华南理工大学电机学第五章思考题

【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来表征，功率角定义为相量E0超前相量U的角度。可以等价为主磁场空间矢量F1超前合成磁场F的角度。具体区分如下：0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；

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，0时，

电机处于补偿机状态（或空载状态）；0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0角时； （2）电枢电流滞后于励磁电势以0角时，其中090。

【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E0和负载电流Ia之间的夹角0，即取决于负载的性质。

（1）电枢电流Ia超前于励磁电势E0以0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0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Faq与能量转换有直接关系。直轴电枢反应Fad与能量转换有间接关系。 能量转换需要磁场。Fad直接影响磁场，通过磁场影响能量转换。没有Fad仍然有能量转换，但如果Faq0，即Ia0，则没有能量转换。以隐极机为例，

••••Pe3E0Icos03E0Iq0。Fad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Xa的意义。

【答】电枢反应电抗Xa是对应于电枢反应磁通的电抗，XaEaI，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Xa越大；电枢绕组匝数越多，则Xa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0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0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Ea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。0既不等于0又不等于90时，电枢磁场基波Ba与电枢磁势基波Fa在空间不同相。

因为此时Fad、Faq都不等于零。Ba由Bad、Baq合成而得。Bad与Fad成比例，Baq与Faq成比例。d、q磁路的磁阻不同，导致这两个比例不同，故Ba与Fa的相位不同。

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

什么范围？

【答】 直轴同步电抗Xd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Xq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。

N2，Xd和Xq的大小与磁路的磁阻、绕组的有效匝数、频率有关。 Xa2fRm

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E0与电网电压U大小相等、相位相同，即E0U。 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Pe0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，、0和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Pe0；同时，励磁电动势E0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0均在90~90范围内，即cos和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，cos0均为正值。

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Pe0；相应地，功率角亦成为负值，即励磁电动势E0滞后于端电压U，电磁转矩为驱动转矩；同步电动机的功率因数角和内功率因数角0均在

••••••••90~90范围外，即cos和cos0均为负值。综上所述：

3