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 電樞反應才能實現(xiàn)機電能量轉換。答 交軸2. 同步發(fā)電機并網的條件是：（1） ；（2） ；（3） 。答 發(fā)電機相序和電網相序要一致，發(fā)電機頻率和電網頻率要相同，發(fā)電機電壓和電網電壓大小要相等、相位要一致3. 同步發(fā)電機在過勵時從電網吸收 ，產生 電樞反應；同步電動機在過勵時向電網輸出 ，產生 電樞反應。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)電機電磁轉矩為 。答 二、選擇1. 同步發(fā)電機的額定功率指（ ）。 A 轉軸上輸入的機械功率； B 轉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，若所帶負載為感性cosj=0.8，則其電樞反應的性質為（ ）。 A 交軸電樞反應； B 直軸去磁電樞反應；C 直軸去磁與交軸電樞反應； D 直軸增磁與交軸電樞反應。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 短路電流產生去磁作用較強；C 電樞反應

3、產生增磁作用； D 同步電抗較大。答 B4. 對稱負載運行時，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 補償電網電力不足； B 改善電網功率因數(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)電機電樞反應的性質取決于負載的性質。 （ ）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電抗大于交軸電樞反應電抗。（ ）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

5、勵磁電勢與電樞電流同相時，其電樞反應的性質為直軸電樞反應 。 （ ）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，如果轉速降至0.95n1，對試驗結果有什么影響？答 因空載電勢E0和轉速成正比，如果轉速降為0.95n1，則E0也降低到額定轉速下的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式而不用電樞旋轉式？答 由于勵磁繞組電流相對較小，電壓低，放在轉子上引出較方便。電樞繞組電壓高、容量大，放在轉子上使結構復雜、引出不方便。故大容量電機將電樞繞組作為定子，磁極作為轉子，為旋轉磁極式。3. 為什么同步

6、電機的氣隙要比容量相同的感應電機的大？答 感應電機的勵磁電流由電源供給，需要從電網吸取感性無功功率，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)電機電樞反應性質由什么決定? 答 電樞磁動勢的基波與勵磁磁動勢同轉速、同轉向，在空間上始終保持相對靜止的關系，但電樞反應的性質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，角y由決定于負載的性質。當與同相時，y=00，電樞反應為交軸電樞反應，交軸電樞反應使氣隙合成磁場幅值增加，而其軸線從主極軸線逆轉子轉向后移一個銳角。當滯后900時，電樞反應為直軸電樞反應，其性質完全是去磁的。當超前900時，也為直軸電樞反應，其性質完全是助磁的。一般情況下，00<y<900，此時的電樞反應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電抗和交軸電樞反應電抗，它們分別反映出上述直軸和記者電樞反應磁通的強弱。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)負載特性可測定的飽和值；利用轉差法可測定Xd和的不飽和值。 6. 凸極同步電機中，為什么直軸電樞反應電抗Xad大于交軸電樞反應電抗Xaq？答 在凸極電機中沿電樞圓周的氣隙是很不均勻的，分析其電樞反應時，要用雙反應理論，即 把 電樞反應磁動勢

9、分解成垂直和平行于電勢的兩個分量和，它們分別產生直軸電樞反應磁通和交軸電樞反應磁通，相應的電流也分解成兩個分量。因此 或 ， 或 ，由于直軸磁路的磁導比交軸磁路的磁導要大得多，同樣大小的電流產生的磁通和相應的電勢也大德多，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去磁作用的直軸磁動勢，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)電機的電樞電阻遠小于同步電抗，短路電流可認為是純感性的，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去磁作用的直軸磁動勢，使氣隙合成磁動勢很小，對應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 當電網電壓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小于同步電抗，從空間上看，功率角d可近似認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Ik=IN時的勵磁電流Ifk和額定負載時的勵磁電流IfN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一般總是采用不飽和值？ 答 短路時由于電樞反應的去磁作用使氣隙磁通很小，電機磁路處于不飽和狀態(tài)，此時對應的是Xd的不飽和值。額定負載運行時，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，氣隙磁場是由轉子繞組中的直流電流激勵的。負載后，定子三相電流產生

13、旋轉磁動勢，其基波以同步速度旋轉，與轉子相對靜止。氣隙磁場是由轉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生的。13. 試述三相同步發(fā)電機準同期并列的條件？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與電網電壓Us大小相等；（2）待并發(fā)電機的電壓相位與電網電壓相位相同；（3）待并發(fā)電機的頻率fg與電網頻率fs相等；(4)待并發(fā)電機電壓相序與電網電壓相序一致；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生有害的滯后（或超前）發(fā)電機電壓900（即無功性質）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)電機的轉軸上產生沖擊機械扭轉矩，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)電機在并列時會產生拍振電流，在轉軸上產生時正、時負的轉矩，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. 與無限大電網并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，如何調節(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、功率或轉矩，以改變功率角的大小。pem0P1amP1aP2P2見圖示：在0am區(qū)域內，改變P1或T1，即可改變功率角的大小，調節(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）當增大原動機轉矩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，在相應于功率差額P的剩余轉矩作用下，轉子加速，使功角由增至，這時輸出功率P2也相應增大，直至與輸入功率達到新的平衡（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，電磁轉矩越小，運行點離b點越來越遠，最后發(fā)電機失步。同理，當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，電磁轉矩越小，電機能重新回到a運行點、同理，當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）直接接到電網或通過升壓變壓器、長輸電線接到電網。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）直接接到電網時穩(wěn)定性好，直接接到電網時電抗小，功率極限大，所以穩(wěn)定性好。16. 與無限大容量電網并聯(lián)運行的同步發(fā)電機如何調節(jié)無功功率？試用相量圖分析說明？aa答：調節(jié)勵磁電流即可調節(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，當增加勵磁電流時空載電動勢E0增大，由于調節(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，達至點E0，此時表示無功功率的線段部分變?yōu)閍U段，說明調節(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，測出相應的定子電流I，得到的關系曲線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)對應勵磁電流為If；過勵磁：cos

19、j滯后狀態(tài)對應勵磁電流If>If；欠勵磁：cosj超前狀態(tài)。對應勵磁電流If<If。由于電網功率因數(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. 與無窮大電網并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，當調節(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并聯(lián)運行的同步發(fā)電機，當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載時的電樞電流值，并說明其電樞反應的性質：(1) 每相是純電阻；(2) 每相是純電感；(3) 每相是電阻電容性負載。解 阻抗基值 同步電抗 （1） 純電阻負載時電樞電流 電流滯后于的角度為y=450,故電樞反應是直軸去磁兼交磁作用。（2） 純電感負載時電樞電流 此時為 y=900,故電樞反應是直軸去磁作用。（3） 阻容性負載且X=Xs時，電樞電流 此時為y=00,故電樞反應是交磁作用。2. 有一臺PN=25000kW，UN=10.5kV，Y接法，cosjN=0.8（滯