第四篇同步电机自动控制元件

1、第六章 同步电机一、填空1. 在同步电机中，只有存在 电枢反应才能实现机电能量转换。答 交轴2. 同步发电机并网的条件是：（1） ；（2） ；（3） 。答 发电机相序和电网相序要一致，发电机频率和电网频率要相同，发电机电压和电网电压大小要相等、相位要一致3. 同步发电机在过励时从电网吸收 ，产生 电枢反应；同步电动机在过励时向电网输出 ，产生 电枢反应。答 超前无功功率，直轴去磁，滞后无功功率，直轴增磁4. 同步电机的功角d有双重含义，一是 和 之间的夹角；二是 和 空间夹角。答 主极轴线，气隙合成磁场轴线，励磁电势，电压5. 凸极同步电机转子励磁匝数增加使Xq和Xd将 。答 增加6. 凸极同

2、步电机气隙增加使Xq和Xd将 。7. 答 减小8. 凸极同步发电机与电网并联，如将发电机励磁电流减为零，此时发电机电磁转矩为 。答 二、选择1. 同步发电机的额定功率指（ ）。 A 转轴上输入的机械功率； B 转轴上输出的机械功率；C 电枢端口输入的电功率； D 电枢端口输出的电功率。答 D2. 同步发电机稳态运行时，若所带负载为感性cosj=0.8，则其电枢反应的性质为（ ）。 A 交轴电枢反应； B 直轴去磁电枢反应；C 直轴去磁与交轴电枢反应； D 直轴增磁与交轴电枢反应。答 C3. 同步发电机稳定短路电流不很大的原因是（ ）。A 漏阻抗较大； B 短路电流产生去磁作用较强；C 电枢反应

3、产生增磁作用； D 同步电抗较大。答 B4. 对称负载运行时，凸极同步发电机阻抗大小顺序排列为（ ）。 A ； B ；C ； D 。答 D5. 同步补偿机的作用是（ ）。A 补偿电网电力不足； B 改善电网功率因数； C 作为用户的备用电源； D 作为同步发电机的励磁电源。 答 B三、判断1. 负载运行的凸极同步发电机，励磁绕组突然断线，则电磁功率为零 。 （ ）答 错2. 同步发电机的功率因数总是滞后的 。 （ ）答 错3. 一并联在无穷大电网上的同步电机，要想增加发电机的输出功率，必须增加原动机的输入功率，因此原动机输入功率越大越好 。 （ ）答 错4. 改变同步发电机的励磁电流，只能调节

4、无功功率。（ ）答 错5. 同步发电机静态过载能力与短路比成正比，因此短路比越大，静态稳定性越好。（ ）答 错6. 同步发电机电枢反应的性质取决于负载的性质。 （ ）答 错7. 同步发电机的短路特性曲线与其空载特性曲线相似。 （ ）答 错8. 同步发电机的稳态短路电流很大。 （ ）答 错9. 利用空载特性和短路特性可以测定同步发电机的直轴同步电抗和交轴同步电抗。（ ）答 错10. 凸极同步电机中直轴电枢反应电抗大于交轴电枢反应电抗。（ ）答 对11. 与直流电机相同，在同步电机中，E>U还是E<U是判断电机作为发电机还是电动机运行的依据之一。 （ ）答 错12. 在同步发电机中，当

5、励磁电势与电枢电流同相时，其电枢反应的性质为直轴电枢反应 。 （ ）答 错四、简答1. 测定同步发电机的空载特性和短路特性时，如果转速降至0.95n1，对试验结果有什么影响？答 因空载电势E0和转速成正比，如果转速降为0.95n1，则E0也降低到额定转速下的0.95倍。同步电抗与频率成正比，也降低到0.95倍，所以短路电流Ik= E0/Xd不变。2. 为什么大容量同步电机采用磁极旋转式而不用电枢旋转式？答 由于励磁绕组电流相对较小，电压低，放在转子上引出较方便。电枢绕组电压高、容量大，放在转子上使结构复杂、引出不方便。故大容量电机将电枢绕组作为定子，磁极作为转子，为旋转磁极式。3. 为什么同步

6、电机的气隙要比容量相同的感应电机的大？答 感应电机的励磁电流由电源供给，需要从电网吸取感性无功功率，如果气隙大，则励磁电流大，电机的功率因数低，因此在机械允许的条件下，气隙要尽量小一些。同步电机的气隙磁场由转子电流和定子电流共同激励，从同步电机运行稳定性考虑，气隙大，同步电抗小，短路比大，运行稳定性高。但气隙大，转子用铜量增大，制造成本增加。气隙大小的选择要综合考虑运行性能和制造成本这两方面的要求。4. 同步发电机电枢反应性质由什么决定? 答 电枢磁动势的基波与励磁磁动势同转速、同转向，在空间上始终保持相对静止的关系，但电枢反应的性质取决于这两个磁动势幅值的相对位置，而这一位置与励磁电势和电枢

7、电流之间的相位差，即角度y有关，角y由决定于负载的性质。当与同相时，y=00，电枢反应为交轴电枢反应，交轴电枢反应使气隙合成磁场幅值增加，而其轴线从主极轴线逆转子转向后移一个锐角。当滞后900时，电枢反应为直轴电枢反应，其性质完全是去磁的。当超前900时，也为直轴电枢反应，其性质完全是助磁的。一般情况下，00<y<900，此时的电枢反应兼有直轴去磁作用和交磁作用。5. 试述直轴和交轴同步电抗的意义？如何用试验方法来测定？答 在凸极同步电机中，由于气隙不均匀为了计算方便，将电枢磁动势Fa分解为Fad和Faq，分别除以直轴磁阻和交轴磁阻，可得到Fad和Faq，它们分别在定子绕组感应电势

8、Ead和Eaq，写成电抗压降形式，即 ， 和分别称为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗，它们分别反映出上述直轴和记者电枢反应磁通的强弱。直轴同步电抗为 Xd =Xad+Xs 交轴同步电抗为 Xq =Xaq+Xs Xd和表征了当对称三相直轴或交轴电流每相为1A时，三相总磁场在电枢绕组中每相感应的电势。利用空载和短路特性可测定的Xd不饱和值；利用空载和零功率因数负载特性可测定的饱和值；利用转差法可测定Xd和的不饱和值。 6. 凸极同步电机中，为什么直轴电枢反应电抗Xad大于交轴电枢反应电抗Xaq？答 在凸极电机中沿电枢圆周的气隙是很不均匀的，分析其电枢反应时，要用双反应理论，即 把 电枢反应磁动势

9、分解成垂直和平行于电势的两个分量和，它们分别产生直轴电枢反应磁通和交轴电枢反应磁通，相应的电流也分解成两个分量。因此 或 ， 或 ，由于直轴磁路的磁导比交轴磁路的磁导要大得多，同样大小的电流产生的磁通和相应的电势也大德多，所以电抗Xad>Xaq 。 7. 为什么同步发电机的短路特性是一条直线？答 同步发电机稳态短路时，电枢磁动势基本上是一个纯去磁作用的直轴磁动势，气隙合成磁动势为，合成电势为，即合成电势只等于漏抗压降。所以其对应的气隙合成磁通很小，电机的磁路处于不饱和状态，由于气隙合成磁动势，而，所以励磁磁动势必然正比于I，故短路特性Ik=f(If)是一条直线。8. 为什么从空载特性和短

10、路特性不能测定交轴同步电抗？为什么从空载特性和短路特性不能准确测定直轴同步电抗？答 凸极同步发电机的电势方程式为三相短路时U=0，由于发电机的电枢电阻远小于同步电抗，短路电流可认为是纯感性的，即y=900，Iq=0，I=Id，所以由空载特性测出E0和短路特性测出I可求出直轴同步电抗Xd。由于短路情况下电枢磁动势基基本上是一个纯去磁作用的直轴磁动势，使气隙合成磁动势很小，对应的气隙合成磁通很小，电机磁路处于不饱和状态，这时求出的是Xd的不饱和值。由于Iq=0，不能从空载和短路特性求出Xq。9. 在直流电机中，E>U还是E<U是判断电机作为发电机运行还是电动机运行的依据之一，在同步电机

11、中，这个结论还正确吗？答 在同步电机中，励磁电势和电机端电压都是电压相量，不能根据它们的大小来判断电机的运行状态，而应该根据气隙合成磁场轴线与主磁极轴线的相对位置来决定。当主磁极场轴线超前合成磁场轴线时，为发电机状态；重合时为调相机状态；滞后时为电动机状态。10. 什么是同步电机的功角特性？d角有什么意义？答 当电网电压U和频率f恒定，参数Xd和Xq为常数、励磁电势E0不变时，同步电机的电磁功率只决定于与的夹角d，d称为功率角，为同步电机的功角特性。由于电机的漏阻抗远小于同步电抗，从空间上看，功率角d可近似认为时主磁极轴线与气隙合成磁场轴线之间的夹角；从时间上，功率角d励磁电势与电压之间的夹角

12、。11. 一般同步发电机三相稳定短路，当Ik=IN时的励磁电流Ifk和额定负载时的励磁电流IfN都已达到空载特性的饱和段，为什么前者Xd取未饱和值而后者取饱和值？为什么Xd一般总是采用不饱和值？ 答 短路时由于电枢反应的去磁作用使气隙磁通很小，电机磁路处于不饱和状态，此时对应的是Xd的不饱和值。额定负载运行时，气隙磁通较大，直轴磁路处于饱和状态，此时对应的是Xd的饱和值。交轴磁路的气隙大磁阻大，磁路不饱和，故Xq一般取不饱和值。12. 同步电机的气隙磁场，在空载时是如何激励的？在负载时是如何激励的？答 空载时，定子绕组中没有电流，气隙磁场是由转子绕组中的直流电流激励的。负载后，定子三相电流产生

13、旋转磁动势，其基波以同步速度旋转，与转子相对静止。气隙磁场是由转子绕组中直流电流和定子绕组中三相交流电流共同激励产生的。13. 试述三相同步发电机准同期并列的条件？为什么要满足这些条件？怎样检验是否满足？答：条件是：（1）待并发电机的电压Ug与电网电压Us大小相等；（2）待并发电机的电压相位与电网电压相位相同；（3）待并发电机的频率fg与电网频率fs相等；(4)待并发电机电压相序与电网电压相序一致；若不满足这些条件：条件（1）不满足，发电机在并列瞬间会产生有害的滞后（或超前）发电机电压900（即无功性质）的巨大瞬态冲击电流，使定子绕组端部受冲击力而变形；条件（2）不满足发电机在并列瞬间会产生有

14、害的滞后（或超前）发电机电压一相位角的巨大瞬态冲击电流，使定子绕组端部受冲击力而变形，同时，冲击电流的有功分量还会在发电机的转轴上产生冲击机械扭转矩，使机轴扭曲变形，大的冲击电流还会使电枢绕组过热；条件（3）不满足，发电机在并列时会产生拍振电流，在转轴上产生时正、时负的转矩，使电机振动，同时冲击电流会使电枢绕组端部受冲击力而变形，还会使电枢绕组发热；条件（4）不满足的发电机绝对不允许并列，因为此时发电机电压恒差1200，U恒等于，它将产生巨大的冲击电流而危及发电机，也可能使发电机不能牵入同步。13. 与无限大电网并联运行的同步发电机，如何调节有功功率，试用功角特性分析说明？答：改变原动机的输出

15、功率或转矩，以改变功率角的大小。pem0P1amP1aP2P2见图示：在0am区域内，改变P1或T1，即可改变功率角的大小，调节有功功率P2、（1） （1）原工作于a点，此时P1=P2Pem（忽略p），功角为；（2）当增大原动机转矩T1，即增大输入功率至P1，由于输出功率瞬时未变，出现功率差额P=P1-P1，在相应于功率差额P的剩余转矩作用下，转子加速，使功角由增至，这时输出功率P2也相应增大，直至与输入功率达到新的平衡（P2=P1），于是电机就稳定运行在新的工作点a点。14. 用功角特性说明与无限大电网并联运行的同步发电机的静态稳定概念？pem0P1amabb答：忽略电机的各种损耗。在b点，

16、当受到某些原因，使功角增大，则，功角继续增大，发电机功率越小，电磁转矩越小，运行点离b点越来越远，最后发电机失步。同理，当某原因使功角减小时，运行点也不能回到b点。所以在b点运行时，电机不具有静态稳定性。在a点，当受到某些原因，使功角增大，则，功角减小，发电机功率越小，电磁转矩越小，电机能重新回到a运行点、同理，当某原因使功角减小时，运行点也能回到a点。所以在a点运行时，电机具有静态稳定性。15. 试比较在与无限大电网并联运行的同步发电机的静态稳定性能：并说明理由？1） 1）有较大短路比或较小短路比；2） 2）在过激状态下运行或在欠激状态下运行；3） 3）在轻载状态下运行或在重载状态下运行；4

17、） 4）直接接到电网或通过升压变压器、长输电线接到电网。答：（1）有较大短路比，稳定性好，原因由于KMKc，所以短路比大，过载能力大，静稳定性好。（2）过励状态稳定性好，原因：过励磁时励磁电流大，E0大，功率极限值大，过载能力大，所以稳定性好。（3）轻载状态稳定性好，电机轻载时的运行点比重载时运行点远离功率极限点（超过功率极限点为不稳定区），所以稳定性好。（4）直接接到电网时稳定性好，直接接到电网时电抗小，功率极限大，所以稳定性好。16. 与无限大容量电网并联运行的同步发电机如何调节无功功率？试用相量图分析说明？aa答：调节励磁电流即可调节无功功率的大小。电机输出的无功功率（以隐极机为例）为：

18、，在相量图上可用E0cosU来表示，即aU段，当增加励磁电流时空载电动势E0增大，由于调节励磁电流时有功功率不变化，E0相量的顶点只能向上移动，达至点E0，此时表示无功功率的线段部分变为aU段，说明调节励磁电流即可改变无功功率的输出。(注：图中和式中的xt就是Xs)17. 什么是U形曲线？什么时候是正常激磁、过激磁和欠激磁？一般情况下发电机在什么状态下运行？答：U形曲线：与无穷大电网并联运行的同步发电机，在输出有功功率不变的情况下，改变励磁电流If，测出相应的定子电流I，得到的关系曲线If(If)因形状象字母“U”，故称为U形曲线。正常励磁：cosj=1的状态对应励磁电流为If；过励磁：cos

19、j滞后状态对应励磁电流If>If；欠励磁：cosj超前状态。对应励磁电流If<If。由于电网功率因数一般为滞后状态，并且发电机过励状态下运行时，静态稳定性好，故发电机一般处于过励磁运行状态。18. 与无穷大电网并联运行的同步发电机，当调节有功功率输出时，如果要保持无功功率输出不变，问此时此刻功角和激磁电流如何变化，定子电流和空载电动势又如何变化，用同一相量图画出变化前、后的相量图。答：功角增大，励磁电流If增加，定子电流和空载电动势增大与无穷大电网并联运行的同步发电机，当保持输入功率不变时，只改变激磁电流时，功角是否变化？，输出的有功功率和空载电动势又如何变化？用同一相量图画出变化

20、前、后的相量图答：假若增加励磁电流If，则功角减小，输出的有功功率不变，空载电动势增大。<E0>E0五、计算1. 有一台三相汽轮发电机，PN=25000kW，UN=10.5kV，Y接法，cosjN=0.8（滞后），作单机运行。由试验测得它的同步电抗标么值为。电枢电阻忽略不计。每相励磁电势为，试求分下列几种情况接上三相对称负载时的电枢电流值，并说明其电枢反应的性质：(1) 每相是纯电阻；(2) 每相是纯电感；(3) 每相是电阻电容性负载。解 阻抗基值 同步电抗 （1） 纯电阻负载时电枢电流 电流滞后于的角度为y=450,故电枢反应是直轴去磁兼交磁作用。（2） 纯电感负载时电枢电流 此时为 y=900,故电枢反应是直轴去磁作用。（3） 阻容性负载且X=Xs时，电枢电流 此时为y=00,故电枢反应是交磁作用。2. 有一台PN=25000kW，UN=10.5kV，Y接法，cosjN=0.8（滞