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機電能量轉換。答交軸2.同步發電機并網的條件是： （ 1）；（ 2）；（3）。答發電機相序和電網相序要一致，發電機頻率和電網頻率要相同，發電機電壓和電網電壓大小要相等、相位要一致3.同步發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，勵磁電動勢，電壓5.凸極同步電機轉子勵磁匝數增加使X q 和 X d 將。答增加6.凸極同步電機氣隙增加使X q 和 X

2、d 將。答減小7. 凸極同步發電機與電網并聯，如將發電機勵磁電流減為零，此時發電機電磁轉矩為。答 mU 2 ( 11 )sin2X qX d二、選擇1.同步發電機的額定功率指（）。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. 同步發電機穩態運行時，若所帶負載為感性cos0.8 ，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.同步發電機穩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 電樞反應產生增磁作用；D同步電抗較大。答 B.

3、下載可編輯 .4.對稱負載運行時，凸極同步發電機阻抗大小順序排列為（）。AXX adX dX aqX q ；BX adX dX aqX qX；C X qX aqX dX adX；DX dX adX qX aqX。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；C作為用戶的備用電源；D作為同步發電機的勵磁電源。答 B三、判斷1.負載運行的凸極同步發電機， 勵磁繞組突然斷線， 則電磁功率為零。（）答錯2.同步發電機的功率因數總是滯后的。（）答錯3.一并聯在無窮大電網上的同步電機，要想增加發電機的輸出功率，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

4、變同步發電機的勵磁電流，只能調節無功功率。（）答錯5.同步發電機靜態過載能力與短路比成正比，因此短路比越大， 靜態穩定性越好。（）答錯6.同步發電機電樞反應的性質取決于負載的性質。（）答錯7.同步發電機的短路特性曲線與其空載特性曲線相似。（）答錯8.同步發電機的穩態短路電流很大。（）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 是判斷電機作為發電機還是電動機運行的依據之一。（）答錯12.在同步發電機中，當勵磁電動勢E0 與 I 電樞

5、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.測定同步發電機的空載特性和短路特性時，如果轉速降至0.95 n1 ，對試驗結果有什.下載可編輯 .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I kE0X d 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

6、么同步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，從同步電機運行穩定性考慮，氣隙大， 同步電抗小，短路比大，運行穩定性高。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動勢

7、E0 和電樞電流 I 之間的相位差，即角度有關，角由決定于負載的性質。當E0 與 I 同相時，0 ，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 I 滯后 E0 90 時，電樞反應為直軸電樞反應，其性質完全是去磁的。當 I 超前 E0 90 時，也為直軸電樞反應，其性質完全是助磁的。一般情況下， 090 ，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

8、得到ad 和aq ，它們分別在定子繞組感應電動勢 Ead 和 Eaq ，寫成電抗壓降形式，即EadjI d X ad ，Eaqj I q X aq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X dX adX交軸同步電抗為X dX adX.下載可編輯 .X d 和 X q 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動勢。利用空載和短路特性可測定的X d 不飽和值；利用空載和零功率因數負載特性可測定X d 的飽和值；利用轉差法可測定X d 和 X q 的不飽和值。6.凸極同步電機中，為什么直軸電

9、樞反應電抗X ad 大于交軸電樞反應電抗X aq ？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 電樞反應磁動勢分解成垂直和平行于電動勢E0 的兩個分量Fad 和 Faq ，它們分別產生直軸電樞反應磁通ad 和交軸電樞反應磁通aq ，相應的電流也分解成兩個分量。因此I dFadadEad或EadI d X ad ， X dEadI dI dFadadEad或EaqI q X aq ， X qEaqI q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動勢也大德多，所以電抗XaqX aq 。7. 為什么同步發電機的短路特性

10、是一條直線？答 同步發電機穩態短路時，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 FF fFad ，合成電動勢為 Ej IX，即合成電動勢只等于漏抗壓降。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，由于氣隙合成磁動勢FEI ，而 Fadkad FadI ，所以勵磁磁動勢F f F Fad 必然正比于 I ，故短路特性 I kf ( I f ) 是一條直線。8. 為什么從空載特性和短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 凸極同步發電機的電動勢方程式為E0UIRajI d X djI q X q三相短路時 U0，由于發電

11、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90 ， I q0， II d ， E0j I d X dj IX d ，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X d 。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，這時求出的是X d 的不飽和值。由于I q0 ，不能從空載和短路特性求出X q 。9.在直流電機中，EU 還是 EU 是判斷電機作為發電機運行還是電動機運行的依.下載可編輯 .據之一，在同步電機中，這個結論還正確嗎？答 在同步電機中，勵磁電動勢E0 和電機端電壓U

12、 都是電壓相量，不能根據它們的大小來判斷電機的運行狀態，而應該根據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， 為發電機狀態； 重合時為調相機狀態； 滯后時為電動機狀態。10.什么是同步電機的功角特性？角有什么意義？答 當電網電壓 U 和頻率f 恒定，參數X d 和 X q 為常數、勵磁電動勢E0 不變時，同步電機的電磁功率只決定于 E0與U 的夾角， 稱為功率角， Pem f () 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，功率角勵磁電動勢E0 與電壓 U 之間的

13、夾角。11. 一般同步發電機三相穩定短路，當I kI N 時的勵磁電流I fk 和額定負載時的勵磁電流 I fN 都已達到空載特性的飽和段，為什么前者X d 取未飽和值而后者取飽和值？為什么X d 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， 此時對應的是X d 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，此時對應的是X d 的飽和值。交軸磁路的氣隙大磁阻大，磁路不飽和，故X q 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

14、電流激勵的。負載后，定子三相電流產生旋轉磁動勢， 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.同步電機轉子表面氣隙磁通密度分布的波形是怎樣的?轉子表面某一點的氣隙磁通密度大小隨時間變化嗎?定子表面某一點的氣隙磁通密度隨時間變化嗎?答：凸極同步電機轉子表面氣隙磁通密度分布的波形接近于正弦波，其中含有一系列奇數次諧波；隱極同步電機轉子表面氣隙磁通密度分布的波形是接近正弦的階梯狀波，其中也含有一系列奇數次諧波轉子表面某一點的氣隙磁通密度大小不隨時間變化電樞電流為零時) ，但由于轉子是旋轉的，因此定子表面某一點的氣隙磁通密度是隨時

15、間變化的五、計算1.有一臺三相汽輪發電機，PN25000 kW ， U N10.5kV ， Y 接法， cosN0.8（滯后），作單機運行。 由試驗測得它的同步電抗標幺值為X s * 2.13。電樞電阻忽略不計。.下載可編輯 .每相勵磁電動勢為 7520V ，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 7.52 純電阻；(2) 每相是 7.52 純電感；（ 3）每相是 (7.52 j 7.52) 電阻電容性負載。解 阻抗基值Z NU NU NU N2cosN10.520.8 1063.53I N3I NPN25000103同步電抗X sX s* Z

16、 N2.13 3.537.52（1）純電阻負載時電樞電流IE075200A70745ARjX s7.52j 7.52電流滯后于 E0的角度為45 , 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IE075200A50090Aj ( X sX )j (7.527.52)此時為90 , 故電樞反應是直軸去磁作用。（3）阻容性負載且XX s 時，電樞電流IRE0X )75200A10000 Aj ( X s7.52此時為0 ,故電樞反應是交磁作用。2. 有一臺 PN25000 kW ， U N10.5kV ， Y 聯接， cos0.8 （滯后）的汽輪發電機， X s*2.13 ，電樞電

17、阻略去不計。 試求額定負載下勵磁電動勢E0及E0與I 的夾角 。解E0*(U * cos)2(U * sinI * X s* ) 20.82(0.61 2.13)22.845故E0 E0*10.52.84510.5 kV 17.25kV33tanIXU sinN10.5541sin36.871.4425U cos Ncos36.87.下載可編輯 .因cosU cos0.80.281E0*2.845得73.673.有一臺 PN725000kW ， U N10.5kV ， Y 接法， cos N0.8 （滯后）的水輪發電機， Ra*0 ， X d*1， X q*0.554，試 求在額定負載下勵磁電

18、動勢E0及E0與I 的夾角。解cosN0.836.87故55.27有I d*I * sin1sin 55.270.822令I *10U *136.87則I d*0.82255.27900.82234.73又I q*I *cos1cos55.270.57則I q*0.5755.27E0*U j I d* X d*j I q* X q*136.87j10.82234.73j 0.5755.270.5441.77155.27故E0E0*U N1.77110.53kV 10.74kV55.2736.8718.44.有一臺三相1500kW 水輪發電機，額定電壓是6300V， Y 接法，額定功率因數cos

19、N0.8 （滯后），已知額定運行時的參數：X d 21.2 ， Xq13.7 ，電樞電阻可略去不計。試計算發電機在額定運行時的勵磁電勢。解： Z1NU NU N2 cosN21.173I NPN*X d*X d1X q*X q0.646Z1 NZ1NEQ*U *j I * X q*1 0.646 (9036.87)1.48120.43則20.43N57.3將參考向量改為EQ ，則有U *120.430.937 j 0.349.下載可編輯 .I d*j sin0.84290I q*cos0.54則E0*U *jI d* X d*jI q* X q*0.937j 0.349 0.842j 0.54

20、 0.646 1.78故E0*U N1.786300 VVE0336474.45. 有一臺凸極同步發電機，其直軸和交軸同步電抗標幺值分別等于 X d 1.0, X q 0.6 ，電樞電阻可以忽略不計。試計算發電機的額定電壓，額定容量，cos0.8 （滯后）時發電機勵磁電動勢 E0* 。解：（方法一）&*1.0 0o令 UQcos 1 0.836.87oI&*1.036.87o計算電動勢&*ooo*E*jI*1.0 0j1.0EQX q36.87 0.6j 0.48 1.442 19.44*I&與E&0的夾角19.44o36.87o56.31o直軸電樞電流I d*I * sin1sin 56.3

21、1o0.832勵磁電動勢E0*EQ*I d* ( Xd*X q* )1.4420.832(10.6) 1.775（方法二）I * X qU *sin0.6 0.6oarctan*cosarctanarctan1.5 56.31U0.8直軸電樞電流I d*I *sin1sin 56.31o勵磁電動勢E0*U * cos()I d* X d*1.0cos(56.31o36.87o ) 0.83211.7756. 有一臺 PN 25000 kW ， U N10.5kV ，Y 接法， Cos 20.8（滯后）的汽論發電機，其同步電抗標么值為*&，xt2.13 ， a0。試求額定負載下發電機的勵磁電勢0

22、rE.下載可編輯 .E&0 與 U&的夾角以及E&0 與 I&的夾角。&*0作參考向量， U N1 ，arcCos 0.8解：以 U36.87I&*136.870&*&由 E0UjIx t 得*00&xt 1j 2.132.845 36.8E0UjI36.87所以&2.845U NE017.25 kV3&?0與U 的夾角E036.8&?000與 I的夾角36.836.8773.67E07. 有一臺 P 72500kw，U 10.5kV ，Y 接， Cos N0.8滯后的水輪發電機，參數為：NNxd 1 ， xq 0.554，忽略電樞電阻。 試求額定負載下發電機勵磁電勢&E0和 E0與 U 的夾

23、角。?解：先以 U 為參考， U&*1 36.87 01，則 I&所以*00&xq1 j 0.5541.404EQUjI36.8718.4&0E0與U 的夾角18.4?55.27 0再以 E 0 為參考向量，則*00.949 j 0.316U&118.4*I&djSinj 0.822Cos 0.57I&q.下載可編輯 .所以?E 0Uj I d xdj I q xq 0.949j 0.316 0.822j 0.57 0.5541.771故 E 0U N10.510.74 kVE01.771338. 有一臺汽輪發電機數據如下： SN31250 KVA ， UN 10.5kV （ Y 接 法 ），

24、Cos N0.8 （滯后），定子每相同步電抗xt7.0 ，而定子電阻忽略不計，此發電機并聯運行于無窮大電網。試求：（ 1）當發電機在額定狀態下運行時，功率角N ，電磁功率 Pem 。（ 2）若維持上述勵磁電流不變，但輸入有功功率減半時，N ，電磁功率Pem ，CosN 將變為多少？（ 3）發電機原來在額定運行時，現僅將其勵磁電流加大10，N ， Pem ， Cos N ，I 將變為多少？解：（1） I NSN312500001.718KA3U N310500由于不計ra ，所以 PS cosNemNPem312500.825000 kW?因為 E0U Nj I N xt所以每相&10.5j 7

25、.01.718N 6.062 12.0260E0 N353.1316.4035.90 kV故 N35.90； km11.704 倍SinN（2）若 If不變，輸入有功減半時，Pem0.5PemN 12500 kW因為PemSinPemNSinN.下載可編輯 .所以1 PemSin1 Sin35.9 017.050SinP emNSin2因為Pem mUICosm E0ICos ()所以tgctgUctg17.050310.502.0E 0Sin16.4Sin17.05故Cos0.447 （滯后）（3）僅將 I f 加大 10時，PemN25000kVPem不考慮飽和影響時，E(110%) Eo

26、N18.04（ kV）0因為PemE 0SinPemNE onSin 1N1 E oN SinN1 Sin35.900所以SinSin1.132.21E0因為PemmUICosmE 0ICos( )tgctgEUctg 32.210310.50.9570Sin18.04Sin32.210故Cos0.722因為PemmUICos 所以250003IPem101903 AmUCos 310.5 0.7221039. 一臺 Y 接法水輪發電機進行轉差率試驗，數據如下： U max3300V ，I min182A，U min 3100V， I max250 A ，阻抗基值為13.9 。試求：（ 1）

27、直軸同步電抗和交軸同步電抗的標幺值；（ 2） 額定負載且功率因數為 0.8 （滯后）時的勵磁電動勢和功角：.下載可編輯 .解：（ 1）直軸同步電抗為U max3300Xd10.5I max3 18.2*X d10.5X d0.756Z N13.9交軸同步電抗為U min3100X q7.16I max3 250*X q7.160.516X qZN13.9（2）先求功角&*&*&1j100.516EQUjIX q36.81.37170170，36.8017053.80直軸電流I d*I *sin1sin 53.800.807交軸電流I q*I *cos1cos53.800.59勵磁電勢E0*U * cosI d* X d*cos1700.8070.7561.56610. 一臺隱極同步發電機，在額定電壓下運行，X s*2 ， Ra0 ，試求：（ 1）調節勵磁電流使用額定電流時，cos1，空載電動勢E0* 是多少？（ 2）保持上述 E0* 不變，當 cos0.866 （滯后）時，I * 是多少？解：（ 1）當 cos1時，有E0*