同步電機課后習題（課堂PPT）

1、.1陳知前2013年12月.26-1：汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機結構上有和區(qū)別？原因何在？答：汽輪發(fā)電機和水輪發(fā)電機在結構上區(qū)別在于轉子結構不同，汽輪發(fā)電機采用隱極式轉子結構，水輪發(fā)電機采用凸極式轉子結構。另外，汽輪發(fā)電機一般采用臥式結構，水輪發(fā)電機常采用立式結構?，F代汽輪發(fā)電機一般都是兩級的，同步轉速為3000r/min。由于轉速高，轉子受到極大的機械應力，為提高轉子的機械強度，將轉子做成隱極式的，即轉子鐵心采用整塊高強度合金鍛成，沿轉子表面約2/3部分銑有軸向凹槽，勵磁繞組分散地嵌放在槽中，因此勵磁繞組的固定極為可靠，嵌線部分和未開槽的“大齒”構成主磁極。這種隱極式的轉子結構機械強度高，適合高

2、速運行的汽輪發(fā)電機。另外，由于轉速高，汽輪發(fā)電機的直徑較小，長度較長，所以一般為臥式結構。.3水輪發(fā)電機的轉速低，轉子離心力較小，轉子承受的機械應力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式轉子結構較為合理。另外，由于大型水輪發(fā)電機極數多，轉速低，要求轉動慣量大，故特點是直徑大，長度短，大型水輪發(fā)電機通常采用立式結構。.46-2：同步電機有幾種運行狀態(tài)？答：同步電機有三種運行狀態(tài)：發(fā)電機狀態(tài)、補償機狀態(tài)和電動機狀態(tài)。當轉子主磁極超前于定子合成磁場，即功角 時，轉子由于要克服制動性質的電磁轉矩而輸入機械功率，定子繞組向電網或負載輸出電功率，電機作發(fā)電機運行。當轉子主磁極與定子合成磁場的軸向重

3、合，即功角 時，電機的電磁轉矩為零，此時電機內沒有有功功率的轉換，電機只發(fā)出或吸收無功功率，電機處于補償機狀態(tài)或空載狀態(tài)。當轉子主磁極滯后于定子合成磁場，即功角 時，轉子上將受到一個與其轉向相同的驅動性質的電磁轉矩。此時定子從電網中吸收電功率，轉子可以拖動機械負載而輸出機械功率，電機作為電動機運行。000.56-3：試述同步電機的主要勵磁方式？答：同步電機的主要勵磁方式有以下兩種：1、直流勵磁機勵磁。直流勵磁機通常與同步電機同軸聯結，其勵磁繞組采用并勵或他勵接法。當采用他勵時，勵磁機的勵磁由副勵磁機供給。為使同步發(fā)電機的輸出電壓保持恒定，常在勵磁電路中加入一個反映負載大小的自動調節(jié)系統，即復式

4、勵磁系統。2、整流器勵磁。整流器勵磁又分為靜止式和旋轉式兩種。靜止整流器勵磁系統中的主勵磁機是一臺與同步發(fā)電機同軸聯接的三相交流發(fā)電機，其交流輸出經靜止三相橋式不可控整流器整流后，通過集電環(huán)接到主發(fā)電機的勵磁繞組，供給其直流勵磁；主勵磁機的勵磁由交流副勵磁機發(fā)出的交流電經靜止可控整流器整流后供給，副勵磁機是一臺中頻三相同步發(fā)電機，.6也與主發(fā)電機同軸聯結，主發(fā)電機的勵磁通過電壓調節(jié)器調節(jié)。旋轉式整流器勵磁系統的主勵磁機是與主發(fā)電機同軸聯結的旋轉式三相同步發(fā)電機，電樞的交流輸出經與主軸一起旋轉的不可控整流器整流后，形成直流勵磁電流送到主發(fā)電機的轉子勵磁繞組；因為主勵磁機的電樞、整流裝置和主發(fā)電機

5、的勵磁繞組三者為同軸旋轉，不在需要集電環(huán)和電刷，所以這種系統又稱為無刷勵磁系統。.76-4：同步發(fā)電機電樞反應的性質取決于什么？交軸和直軸電樞反應對同步發(fā)電機的運行有何影響？ 答：同步發(fā)電機電樞反應的性質取決于電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置，即激磁電動勢和負載電流之間的相角差(內功率因數角 )。交軸電樞反應產生交軸電樞磁動勢，與產生電磁轉矩及能量轉換直接相關；直軸電樞反應產生直軸電樞磁動勢，起到增磁或者去磁的作用，與電機的無功功率和功率因數的超前或滯后相關。當 時，既存在交軸電樞反應，也存在直軸電樞反應(去磁作用)；當 時，既存在交軸電樞反應，也存在直軸電樞反應(助磁作用)；當 時，只有交

6、軸電樞反應；當 時，只存在直軸電樞反應(去磁作用)；當 時，只存在直軸電樞反應(助磁作用)。00090090000090090 .86-5：試說明隱極同步發(fā)電機帶上純電阻負載時，電樞反應的性質？答：當發(fā)電機的負載為純電阻負載時，電樞電流I與電壓U同相位，由于U滯后于 一個角度( )，故I也將滯后于 一個角，即內功率因數角 等于，故有 ，所以此時電樞反應的性質為既存在交軸電樞反應，也存在直軸電樞反應，且直軸電樞反應為去磁作用。分析：隱極同步發(fā)電機相量圖0E0E0E =UIRasjIX00900.96-7：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？ 和 通常在什么范圍內？dXqX*

7、dX*qX答：直軸同步電抗：X d = Xad + X 交軸同步電抗： X q = Xaq + X Xad和Xaq分別稱為直軸電樞反應電抗和交軸電樞反應電抗，它們分別表征了直軸電樞反應和交軸電樞反應的強弱。 X是電樞漏電抗，反應了電樞漏磁場的大小。 Xd和Xq分別表示當直軸電樞電流和交軸電樞電流為1A時，直軸或交軸電樞總磁場在電樞繞組中感應的相電動勢，它們表征對稱穩(wěn)態(tài)運行時電樞漏磁場和直軸、交軸電樞反應的綜合參數。.10由 fN2知：Xd 正比于頻率f，電樞相繞組的串聯匝數的平方N2以及直軸氣隙磁導d ；Xq 正比于頻率f，電樞相繞組的串聯匝數的平方N2以及直軸氣隙磁導q。注：因為d軸氣隙小于

8、q軸氣隙，所以：dq從而：Xd Xad Xq Xaq X 與 的范圍隨著各個時期的設計制造水平的差異有所不同。汽輪同步發(fā)電機Xd*=0.92.5, Xq*=0.9 Xd*凸極同步發(fā)電機Xd*=0.71.5, Xq*=0.41.0凸極同步電動機Xd*=1.32.0, Xq*=0.81.3*dX*qX.116-8：有一臺70000kVA、60000kW、13.8kV（星形聯結）的三相水輪發(fā)電機，交、直軸同步電抗的標幺值分別為Xq*=0.7，Xd*=1，試求額定負載時發(fā)電機的激磁電動勢E0*(不計磁飽和與定子電阻)。解：額定負載時 U=UN，I=IN，P2=PN。故U*=1，I*=1 負載功率因數內

9、功率因數角功率角 以勵磁電動勢 為參考相量，則有：01 sin311 0.7arctan54.79sinarctancos81 cos31qaUI XUI R0=54.83123.8 0E1()U 01 ()I 60000cos0.85714 3170000NNNNPS.12電流直軸分量：電流交軸分量：不計磁飽和與定子電阻，凸極同步發(fā)電機的電壓方程為*0jsinsin54.8dIIj *0coscos54.8qII01.732ddqqEUj I Xj I X0E0UqqXIjddXIjdIqI軸d.136-9：有一臺汽輪發(fā)電機的數據如下：額定容量SN=15000kVA，額定電壓UN=6.3kV

10、(Y聯結)，額定功率因數cosN=0.8(滯后)。由空載、短路試驗得到數據如下表：試求：(1)同步電抗的實際值和標幺值；(2)不計飽和與電樞電阻，額定負載時發(fā)電機的勵磁電動勢E0.解：（1）額定電流 電抗基值為勵磁電流If/A102158電樞電流I(從短路特性上查得)/A8871375線電壓UL(從空載特性上查得)/V63007350線電壓UL(從氣隙線上查得)/V800012390A64.1374A103 . 631015000333NNNUSI646. 264.137436300NNbIUZ.14先算同步電抗的不飽和值。在勵磁電流為102A時，從氣隙線查得勵磁電動勢為E0= V=4618.

11、8V，從短路特性查得同一勵磁電流下對應短路電流為887A ，故同步電抗不飽和值為：再算同步電抗的飽和值。由空載特性知額定電壓對應的勵磁電流為102A，再由短路特性知對應的該勵磁電流的短路電流為887A，因此同步電抗飽和值為： （2）額定負載時，以電樞電流相量為參考相量，額定運行且不考慮飽和與定子電阻時，有0800035.207887sEXI 968. 1646. 2207. 5bssZXX8000/3101. 488736300)(IUXNs飽和55. 1646. 2101. 4)()(bssZXX飽和飽和01arccos0.81 01.9682.6897 70.955sEUjI Xj 002

12、.6897 630039783.5VNEEU.156-13：試述同步發(fā)電機投入電網并聯的條件和方法？答：投入并聯的同步發(fā)電機應當滿足下列條件：(1)發(fā)電機的相序應與電網一致；(2)發(fā)電機的頻率應與電網相同；(3)發(fā)電機的激磁電動勢應與電網電壓大小相等、相位相同、波形相同。上述條件中第一條必須滿足，其余兩條允許稍有出入。同步發(fā)電機投入并聯運行的方法有兩種：(1)準確整步法：把發(fā)電機調整到完全滿足投入并聯運行的條件，然后投入電網，稱為準確整步法。(2)自整步法：確保發(fā)電機與電網相序相同，然后按照規(guī)定的轉向把發(fā)電機拖動到接近同步轉速，勵磁繞組經限流電阻短路；然后把發(fā)電機投入電網，再立即加上直流勵磁，

13、此時依靠定、轉子磁場間所形成的電磁轉矩，把轉子自動牽入同步。.166-16：有一臺Xd *=0.8，Xq*=0.5的凸極同步發(fā)電機與電網并聯運行，已知發(fā)電機的U=1，I=1， cos=0.8（滯后）電樞電阻略去不計，試求發(fā)電機的： E0，N (2)Pe (max) (E0保持為上面的值)解：(1)額定功率因數角：內功率因數角：功率角：arccos0.836.8701 0.6 1 0.5arctan53.971 0sinarctancos.8qaUI XUI R 1 .1787.3697.53000cossin1cos17.11sin 53.970.81.603cosdddUIEXUI X.17

14、(2):201.611sin03 1111sinsin20.820.50.82.00375sin0.375sin2sin22eedqdE UUPXXXP先寫出的表達式，由功角特性：cos1.64(cos0.30475 解 得 ：不 合 理 ， 舍 去 ） （ 發(fā) 電 機 ）257.72磁轉矩時的功率角為：所以對應的出現最大電max2.00375sin0.375sin22.00375sin72.2570.375sin 2 72.2572.126eP可得最大電磁轉矩：0edPd令：.186-18：一臺31250kVA（星形聯結）、cosN=0.8（滯后）的汽輪發(fā)電機與無窮大電網并聯運行、已知發(fā)電機

15、的同步電抗Xs=7.53，額定負載時的激磁電動勢E0=17.2kV（相），不計飽和與電樞電阻，試求： 發(fā)電機在額定負載時，端電壓U、電磁功率Pe、功率角N、輸出的無功功率Q2及過載能力各為多少？ 維持額定勵磁不變，減少汽輪機的輸出，使發(fā)電機輸出的有功功率減少一半，問此時的Pe、cos、Q2將變成多少？.19解：(1)額定負載時不考慮電樞電阻，發(fā)電機的電磁功率約等于輸出功率輸出的無功功率為根據相量圖列方程arccos0.836.87Ncos31250kVA0.825000kWemNNNNPPS2sin31250kVA0.618750kVarNNQS2203(cos)(sin)NNNSUISEUU

16、IXV4 .12816A76.812V1 .6120A04.1702UIUI或代入數據解得：0EUsXIjI0.2001122:sin:250000.00753sin0.5961 , 36.6 36.120117.2250000.00753sin0.2847,:16.53 12.816417.2eNsNNNNP XmUEkWkkVkVkWkkVkV根據解出第一組解對應的所以解出：第二組解對應的所以解出對于汽輪發(fā)電機N 約30至40故取N =36.6此時1702.04A6120.1VIU.21.22(2)225000212500 kWeeNPP 由于不考慮定子電阻，可以認為輸出功率減小一半時，電

17、磁功率也減小一半，所以有：00sinsin0.5sinesNEPEmUX 維持勵磁電流為額定勵磁電流不變，所以激磁電動由于發(fā)電機接無窮大電網，所以端電壓勢不不變變；又因為所以由功角特性：可得：1arcsin 0.5 sin36.617.344 0EUsXIjI022220016.117.22 6.1 17.2 cos17.34411.522c18ossI XUEUE 由相量圖應用余弦定理可得：.231125000.446436.11.53c01osekWkkAPIVmU功率因數為：11.5218 / 0.007531.5301( A)ssII XXk電樞電流為：(kVar)2.25056446

18、4.014464.012500cos1cossincos22221kWPPQem無功功率為：.24110250007.53sin0.7913 52.313 6.1 13000emNsPXmUE因為電機與無窮大電網并聯運行，所以端電壓不變，由題意知：1388(A)A)(388. 100753. 031.52cos131 . 62131 . 622kXIXIss電樞電流為：25000cos0.98436.11.388emPkWmUIkVkA功率因數為：22125000 Wsin1 cos1 0.9844526(kVar)coscos0.984NemPPkQ無功功率為：.25ffXfEs,0不變時下降當load5%, Tf000.95,0.95,0