第四篇同步電機自動控制元件

1、第六章 同步電機一、填空1. 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2. 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3. 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)輸出 ，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4. 同步電機的功角d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，勵磁電勢，電壓5. 凸極同步電機轉(zhuǎn)子勵磁匝數(shù)增加使Xq和Xd將 。答 增加6. 凸極同

2、步電機氣隙增加使Xq和Xd將 。7. 答 減小8. 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 二、選擇1. 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 電樞端口輸入的電功率； D 電樞端口輸出的電功率。答 D2. 同步發(fā)電機穩(wěn)態(tài)運行時，若所帶負(fù)載為感性cosj=0.8，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 C3. 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)

3、產(chǎn)生增磁作用； D 同步電抗較大。答 B4. 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（ ）。 A ； B ；C ； D 。答 D5. 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三、判斷1. 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2. 同步發(fā)電機的功率因數(shù)總是滯后的 。 （ ）答 錯3. 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，必須增加原動機的輸入功率，因此原動機輸入功率越大越好 。 （ ）答 錯4. 改變同步發(fā)電機的勵磁電流，只能調(diào)節(jié)

4、無功功率。（ ）答 錯5. 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6. 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7. 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8. 同步發(fā)電機的穩(wěn)態(tài)短路電流很大。 （ ）答 錯9. 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10. 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11. 與直流電機相同，在同步電機中，E>U還是E<U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12. 在同步發(fā)電機中，當(dāng)

5、勵磁電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，如果轉(zhuǎn)速降至0.95n1，對試驗結(jié)果有什么影響？答 因空載電勢E0和轉(zhuǎn)速成正比，如果轉(zhuǎn)速降為0.95n1，則E0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Ik= E0/Xd不變。2. 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、容量大，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。3. 為什么同步

6、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，如果氣隙大，則勵磁電流大，電機的功率因數(shù)低，因此在機械允許的條件下，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，短路比大，運行穩(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行性能和制造成本這兩方面的要求。4. 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勢和電樞

7、電流之間的相位差，即角度y有關(guān)，角y由決定于負(fù)載的性質(zhì)。當(dāng)與同相時，y=00，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900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900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，00<y<900，此時的電樞反應(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Fa分解為Fad和Faq，分別除以直軸磁阻和交軸磁阻，可得到Fad和Faq，它們分別在定子繞組感應(yīng)電勢

8、Ead和Eaq，寫成電抗壓降形式，即 ， 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 Xd =Xad+Xs 交軸同步電抗為 Xq =Xaq+Xs Xd和表征了當(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)載特性可測定的飽和值；利用轉(zhuǎn)差法可測定Xd和的不飽和值。 6. 凸極同步電機中，為什么直軸電樞反應(yīng)電抗Xad大于交軸電樞反應(yīng)電抗Xaq？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

9、分解成垂直和平行于電勢的兩個分量和，它們分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)磁通和交軸電樞反應(yīng)磁通，相應(yīng)的電流也分解成兩個分量。因此 或 ， 或 ，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)的電勢也大德多，所以電抗Xad>Xaq 。 7. 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，合成電勢為，即合成電勢只等于漏抗壓降。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，所以勵磁磁動勢必然正比于I，故短路特性Ik=f(If)是一條直線。8. 為什么從空載特性和短

10、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)電機的電勢方程式為三相短路時U=0，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y=900，Iq=0，I=Id，所以由空載特性測出E0和短路特性測出I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Iq=0，不能從空載和短路特性求出Xq。9. 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

11、中，這個結(jié)論還正確嗎？答 在同步電機中，勵磁電勢和電機端電壓都是電壓相量，不能根據(jù)它們的大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)。10. 什么是同步電機的功角特性？d角有什么意義？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)、勵磁電勢E0不變時，同步電機的電磁功率只決定于與的夾角d，d稱為功率角，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d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d勵磁電勢與電壓之間的夾角

12、。11. 一般同步發(fā)電機三相穩(wěn)定短路，當(dāng)Ik=IN時的勵磁電流Ifk和額定負(fù)載時的勵磁電流IfN都已達(dá)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一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，氣隙磁通較大，直軸磁路處于飽和狀態(tài)，此時對應(yīng)的是Xd的飽和值。交軸磁路的氣隙大磁阻大，磁路不飽和，故Xq一般取不飽和值。12. 同步電機的氣隙磁場，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

13、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。13. 試述三相同步發(fā)電機準(zhǔn)同期并列的條件？為什么要滿足這些條件？怎樣檢驗是否滿足？答：條件是：（1）待并發(fā)電機的電壓Ug與電網(wǎng)電壓Us大小相等；（2）待并發(fā)電機的電壓相位與電網(wǎng)電壓相位相同；（3）待并發(fā)電機的頻率fg與電網(wǎng)頻率fs相等；(4)待并發(fā)電機電壓相序與電網(wǎng)電壓相序一致；若不滿足這些條件：條件（1）不滿足，發(fā)電機在并列瞬間會產(chǎn)生有害的滯后（或超前）發(fā)電機電壓900（即無功性質(zhì)）的巨大瞬態(tài)沖擊電流，使定子繞組端部受沖擊力而變形；條件（2）不滿足發(fā)電機在并列瞬間會產(chǎn)生有

14、害的滯后（或超前）發(fā)電機電壓一相位角的巨大瞬態(tài)沖擊電流，使定子繞組端部受沖擊力而變形，同時，沖擊電流的有功分量還會在發(fā)電機的轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生沖擊機械扭轉(zhuǎn)矩，使機軸扭曲變形，大的沖擊電流還會使電樞繞組過熱；條件（3）不滿足，發(fā)電機在并列時會產(chǎn)生拍振電流，在轉(zhuǎn)軸上產(chǎn)生時正、時負(fù)的轉(zhuǎn)矩，使電機振動，同時沖擊電流會使電樞繞組端部受沖擊力而變形，還會使電樞繞組發(fā)熱；條件（4）不滿足的發(fā)電機絕對不允許并列，因為此時發(fā)電機電壓恒差1200，U恒等于，它將產(chǎn)生巨大的沖擊電流而危及發(fā)電機，也可能使發(fā)電機不能牽入同步。13. 與無限大電網(wǎng)并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，如何調(diào)節(jié)有功功率，試用功角特性分析說明？答：改變原動機的輸出

15、功率或轉(zhuǎn)矩，以改變功率角的大小。pem0P1amP1aP2P2見圖示：在0am區(qū)域內(nèi)，改變P1或T1，即可改變功率角的大小，調(diào)節(jié)有功功率P2、（1） （1）原工作于a點，此時P1=P2Pem（忽略p），功角為；（2）當(dāng)增大原動機轉(zhuǎn)矩T1，即增大輸入功率至P1，由于輸出功率瞬時未變，出現(xiàn)功率差額P=P1-P1，在相應(yīng)于功率差額P的剩余轉(zhuǎn)矩作用下，轉(zhuǎn)子加速，使功角由增至，這時輸出功率P2也相應(yīng)增大，直至與輸入功率達(dá)到新的平衡（P2=P1），于是電機就穩(wěn)定運行在新的工作點a點。14. 用功角特性說明與無限大電網(wǎng)并聯(lián)運行的同步發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定概念？pem0P1amabb答：忽略電機的各種損耗。在b點，

16、當(dāng)受到某些原因，使功角增大，則，功角繼續(xù)增大，發(fā)電機功率越小，電磁轉(zhuǎn)矩越小，運行點離b點越來越遠(yuǎn)，最后發(fā)電機失步。同理，當(dāng)某原因使功角減小時，運行點也不能回到b點。所以在b點運行時，電機不具有靜態(tài)穩(wěn)定性。在a點，當(dāng)受到某些原因，使功角增大，則，功角減小，發(fā)電機功率越小，電磁轉(zhuǎn)矩越小，電機能重新回到a運行點、同理，當(dāng)某原因使功角減小時，運行點也能回到a點。所以在a點運行時，電機具有靜態(tài)穩(wěn)定性。15. 試比較在與無限大電網(wǎng)并聯(lián)運行的同步發(fā)電機的靜態(tài)穩(wěn)定性能：并說明理由？1） 1）有較大短路比或較小短路比；2） 2）在過激狀態(tài)下運行或在欠激狀態(tài)下運行；3） 3）在輕載狀態(tài)下運行或在重載狀態(tài)下運行；4

17、） 4）直接接到電網(wǎng)或通過升壓變壓器、長輸電線接到電網(wǎng)。答：（1）有較大短路比，穩(wěn)定性好，原因由于KMKc，所以短路比大，過載能力大，靜穩(wěn)定性好。（2）過勵狀態(tài)穩(wěn)定性好，原因：過勵磁時勵磁電流大，E0大，功率極限值大，過載能力大，所以穩(wěn)定性好。（3）輕載狀態(tài)穩(wěn)定性好，電機輕載時的運行點比重載時運行點遠(yuǎn)離功率極限點（超過功率極限點為不穩(wěn)定區(qū)），所以穩(wěn)定性好。（4）直接接到電網(wǎng)時穩(wěn)定性好，直接接到電網(wǎng)時電抗小，功率極限大，所以穩(wěn)定性好。16. 與無限大容量電網(wǎng)并聯(lián)運行的同步發(fā)電機如何調(diào)節(jié)無功功率？試用相量圖分析說明？aa答：調(diào)節(jié)勵磁電流即可調(diào)節(jié)無功功率的大小。電機輸出的無功功率（以隱極機為例）為：

18、，在相量圖上可用E0cosU來表示，即aU段，當(dāng)增加勵磁電流時空載電動勢E0增大，由于調(diào)節(jié)勵磁電流時有功功率不變化，E0相量的頂點只能向上移動，達(dá)至點E0，此時表示無功功率的線段部分變?yōu)閍U段，說明調(diào)節(jié)勵磁電流即可改變無功功率的輸出。(注：圖中和式中的xt就是Xs)17. 什么是U形曲線？什么時候是正常激磁、過激磁和欠激磁？一般情況下發(fā)電機在什么狀態(tài)下運行？答：U形曲線：與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，在輸出有功功率不變的情況下，改變勵磁電流If，測出相應(yīng)的定子電流I，得到的關(guān)系曲線If(If)因形狀象字母“U”，故稱為U形曲線。正常勵磁：cosj=1的狀態(tài)對應(yīng)勵磁電流為If；過勵磁：cos

19、j滯后狀態(tài)對應(yīng)勵磁電流If>If；欠勵磁：cosj超前狀態(tài)。對應(yīng)勵磁電流If<If。由于電網(wǎng)功率因數(shù)一般為滯后狀態(tài)，并且發(fā)電機過勵狀態(tài)下運行時，靜態(tài)穩(wěn)定性好，故發(fā)電機一般處于過勵磁運行狀態(tài)。18. 與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，當(dāng)調(diào)節(jié)有功功率輸出時，如果要保持無功功率輸出不變，問此時此刻功角和激磁電流如何變化，定子電流和空載電動勢又如何變化，用同一相量圖畫出變化前、后的相量圖。答：功角增大，勵磁電流If增加，定子電流和空載電動勢增大與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，當(dāng)保持輸入功率不變時，只改變激磁電流時，功角是否變化？，輸出的有功功率和空載電動勢又如何變化？用同一相量圖畫出變化

20、前、后的相量圖答：假若增加勵磁電流If，則功角減小，輸出的有功功率不變，空載電動勢增大。<E0>E0五、計算1. 有一臺三相汽輪發(fā)電機，PN=25000kW，UN=10.5kV，Y接法，cosjN=0.8（滯后），作單機運行。由試驗測得它的同步電抗標(biāo)么值為。電樞電阻忽略不計。每相勵磁電勢為，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)：(1) 每相是純電阻；(2) 每相是純電感；(3) 每相是電阻電容性負(fù)載。解 阻抗基值 同步電抗 （1） 純電阻負(fù)載時電樞電流 電流滯后于的角度為y=450,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 此時為 y=900,故電樞反應(yīng)是直軸去磁作用。（3） 阻容性負(fù)載且X=Xs時，電樞電流 此時為y=00,故電樞反應(yīng)是交磁作用。2. 有一臺PN=25000kW，UN=10.5kV，Y接法，cosjN=0.8（滯