第四章。同步电机 §4一1.同步电机的结构（书P.46.,) 4-1.对一台4极Y联结的三相同步发电机做实验，当励磁电流为4A,频率为50H时，其 开路线电压为200V。忽略磁路饱和，试求当励磁电流为3A,转速为1200r/min时的空载电动 势Eo。[120V] 解：，忽略磁路饱和，∴.空载电动势：E=4.44fNΦo∝fI:而50Hz时，转速为1500r/min。 ∴.E=Ixn×E'/(I'×n')=3×1200x200/(√3x4×1500)=120/√3=69.28(V) (答毕#) [注]：本题书上答案错，未将线电压化为相电压。 4-2.一台三相同步发电机，每相电枢电阻为0.22，同步电抗2.22，当发电机有50A、 cos中=0.8（滞后）的电感性负载时，其端电压为400V,求此时的空载电动势E。 [315.8V] 解：①.sinΦ=sin(cosΦ)=0.6； ②.有两种求法： 第1种：E=((U+R.Icos中+X.Isin中)2+(X.Icos中-R.Isin中)2)2=((400/√ 3+0.2x50×0.8+2.2×50×0.6)2+(2.2×50x0.8-0.2×50×0.6)2)1/2=(99712.4693)1=315.7728 ≈315.77(V)。 第2种：R=(UcosΦ/√3)/I=320/(√3×50)=3.6950（Ω）：X=(Usin中/√3)/I=240/ (√3x50)=2.7713(Q):|Z|=(R+R)2+(X+X)2)/2=(39.8850)12=6.32(2):E=I |Z|=315.7728≈315.77(V). (答毕#) 4-3.一台208V、20kVA、0.75落后功率因数、60Hz、6极、Y联结的同步发电机，当励磁 电流为3A时空载电压为208V。当发电机接通每相52的Y联结三相电阻负载时，为保持208V 的额定端电压，励磁电流调到了3.8A。求该发电机的同步电抗（忽略磁路饱和及R)。[3.89 Ω] 解：①.每相额定电压：U=208/√3=120.0889(V)。忽略磁路饱和，空载电势正比于励磁 电流。因此，3.8A励磁电流产生的每相空载电势E为： Eo2=I1×Eo1/12=3.8×120.0889/3=152.1126(V): ②.发电机接通每相52的Y联结三相电阻负载时，电枢电流I.为： I.=U/R=120.0889/5=24.0178(A):忽略磁路饱和及R时，根据每相电路的电压平衡方程式 或向量图，可以得出如下关系式：E2=U+(I×X)2:.X2=(E22-)/I:X=(E22-)2/L.= (152.11262-120.08892)//24.0178=3.8873(2)。 (答毕#)
第四章．同步电机 §4—1．同步电机的结构（书 P．46．，） 4-1.对一台 4 极 Y 联结的三相同步发电机做实验，当励磁电流为 4A，频率为 50HZ 时，其 开路线电压为 200V。忽略磁路饱和，试求当励磁电流为 3A，转速为 1200r/min 时的空载电动 势 E0。[120V] 解：∵忽略磁路饱和，∴空载电动势：E0=4.44fNΦ0∝fIf；而 50HZ 时，转速为 1500r/min。 ∴E0=IfnE0′/（If′n′）=31200200/（√341500）=120/√3=69.28（V） （答毕#） [注]：本题书上答案错，未将线电压化为相电压。 4-2.一台三相同步发电机，每相电枢电阻为 0.2Ω，同步电抗 2.2Ω，当发电机有 50A、 cosφ=0.8（滞后）的电感性负载时，其端电压为 400V，求此时的空载电动势 E0。 [315.8V] 解：①.sinφ=sin（cos -1φ）=0.6； ②.有两种求法： 第 1 种：E0=（（U+RaIcosφ+XsIsinφ）2 +（XsIcosφ-RaIsinφ）2 ）1/2 =（（400/√ 3+0.2500.8+2.2500.6）2 +（2.2500.8-0.2500.6）2）1/2 =（99712.4693）1/2=315.7728 ≈315.77（V）。 第 2 种：RL=（Ucosφ/√3）/I=320/（√350）=3.6950（Ω）；XL=（Usinφ/√3）/I=240/ （√350）=2.7713（Ω）；|Z|=（（Ra+RL） 2 +（（Xa+XL） 2） 1/2 =（39.8850） 1/2=6.32（Ω）；E0=I •|Z|=315.7728≈315.77（V）。 （答毕#） 4-3.一台 208V、20kVA、0.75 落后功率因数、60HZ、6 极、Y 联结的同步发电机，当励磁 电流为 3A 时空载电压为 208V。当发电机接通每相 5Ω的 Y 联结三相电阻负载时，为保持 208V 的额定端电压，励磁电流调到了 3.8A。求该发电机的同步电抗（忽略磁路饱和及 Ra）。[3.89 Ω] 解：①.每相额定电压：U=208/√3=120.0889（V）。忽略磁路饱和，空载电势正比于励磁 电 流 。 因 此 ， 3.8A 励 磁 电 流 产 生 的 每 相 空 载 电 势 E02 为 ： E02=If1E01/If2=3.8120.0889/3=152.1126（V）； ② . 发 电 机 接 通 每 相 5 Ω 的 Y 联 结 三 相 电 阻 负 载 时 ， 电 枢 电 流 Ia 为 ： Ia=U/RL=120.0889/5=24.0178（A）；忽略磁路饱和及 Ra 时，根据每相电路的电压平衡方程式 或向量图，可以得出如下关系式：E02 2 =U2 +（IaXs） 2；∴Xs 2 =（E02 2 -U 2）/Ia 2；Xs=（E02 2 -U 2） 1/2/Ia= （152.11262–120.08892） 1/2/24.0178=3.8873（Ω）。 （答毕#）
4-4.一台60kVA、440V、60Hz、Y联结的三相同步发电机，电枢电阻0.152，同步电抗 3.5Q。在cos中=1的，满负荷额定状态下运行。试计算电压变化率。[50.7%] 解：①.在cos中=1的，满负荷额定状态下运行，电枢电流为：I.=Sx/(√3U)=60000/ (√3×440)=78.7296(A)。 ②.cos中=1则sin中=0：空载电势E为：E=(U+RIcos中+X.Isin中)2+(X.Icos中-RIsin 中)2)12=((440/√3+0.15×78.7296x1)2+(3.5×78.7296×1)2)2=(265.8436)2+(275.5535) 2)12=382.8871(V)。 ③.电压变化率：△U=(E-,)/E=(382.8871-440/√3)/(440/√3) =0.507227=50.7227%。(答毕#) 4-5.一台Y联结的三相同步发电机，同步电抗为8Ω，忽略电枢电阻。该发电机向13.8kV 电力系统供电，当它向电网输出12MW的功率时，每相主磁通电动势比其相电压高20%。计算 此时发电机的功率角0。[0=24.8°] 解：根据公式：P=3 UEosin0/X可得： sin0=XP/(3UE)=8×12000000/(3×(13800/√3)×1.2x(13800/√3))=0.4201：因 此：0=sin0.4201=24.8396°。（答毕#） 4-6.一台Y联结的三相同步发电机，10A的励磁电流引起150A的电枢短路电流和720V 的开路端电压。当发电机输出60A负荷电流时，计算电枢内电压降（忽略电枢电阻）。[166.3V] 解：①.（忽略电枢电阻）短路时，c0s中=0，sin中=1，X=Eo/Ik=(720/√3)/150=2.7713 (2): ②.输出60A负荷电流时，电枢内电压降为：IX=60×2.7713=166.2769(V)。 (答毕#) 4-7.并联于13.8kV电网上的三相同步发电机，同步电抗5Q,向电网输出有功功率12MW、 无功功率6MWAr。试计算：(1)功率因数角中：(2)产生的电动势E:(3)功率角0。[26.6°， 9558V,15.2°] 解：①.c0s中=P/(p2+Q)12=12/(122+62)1/2=0.8944:中=c0s'0.8944=26.5651°。 ②.I=S/(√3U)=(P/cos中)/（√3U)=12000000/(√3×13800x0.8944)=561.3019 (A):E=(U+X.Isinφ)2+(X.Icos中)2)1w2=(13800/√3+5x561.3019xsin26.5651°)2+ (5x561.3019x0.8944)2)12=9558.0592(V)。 ③.sin0=XP/(3UE)=5×12000000/(3×(13800/√3)×9558.0592)=0.2626：0 =sin0.2626=15.2261°。（答毕#） 4-8.完全相同的两台600kVA、480V三相同步发电机并联运行，两原动机调速器的特性不 完全一致，当两台发电机的励磁电流相等时，一台输出功率因数为0.9（滞后）的400A电流： 另一输出功率因素为0.72（滞后）的300A电流。计算(1)两台发电机向负载输出的有功和 无功功率：(2)总的负载功率因数，总的负载电流：(3)要使两台发电机在相同的功率因数
4-4.一台 60kVA、440V、60HZ、Y 联结的三相同步发电机，电枢电阻 0.15Ω，同步电抗 3.5Ω。在 cosφ=1 的，满负荷额定状态下运行。试计算电压变化率。[50.7%] 解：①.在 cosφ=1 的，满负荷额定状态下运行，电枢电流为：Ia=SN/（√3UN）=60000/ （√3440）=78.7296（A）。 ②.cosφ=1 则 sinφ=0；空载电势 E0 为：E0=（（U+RaIcosφ+XsIsinφ）2 +（XsIcosφ-RaIsin φ）2）1/2 =（（440/√3+0.1578.72961）2 +（3.578.72961）2）1/2 =（（265.8436）2 +（275.5535） 2）1/2=382.8871（V）。 ③ . 电压变化率：Δ U= （ E0 – UN ） /E0= （ 382.8871– 440/ √ 3 ） / （ 440/√ 3 ） =0.507227=50.7227%。（答毕#） 4-5.一台 Y 联结的三相同步发电机，同步电抗为 8Ω，忽略电枢电阻。该发电机向 13.8kV 电力系统供电，当它向电网输出 12MW 的功率时，每相主磁通电动势比其相电压高 20%。计算 此时发电机的功率角θ。[θ=24.8°] 解：根据公式：P=3UE0sinθ/Xs 可得： sinθ=XsP/（3UE0）=812000000/（3（13800/√3）1.2（13800/√3））=0.4201；因 此：θ=sin-1 0.4201=24.8396°。（答毕#） 4-6.一台 Y 联结的三相同步发电机，10A 的励磁电流引起 150A 的电枢短路电流和 720V 的开路端电压。当发电机输出 60A 负荷电流时，计算电枢内电压降（忽略电枢电阻）。[166.3V] 解：①.（忽略电枢电阻）短路时，cosφ=0，sinφ=1，Xs=E0/Ik=（720/√3）/150=2.7713 （Ω）； ②.输出 60A 负荷电流时，电枢内电压降为：IXs=602.7713=166.2769（V）。 （答毕#） 4-7.并联于 13.8kV 电网上的三相同步发电机，同步电抗 5Ω，向电网输出有功功率 12MW、 无功功率 6MVAr。试计算：（1）功率因数角φ；（2）产生的电动势 E0；（3）功率角θ。[26.6°， 9558V，15.2°] 解：①.cosφ=P/（P 2 +Q2）1/2=12/（122 +62）1/2=0.8944；φ=cos -1 0.8944=26.5651°。 ②.I=S/（√3U）=（P/cosφ）/（√3U）=12000000/（√3138000.8944）=561.3019 （A）；E0=（（U+XsIsinφ）2 +（XsIcosφ）2） 1/2 =（（13800/√3+5561.3019sin26.5651°）2 + （5561.30190.8944）2）1/2=9558.0592（V）。 ③.sinθ=XsP/（3UE0 ）=512000000/（3 （13800/√3）9558.0592）=0.2626；θ =sin-1 0.2626=15.2261°。（答毕#） 4-8.完全相同的两台 600kVA、480V 三相同步发电机并联运行，两原动机调速器的特性不 完全一致，当两台发电机的励磁电流相等时，一台输出功率因数为 0.9（滞后）的 400A 电流； 另一输出功率因素为 0.72（滞后）的 300A 电流。计算（1）两台发电机向负载输出的有功和 无功功率；（2）总的负载功率因数，总的负载电流；（3）要使两台发电机在相同的功率因数
下运行，如何正确调节两台发电机的励磁电流？ [299.3kW,145kVAr,179.6kW,173.1kVAr,0.833,691A] 解：①.求两台发电机向负载输出的有功和无功功率：第一台有功：P=√3 UIcos中=√ 3×480×400×0.9=51840/√3=299298.3795(W);第二台有功：P2=√3 UIcos中=√ 3×480×300×0.72=31104/√3=179579.0277(W):第一台无功：Q=√3 UIsin中=√ 3×480×400×0.4359=144956.8212(VA):第二台无功：Q=√30Isin中=√ 3×480×300×0.6940=173087.7604(VA). ②·求总的负载功率因数，总的负载电流：总输出有功： P=P1+P2=299298.3795+179579.0277=478877.4073（W):总输出无功： Q=Q+Q2=144956.8212+173087.7604=318044.5816(VA):总功率因数：cos中=P/(P2+Q) /=478877.41/(478877.412+318044.582)/2=0.8330: 总视在功率：S=(P2+Q)1/2=(478877.40732+318044.58162)2=574870.3567(VA):总 负载电流：=S/(√3U)=574870.3567/(√3×480)=691.4616(A)。 ③.如何调节励磁电流？（设：调节励磁电流时，两原动机油门保持不变）。要使两机功 率因数相等cos中，=cos中2=cos中=0.8330，则：P/S=Pz/S2,或：SP=S,P2,51840S2=31104S: 且总无功不变，S+S2=S=574870.3567,S2=574870.3567-S。代入51840S2=31104S,得： (51840+31104)S,=51840x574870.3567:S=51840×574870.3567/82944=359293.9730(VA): S2=574870.3567-S1=574870.3567-359293.9730=215576.3838(VA)。 结论：两机要在相同功率因数下运行，应增大第一台励磁电流，同时减小第二台励磁电 流。使第一台输出无功从14956.8212乏增至359293.9730乏，功率因数从0.9降到0.8330： 第二台输出无功从173087.7604乏减至215576.3838乏，功率因数从0.72升到0.8330。（答 毕#) 4-9.两台完全相同的Y联结三相同步发电机并联运行于33kV,总负载有功功率为10MW, 负载功率因数为0.8（滞后），两机有功功率分配相等。此时若同时调节两机的励磁电流，并 保持两机的有功功率不变，使其中之一的输出电流为125A(滞后)。试计算另一台发电机的 输出电流。发电机的同步电抗为6Q,忽略电枢的电阻。[97A] 解：①.cosΦ=0.8：sin中=sin(cos'0.8)=0.6:Q-(P/cosφ)sinΦ=(10000/0.8) 0.6=7500(kVA)。 ②.S=√3UL=√3×33×125=4125√3(kVA):Q=(S2-P2)2=(3×4125-5000) w2=5103.6139(kVA)。Q=(Q-Q)=(7500-5103.6139)=2396.3861(kVA):S2=(Q22+P22) /2=(2396.38612+50002)2=5544.6070(kVA): ③.第二台输出电流：I2=S2/(√3U)=5544.6070/(√3×33)=97.0055(A)。 (答毕#) 4-10、凸极和隐极同步发电机各有什么特点？应用上有什么不同？
下运行，如何正确调节两台发电机的励磁电流？ [299.3kW，145kVAr，179.6kW，173.1kVAr，0.833，691A] 解：①.求两台发电机向负载输出的有功和无功功率：第一台有功：P1=√3UIcosφ=√ 34804000.9=51840/ √ 3=299298.3795 （ W ）； 第 二 台 有 功 ： P2= √ 3UIcos φ = √ 34803000.72=31104/ √ 3=179579.0277 （ W ）； 第一台无功 ： Q1= √ 3UIsin φ = √ 34804000.4359=144956.8212 （ VA ）； 第 二 台 无 功 ： Q2= √ 3UIsin φ = √ 34803000.6940=173087.7604（VA）。 ② . 求总的负载功率因数，总的负载电流： 总 输 出 有 功 ： P=P1+P2=299298.3795+179579.0277=478877.4073 （ W ） ； 总输出无功 ： Q=Q1+Q2=144956.8212+173087.7604=318044.5816（VA）；总功率因数：cosφ=P/（P 2 +Q2） 1/2=478877.41/（478877.412 +318044.582）1/2=0.8330； 总视在功率：S=（P 2 +Q2）1/2 =（478877.40732 +318044.58162）1/2=574870.3567（VA）；总 负载电流：I=S/（√3U）=574870.3567/（√3480）=691.4616（A）。 ③.如何调节励磁电流？（设：调节励磁电流时，两原动机油门保持不变）。要使两机功 率因数相等 cosφ1=cosφ2=cosφ=0.8330，则：P1/S1=P2/S2，或：S2P1=S1P2，51840S2=31104S1； 且总无功不变，S1+S2=S=574870.3567，S2=574870.3567-S1。代入 51840S2=31104S1 ，得： （51840+31104）S1=51840574870.3567；S1=51840574870.3567/82944=359293.9730（VA）； S2=574870.3567-S1=574870.3567–359293.9730=215576.3838（VA）。 结论：两机要在相同功率因数下运行，应增大第一台励磁电流，同时减小第二台励磁电 流。使第一台输出无功从 14956.8212 乏增至 359293.9730 乏，功率因数从 0.9 降到 0.8330； 第二台输出无功从 173087.7604 乏减至 215576.3838 乏，功率因数从 0.72 升到 0.8330。（答 毕#） 4-9.两台完全相同的 Y 联结三相同步发电机并联运行于 33kV，总负载有功功率为 10MW， 负载功率因数为 0.8（滞后），两机有功功率分配相等。此时若同时调节两机的励磁电流，并 保持两机的有功功率不变，使其中之一的输出电流为 125A（滞后）。试计算另一台发电机的 输出电流。发电机的同步电抗为 6Ω，忽略电枢的电阻。[97A] 解：①.cosφ=0.8；sinφ=sin（cos -1 0.8）=0.6；Q=（P/cosφ）sinφ=（10000/0.8） 0.6=7500（kVA）。 ②.S1=√3UI1=√333125=4125√3（kVA）；Q1=（S1 2–P1 2 ） 1/2 =（341252 –50002 ） 1/2=5103.6139（kVA）。Q2=（Q–Q1）=（7500–5103.6139）=2396.3861（kVA）；S2=（Q2 2 +P2 2） 1/2 =（2396.38612 +50002） 1/2=5544.6070（kVA）； ③.第二台输出电流：I2=S2/（√3U）=5544.6070/（√333）=97.0055（A）。 （答毕#） 4-10、凸极和隐极同步发电机各有什么特点？应用上有什么不同？
答：凸极式的特点是：励磁绕组为集中绕组，气隙不均匀。由于其离心力较大，主要应 用在中、低速原动机拖动的场合。而且，由于凸极式的励磁绕组为集中绕组，使其可安装的 极对数多，要产生50Hz交流电，则必须由中、低速原动机拖动。 隐极式的特点是：气隙均匀，为了保证气隙磁通近似为正弦，则应采用分布式励磁绕组。 隐极式的抗离心能力强，主要用于高速机。而且，由于隐极式的励磁绕组为分布绕组，使其 可安装的极对数少，要产生50Hz交流电，则必须由高速原动机拖动。 (答毕#) 4-11、同步发电机电枢绕组Y连接有什么优点？ 答：同步发电机的主极磁场和电枢磁场由于原理和工艺等方面的原因，将会使其电枢绕 组的感应电势为非正旋波。非正旋波的电枢电势（根据富氏级数展开原理），是由基波及奇数 高次谐波组成。谐波的存在对电网将产生“谐波污染”，导致一系列不良的影响。三相电势中 的3（或3的整数倍）次谐波，大小相等，相位相同。若接成△连接，将会在△连接的三相 绕组内部产生环流，增加绕组的铜耗等不良后果。而采用Y连接则不但不会构成环流，而且 输出的线电压中不含3（或3的整数倍）次谐波，从而减少了谐波的影响。因此同步发电机 电枢绕组常接成Y连接。 (答毕#) 4-12、什么是自励和他励发电机？什么样的他励发电机可以成为无刷同步发电机？ 答：凡以发电机本身的电枢绕组（或辅助绕组）为励磁电源的发电机称为自励发电机， 自励发电机通常是靠磁极的剩磁进行初始起励建压的。凡设有专用励磁电源的发电机称为他 励发电机。他励发电机的专用励磁电源通常是由与发电机同轴的小容量发电机提供。若采用 转枢式小型同步发电机作为励磁机，则由于提供给主发电机转子励磁电源的励磁用发电机（转 枢式)电枢也在转子，且两机同轴。这样就可在两机的共同转动部分（转子上）装设整流装 置，直接在转子提供励磁电流，从而实现“无刷”同步发电机的工作。 (答毕#) 4-13、船用三相同步发电机铭牌额定容量250kVA,额定电压400V,试问额定电流是多少？ 250000 答：：Sn=V5Un×In,In=Sn/(W5Un)=5×40≈360.8(A) 额定电流约为361安。 (答毕#) §4一2.同步发电机的基本特性（书P.50.,) 4-14、什么是剩磁电压？如何用实验方法测剩磁电压？ 答：同步发电机的剩磁电压是指：同步发电机在额定转速下运行，不加励磁时，主磁极 的剩磁在电枢绕组上感生的空载相电压。用实验方法测量剩磁电压做法是：先断开发电机的 励磁电源接线，同时断开其负载，让原动机带动同步发电机在额定转速下运转：然后测量电
答：凸极式的特点是：励磁绕组为集中绕组，气隙不均匀。由于其离心力较大，主要应 用在中、低速原动机拖动的场合。而且，由于凸极式的励磁绕组为集中绕组，使其可安装的 极对数多，要产生 50Hz 交流电，则必须由中、低速原动机拖动。 隐极式的特点是：气隙均匀，为了保证气隙磁通近似为正弦，则应采用分布式励磁绕组。 隐极式的抗离心能力强，主要用于高速机。而且，由于隐极式的励磁绕组为分布绕组，使其 可安装的极对数少，要产生 50Hz 交流电，则必须由高速原动机拖动。 （答毕#） 4-11、同步发电机电枢绕组 Y 连接有什么优点？ 答：同步发电机的主极磁场和电枢磁场由于原理和工艺等方面的原因，将会使其电枢绕 组的感应电势为非正旋波。非正旋波的电枢电势（根据富氏级数展开原理），是由基波及奇数 高次谐波组成。谐波的存在对电网将产生“谐波污染”，导致一系列不良的影响。三相电势中 的 3（或 3 的整数倍）次谐波，大小相等，相位相同。若接成Δ连接，将会在Δ连接的三相 绕组内部产生环流，增加绕组的铜耗等不良后果。而采用 Y 连接则不但不会构成环流，而且 输出的线电压中不含 3（或 3 的整数倍）次谐波，从而减少了谐波的影响。因此同步发电机 电枢绕组常接成 Y 连接。 （答毕#） 4-12、什么是自励和他励发电机？什么样的他励发电机可以成为无刷同步发电机？ 答：凡以发电机本身的电枢绕组（或辅助绕组）为励磁电源的发电机称为自励发电机， 自励发电机通常是靠磁极的剩磁进行初始起励建压的。凡设有专用励磁电源的发电机称为他 励发电机。他励发电机的专用励磁电源通常是由与发电机同轴的小容量发电机提供。若采用 转枢式小型同步发电机作为励磁机，则由于提供给主发电机转子励磁电源的励磁用发电机（转 枢式）电枢也在转子，且两机同轴。这样就可在两机的共同转动部分（转子上）装设整流装 置，直接在转子提供励磁电流，从而实现“无刷”同步发电机的工作。 （答毕#） 4-13、船用三相同步发电机铭牌额定容量 250kVA，额定电压 400V，试问额定电流是多少？ 答：∵Sn= 3 UnIn，∴In=Sn/( 3 Un)= 3 400 250000 ≈360.8（A） 额定电流约为 361 安。 （答毕#） §4—2．同步发电机的基本特性（书 P．50．，） 4-14、什么是剩磁电压？如何用实验方法测剩磁电压？ 答：同步发电机的剩磁电压是指：同步发电机在额定转速下运行，不加励磁时，主磁极 的剩磁在电枢绕组上感生的空载相电压。用实验方法测量剩磁电压做法是：先断开发电机的 励磁电源接线，同时断开其负载，让原动机带动同步发电机在额定转速下运转；然后测量电
枢一相绕组的电压，即得同步发电机的剩磁电压。 (答毕#) 4-15、什么是电枢反应？有几种典型的电枢反应效应，都在什么条件下发生？ 答：同步发电机的电枢反应是指：当同步发电机接通负载时，三相电枢绕组流经的电流 产生的电枢旋转磁场对主磁极磁场产生的某种确定性的影响。典型的电枢反应效应主要有如 下三种，即：①、交轴电枢反应，在E0与Ia同相位时产生（若忽略电枢绕组电抗的影响， 发电机相当于带纯阻性负载)：②、直轴去磁电枢反应，在I滞后于E090°时产生（此时发 电机带纯感性负载)：③、直轴增磁电枢反应，在Ia超前于E090°时产生（此时发电机带纯 容性负载)。 (答毕#) 4-16、起动大容量异步电动机时对同步发电机的电压有何影响？为什么？ 答：起动大容量的异步电动机时，将使同步发电机的电压下降。这是因为，异步机起动 电流大，且功率因数低（消耗大量感性无功）。因此大容量异步电动机起动时，同步发电机电 枢绕组流过的大电流滞后于空载电势的电角度较大，同步发电机的电枢反应去磁分量较大， 从而使发电机气隙的（合成）磁通减小，发电机的端电压下降。此外，电枢电流大，使发电 机电枢绕组的漏阻抗产生的压降也大，将近一步使同步发电机的电压下降。 (答毕#) 4-17、同步发电机的电压变化率的大小、正负与什么有关？为什么？ 答：同步发电机的电压变化率的大小、正负与发电机所带的负载的大小和性质有关。因 为负载大小影响了电枢反应作用的大小，负载的性质决定了电枢反应的去磁、增磁性质。电 枢反应是去磁的话，电压变化率为正：电枢反应是增磁的话，电压变化率为负，电枢反应越 强，电压变化率的值就越大（反之亦然）。 (答毕#) 4-18、如何根据不同性质的负载调节励磁电流，才能保持同步发电机的电压不随负载而 变？ 答：根据对同步发电机的电枢反应的分析（参见4-2-4“答”），或根据同步发电机的调 节特性可知：同步发电机的电压的变化受其所带负载的大小和性质影响。因此若要保持同步 发电机的电压不随负载而变，则应使励磁电流随负载的大小和性质而得到相应的控制或调节。 若能按同步发电机的调节特性，对励磁电流进行控制，则同步发电机的电压将能保持恒定而 不随负载而变。 (答毕#) §4一3.同步发电机的电压、转矩和功率的平衡（书P.52.,) 4-19、同步电抗在电枢电路中的作用有什么物理意义？ 答：同步发电机同步电抗的物理意义就是电枢绕组的自感电抗。它由两部分组成，即：
枢一相绕组的电压，即得同步发电机的剩磁电压。 （答毕#） 4-15、什么是电枢反应？有几种典型的电枢反应效应，都在什么条件下发生？ 答：同步发电机的电枢反应是指：当同步发电机接通负载时，三相电枢绕组流经的电流 产生的电枢旋转磁场对主磁极磁场产生的某种确定性的影响。典型的电枢反应效应主要有如 下三种，即：①、交轴电枢反应，在 E0 与 Ia 同相位时产生（若忽略电枢绕组电抗的影响， 发电机相当于带纯阻性负载）；②、直轴去磁电枢反应，在 Ia 滞后于 E090°时产生（此时发 电机带纯感性负载）；③、直轴增磁电枢反应，在 Ia 超前于 E090°时产生（此时发电机带纯 容性负载）。 （答毕#） 4-16、起动大容量异步电动机时对同步发电机的电压有何影响？为什么？ 答：起动大容量的异步电动机时，将使同步发电机的电压下降。这是因为，异步机起动 电流大，且功率因数低（消耗大量感性无功）。因此大容量异步电动机起动时，同步发电机电 枢绕组流过的大电流滞后于空载电势的电角度较大，同步发电机的电枢反应去磁分量较大， 从而使发电机气隙的（合成）磁通减小，发电机的端电压下降。此外，电枢电流大，使发电 机电枢绕组的漏阻抗产生的压降也大，将近一步使同步发电机的电压下降。 （答毕#） 4-17、同步发电机的电压变化率的大小、正负与什么有关？为什么？ 答：同步发电机的电压变化率的大小、正负与发电机所带的负载的大小和性质有关。因 为负载大小影响了电枢反应作用的大小，负载的性质决定了电枢反应的去磁、增磁性质。电 枢反应是去磁的话，电压变化率为正；电枢反应是增磁的话，电压变化率为负，电枢反应越 强，电压变化率的值就越大（反之亦然）。 （答毕#） 4-18、如何根据不同性质的负载调节励磁电流，才能保持同步发电机的电压不随负载而 变？ 答：根据对同步发电机的电枢反应的分析（参见 4-2-4“答”），或根据同步发电机的调 节特性可知：同步发电机的电压的变化受其所带负载的大小和性质影响。因此若要保持同步 发电机的电压不随负载而变，则应使励磁电流随负载的大小和性质而得到相应的控制或调节。 若能按同步发电机的调节特性，对励磁电流进行控制，则同步发电机的电压将能保持恒定而 不随负载而变。 （答毕#） §4—3．同步发电机的电压、转矩和功率的平衡（书 P．52．，） 4-19、同步电抗在电枢电路中的作用有什么物理意义？ 答：同步发电机同步电抗的物理意义就是电枢绕组的自感电抗。它由两部分组成，即：
①、磁路以空气隙为主的漏感电抗：和，②、磁路穿过转子铁心（对气隙磁场产生影响）的 电枢反应电抗。由于电枢反应磁通路径的磁阻比漏磁路径的磁阻小，所以同步电抗的大小主 要由电枢反应电抗决定。在电枢电路中，同步电抗可用来表示和分析电枢反应作用对同步发 电机端电压的影响。 (答毕#)U 4-20、画同步发电机有电感性负载时的简化相量图。jIaXL 答：参见书P.51.图4-3-3(a)。若将负载也标出，则如右图所示。IaL (答毕#)I 4-21、同步发电机的电磁阻转矩的大小是与电枢电流成正比还是与有功功率成正比？ 答：根据书P.52.式4-3-9和式4-3-10，T=3E0ICos中/Q≈3 UICos中/2，同步发电机 的电磁转矩（即，阻转矩）的大小与电枢电流的有功分量成正比。也即，与有功功率成正比。 这是因为电磁阻转矩反映的是原动机施加在发电机轴上用于产生电磁功率的转矩，也就是原 动机对同步发电机做功所施加的转矩。因而该转矩就应与有功功率成正比（无功功率不产生 转矩)。而电枢电流不仅包含有功分量，而且包含（能量反复储存释放或变换存储方式所需的） 无功分量。因此，同步发电机的电磁阻转矩的大小与电枢电流的有功分量成正比，或有功功 率成正比（包含着电枢电流的有功分量）：而不是与电枢电流成正比。 (答毕#) 4-22、同步发电机在不对称的负载下运行时对电机有什么影响？ 答：同步发电机在不对称的负载下运行时，流经三相电枢绕组的电流是不对称电流，在 气隙产生的旋转磁场为“椭圆形旋转磁场”。虽然稳定运行时此磁场相对转子无移动，但由于 其幅值是变化的，在转子的“阻尼绕组”和“励磁绕组”将感应电势和楞茨电流：从而产生 额外损耗，使电机过热。此外，椭圆形磁场还将使电磁转矩出现波动，从而引起转子的振动。 这就是同步发电机在不对称的负载下运行时对电机的影响。这些影响都会缩短电机的寿命， 因而应尽量避免同步发电机在不对称的负载下运行。 (答毕#) 4-23、同步发电机单机独立运行时，它输出的有功功率和无功功率决定于什么？ 答：同步发电机单机独立运行时，它输出的有功功率和无功功率都决定于它所带的负载 的大小和性质。负载的大小和性质变化时，发电机的频率和电压将分别受到影响而变化。原 动机的调速机构和发电机的励磁装置将自动根据频率和电压的变化分别调节原动机的油门和 发电机的励磁电流，使频率和电压维持不变。所以说，同步发电机单机独立运行时，输出的 有、无功功率决定于负载。 (答毕#) §4一4.同步发电机的并联运行（书P.55.,) 4-24、所谓无穷大电网的两个基本特点是什么？
①、磁路以空气隙为主的漏感电抗；和，②、磁路穿过转子铁心（对气隙磁场产生影响）的 电枢反应电抗。由于电枢反应磁通路径的磁阻比漏磁路径的磁阻小，所以同步电抗的大小主 要由电枢反应电抗决定。在电枢电路中，同步电抗可用来表示和分析电枢反应作用对同步发 电机端电压的影响。 （答毕#）U 4-20、画同步发电机有电感性负载时的简化相量图。jIaXL 答：参见书 P.51.图 4-3-3（a）。若将负载也标出，则如右图所示。IaRL （答毕#）I 4-21、同步发电机的电磁阻转矩的大小是与电枢电流成正比还是与有功功率成正比？ 答：根据书 P．52．式 4-3-9 和式 4-3-10，T=3E0ICosψ/Ω≈3UICosφ/Ω，同步发电机 的电磁转矩（即，阻转矩）的大小与电枢电流的有功分量成正比。也即，与有功功率成正比。 这是因为电磁阻转矩反映的是原动机施加在发电机轴上用于产生电磁功率的转矩，也就是原 动机对同步发电机做功所施加的转矩。因而该转矩就应与有功功率成正比（无功功率不产生 转矩）。而电枢电流不仅包含有功分量，而且包含（能量反复储存释放或变换存储方式所需的） 无功分量。因此，同步发电机的电磁阻转矩的大小与电枢电流的有功分量成正比，或有功功 率成正比（包含着电枢电流的有功分量）；而不是与电枢电流成正比。 （答毕#） 4-22、同步发电机在不对称的负载下运行时对电机有什么影响？ 答：同步发电机在不对称的负载下运行时，流经三相电枢绕组的电流是不对称电流，在 气隙产生的旋转磁场为“椭圆形旋转磁场”。虽然稳定运行时此磁场相对转子无移动，但由于 其幅值是变化的，在转子的“阻尼绕组”和“励磁绕组”将感应电势和楞茨电流；从而产生 额外损耗，使电机过热。此外，椭圆形磁场还将使电磁转矩出现波动，从而引起转子的振动。 这就是同步发电机在不对称的负载下运行时对电机的影响。这些影响都会缩短电机的寿命， 因而应尽量避免同步发电机在不对称的负载下运行。 （答毕#） 4-23、同步发电机单机独立运行时，它输出的有功功率和无功功率决定于什么？ 答：同步发电机单机独立运行时，它输出的有功功率和无功功率都决定于它所带的负载 的大小和性质。负载的大小和性质变化时，发电机的频率和电压将分别受到影响而变化。原 动机的调速机构和发电机的励磁装置将自动根据频率和电压的变化分别调节原动机的油门和 发电机的励磁电流，使频率和电压维持不变。所以说，同步发电机单机独立运行时，输出的 有、无功功率决定于负载。 （答毕#） §4—4．同步发电机的并联运行（书 P．55．，） 4-24、所谓无穷大电网的两个基本特点是什么？
答：无穷大电网的两个基本特点是：①、电网上并联运行的发电机总容量比任意一台发 电机的容量大得多：②、任意一台发电机有、无功功率的变化对电网的电压和频率影响甚微， 也就是说电网的频率和电压是不变的恒值。 (答毕#) 4-25、如何改变与无穷大电网并联的同步发电机的有功功率和无功功率？ 答：改变拖动同步发电机的原动机的油门，可以改变发电机的输入功率，从而可以改变 它向无穷大电网输出的有功功率。改变发电机的励磁电流可以改变发电机的空载电势0，由 于电网电压不变，可以改变它向无穷大电网输出的电枢电流的相位，从而它向无穷大电网输 出的无功功率。 (答毕#) 4-26、单独改变两并联同步发电机之一的励磁电流，将会引起什么变化？ 答：改变一台的励磁电流，其空载电势增加，输出电流的无功分量增大。由于两机并联 运行，若负载不改变，则另一台输出的无功电流分量减小，电枢电流相应减小，同步电抗的 压降减小，而其空载电势不变。最终结果将使两机并联供电的电压相应增加。 (答毕#) 4-27、单独改变两并联同步发电机组之一的原动机油门，将会引起什么变化？ 答：改变一台原动机的油门，该发电机的输入转矩增加，电机转子加速，电磁功率增大， 输出有功增大。若负载不改变，则另一台输出的有功减小，电磁转矩减小。但因原动机油门 未变，输入转矩未变，因而未调油门的发电机也将加速。最终结果将使两发电机输出电压的 频率增大。 (答毕#) §4一5.同步发电机的短路与振荡（书P.57.,) 4-28、同步发电机突然三相短路是否都经历三个阶段？突然短路电流与稳态短路电流是 否一样？ 答：只有转子装设阻尼绕组的同步发电机，突然三相短路才会经历三个阶段，即：①、 超瞬变（阻尼、励磁绕组都有楞茨电流）阶段：②、瞬变（阻尼绕组无、励磁绕组有楞茨电 流)阶段：③、稳态短路（阻尼绕组和励磁绕组都无楞茨电流）阶段。若转子无阻尼绕组， 突然三相短路只经历瞬变和稳态短路两个阶段。由于超瞬变和瞬变阶段电枢磁通被挤向磁阻 很大的转子漏磁路径，电枢磁通和电枢反应电势远小于其稳态值，∴，突然短路电流比稳态短 路电流大很多。 (答毕#) 4-29、同步发电机突然三相短路对发电机本身有什么影响？ 答：同步发电机突然三相短路对发电机本身的影响较大：①、大的冲击电流可能使电枢 绕组端部变形或绝缘损坏：②、对转子产生冲击力矩，使发电机遭受机械破坏
答：无穷大电网的两个基本特点是：①、电网上并联运行的发电机总容量比任意一台发 电机的容量大得多；②、任意一台发电机有、无功功率的变化对电网的电压和频率影响甚微， 也就是说电网的频率和电压是不变的恒值。 （答毕#） 4-25、如何改变与无穷大电网并联的同步发电机的有功功率和无功功率？ 答：改变拖动同步发电机的原动机的油门，可以改变发电机的输入功率，从而可以改变 它向无穷大电网输出的有功功率。改变发电机的励磁电流可以改变发电机的空载电势 E0，由 于电网电压不变，可以改变它向无穷大电网输出的电枢电流的相位，从而它向无穷大电网输 出的无功功率。 （答毕#） 4-26、单独改变两并联同步发电机之一的励磁电流，将会引起什么变化？ 答：改变一台的励磁电流，其空载电势增加，输出电流的无功分量增大。由于两机并联 运行，若负载不改变，则另一台输出的无功电流分量减小，电枢电流相应减小，同步电抗的 压降减小，而其空载电势不变。最终结果将使两机并联供电的电压相应增加。 （答毕#） 4-27、单独改变两并联同步发电机组之一的原动机油门，将会引起什么变化？ 答：改变一台原动机的油门，该发电机的输入转矩增加，电机转子加速，电磁功率增大， 输出有功增大。若负载不改变，则另一台输出的有功减小，电磁转矩减小。但因原动机油门 未变，输入转矩未变，因而未调油门的发电机也将加速。最终结果将使两发电机输出电压的 频率增大。 （答毕#） §4—5．同步发电机的短路与振荡（书 P．57．，） 4-28、同步发电机突然三相短路是否都经历三个阶段？突然短路电流与稳态短路电流是 否一样？ 答：只有转子装设阻尼绕组的同步发电机，突然三相短路才会经历三个阶段，即：①、 超瞬变（阻尼、励磁绕组都有楞茨电流）阶段；②、瞬变（阻尼绕组无、励磁绕组有楞茨电 流）阶段；③、稳态短路（阻尼绕组和励磁绕组都无楞茨电流）阶段。若转子无阻尼绕组， 突然三相短路只经历瞬变和稳态短路两个阶段。由于超瞬变和瞬变阶段电枢磁通被挤向磁阻 很大的转子漏磁路径，电枢磁通和电枢反应电势远小于其稳态值，∴突然短路电流比稳态短 路电流大很多。 （答毕#） 4-29、同步发电机突然三相短路对发电机本身有什么影响？ 答：同步发电机突然三相短路对发电机本身的影响较大：①、大的冲击电流可能使电枢 绕组端部变形或绝缘损坏；②、对转子产生冲击力矩，使发电机遭受机械破坏
(答毕#) 4-30、引起并联运行同步发电机自由振荡的外因和内因是什么？引起强迫振荡的原因是 什么？ 答：引起并联运行同步发电机，自由振荡的外因是发电机输入转矩或电磁转矩突然发生 变化，平衡出现破坏，从而引起转子的加、减速：自由振荡的内因是发电机转动部分存在着 惯性。当平衡被破坏，转子出现加、减速且达到新的平衡点时，由于存在惯性，加减速不能 立即停止，平衡从新被破坏，于是进入自由振荡。引起强迫振荡的原因是活塞式原动机存在 着瞬时力矩的周期性波动变化，强迫发电机的转子也随之而波动振荡。 (答毕#) 4-31、并联运行发电机功率表指针摆幅越来越大并导致跳闸，试分析故障的可能原因是 什么？ 答：并联运行发电机功率表“指针摆动”说明其输出有功功率出现波动，原因很可能是 发电机的转子出现振荡。指针“摆幅越来越大”说明振荡出现共振。“导致跳闸”是由于输出 有功功率变为负值，即逆功率保护跳闸。根据上述分析，很可能是原动机存在者某些故障（调 速器故障、柴油机个别缸不工作等)使原动机的最低或有效谐波转矩的频率接近于自由振荡 频率而共振。因而可适当调高少许电网的频率使其避开谐振。 (答毕#) 4-32、单机运行的柴油发电机组能否产生自由振荡？能否产生强迫振荡？能否产生共 振？答：单机运行的柴油发电机组，由于发电机的电势和电压的频率同时随转子的转速而变 化，不出现振荡式的功角变化，因而不会产生自由振荡。虽然柴油机的瞬时力矩的周期性变 化能产生强迫振荡，但由于无自由振荡，因而不会产生自由振荡和强迫振荡之间的共振。 (答毕#) §4一6.同步电动机（书P.59.,) 4-33、为什么说同步电动机有绝对硬的机械特性？它的转速决定于什么？ 答：由于同步电动机的转速总是等于同步转速，不随负载转矩的变化而变化，因此说它 有“绝对硬的机械特性”。由于“同步转速”决定于电源电压的频率，所以同步电动机的转速 也就决定于电源电压的频率。 (答毕#) 4-34、为什么同步电动机要借助于外力起动？说明异步起动的原理及操作方法和步骤。 答：由于同步电动机的转子存在着惯性，若直接接通电源，在电磁转矩为驱动转矩的半 个周期内不可能使转子加速到同步转速，而另半个周期的电磁转矩又变为制动转矩，且一个 周期内平均电磁转矩为零，因而同步电动机要借助于外力起动。“异步起动”的操作方法和步 骤为：将电动机的负载脱开，转子励磁绕组通过（约为绕组本身电阻值5~10倍的）一个外 接电阻短接：然后接通电源。三相交流电源在气隙中产生圆形旋转磁场，装设在电动机转子
（答毕#） 4-30、引起并联运行同步发电机自由振荡的外因和内因是什么？引起强迫振荡的原因是 什么？ 答：引起并联运行同步发电机，自由振荡的外因是发电机输入转矩或电磁转矩突然发生 变化，平衡出现破坏，从而引起转子的加、减速；自由振荡的内因是发电机转动部分存在着 惯性。当平衡被破坏，转子出现加、减速且达到新的平衡点时，由于存在惯性，加减速不能 立即停止，平衡从新被破坏，于是进入自由振荡。引起强迫振荡的原因是活塞式原动机存在 着瞬时力矩的周期性波动变化，强迫发电机的转子也随之而波动振荡。 （答毕#） 4-31、并联运行发电机功率表指针摆幅越来越大并导致跳闸，试分析故障的可能原因是 什么？ 答：并联运行发电机功率表“指针摆动”说明其输出有功功率出现波动，原因很可能是 发电机的转子出现振荡。指针“摆幅越来越大”说明振荡出现共振。“导致跳闸”是由于输出 有功功率变为负值，即逆功率保护跳闸。根据上述分析，很可能是原动机存在者某些故障（调 速器故障、柴油机个别缸不工作等）使原动机的最低或有效谐波转矩的频率接近于自由振荡 频率而共振。因而可适当调高少许电网的频率使其避开谐振。 （答毕#） 4-32、单机运行的柴油发电机组能否产生自由振荡？能否产生强迫振荡？能否产生共 振？答：单机运行的柴油发电机组，由于发电机的电势和电压的频率同时随转子的转速而变 化，不出现振荡式的功角变化，因而不会产生自由振荡。虽然柴油机的瞬时力矩的周期性变 化能产生强迫振荡，但由于无自由振荡，因而不会产生自由振荡和强迫振荡之间的共振。 （答毕#） §4—6．同步电动机（书 P．59．，） 4-33、为什么说同步电动机有绝对硬的机械特性？它的转速决定于什么？ 答：由于同步电动机的转速总是等于同步转速，不随负载转矩的变化而变化，因此说它 有“绝对硬的机械特性”。由于“同步转速”决定于电源电压的频率，所以同步电动机的转速 也就决定于电源电压的频率。 （答毕#） 4-34、为什么同步电动机要借助于外力起动？说明异步起动的原理及操作方法和步骤。 答：由于同步电动机的转子存在着惯性，若直接接通电源，在电磁转矩为驱动转矩的半 个周期内不可能使转子加速到同步转速，而另半个周期的电磁转矩又变为制动转矩，且一个 周期内平均电磁转矩为零，因而同步电动机要借助于外力起动。“异步起动”的操作方法和步 骤为：将电动机的负载脱开，转子励磁绕组通过（约为绕组本身电阻值 5～10 倍的）一个外 接电阻短接；然后接通电源。三相交流电源在气隙中产生圆形旋转磁场，装设在电动机转子
铁心的起动绕组（也叫“阻尼绕组”）将如异步电动机鼠笼绕组一样，切割磁场、感应电势、 流过电流，并产生电磁转矩使电动机的转子空载加速到接近同步转速。然后断开外接电阻立 即接通转子励磁电源，同步电动机在正常励磁情况下，将转子“拉入同步”。最后使电动机带 上负载运行。 (答毕#) 4-35、为什么同步电动机在异步起动时，励磁绕组既不加励磁电流又不直接短路也不能 开路？ 答：同步电动机异步起动时，励磁绕组将切割气隙磁场，感应很高的交流电势。若将励 磁绕组直接短路，会产生很大的短路电流损坏励磁绕组：若励磁绕组加入励磁电流，由于励 磁电流由直流电源提供，而直流电源对交流感应电势来说相当于直接短接，也将产生很大的 电流损坏绕组：若励磁绕组开路，则感应的交流电势幅值很高，很容易对励磁绕组的绝缘及 其它设备造成损坏。因此，同步电动机在异步起动时，励磁绕组既不加励磁电流又不直接短 路也不能开路。（答毕#） 4-36、在什么励磁状态下同步电动机输入超前电流？ 答：在过励状态下同步电动机相当于容性负载，输入的电流为超前电流。 (答毕#) 4-37、什么是同步补偿机？主要用途是什么？ 答：轴上不带任何负载，专门用于改善功率因数的同步电机称为同步补偿机。同步补偿 机工作时，励磁绕组处于“过励”状态，因而它相当于电容性负载可以改善电网的功率因数： 由于其轴上不带任何负载，所以不消耗有功功率。 (答毕#)
铁心的起动绕组（也叫“阻尼绕组”）将如异步电动机鼠笼绕组一样，切割磁场、感应电势、 流过电流，并产生电磁转矩使电动机的转子空载加速到接近同步转速。然后断开外接电阻立 即接通转子励磁电源，同步电动机在正常励磁情况下，将转子“拉入同步”。最后使电动机带 上负载运行。 （答毕#） 4-35、为什么同步电动机在异步起动时，励磁绕组既不加励磁电流又不直接短路也不能 开路？ 答：同步电动机异步起动时，励磁绕组将切割气隙磁场，感应很高的交流电势。若将励 磁绕组直接短路，会产生很大的短路电流损坏励磁绕组；若励磁绕组加入励磁电流，由于励 磁电流由直流电源提供，而直流电源对交流感应电势来说相当于直接短接，也将产生很大的 电流损坏绕组；若励磁绕组开路，则感应的交流电势幅值很高，很容易对励磁绕组的绝缘及 其它设备造成损坏。因此，同步电动机在异步起动时，励磁绕组既不加励磁电流又不直接短 路也不能开路。（答毕#） 4-36、在什么励磁状态下同步电动机输入超前电流？ 答：在过励状态下同步电动机相当于容性负载，输入的电流为超前电流。 （答毕#） 4-37、什么是同步补偿机？主要用途是什么？ 答：轴上不带任何负载，专门用于改善功率因数的同步电机称为同步补偿机。同步补偿 机工作时，励磁绕组处于“过励”状态，因而它相当于电容性负载可以改善电网的功率因数； 由于其轴上不带任何负载，所以不消耗有功功率。 （答毕#）