同步電機復習1.內(nèi)容回顧2.部分思考題講解3.習題解析1.內(nèi)容回顧同步電機是交流電機的一個大類。分為轉(zhuǎn)場式和轉(zhuǎn)樞式。轉(zhuǎn)場式是最常用的結(jié)構(gòu)形式。同步電機主要用作發(fā)電機，也可以作為電動機和補償機。轉(zhuǎn)場式的同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)子上有成對的磁極，磁極用直流的勵磁電流的激勵；定子上有三相對稱交流繞組。當原動機帶動轉(zhuǎn)子磁極以某固定的轉(zhuǎn)速(同步轉(zhuǎn)速)旋轉(zhuǎn)時，就會形成一個機械旋轉(zhuǎn)磁場；定子繞組(電樞繞組)切割這一旋轉(zhuǎn)磁場，就會產(chǎn)生三相對稱的交流電勢。感應電勢的頻率、大小可以按公式計算；感應電勢的波形可以近似認為是正弦波。同步電機的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)有凸極式和隱極式兩種。凸極式通常與水輪機配套，組成水輪發(fā)電機組；隱極式通常與汽輪機配套，構(gòu)成汽輪發(fā)電機組。同步發(fā)電機空載運行時，電機內(nèi)部的磁通由勵磁繞組單獨產(chǎn)生，定子繞組產(chǎn)生的感應電動勢即為端電壓。此時端電壓與所加勵磁電流的關系曲線即為空載特性?？蛰d特性曲線可以通過計算或?qū)嶒灥玫健Ｄ軌蛴脕砼袛嚯姍C的飽和程度及設計的合理性，并用來測定電機參數(shù)。同步電機帶上三相對稱負載以后，電樞繞組中將流過三相對稱電流，并產(chǎn)生電樞磁勢(電樞反應磁勢、定子磁勢)，這樣同步電機中就有了兩個旋轉(zhuǎn)磁勢——轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的機械旋轉(zhuǎn)磁勢和電樞產(chǎn)生的電氣旋轉(zhuǎn)磁勢。電樞磁勢對轉(zhuǎn)子磁勢的影響稱為電樞反應?？梢宰C明兩個旋轉(zhuǎn)磁勢沿同一方向以相同的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，二者之間有一空間夾角。空間夾角的大小為（90°+y），其中y為內(nèi)功率因數(shù)角，即電動勢E0與電樞電流Ia之間的相位差。y的大小由負載的性質(zhì)決定，而電樞反應由（90°+y）決定，所以電樞反應由負載性質(zhì)決定。一般來說，同步發(fā)電機單機運行，帶感應負載時，電樞反應為交磁兼去磁；帶容性負載時，電樞反應為增磁兼交磁。如果帶純電感負載，則電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔?。電樞反應的結(jié)果會對發(fā)電機的磁通量造成影響，進而影響到發(fā)電機的端電壓。

分析同步發(fā)電機時，通常將電樞磁勢Fa分解為直軸分量Fad和交軸分量Faq。并認為Fad產(chǎn)生直軸電樞反應磁通Fad,Faq產(chǎn)生直軸電樞反應磁通Faq

。Fad

在電樞繞組產(chǎn)生感應電勢Ead，F(xiàn)aq在電樞繞組產(chǎn)生感應電勢Eaq。Ead用直軸電樞反應電抗Xad上的壓降表示;Eaq用交軸電樞反應電抗Xaq上的壓降表示。

電樞反應電抗與漏電抗之和稱為同步電抗。凸極電機的同步電抗有兩個，而隱極電機的同步電抗只有一個。同步發(fā)電機產(chǎn)生的電動勢等于電機同步電抗上的壓降與發(fā)電機端電壓之和。同步電機的相量圖在分析問題時常常用到。在已知發(fā)電機端電壓、輸出電流及負載功率因數(shù)的情況下，可以用相量圖計算出發(fā)電機的電動勢、內(nèi)功率因數(shù)角等重要物理量。隱極電機的相量圖非常簡單。凸極電機的相量圖見課本。同步電機最重要的特性包括空載特性、短路特性、外特性、調(diào)節(jié)特性及零功因特性。短路特性為一條直線。短路運行時，電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔茫姍C不飽和，短路電流不大。外特性曲線的走向與負載性質(zhì)有關。感性負載時，外特性曲線下降；容性負載時，外特性上升。同步電機最重要的運行方式為并網(wǎng)運行。并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機頻率和端電壓由電網(wǎng)決定，可以認為是固定不變。同步發(fā)電機投入電網(wǎng)需要滿足一定的條件，否則會造成嚴重后果。理想并聯(lián)的條件見課本。并網(wǎng)的方法有準確同步法和自整步法。準確并網(wǎng)由同步表法和燈光法，常在實驗室使用；自整步法的具體過程見課本，通常在發(fā)電廠使用。并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機與電網(wǎng)之間要進行有功功率及無功功率的傳遞。如何控制同步發(fā)電機的有功及無功功率是同步發(fā)電機運行的重要操作內(nèi)容。同步發(fā)電機的功率流程比較簡單。原動機帶動發(fā)電機以同步轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)時，給發(fā)電機輸入了機械功率；輸入功率除了提供給機械損耗和鐵耗之外，其余的功率傳遞給了電樞繞組，這一功率稱為電磁功率；電磁功率提供了電樞繞組的熱損耗之后，其余功率作為輸出功率輸送到電網(wǎng)。由于同步發(fā)電機的電樞繞組的損耗很小，通常忽略不計，通常就認為電磁功率全部輸送給了電網(wǎng)。同步發(fā)電機產(chǎn)生的電磁功率與某個角度有關，該角度就是電動勢與端電壓之間的相位差；也是電機內(nèi)的轉(zhuǎn)子磁勢與合成磁勢之間的空間夾角。這一角度稱為功角d。同步發(fā)電機的電磁功率與功角之間的函數(shù)關系稱為功角特性。同步發(fā)電機功角特性曲線上有個最高點，即為最大功率。凸極電機的最大功率可以通過求極值的方法求得。隱極電機的最大功率為：同步發(fā)電機的有功功率可以通過調(diào)節(jié)原動機輸入到發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩來調(diào)節(jié)。當輸入轉(zhuǎn)矩增大時，有功功率會增大，但不能超過最大功率。否則發(fā)電機將失去同步。同步發(fā)電機的穩(wěn)定運行區(qū)域為0°<d<dm。同步發(fā)電機的無功功率可以通過調(diào)節(jié)勵磁電流來調(diào)節(jié)。增大勵磁電流，可以增加發(fā)電機輸送給電網(wǎng)的感性無功功率。發(fā)電機電樞電流與勵磁電流之間的關系成為V形曲線。V形曲線的最低點表示正常勵磁點；正常勵磁時，發(fā)電機只輸出有功功率，不存在無功功率的傳遞；過勵時，發(fā)電機還要向電網(wǎng)輸送感性無功功率；欠勵時，發(fā)電機還要從電網(wǎng)吸收感性無功功率。同步電機也可作為電動機運行。同步電動機在啟動過程中沒有同步轉(zhuǎn)矩，只有異步轉(zhuǎn)矩。同步電動機通常采用異步起動法。也可以采用其他的輔助起動法。同步電動機的轉(zhuǎn)速不隨負載改變而改變，只隨電源頻率而變。同步電動機的最大優(yōu)點是功率因數(shù)可以調(diào)節(jié)。通過調(diào)節(jié)同步電動機的勵磁電流，就可以調(diào)節(jié)其功率因數(shù)。當功率因數(shù)為1時，電動機處于正常勵磁狀態(tài)，此時電動機既不向電網(wǎng)輸送感性無功功率，也不從電網(wǎng)吸收感性無功功率；在此基礎上，增大勵磁電流，電動機將處于過勵狀態(tài)，此時電動機將向電網(wǎng)輸送感性無功功率；若在正常勵磁的基礎上減少無功功率，電動機將處于欠勵狀態(tài)，電動機將從電網(wǎng)吸收感性無功功率。電網(wǎng)需要大量的感應無功功率，所以同步電動機通常運行在過勵狀態(tài)。磁阻同步電動機的運行遵循磁阻最小原理；磁阻轉(zhuǎn)矩的產(chǎn)生緣于其主磁路的不對稱，即直軸磁路與交軸磁路的磁阻不相等。開關磁阻電機通過開關開通的頻率、順序以及開通角的大小來改變電動機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)矩大小，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制。同步補償機相等于運行于空載狀態(tài)的同步電動機。從電網(wǎng)吸收很少的維持自身旋轉(zhuǎn)的有功功率。向電網(wǎng)輸送或從電網(wǎng)吸收大量的感性無功功率，從而改善電網(wǎng)的功率因數(shù)。2.部分思考題講解16-1同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速為什么必須為常數(shù)？150r/min的水輪發(fā)電機應該是多少極？答：為了獲得規(guī)定的頻率，同步發(fā)電機的轉(zhuǎn)速必須為常數(shù)。150r/min的水輪發(fā)電機應該是40極。16-2同步電機和異步電機在結(jié)構(gòu)上有哪些異同之處？答：同步電機和異步電機定定子結(jié)構(gòu)相同；轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同。異步電機的轉(zhuǎn)子包括鼠籠轉(zhuǎn)子和繞線轉(zhuǎn)子，都屬于交流繞組；而同步電機的轉(zhuǎn)子不論是凸極轉(zhuǎn)子還是隱極轉(zhuǎn)子都屬于直流繞組。16-3同步電機中隱極式和凸極式各有什么特點？各適合于哪些場合？答：隱極轉(zhuǎn)子為圓柱轉(zhuǎn)子，電機氣隙均勻，適合于高速旋轉(zhuǎn)的汽輪發(fā)電機；凸極轉(zhuǎn)子氣隙不均勻，高速旋轉(zhuǎn)時空氣阻力較大，但工藝簡單，適合于低速旋轉(zhuǎn)的水輪發(fā)電機。17-7同步電機在對稱穩(wěn)定運行時，電樞電流產(chǎn)生的磁場是否與勵磁繞組匝鏈？它會在勵磁繞組中產(chǎn)生感應電勢嗎？答：同步電機在對稱穩(wěn)定運行時，電樞電流產(chǎn)生的磁場是否與勵磁繞組匝鏈以及交鏈程度，要看電樞磁勢的方向，當電樞磁勢作用在直軸時，完全交鏈；當電樞磁勢作用在交軸時，不交鏈；一般情況下為不完全交鏈。由于電樞磁勢與勵磁繞組同步旋轉(zhuǎn)，沒有相對運動，所以它不會在勵磁繞組中產(chǎn)生感應電勢。17-8同步電機在對稱負載下運行時，氣隙磁場由哪些磁勢建立？它們各有什么特點？答：同步電機在對稱負載下運行時，氣隙磁場由兩個磁勢共同建立：一個是轉(zhuǎn)子磁極在原動機帶動下形成的機械旋轉(zhuǎn)磁勢；一個是電樞電流產(chǎn)生的電氣旋轉(zhuǎn)磁勢。這兩個磁勢轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向均相同，在空間同步旋轉(zhuǎn)。17-9同步電機的內(nèi)功率因數(shù)角y有什么因素決定？

答：同步電機的內(nèi)功率因數(shù)角y是電動勢和電樞電流之間的相位差；決定于電樞回路的總阻抗的大小及其成份。電樞回路的總阻抗包括同步電抗、負載阻抗等。由于同步電抗基本不變，所以該角度主要取決于負載的大小和性質(zhì)。17-10什么是同步電機的電樞反應？電樞反應的性質(zhì)決定于什么？答：同步電機的電樞反應指的是電樞繞組產(chǎn)生的磁勢對勵磁繞組產(chǎn)生的主磁勢的影響。電樞反應的性質(zhì)包括去磁、交磁和增磁，它決定于負載的性質(zhì)。一般來說，對于感性負載，電樞反應電抗為去磁兼交磁；對于容性負載，電樞反應為增磁兼交磁。17-11為什么說同步電抗是三相有關的電抗而它的數(shù)值卻是每相值？答：同步電抗是電樞反應電抗與漏電抗之和。電樞反應電抗是與電樞反應磁通相對應的電抗，電樞反應磁通則與電樞磁動勢相對應，電樞磁動勢是由三相繞組共同產(chǎn)生的，所以同步電抗與三相有關。但電樞反應電抗的具體值與電樞磁通在每相繞組中產(chǎn)生的反電勢相對應，所以它又是每相的值。？17-12隱極電機和凸極電機的同步電抗有何異同？答：同步電抗是電樞反應電抗與漏電抗之和。電樞反應電抗的大小與電樞反應磁通經(jīng)歷的路徑有關。隱極電機氣隙均勻、磁路對稱，所以其電樞反應電抗只有一個值。凸極電機的氣隙不均勻、磁路不對稱，電樞反應磁通經(jīng)歷不同磁路時對應不同的磁阻，形成不同的電樞反應電抗。為了方便建模，通常選用2條特殊的磁路即直軸磁路和交軸磁路所對應的電樞反應電抗來表示一臺同步電機。所以凸極電機有2個不同的同步電抗。17-13測量同步發(fā)電機的短路特性時，如果電機的轉(zhuǎn)速由額定值降為原來的一半，對測量結(jié)果有何影響？答：由于短路運行時，同步電機不飽和。所以對于某一勵磁電流，當發(fā)電機轉(zhuǎn)速下降一半時，感應電勢也將下降一半；而同步電抗的值與頻率成正比，頻率又與轉(zhuǎn)速正比，所以同步電抗也下降一半。短路電流約等于電動勢除以同步電抗，所以短路電流不變?？梢娫诤雎噪姌须娮璧那闆r下，所測得的短路特性應與同步轉(zhuǎn)速時測得的短路特性曲線一致。實際情況受電樞電阻的影響，所測得到短路特性斜率會稍大一些。17-14為什么同步電機穩(wěn)態(tài)對稱短路電流不太大而變壓器的穩(wěn)態(tài)短路電流的數(shù)值卻很大？答：同步電機穩(wěn)態(tài)對稱短路運行時，電樞反應為純?nèi)ゴ抛饔茫沟秒姍C內(nèi)部磁場很弱，電動勢較小，短路電流不太大。變壓器的穩(wěn)態(tài)運行時，二次側(cè)的感應電勢由電源電壓及變比決定，其數(shù)值基本不受負載情況的影響，一旦短路，二次電流的數(shù)值會很大。根據(jù)磁勢平衡，一次電流也會很大。18-7三相同步發(fā)電機投入并聯(lián)時應滿足哪些條件？怎樣檢查發(fā)電機是否已經(jīng)滿足并網(wǎng)條件？如果不滿足某一條件，并網(wǎng)時會發(fā)生什么現(xiàn)象？答：理想并聯(lián)的條件為：發(fā)電機端電壓與電網(wǎng)電壓的(1)有效值相等；(2)相序相同；(3)頻率相同；(4)相位相同?？梢杂脽艄夥z查并網(wǎng)條件。在4個條件中，相序相同必須嚴格滿足，否則會產(chǎn)生巨大的沖擊電流，損壞設備。其它條件可以允許有一定誤差。如果不滿足條件而強行并網(wǎng)，均會產(chǎn)生或大或小的沖擊電流。18-8功角d在時間和空間上各表示什么含義？功角變化時有功功率如何變化？無功功率會不會變化？為什么？答：功角d在時間上表示電動勢超前于端電壓的時間相位差；在空間上表示轉(zhuǎn)子磁動勢超前于合成磁動勢的空間相位差。在達到最大功率之前，功角增大時，有功功率也增大；超過最大功率后，功角增大時，有功功率反而減小，將導致不能穩(wěn)定運行。無功功率會隨著功角增大而減小。其理由參看課本上的公式。18-9并網(wǎng)運行時，同步發(fā)電機的功率因數(shù)由什么因素決定？答：功率因數(shù)是同步發(fā)電機輸出的有功功率與視在功率的比值。當有功功率不變時，功率因數(shù)的大小及性質(zhì)決定于無功功率的大小及正負，而無功功率的大小及正負由勵磁電流決定，所以并網(wǎng)運行的同步發(fā)電機的功率因數(shù)決定于有功功率和勵磁電流的大小。18-10為什么V形曲線的最低點隨著有功功率的增大而向右偏移？答：V形曲線的最低點表示電樞電流與端電壓同相位的狀態(tài)，即輸出功率全部為有功功率。根據(jù)方程或相量圖都可以推導出最低點右移的結(jié)論。有功功率增大，意味著電流增大；電流增大意味著電動勢必須增大，電動勢增大意味勵磁電流增大，即最低點右移。19-5怎樣使得同步電機從發(fā)電機運行方式過渡到電動機運行方式？其功角、電流、電磁轉(zhuǎn)矩如何變化？答：逐步減少原動機輸入給發(fā)電機的轉(zhuǎn)矩，則功角會逐漸減少；當功角減少到0時，電機處于理想空載狀態(tài)；繼續(xù)減少輸入轉(zhuǎn)矩直到去掉原動機，功角將由0變?yōu)橐粋€很小的負角度，電機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩改變方向，幫助電機旋轉(zhuǎn)，電機會過渡到空載電動運行；在給軸上增加機械負載，即將將軸轉(zhuǎn)矩變?yōu)樽璧K電機旋轉(zhuǎn)的負載，這時功角會增大，電磁轉(zhuǎn)矩增大，直到與阻力轉(zhuǎn)矩平衡。整個過程中，功角由正變負，電流與電壓的相對相位會改變，電磁轉(zhuǎn)矩由負變正。19-6增加或減少同步電動機的勵磁電流時，對電機內(nèi)部的磁場有什么效應？答:同步電動機的有功功率保持不變(即負載轉(zhuǎn)矩保持不變