电机学同步发电机的基本理论思考题与习题参考答案

1、第12章同步发电机的基本理论思考题与习题参考答案它们的大小、位置和转12.1试比较同步发电机带三相对称负载时电枢磁动势和励磁磁动势的性质, 速各由哪些因素决定？答：电枢磁动势和励磁磁动势的比较见下表:磁动势来源性质转速大小幅值位置电枢磁动势（定子磁动势）是定子三 相绕组流 过三相对 称电流产 生的。是交流旋转磁动 势，本身就是旋转 的，称为电气旋转 磁动势。同步转速：60fn1 pNa，Fai =1.35Ia P当某相电流达 到最大值时， 基波幅值就转 到该相绕组的 轴线上。励磁磁动势（转子磁动势）是转子励 磁绕组通 入直流电 流产生的。是直流恒定磁动 势，本身并/、旋 转，在原动机的拖 动下

2、随转于III旋 转，故称为机械旋 转磁动势。随着转子一起 以同步速n1旋 转。因为原动机 以同步速拖动 转子旋转的。F f i = N f I f无论转子转到 什么位置，基 波幅值始终处 在铁心磁极轴 线处。12.2同步发电机电枢反应性质王要取决于什么？若发电机的同步电抗标么值Xs =1.0,则在下列情况下电枢反应各起什么作用（1）带电阻负载；（2）带电容负载Xc=0.8, （3）带电感负载Xl=0.7。答：电枢反应的性质取决于负载电流与励磁电动势E0的相位关系，或者说取决于负载的性质。（1）带电阻负载时，由于同步电抗的存在， 负载性质呈阻感性， 故电枢反应起交磁和直轴去磁作用; （2）带电容

3、负载X： =0.8时，由于它小于同步电抗（XS =1.0）,总电抗仍为感抗，电枢电阻很小，因 此电枢反应基本为直轴去磁作用；（3）带电感负载XL =0.7时，总电抗为更大的感抗，电枢反应主要为直轴去磁作用。电枢反应电抗对应什么磁通？它的物理意义是什么？同步电抗对应什么磁通？它的物理意义是什么？答：电枢反应电抗对应电枢反应磁通，这个磁通是由电枢磁动势产生的主磁通，它穿过气隙经转子 铁心构成闭合回路，它反映了电枢反应磁通的大小；同步电抗对应电枢磁动势产生的总磁通（即电枢反 应磁通和定子漏磁通之和），它是表征电枢反应磁场和电枢漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数。同步 电抗的大小直接影响同步发电机的电

4、压变化率和运行稳定性，也影响同步发电机短路电流的大小。什么是双反应理论？为什么分析凸极同步电机时要用双反应理论？答：由于凸极同步电机的气隙不均匀，直轴处气隙小，磁阻小，交轴处气隙大，磁阻大，同样的电枢磁动势作用在不同位置时，遇到的磁阻不同，产生的电枢反应磁通不同， 对应的电枢反应电抗也不同，即电枢磁动势（电枢电流）与电枢反应磁通（电枢电动势）之间不是单值函数关系，因此分析凸极同步 电机时，要采用双反应理论。分析凸极同步电机时，不论电枢反应磁动势Fa作用在什么位置，总是先把它分解为直轴电枢反应磁动势Rd和交轴电枢反应磁动势 Eq,这两个分量分别固定地作用在直轴和交轴磁路上，分别对应固定的直轴和交

5、轴磁阻，各自产生直轴和交轴电枢反应磁通，它们分别在绕组中产生直轴和交轴电动势，这种 分析方法称为双反应理论。对称负载运行时凸极同步电机有多少种电抗？试比较它们的大小。答：凸极同步发电机有五种电抗，分别是直轴电枢反应电抗Xad、交轴电枢反应电抗 Xaq ,直轴同步电抗Xd,交轴同步电抗Xq,漏抗X。其中，Xd=Xad+Xb, Xq=Xaq+Xb,因为 q q qXad Xaq X 仃所以 Xd Xq A X 仃。当凸极同步发电机的电流 匕为恒定数值，而 中变动时，所产生的电枢反应电动势Ea之值是否为恒值？中在何彳t下Ea有最大值和最小值？答：因为凸极同步发电机的气隙不均匀，即使Ia为恒值，当中变

6、动时，电枢反应磁通也不会为恒值，所以Ea不是恒值。当中=90二或中=-90：时，电枢磁动势位于直轴，电枢反应磁通最大，故Ea有最大值，当中=0二时，电枢磁动势位于交轴，电枢反应磁通最小，故Ea有最小值。同步发电机的转速一定，定子电流为额定值，保持转子励磁电流不变，根据电枢反应概念，试 TOC o 1-5 h z 比较：空载；带电阻负载；带电感负载；带电容负载等四种情况下，发电机端电压的大小？为了保持端电压为额定值，应如何调节励磁电流？答：设负载容抗大于同步电抗，有UC久0aUraUl，为了保持端电压为额定值，带电容负载时，应减小励磁电流；带电阻负载和电感负载时，都应增加励磁电流，带电阻负载比带

7、电感负载时增加的励 磁电流要小些。为什么同步电抗的数值一般都较大（不可能做得较小），试分析下列情况中同步电抗有何变化？（1）电枢绕组匝数增加；（2）铁心饱和程度提高；（3）气隙加大；（4）励磁绕组匝数增加。答：同步电抗与电枢绕组匝数的平方和铁心磁导率成正比，与气隙长度成反比。为了获得较大的电动势，电枢绕组匝数不可能太少，为了减小励磁安匝数，气隙应尽可能小，所以同步电抗不可能做得较小。（1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增大；（2）铁心饱和程度提高，铁心磁导率降低，同步电抗减小；（3）气隙加大，同步电抗减小；（4）励磁绕组匝数增加，同步电抗不变。同步发电机带上 0 0二的对称负载后，端电压为什么会下

8、降，试从电路和磁路两方面来分析。答：从磁路方面来说，同步发电机带上中A 0二的对称负载后，电枢反应会产生直轴去磁作用，使气隙电动势降低，同时电枢绕组漏阻抗流过电流会引起电压降，所以端电压会下降；从电路方面来说，同 步阻抗流过电流会引起电压降，所以端电压会下降。同步发电机短路特性曲线为什么是直线？稳态短路电流为什么不大 ？答：短路时，端电压 U =0,短路电流仅受发电机内部阻抗（电枢电阻和同步电抗）限制。因为电 枢电阻远小于同步电抗，故短路电流可认为是纯感性，它产生的电枢反应只起直轴去磁作用，使气隙合 成磁通很弱，磁路处于不饱状态，故 E0 R I f ;此时E0 = jIdXd = jsXd

9、,磁路不饱和时 Xd为常数，故E0 R Is。因此Is芯I f ,即短路特性Is = f （I f）为一直线。短路时，电枢绕组中的合成电动势 Es = jsX仃很小（仅等于漏电抗压降），所以短路电流不会过大， 或者说，因为发电机的直轴同步电抗较大，起限制短路电流的作用，所以短路电流不大。列出隐极和凸极同步发电机在纯电容性负载下的电势方程式，并绘出其相量图。E0 =UjIXsU 二一jIXe答：隐极发电机的电势方程式和相量图：耳 风 Xc Xs 时）将隐极发电机中的 Xs用Xd替换，便得到凸极发电机的电势方程式和相量图。有一台400kW, 6300V （Y接法），COs，=0.8 （滞后）的三相

10、凸极同步发电机，若发电机在额定状态下运行时， 甲=60 1 Eo = 7400V （每相），不计磁路饱和与电枢电阻，试利用相量图求 Xd和XqOq解:Pn.3U n cos 400 103,3 6300 0.8=45.82AN = arccos0.8 = 36.87N = 60 - 36.87 =23.13Iq - I n cos： =45.82 cos60 : 22.91A qId =INsin： =45.82 sin60:39.68AU n 6300UnP =n3637.31V3.3XqU NP sin、Iq3637.31 sin23.13 =62.3661 122.91v E0 -Unp

11、 cos、7400 - 3637.31 cos23.13Xd 二二二 102.2 1I d39.6812.13有一台三相隐极汽轮发电机，定子绕组 Y接法，额定功率Pn =25000kW ,额定电压U n =10.5kV ,额定电流In =1720A ,同步电抗Xs =2.3建，不计电阻压降，用作图法求：Ia=IN, cos邛=0.8 （滞后）时的 E0 ;Ia = In, cos中=0.8 （超前）时的 Eo 0X2 3解：（1） X：=、=23 = 0.65257Zn 10.5 10 / , 31720N -arccos0.8-36.87Eo -U jI X； =1 j1 -36.87 0.

12、65257=1.391542 j0.522056 =1.486 20.56Eo =E0Un =1.486 10.5 =15.603kV E0 =U、+ jI、X： =1 + j1236.8770.65257 = 0.608458+ j0.522056 = 0.8017/40.63二Eo=EoUn =0.8017 10.5=8.418kV12.14 凸极同步发电机，Un =10.5kV （丫接），In =165A , cos中N =0.8（滞后），Xd = 36.7建，Xq =22C ,不计电枢电阻，试求额定运行时的中、Id、Iq、Eo o解:U NPUn 310.5 103. 3=6062.1

13、8VXq U sin :165 22 6062.18 0.6 八: arctan 二 arctan= 56.283U cos :6062.18 0.8Id =INsin =165 sin56.283 =137.245AIq = In cos： =165 cos56.283 -91.59A q-，56.283 -36.87 : 19.413E0 =Unp cos6+IdXd =6062.18xcos19.413二+ 137.245x36.7 = 10754.42V （相电动势）第12章自测题参考答案一、填空题1.转子励磁磁场、电枢反应磁场；2.内功率因数角、外功率因数角；3.大、超前中_平；4.

14、大、小；5.交轴和直轴去磁、交轴和直轴助磁；6.电枢反应磁通、电枢反应磁通和电枢绕组漏磁通；7.最大、最小；8. 90 :直轴去磁；9.电枢反应去磁作用、电枢绕组漏阻抗压降； 10.纯阻性或阻感性、增大二、选择题1.2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 三、简答及作图题.答：同步发电机的电枢反应电抗与异步电动机的励磁电抗相对应。这两个电抗都是与定子三相合 成磁动势产生的主磁通相对应的电路参数。.答：从磁路方面来说，同步发电机带上中0二的对称负载后，电枢反应会产生直轴去磁作用，使气隙电动势降低，同时电枢绕组漏阻抗流过电流会引起电压降，所以端电压会下降；从电路方面来说， 在励磁电

15、动势一定的情况下，同步阻抗流过电流会引起电压降，所以端电压会下降。.答：发电机外特性U = f（I a）反映端电压随负载电流变化的关系。负载性质基本决定了电枢反应 的性质（交轴电枢反应、直轴去磁或助磁电枢反应），而负载大小决定了电枢反应的强弱。带阻性或感性负载时，由于电枢反应的去磁作用，外特性曲线是下降的；带容性负载时，由于电枢反应的助磁作用， 外特性曲线是上升的。调整特性I f = f（Ia）反映了为维持发电机端电压不变，励磁电流与负载电流（电枢电流）之间的变化关系。显然，要维持端电压不变，应调节励磁电流，以抵消电枢反应的影响，所以该特性与电枢反应 性质和大小有关，即与负载性质和大小有关。带

16、阻性或感性负载时，随负载电流增加，电枢反应去磁作用增强，端电压将下降，为保持端电压不变，必须增加励磁电流，因此调整特性曲线是上升的；带容性 负载时，随负载电流增加，电枢反应助磁作用增强，端电压将上升，为保持端电压不变，必须相应减小励磁电流，因此调整特性曲线是下降的。4.答：带电阻负载时,s带电容负载时，：二0四、计算题1.解:(1) IE07520 0RljX s7.52 j7.52 10.635 457520 0=707.1. -45 A=45-所以既产生交轴电枢反应，又产生直轴去磁电枢反应。(2)E07520 0jXL jXs j7.52 j7.527520 0 =500 - 90 Aj15.04=90所以产生直轴去磁电枢反应。(3)E07520 0-jXC jXs - j15.04 j7.527520 0=1000 90 A-j7.52= -90所以产生直轴助磁电枢反应。(4)E07520 0RL - jXCjXs 7.52- j7.52 j7.527520 0人=1000 0 A 7.5