专题三十 同步电机的特点和分类（课件）-河北省对口升学《电机与变压器》（第5版）(高教社）专题复习讲练测

《电机与变压器》（第5版） 高教社 专题三十 同步电机的特点和分类 目录 01 考纲解读 04 内容归纳小结 02 知识点梳理和重点概念复习 03 真题或常考题讲解 2 考纲解读—常见考点 03 02 01 准确理解同步电机 “同步” 特性的核心含义，能熟练默写转速与电网频率、极对数的关系公式。 清晰区分同步电机与异步电机在转子结构、励磁方式上的核心差异。 全面掌握同步电机的定子、转子结构组成，能分别说明定子铁心（硅钢片叠压结构）、定子绕组、转子励磁绕组（或永磁体）、阻尼绕组的功能及工作原理。 考纲解读—考试要求 能分别阐述三类电机的工作原理、核心功能及典型应用场景，明确不同类型电机在电力系统中的角色定位。 了解同步电机按转子结构的分类（凸极式、隐极式），能简述两种转子结构的特点。 系统掌握同步电机按功能的分类（同步发电机、同步电动机、同步调相机）。 4 考纲解读—易考题型 明确其能量转换方向（电能→机械能）；重点考核 “转速恒定” 特性（额定负载范围内，转速与负载无关，由f和p决定） 简答题 区分转子励磁方式（电励磁：励磁绕组 + 直流电源；永磁励磁：永磁体，无需外部电源） 论述题 区分同步电机与异步电机在转速特性上的核心差异（同步电机无转差率，异步电机有转差率）。 选择题 5 知识点梳理和重点概念复习—知识点思维导图 知识点梳理和重点概念复习 图6-1所示为同步电机的结构原理图。通常三相同步电机的定子是电枢,与三相异步电动机定子绕组相似,转子装有磁极和励磁绕组。 一、同步电机的结构特点 知识点梳理和重点概念复习 当励磁绕组通人直流电后,转子立即建立恒定磁场。当转子在外力拖动下旋转时,转子的恒定磁场就随转子的转动,在气隙中形成旋转磁场。定子导体由于和转子旋转磁场有相对运动而产生交流电动势,此电动势的频率为f即 一、同步电机的结构特点 知识点梳理和重点概念复习 当在定子绕组内通过三相交流电,定子绕组内便产生一个旋转磁场,这时转子绕组仍通以直流电,则转子所建立的恒定磁场将在定子旋转磁场的带动下,沿定子旋转磁场的转向,以定子旋转磁场的转速旋转,转子的转速为 一、同步电机的结构特点 知识点梳理和重点概念复习 电机的转速与交变电流的频率成正比,与电机的磁极对数成反比。 一、同步电机的结构特点 这是同步电机与异步电机的基本差别之一。 由上述两种情况可知,同步电机无论作为发电机使用,还是作为电动机使用,其转速与交流电频率之间将保持严格不变的关系,这是同步电机的基本特点。 知识点梳理和重点概念复习 我国电力系统规定标准频率为 50 Hz。如果电机有一对磁极,其额定转速为3000r/min,若有两对磁极时,其额定转速为1 500 r/min,依此类推,24 对磁极的水轮发电机的额定转速为125 r/min。 一、同步电机的结构特点 知识点梳理和重点概念复习 同步电机按结构分类,可分为旋转磁极式和旋转电枢式,高压、大容量电机大多采用旋转磁极式。在旋转磁极式电机中,同步电机又分为隐极式和凸极式两种基本形式。从安装结构上可分为立式和卧式两种。 二、同步电机的分类 知识点梳理和重点概念复习 按防护类型分类,有开启式、防护式和封闭式。 按冷却方式分类,有空气冷却、氢冷与水冷、混合冷却等。 按同步电机的用途分类,有发电机、电动机和调相机。 按拖动发电机的原动机类型分类,可分为汽轮发电机、水轮发电机、柴油发电机、汽油发电机、风力发电机等 二、同步电机的分类 知识点梳理和重点概念复习 1.发电机 (1)汽轮发电机 其转速通常为3000r/min或1500r/min,功率在 300~600 000kW以上,电压从400 V至27 000 V。国产系列汽轮发电机有 QFQ、QFN、QFS。QF 表示汽轮发电机(Q是汽字的拼音字头,即字母表示关键字拼音字头),第三个字母Q表示氢外冷,N表示氢内冷,S表示双水内冷。 二、同步电机的分类 以汽轮机或燃气轮机等高速动力机械作为原动机,拖动同步发电机而产生交流电的设备,称为汽轮发电机。 知识点梳理和重点概念复习 (2)水轮发电机 它是以水轮机为原动机拖动同步电机而产生交流电的设备。功率从几千瓦至 90 万千瓦以上,电压从400V至20000V,转速一般较低,从50r/min至1500r/min。国产大型水轮发电机是TS系列,T表示同步,S表示水轮， 二、同步电机的分类 知识点梳理和重点概念复习 (3)柴油发电机 它是用柴(汽)油机作为原动机拖动同步电机而发电的设备。其发电成本较高,一般只是作为备用发电机组或无电网的边远地区,或临时移动电源。功率从几千瓦至数千千瓦,电压一般为 220V至6 300 V,转速从 250r/min 至3 000 r/min。 二、同步电机的分类 知识点梳理和重点概念复习 (4)中频发电机 中频发电机的频率范围从400Hz至20000Hz,功率从2kW至1000kW,电乐有115 V、230V、375V、750V及1500V等,转速一般为3000r/min。小功率的中频发电机用作超高速电动机及雷达等设备的特种电源。大功率的一般作为中频感应加热用电源。所用动力源根据情况而定。中频发电机系列有BP、BPT、BLZ和BPS等。 二、同步电机的分类 知识点梳理和重点概念复习 2.电动机 从电网吸收电能转变为其他机械动力的同步电机,称为同步电动机。同步电动机的功率因数,可通过调节励磁电流进行调节。它不但可把功率因数调节到1,还可以调节到超前,对改善电网的功率因数有重要意义。同步电动机转速为恒定值,不受负载变动的影响。功率范围一般在250kW~10MW,电压有3kV6kV和10kV等几种,转速范围从100r/min至3000r/min。一般用于不调速(恒速)机械。TD表示同步电动机,TDL表示立式同步电动机。 二、同步电机的分类 知识点梳理和重点概念复习 3.调相机(同步补偿机) 同步电动机可以通过调节励磁电流专门改善电网功率因数,这种电机又称同步补偿机。通常为了分担电网的感性无功功率,改善电网的功率因数,应使调相机处于过励状态,如同在电网上并联一个大电容器。同步调相机的功率范围为5000~60000kV·A,电压为6.6kV、11kV等。一般用于电网中。TT表示同步调相机。 二、同步电机的分类 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C​ 解析：隐极式同步电机的转子呈圆柱形，气隙均匀，这种结构使其在高速旋转时能够保持较好的稳定性，不易产生较大的离心力和振动，因此主要用于高速发电机，如由汽轮机驱动的汽轮发电机，所以选 C。 1.隐极式同步电机主要用于（ ）​ A. 水轮发电机​ B. 低速电动机​ C. 高速发电机​ D. 调相机 20 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B​ 解析：同步电机的励磁系统主要功能是向转子绕组提供稳定的直流电流，使转子产生恒定的磁场，为定子旋转磁场与转子磁场之间的相互作用提供条件，从而保证同步电机正常工作，所以选 B。 2.同步电机的励磁系统的作用是（ ）​ A. 向定子绕组提供交流电​ B. 向转子绕组提供直流电​ C. 调节定子电压​ D. 调节定子频率 21 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A​ 解析：同步发电机的工作原理是基于电磁感应现象，定子绕组通入三相交流电产生旋转磁场，转子在原动机驱动下旋转，转子磁场与定子旋转磁场相互作用，在定子绕组中感应出三相交流电，因此同步发电机只能发出交流电。 3.下列关于同步发电机的说法，正确的是（ ）​ A. 只能发出交流电​ B. 只能发出直流电​ C. 既能发出交流电也能发出直流电​ D. 发出的电频率随负载变化 22 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C​ 解析：同步电动机的转速始终与定子旋转磁场的转速保持同步，而定子旋转磁场的转速由电网频率和电机极对数决定，与负载大小无关。当负载增加时，电机的电磁转矩会相应增加以平衡负载转矩，但转速始终保持不变。 4.同步电动机在运行过程中，若负载增加，其转速（ ）​ A. 升高​ B. 降低​ C. 保持不变​ D. 先降低后升高 23 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A​ 解析：当电网电压偏低时，同步调相机增加励磁电流，使其工作在过励磁状态，发出更多的感性无功功率，从而提高电网的无功功率供应，有助于升高电网电压。 5.同步调相机在电网电压偏低时，应采取的措施是（ ）​ A. 增加励磁电流​ B. 减少励磁电流​ C. 停止运行​ D. 降低转速 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C​ 解析：同步调相机的主要功能是改善电网功率因数、稳定电网电压，它不拖动任何实际的机械负载，只是在电力系统中作为无功功率补偿设备运行。 6.下列哪种同步电机没有实际的机械负载（ ）​ A. 同步发电机​ B. 同步电动机​ C. 同步调相机​ D. 凸极式同步电机 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B​ 解析：同步电机的额定转速 n（单位：r/min）与电网频率 f（单位：Hz）和电机极对数 p 的关系为 n=60f/p。在电网频率 f 固定的情况下，极对数 p 越多，额定转速 n 越低。 7.同步电机的极对数越多，其额定转速（ ）​ A. 越高​ B. 越低​ C. 不变​ D. 与极对数无关 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C​ 解析：同步发电机定子绕组感应电动势的频率公式为f=，其中p为极对数，n为转子转速（同步转速），而转子转速由原动机和电网频率决定（电网频率固定时，转速与极对数成反比）。励磁电流大小仅影响感应电动势的幅值，不改变频率，故选 C。​ 8.同步发电机定子绕组感应电动势的频率与下列哪个参数无关（ ）​ A. 转子转速 B. 极对数 C. 励磁电流大小 D. 电网频率​ 27 常考习题练习与讲解—填空题 答案：永磁励磁​ 解析：永磁同步电动机的励磁来源于永磁体自身的固有磁性，无需像电励磁同步电机那样设置励磁绕组和直流励磁电源，简化了电机结构，减少了励磁损耗。同时，永磁材料的高磁密特性可提高电机功率密度，使电机体积更小、重量更轻，适用于中小功率、对小型化要求高的场景（如新能源汽车驱动、精密伺服系统）。 1.永磁同步电动机的转子采用永磁材料（如钕铁硼）制成，无需外部励磁电源，其励磁方式属于______，具有结构简单、体积小、效率高的特点。 28 常考习题练习与讲解—填空题 答案：调节电网无功功率​ 解析：同步调相机不承担机械能转换任务，仅专注于无功功率调节。当电网感性负载过多、功率因数偏低时，调相机过励运行，输出感性无功功率；当电网容性无功过剩时，调相机欠励运行，吸收感性无功功率。通过这种灵活调节，可平衡电网无功功率，减少电压波动，保证电网供电质量。 2.同步调相机本质是一台不带机械负载的同步电动机，其核心功能是______，通过调节励磁电流改善电网功率因数，稳定电网电压。 29 常考习题练习与讲解—填空题 答案：空载​ 解析：同步调相机的功能是调节无功功率，无需带动外部机械负载，因此运行时转子仅需维持同步转速，定子无负载电流。空载状态下，电机仅存在铁损耗、铜损耗等固有损耗，可专注于无功功率调节，若带负载运行，不仅会增加有功功率损耗，还会偏离其无功调节的核心功能定位。 3.同步调相机通常工作在______状态，定子绕组仅流过少量由励磁电流产生的电流，无负载电流，因此无需考虑机械负载对电机的影响。 30 常考习题练习与讲解—填空题 答案：隐极式​ 解析：凸极式转子磁极突出于转子表面，极数多、直径大、长度短，适合低速运行（如水轮发电机，转速几十到几百 r/min）；隐极式转子磁极隐埋于转子铁心内，呈圆柱形，直径小、长度长，高速旋转时风阻小、机械强度高，能适应汽轮发电机的高速运行需求，因此成为汽轮发电机的典型转子结构。 4.同步电机按转子结构可分为凸极式和______两类，其中汽轮发电机因转速高（通常为 3000r/min 或 1500r/min），多采用后者结构。 31 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：同步调相机本质是一台不带机械负载的同步电动机，其核心功能是调节电网无功功率，而非驱动负载。通过调节励磁电流，调相机可在过励状态下输出感性无功、欠励状态下吸收感性无功，改善电网功率因数、稳定电网电压，因此该说法错误。 1.同步调相机本质是一台带机械负载的同步电动机，主要用于驱动大型设备。（ ） 32 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：电网感性负载过多时，需补充感性无功功率以提高功率因数。同步调相机过励运行时，会向电网输出感性无功功率，补充电网所需；欠励运行时，调相机会从电网吸收感性无功功率，进一步降低功率因数，与需求相悖，因此该说法错误。 2.当电网中感性负载过多导致功率因数偏低时，同步调相机应采用欠励运行方式，吸收感性无功功率。（ ） 33 常考习题练习与讲解—判断题 答案：正确 解析：同步调相机无需带动机械负载，仅专注于无功功率调节，因此通常工作在空载状态。此时定子绕组无负载电流，仅流过少量由励磁电流产生的电流，电机仅存在铁损耗、铜损耗等固有损耗，可高效实现无功调节功能，因此该说法正确。 3.同步调相机通常工作在空载状态，定子绕组仅流过少量励磁电流，无负载电流。（ ） 34 常考习题练习与讲解—判断题 答案：错误 解析：凸极式转子磁极突出、极数多、直径大、长度短，适合低速运行（如水轮发电机）；隐极式转子呈圆柱形、直径小、长度长，高速旋转时风阻小、机械强度高，适合高速运行。汽轮发电机由汽轮机驱动，转速高（通常为 3000r/min 或 1500r/min），多采用隐极式转子，因此该说法错误。 4.同步电机按转子结构可分为凸极式和隐极式，汽轮发电机因转速高，多采用凸极式转子。（ ） 35 常考习题练习与讲解—简答题 答案：同步电动机启动时需借助辅助装置，根本原因是启动瞬间转子处于静止状态，定子旋转磁场以同步转速高速旋转，转子磁场与定子旋转磁场之间相对速度极大，无法产生持续、稳定的启动转矩（启动转矩为零），直接通入励磁电流无法带动负载启动，需辅助装置帮助转子转速接近同步转速。 1.说明同步电动机启动时需借助辅助装置的原因。 36 常考习题练习与讲解—简答题 答案：同步电动机的定子电流包含有功分量（用于驱动负载）和无功分量（用于建立磁场），通过调节励磁电流可改变无功分量的大小和方向，进而改善电网功率因数。 2.同步电动机如何通过调节励磁电流改善电网功率因数？ 37 常考习题练习与讲解—简答题 答案：永磁同步电动机的核心结构特点的是转子采用永磁材料（如钕铁硼、钐钴合金等）制成，无需传统电励磁同步电机的励磁绕组和外部直流励磁电源；定子结构与普通同步电机类似，包含定子铁心和三相绕组，部分电机转子还会增设阻尼绕组以抑制振荡。此外，其结构更紧凑、体积更小、重量更轻，且无励磁损耗，运行效率更高。 3.简述永磁同步电动机的结构特点。 38 常考习题练习与讲解—简答题 答案：同步调相机本质是一台不带机械负载的同步电动机，工作原理如下：通过调节其转子励磁电流，改变定子绕组输出或吸收的无功功率 —— 过励时输出感性无功功率，欠励时吸收感性无功功率，以此实现对电网无功功率的调节。 4.说明同步调相机的工作原理？ 39 重点复习知识点： 1.同步电机运行时，转子转速始终与定子绕组通入三相交流电后产生的旋转磁场转速保持一致，这是其区别于异步电机的核心特征。 2.同步电机主要由定子和转子两大部分组成，各部件功能明确，共同保障电机稳定运行。 3.同步调相机（同步补偿机）调节电网无功功率，不承担机械能转换，是电力系统的 “无功调节端”，用于改善电网供电质量。 阅读相关教材和课堂笔记，梳理重点知识点和关键概念。制作复习提纲或思维导图，以帮助理清知识框架和内部逻辑。进行练习题和例题的练习，加深对知识的理解和应用。 课堂小结 40 $