11章 同步发电机的基本工作原理和结构 课后答案
co
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（3） n
60 f N 60 50 150r / min p 20
第 11 章 自测题参考答案
一、填空题 1. 三相对称、直流； 2. 3000、3600；3. 隐极、凸极；4. 2、3000；5. 转子转向、改变；
10. 笼型转子、抑制转子机械震荡 二、选择题 1.④ 三、简答题
了电机运行的可靠性；缺点是转动部分的电压、电流难以测量，转子绕组保护比较困难。
kh
PN 3U N cos N
ww
（2） PN 400kW
Q N PN tg N 400 0.75 300k var
da
400 10 3 3 6.3 10 3 0.8
2
2. 答：励磁方式分为：
也称为感应电动机。
案 网
绕组外加直流电流产生恒定的转子磁场。 转子铁心又分为隐极式和凸极式两种不同结构。 异步电动机的
S N PN / cos N 300 / 0.85 352.94 MVA
S N PN / cos N 100 / 0.9 111.11 MVA
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11320.6 A 4648.553 A
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300 10 6 3 18 10 3 0.85 100 10 6 3 13.8 10 3 0.9
1
PN 300MW ， U N 18kV ， cos N 0.85 ，f N 50 Hz ， 11.4 一台汽轮发电机， 极数 2 p 2 ，
后 答
2.④
3.②
4.④
5.③
和励磁绕组组成。当励磁绕组通入直流电流后，建立恒定的转子磁场。转子由原动机拖动以转速 n 匀速
1）直流励磁机励磁系统：其优点是结构简单，直接获得直流电压；缺点是高转速、大容量的直流 励磁机在制造和运行维护方面都存在一些困难， 所以大容量汽轮发电机难以采用同轴直流励磁机励磁系 统。
解： （1） I N
PN
（2） PN 300 MW
Q N S N sin N 352.94 0.527 186 M var
ww
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发电机的转速。
解： （1） I N
11.5 一 台 水 轮 发 电 机 ， 极 数 2 p 40 ， PN 100MW ， U N 13.8kV ， cos N 0.9 ，
f N 50Hz ，求： （1）发电机的额定电流； （2）发电机额定运行时的有功功率和无功功率； （3）
kh
PN 3U N cos N
3U N cos N
（2） PN 100 MW
Q N S N sin N 111.11 0.436 48.44 M var
da
答：同步发电机和异步电动机的定子结构相同，都由定子铁心、定子三相对称绕组、机座和端盖等 主要部件组成。但这两种电机的转子结构却不同，同步发电机的转子由磁极铁心和励磁绕组组成，励磁
转子分为笼型和绕线型两种结构形式， 转子绕组中的电流及转子磁场是依靠定子磁场感应而产生的， 故
课
试求： （1）发电机的额定电流； （2）发电机额定运行时的有功功率和无功功率。
第 11 章 思考题与习题参考答案
11.1 同步发电机感应电动势的频率和转速有什么关系? 系？ 答:频率与转速的关系为： f 在频率为 50H Z 时，极数和转速有什么关
pn 当频率为 50 Hz 时， pn 60 50 3000 。 60
11.2 为什么汽轮发电机采用隐极式转子，水轮发电机采用凸极式转子？ 答：汽轮发电机磁极对数少（通常 p=1） ，转速高，为了提高转子机械强度，降低转子离心力，所 以采用细而长的隐极式转子；水轮发电机磁极对数多,转速低，所以采用短而粗的凸极式转子。 11.3 试比较同步发电机与异步电动机结构上的主要异同点。
课
后 答
旋转时，转子磁场切割定子三相对称绕组，在三相绕组中产生三相对称的电动势。
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45.82 A
案 网
1. 答:同步发电机定子铁心槽内安放着空间相差 120 的电角度的三相对称绕组。转子由磁极铁心
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6. 旋转磁极、旋转电枢； 7.旋转磁极、旋转电枢； 8. 转子、定子磁场； 9. 相同、相同；
2）静止半导体励磁系统：其优点是运行、维护方便，由于取消了直流励磁机，使励磁容量得以提 高； 缺点是励磁电流通过电刷和滑环引入励磁绕组， 当励磁电流过大时， 将使滑环产生高温而极易损坏。 3）旋转半导体励磁系统：其优点是主励磁机实现了无刷化，避免了流经大电流的滑动接触，提高
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四、计算题 解： （1） I N
同步发电机的基本工作原理和结构
8/16/2015
临沂电力学校
5
同步发电机的主要构成部件包括两大部分：定子 （工作时不运动部分）和转子（工作时转动部分）。 定子部分主要有：定子铁心（硅钢片叠成），其 内表面开槽用于嵌放定子绕组；定子三相对称绕组， 用于切割磁场感应电动势，将动能转换成电能。
转子部分主要有：转子铁心及磁极；转子绕组（ 也称为励磁绕组），用于通过直流电流（励磁电流） 形成恒定磁场。 对照原理结构图，说明同步发电机的工作过程： 电生磁：转子绕组通直流电流后产生恒定磁场。 磁生电：该恒定磁场在原动机带动下旋转，切割 定子上的三相对称绕组，在定子绕组上产生感应电动 势，在其引出端就有了三相对称交流电压输出。
相关部件的散热（冷却）方式：通过空气、水、 氢气等冷却介质进行冷却。
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第二节 同步发电机的基本结构 目前电力系统中的发电机主要有两大类：汽轮发 电机和水轮发电机，这两类发电机的工作原理是一样 的，不同的是在工作过程中一类是高转速发电机，一 类是低转速发电机，这使其结构有一点不同。 一、汽轮发电机的基本结构 汽轮发电机是在高转速下工作，定子结构与水轮 发电机是一样的，其转子采用隐极式结构，直径小、 轴向尺寸长，全为卧式布置，理由——
推力轴 承 上机 架 转子
转子
下机架
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推力轴承
悬式
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伞式
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水轮发电机组也有采用卧式机组形式的，主要用 于高水头、小流量的小型机组，这样可降低整个厂房 的修建高度，从而降低修建成本。如青城电站——
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第三节 三相同步发电机的励磁方式 从原理分析已知，同步发电机运行时必须在转子 绕组中通入直流电流建立磁场，这个电流就叫励磁电 流。我们把供给励磁电流的电源及其附属设备（励磁 调节器、灭磁装置）统称为励磁系统。 获取励磁电流的方式有多种，在实际应用中常用 的有以下几种： 一、直流励磁机励磁系统 直流励磁机励磁系统的构成见下图示：
电机习题与解答(同步电机)
6.1 三相同步发电机基本工作原理和结构6-1-1 同步发电机是怎样发出三相对称正弦交流电的？答： 同步发电机的转子上绕有励磁绕组，通以直流电励磁，产生磁场，并由原动机带动旋转，使定子三相对称绕组不断切割转子磁场而感应出三相交流电动势。
（1）波形：由于感应电动势的波形主要取决于转子磁场在气隙空间分布的波形，制造时使转子磁极的磁场在气隙空间尽可能按正弦波分布，三相绕组的Y 形连接和采用短距、分布绕组，便得到正弦波形的感应电动势；（2）大小：由于定子三相绕组对称，它们切割同一个转子磁场，三相感应电动势也对称，大小均为01144.4Φ=W K fN E（3）相位差和相序：由于定子绕组在空间位置上互差1200电角度，转子旋转磁场切割定子三相绕组在时间上有先后顺序，定子的三相感应电动势在时间相位上就互差1200电角度，如果将先切割的一相定义为A 相，则后切割的那两相就为B 相和C 相，因此三相电动势的相序与转子转向一致，其由转子转向决定； （4）频率：转子转过一对磁极，感应电动势就经历一个周期的变化，若电机有p 对磁极，转子以每分钟n 转旋转，则每分钟内电动势变化pn 个周期，即频率为：60pn f =也就是当电机的磁极对数p 一定时，频率f 和转速n 有严格不变的关系。
6-1-2 什么叫同步电机？其感应电动势频率和转速有何关系？怎样由其极数决定它的转速？答： 转子的转速恒等于定子旋转磁场的转速的电机称为同步电机，其感应电动势的频率与转速之间的关系是：60pnf =，当电机的磁极对数p 一定时，f ∝n ，即：频率f 与转速n 之间保持严格不变的关系。
6-1-3 说明汽轮发电机的基本结构，为什么汽轮发电机的转子采用隐极式，而水轮发电机的转子采用凸极式？答：汽轮发电机的基本结构由定子、转子两部分组成，定子由定子铁心、电枢绕组、机座及端盖等部件组成；转子由转子铁心、励磁绕组、护环、集电环、中心环、阻尼绕组和风扇等组成。
同步电机的基本原理与运行特性
磁极旋转式同步电机
定子、转子、气隙
定子——定子铁心的内圆均匀分布着定子槽，槽内嵌 放着按一定规律排列的三相对称交流绕组。这种同步 电机的定子又称为电枢，定子铁心和绕组又称为电枢 铁心和电枢绕组 转子——转子铁心上装有制成一定形状的成对磁极， 磁极上绕有励磁绕组，通以直流电流时，将会在电机 的气隙中形成极性相间的分布磁场，称为励磁磁场(也 称主磁场、转子磁场)。 气隙——气隙处于电枢内圆和转子磁极之间，气隙层 的厚度和形状对电机内部磁场的分布和同步电机的性 能有重大影响。
对励磁系统的要求
当电机内部发生短路故障时， 能快速灭磁和 减磁，以减小故障的损坏程度。 对两台以上并列运行发电机， 能成组调节无 功功率，使无功合理分配。 其他：反映迅速，运行可靠，结构简单，损耗 小，成本低，体积小等
强励指标
励磁电流增长幅度
强励时顶值电压 强励倍数K = 正常工作电压
励磁电流增长速度
发电机原理示意
主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁 场，即建立起主磁场。 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（相当于绕组的导体反向 切割励磁磁场）。 交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢 绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。通过 引出线，即可提供交流电源。 感应电势 频率： 感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数 pn p ，即
发电机的转速必须为某些固定值——同步转速。例如 2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转 速为1500r/min，依次类推。只有运行于同步转速，同 步电机才能正常运行。
同步电机课后习题参考答案
14-1水轮发电机和汽轮发电机结构上有什么不同，各有什么特点？14-2 为什么同步电机的气隙比同容量的异步电机要大一些？14-3 同步电机和异步电机在结构上有哪些异同之处？14-4 同步发电机的转速为什么必须是常数？接在频率是50Hz电网上，转速为150r/min的水轮发电机的极数为多少？14-5 一台三相同步发电机S N=10kV A，cosφN=0.8（滞后），U N=400V，试求其额定电流I N和额定运行时的发出的有功功率P N和无功功率Q N。
14-6 同步电机在对称负载下稳定运行时，电枢电流产生的磁场是否与励磁绕组匝链？它会在励磁绕组中感应电势吗？14-7 同步发电机的气隙磁场在空载状态是如何激励的，在负载状态是如何激励的？14-8 隐极同步电机的电枢反应电抗与与异步电机的什么电抗具有相同的物理意义？14-9 同步发电机的电枢反应的性质取决于什么，交轴和直轴电枢反应对同步发电机的磁场有何影响？答案：14-3 2p=4014-4 I N=14.43A，P N=8kW，Q N=6 kvar15-1 同步电抗的物理意义是什么？为什么说同步电抗是与三相有关的电抗，而它的值又是每相的值？15-2 分析下面几种情况对同步电抗有何影响：（1）铁心饱和程度增加；（2）气隙增大；（3）电枢绕组匝数增加；（4）励磁绕组匝数增加。
15-9 (1) *0E =2.236， (2) *I =0.78（补充条件： Ｘ*S 非=1.8） 15-10 (1) *0E =1.771, 0E =10.74kV ，4.18=θ 15-11 0 2.2846E *=, 013.85kv E =，32.63θ=15-12 012534.88v E =，57.42ψ=，387.61A d I =，247.7A q I =16-1 为什么同步发电机的稳态短路电流不大，短路特性为何是一直线？如果将电机的转速降到0.5n 1则短路特性，测量结果有何变化？16-2 什么叫短路比，它与什么因素有关？16-3 已知同步发电机的空载和短路特性，试画图说明求取Ｘd 非和Kc 的方法。
同步发电机的基本结构
同步发电机的基本结构 2024.12.14
同步发电机的基本结构
同步发电机，即转子转速与定子旋转磁场的转速相同的交流发电机。其基 本结构主要包括定子和转子两部分。
1、定子是同步发电机的电枢部分，用以产生三相交流电能。定子由定子铁 芯、定子绕组、机座等组成。定子铁芯由内圆冲有嵌线槽的硅钢片叠装而成，定 子绕组用绝缘扁铜线或漆包线绕制而成，并三相对称地嵌放在定子铁芯槽内，机 座用来固定铁芯和承受荷重。
同步发电机的工作原理
同步发电机的工作原理
同步发电机是一种常用于发电的电机，其工作原理基于电磁感应和电流激励的相互作用。
首先，同步发电机的转子由直流激励线圈和交流绕组组成。
直流激励线圈通过外部直流电源提供直流电流，形成一个磁场。
交流绕组则与电网相连，接受电网中的电压。
当同步发电机的转子旋转时，直流激励线圈产生的磁场也随之旋转。
这个旋转的磁场将与交流绕组中的电流相互作用，产生电磁感应力。
根据法拉第电磁感应定律，电磁感应力会导致交流绕组中的电流发生变化。
这个电流变化又会产生额外的磁场，与直流激励线圈产生的磁场叠加在一起。
如果两者的磁场方向一致，它们将相互增强，使得感应力增大。
反之，如果磁场方向相反，它们将相互抵消，使得感应力减小。
当感应力达到一个平衡时，同步发电机的转速将与电网的频率完全同步。
这是因为电网的频率是固定的，而同步发电机的旋转速度取决于直流激励线圈提供的直流电源电流。
因此，在感应力的作用下，同步发电机的转子将转向与电网频率相同的速度。
最后，同步发电机通过交流绕组将同步旋转的磁场转化为交流电能，输出给电网。
这样，同步发电机就实现了将机械能转化为电能的功能。
总结起来，同步发电机的工作原理是通过电磁感应力和电流激励的相互作用，使得转子转速与电网频率同步，并将机械能转化为电能输出到电网中。
11第11章同步发电机的基本工作原理和结构
11第11章同步发电机的基本工作原理和结构第3篇同步电机现代电力系统中的交流电能几乎都是发电厂中的同步发电机发出的。
但从运行原理上讲，同步电机不仅可以用作发电机运行、也可作为电动机或调相机运行。
本篇主要介绍同步发电机的工作原理、性能、参数及运行方式，对同步电动机和调相机作简要介绍。
大型同步发电机与异步电动机比较，二者的定子相同，其三相绕组流过三相对称电流都将产生一个旋转磁场；但二者的转子却差别很大。
同步发电机转子的主要特点是：①转子绕组外加直流励磁电流而产生一个恒定磁场；②转子转速与定子旋转磁场转速相同，即转子与定子磁场严格保持同步旋转。
因此称为同步电机。
第11章同步发电机的基本工作原理和结构[内容]本章论述同步发电机的基本工作原理、分类与额定值，简述其基本结构与励磁方式。
[要求]●掌握同步发电机的基本工作原理、类型和额定值。
●了解同步发电机的基本结构及各主要部件的作用。
● 了解同步发电机的励磁系统。
11.1 同步发电机的工作原理、分类与额定值一、同步发电机的基本工作原理同步发电机是将机械能转换为电能的电磁装置。
三相同步发电机的基本工作原理可用图11.1.1说明。
同步电机的定子铁心槽内安放着空间相隔o 120电角度的三相对称绕组U1U2、V1V2、W1W2。
转子主要由磁极铁心和励磁绕组组成。
当励磁绕组通入直流电流后，建立恒定的转子磁场。
转子由原动机拖动以转速n 匀速旋转时，转子磁场不断切割定子三相对称绕组，在三相绕组中感应出三相交变电动势,其方向可用右手定则确定。
由于定子三相绕组在空间位置上互差o 120电角度，所以三相电动势在时间上互差o 120相位。
1．感应电动势的波形根据感应电动势公式Blv e =可知,当导体有效长度l 和导体切割磁场线速度v 为常数时，B e ∝，即导体感应电动势的波形取决于转子磁场沿气隙空间分布的波形。
若把转子磁极的极弧设计制造成适当的形状，使它产生的磁场沿气隙空间按正弦规律分布，则定子绕组就能得到正弦波形的感应电动势。
同步电机习题和答案解析
同步电机习题与答案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]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]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]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 [答案见后]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，对试验结果有什么影响[答案见后]一般同步发电机三相稳定短路，当I k=I N时的励磁电流I fk和额定负载时的励磁电流I fN都已达到空载特性的饱和段，为什么前者X d取不饱和值而后者取饱和值为什么X q一般总是采用不饱和值[答案见后]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]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]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]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]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]同步电动机与感应电动机相比有何优缺点[答案见后]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]试述直流同步电抗X d、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]有一台三相汽轮发电机，P N＝25000kW，U N＝，Y接法，cosφN＝（滞后），作单机运行。
由试验测得它的同步电抗标么值为X*t＝。
电枢电阻忽略不计。
每相励磁电动势为7520V，试分析下列几种情况接上三相对称负载时的电枢电流值，并说明其电枢反应的性质：（1）每相是Ω的纯电阻；（2）每相是Ω的纯感抗；（3）每相是Ω的纯容抗；（4）每相是－Ω的电阻电容性负载。
同步发电机工作原理
同步发电机工作原理
发电机是将机械能转换为电能的设备，同步发电机是一种常见的发电机类型。
它的工作原理可以简单概括为根据法拉第电磁感应定律，在磁场中通过转子与定子之间的相对运动来产生电压。
同步发电机包括转子和定子两部分。
转子是由电磁铁芯和线圈构成的，线圈中通有直流电流。
定子是由电磁铁芯和线圈构成的，线圈中通有交流电流。
在工作时，首先将外部的机械能输入到发电机的转子上，使其开始旋转。
转子产生的旋转运动会使得转子上的电磁铁芯与定子之间产生相对运动。
当转子上的电磁铁芯与定子线圈相对运动时，定子线圈中的磁感线会切割过线圈，根据法拉第电磁感应定律，磁感线的变化会在定子线圈中感应出电动势。
由于定子线圈中通有交流电流，因此在定子线圈中就会产生交流电压。
这样，通过定子线圈中的电压输出，同步发电机就将机械能转换为了电能。
这里需要注意的是，因为转子上的电磁铁芯与定子之间的相对运动速度不是无限大的，所以同步发电机产生的电压是交流电。
需要指出的是，同步发电机的特点是其输出电压的频率和电网的频率一致。
这是因为电机的转速是由输入的机械能决定，而电压的频率又与转速相关。
在电力系统中，通过调整同步发电
机的转速可以使得输出的电压频率与电网的频率保持一致，从而保证电力系统的正常运行。
同步发电机的基本知识及结构
同步发电机的基本工作原理
大型同步发电机的结构
大型同步发电机的基本系统
火力发电厂的基本生产过程
烟囱
蒸汽管道 储煤场
汽轮机
发电机
升压站
输煤皮带
锅炉 江河或水库 冷凝器
冷却水
压水堆核电站工作原理
地热能发电原理
水力发电的基本过程
潮汐能发电
N
原始型,采用永磁磁场,转子线 圈上感应出电流经滑环碳刷送出
励磁绕组中通以直流电流励磁，产生恒 定的磁场。当原动机拖动转子以转速n 旋转时，定子绕组导体将切割磁力线， 在定子绕组中将感应出交变电动势。
一、同步发电机的基本工作原理
当导体经过一对磁极，导体中的感应电
动势就变化了一个周波，若转子极对数
为P，转子旋转一周，导体感应电动势
就变化了P个周波，设转子转速为 n，则
感应电动势的频率为：f = pn/60。
一、同步发电机的基本工作原理
同时，当三相对称绕组接有三相对称负 载时，绕组中会有三相对称电流流通， 形成磁场，其合成磁动势是一个幅值恒 定的旋转磁动势，且转速决定于电流的 频率和磁极对数，即转速n1=60f1/p; 显然，转子的转速与气隙磁场的旋转速 度相等，所以称之为同步电机。
三、同步发电机的铭牌
额定功率因数 cos N —指额定运行时电机 的功率因数 额定频率fN（Hz）— 指额定运行时电枢的频 率 额定转速nN（r/min）—指额定运行时电机 的转速，即为同步转速
3、额定值之间的关系：
PN 3UN I N cosN
1.2 大型同步发电机的结构
同步电机的基本结构