第四章 思考题参考答案

第四章 同步电机思考参考答案

1、直流电机是旋转电枢式，是为了要进行机械换向。同步发电机是因电枢功率大，不宜置于旋转体上，滑动接触导出大电流，不但工艺困难，还会引起滑动接触电阻的铜耗，导致滑动接触因高温而损坏，所以将相对功率较小的励磁回路放在转子上。

2、汽轮机高速，所以发电机p=1,机体相对细长，直径相对小些可降低转子高速旋转引起的离心力，有利于转子材料的选用，汽轮发电机都是卧式的。水轮机转速低，所以发电机的极数多达几十对，转子直径必需大，才能安置大量的磁极。水轮机是立式的，故水轮发电机组都是立式的，相应要求配置结构复杂的推力轴承。

3、直流发电机励磁，要受直流发电机（高速）容量的限制，只能应用于中等容量的同步发电机，且直流励磁发电机需要维护。

静止半导体励磁，克服了直流励磁机受容量限制的缺点，主励磁机为交流，避免了直流机换向火花问题，并可减少维护工作量，担任有滑动接触，且要求有可靠性高的整流装置。

旋转半导体励磁，取消了滑动接触。因为交流主励磁机与同步发电机转子同轴。励磁机和同步机励磁绕组直接连接。所以这种方式亦称为无刷励磁，在解决了半导体装置的可靠性问题后，此乃最佳方案。

4、平均每极每相绕组占的槽数不是整数的绕组称为分数槽绕组。当电机的极对数很多时，采用整数槽绕组会使整个绕组的槽数过多，使设计大受限制。分数槽绕组和短距、分布一样有利于获得较好的电动势波形。

因为总槽数必须是整数，极数必须是偶数，所以当q=15

3时，该绕组至少要有10个极，p=5。

5、分布绕组实现了槽与槽的分布，对比一下集中绕组就显而易见了。

短距绕组槽中上层绕组的分布与下层导体的分布是相同的，但两层间错过了一个位置，故绕组实现了层与层的分布。参看图3-6b 。

分数槽绕组各个极面下的槽分布不相同，如将一个单元绕组的各个极对重叠起来，可见极面下的导体（槽）是分布的，故称之实现了极对间的分布。参看图4-10b 。

6、增大发电机容量不外于增大其额定电流和电压，相应地其体积必然增大。电流大，绕组导线的铜耗就大，电压增高必须增加导线的绝缘，这样损耗引起的发热不易散发，冷却极其困难；转子直径增大，材料承受的机械应力巨大，选用转子钢材困难。

7、直流电机中电枢反应磁动势，始终作用在交轴，并且和磁极相对静止。同步机中电枢反应一样和磁极相对静止，但它们间的相对位置随电枢电流的性质不同而不同的。且由此导致了同步电机分析的复杂性。

8、变压器和感应电机都是只能由电网获得励磁，它们都是感性装置，所以必须从电网吸收感性无功功率，不利电网运行。同步电机为双馈式，可自直流励磁，亦由电网励磁。所以他不仅可以自电网吸收感性无功功率，还可以在（过励时）向电网输出感性无功功率，有利于电网的运行。

9、同步电抗主要对应于电枢反应磁通。电枢反应是由电枢三相电流所产生的，故亦称同步电抗是三相对称电流所产生的电抗。三相产生的电枢反应磁场作用在每相电路中的电势所对应的电抗为同步电抗，所以它是每相值。每相本身的励磁电抗对应的是本相电流所产生的脉动磁场，其幅值相对于电枢反应旋转磁场为小，后者是前者的3/2。

10、由于同步电机的电枢反应磁动势的作用位置相对于转子的磁极是变化的，凸极转子沿圆周的磁导是不同的，所以计算电枢反应磁场便相当困难。电机直轴、交轴两处的磁导，不计饱和是固定值，于是将电枢磁动势分解为位于直轴和交轴的两个分量，再由两处固定的磁导分别来求直、交轴电枢磁场就方便了，这种处理方法称为双反应法。

隐极机沿圆周各点的磁导基本相同，故一样以可将磁势分解为直交轴分量，但已没有必要，故隐极机不采用双反应法。

11、图中磁动势F aq，F ad及其合成F a均为空间矢量，E0, I及其分量I d，I q和Φm为时间向量。

当绕组的相轴与时间坐标轴重合的前提下，因某相电流达到最大值瞬间，电枢旋转磁动势F a恰好在该相绕组的轴线处，在同步电机时空矢量图时，便可将I和F a画在一起。但要记住课文所指出时间向量和空间矢量之间的“相角”是没有物理意义的。

12、I q为电流的有功分量，它激励的磁场作用在交轴，如图4-21 a)，该磁场与转子电流要产生切向磁场力将形成电磁转矩。同理无功电流I d，它与转子电流作用所产生的电磁力是径向的，不形成转矩。

13、隐极同步发电机欠励时的简化向量图如下：

电枢反应是磁化作用。

14、凸极同步发电机欠励时的向量图：

先按式（4—11）E0?jI d x d?x q=U+I r a+jI x q的右边三个分量，找出E0的方向，即找出内功率因数角ψ，然后将I分解为直轴交轴分量，即I d=I sinψ, I q=I cosψ,最后按式（4—10）可找出向量E0。

电枢反应呈磁化作用。

15、一般讲来，曲线有下降，意味着转子励磁线圈有短路。三相电势不对称，意味着定子三相绕组有短路。

16、因为短路实验时，短路电流基本上是纯感性电流，三相短路电流产生的电枢反应磁动势恰作用在直轴，所以只能测得直轴同步电抗。

空载短路试验时不能准确测量饱和同步电抗，因为短路试验时电机磁路由于电枢反应的去磁作用而不饱和。

17气隙的大小是相对的。气隙大小直接关系到相应电抗的大小。气隙的大小要视它对电机性能的影响来确定。感应电机由定子单边励磁，气隙小，电抗大，可减小滞后性质的励磁电流。有利于其电气性能。同步电机是双边励磁，用减小气隙增大电抗来限制交流励磁电流的必要性就不大，而且气隙小同步电抗大，对同步机的稳定性不利。但气隙过大，电抗小，会引起较大的故障短路电流，亦是不利的。电抗大小还与过载能力，电压调整率有关。因此要综合考虑来选择气隙尺寸。当然，同时亦要注意到制造工艺等问题。综上所述，同步机气隙长度一般远大于感应机的气隙长度。

18、电动势法求电压调整率，方法简单，计算方便。但计算是采用的同步电抗是饱和值还是不饱和值，其计算结果有差异，亦不易与电机实际饱和程度下的数值相吻合。

电动势——磁动势图法求△U,较准的计算饱和的影响。但此法没有考虑整隐极机和凸极机的差别。

19，转差率S不仅可反映感应电机的负载大小，更决定了它的运行方式，电动机运行（1>s>0）,发电机运行（S<0）,制动状态（S>1）。

δ功角和电磁功率之间的关系P em=f(δ)为同步发电机的功角特性。见式（4—35）。δ的大小反映电机负载的大小。δ亦反映同步电机的运行方式。

其物理意义可以这样来理解，E0相当于转子旋转磁场，U相当于气隙合成磁场。E0在前相当于转子由外力驱动，拖住U旋转，是为发电机。U在前相当于定子磁场在前拖动转子磁场旋转，是为电动机运行。

20、同步发电机的原动机发生微小扰动，导致发电机的输入功率受到瞬息的变化，如发电机在这瞬时扰动消失后，能继续恢复保持原有运行状态，则称该发电机运

行在“静态稳定”状态。反之，如不能回复到原运行状态，则称该发电机处于“静态不稳定”。

判断发电机保持静态稳定的能力，进一步分析可见功率比整步功率P s=dP em

dδ

角δ越小，稳定度越高。

21、隐极同步电动机欠励向量图如下，关键是欠励同步电机向电网输出的为超前功率因数的电流；是电动机，电功率由电网输入。所以该超前电流与端电压U的夹角大于90°，据此便可按发电机的电压方程式来画向量图。

由图可见功率角为负（U越前E0），如思考题19所述，该电机为电动机运行方式。

表示电动机的电流，即自电网吸收的电流，可见欠励磁同步机和感应及图中Ⅰ

D

一样要向电网吸收感性无功功率。

当然，上图亦可按电动机电压方程式作出，这时要用的电流是I D了。

22、凸机式同步电动机的欠励向量图，与上题同样，确定了电流Ⅰ后，可仍按发电机方程式作出向量图，与思考题14一样要先找出ψ角。

23.图4-53中如定子为圆筒形隐极机，则对转子的磁场来说不会产生磁阻转矩。但如定子产生有圆形旋转的磁场，仍会对转子产生磁阻转矩。

24当同步电动机启动时，将转子回路直接短接，就有气隙磁场在转子中感应电势形成的电流（单相，频率为sf）该电流激励脉动磁场。脉动磁场可分解为两个转向相反振幅相等转速相等（转速为由sf决定的同步速）的旋转磁场Φr1和Φr2。该两个旋转磁场的作用犹如转子为原方，定子为二次侧的感应电动机，将分别产生如图4—54中的曲1、2表示的电磁转矩。其中曲线2表示由Φr2产生的转矩为单轴转矩。

如起动时间同步电动机的机械负载转矩较大，电动机就有可能卡住在同步速S=0.5左右，不能正常启动，达到同步速，此种现象称为半同步胶住。

可采用转子加电阻短路，以减小转子的电流，减小转子磁场的强度来避免胶住现象。

25、将同步电动机，它的机械负载与辅助电动机三者机轴耦合连接起来即可。如辅助电动机和主电动机间采用高速（同步速）时能自动脱离的联轴器就更好了。

26

图中以电机发出的功率P为正值，吸取的功率P为负值。Q表示感性无功功率，发出感性无功功率Q为正值，吸收感性无功功率Q为负值。则有I

1

P>0发出有功功率为发电机，Q<0吸收感性无功功率为欠励状态。

同理I

2电动机运行欠励状态,I

3

过励电动机，I

4

过励发电机。

27.三个条件：1）发电机和电网相序一致，2）发电机和电网的频率相近，3）发电机和电网的端电压基本相等。

条件1必须保证，否则并车后相当于发电机短路，故障严重。第2、3条件如不满足将在合闸并车时产生巨大的冲击电流，对发电机和电网均将带来损害。28.自整步法的优点是操作简便、迅速。缺点是合闸瞬间冲击电流较大。此方法特别适应于电网发生振荡时，频率波动。准确整步很难实施时采用。

29.称P em=fδ为功角特性，反映功率角δ和电机电磁功率之间的函数关系，亦可作为静态稳定的判据。

V形曲线表示电枢电流与励磁电流间的关系，即I=f I f。根据它可调节发电机的工作状态。（励磁性质）

30.电机的工作均可视作定子磁场和转子磁场相互吸住旋转。如转子磁场是由定子磁场感应产生，此时两个磁场间的转矩便是异步转矩。因为只有当转子转速与定子磁场间有转差即异步时，转子才能产生磁场。如果两个磁场是独立形成。它

们间所产生的转矩为同步转矩，因为两独立磁场只有在相对静止时才会有平均转矩，如二者不同步，则平均转矩为零，故称它为同步转矩。

同步电机中的谐波磁场可能产生异步转矩，如前述单轴转矩；异步机中某些空间谐波磁场可能会产生同步转矩。

31.该第二项是同步转矩。

32.电流I自同步电机流向电网，或自电流流向电机，都是反映电流的相位而已。习惯上常将发电机的电流为流向电网，电动机的电流吸收自电网。如思考题23和24的相量图，I(I G)便是把电流看成自电机流向电网的发电机电流，I D便是电机自电网吸取的电动机电流。

33.变压器和异步电机的一次二次侧是耦合的交流电路，有各自的电压三角形，而且是互相影响着的。同步电机虽然亦是二侧间有电磁感应作用，但转子侧是直流电路，且是同步旋转，正常运行时，转子中不会有定子引起的电磁感应作用。所以虽然转子本身有电流方式，但系直流，就不存在相量图了。

34.和思考题32相似，吸收和送出是反相，容性和感性亦是反相，所以只是一种现象两种说法而已。同样习惯上称发电机发出无功，电动机吸收无功。

过励电动机向电网吸收容性无功，亦相当于向电网输出感性无功功率。

35.该发电机未并网，表示其端电压是可以改变的，如调节其励磁电流，则端电压将相应发生变化，输出电流便随之改变，即发电机的输出功率改变了。如原动机输出功率保持不变，则机组转速将相应变化，随之电机频率亦发生变化。发电机将达到一个新的运行状态。

36.定子的正序旋转磁场与转子同向同速旋转，转子励磁路对它不起作用，犹如转子回路开路一般。定子的负序旋转磁场与转子励磁绕组相对转速为同步速的一倍，相当于一个短路的付方。因此，正序电抗即是同步电抗，负序电抗则相当于变压器的短路阻抗，所以数值要较正序电抗小得多。三相对称绕组中流过零序电流。其气隙合成磁场为零，只有绕组漏磁通，其相应的零序电抗，便相当于数值甚小的绕组漏电抗。

37.用下列示意来说明。定子S绕组流过频率为f的单相电流，激励频率为f的脉动磁场Φ1p，它可以分解为Φ1+、Φ1?两个圆形旋转磁场，它们的转速相同为n s，

方向相反。

转子以同步速n s旋转，对Φ1+而言转子绕组R相当于开路；Φ1?则以2n s相对转速切割R绕组，在其中感应2f频率的单相电势和电流。

转子R绕组中2f频率的电流激励一频率为2f的脉动磁场Φ2p，它同样可分解为两个旋转磁场Φ2+和Φ2?。它们对转子的相对转速为2n s。Φ2+对S绕组的相对转速为3n s，将在S中感应频率为3f的感应电势和电流，Φ2?对S的相对转速为n s，在S中感应频率为f的电势和电流。

S中频率为3f的电流又将激励频率为3f的脉动磁场，又可分解为两个旋转磁场，它们对定子S的相对转速都是3n s，这两个磁场相对于转子R的转速为2n s 和4n s，……以此类推可得“定子电流中包含基波分量和所有的奇次谐波，转子电流中包含有直流和所有的偶次谐波”的结论。

38.出现在三相对称稳定运行时有：

xσ绕组每相漏抗

x ad直轴电枢反应电抗

x s隐极机的同步电抗

x d凸极机直轴同步电抗

x q凸极机交轴同步电抗

出现在不对称稳态运行时有：

x+正序电抗

x?负序电抗

x0零序电抗

出现在突然短路等瞬变过程中有：

x d′直轴瞬态电抗

x d‘’直轴超瞬态电抗

x q′交轴瞬态电抗

x d′交轴超瞬态电抗

39.对电机本身的主要危害是巨大的电磁力将导致绕组的端接部分发生严重的机械损坏。

40.汽轮发电机特别是大容量发电机，电压高电流大。电流大引发巨大铜耗（是热源），电压高绝缘厚不利于散热，因此散热困难。内冷式是用空心管状导体，中间通以冷却介质，可将导体的热量直接带走，不单靠热量通过原绝缘层散发，极有利于冷却。

双水内冷指定、转子绕组都用管状空心导线，管内通以冷却水的冷却方式。

水氢氢是定子空心导线内用冷却水冷却，转子空心导线用氢气为冷却介质，第二个氢是指封闭的机壳中用氢气代替空气作为冷却介质。

41.思考题19已提及：同步机运行可视作气隙合成磁场与转子磁场间存在电磁吸力，犹如弹性联系。当负载增大时，两磁场间位移角增大，相当于把磁力线拉长，反之相当于磁力线偏短。如果负载突然变化，由于弹性和惯性作用，转子的位移角不能立即达到新的稳定平衡位置，而将在新位置左右振荡。如振荡振幅能逐步减小，转子将获得新的稳定运行的位移角，电机仍以同步速度稳定运行。

如果振荡的幅度逐渐扩大，位移角便不断增大，相当于磁力线的弹性极限已被超过，转子不能稳定在新的位移角，同步机便将与电网失去同步，不能稳定运行了。设置转子阻尼绕组就是为了获得使振荡衰减的阻尼转矩，提高电机稳定运行的能力。

汽轮发电机的转子为整块铸钢，在振荡时将在转子铁心中感应涡流，它同样可产生起阻尼作用，所以可以不设阻尼绕组。有时亦可在转子槽中用金属槽锲，来增加阻尼作用。

42.同步机电枢磁势折算到转子是为了解决铁心饱和所带来的问题。同步机带负载时气隙中有转子磁势f f和电枢反应磁势f a。由于饱和作用，不能分别由f f和f a来求相应磁通和电势了。必须先将f f和f a合成后才能由这合成磁势去求相应的磁通

和磁势。由于两个绕组结构不同，磁势必然不同。于是有了将f a折算到f f的计算，以求得作用与转子的合成磁势。有了这个合成磁势便可以在电机的空载特性曲线上去找磁通和感应电势了。

而变压器和感应电机的折算是为了将初、次级二侧电路联成一个等效电路。