第六章_同步電機(jī)練習(xí)題3

1、第六章同步電機(jī)3.填空1.答在同步電機(jī)中，只有存在_交軸同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的條件是：(1)電樞反應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。2.(3) O答 發(fā)電機(jī)相序和電網(wǎng)相序要一致， 大小要相等、相位要一致3. 同步發(fā)電機(jī)在過(guò)勵(lì)時(shí)從電網(wǎng)吸收 動(dòng)機(jī)在過(guò)勵(lì)時(shí)向電網(wǎng)輸出發(fā)電機(jī)頻率和電網(wǎng)頻率要相同，發(fā)電機(jī)電壓和電網(wǎng)電壓，產(chǎn)生 ，產(chǎn)生 電樞反應(yīng)。答 超前無(wú)功功率，直軸去磁，滯后無(wú)功功率，直軸助磁4. 同步電機(jī)的功角5有雙重含義，一是 和電樞反應(yīng)；同步電之間的夾角；二是空間夾角。主極軸線，氣隙合成磁場(chǎng)軸線，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，電壓5.凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁匝數(shù)增加使Xq和Xd將增加6.凸極同步電機(jī)氣隙增加使Xq和Xd將減小7.為凸極同

2、步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)，如將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流減為零，此時(shí)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩mU2（丄丄）S in2 Xq Xd二、選擇1.同步發(fā)電機(jī)的額定功率指(A轉(zhuǎn)軸上輸入的機(jī)械功率;C電樞端口輸入的電功率;答 DB 轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)械功率; D 電樞端口輸出的電功率。2.同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，若所帶負(fù)載為感性COS 0.8，則其電樞反應(yīng)的性質(zhì)為(AC答)O交軸電樞反應(yīng)； 直軸去磁與交軸電樞反應(yīng);C直軸去磁電樞反應(yīng)； 直軸增磁與交軸電樞反應(yīng)。同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)定短路電流不很大的原因是A漏阻抗較大；C電樞反應(yīng)產(chǎn)生增磁作用；答B(yǎng))OB短路電流產(chǎn)生去磁作用較強(qiáng);D同步電抗較大。4.對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)，凸極同步發(fā)電機(jī)阻抗大小順序排列為（

3、A X Xad XdXaqXq ；Xad XdXaq Xq X ；C Xq Xaq XqXadXd XadXq Xaq答D改善電網(wǎng)功率因數(shù)； 作為同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源。5. 同步補(bǔ)償機(jī)的作用是（ A補(bǔ)償電網(wǎng)電力不足；C作為用戶的備用電源; 答四、簡(jiǎn)答1.測(cè)定同步發(fā)電機(jī)的空載特性和短路特性時(shí)，如果轉(zhuǎn)速降至0.95 ni,對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有什么影響？答 因空載電勢(shì)E。和轉(zhuǎn)速成正比，如果轉(zhuǎn)速降為0.95ni，貝y E。也降低到額定轉(zhuǎn)速下的0.95倍。同步電抗與頻率成正比，也降低到0.95倍，所以短路電流IkE0/Xd不變。由于勵(lì)磁繞組電流相對(duì)較小，電壓低，放在轉(zhuǎn)子上引出較方便。電樞繞組電壓高、 放在轉(zhuǎn)子上

4、使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、引出不方便。故大容量電機(jī)將電樞繞組作為定子，磁極作 為旋轉(zhuǎn)磁極式。2. 為什么大容量同步電機(jī)采用磁極旋轉(zhuǎn)式而不用電樞旋轉(zhuǎn)式？答容量大，為轉(zhuǎn)子，3. 為什么同步電機(jī)的氣隙要比容量相同的感應(yīng)電機(jī)的大？答 感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁電流由電源供給，需要從電網(wǎng)吸取感性無(wú)功功率，如果氣隙大，貝y勵(lì)磁電流大，電機(jī)的功率因數(shù)低，因此在機(jī)械允許的條件下，氣隙要盡量小一些。 同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子電流和定子電流共同激勵(lì)，從同步電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性考慮，氣隙大，同步電抗小，短路比大，運(yùn)行穩(wěn)定性高。但氣隙大，轉(zhuǎn)子用銅量增大，制造成本增加。氣隙大小的 選擇要綜合考慮運(yùn)行性能和制造成本這兩方面的要求。4. 同步發(fā)電機(jī)電樞反

5、應(yīng)性質(zhì)由什么決定?而這一位置與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) E0和答電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向，在空間上始終保持相對(duì)靜止的關(guān) 系，但電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于這兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)幅值的相對(duì)位置,電樞電流I之間的相位差，即角度有關(guān)，角由決定于負(fù)載的性質(zhì)。當(dāng) E0與I同相時(shí),0，電樞反應(yīng)為交軸電樞反應(yīng)，交軸電樞反應(yīng)使氣隙合成磁場(chǎng)幅值增加，而其軸線從主極軸線逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向后移一個(gè)銳角。當(dāng)I滯后E0 90時(shí)，電樞反應(yīng)為直軸電樞反應(yīng)，其性質(zhì)完全是去磁的。當(dāng)I超前E0 90時(shí)，也為直軸電樞反應(yīng)，其性質(zhì)完全是助磁的。一般情況下，090，此時(shí)的電樞反應(yīng)兼有直軸去磁作用和交磁作用。5. 試述直軸和交軸同步電抗的意義？如何用試驗(yàn)方法

6、來(lái)測(cè)定?答 在凸極同步電機(jī)中，由于氣隙不均勻?yàn)榱擞?jì)算方便，將電樞磁動(dòng)勢(shì) Fa分解為Fad和Faq，分別除以直軸磁阻和交軸磁阻，可得到ad和aq，它們分別在定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)Ead和Eaq，寫(xiě)成電抗壓降形式，即E adjIdXadEaqjlqXaq和分別稱為直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗, 應(yīng)磁通的強(qiáng)弱。它們分別反映出上述直軸和記者電樞反直軸同步電抗為 Xd Xad X交軸同步電抗為Xd Xad XXd和Xq表征了當(dāng)對(duì)稱三相直軸或交軸電流每相為1A時(shí)，三相總磁場(chǎng)在電樞繞組中每相感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。利用空載和短路特性可測(cè)定的X d不飽和值；利用空載和零功率因數(shù)負(fù)載特性可測(cè)定Xd的飽和值；利用轉(zhuǎn)差法可

7、測(cè)定 Xd和Xq的不飽和值。6.凸極同步電機(jī)中，為什么直軸電樞反應(yīng)電抗X ad大于交軸電樞反應(yīng)電抗 X aq ？答 在凸極電機(jī)中沿電樞圓周的氣隙是很不均勻的,分析其電樞反應(yīng)時(shí)，要用雙反應(yīng)理論,即把電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)分解成垂直和平行于電動(dòng)勢(shì)E0的兩個(gè)分量Fad和Faq，它們分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)磁通ad和交軸電樞反應(yīng)磁通aq，相應(yīng)的電流也分解成兩個(gè)分量。因此1 dFadadEad 或 Ead I d X ad ， Xd E ad /1 d1 d Fadad E ad 或 E aq 1 qX aq ， X qEa 1 q由于直軸磁路的磁導(dǎo)比交軸磁路的磁導(dǎo)要大得多，同樣大小的電流產(chǎn)生的磁通和相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也

8、大德多，所以電抗X”Xaq 八 aq °7.為什么同步發(fā)電機(jī)的短路特性是一條直線？答 同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)基本上是一個(gè)純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動(dòng)勢(shì)，氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)為FFfFad，合成電動(dòng)勢(shì)為E jlX，即合成電動(dòng)勢(shì)只等于漏抗壓降。所以其對(duì)應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機(jī)的磁路處于不飽和狀態(tài)，由于氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)F E I，而Fad kad Fad丨，所以勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)Ff F Fad必然正比于丨，故短路特性Ik f（lf）是一條直線。8. 為什么從空載特性和短路特性不能測(cè)定交軸同步電抗？為什么從空載特性和短路特性 不能準(zhǔn)確測(cè)定直軸同步電抗?答 凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程式為E0U IRaj

9、IdXd jIqXq三相短路時(shí) U 0，由于發(fā)電機(jī)的電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，短路電流可認(rèn)為是純感性的，d，即 90，Iq 0，I Id，Eo jIdXd jlXd，所以由空載特性測(cè)出Eo和短路特性測(cè)出 I 可求出直軸同步電抗 Xd 。由于短路情況下電樞磁動(dòng)勢(shì)基基本上是一個(gè)純?nèi)ゴ抛饔玫?直軸磁動(dòng)勢(shì)， 使氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)很小， 對(duì)應(yīng)的氣隙合成磁通很小， 電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)，這時(shí)求出的是Xd的不飽和值。由于Iq 0，不能從空載和短路特性求出X9. 在直流電機(jī)中， E U 還是 E U 是判斷電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的依 據(jù)之一，在同步電機(jī)中，這個(gè)結(jié)論還正確嗎?答 在同步電機(jī)中，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)

10、E0 和電機(jī)端電壓 U 都是電壓相量，不能根據(jù)它們的大 小來(lái)判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，而應(yīng)該根據(jù)氣隙合成磁場(chǎng)軸線與主磁極軸線的相對(duì)位置來(lái)決定。 當(dāng)主磁極場(chǎng)軸線超前合成磁場(chǎng)軸線時(shí)， 為發(fā)電機(jī)狀態(tài)； 重合時(shí)為調(diào)相機(jī)狀態(tài)； 滯后時(shí)為電動(dòng) 機(jī)狀態(tài)。角有什么意義？10. 什么是同步電機(jī)的功角特性?勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) E0 不變時(shí)，同步答 當(dāng)電網(wǎng)電壓U和頻率f恒定，參數(shù)Xd和Xq為常數(shù)、電機(jī)的電磁功率只決定于 E0與U的夾角稱為功率角，Pemf ( ) 為同步電機(jī)的功角特性。由于電機(jī)的漏阻抗遠(yuǎn)小于同步電抗， 從空間上看， 功率角可近似認(rèn)為時(shí)主磁極軸線與氣隙合成磁場(chǎng)軸線之間的夾角；從時(shí)間上，功率角勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) E0 與電壓

11、 U 之間的夾角。11. 一般同步發(fā)電機(jī)三相穩(wěn)定短路，當(dāng) I kI N時(shí)的勵(lì)磁電流I fk和額定負(fù)載時(shí)的勵(lì)磁電流I fN都已達(dá)到空載特性的飽和段，為什么前者X d 取未飽和值而后者取飽和值？為什么Xd 一般總是采用不飽和值?答 短路時(shí)由于電樞反應(yīng)的去磁作用使氣隙磁通很小，電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)， 此時(shí)對(duì)應(yīng)的是 Xd 的不飽和值。額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁通較大，直軸磁路處于飽和狀態(tài)，此時(shí)X q 一般取不飽和值。對(duì)應(yīng)的是 Xd 的飽和值。交軸磁路的氣隙大磁阻大，磁路不飽和，故 12. 同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，在空載時(shí)是如何激勵(lì)的?在負(fù)載時(shí)是如何激勵(lì)的?答 空載時(shí)，定子繞組中沒(méi)有電流，氣隙磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子繞組

12、中的直流電流激勵(lì)的。負(fù)載后，定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)， 其基波以同步速度旋轉(zhuǎn)， 與轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止。氣隙磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子繞組中直流電流和定子繞組中三相交流電流共同激勵(lì)產(chǎn)生的。13. 同步電機(jī)轉(zhuǎn)子表面氣隙磁通密度分布的波形是怎樣的？轉(zhuǎn)子表面某一點(diǎn)的氣隙磁通密度大小隨時(shí)間變化嗎？ 定子表面某一點(diǎn)的氣隙磁通密度隨時(shí)間變化嗎？答：凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子表面氣隙磁通密度分布的波形接近于正弦波，其中含有一系列 奇數(shù)次諧波；隱極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子表面氣隙磁通密度分布的波形是接近正弦的階梯狀波，其 中也含有一系列奇數(shù)次諧波.)，但由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子表面某一點(diǎn)的氣隙磁通密度大小不隨時(shí)間變化V電樞電流為零時(shí) 是旋轉(zhuǎn)的，因此定子表面某一點(diǎn)

13、的氣隙磁通密度是隨時(shí)間變化的.五、計(jì)算1. 有一臺(tái)三相汽輪發(fā)電機(jī)，Pn 25000kW , Un 10.5kV , 丫接法，cos n 0.8(滯后)，作單機(jī)運(yùn)行。由試驗(yàn)測(cè)得它的同步電抗標(biāo)幺值為Xs 2.13。電樞電阻忽略不計(jì)。每相勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)為 752CV，試求分下列幾種情況接上三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞電流值，并說(shuō) 明其電樞反應(yīng)的性質(zhì)：解阻抗基值ZnUnII 2U N COS Npn10.52 0.8 10625000 1033.53同步電抗 XxSZn2.133.537.52(1)每相是7.52純電阻;每相是7.52純電感;(3)每相是(7.52j7.52)電阻電容性負(fù)載。(1)純電阻負(fù)載時(shí)電樞

14、電流Eo1 R jXs7520 07.52 j 7.52A 70745 A電流滯后于Eo的角度為45，故電樞反應(yīng)是直軸去磁兼交磁作用。電樞電流I jxhxij (蔦。：52)A 500 90 A此時(shí)為90，故電樞反應(yīng)是直軸去磁作用。Eo阻容性負(fù)載且XXs時(shí)，電樞電流I 7520 0 A 1000 0 AR j(Xs X) 7.52此時(shí)為0，故電樞反應(yīng)是交磁作用。X的汽輪發(fā)2. 有一臺(tái) Pn 25000kW，U N 10.5kV，Y聯(lián)接，cos 0.8 (滯后)電機(jī)，Xs2.13，電樞電阻略去不計(jì)。試求額定負(fù)載下勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E。及E。與I的夾角 。*Eo2.845I *9*9I99J(U COS

15、)2 (U Sin I XS)2J0.82(0.6 1 2.13)2Eo* 10.52.845 105 kV 17.25kV73tanIXU sin NU COS N1 O.554 1 Sin36.871.4425COS36.87U COSCOS *-E0-0邑 0.2812.84573.673.電機(jī),有一臺(tái)Pn，R；725000kW ,Un 10.5kV，Y接法，COS N 0.8 (滯后)的水輪發(fā)角。cosXdXq0.554，試求在額定負(fù)載下勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0及E0與I的夾0.836.8755.27IdI sinSin 55.270.8221 36.87Id0.82255.27900.8223

16、4.73IqI COS1 COS55.270.57Iq*E00.57 55.27U jIdXdjIqXq1 36.87 j10.82234.73j0.57 55.270.5444.COS1.77155.27E。E0Un1.77155.27有一臺(tái)三相1500kWN 0.8 (滯后)10.5/73 kV 10.74kV36.8718.4水輪發(fā)電機(jī)，額定電壓是6300V，Y接法，額定功率因數(shù)，已知額定運(yùn)行時(shí)的參數(shù)：Xd21.2 ，Xq13.7 ，電樞電阻解:Z1N N可略去不計(jì)。試計(jì)算發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電勢(shì)。2U N U N COS N 21 17Pn.XddZ1 NXqXqZ1N0.646*

17、EqU jl Xq0.646(90 36.87)1.481 20.43則 20.43N 57.3將參考向量改為Eq，則有120.430.937j0.349Idj sin0.84290Iqcos0.54E0UjIdXdjlqXq0.937j0.3490.842j0.54 0.6461.78E0E0 于 1.78 6300VJ3v36474.4V5.有一臺(tái)凸極同步發(fā)電機(jī)，其直軸和交軸同步電抗標(biāo)幺值分別等于Xd1.0,Xq 0.6，電樞電阻可以忽略不計(jì)。試計(jì)算發(fā)電機(jī)的額定電壓，額定容量,c°s 0.8 （滯后）時(shí)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E。解：（方法一）令 U*1.0 0°Q&計(jì)

18、算電動(dòng)勢(shì)cos1 0.8 36.87°1.036.87°EQ E* j&X； 1.0 0° j1.036.87° 0.6j0.48 1.442 19.44°19.44° 36.87° 56.31°直軸電樞電流IdI sin 1 sin 56.31°0.832勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)e0eQ ld(Xd X；) 1.4420.832(1 0.6) 1.775（方法二）I*Xq U*sin arctan*U cosarctan0.6 0.6 arctan1.5 56.31°0.8直軸電樞電流Id I si

19、n 1 sin56.31o勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E。 U cos( ) IdXd 1.0cos(56.31o 36.87°) 0.832 11.7756. 有一臺(tái) PN 25000kW，Un 10.5kV,Y接法，Cos 20.8 （滯后）的汽論發(fā)電機(jī)，其同步電抗標(biāo)么值為Xt 2.13 , ra0。試求額定負(fù)載下發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電勢(shì)E，E與L&的夾角以及Eo與&的夾角。解：以 U&作參考向量，Un 1 , arcCos0.8 36.87°& 136.870由 E1&ji&t得E0 U* ji&xt* 10 0j2.1336.872.8

20、45 36.8所以E 2.845Ui 17.25kVE與U的夾角36.80Eo與I的夾角36.80 36.87073.6707. 有一臺(tái)Pn = 72500kw , Un = 10.5kV , Y接，Cos N 0.8滯后的水輪發(fā)電機(jī)，參數(shù)為：Xd 1，Xq0.554，忽略電樞電阻。試求額定負(fù)載下發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢(shì)E0和E與&的夾角。解：先以U為參考，U*1，則&136.870所以 EQU*jl&Xq1jO.55436.870 1.404 18.40E&與L&的夾角18.40再以Eo為參考向量，則55.270解：（1）INiU*. 0118.40.949j0

21、.316i&jSi nj 0.822& Cos 0.57所以?E0? ?U j I d Xd?j I q Xq0.949j0.316 0.822j0.57 0.5541.771故EU n0 E0 LV31.77110510.74 kVVs31250KVA , Un = 10.5kV （ Y 接法）,8.有一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)如下:SnCos N 0.8 （滯后），定子每相同步電抗xt 7.0 ，而定子電阻忽略不計(jì)，此發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行于無(wú)窮大電網(wǎng)。試求:當(dāng)發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，功率角N，電磁功率Rm。若維持上述勵(lì)磁電流不變，但輸入有功功率減半時(shí),N，電磁功率Fem ,Cos N將

22、變?yōu)槎嗌?發(fā)電機(jī)原來(lái)在額定運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)僅將其勵(lì)磁電流加大10%,N ， Fem , Cos N ,I將變?yōu)槎嗌?由于不計(jì)Rm因?yàn)镋0 31250000N10500ra，所以Rm31250 0.8U n j I n xt1.718KASnCOS N25000kW所以每相(2)若因?yàn)樗砸驗(yàn)樗?3)僅將&舞16.40故 N35.90 ； kj7.0 1.718 N 6.062 12.026 53.13°35.90kVm= 1.704 倍Sin NIf不變，輸入有功減半時(shí)，Pem 0.5PemN 12500 kWPemP emN1SinP emtg ctgIf加大10%時(shí),SinS

23、in NPemSinP emNmUICosUEoSinCosPem P emNSin1 節(jié)mE0lCos(ctg17.050017.0510.573 16.4 Sin17.0502.00.447 (滯后)25000 kV不考慮飽和影響時(shí)，E0 (1 10%) Eon 18.04 ( kV)因?yàn)镻 emP emNEoSin '= 1E onSin N所以1 E oNSinSin -E0N Sin 裁1.1032.21因?yàn)閜'em mUICosmE0lCos(因?yàn)閠g ctg' ctg32.210E0Sin73 18.04 Sin32.210。痂Cos 0.72210.5所

24、以IPemmUCosP'em mUICosL 25000 10331903A貞 10.5 0.722 1039.一臺(tái)丫接法水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)差率試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如下：Umax 3300V , Imin 182A，U min3100V，I max 250A，阻抗基值為13.9 。試求:直軸同步電抗和交軸同步電抗的標(biāo)幺值; 額定負(fù)載且功率因數(shù)為（1）（2）解：（1）直軸同步電抗為0.8 （滯后）時(shí)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)和功角:XdU maxI max330073 18.210.5* XdXd rZN10.513.90.756交軸同步電抗為XqU minI max310073 2507.16（2 ）先求功角*XqXq r厶N(yùn)7.1613.90.516EQ U* jlX q1.37 170j136.80 0.516170，36.80 17053.80直軸電流Idsin0sin 53.80.807交軸電流IqcosCOS53.800