75第5章同步电机才能保证功率角不超过额定运行时的功率角。即,E:(0.7U,)E,UP.=3sing=3sing、=600MWX.X,E。_24156.7v=34509.6V。解出E=0.7=0.7如果不计磁路饱和的影响，励磁电流也应该按相同的比例增大。（5）额定效率为Pv600×105×100%=98.95%nv=P+p×100% =600×10°+6357.95.4思考题与习题解答5-1简述汽轮发电机和水轮发电机结构上的区别。为什么同步电机转速高，极对数少；而转速低，则极对数多？答：汽轮发电机的转速高，一般只有一对磁极，转速为3000r/min，因此，转子都采用机械强度高的隐极式转子，转子外形为细长形，采用高机械强度和磁导率较高的合金钢与转轴一起锻成，其励磁绕组在转子槽内分布嵌放。水轮发电机的转速低，要求磁极对数多，因此，转子直径大，呈扁平状，采用结构和加工工艺均为较简单的凸极结构。其励磁绕组为集中绕组，套在凸极转子上的磁极上。根据同步发电机的同步转速与电源频率和磁极对数的关系可知pn，=60/，当电源频率为50Hz时，同步转速与磁极对数的乘积必须保持常数3000。因此，对于高转速（如3000r/min）的汽轮发电机，只需要一对磁极，对于低转速的水轮发电机，需要设计较多的磁极对数。例如，当nl=150r/min时，=20。5-2什么是同步电机的电枢反应？电枢反应的影响是什么？同步发电机电枢反应的性质取决于什么因素？答：同步电机负载以后，电枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应。电枢反应分为交轴电枢反应和直轴电枢反应。交轴电枢反应使气隙磁场发生畸变，使气隙合成磁动势F滞后或超前于励磁磁动势F。：直轴电枢反应产生去磁或增磁效应，使气隙合成磁动势F小于或大于励磁磁动势F。。同步发电机电枢反应的性质取决于励磁电动势E。与电枢电流1，的相位差，即内功率因数角出的正负，而角又由负载的性质决定。当业=±90°时，产生去磁性和增磁性的直轴电枢反应；当业=0°时，产生交磁性的交轴电枢反应；当0°<业<90°时，同时产生交轴电枢反应和去磁性的直轴电枢反应：当-90°<业<0°时，同时产生交轴电枢反应和增磁性的直轴电板反应。5-3简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：由于交轴电枢反应的存在，使气隙磁场发生畸变，气隙合成磁动势F滞后于励磁磁动势F。，于是气隙合成磁场与转子主极磁场相互作用产生了电磁转矩，从而才有了机电能量的转换。直轴电枢反应产生的去磁或增磁效应改变了主磁通的大小，将直接影响电枢感应电动势的大小。如果发电机单独运行，则其端电压将不稳定；如果发电机并网运行，将直
第 5章 同 步 电 机 才能保 证功率角不超过额定运行时的功率角。即 · =3竿 “旧 =3旦 邺 纰 叼 `=ω 。Mw 解 出 风 =晶 =望 f雩 Ι Ⅴ =3450⒐ 6Ⅴ 。 如果不计磁路饱和的影响 ,励 磁电流也应该按相同的比例增大。 (5)额 定效率为 %=万 f÷ 了 刚 O0%= 5。4 思 考题与习题解笞 600× 103 ×100% =98.95% 600× 103+6357.9 51 简 述汽轮发 电机和水轮发电机结构上的区别 。为什么 同步 电机转速高 ,极 对数少 ; 而转速低 ,则 极对数多? 答 :汽 轮发 电机 的转速高 ,一 般 只有一对磁极 ,转 速为 3000r/min,因 此 ,转 子都采用 机械强度高的隐极式转子 ,转 子外形为细长形 ,采 用高机械强度和磁导率较高的合金钢与转 轴一起锻成 ,其 励磁绕组在转子槽 内分布嵌放 。水轮发电机的转速低 ,要 求磁极对数多 ,因 此 ,转 子直径大 ,呈 扁平状 ,采 用结构和加工工艺均为较简单的凸极结构。其励磁绕组为集 中绕组 ,套 在凸极转子上的磁极上。 根据 同步发 电机 的同步转速与 电源频率和磁极对数 的关系可知 P乃l=6呒 ,当 电源频率 为 50Hz时 ,同 步转速与磁极对数 的乘积必须保持常数 3000。 因此 ,对 于高转速 (如 3000r/ min)的 汽轮发电机 ,只 需要一对磁极 ,对 于低转速 的水轮发 电机 ,需 要设计较 多的磁极对 数 。例如 ,当 屁l=150〃 min时 ,P=20。 59 什 么是 同步 电机的电枢反应?电 枢反应 的影 响是什么?同 步发 电机 电枢反应 的性 质取决于什么因素? 答 :同 步电机负载以后 ,电 枢磁动势对气隙磁场的影响称为电枢反应 。 电枢反应分为交轴 电枢反应和直轴 电枢反应。交轴 电枢反应使气隙磁场发生畸变 ,使 气 隙合成磁动势 F滞 后或超前于励磁磁动势 FO;直 轴 电枢反应产生去磁或增磁效应 ,使 气 隙 合成磁动势 F小 于或大于励磁磁动势 F。 同步发电机 电枢反应的性质取决于励磁 电动势 EO与 电枢电流 f1的 相位差 ,即 内功率 囚 数角 ψ的正负 ,而 ψ角又 由负载的性质决定 ⊙当 Ψ=± 90°时 ,产 生去磁性和增磁性 的直轴 电枢反应 ;当 Ψ=0°时 ,产 生交磁性 的交轴 电枢反应 ;当 0°(Ψ (90° 日寸,同 时产生交轴 电 枢反应和去磁性 的直轴电枢反应 ;当 一90° (Ψ (0° 时 ,同 时产生交轴 电枢反应 和增磁性 的 直轴 电枢反应 。 5名 简 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 :由 于交轴电枢反应 的存在 ,使 气 隙磁场发生 畸变 ,气 隙合成磁动势 F滞 后于励磁 磁动势 FO,于 是气隙合成磁场与转子 主极磁场相互作用产生 了电磁转矩 ,从 而才有 了机 电 能量 的转换 。直轴 电枢反应产生的去磁或增磁效应改变 了主磁通的大小 ,将 直接影响电枢感 应电动势 的大小 。如果发 电机单独运行 ,则 其端电压将不稳定 ;如 果发电机并 网运行 ,将 直
76电机与拖动MATLAB仿真与学习指导接影响到功率角的大小，从而改变其输出的无功功率和功率因数。5-4同步电机有几种运行状态？如何区分其运行状态？在直流电机中，当感应电动势大于端电压时，直流电机一定运行在发电状态；反之，则运行在电动状态。同步电机也可以用此方法来判断其运行状态吗？答：同步电机有发电机运行、电动机运行和补偿机运行等3种运行状态。同步电机运行状态的判断方法与直流电机完全不同，即不能依据电枢感应电动势与端电压的相对高低来判断。同步电机的运行状态取决于功率角6。当励磁磁动势F。（或说主磁极的轴线）超前于气隙合成磁动势F（或说气隙合成磁场的轴线）时，>0，同步电机工作在发电机状态；当励磁磁动势F。滞后于气隙合成磁动势F时，6<0，同步电机工作在电动机状态；当励磁磁动势F。与气隙合成磁动势F的空间位置重合时，9=0，同步电机工作在补偿机状态或处于理想空载状态。5-5试述各种电抗X。、X,、X,、Xad、X、X，和X。的物理意义，并对同一台电机的参数比较大小。答：X。是与电枢漏磁通Φ。相对应的漏电抗，反应了电枢漏磁通对一相电枢电路的影响。X，是与电枢反应磁通Φ，相对应的电枢反应电抗，反应了三相对称电枢电流所产生的电枢反应磁场对一相电枢电路的影响，其值等于电枢反应电动势E，与电枢相电流1，的比值。X，是隐极同步电机的同步电抗，综合反应了电枢反应磁通和电枢漏磁通对一相电枢电路的影响。对于隐极同步电机，其电抗的大小关系为：X，>X.>X.。X.是与直轴电枢反应磁通Φ相对应的直轴电枢反应电抗；X.是与交轴电枢反应磁通Φ相对应的交轴电枢反应电抗。交、直轴电枢反应磁通是电枢磁动势F，在交轴和直轴上的分量所产生的磁通。X等于直轴电枢反应电动势E与电枢相电流直轴分量I。的比值；X等于交轴电枢反应电动势E，与电枢相电流交轴分量1。的比值X，和X，分别是凸极同步电机的直轴和交轴同步电抗，其值分别为：X。=Xa+X，X=X+X。。它们综合反应了直轴和交轴电枢反应磁通和电枢漏磁通对一相电枢电路的影响。由于直轴磁路的磁导大于交轴磁路的磁导，使得直轴磁路的磁阻小于交轴磁路的磁阻，同样大小电流的磁动势作用在直轴时所产生的磁通和相应的电动势要大于作用在交轴时所产生的磁通和相应的电动势，故直轴电枢反应电抗X.大于交轴电枢反应电抗X。。因此，凸极同步电机的5个电抗的大小关系为：X>X，X>X.>X。5-6试画出隐极同步发电机在纯电阻负载时的相量图，EOAjxi并说明这种情况下电枢反应的性质。答：隐极同步发电机在纯电阻负载时的相量图如图5-2所08-4示。由于励磁电动势E。超前于电枢电流1，，即中>0°时，此0,Ri时产生交轴电枢反应和去磁性的直轴电枢反应。图5-2隐极同步发电机的5-7为什么分析凸极同步电机和隐极同步电机的方法不相量图（纯电阻负载）同？什么是双反应理论？答：由于隐极同步电机的气隙基本是均匀的，气隙各处的磁阻相同，电枢磁动势无论作用在什么位置，所产生的电枢磁场是不变的；而凸极同步电机的气隙沿电枢圆周是不均匀
电机与拖动 MATLAB仿 真与学习指导 接影响到功率角的大小 ,从 而改变其输出的无功功率和功率 因数。 5砰 同 步电机有几种运行状态?如 何 区分其运行状态?在 直流 电机 中,当 感应 电动势 大于端电压时 ,直 流电机一定运行在发电状态 ;反 之 ,则 运行在电动状态。同步电机也可以 用此方法来判断其运行状态吗? 答 :同 步电机有发电机运行 、电动机运行和补偿机运行等 3种 运行状态。 同步电机运行状态的判断方法与直流电机完全不 同,即 不能依据 电枢感应 电动势与端 电 压的相对高低来判断c同 步电机的运行状态取决于功率角 ε。当励磁磁动势 FO(或 说主磁极 的轴线 )超 前于气隙合成磁动势 F(或 说气 隙合成磁场 的轴线 )时 ,e>o,同 步 电机工作 在发 电机状态 ;当 励磁磁动势 FO滞 后于气 隙合成磁动势 F时 ,e<0,同 步电机工作在 电动 机状态 ;当 励磁磁动势 FO与 气隙合成磁动势 F的 空间位置重合时 ,ε =0,同 步 电机王作在 补偿机状态或处于理想空载状态。 5~s 试 述各种电抗 Xσ、凡 、xs、 xad、 Xaq、 Xd和 Xq的 物理意义 ,并 对 同一 台电机 的参 数 比较大小 。 答 :Xσ 是与电枢漏磁通 Φσ相对应 的漏 电抗 ,反 应 了电枢漏磁通对一相 电枢 电路 的影 响。Xa是 与电枢反应磁通 Φa相 对应的电枢反应 电抗 ,反 应 了三相对称 电枢电流所产生 的电 枢反应磁场对一相电枢 电路的影 响 ,其 值等于电枢反应 电动势 Ea与 电枢相 电流 fJ的 比值 。 Xs是 隐极 同步电机的同步电抗 ,综 合反应 了电枢反应磁通和 电枢漏磁通对一相 电枢 电路 的 影响。 对于隐极 同步电机 ,其 电抗 的大小关系为 :Xs>Xa)Xσ 。 Xad是 与直轴电枢反应磁通 Φad相 对应 的直轴 电枢反应 电抗 ;X"是 与交轴 电枢反应磁通 Φ"相 对应的交轴电枢反应电抗 。交 、直轴 电枢反应磁通是 电枢磁动势 Fa在 交轴和直轴上的 分量所产生的磁通。Xad等 于直轴 电枢反应 电动势 E翮 与电枢相 电流直轴分量 Jd的 比值 ;Xaq 等于交轴 电枢反应 电动势 EⅡ与电枢相 电流交轴分量 Jq的 比值 。 Xd和 Xq分 别是 凸极 同步 电机 的直轴和交轴 同步 电抗 ,其 值分别 为 :Xd=凡 d+Xσ ,Xq 〓Xaq+Xσ 。它们综合反应 了直轴和交轴电枢反应磁通和电枢漏磁通对一相 电枢电路 的影响。 由于直轴磁路的磁导大于交轴磁路的磁导 ,使 得直轴磁路 的磁 阻小于交轴磁路 的磁阻 , 同样大小 电流的磁动势作用在直轴时所产生的磁通和相应 的电动势要大于作用在交轴时所产 生的磁通和相应的电动势 ,故 直轴电枢反应 电抗 X搁大于交轴电枢反应 电抗 Xaq° 因此 ,凸 极 同 步 电 机 的 5个 电 抗 的 大 小 关 系 为 :Xd>Xq,X铜 )Xaq)xσ 。 5乇 试 画出隐极 同步发 电机在纯 电阻负载时 的相量 图, 并说明这种情况下电枢反应的性质。 答 :隐 极 同步发 电机在纯 电阻负载时的相量图如图 5-2所 示。由于励磁 电动势 EO超 前于电枢电流 J1,即 ψ>0° 时 ,此 时产生交轴电枢反应和去磁性的直轴 电枢反应。 5刀 为 什么分析凸极 同步 电机和隐极 同步 电机 的方法不 图 5-2 隐 极 同步发 电机 的 相量 图 (纯 电阻负载 ) 同?什 么是双反应理论? 答 :由 于隐极 同步 电机的气隙基本是均匀的 ,气 隙各处 的磁阻相 同,电 枢磁动势无论作 用在什么位置 ,所 产生 的电枢磁场是不变 的 ;而 凸极 同步 电机 的气 隙沿 电枢 圆周是不均匀