電機學(xué)：第5篇－同步電機－思考題

1、5-1 汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機在結(jié)構(gòu)上有何區(qū)別，原因何在？【答】 在結(jié)構(gòu)上，汽輪發(fā)電機為隱極轉(zhuǎn)子，水輪發(fā)電機為凸極轉(zhuǎn)子。原因：汽輪發(fā)電機的原動機為汽輪機，轉(zhuǎn)速高，離心力大。故采用整塊鋼通過鍛壓工藝把轉(zhuǎn)子制成一個整體。水輪發(fā)電機的原動機為水輪機，轉(zhuǎn)速低，離心力小。故采用相對簡單的焊接工藝把轉(zhuǎn)子制成由多個部分組成的組合件。5-2 同步電機有哪幾種運行狀態(tài)，如何區(qū)分？【答】 同步電機有發(fā)電機、電動機和補償機三種運行狀態(tài)?？梢酝ㄟ^功率角來表征，功率角定義為相量超前相量的角度?？梢缘葍r為主磁場空間矢量超前合成磁場的角度。具體區(qū)分如下：時，轉(zhuǎn)子主磁場超前于合成磁場，轉(zhuǎn)子上受到一個制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子輸

2、入機械功率，定子繞組向電網(wǎng)或負載輸出電功率，電機作發(fā)電機運行；時，轉(zhuǎn)子主磁場與合成磁場的軸線重合，電磁轉(zhuǎn)矩為零，電機內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，電機處于補償機狀態(tài)（或空載狀態(tài)）；時，轉(zhuǎn)子主磁場滯后于合成磁場，轉(zhuǎn)子上受到一個驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，定子繞組從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子可拖動負載輸出機械功率，電機作電動機運行。5-4 何謂同步電機的電樞反應(yīng)？電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于什么？試討論下列各種情況下的電樞反應(yīng)（發(fā)電機慣例）：（1）電樞電流超前于勵磁電勢以角時；（2）電樞電流滯后于勵磁電勢以角時，其中?！敬稹?同步電機在空載時，氣隙中僅存在著轉(zhuǎn)子磁動勢。負載以后，除轉(zhuǎn)子磁動勢外，定子三相電流也產(chǎn)生電樞磁動勢。電

3、樞磁動勢的存在，使氣隙中磁場的大小及位置發(fā)生變化，這種現(xiàn)象成為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置，空載電動勢和負載電流之間的夾角，即取決于負載的性質(zhì)。（1）電樞電流超前于勵磁電勢以角，產(chǎn)生直軸增磁電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢。（2）電樞電流滯后于勵磁電勢以角，產(chǎn)生直軸去磁電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢。5-5 試述交軸和直軸電樞反應(yīng)對同步發(fā)電機中能量轉(zhuǎn)換和運行性能的影響?！敬稹?交軸電樞反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)換有直接關(guān)系。直軸電樞反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)換有間接關(guān)系。 能量轉(zhuǎn)換需要磁場。直接影響磁場，通過磁場影響能量轉(zhuǎn)換。沒有仍然有能量轉(zhuǎn)換，但如果，即，則沒有能量轉(zhuǎn)換。以隱極機為例，。影響磁

4、場，從而影響發(fā)電機的功率因數(shù)。5-6 試述電樞反應(yīng)電抗的意義?！敬稹侩姌蟹磻?yīng)電抗是對應(yīng)于電樞反應(yīng)磁通的電抗，即等于單位電樞電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)電動勢。反映電樞反應(yīng)主磁路（簡稱主磁路）、電樞繞組的一個參數(shù)。主磁路磁阻越大，則越大；電樞繞組匝數(shù)越多，則越大。5-7 試畫隱極同步發(fā)電機在純電阻負載時的相量圖，并說明這種情況下的電樞反應(yīng)的性質(zhì)。【答】 因為為銳角，故電樞反應(yīng)的性質(zhì)為直軸去磁電樞磁動勢和交軸電樞磁動勢。5-8 為什么分析凸極同步電機時要用雙反應(yīng)理論？凸極同步發(fā)電機負載運行時，若既不等于又不等于，問電樞磁場的基波與電樞磁動勢的基波在空間是否同相，為什么？【答】 因為即使不計磁飽和，凸極同步

5、發(fā)電機的氣隙沿電樞圓周是不均勻的，氣隙磁阻不是常數(shù)，因此，電樞反應(yīng)電勢無法用一個負的電抗壓降來表示，從而無法引入電樞反應(yīng)電抗。所以分析凸極機時，必須采用雙反應(yīng)理論。既不等于又不等于時，電樞磁場基波與電樞磁勢基波在空間不同相。因為此時、都不等于零。由、合成而得。與成比例，與成比例。、磁路的磁阻不同，導(dǎo)致這兩個比例不同，故與的相位不同。5-9 試述直軸和交軸同步電抗的意義。和的大小與哪些因素有關(guān)？和通常在什么范圍？【答】 直軸同步電抗表征單位直軸電流所產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)電動勢與漏電勢之和。交軸同步電抗表征單位直軸電流所產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)電動勢與漏電勢之和。，和的大小與磁路的磁阻、繞組的有效匝數(shù)、頻

6、率有關(guān)。5-10 試述同步發(fā)電機單獨負載運行和與電網(wǎng)并聯(lián)運行時，性能上有哪些差別，原因何在？【答】 同步發(fā)電機單獨負載運行時，負載發(fā)生變化，發(fā)電機的頻率和端電壓將相應(yīng)地隨之變化。當同步發(fā)電機與電網(wǎng)并網(wǎng)運行時，發(fā)電機單機的功率調(diào)節(jié)、個別負載的變動或其他擾動對整個電網(wǎng)的電壓、頻率影響甚微，發(fā)電機的頻率和端電壓與電網(wǎng)相一致，基本不變。5-11 試述同步發(fā)電機投入電網(wǎng)并聯(lián)的條件和方法。【答】 同步發(fā)電機投入電網(wǎng)并聯(lián)的條件： 發(fā)電機與電網(wǎng)的相序一致； 發(fā)電機與電網(wǎng)的電壓波形相同； 發(fā)電機與電網(wǎng)的頻率相等； 發(fā)電機的勵磁電動勢與電網(wǎng)電壓大小相等、相位相同，即。同步發(fā)電機投入電網(wǎng)并聯(lián)的方法： 準確整步法；

7、自整步法。5-12 試述同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)時靜態(tài)穩(wěn)定的概念?！敬稹?并網(wǎng)在電網(wǎng)上的同步發(fā)電機，在某一工作點運行時，如果外界（電網(wǎng)或原動機）發(fā)生微小的擾動，在擾動消失后，發(fā)電機是否回復(fù)到原先的狀態(tài)下穩(wěn)定地運行，稱為同步發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定問題。如能回復(fù)，說明同步發(fā)電機是穩(wěn)定的；反之，則是不穩(wěn)定的。5-14 試述同步補償機的原理和用途。同步補償機應(yīng)當裝設(shè)在送電端還是受電端？為什么？【答】 同步補償機可以看作為空載運行的同步電動機。其型曲線相當于時電動機的型曲線。在正常勵磁時，補償機的電樞電流接近于零；過勵時，補償機能從電網(wǎng)吸取超前的無功電流；欠勵時，補償機則從電網(wǎng)吸取滯后的無功電流。5-15 試述同

8、步發(fā)電機作為發(fā)電機和電動機運行時，、和角的變化范圍?！敬稹?同步發(fā)電機作為發(fā)電機運行時，由轉(zhuǎn)子輸入機械功率，從定子繞組向電網(wǎng)或負載輸出電功率，電磁功率；同時，勵磁電動勢超前于端電壓，電磁轉(zhuǎn)矩為制動轉(zhuǎn)矩；同步電動機的功率因數(shù)角和內(nèi)功率因數(shù)角均在范圍內(nèi)，即和均為正值。同步發(fā)電機作為電動機運行時，由電網(wǎng)輸入電功率，從轉(zhuǎn)子輸出機械功率，若仍用發(fā)電機慣例（輸出電流為正方向）來分析，可看作電動機向電網(wǎng)輸送負的電流，發(fā)出負功率，即電磁功率；相應(yīng)地，功率角亦成為負值，即勵磁電動勢滯后于端電壓，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動轉(zhuǎn)矩；同步電動機的功率因數(shù)角和內(nèi)功率因數(shù)角均在范圍外，即和均為負值。綜上所述： 5-16 有一臺同步電動機在額定電壓、額定頻率、額定負載下（功率因數(shù)為超前）運行時，功率角，現(xiàn)因電網(wǎng)發(fā)生故障，情況有如下變化時，功率角有何變化？（1）電網(wǎng)頻率下降，負載轉(zhuǎn)矩不變；（2）電網(wǎng)電壓和頻率都下降，負載轉(zhuǎn)矩不變；設(shè)勵磁一直保持不變，電樞電阻、凸極效應(yīng)和飽和效應(yīng)均忽略不計?！敬稹?由以及If不變可知：（1）電網(wǎng)頻率下降，則、E0、Xd、Xq下降，要Tem不變，則應(yīng)有、度減小。（2）電網(wǎng)電壓和頻率都下降，則、不變。5-17 有一無窮大電網(wǎng)，受電端的線電壓，供電給一個，（滯后）的三相負載。今欲加裝同步補償機以把線路的功率因數(shù)提高0.95