同步電機(jī)練習(xí)題及答案.doc

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第六章 同步電機(jī) 一、填空 1. ★在同步電機(jī)中，只有存在 電樞反應(yīng)才能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量轉(zhuǎn)換。 答 交軸 2. 同步發(fā)電機(jī)并網(wǎng)的條件是：（1） ；（2） ；（3） 。 答 發(fā)電機(jī)相序和電網(wǎng)相序要一致，發(fā)電機(jī)頻率和電網(wǎng)頻率要相同，發(fā)電機(jī)電壓和電網(wǎng)電壓大小要相等、相位要一致 3. ★同步發(fā)電機(jī)在過勵(lì)時(shí)從電網(wǎng)吸收 ，產(chǎn)生 電樞反應(yīng)；同步電動(dòng)機(jī)在過勵(lì)時(shí)向電網(wǎng)輸出 ，產(chǎn)生 電樞反應(yīng)。 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(jī)的功角δ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(chǎng)軸線，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，電壓 5. 凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)子勵(lì)磁匝數(shù)增加使和將 。 答 增加 6. 凸極同步電機(jī)氣隙增加使和將 。 答 減小 7. ★凸極同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)，如將發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流減為零，此時(shí)發(fā)電機(jī)電磁轉(zhuǎn)矩為 。 答 二、選擇 1. 同步發(fā)電機(jī)的額定功率指（ ）。 A 轉(zhuǎn)軸上輸入的機(jī)械功率； B 轉(zhuǎn)軸上輸出的機(jī)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 D 2. ★同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)，若所帶負(fù)載為感性，則其電樞反應(yīng)的性質(zhì)為（ ）。 A 交軸電樞反應(yīng)； B 直軸去磁電樞反應(yīng)； C 直軸去磁與交軸電樞反應(yīng)； D 直軸增磁與交軸電樞反應(yīng)。 答 C 3. 同步發(fā)電機(jī)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(chǎn)生去磁作用較強(qiáng)； C 電樞反應(yīng)產(chǎn)生增磁作用； D 同步電抗較大。 答 B 4. ★對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)，凸極同步發(fā)電機(jī)阻抗大小順序排列為（ ）。 A ； B ； C ； D 。 答 D 5. 同步補(bǔ)償機(jī)的作用是（ ）。 A 補(bǔ)償電網(wǎng)電力不足； B 改善電網(wǎng)功率因數(shù)； C 作為用戶的備用電源； D 作為同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電源。 答 B 三、判斷 1. ★負(fù)載運(yùn)行的凸極同步發(fā)電機(jī)，勵(lì)磁繞組突然斷線，則電磁功率為零 。 （ ） 答 錯(cuò) 2. 同步發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)總是滯后的 。 （ ） 答 錯(cuò) 3. 一并聯(lián)在無窮大電網(wǎng)上的同步電機(jī)，要想增加發(fā)電機(jī)的輸出功率，必須增加原動(dòng)機(jī)的輸入功率，因此原動(dòng)機(jī)輸入功率越大越好 。 （ ） 答 錯(cuò) 4. 改變同步發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流，只能調(diào)節(jié)無功功率。 （ ） 答 錯(cuò) 5. ★同步發(fā)電機(jī)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(cuò) 6. ★同步發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于負(fù)載的性質(zhì)。 （ ） 答 錯(cuò) 7. ★同步發(fā)電機(jī)的短路特性曲線與其空載特性曲線相似。 （ ） 答 錯(cuò) 8. 同步發(fā)電機(jī)的穩(wěn)態(tài)短路電流很大。 （ ） 答 錯(cuò) 9. 利用空載特性和短路特性可以測(cè)定同步發(fā)電機(jī)的直軸同步電抗和交軸同步電抗。（ ） 答 錯(cuò) 10. ★凸極同步電機(jī)中直軸電樞反應(yīng)電抗大于交軸電樞反應(yīng)電抗。 （ ） 答 對(duì) 11. 與直流電機(jī)相同，在同步電機(jī)中，還是是判斷電機(jī)作為發(fā)電機(jī)還是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的依據(jù)之一。 （ ） 答 錯(cuò) 12. ★在同步發(fā)電機(jī)中，當(dāng)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)與電樞電流同相時(shí)，其電樞反應(yīng)的性質(zhì)為直軸電樞反應(yīng) 。 （ ） 答 錯(cuò) 四、簡答 1. ★測(cè)定同步發(fā)電機(jī)的空載特性和短路特性時(shí)，如果轉(zhuǎn)速降至0.95，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果有什么影響？ 答 因空載電勢(shì)和轉(zhuǎn)速成正比，如果轉(zhuǎn)速降為，則也降低到額定轉(zhuǎn)速下的倍。同步電抗與頻率成正比，也降低到倍，所以短路電流不變。 2. ★為什么大容量同步電機(jī)采用磁極旋轉(zhuǎn)式而不用電樞旋轉(zhuǎn)式？ 答 由于勵(lì)磁繞組電流相對(duì)較小，電壓低，放在轉(zhuǎn)子上引出較方便。電樞繞組電壓高、容量大，放在轉(zhuǎn)子上使結(jié)構(gòu)復(fù)雜、引出不方便。故大容量電機(jī)將電樞繞組作為定子，磁極作為轉(zhuǎn)子，為旋轉(zhuǎn)磁極式。 3. ★為什么同步電機(jī)的氣隙要比容量相同的感應(yīng)電機(jī)的大？ 答 感應(yīng)電機(jī)的勵(lì)磁電流由電源供給，需要從電網(wǎng)吸取感性無功功率，如果氣隙大，則勵(lì)磁電流大，電機(jī)的功率因數(shù)低，因此在機(jī)械允許的條件下，氣隙要盡量小一些。同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)由轉(zhuǎn)子電流和定子電流共同激勵(lì)，從同步電機(jī)運(yùn)行穩(wěn)定性考慮，氣隙大，同步電抗小，短路比大，運(yùn)行穩(wěn)定性高。但氣隙大，轉(zhuǎn)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(yùn)行性能和制造成本這兩方面的要求。 4. ★同步發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)性質(zhì)由什么決定? 答 電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波與勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)同轉(zhuǎn)速、同轉(zhuǎn)向，在空間上始終保持相對(duì)靜止的關(guān)系，但電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于這兩個(gè)磁動(dòng)勢(shì)幅值的相對(duì)位置，而這一位置與勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)和電樞電流之間的相位差，即角度有關(guān)，角由決定于負(fù)載的性質(zhì)。當(dāng)與同相時(shí)，，電樞反應(yīng)為交軸電樞反應(yīng)，交軸電樞反應(yīng)使氣隙合成磁場(chǎng)幅值增加，而其軸線從主極軸線逆轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)向后移一個(gè)銳角。當(dāng)滯后時(shí)，電樞反應(yīng)為直軸電樞反應(yīng)，其性質(zhì)完全是去磁的。當(dāng)超前時(shí)，，也為直軸電樞反應(yīng)，其性質(zhì)完全是助磁的。一般情況下，，此時(shí)的電樞反應(yīng)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(yàn)方法來測(cè)定？ 答 在凸極同步電機(jī)中，由于氣隙不均勻?yàn)榱擞?jì)算方便，將電樞磁動(dòng)勢(shì)分解為和，分別除以直軸磁阻和交軸磁阻，可得到和，它們分別在定子繞組感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和，寫成電抗壓降形式，即 ， 和分別稱為直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗，它們分別反映出上述直軸和記者電樞反應(yīng)磁通的強(qiáng)弱。 直軸同步電抗為 交軸同步電抗為 和表征了當(dāng)對(duì)稱三相直軸或交軸電流每相為時(shí)，三相總磁場(chǎng)在電樞繞組中每相感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)。 利用空載和短路特性可測(cè)定的不飽和值；利用空載和零功率因數(shù)負(fù)載特性可測(cè)定的飽和值；利用轉(zhuǎn)差法可測(cè)定和的不飽和值。 6. ★凸極同步電機(jī)中，為什么直軸電樞反應(yīng)電抗大于交軸電樞反應(yīng)電抗？ 答 在凸極電機(jī)中沿電樞圓周的氣隙是很不均勻的，分析其電樞反應(yīng)時(shí)，要用雙反應(yīng)理論，即 把 電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)分解成垂直和平行于電動(dòng)勢(shì)的兩個(gè)分量和，它們分別產(chǎn)生直軸電樞反應(yīng)磁通和交軸電樞反應(yīng)磁通，相應(yīng)的電流也分解成兩個(gè)分量。因此 或 ， 或 ， 由于直軸磁路的磁導(dǎo)比交軸磁路的磁導(dǎo)要大得多，同樣大小的電流產(chǎn)生的磁通和相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)也大德多，所以電抗 。 7. ★為什么同步發(fā)電機(jī)的短路特性是一條直線？ 答 同步發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，電樞磁動(dòng)勢(shì)基本上是一個(gè)純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動(dòng)勢(shì)，氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)為，合成電動(dòng)勢(shì)為，即合成電動(dòng)勢(shì)只等于漏抗壓降。所以其對(duì)應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機(jī)的磁路處于不飽和狀態(tài)，由于氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)，而，所以勵(lì)磁磁動(dòng)勢(shì)必然正比于，故短路特性是一條直線。 8. ★為什么從空載特性和短路特性不能測(cè)定交軸同步電抗？為什么從空載特性和短路特性不能準(zhǔn)確測(cè)定直軸同步電抗？ 答 凸極同步發(fā)電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)方程式為 三相短路時(shí)，由于發(fā)電機(jī)的電樞電阻遠(yuǎn)小于同步電抗，短路電流可認(rèn)為是純感性的，即，，，，所以由空載特性測(cè)出和短路特性測(cè)出可求出直軸同步電抗。由于短路情況下電樞磁動(dòng)勢(shì)基基本上是一個(gè)純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁動(dòng)勢(shì)，使氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)很小，對(duì)應(yīng)的氣隙合成磁通很小，電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)，這時(shí)求出的是的不飽和值。由于，不能從空載和短路特性求出。 9. ★在直流電機(jī)中，還是是判斷電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行還是電動(dòng)機(jī)運(yùn)行的依據(jù)之一，在同步電機(jī)中，這個(gè)結(jié)論還正確嗎？ 答 在同步電機(jī)中，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)和電機(jī)端電壓都是電壓相量，不能根據(jù)它們的大小來判斷電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，而應(yīng)該根據(jù)氣隙合成磁場(chǎng)軸線與主磁極軸線的相對(duì)位置來決定。當(dāng)主磁極場(chǎng)軸線超前合成磁場(chǎng)軸線時(shí)，為發(fā)電機(jī)狀態(tài)；重合時(shí)為調(diào)相機(jī)狀態(tài)；滯后時(shí)為電動(dòng)機(jī)狀態(tài)。 10. ★什么是同步電機(jī)的功角特性？角有什么意義？ 答 當(dāng)電網(wǎng)電壓和頻率恒定，參數(shù)和為常數(shù)、勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)不變時(shí)，同步電機(jī)的電磁功率只決定于與的夾角，稱為功率角，為同步電機(jī)的功角特性。 由于電機(jī)的漏阻抗遠(yuǎn)小于同步電抗，從空間上看，功率角可近似認(rèn)為時(shí)主磁極軸線與氣隙合成磁場(chǎng)軸線之間的夾角；從時(shí)間上，功率角勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)與電壓之間的夾角。 11. ★一般同步發(fā)電機(jī)三相穩(wěn)定短路，當(dāng)時(shí)的勵(lì)磁電流和額定負(fù)載時(shí)的勵(lì)磁電流都已達(dá)到空載特性的飽和段，為什么前者取未飽和值而后者取飽和值？為什么一般總是采用不飽和值？ 答 短路時(shí)由于電樞反應(yīng)的去磁作用使氣隙磁通很小，電機(jī)磁路處于不飽和狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的是的不飽和值。額定負(fù)載運(yùn)行時(shí)，氣隙磁通較大，直軸磁路處于飽和狀態(tài)，此時(shí)對(duì)應(yīng)的是的飽和值。交軸磁路的氣隙大磁阻大，磁路不飽和，故一般取不飽和值。 12. ★同步電機(jī)的氣隙磁場(chǎng)，在空載時(shí)是如何激勵(lì)的？在負(fù)載時(shí)是如何激勵(lì)的？ 答 空載時(shí)，定子繞組中沒有電流，氣隙磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子繞組中的直流電流激勵(lì)的。負(fù)載后，定子三相電流產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁動(dòng)勢(shì)，其基波以同步速度旋轉(zhuǎn)，與轉(zhuǎn)子相對(duì)靜止。氣隙磁場(chǎng)是由轉(zhuǎn)子繞組中直流電流和定子繞組中三相交流電流共同激勵(lì)產(chǎn)生的。 13. ★同步電機(jī)轉(zhuǎn)子表面氣隙磁通密度分布的波形是怎樣的?轉(zhuǎn)子表面某一點(diǎn)的氣隙磁通密度大小隨時(shí)間變化嗎?定子表面某一點(diǎn)的氣隙磁通密度隨時(shí)間變化嗎? 答：凸極同步電機(jī)轉(zhuǎn)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(shù)次諧波；隱極同步電機(jī)轉(zhuǎn)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(shù)次諧波． 轉(zhuǎn)子表面某一點(diǎn)的氣隙磁通密度大小不隨時(shí)間變化＜電樞電流為零時(shí))，但由于轉(zhuǎn)子 是旋轉(zhuǎn)的，因此定子表面某一點(diǎn)的氣隙磁通密度是隨時(shí)間變化的． 五、計(jì)算 1. ★有一臺(tái)三相汽輪發(fā)電機(jī)，，，接法，（滯后），作單機(jī)運(yùn)行。由試驗(yàn)測(cè)得它的同步電抗標(biāo)幺值為。電樞電阻忽略不計(jì)。每相勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)為，試求分下列幾種情況接上三相對(duì)稱負(fù)載時(shí)的電樞電流值，并說明其電樞反應(yīng)的性質(zhì)： (1) 每相是純電阻； (2) 每相是純電感； （3）每相是電阻電容性負(fù)載。 解 阻抗基值 同步電抗 （1） 純電阻負(fù)載時(shí) 電樞電流 電流滯后于的角度為 ,故電樞反應(yīng)是直軸去磁兼交磁作用。 （2） 純電感負(fù)載時(shí) 電樞電流 此時(shí)為 ,故電樞反應(yīng)是直軸去磁作用。 （3） 阻容性負(fù)載且時(shí)，電樞電流 此時(shí)為 ,故電樞反應(yīng)是交磁作用。 2. ★有一臺(tái)，，聯(lián)接，（滯后）的汽輪發(fā)電機(jī)，，電樞電阻略去不計(jì)。試求額定負(fù)載下勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)及與的夾角。 解 故 因 得 3. ★有一臺(tái)，，接法，（滯后）的水輪發(fā)電機(jī)，，，，試求在額定負(fù)載下勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)及與的夾角。 解 故 有 令 則 又 則 故 4. ★★有一臺(tái)三相1500kW水輪發(fā)電機(jī)，額定電壓是6300V，Y接法，額定功率因數(shù)（滯后），已知額定運(yùn)行時(shí)的參數(shù)：，，電樞電阻可略去不計(jì)。試計(jì)算發(fā)電機(jī)在額定運(yùn)行時(shí)的勵(lì)磁電勢(shì)。 解： 則 將參考向量改為，則有 則 故 5. ★★有一臺(tái)凸極同步發(fā)電機(jī)，其直軸和交軸同步電抗標(biāo)幺值分別等于，電樞電阻可以忽略不計(jì)。試計(jì)算發(fā)電機(jī)的額定電壓，額定容量，（滯后）時(shí)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)。 解：（方法一） 令 計(jì)算電動(dòng)勢(shì) 直軸電樞電流 勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) （方法二） 直軸電樞電流 勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) 6. ★有一臺(tái)，，Y接法，（滯后）的汽論發(fā)電機(jī)，其同步電抗標(biāo)么值為，。試求額定負(fù)載下發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電勢(shì)，與的夾角以及與的夾角。 解：以作參考向量，， 由得 所以kV 與的夾角 與的夾角 7. ★有一臺(tái)PN＝72500kw，UN＝10.5kV，Y接， 滯后的水輪發(fā)電機(jī)，參數(shù)為：，，忽略電樞電阻。試求額定負(fù)載下發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電勢(shì)和與的夾角。 解：先以為參考，，則 所以 與的夾角 再以為參考向量，則 所以 故 kV 8. ★★有一臺(tái)汽輪發(fā)電機(jī)數(shù)據(jù)如下：，UN＝10.5kV（Y接法），（滯后），定子每相同步電抗，而定子電阻忽略不計(jì)，此發(fā)電機(jī)并聯(lián)運(yùn)行于無窮大電網(wǎng)。試求： （1） 當(dāng)發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，功率角，電磁功率。 （2） 若維持上述勵(lì)磁電流不變，但輸入有功功率減半時(shí)，，電磁功率， 將變?yōu)槎嗌伲? （3） 發(fā)電機(jī)原來在額定運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)僅將其勵(lì)磁電流加大10％，，，，I將變?yōu)槎嗌伲? 解：（1） 由于不計(jì)，所以 因?yàn)? 所以每相 故；km＝倍 （2）若If不變，輸入有功減半時(shí)， 因?yàn)? 所以 因?yàn)? 所以 故 （滯后） （3）僅將If加大10％時(shí)， kV 不考慮飽和影響時(shí)， （kV） 因?yàn)? ＝1 所以 因?yàn)? 故 因?yàn)? 所以 A 9. ★★一臺(tái)Y接法水輪發(fā)電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)差率試驗(yàn)，數(shù)據(jù)如下：，，，，阻抗基值為。試求： （1） 直軸同步電抗和交軸同步電抗的標(biāo)幺值； （2） 額定負(fù)載且功率因數(shù)為0.8（滯后）時(shí)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)和功角： 解：（1）直軸同步電抗為 交軸同步電抗為 （2）先求功角 ， 直軸電流 交軸電流 勵(lì)磁電勢(shì) 10. ★★一臺(tái)隱極同步發(fā)電機(jī)，在額定電壓下運(yùn)行，，，試求： （1） 調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流使用額定電流時(shí)，，空載電動(dòng)勢(shì)是多少？ （2） 保持上述不變，當(dāng)（滯后）時(shí)，是多少？ 解：（1）當(dāng)時(shí)，有 （2） 當(dāng)時(shí)，（滯后），則 得 11. ★★有一臺(tái)凸極同步發(fā)電機(jī)，其直軸和交軸同步電抗標(biāo)幺值分別等于，，電樞電阻可以忽略不計(jì)。試計(jì)算發(fā)電機(jī)發(fā)出額定電壓，額定千伏安，（滯后）時(shí)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)，并作出相量圖。 解：方法一 令 則計(jì)算電動(dòng)勢(shì) 與的夾角 直軸電樞電流 勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) 方法二： 直軸電樞電流 勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì) 對(duì)應(yīng)的相量圖如下圖所示 題11相量圖