同步電機練習(xí)題及答案概要

第六章同步電機一、填空★在同步電機中，只有存在電樞反應(yīng)才能實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換。答交軸同步發(fā)電機并網(wǎng)的條件是：(1):(2):(3)。答發(fā)電機相序和電網(wǎng)相序要一致,發(fā)電機頻率和電網(wǎng)頻率要相同，發(fā)電機電壓和電網(wǎng)電壓大小要相等、相位要一致★同步發(fā)電機在過勵時從電網(wǎng)吸收,產(chǎn)生電樞反應(yīng)；同步電動機在過勵時向電網(wǎng)輸岀，產(chǎn)生電樞反應(yīng)。答超前無功功率，直軸去磁，滯后無功功率，直軸增磁★同步電機的功角&有雙重含義，一是和之間的夾角；二是和_空間夾角。答主極軸線，氣隙合成磁場軸線，勵磁電動勢，電壓TOC\o"1-5"\h\z凸極同步電機轉(zhuǎn)子勵磁匝數(shù)增加使X?和X,將。答增加凸極同步電機氣隙增加使Xq和￡將o答減小★凸極同步發(fā)電機與電網(wǎng)并聯(lián)，如將發(fā)電機勵磁電流減為零，此時發(fā)電機電磁轉(zhuǎn)矩為。答)sin25XqXd—、坯辭同步發(fā)電機的額定功率指()。A轉(zhuǎn)軸上輸入的機械功率；B轉(zhuǎn)軸上輸出的機械功率；C電樞端II輸入的電功率；D電樞端II輸出的電功率。答D★同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時，若所帶負(fù)載為感性cos0=O.8,則其電樞反應(yīng)的性質(zhì)為()。A交軸電樞反應(yīng)；B直軸去磁電樞反應(yīng)；C直軸去磁與交軸電樞反應(yīng)；D直軸增磁與交軸電樞反應(yīng)。答C同步發(fā)電機穩(wěn)定短路電流不很大的原因是()。A漏阻抗較大；B短路電流產(chǎn)生去磁作用較強；C電樞反應(yīng)產(chǎn)生增磁作用；D同步電抗較大。答B(yǎng)

★對稱負(fù)載運行時，凸極同步發(fā)電機阻抗大小順序排列為（）oAX°>XQX“X腫Xq；BXQXJX八Xq>X°；CXq>XaqCXq>Xaq>Xd>Xad>Xa；DXqXqXqX腫X。。答D同步補償機的作用是（）。A補償電網(wǎng)電力不足；B改善電網(wǎng)功率因數(shù)；C作為用戶的備用電源；D作為同步發(fā)電機的勵磁電源。答B(yǎng)三、判斷TOC\o"1-5"\h\z★負(fù)載運行的凸極同步發(fā)電機，勵磁繞組突然斷線，則電磁功率為零。（）答錯同步發(fā)電機的功率因數(shù)總是滯后的。（）答錯一并聯(lián)在無窮大電網(wǎng)上的同步電機，要想增加發(fā)電機的輸出功率，必須増加原動機的輸入功率，因此原動機輸入功率越大越好。（）答錯改變同步發(fā)電機的勵磁電流，只能調(diào)節(jié)無功功率。（）答錯★同步發(fā)電機靜態(tài)過載能力與短路比成正比，因此短路比越大，靜態(tài)穩(wěn)定性越好。（）答錯★同步發(fā)電機電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于負(fù)載的性質(zhì)。（）答錯★同步發(fā)電機的短路特性曲線與其空載特性曲線相似。（）答錯同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)短路電流很大。（）答錯利用空載特性和短路特性可以測定同步發(fā)電機的直軸同步電抗和交軸同步電抗。（）答錯★凸極同步電機中直軸電樞反應(yīng)電抗大于交軸電樞反應(yīng)電抗。（）答對與直流電機相同，在同步電機中，E>U還是Ecu是判斷電機作為發(fā)電機還是電動機運行的依據(jù)之一。（）答錯★在同步發(fā)電機中，當(dāng)勵磁電動勢與/電樞電流同相時，其電樞反應(yīng)的性質(zhì)為直軸電樞反應(yīng)。（）答錯四、簡答1?★測定同步發(fā)電機的空載特性和短路特性時，如呆轉(zhuǎn)速降至0.95對試驗結(jié)果有什么影響？答因空載電勢￡。和轉(zhuǎn)速成正比，如杲轉(zhuǎn)速降為0.95/?1,則E。也降低到額定轉(zhuǎn)速卞的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Ik=E0/Xd不變。★為什么大容量同步電機采用磁極旋轉(zhuǎn)式而不用電樞旋轉(zhuǎn)式？答由于勵磁繞組電流相對較小，電壓低，放在轉(zhuǎn)子上引出較方便。電樞繞組電壓高、容量人，放在轉(zhuǎn)子上使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、引出不方便。故大容量電機將電樞繞組作為定子，磁極作為轉(zhuǎn)子，為旋轉(zhuǎn)磁極式。★為什么同步電機的氣隙要比容量相同的感應(yīng)電機的大？答感應(yīng)電機的勵磁電流由電源供給，需要從電網(wǎng)吸取感性無功功率，如果氣隙人，則勵磁電流人，電機的功率因數(shù)低，因此在機械允許的條件卞，氣隙要盡量小一些。同步電機的氣隙磁場由轉(zhuǎn)子電流和定子電流共同激勵，從同步電機運行穩(wěn)定性考慮，氣隙大，同步電抗小，短路比人，運行穩(wěn)定性高。但氣隙人，轉(zhuǎn)子用銅量增人，制造成本增加。氣隙人小的選擇要綜合考慮運行性能和制造成本這兩方面的要求。★同步發(fā)電機電樞反應(yīng)性質(zhì)由什么決定？答電樞磁動勢的基波與勵磁磁動勢同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向，在空間上始終保持相對靜止的關(guān)系,但電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于這兩個磁動勢幅值的相對位置，而這一位置與勵磁電動勢和電樞電流/之間的相位差，即角度0有關(guān)，角0由決定于負(fù)載的性質(zhì)。當(dāng)與/同相時，0=0°,電樞反應(yīng)為交軸電樞反應(yīng)，交軸電樞反應(yīng)使氣隙合成磁場幅值增加，而其軸線從主極軸線逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向后移一個銳角。當(dāng)/滯后￡0903時，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)/超前￡0905時，，也為直軸電樞反應(yīng)，其性質(zhì)完全是助磁的。一般情況下，此時的電樞反應(yīng)兼有直軸去磁作用和交磁作用。試述直軸和交軸同步電抗的意義？如何用試驗方法來測定？答在凸極同步電機中，由于氣隙不均勻為了計算方便，將電樞磁動勢化分解為巧d和F“,分別除以直軸磁阻和交軸磁阻，可得到①初和①aq，它們分別在定子繞組感應(yīng)電動勢丘陽和寫成電抗壓降形式，即E“d=~jidXad，Eaq=~qXaq和分別稱為直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗，它們分別反映出上述直軸和記者電樞反應(yīng)磁通的強弱。直軸同步電抗為X廠交軸同步電抗為Xd=xa(l+x。Xd和Xq表征了當(dāng)對稱三相直軸或交軸電流每相為1A時,三相總磁場在電樞繞組中每相感應(yīng)的電動勢。利用空載和短路特性可測定的Xd不飽和值；利用空載和零功率因數(shù)負(fù)載特性町測定Xd的飽和值；利用轉(zhuǎn)差法可測定Xd和Xq的不飽和值?！锿箻O同步電機中，為什么直軸電樞反應(yīng)電抗X“d人于交軸電樞反應(yīng)電抗xJ答在凸極電機中沿電樞圓周的氣隙是很不均勻的，分析其電樞反應(yīng)時，要用雙反應(yīng)理論,即把電樞反應(yīng)磁動勢分解成垂直和平行于電動勢的兩個分量Ed和它們分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)磁通①曲和交軸電樞反應(yīng)磁通①呵，相應(yīng)的電流也分解成兩個分量。因此/八心文％或E”IdX泌,Xd=Ead/IdId尺耳記x①忍此已血或Eaq=IqXaq,X({=Ea(j/Iq由于直軸磁路的磁導(dǎo)比交軸磁路的磁導(dǎo)要人得多，同樣人小的電流產(chǎn)生的磁通和相應(yīng)的電動勢也人德多，所以電抗Xg>X網(wǎng)o★為什么同步發(fā)電機的短路特性是一條直線？答同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)短路時，電樞磁動勢基本上是一個純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動勢，氣隙合成磁動勢為尸；=耳-F；d，合成電動勢為E嚴(yán)jix。,即合成電動勢只等于漏抗壓降。所以其對應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機的磁路處于不飽和狀態(tài)，由于氣隙合成磁動勢,而臨=kadFadocI,所以勵磁磁動勢耳=F；+F：必然正比于I,故短路特性/,=/(/,)是一條直線?！餅槭裁磸目蛰d特性和短路特性不能測定交軸同步電抗？為什么從空載特性和短路特性不能準(zhǔn)確測定直軸同步電抗？答凸極同步發(fā)電機的電動勢方程式為&=〃+代+〃dXd+兒X“三相短路時u=o,由于發(fā)電機的電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，短路電流可認(rèn)為是純感性的，即0=90°,/“=0,I=Id，Eo=jidXd=jix(l,所以由空載特性測出和短路特性測出廠可求出直軸同步電抗Xd。由于短路情況下電樞磁動勢基基本上是一個純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動勢，使氣隙合成磁動勢很小，對應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機磁路處于不飽和狀態(tài),這時求出的是Xd的不飽和值。由于打=0,不能從空載和短路特性求岀x“。★在直流電機中，E>U還是E<U是判斷電機作為發(fā)電機運行還是電動機運行的依據(jù)之一，在同步電機中，這個結(jié)論還正確嗎？答在同步電機中，勵磁電動勢E。和電機端電壓〃都是電壓相量，不能根據(jù)它們的人小來判斷電機的運行狀態(tài)，而應(yīng)該根據(jù)氣隙合成磁場軸線與主磁極軸線的相對位置來決定。當(dāng)主磁極場軸線超前合成磁場軸線時，為發(fā)電機狀態(tài)；重合時為調(diào)相機狀態(tài)：滯后時為電動機狀態(tài)。io.★什么是同步電機的功角特性？&角有什么意義？答當(dāng)電網(wǎng)電壓（/和頻率/恒定，參數(shù)Xd和Xg為常數(shù)、勵磁電動勢不變時，同步電機的電磁功率只決定于與〃的夾角8,8稱為功率角，Pem=f（0）為同步電機的功角特性。由于電機的漏阻抗遠(yuǎn)小于同步電抗，從空間上看，功率角0可近似認(rèn)為時主磁極軸線與氣隙合成磁場軸線之間的夾角；從時間上，功率角&勵磁電動勢與電壓〃之間的夾角?！镆话阃桨l(fā)電機三相穩(wěn)定短路，當(dāng)Ik=IN時的勵磁電流/處和額定負(fù)載時的勵磁電流/處都已達到空載特性的飽和段，為什么前者Xd取未飽和值而后者取飽和值？為什么Xd—般總是采用不飽和值？答短路時由于電樞反應(yīng)的去磁作用使氣隙磁通很小，電機磁路處于不飽和狀態(tài)，此時對應(yīng)的是Xd的不飽和值。額定負(fù)載運行時，氣隙磁通較人，直軸磁路處于飽和狀態(tài)，此時對應(yīng)的是Xd的飽和值。交軸磁路的氣隙犬磁阻人，磁路不飽和，故X。一般取不飽和值?！锿诫姍C的氣隙磁場，在空載時是如何激勵的？在負(fù)載時是如何激勵的？答空載時，定子繞組中沒有電流，氣隙磁場是由轉(zhuǎn)子繞組中的直流電流激勵的。負(fù)載后，定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動勢，其基波以同步速度旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)子相對靜止。氣隙磁場是由轉(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產(chǎn)生的?！锿诫姍C轉(zhuǎn)子表面氣隙磁通密度分布的波形是怎樣的?轉(zhuǎn)子表面某一點的氣隙磁通密度人小隨時間變化嗎?定子表面某一點的氣隙磁通密度隨時間變化嗎？答：凸極同步電機轉(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.轉(zhuǎn)子表面某一點的氣隙磁通密度人小不隨時間變化V電樞電流為零時），但由于轉(zhuǎn)子是旋轉(zhuǎn)的，因此定子表面某一點的氣隙磁通密度是隨時間變化的.五、計算★有一臺三相汽輪發(fā)電機，PN=25000kw,UN=10.5kV,F接法，cos^v=0.8（滯后），作單機運行。由試驗測得它的同步電抗標(biāo)幺值為X’=2.13。電樞電阻忽略不計。

每相勵磁電動勢為7520V,試求分下列幾種情況接上三相對稱負(fù)載時的電樞電流值，并說明其電樞反應(yīng)的性質(zhì)：每相是7.52G純電阻；每相是7.52G純電感；每相是(7.52-J7.52)G電阻電容性負(fù)載。同步電抗x,=XZn=2?13x3?53Q=7?52Q解阻抗基值*7_U$NA，=VUn_^；cos^v_10.52x0.8x106o_7^解阻抗基值*7_U$NA，=V(1)純電阻負(fù)載時電樞電流電流滯后于E。的角度為屮=45°，故電樞反應(yīng)是直軸去磁兼交磁作用。(2)純電感負(fù)載時電樞電流M+X)7520Z007(7.52+7.52)A=500/-電樞電流M+X)7520Z007(7.52+7.52)A=500/-90°A此時為^=90\故電樞反應(yīng)是直軸去磁作用。(3)阻容性負(fù)載且X=X,時，電樞電流R+jg—x)752OZO0R+jg—x)752OZO07.52A=1000/0°A此時為0=0°,故電樞反應(yīng)是交磁作用?！镉幸慌_Pv=25000ZrVV,UN=10.SkV,Y聯(lián)接，cos?=0?8(滯后)的汽輪發(fā)電機，X；=2.13,電樞電阻略去不計。試求額定負(fù)載下勵磁電動勢E。及E。與/的夾角0。解E；=cos。)，+(U*sin0+廣X：)，=Jo.8,+(0.6+1x2.13尸=2.845故E；^=2.S45x^kV=l7.25kV73V3IX+Usui(pNlx0.554IX+Usui(pNlx0.554+lxsm36.8r=L4425fJcos%cos36.87cH1ucos(p0.8A_O1因cos?===0.281E：2.845得0=73.67°★有一臺PN=725000kW,UN=10.5/;V,Y接法，cos%=0.8(滯后)的水輪發(fā)電機，R：=0,X；=1,X；=0.554,試求在額定負(fù)載下勵磁電動勢E。及E。與/的夾角。解cos0,v=O.80=36.87°故0=55.27°有/；=/*sin0=lxsin55.27°=0.822令/*=1/0°=1Z36.87°則/；=0.822Z55.27°—90°=0.822Z—34.73°又/；=廠cos?=1xcos55.27°=0.57則/；=0.57Z55.27°&=U+〃；X；+〃；X；=1Z36.87°+ylx0.822Z-34.73°+J0.57Z55.270x0.544=1.771/55.27°故Eo=E；5=1.771xl0.5/V3^V=10.74/:V&=0—0=55.27°—36.87°=18.4°★★有一臺三相1500kW水輪發(fā)電機，額定電壓是6300V,Y接法，額定功率因數(shù)cos孤=°?8（滯后），己知額定運行時的參數(shù)：X〃=21?2G,X°=13?7G,電樞電阻可略去不計。試計算發(fā)電機在額定運行時的勵磁電勢。解:Z\nUnU；COS0yZ\N=21.17QX；解:Z\nUnU；COS0yZ\N=21.17QX；=1E；Hy/'X*=1+0.646/(90-36.87)°=1.481/20.43°則<p=20.43+（pN=57.3°將參考向量改為丘^,則有=1Z-20.43°=0.937-J0.349i；=-ysni^=0.842Z-90°i：=cos0=0.54則e；=it十ji：x：+ji：,x：,=0.937—J0.349+0.842+J0.54x0.646=1.78=E；壻=1.78x6300V=6474AV5.★★有一臺凸極同步發(fā)電機，其直軸和交軸同步電抗標(biāo)幺值分別等于X；=1.0,X：=0.6,電樞電阻可以忽略不計。試計算發(fā)電機的額定電壓，額定容量,cos^=0.8（滯后）時發(fā)電機勵磁電動勢E；。解：（方法一）令=1.0/0=cos-10.8=36.87°.?.f=1.0Z-36.87°計算電動勢Eq=E+jfx*=l.ozo+Jl.OZ-36.87x0.6=1.36+）0.48=1.44249.44“廠與E：的夾角0=19.44°+36.87=56.31°直軸電樞電流C=rsin=1xsin56.31:=0.832勵磁電動勢E：=E：+/；（X；-X；）=1.442+0.832（1-0.6）=1.775/亠、|一、/%+（/*sin0.6+0.6,_弋“。（方法二）屮=arctan—=aictaii=arctan1.3=36.3]Ucos/0.8直軸電樞電流/；=/*sin^=lxsiii56.315勵磁電動勢E：=U*cos（0—0）+1；X；=1.0xcos（56.31°一36.87°）+0.832x1=0.943+0.832=1.7756.★有一臺PN=25000kW,UN=lO.SkV9Y接法，Cos（p2=0.8（滯后）的汽論發(fā)電機，其同步電抗標(biāo)么值為￡=2.13,7；；=0。試求額定負(fù)載卞發(fā)電機的勵磁電勢E。，

氏與U的夾角以及心與/的夾角。解：以〃作參考向量，U；=l,0=crCo$O.8=36.87°廣=1Z_36.87°由E：=U+ji兀得E：=w+jib；=1+丿213Z-36.87°=2.845/36.8°所以代=2.845所以代=2.845V3=17.25kv與d的夾角0=36.8°左0與/的夾角(P=e+0=36.8°+36.87°=73.67°7.★有一臺PN=72500kw,UN=10.5kV,Y接，Cos(pN=0.8滯后的水輪發(fā)電機，參數(shù)為：x：=l，=0.554,忽略電樞電阻。試求額定負(fù)載下發(fā)電機勵磁電勢E。和￡。與〃的夾角。解：先以〃為參考，〃*=1,則r=lZ-36.87°所以￡；="+jZ\；=i+j0.554Z-36.87°=1.4O4Z18.40與U的夾角&=18.4°再以為參考向量，則0=0+0=55.27°t/*=lZ-18.4°=0.949-J0.316

=-jSin(p=-jO.S22Iq—Coscp—0.57所以E；=t/，+7/：^+JZ；x；=0.949-70.316+0.822+j0.57x0.554=1.771故Eo==1.771x=10.74kV8.★★1冃…臺汽輪發(fā)迫機數(shù)據(jù)如卜：Sw=31250KM4,UN=10.5kV（Y接法），Cos（Pn=AE（滯后），定子每相同步電抗x,=7.0Q,而定子電阻忽略不計，此發(fā)電機并聯(lián)運行于無窮人電網(wǎng)。試求：(1)當(dāng)發(fā)電機在額定狀態(tài)下運行時，功率角0N,電磁功率化”。(2)若維持上述勵磁電流不變，但輸入有功功率減半時，ON,電磁功率匕”，Coss將變?yōu)槎嗌伲?3)發(fā)電機原來在額定運行時，現(xiàn)僅將其勵磁電流加大10%,&N，化”，Cos（Pn，I將變?yōu)槎嗌?？解：?）1[一3：250000_]718K4屁n5/3x10500由于不計幾，所以Pcm=SNcos^jV^=31250x0.8=25000^???因為EQ=UN+jlNx,所以每相&“=詈+J7.0xl.718Z孤=6.062+12.026/53.13°=16.40Z35.9%V故久一35.9°；爲(wèi)一1-1.704倍S〃⑹v（2）若If不變，輸入有功減半時，心=0.5化訥=12500HV

因為PcmSinOPemNs〃仇所以O(shè)=Sinl-yct)^inO上加359°0—一=Sin1一尹-=17.05°Pe2因為Pem=mUICoscp=hteJCosW+0)所以tg(P=ctg8—tg(P=ctg8—Cfgl7.05°--j=V3xl6.4xSz7H7.O50=2.0Cos0=O?447(滯后)(3)僅將If加人10%時，pan=pemN=25000kV不考慮飽和影響時，Eo=(1+1°%)Eon=1&04(kV)因為PemE^inQ_1PemNEonSlfl0N所以e=所以e=滬竺器=32.21。Eo1.1因為10.5“福礦腳因為10.5“福礦腳2.21。-時益麗茹=0.957p=mUICoscp=mEjCos((p+0)Cos(p=0.722因為p=mUICoscp所以I=心=25000x10’=]903人mUCoscp>/3xl0.5x0.722x\o39.★★一臺Y接法水輪發(fā)電機進行轉(zhuǎn)差率試驗，數(shù)據(jù)如下：U昨=3300V，/鈿=1824,"nun=3100—/=250A,阻抗基值為13.9Q。試求:

（1）直軸同步電抗和交軸同步電抗的標(biāo)幺值；（2）額定負(fù)載且功率因數(shù)為0.8（滯后）時的勵磁電動勢和功角:解：（1）直軸同步電抗為X；--10,5-0.756"Z1V13.9交軸同步電抗為X一"叫—_^100Q-7.16Q“—73x250X：_Xg_7.16_or”qZv13.9（2）先求功角&Eq=U'+jixq=l+JlZ-36.8°x0.516=1.37/17°0=17°,0=0+&=36.8°+17°=53.8°直軸電流I；=Vsin#=lxsin53.8°=0.807交軸電流I