专题三十三 同步电机的励磁系统（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 专题三十三 同步电机的励磁系统 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 清晰掌握同步电机励磁系统的核心概念，明确励磁系统的功能及在同步电机运行中的作用。 掌握同轴直流发电机励磁系统中 “同轴传动” 的实现方式及励磁电流的调节逻辑。 准确描述四类典型励磁系统的基本结构，能识别各系统的关键组成部件。 考纲解读—考试要求 知晓三次谐波励磁系统中 “磁路饱和→三次谐波电压感应→整流励磁” 的原理，明确磁路饱和对该系统的关键影响。 明确同轴交流发电机励磁系统中 “交流发电→整流→直流励磁” 的工作链条，理解其调节灵活性的优势。 区分晶闸管自励与他励恒压励磁系统的核心差异，理解晶闸管导通角调节与励磁电流、定子电压的关联。 4 考纲解读—易考题型 理解晶闸管整流励磁系统以晶闸管为核心换流元件，通过控制晶闸管导通角实现交流到直流可控整流的基本原理。 简答题 准确归纳各类励磁系统的性能特点（如响应速度、调节范围、适用场景、维护需求等），能对比分析不同系统的优缺点。 论述题 精准理解同步电机励磁系统的定义，明确其为同步电机转子绕组提供可控直流电流的核心作用。 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 同步电机运行时,必须在励磁绕组中通入直流电,以便建立磁场,这个电流称为励磁电流，而供给励磁电流的整个系统称为励磁系统。 励磁系统是同步电机的一个重要组成部分,它对电机运行有很大影响,如运行的可靠性、经济性以及同步电机的某些主要特性等都直接与励磁系统有关。 一、同步电机的励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 目前采用的励磁系统可分为两大类:一类是直流发电机励磁系统;另一类是交流整流励磁系统。但不论何种励磁系统,都应满足下列要求: (1)励磁系统要有足够的功率,电流与电压均应留有一定的裕度 (2)当负载变化时,要有足够的励磁调节范围及调节的稳定性。 (3)励磁系统要简单可靠、调节方便和便于检修。 一、同步电机的励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 直流发电机励磁法是将一台较小的直流并励发电机与主机同装在一个轴上,直流发电机发出的直流电,直接供给交流发电机的励磁绕组,如图6-16(a)所示。直流电首先经过直流发电机的电刷流出,然后又经过一对电刷流入交流发电机的励磁绕组。当需要改变并励直流发电机的励磁电流时,直流发电机的端电压改变,主机的励磁电流就发生改变,于是主机的输出电压或输出功率发生了变化。 二、同轴直流发电机励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 当电网发生故障,电网电压突然下降时,继电器保护装置动作,立即闭合短路开关S而切除电阻R,使直流励磁机输出电压迅速大幅度升高,以适应系统对同步发电机的强励要求,如图 6-16(a)所示。 二、同轴直流发电机励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 对容量稍大的发电机,采用他励直流发电机作为主励磁机,主励磁机的励磁电流再由另外一台功率更小的直流励磁机供给,如图 6-16(b)所示。此种励磁方法,可以使励磁电压增长速度加快,且在低压调节时很方便,电压也较稳定。但多了一台励磁机,使设备复杂,降低了运行可靠性。 二、同轴直流发电机励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 晶闸管整流励磁系统也称静止交流整流 励磁系统。可分为自励式和他励式两种。 1.晶闸管自励恒压励磁系统 直流励磁电流由二极管整流桥供给,与同步发电机同轴的交流主励磁机(复励变流器)是整流装置的交流电源。自励式静止晶闸管励磁系统原理图如图6-17所示。 三、晶闸管整流励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 当发电机空载时,单独由晶闸管整流桥供给励磁电流;当发电机负载时,复励变流器经硅整流桥又给发电机提供复励电流,有了复励电流,就可以在一定程度上对发电机随负载而变化的电压进行自动调节。在电网发生短路故障的情况下,电网电压突然下降时,由复励部分单独提供励磁电流,并能得到一定的强磁效果。 三、晶闸管整流励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 除此以外,图中还简要地画出了电压自动调整系统的控制线路。它由电压互感器和电流互感器分别测得电压和电流的变化,通过自动电压调整器进行比较后,输出控制信号,送至品闸管整流桥进行自动控制。 三、晶闸管整流励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 自励式晶闸管整流励磁法,是利用品闸管整流特性,把同步发电机发出的交流电用品闸管整流后供给同步机自身的励磁电流。因为晶闸管整流的输出电压是可以调整的,而且很方便,所以同步发电机的输出电压也可以方便地得到调整。 这种方法的优点是不需要小型同轴发电机。 缺点是需要使用一对电刷。另外,同步发电机必须有足够的剩磁。 三、晶闸管整流励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 2.晶闸管他励恒压励磁系统 他励式静止硅整流励磁系统原理图如图6-18所示,它由交流励磁机、交流副励磁机、硅整流装置和自动电压调整器等部分构成。其作用原理如下:同步发电机的励磁电流,是由与它同轴的交流励磁机经静止的硅整流器整流后供给,而交流励磁机的励磁电流则由副励磁机(国内多采用1000Hz的中频发电机)通过晶闸管整流器整流后供给。至于副磁机的磁电流,开始可由外部直流电源供给,待电压建立后,则改由自励恒压装置供给(即转为自励方式),并保持电压恒定。自动调压器跟晶闸管自励恒压系统完全一样。 三、晶闸管整流励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 为了使主发电机的励磁电流波形良好,反应速度快和减小励磁机的体积,常采用频率为100Hz的三相同步发电机作励磁机。励磁机的定子绕组为三相星形(Y)联结,通过三相硅整流桥装置对主发电机励磁绕组供电。 这种励磁系统目前在国内外大容量机组上已广泛采用,它没有直流励磁机的电流换向问题运行维护方便,技术性能良好,交流副励磁机也可采用永磁发电机,此时无需自励恒压装置。其主要缺点是整个装置较为复杂,且启动时有时需要另外的直流电源供电。 三、晶闸管整流励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 上述静止的晶闸管整流励磁系统,虽然未采用直流励磁机,解决了换向器上可能出现的火花问题,但是主发电机还存在着滑环和电刷,不适合防腐、防爆或励磁电流过大的场合。如果我们将交流励磁机制做成旋转电枢式的三相同步发电机,使交流励磁机的电枢与主发电机同轴旋转,硅整流装置也安装在主发电机的转轴上,省去了电刷与滑环,无刷励磁系统原理图如图 6-19 所示。 四、同轴交流发电机励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 这种方法是把同轴的直流发电机换成同轴的单相或三相交流发电机,此交流发电机发出的电,经硅整流装置整流后直接供给同步发电机的励磁绕组。硅整流管也固定在轴上,这就使励磁电流不经过电刷,所以称为无刷励磁。 这种励磁方法的优点是无需使用电刷,消除了电刷故障,从而提高了工作的可靠性,使维护容易了。 其缺点是转动部分的电压、电流难于测量。 四、同轴交流发电机励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 其中,自动电压调整器系统是根据主发电机的电压偏差和电流变化自动调整交流励磁机的励磁电流,以保证主发电机输出端电压的恒定。 近年来,在较大容量汽轮发电机中,同轴交流发电机励磁系统正逐渐被推广使用。 四、同轴交流发电机励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 所谓谐波励磁,实际上是利用发电机气隙磁场中的三次及其整数倍次谐波进行自励磁,通常简称谐波励磁。 凸极式同步电机主磁极的励磁绕组大多为集中式的,因而在空载时,其主磁极在空间的磁场分布为一矩形。更由于极靴下气隙不均等,所以主磁场呈现的波形为一平顶波,或称矩形波。 这平顶波可分解为一个正弦基波和一系列奇次谐波,其中以三次谐波含量最大。凸极电机主磁极磁场的波形如图6-20所示。 五、三次谐波励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 在发电机的定子槽中专门嵌放一套谐波绕组,其绕组元件的节距取极距的1/3,每极下三个绕组元件串联在一起成为一个元件组。因为谐波绕组各元件间相隔60°电角度,发电机在额定转速下,基波在谐波绕组中的电动势之和为0,而谐波绕组产生3/的交流电动势,经整流后,供给发电机励磁绕组,如图6-21所示。 五、三次谐波励磁系统 知识点梳理和重点概念复习 这种方法的优点是,提高了发电机的效率,利用三次谐波,节约了设备投资。当发电机负载发生变化时,三次谐波的电动势也随之发生变化,能起到自动稳定电压的作用。三次谐波绕组是静止的,整流设备的安装和维修比较容易,所以这种励磁方法在小容量的机组上多被采用。 同步电动机是用电设备,常用的励磁方式为直流发电机励磁和晶闸管整流励磁(无刷励磁)。 五、三次谐波励磁系统 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：永磁发电机的转子采用永磁体，无需额外的励磁绕组和励磁电源，可直接输出交流电，简化了励磁系统的结构；B 选项错误（永磁发电机输出电压受转速影响较大，稳定性需配合调节装置），C 选项错误（永磁体体积通常更小），D 选项错误（永磁材料成本较高）。 1.同轴交流发电机励磁系统中，若交流发电机采用永磁发电机，其主要优势是（ ） A. 无需为永磁发电机提供励磁 B. 输出电压稳定性更高 C. 体积更大，适合大容量机组 D. 成本更低廉 24 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：三次谐波电压的大小与同步电机定子绕组的负载电流相关，当电机负载较小时，定子电流小，产生的三次谐波电压也较低，可能导致励磁电源不足；A 选项（转速）主要影响基波频率，B 选项（功率因数）对三次谐波分量影响较小，D 选项（端电压）是励磁调节的结果而非直接关联因素。 2.三次谐波励磁系统的励磁电压与同步电机的（ ）关联密切，因此在低负载时可能存在励磁不足的问题？ A. 转速 B. 功率因数 C. 负载电流 D. 端电压 25 常考习题练习与讲解—选择题 答案：C 解析：晶闸管的导通与否由触发信号控制，在整流电路中，通过改变触发信号的相位（即导通角），可调节晶闸管在一个周期内的导通时间，进而改变整流输出的平均电压，最终实现对励磁电压和电流的控制；A、B 选项是晶闸管的工作电压，无法主动调节以控制输出，D 选项是晶闸管的固有参数。 3.晶闸管整流励磁系统中，通过调节晶闸管的（ ）可实现对励磁电压和电流的控制？ A. 阳极电压 B. 阴极电压 C. 导通角 D. 反向击穿电压 26 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：三次谐波励磁系统直接利用同步电机定子绕组自身的三次谐波电压，通过简单的整流电路（如二极管整流）即可获取励磁电源，无需额外配备独立的发电机（如 A、D 选项中的同轴发电机），也无需复杂的外部他励电源和控制装置（如 C 选项），结构相对最简单。 4.以下哪种励磁系统的结构最简单，无需额外的发电机或复杂的整流控制装置（仅需简单整流电路）？（ ） A. 同轴直流发电机励磁系统 B. 三次谐波励磁系统 C. 晶闸管他励恒压励磁系统 D. 同轴交流发电机励磁系统 27 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：为保证励磁调节的稳定性和独立性，同轴直流发电机通常采用他励方式，即其励磁电流由外部独立的小容量励磁电源（如励磁调节器控制的电源）提供，可通过调节该他励电流精准控制直流发电机的输出，进而稳定同步电机的励磁。 5.同轴直流发电机励磁系统中，直流发电机的励磁方式通常为（ ） A. 自励 B. 他励 C. 串励 D. 复励 28 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：“恒压” 的核心是当同步电机端电压因负载变化等因素偏离额定值时，励磁调节器实时检测电压偏差，通过控制电路调整晶闸管的导通角，改变整流输出的励磁电压和电流，进而使电机端电压恢复至额定值。 6.晶闸管他励恒压励磁系统中，“恒压” 的实现主要依靠（ ） A. 稳定的外部励磁电源 B. 励磁调节器根据同步电机端电压偏差调节晶闸管导通角 C. 固定的晶闸管导通角 D. 大容量的储能电容 29 常考习题练习与讲解—选择题 答案：A 解析：同步电机的转速由电网频率和极对数决定（n=60f/p），若交流发电机转速为同步电机的 2 倍，可在相同极对数下输出更高频率的交流电（f=pn/60），更高频率的交流电经整流后，纹波更小，励磁电流更平稳，也便于后续的调节控制。 7.同步电机采用同轴交流发电机励磁系统时，若交流发电机与同步电机的转速比为 2:1，这通常是因为（ ） A. 交流发电机需要更高转速以输出更高频率的交流电 B. 同步电机转速过高，需降低交流发电机转速 C. 为了简化传动结构 D. 为了提高励磁电流的稳定性 30 常考习题练习与讲解—选择题 答案：B 解析：大容量、高转速同步发电机对励磁系统的容量和可靠性要求高，同轴直流发电机存在换向器在高转速下易产生火花、磨损严重，且容量增大时制造难度剧增等问题，无法满足需求；而晶闸管励磁系统（A、D）和同轴交流发电机励磁系统（C）无换向问题，容量适应性更强，更适合大容量高转速机组。 8.以下哪种励磁系统不适合用于大容量、高转速的同步发电机？（ ） A. 晶闸管自励恒压励磁系统 B. 同轴直流发电机励磁系统 C. 同轴交流发电机励磁系统 D. 静态励磁系统（属晶闸管励磁范畴） 31 常考习题练习与讲解—填空题 答案：励磁电流中断（或失去励磁磁场） 解析：他励系统的励磁电源完全依赖外部独立电源，无备用自励回路时，外部电源中断会导致励磁电流瞬间为零，同步电机失去励磁磁场，无法产生感应电动势，进而失步停机。 1.晶闸管他励恒压励磁系统中，若外部励磁电源突然中断，同步电机将因________而无法维持正常运行。 32 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电感（或电感线圈） 解析：三次谐波电压经整流后仍存在电流脉动，电感具有 “阻碍电流变化” 的特性，可在电流增大时储存能量，电流减小时释放能量，从而平滑脉动，使励磁电流更稳定；电阻会消耗能量，无法实现电流平滑功能。 2.三次谐波励磁系统的励磁回路中通常串联________，利用其储能特性平滑整流后的脉动电流，稳定励磁电流。 33 常考习题练习与讲解—填空题 答案：机械传动（或机械部件） 解析：该系统包含转轴、轴承等机械传动部件，机械运动的惯性会导致调节滞后；同时，直流发电机的励磁调节需通过机械或电磁环节实现，响应速度远慢于全电子的晶闸管系统。 3.同轴直流发电机励磁系统的响应速度较慢，主要原因是存在________和直流发电机励磁调节的滞后。 34 常考习题练习与讲解—填空题 答案：电压检测 解析：恒压控制的核心流程为 “检测→比较→调节”：电压检测环节首先获取定子电压实际值，与额定值比较后，根据偏差信号触发后续的晶闸管导通角调节，若无检测环节，系统无法判断电压偏差，无法实现恒压控制。 4.晶闸管整流励磁系统中，实现恒压控制的前提是________环节能实时监测同步电机定子电压，并与额定电压进行比较。 35 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：励磁回路串联电感的核心作用是平滑整流后的脉动电流（利用电感储能特性，稳定励磁电流），而非增强三次谐波电压感应；三次谐波电压的感应由磁路饱和决定，与电感无关，题干描述错误。 1.三次谐波励磁系统的励磁回路中串联电感，目的是增强三次谐波电压的感应效果。（ ） 36 常考习题练习与讲解—判断题 答案：√ 解析：恒压控制的核心流程为 “检测→比较→调节”：电压检测环节首先获取定子电压实际值，与额定值比较后生成偏差信号，再触发控制电路调节晶闸管导通角；无检测比较环节则无法实现恒压控制，题干描述正确。 2.晶闸管整流励磁系统中，恒压控制的前提是电压检测环节实时监测定子电压，并与额定值比较。（ ） 37 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：直流励磁发电机的励磁绕组开路时，其自身无励磁电流，无法产生磁场，输出电压为零，同步电机的励磁电流也随之变为零，无法维持运行；题干中 “维持部分励磁电流” 的描述不符合物理规律，故错误。 3.同轴直流发电机励磁系统中，若直流励磁发电机的励磁绕组开路，同步电机仍可维持部分励磁电流运行。（ ） 38 常考习题练习与讲解—判断题 答案：× 解析：辅助绕组的专用功能是为励磁系统提供电源（感应电压经整流后为晶闸管供电），而非为主体定子补充电源；主定子电源由原动机驱动电机发电产生，与辅助绕组无关，题干描述错误。 4.晶闸管自励恒压励磁系统中，辅助绕组的作用是为同步电机主定子提供补充电源。（ ） 39 常考习题练习与讲解—简答题 答案：三次谐波励磁系统的励磁电源来自同步电机定子绕组中因磁路饱和而感应出的三次谐波电压（非外部电网或独立发电机）。 1.三次谐波励磁系统的励磁电源来自哪里？ 40 常考习题练习与讲解—简答题 答案：触发脉冲丢失会导致励磁电流减小或中断，进而使同步电机定子电压降低，甚至失步停机。 2. 同步电机运行中，若晶闸管整流励磁系统的触发脉冲丢失，会导致什么后果？ 41 常考习题练习与讲解—简答题 答案：调节范围：三次谐波电压的大小依赖磁路饱和程度，而磁路饱和程度的变化范围有限，导致三次谐波电压的调节范围小，进而使励磁电流的调节范围受限；大容量电机在负荷波动时，对励磁电流的调节需求更大（需抵消更大的电枢反应），有限的调节范围无法满足其稳定运行需求；小容量电机负荷波动小，对调节范围要求低，可适配该系统。 3.为何三次谐波励磁系统更适用于小容量同步电机，而不适用于大容量电机？ 42 常考习题练习与讲解—简答题 答案：需定期维护电刷与换向器的原因：直流励磁发电机的换向器与电刷是实现 “旋转的转子绕组” 与 “固定的外部电路” 电流传递的关键部件，运行中两者持续摩擦，会导致电刷磨损（产生碳粉）、换向器表面氧化或出现沟槽，影响电流传递的稳定性，因此需定期维护（如更换电刷、清洁换向器、打磨表面）。 4.同轴直流发电机励磁系统需定期维护电刷与换向器，原因是什么？ 43 重点复习知识点： 1.同步电机励磁系统是为电机转子绕组提供可控直流电流（励磁电流）的装置，核心功能包括：维持定子电压稳定、保障电机并列运行的稳定性、改善电机动态响应性能、实现过载与故障保护。 2.同步电机与直流励磁发电机共用同一根转轴，直流励磁发电机输出端通过滑环与电刷连接同步电机转子励磁绕组；系统包含直流励磁发电机、励磁调节电阻（调节直流励磁发电机励磁电流）、滑环与电刷等关键部件。 3.晶闸管他励恒压励磁系统外部电源提供交流电→经整流桥（晶闸管）整流为直流电→为同步电机转子励磁；调节逻辑与自励系统一致（通过导通角控制电压）。 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 44 $