同步电机习题.pdf

第五章同步电机第五章同步电机 5-1 什么是同步电机？极数是怎样决定它的转速的？75r/min、50Hz 的电机有几极？ 5-1 什么是同步电机？极数是怎样决定它的转速的？75r/min、50Hz 的电机有几极？ 答： 同步电机是一种交流电机。其特点是转子的旋转速度必须与旋转磁场旋转速 度(即同步转速）严格同步。在频率一定时，其转速为一系列固定值。同步电机 的转速与电流频率成 f 正比，与极对数 p 成反比，满足关系 p f60 nn 1 。当 75r/min、50Hz 时，40 75 5060 n f60 p 。因此该电机有 2p=80 极。 5-2 汽轮发电机和水轮发电机的主要特点是什么？为什么具有这样 的特点？ 5-2 汽轮发电机和水轮发电机的主要特点是什么？为什么具有这样 的特点？ 答： 汽轮发电机的主要特点是：转速较高，一般都是一对极，转速为 min/ r3000 1 5060 p f60 nn 1 。原因是：考虑到转子受离心力的作用并为了 很好地固定励磁绕组，将转子做成细而长的圆柱形，且为隐极式结构。转子铁心 一般由高机械强度和磁导率较高的合金钢锻成且与转轴做成一个整体。 转子铁心 上开槽，槽中嵌放同心式的励磁绕组。 水轮发电机的主要特点是：转速较低，极对数较多，为凸极同步发电机。 电机直径很大，呈扁平形。有立式和卧式两种类型。为了使转子结构和加工工艺 简单， 转子一般做成凸极结构。 励磁绕组是集中绕组， 套在薄钢板叠成的磁极上。 磁极的极靴上一般装有阻尼绕组。 5-4 悬式和伞式发电机各有何优缺点？5-4 悬式和伞式发电机各有何优缺点？ 答：悬式发电机 优点：转子重心在推力轴承下方，机组运行稳定性好，并且推力轴承在发电 机层，安装维护方便，轴承损耗小，适用于高水头电站。 缺点：要求上机架和机座强度要高，使机组长度增加和厂房高度增加。 伞式发电机 优点：充分利用水轮机和发电机之间的空间，结构紧凑，降低厂房高度，节 省电站投资适用于低转速，大容量的低水头电站。 缺点： 转子重心在推力轴承上方， 机组稳定性差， 推力轴承直径大， 损耗大。 5-7 一台转枢三相同步发电机，以转速逆时针旋转，主磁极对电枢是 什么性质的磁场？对称负载运行时， 电枢反应对电枢的转速和转向如 何？对定子上主磁极的相对转速又是多少？主极绕组感应出电势 吗？ 5-7 一台转枢三相同步发电机，以转速逆时针旋转，主磁极对电枢是 什么性质的磁场？对称负载运行时， 电枢反应对电枢的转速和转向如 何？对定子上主磁极的相对转速又是多少？主极绕组感应出电势 吗？ 答：转枢三相同步发电机是指主磁极在定子，电枢在转子的同步电机。此时转枢 式三相同步发电机，电枢以转速 n 逆时针方向旋转，假定电枢（转子）不动，则 主磁场对电枢来说是旋转磁场，转速为 n，旋转方向为与电枢（转子）的旋转方 向相反，即顺时针。 负载时， 电枢绕组会有三相对称的电枢电流产生， 电枢电流对应的电枢反应磁 场的转向与转速决定于感生它的磁场，即定子上的主磁场。因为主磁场相对于电 枢是顺时针旋转，所以电枢反应磁动势的也是相对于电枢顺时针旋转的，其转速 也是 n。 对定子上静止的主磁极转速， 即电枢反应磁动势的绝对转速等于电枢反应磁动 势相对于电枢的转速（转速为 n，顺时针）加上电枢转速（即电枢相对于定子的 转速，大小为 n，方向为逆时针），相对转速和电枢转速大小相等、方向相反， 因此电枢磁动势相对于主磁动势的相对转速为 0，即相对静止。 因为电枢反应磁动势相对主极绕组是静止的，因此不能产生感应电动势。 5-8 同步发电机的电枢反应主要取决于什么？在下列情况下电枢反 应是助磁还是去磁？（1）三相对称电阻负载。（2）纯电容性负载； (3)纯电感性负载。 5-8 同步发电机的电枢反应主要取决于什么？在下列情况下电枢反 应是助磁还是去磁？（1）三相对称电阻负载。（2）纯电容性负载； (3)纯电感性负载。 答： 同步发电机的电枢反应主要取决于电枢电流 I和励磁电势 0 E 的相位差即内功 率因数角度。 （1）三相对称电阻负载，内功率因数角 0，电枢反应为交轴电枢反应。 （2）纯电容性负载时，内功率因数角 90，电枢反应为直轴增磁反应。 (3)纯电感性负载时，内功率因数角 90，电枢反应为直轴去磁反应。 5-10 试述交轴和直轴同步电抗的意义。为什么同步电抗的数值一般 较大，不可能做得很小？请分析下面几种对同步电抗有何影响。 （1） 电枢绕组匝数增加；（2）铁心饱和程度提高；（3）气隙增大；（4） 励磁绕组匝数增加。 5-10 试述交轴和直轴同步电抗的意义。为什么同步电抗的数值一般 较大，不可能做得很小？请分析下面几种对同步电抗有何影响。 （1） 电枢绕组匝数增加；（2）铁心饱和程度提高；（3）气隙增大；（4） 励磁绕组匝数增加。 答： 直轴(或交轴)同步电抗表征了单位三相直轴(或交轴)电流联合产生的总磁 场(包括在气隙中的旋转电枢反应磁场和漏磁场)在每相电枢绕组中感应的电动 势。 同步发电机的气隙磁场由转子电流和定子电流共同建立，从运行稳定性考 虑，同步电抗的表达式为）（ 铁心 铁心 气隙 气隙 定 ll x 2 t 2 tt AA NNL ，气隙越大， 同步电抗越小，运行稳定性越高；但气隙大了会使转子用铜量增大，制造成本增 加，选择气隙大小时要综合考虑。因此同步电抗的数值一般都比较大，不可能做 得很小。 由式子 l x 2 t 2 tt A NNL 定 可知： （1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增加（2）铁心饱和程度提高，铁心磁导率下 降，同步电抗减小（3）气隙增大，同步电抗减小（4）励磁绕组匝数增加。同步 电抗不变。 5-22有一5-22有一WPNk72500，VUNk 5 . 10，（滞后）8 . 0cos N 汽轮发电机，汽轮发电机， 13. 2X* t 电枢电阻可略去不计，试计算额定负载下发电机的励磁电势电枢电阻可略去不计，试计算额定负载下发电机的励磁电势 0 E和和0 E与与 I的夹角的夹角。 解：发电机额定运行时，以额定相电压和相电流为基准值。其额定相电压的标幺 值0 . 1 * U，额定相电流的标幺值0 . 1 * I，由 隐极同步发电机的相量图可如下计算： 励磁电势）（ t 0jXRIUE ， 由于忽略电枢 电阻。则有） t 0jXIUE ， 6 . 0sin N ，（滞后）8 . 0cos N ， 87.36 N ， 13. 2X* t 由相量图计算如下： 845 . 2 6 . 013 . 2 118 . 013 . 2 1 sincos 22 2 N * t *2* t * * 0 ）（）（ ）（）（ XIUXIE N 0 E与 U的夹角 80.36 6 . 013 . 2 11 8 . 013 . 2 1 arctan sin cos arctan N * t * * t * XIU XI N 因此0E的有名值为V U EUEE N k25.17 3 5 . 10 845. 2 3 * 0 * 0 0 0 E与 I的夹角 67.7380.3687.36 N 5-23有一5-23有一WPNk72500，VUNk 5 . 10，（滞后）8 . 0cos N 水轮发电机，水轮发电机， 0R* a ，1X* d ，554 . 0 X* q 。电枢电阻可略去不计，试计算额定负载下 发电机的励磁电势 。电枢电阻可略去不计，试计算额定负载下 发电机的励磁电势0 E和和0 E与与 U的夹角。的夹角。 解：发电机额定运行时，以额定相电压和相电流为基准值。其额定相电压的标幺 值0 . 1 * U，额定相电流的标幺值0 . 1 * I，由凸极同步发电机的相量图可如下计 算： 励 磁 电 势 q q d d0I jI jXXRIUE ， 由 于 忽 略 电 枢 电 阻 。 则 有 q q d d0I jI jXXUE ，引入一个相量 QE 并使得 dqd 0( j IXXEEQ）。 并有 IjXUEQ q 。 由题可知：6 . 0sin N ， （滞后）8 . 0cos N ， 87.36 N ，0R* a , ,1X* d ， 554 . 0 X* q 。 由相量图计算如下： 404 . 1 6 . 0554. 0118 . 0554 . 0 1 sincos 22 2 N * q *2* q * * ）（）（ ）（）（ XIUXIE N Q 0 E与 U的夹角 40.18 6 . 0554 . 0 11 8 . 0554. 01 arctan sin cos arctan N * q * * q * XIU XI N 0 E与 I的夹角 27.5580.3640.18 N 822 . 0 27.55sin1sin * d II 771. 1822 . 0 )554. 01 (404 . 1 ( d * * q * d * * 0IXXEE Q ） 因此0E的有名值为V U EUEE N k74.10 3 5 . 10 771 . 1 3 * 0 * 0 0 5-24 有一台 1500kW 三相水轮发电机，额定电压为 6300kV，额定功 率因数 5-24 有一台 1500kW 三相水轮发电机，额定电压为 6300kV，额定功 率因数（滞后）8 . 0cos N ， 2 . 21Xd， 7 . 13Xq，电枢电阻可略去不 计，试绘出矢量图并计算发电机额定运行状态时的励磁电势。 解： ，电枢电阻可略去不 计，试绘出矢量图并计算发电机额定运行状态时的励磁电势。 解：发电机额定运行时，以额定相电压和相电流为基准值.先求阻抗基准值。 由于 先求阻抗基准值。 由于 NN cos3P NNU I,则 168.21 5 . 1 8 . 03 . 6 P cos 3 2 N N 2 N N N B B B U I U I U I U Z 直轴同步电抗的标幺值 002 . 1 168.21 2 . 21 X d * d B Z X ; ; 交交轴同步电抗的标幺值 647 . 0 168.21 7 . 13 X q* q B Z X 额定相电压的标幺值0 . 1 * U，额定相电流的标幺值0 . 1 * I，由凸极同步发电机 的相量图可如下计算： 励 磁 电 势 q q d d0I jI jXXRIUE ， 由 于 忽 略 电 枢 电 阻 。 则 有 q q d d0I jI jXXUE ，引入一个相量QE 并使得 dqd 0( j IXXEEQ）。 故有 IjXUEQ q 由题可知：6 . 0sin N ，（滞后）8 . 0cos N ， 87.36 N ，002 . 1 X* d ，647 . 0 X* q 。 由相量图计算如下： 482 . 1 6 . 0647. 0118 . 0647 . 0 1 sincos 22 2 N * q *2* q * * ）（）（ ）（）（ XIUXIE N Q 0 E与 U的夹角 45.20 6 . 0647 . 0 11 8 . 0647 . 0 1 arctan sin cos arctan N * q * * q * XIU XI N 0 E与 I的夹角 25.5780.3645.20 N 841 . 0 25.57sin1sin * d II 779. 1841 . 0 )647. 01 (482 . 1 ( d * * q * d * * 0IXXEE Q ） 因此0E的有名值为V U EUEE N k47. 6 3 3 . 6 779 . 1 3 * 0 * 0 0 5-25 为什么在正常运行时5-25 为什么在正常运行时 d X应采用饱和值，而在短路时应采用饱和值，而在短路时 d X却采用不 饱和值？为什么 却采用不 饱和值？为什么 q X一般总是只采用不饱和值？一般总是只采用不饱和值？ 答：正常运行时，d 轴磁路是饱和的，因此采用饱和值。短路时， 0 E与 I的夹角 90，电枢电流为纯直轴电流，电枢反应为直轴去磁反应，合 成磁势很小，它作用在空载特性直线部分产生很小的气隙电势0 E，使得磁路不 饱和，因此在短路时却采用不饱和值。 q X一般采用经验公式 dq 65 . 0 XX ，其中 d X为不饱和值。 5-28 试述三相同步发电机投入并联的条件。为什么要满足这些条 件？怎样来检验它们是否满足？ 5-28 试述三相同步发电机投入并联的条件。为什么要满足这些条 件？怎样来检验它们是否满足？ 答：三相同步发电机并网运行的条件及原因。 （1）发电机的频率与电网的频率要相同。 原因：如果频率不相同，发 E与 网 U之间有相对运动，将产生一直变化的环流， 引起电机内的功率振荡。 （2）发电机与电网的电压波形要相同 原因： 如果波形不同， 则将在电机和电网内产生一高次谐波环流， 增加运行损耗， 温度升高。 （3）发电机与电网电压大小、相位要相同。即发 E= 网 U 原因：如果两种电压在大小和相位上不一致，即使频率和波形一样，在发电机和 电网间仍产生一个环流。 （4）发电机与电网的相序要相同。 原因：发电机与电网的相序不同，相当于在发电机端点加入一组负序电压，电流 和转矩冲击很大，导致严重故障。 怎样来检