华南理工大学电机学第五章思考题.docx

5-1 汽轮发电机和水轮发电机在结构上有何区别，原因何在？

【答】 在结构上，汽轮发电机为隐极转子，水轮发电机为凸极转子。原因：汽轮发电机的原动机为汽轮机，转速高，离心力大。故采用整块钢通过锻压工艺把转子制成一个整体。水轮发电机的原动机为水轮机，转速低，离心力小。故采用相对简单的焊接工艺把转子制成由多个部分组成的组合件。

5-2 同步电机有哪几种运行状态，如何区分？

【答】 同步电机有发电机、电动机和补偿机三种运行状态。可以通过功率角δ来表征，功率角定义为相量0E 超前相量U 的角度。可以等价为主磁场空间矢量1F 超前合成磁场F 的角度。具体区分如下：0>δ时，转子主磁场超前于合成磁场，转子上受到一个制动性质的电磁转矩，转子输入机械功率，定子绕组向电网或负载输出电功率，电机作发电机运行；

0=δ时，

转子主磁场与合成磁场的轴线重合，电磁转矩为零，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）；0<δ时，转子主磁场滞后于合成磁场，转子上受到一个驱动性质的电磁转矩，定子绕组从电网吸收电功率，转子可拖动负载输出机械功率，电机作电动机运行。

5-4 何谓同步电机的电枢反应？电枢反应的性质取决于什么？试讨论下列各种情况下的电枢反应（发电机惯例）：

（1）电枢电流超前于励磁电势以0ψ角时；

（2）电枢电流滞后于励磁电势以()

0ψπ-角时，其中?<900ψ。

【答】 同步电机在空载时，气隙中仅存在着转子磁动势。负载以后，除转子磁动势外，定子三相电流也产生电枢磁动势。电枢磁动势的存在，使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象成为电枢反应。电枢反应的性质取决于电枢磁动势和主磁场在空间的相对位置，空载电动势?0E 和负载电流?a I 之间的夹角0ψ，即取决于负载的性质。

（1）电枢电流?a I 超前于励磁电势?

0E 以0ψ角，产生直轴增磁电枢磁动势和交轴电枢磁动势。

（2）电枢电流滞后于励磁电势以()0ψπ-角，产生直轴去磁电枢磁动势和交轴电枢磁动势。

5-5 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】 交轴电枢反应aq F 与能量转换有直接关系。直轴电枢反应ad F 与能量转换有间接关系。 能量转换需要磁场。ad F 直接影响磁场，通过磁场影响能量转换。没有ad F 仍然有能量转换，但如果0=aq F ，即0=a I ，则没有能量转换。以隐极机为例，

03cos 3000===q e I E I E P ψ。ad F 影响磁场，从而影响发电机的功率因数。

5-6 试述电枢反应电抗a X 的意义。

【答】电枢反应电抗a X 是对应于电枢反应磁通的电抗，I E X a a =，即等于单位电枢电流所产生的电枢反应电动势。反映电枢反应主磁路（简称主磁路）、电枢绕组的一个参数。主磁路磁阻越大，则a X 越大；电枢绕组匝数越多，则a X 越大。

5-7 试画隐极同步发电机在

纯电阻负载时的相量图，并说明

这种情况下的电枢反应的性质。

【答】 因为0ψ为锐角，故电

枢反应的性质为直轴去磁电枢磁动势和交轴电枢磁动势。

5-8 为什么分析凸极同步电机时要用双反应理论？凸极同步发电机负载运行时，若0ψ既不等于?0又不等于?90，问电枢磁场的基波与电枢磁动势的基波在空间是否同相，为什么？

【答】 因为即使不计磁饱和，凸极同步发电机的

气隙沿电枢圆周是不均匀的，气隙磁阻不是常数，因

此，电枢反应电势a E 无法用一个负的电抗压降来表示，

从而无法引入电枢反应电抗。所以分析凸极机时，必

须采用双反应理论。0ψ既不等于?0又不等于?90时，

电枢磁场基波a B 与电枢磁势基波a F 在空间不同相。

因为此时ad F 、aq F 都不等于零。a B 由ad B 、aq B 合成而得。ad B 与ad F 成比例，aq B 与aq F 成比例。d 、q 磁路的磁阻不同，导致这两个比例不同，故a B 与a F 的相位不同。

5-9 试述直轴和交轴同步电抗的意义。d X 和q X 的大小与哪些因素有关？*d X 和*q X 通常在

什么范围？

【答】 直轴同步电抗d X 表征单位直轴电流所产生的直轴电枢反应电动势与漏电势之和。交轴同步电抗q X 表征单位直轴电流所产生的交轴电枢反应电动势与漏电势之和。

m

a R N f X 2

2π=，d X 和q X 的大小与磁路的磁阻、绕组的有效匝数、频率有关。

5-10 试述同步发电机单独负载运行和与电网并联运行时，性能上有哪些差别，原因何在？

【答】 同步发电机单独负载运行时，负载发生变化，发电机的频率和端电压将相应地随之变化。当同步发电机与电网并网运行时，发电机单机的功率调节、个别负载的变动或其他扰动对整个电网的电压、频率影响甚微，发电机的频率和端电压与电网相一致，基本不变。

5-11 试述同步发电机投入电网并联的条件和方法。

【答】 同步发电机投入电网并联的条件：

① 发电机与电网的相序一致；

② 发电机与电网的电压波形相同；

③ 发电机与电网的频率相等；

④ 发电机的励磁电动势?0E 与电网电压?U 大小相等、相位相同，即??=U E 0。

同步发电机投入电网并联的方法：① 准确整步法；② 自整步法。

5-12 试述同步发电机与电网并联时静态稳定的概念。

【答】 并网在电网上的同步发电机，在某一工作点运行时，如果外界（电网或原动机）发生微小的扰动，在扰动消失后，发电机是否回复到原先的状态下稳定地运行，称为同步发电机的静态稳定问题。如能回复，说明同步发电机是稳定的；反之，则是不稳定的。

5-14 试述同步补偿机的原理和用途。同步补偿机应当装设在送电端还是受电端？为什么？

【答】 同步补偿机可以看作为空载运行的同步电动机。其V 型曲线相当于0e ≈P 时电动机的V 型曲线。在正常励磁时，补偿机的电枢电流接近于零；过励时，补偿机能从电网吸取超前的无功电流；欠励时，补偿机则从电网吸取滞后的无功电流。

5-15 试述同步发电机作为发电机和电动机运行时，?、0ψ和δ角的变化范围。

【答】 同步发电机作为发电机运行时，由转子输入机械功率，从定子绕组向电网或负载输出电功率，电磁功率0e >P ；同时，励磁电动势?0E 超前于端电压?

U ，电磁转矩为制动转

矩；同步电动机的功率因数角?和内功率因数角0ψ均在?+?-90~90范围内，即?cos 和

0cos ψ均为正值。

同步发电机作为电动机运行时，由电网输入电功率，从转子输出机械功率，若仍用发电机惯例（输出电流为正方向）来分析，可看作电动机向电网输送负的电流，发出负功率，即电磁功率0e

]90,90-(??∈发电机? ]180,90(]90-,180-(?????∈电动机?

]90,90-(0??∈发电机ψ ]180,90(]90-,180-(0?????∈电动机ψ

]180,0(??∈发电机δ ]0,180-(??∈电动机δ

5-16 有一台同步电动机在额定电压、额定频率、额定负载下（功率因数为超前）运行时，功率角?=25δ，现因电网发生故障，情况有如下变化时，功率角有何变化？

（1）电网频率下降%5，负载转矩不变；

（2）电网电压和频率都下降%5，负载转矩不变；设励磁一直保持不变，电枢电阻、凸极效应和饱和效应均忽略不计。

【答】 同步发电机的转矩方程e L T T T +=0，则负载转矩L T 不变时，电磁转矩e T 也不变。励磁不变，则0E 不变。由220004sin 322sin 3sin 3f

L Up E p f fL U E p X U E P T s s s s e e πδππδ?δ===Ω=。 （1）电网频率下降%5，则δsin 增大，从而功率角δ增大。

（2）电网电压和频率都下降%5，则仍δsin 增大，从而功率角δ增大。

5-17 有一无穷大电网，受电端的线电压kV 6N =U ，供电给一

个A 1000=I ，8.0cos =?（滞后）的三相负载。今欲加装同步补

偿机以把线路的功率因数提高0.95（滞后），此补偿机将输出多少

滞后无功电流？

【答】 图中cd 为补偿机输出的滞后无功电流。则bd bc cd ==

()()21121tan tan cos ac tan tan ab ?????-?=-?=

()()A 12.3373268.075.08.0000119.18tan 87.36tan 8.00001=-??==?-???=

5-20 某水电站为一远距离用户供电，为改善功率因数添置一台补偿机，此机应装在水电站内还是装在用户附近？为什么？

【答】 补偿机应装在用户附近。就地补偿，可以减少补偿电流在线路上的压降、功耗。