙增加使Xq和£将______________ o答减小7.★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为__________________________ 。
答---- )sin25Xq Xd—、1.同步发电机的额定功率指( )。
A转轴上输入的机械功率；B转轴上输出的机械功率；C电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。
答 D2.★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性cos0=O.8,则其电枢反应的性质为()。
A交轴电枢反应；B直轴去磁电枢反应；C直轴去磁与交轴电枢反应；D直轴增磁与交轴电枢反应。
答 C3.同步发电机稳定短路电流不很大的原因是( )。
A漏阻抗较大；B短路电流产生去磁作用较强；C电枢反应产生增磁作用；D同步电抗较大。
答B4. ★对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为( )oA X°>XQX“X 肿Xq ；B 乂宀小小，八C Xq> X aq > X d > X ad > X Q； D Xd>XQX(f >X 肿 X 。
电机学第6章答案
由式6-12可得凸极同步发电机的等效电路，如图6-21所 示。
说明：
E0、 ψ0 的公式同样适用于隐极电机，只要令
Xd = Xq = Xt 公式中 U、I、E 均为相值； φ 性质：滞后φ >0 、超前φ <0； 公式可直接改为标幺值的形式。其基值选定如下：
容量基值 Sb = mU N Φ I N Φ
空载： I=0 ，If≠0 , n=nN 电磁关系 If Ff=NfIf Bf Φf Φ0 Φfσ E0
6.2 空载和负载时同步发电机的磁场
一、空载运行
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，在定子绕组内感应出对称三相电动势（激磁电动势）
空载特性是同步电机的一条基本特性。如图6—11所示
6-9
不计磁饱和时
E ad 和 E aq 可以用相应的负电抗压降来表示
6-10 将式(6-10)代入式(6-9)，并考虑 I I I ， d q 可得
式中，Xd 和Xq 分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗， 它们是表征对称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反 应的一个综合参数。上式就是凸极同步发电机的电压方程。 图6-19表示与上式相对应的相量图。 引入虚拟电动势 ，使 可得 6-12 由式6-12相量图如图6-20所示。由图6-20不难确定
0
1
Fad
0
Fa
I
E0
返回
3. 隐极同步电机的电枢反应特点
其结构特点是气隙均匀，故同一电枢磁势作用在圆周气隙上 的任何位置所产生的气隙磁场和每极磁通量都是相同的，没 必要象凸极转子一样分解成交、直两个分量，可以整体考虑 电枢反应的影响，具体过程如下： 当磁路不饱和时，采用叠加原理求解，即： Φδ= Φ0+ Φa ; E δ=E0+Ea
华中科技大学_电机学_第六章_同步电机(完美解析)
对电动机是轴上输出的额定机械功率
PN 3U N I N cos N N
额定转速nN：电机额定运行时的转速
额定频率f (Hz) 额定励磁电流IfN(A) 额定励磁电压UfN(V)
10
6.2 同步电机的运行原理
同步发电机空载运行 同步电机的电枢反应 隐极同步发电机的负载运行
凸极同步发电机的负载运行
Ra I
E
U
由 得到：
Xd=Xσ+Xad Xq=Xσ+Xaq
27
四、凸极同步发电机的负载运行
2. 考虑饱和
计及饱和后，叠加原理不能应用，气隙合成磁场由合成磁动 势来决定，即交、直轴各自的合成磁动势及感应电动势可分别根 据实际饱和情况由空载特性求取。 ' E If Fd Ff d d ' F I d ad E I ' F E I q aq aq aq
U＝U Nφ，必须增加 If △AEF称为特性三角形，其中：
AE IX σ AF I f 为等效励磁电流
I 不变， 特性三角形不变
33
四、外特性及电压调整率
n=nN、If=常数、cos =常数时， U= f (I) 的关系曲线称为外特性。 电流 I 引起电压 U 变化的原因： 定子漏阻抗压降影响 电枢反应影响 电压调整率：
1. 定义
If Ff 随转子旋转 转速为 n
基波
E0（
）
接三相对称负载
三相对称电流 iabc(f)
旋转磁势基波 (电枢磁势)
与
在空间相对静止，联合建立气隙磁场 Bδ 电枢绕组感应电动势 E δ
Фδ
电枢反应：电枢电流产生的磁动势对励磁磁场的影响
第6章 同步电机
即
1.功率方程和电磁功率
由图6—27可见 故同步电机的电磁功率亦可写成
上式的第一部分与感应电机的电磁功率 表达式相同，第二部分则是同步电机常用的。 对于隐极同步电机，由于EQ＝E0，故有
图6-27 从相量图导出 Ecosψ=Ucosφ+IRa
2.转矩方程
把功率方程(6—18)除以同步角速度，可得转矩方程
和 E 可以用相应的负电抗压降来表示 E ad aq
（6-15） 式中，Xad和Xaq分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，将 I I ，可得 式(6-15)代入式(6-13)，并考虑I
d q
式中，Xd和Xq分别称为直轴同步电抗和交轴同步电抗，它们是表征对 称稳态运行时电枢漏磁和直轴或交轴电枢反应的一个综合参数。上式就 是凸极同步发电机的电压方程。图6-20表示与上式相对应的相量图。
1.不考虑磁饱和
采用发电机惯例，以输出电流作为电枢电流的正方向时，电枢的电压 方程为 (6—6) 因为电枢反应电动势Ea正比于电枢反应磁通Φa，不计磁饱和时，Φa 又正比于电枢磁动势Fa和电枢电流I，即
与I 滞后于 Φ 以90°电角度，若不计定子铁耗,Φ 在时间相位上， E a a a 以90°电角度，于是亦可写成负电抗压降的 同相位，则 E 将滞后于 I a 形式，即
1.双反应理论
图6-19 凸极同步电机的气隙比磁导和直轴、交轴电枢反应 a)电枢表面不同位置处的气隙比磁导 b)直轴电枢磁动势所产生的直轴 电枢反应 c)交轴电枢磁动势所产生的交轴电枢反应
2.不考虑磁饱和时凸极同步发电机的电压方程和相 量图
不考虑磁饱和时同步发电机负载运行时物理量的关系：
If
电机学 课后答案 第六章
6-1一台三相同步发电机，P N ＝6600kW，U N ＝6.3kV。
Y 接、cns ψN ＝0.8滞后、2p ＝2，Z ＝36，双层短距绕组，y l ＝15，N c ＝6，a ＝1试求额定电流时：(1)线圈磁动势基波幅值；(2)一相磁动势基波幅值；(3)三相合成磁动势基波的幅值、转速及转向。
解：(1)I N =P/u n cosφn =6600/*6.3*0.8=757A33每个元件I a =I N /a=I N /1=757Aτ=z/2p=36/2=18q=z/2pm=36/2*3=6α=60°/q=10°K y1=sin90°*y 1/τ=sin90°*15/18=0.9659K q1=sin(q*α/2)/[q*sin(α/2)]=sin(6*10°/2)/[6*sin(10°/2)]=0.9561K w1=K q1*K y1=0.9561*0.9659=0.9235W=2pq*W y /α=2*6*6/1=72F c1=0.9*I a *W y *K y1/p=0.9*757*6*0.9659/1=3948(2)F Φ1=0.9*I N *W*K w1/p=0.9*757*72*0.9235=45.3*103(3)F 1=3/2F Φ1=1.5*45.3*103=68.0*103正向旋转，圆形趋势n 1=60f/p=60*5/1=3000r/min 6-2三相汽轮发电机，2500kVA,6.3kV,Y 接法，同步电抗x s =10.4欧，电枢电阻r a =0.071欧。
试求额定负载且功率因数为0.81滞后时的感应电动势，功角及电压变化率。
解:额定电流I N =s N /U N =6300/=3627(V)33利用电压方程式可求孔在电动势E0和功角。
θ电势E 0=UN+IN(r a +jx s )=3637+229.4-36.8。
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2. ★同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性 cosϕ = 0.8 ，则其电枢反应的性质为
（ ）。
A 交轴电枢反应；
B 直轴去磁电枢反应；
C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。
答C
3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。
A 漏阻抗较大；
B 短路电流产生去磁作用较强；
C 电枢反应产生增磁作用；
答D
5. 同步补偿机的作用是（ ）。
A 补偿电网电力不足；
B 改善电网功率因数；
C 作为用户的备用电源； D 作为同步发电机的励磁电源。
答B
三、判断
1. ★负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零 。
（）
答错
2. 同步发电机的功率因数总是滞后的 。
（）
答错
3. 一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输
明其电枢反应的性质：
(1) 每相是 7.52Ω 纯电阻；
(2) 每相是 7.52Ω 纯电感； (3) 每相是 (7.52 − j7.52)Ω 电阻电容性负载。
解 阻抗基值
ZN
= U ΦN IN
=
UN 3I N
=
U
2 N
cosϕ N
PN
=
10.52 × 0.8 ×106 25000 ×103
Ω
=
3.53Ω
五、计算
1. ★有一台三相汽轮发电机， PN = 25000kW ，U N = 10.5kV ，Y 接法，cosϕ N = 0.8
（滞后），作单机运行。由试验测得它的同步电抗标么值为 X s* = 2.13 。电枢电阻忽略不计。 每相励磁电动势为 7520V ，试求分下列几种情况接上三相对称负载时的电枢电流值，并说
（）
答错
8. 同步发电机的稳态短路电流很大。
（）
答错
9. 利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（ ）
答错
10. ★凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。
（）
答对
11. 与直流电机相同，在同步电机中， E > U 还是 E < U 是判断电机作为发电机还是电动
测出 I 可求出直轴同步电抗 X d 。由于短路情况下电枢磁动势基基本上是一个纯去磁作用的
直轴磁动势，使气隙合成磁动势很小，对应的气隙合成磁通很小，电机磁路处于不饱和状态，
这时求出的是 X d 的不饱和值。由于 I q = 0 ，不能从空载和短路特性求出 X q 。 9. ★在直流电机中， E > U 还是 E < U 是判断电机作为发电机运行还是电动机运行的依
和分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们分别反映出上述直轴和记者电枢反 应磁通的强弱。
直轴同步电抗为 X d = X ad + X σ
交轴同步电抗为 X d = X ad + X σ
X d 和 X q 表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A 时，三相总磁场在电枢绕组中每
相感应的电动势。
答 感应电机的励磁电流由电源供给，需要从电网吸取感性无功功率，如果气隙大，则 励磁电流大，电机的功率因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量小一些。同步电机 的气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从同步电机运行稳定性考虑，气隙大，同步电 抗小，短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。气隙大小的 选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求。 4. ★同步发电机电枢反应性质由什么决定?
利用空载和短路特性可测定的 X d 不饱和值；利用空载和零功率因数负载特性可测定 X d 的
饱和值；利用转差法可测定 X d 和 X q 的不饱和值。
6. ★凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗 X ad 大于交轴电枢反应电抗 X aq ？
答 在凸极电机中沿电枢圆周的气隙是很不均匀的，分析其电枢反应时，要用双反应理论，
后，定子三相电流产生旋转磁动势，其基波以同步速度旋转，与转子相对静止。气隙磁场是 由转子绕组中直流电流和定子绕组中三相交流电流共同激励产生的。 13. ★同步电机转子表面气隙磁通密度分布的波形是怎样的?转子表面某一点的气隙磁通密
度大小随时间变化吗?定子表面某一点的气隙磁通密度随时间变化吗? 答：凸极同步电机转子表面气隙磁通密度分布的波形接近于正弦波，其中含有一系列 奇数次谐波；隐极同步电机转子表面气隙磁通密度分布的波形是接近正弦的阶梯状波，其 中也含有一系列奇数次谐波． 转子表面某一点的气隙磁通密度大小不随时间变化＜电枢电流为零时)，但由于转子 是旋转的，因此定子表面某一点的气隙磁通密度是随时间变化的．
据之一，在同步电机中，这个结论还正确吗？
答 在同步电机中，励磁电动势 E&0 和电机端电压U& 都是电压相量，不能根据它们的大
小来判断电机的运行状态，而应该根据气隙合成磁场轴线与主磁极轴线的相对位置来决定。 当主磁极场轴线超前合成磁场轴线时. 答 减小
8. ★凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩
为
。
答 mU2 ( 1 − 1 )sin2δ Xq Xd
二、选择
1. 同步发电机的额定功率指（ ）。 A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率； C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。 答D
第六章 同步电机
一、填空
1. ★在同步电机中，只有存在
电枢反应才能实现机电能量转换。
答 交轴
2. 同步发电机并网的条件是：（1）
；（2）
；
（3）
。
答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压
大小要相等、相位要一致
3. ★同步发电机在过励时从电网吸收
，产生
电枢反应；同步电
对应的是 X d 的不饱和值。额定负载运行时，气隙磁通较大，直轴磁路处于饱和状态，此时
对应的是 X d 的饱和值。交轴磁路的气隙大磁阻大，磁路不饱和，故 X q 一般取不饱和值。
12. ★同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？ 答 空载时，定子绕组中没有电流，气隙磁场是由转子绕组中的直流电流激励的。负载
的 0.95 倍。同步电抗与频率成正比，也降低到 0.95 倍，所以短路电流 I k = E0 X d 不变。
2. ★为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不用电枢旋转式？ 答 由于励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较方便。电枢绕组电压高、
容量大，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，为旋转磁极式。 3. ★为什么同步电机的气隙要比容量相同的感应电机的大？
10. ★什么是同步电机的功角特性？θ 角有什么意义？ 答 当电网电压U 和频率 f 恒定，参数 X d 和 X q 为常数、励磁电动势 E0 不变时，同步
电机的电磁功率只决定于 E&0 与U& 的夹角θ ，θ 称为功率角，Pem = f (θ ) 为同步电机的功角
特性。
由于电机的漏阻抗远小于同步电抗，从空间上看，功率角θ 可近似认为时主磁极轴线与 气隙合成磁场轴线之间的夹角；从时间上，功率角θ 励磁电动势 E&0 与电压U& 之间的夹角。
同步电抗
Xs
=
X
* s
Z
N
= 2.13× 3.53Ω = 7.52Ω
（1） 纯电阻负载时
电枢电流
I& = E&0 = 7520∠0o A = 707∠ − 45o A R + jX s 7.52 + j7.52
即
把
电枢反应磁动势分解成垂直和平行于电动势
E& 0
的两个分量
v Fad
和
v Faq
，它们分别产生
直轴电枢反应磁通 Φ ad 和交轴电枢反应磁通 Φ aq ，相应的电流也分解成两个分量。因此
I d ∝ Fad ∝ Φ ad ∝ Ead 或 Ead = I d X ad ， X d = Ead I d
I d ∝ Fad ∝ Φ ad ∝ Ead 或 Eaq = I q X aq ， X q = Eaq I q
入功率，因此原动机输入功率越大越好 。
（）
答错
4. 改变同步发电机的励磁电流，只能调节无功功率。
（）
答错
5. ★同步发电机静态过载能力与短路比成正比，因此短路比越大，静态稳定性越好。（ ）
答错
6. ★同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。
（）
答错
7. ★同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。
动机在过励时向电网输出
，产生
电枢反应。
答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁
4. ★同步电机的功角δ有双重含义，一是
和
之间的夹角；二是
和
空间夹角。
答 主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电动势，电压
5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使 X q 和 X d 将
。
答 增加
6. 凸极同步电机气隙增加使 X q 和 X d 将
所以其对应的气隙合成磁通很小，电机的磁路处于不饱和状态，由于气隙合成磁动势
Fδ′ ∝ Eδ ∝ I ，而 Fa′d = kad Fad ∝ I ，所以励磁磁动势 Ff = Fδ′ + Fa′d 必然正比于 I ，故短
路特性 I k = f (I f ) 是一条直线。
8. ★为什么从空载特性和短路特性不能测定交轴同步电抗？为什么从空载特性和短路特性 不能准确测定直轴同步电抗？
主极轴线逆转子转向后移一个锐角。当 I& 滞后 E&0 90o 时，电枢反应为直轴电枢反应，其性