第六章 同步電機(jī)

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6．1同步電機(jī)和異步電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有哪些區(qū)別？

同步電機(jī)：轉(zhuǎn)子直流勵(lì)磁，產(chǎn)生主磁場(chǎng)，包括隱極和凸極

異步電機(jī)：轉(zhuǎn)子隱極，是對(duì)稱繞組，短路，繞組是閉合的，定子兩者都一樣。

6．2什么叫同步電機(jī)？怎樣由其極數(shù)決定它的轉(zhuǎn)速？試問(wèn)75r/min、50Hz的電機(jī)是幾極的？

同步電機(jī)：頻率與電機(jī)轉(zhuǎn)速之比為恒定的交流電機(jī)n1?6．3為什么現(xiàn)代的大容量同步電機(jī)都做成旋轉(zhuǎn)磁極式？

∵勵(lì)磁繞組電流相對(duì)較小，電壓低，放在轉(zhuǎn)子上引出較為便利，而電樞繞組電壓高，電流大，放在轉(zhuǎn)子上使結(jié)構(gòu)繁雜，引出不便利，故大容量電機(jī)將電樞繞組作為定子，磁極作為轉(zhuǎn)子，稱為旋轉(zhuǎn)磁極式。

6．4汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)的主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是什么？為什么有這樣的特點(diǎn)？

氣輪發(fā)電機(jī)：轉(zhuǎn)速高，一般為一對(duì)極，n?3000rmin，考慮到轉(zhuǎn)子受離心力的作用，為很好的固定勵(lì)磁繞組，轉(zhuǎn)子作成細(xì)而長(zhǎng)的圓柱形，且為隱極式結(jié)構(gòu)。轉(zhuǎn)子鐵心一般由高機(jī)械強(qiáng)度和磁導(dǎo)率較高的合金鋼鍛成器與轉(zhuǎn)軸做成一個(gè)整體，鐵心上開(kāi)槽，放同心式勵(lì)磁繞組。水輪發(fā)電機(jī)：n低，2P較多，直徑大，扁平形，且為立式結(jié)構(gòu)，為使轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)和加工工藝簡(jiǎn)單，轉(zhuǎn)子為凸極式，勵(lì)磁繞組是集中繞組，套在磁極上，磁極的極靴行裝有阻尼繞組。6．5傘式和懸式水輪發(fā)電機(jī)的特點(diǎn)和優(yōu)缺點(diǎn)如何？試比較之。

6．6為什么水輪發(fā)電機(jī)要用阻尼繞組，而汽輪發(fā)電機(jī)卻可以不用？

水輪發(fā)電機(jī)一般為凸極結(jié)構(gòu)，為使轉(zhuǎn)子產(chǎn)生異步轉(zhuǎn)矩，即能異步起動(dòng)，加阻尼繞組。汽輪發(fā)電機(jī)一般為隱極結(jié)構(gòu)，它起動(dòng)時(shí)的原理與異步機(jī)一致，∴不必加起動(dòng)繞組。6．7一臺(tái)轉(zhuǎn)樞式三一致步發(fā)電機(jī)，電樞以轉(zhuǎn)速n逆時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)，對(duì)稱負(fù)載運(yùn)行時(shí)，電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)對(duì)電樞的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向如何？對(duì)定子的轉(zhuǎn)速又是多少？

對(duì)電樞的轉(zhuǎn)速為n，為定子的轉(zhuǎn)速為0，方向?yàn)轫槙r(shí)針。原因是：要想產(chǎn)生平均轉(zhuǎn)矩，勵(lì)磁磁勢(shì)與電樞反應(yīng)磁勢(shì)必然相對(duì)靜止，而現(xiàn)在勵(lì)磁磁勢(shì)不變?！嚯姌蟹磻?yīng)磁勢(shì)對(duì)定子也是相對(duì)靜止的，而轉(zhuǎn)子逆時(shí)針轉(zhuǎn)，∴它必需順時(shí)針轉(zhuǎn)，方能在空間靜止。6．8試分析在以下?tīng)顩r下電樞反應(yīng)的性質(zhì)。（1）三相對(duì)稱電阻負(fù)載；

??（2）純電容性負(fù)載XC?0.8，發(fā)電機(jī)同步電抗Xt?1.0；

60fp，P?60fn1?60?5075?40（極）

（3）純電感性負(fù)載X?L?0.7；

??（4）純電容性負(fù)載XC?1.2，同步電抗Xt?1.0。

6．9三一致步發(fā)電機(jī)對(duì)稱穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，在電樞電流滯后和超前于勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)E0的相

位差大于90?的兩種狀況下（即90????180?和?90?????180?），

電樞磁動(dòng)勢(shì)兩個(gè)分量Fad和Faq各起什么作用？

?6．10在凸極同步電機(jī)中，假使?為一任意銳角，用雙反應(yīng)理論分析電樞反應(yīng)磁通?a?是否還差90?？?與它所感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)E和電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)Fa兩個(gè)矢量是否還同相？?aa6．11試述交軸和直軸同步電抗的意義。為什么同步電抗的數(shù)值一般較大，不可能做得很??？請(qǐng)分析下面幾種狀況對(duì)同步電抗有何影響？

（1）電樞繞組匝數(shù)增加；（2）鐵心飽和程度提高；（3）氣隙加大；

（4）勵(lì)磁繞組匝數(shù)增加。

三相聯(lián)合產(chǎn)生的總磁場(chǎng)（包Xd，Xq表征了當(dāng)對(duì)稱三相直軸或交軸電流每相為1A時(shí)，

括在氣隙中的旋轉(zhuǎn)電樞反應(yīng)磁場(chǎng)和漏磁場(chǎng)）在電樞繞組中每相感應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)氣隙大，同步電

抗大，短路比大，運(yùn)行穩(wěn)定性高，但氣隙大或同步電抗小，轉(zhuǎn)子銅量大，成本增加，∴同步電抗不能太小。Xd?Xad?X?Xq?Xaq?X?

（1）電樞繞組匝數(shù)增加，產(chǎn)生的直軸交軸電樞反應(yīng)磁通增大，∴Xd，Xq增加，（∵

E?N∴Ead,Eaq?電流不變Xad,Xaq?）

（2）鐵心飽和程度提高，??磁阻增大，∴Xd，Xq減小。（3）氣隙加大，磁阻增大，Xd，Xq減小。

（4）同步電抗反應(yīng)的是電樞電流產(chǎn)生的磁場(chǎng)性質(zhì)與勵(lì)磁繞組無(wú)關(guān)，不管什么電抗都

2有，X?WN?al

6．12試根據(jù)不飽和時(shí)的電動(dòng)勢(shì)相量圖證明以下關(guān)系式。（1）隱極同步發(fā)電機(jī)

??tanIXt?Usin?IRa?Ucos?

??IRacos??IXtsin?E0?Ucos（2）凸極同步發(fā)電機(jī)

tan??IXq?Usin?IRa?Ucos?

??IRacos??IXdsin?E0?Ucos?的夾角；?為U??的夾角，?滯后于E?為I?滯后于E其中，?為I?滯后于U即功率因數(shù)角；00的夾角，且有?????。

6．13試證明不考慮飽和時(shí)Xad和X?0?lNkN1?k??p2222aq的公式為

Xad?4mfkd

Xaq?4mf?0?lNkN1?k??pkq

6．15為什么Xd在正常運(yùn)行時(shí)應(yīng)采用飽和值，而在短路時(shí)卻采用不飽和值？為什么Xq一般總只采用不飽和值？

正常運(yùn)行時(shí)d軸是飽和的，∴用Xd的飽和值，而在短路時(shí)，由于Id的去磁作用，使d軸不飽和，∴用不飽和值。

6．16測(cè)定同步發(fā)電機(jī)空載特性和短路特性時(shí)，假使轉(zhuǎn)速降為0.95nN，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果將有什么影響？假使轉(zhuǎn)速降為0.5nN，則試驗(yàn)結(jié)果又將如何？

'∵E0?n，當(dāng)n?0.95nN，則E0?0.95E0同步電抗與頻率成正比也降為0.95倍，∴

短路電流Ik?E0Xd不變。當(dāng)n?0.05nN時(shí)，∵E0和Xd都與轉(zhuǎn)速成正比減小，而Ra與轉(zhuǎn)速

無(wú)關(guān)，∴IRa在電動(dòng)勢(shì)方程中所占分量已較大，不能忽略∴隨n?，Ik?

6．17為什么同步發(fā)電機(jī)三相對(duì)稱穩(wěn)態(tài)短路特性為一條直線？

∵短路時(shí)，電極磁勢(shì)基本上是一個(gè)純?nèi)ゴ抛饔玫闹陛S磁勢(shì)，即F??Ff?Fad合成電動(dòng)

??jIx?所以起對(duì)應(yīng)的氣隙合成磁通很大，電機(jī)磁路不飽和，而F'?E?IF?I勢(shì)E????ad''∴Ff?F??Fad?I∴Ik?f(If)是一條直線。

6．18什么叫短路比？它的大小與電機(jī)性能及成本的關(guān)系怎樣？為什么允許汽輪發(fā)電機(jī)的短路比比水輪發(fā)電機(jī)的小一些？

同步發(fā)電機(jī)在額定轉(zhuǎn)速下運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生空載額定電壓與產(chǎn)生額定穩(wěn)態(tài)短路電流所需的勵(lì)磁電流之比，它等于在產(chǎn)生空載額定電壓的勵(lì)磁電流下三相穩(wěn)態(tài)短路電流的標(biāo)么值，即

kc?If0(U0?UN)Ifk(Ik?IN)''?Ik0INkc小，?U大，穩(wěn)定度較差，但電機(jī)造價(jià)較低廉，增大氣隙，可減小Xd

使短路比增大，電機(jī)性能變好，但轉(zhuǎn)子用銅量增大，造價(jià)高。

氣輪機(jī)的kc小一些，水輪機(jī)kc?0.8?1.8∵水電站輸電距離長(zhǎng)，穩(wěn)定問(wèn)題較嚴(yán)重。

6．19一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)的氣隙比正常氣隙的長(zhǎng)度偏大，Xd和?U將如何變化？

??Xd??U?

6．20同步發(fā)電機(jī)發(fā)生三相穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，它的短路電流為何不大？

同步穩(wěn)態(tài)短路時(shí)，短路電流主要由直軸同步電抗Xd限制，而Xd值一般較大，即去磁作用的電樞反應(yīng)磁動(dòng)勢(shì)較大，使氣隙合成磁動(dòng)勢(shì)較小，氣隙電動(dòng)勢(shì)較小，∴短路電流不是很大。

6．21同步發(fā)電機(jī)供給一對(duì)稱電阻負(fù)載，當(dāng)負(fù)載電流上升時(shí)，怎樣才能保持端電壓不變？

電阻負(fù)載，說(shuō)明輸出為有功功率，要增大負(fù)載電流，端電壓不變，而增大有功功率輸出，∴應(yīng)增加原動(dòng)機(jī)的輸入功率。

6．22為什么從開(kāi)路特性和短路特性不能測(cè)定交軸同步電抗？

??U??I?R?j?凸極同步發(fā)電機(jī)的電勢(shì)平衡方程式：EIdXd?j?IXq當(dāng)U?0時(shí)，0aq??jI?X?jI?X是純感性的，即??90?I??0I??IRa?X∴Eqd0dd??jI?X?jIX?∴由空載特性測(cè)出E和短路特性測(cè)出I可求出直軸同步電抗X（不∴E0ddd0d飽和值），而此時(shí)Iq?0∴不能從空載和短路特性求出Xq

6．23低轉(zhuǎn)差法測(cè)量Xd和Xq的原理是什么？假使在試驗(yàn)時(shí)轉(zhuǎn)差太大，對(duì)測(cè)量結(jié)果會(huì)造成什么影響？

6．24三一致步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)運(yùn)行的條件是什么？假使不滿足條件會(huì)產(chǎn)生什么后

果？

①相序一致②頻率一致③電壓大小相等，相位一致。如不滿足條件，在發(fā)電機(jī)和電網(wǎng)間產(chǎn)生環(huán)流，導(dǎo)致發(fā)生電磁沖擊和機(jī)械沖擊。

6．27并聯(lián)于無(wú)窮大電網(wǎng)的隱極同步發(fā)電機(jī)，當(dāng)調(diào)理有功功率輸出時(shí)欲保持無(wú)功功率輸出不變，問(wèn)此時(shí)?角及勵(lì)磁電流If是否改變，此時(shí)I和E0各按什么軌跡變化？

6．28一臺(tái)同步發(fā)電機(jī)單獨(dú)供給一個(gè)對(duì)稱負(fù)載（R及L一定）且轉(zhuǎn)速保持不變時(shí)，定子電流的功率因數(shù)cos?由什么決定？當(dāng)此發(fā)電機(jī)并聯(lián)于無(wú)窮大電網(wǎng)時(shí)，定子電流的cos?又由什么決定？還與負(fù)載性質(zhì)有關(guān)嗎？為什么？此時(shí)電網(wǎng)對(duì)發(fā)電機(jī)而言相當(dāng)于怎樣性質(zhì)的電源？

6．29畫出凸極同步發(fā)電機(jī)失去勵(lì)磁（E0?0）時(shí)的電動(dòng)勢(shì)相量圖，并推導(dǎo)其功角特性，此時(shí)?角代表什么意義？

6．30為何在隱極電機(jī)中定子電流和定子磁場(chǎng)不能相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，但是在凸極電機(jī)中卻可以產(chǎn)生？

6．33試證明在計(jì)及定子電阻時(shí)，隱極發(fā)電機(jī)的輸出功率P2、電磁功率Pem和功率角?的關(guān)系式各為P2?mE0UZt??????msinU2Ztsin?

Pem?mE0UZt??????msinE0Zt2sin?

式中，??arctanRaXt；Zt為同步阻抗的模，即Zt?Ra?Xt。

226，37同步電動(dòng)機(jī)帶額定負(fù)載時(shí)，如cos??1，若在此勵(lì)磁電流下空載運(yùn)行，cos?如何變？

6．38從同步發(fā)電機(jī)過(guò)渡到電動(dòng)機(jī)時(shí)，功率角?、電流I、電磁轉(zhuǎn)矩Tem的大小和方向有何變化？

6．39為什么當(dāng)cos?滯后時(shí)電樞反應(yīng)在發(fā)電機(jī)的運(yùn)行里為去磁作用而在電動(dòng)機(jī)中卻為助磁作用？

6．40一水電廠供應(yīng)一遠(yuǎn)距離用戶，為改善功率因數(shù)添置一臺(tái)調(diào)相機(jī)，此機(jī)應(yīng)裝在水電廠內(nèi)還是在用戶附近？為什么？

6．41有一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，功率角?為30?。設(shè)在勵(lì)磁保持不變的狀況下，運(yùn)行狀況發(fā)生了下述變化，問(wèn)功率角有何變化（定子電阻和凸極效應(yīng)忽略不計(jì)）：（1）電網(wǎng)頻率下降5%，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變；

（2）電網(wǎng)頻率下降5%，負(fù)載功率不變；

（3）電網(wǎng)電壓和頻率各下降5%，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變。

6．42同步電動(dòng)機(jī)為什么沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩？其起動(dòng)方法有哪些？

6．43為什么變壓器的正、負(fù)序阻抗一致而同步電機(jī)的卻不同？同步電機(jī)的負(fù)序阻抗與感應(yīng)電機(jī)相比有何特點(diǎn)？

6．44負(fù)序電抗X?的物理意義如何？它和裝與不裝阻尼繞組有何關(guān)系？

6．45有兩臺(tái)同步發(fā)電機(jī)，定子完全一樣，但一個(gè)轉(zhuǎn)子的磁極用鋼板疊成，另一個(gè)為實(shí)心磁極（整塊鍛鋼），問(wèn)哪臺(tái)電機(jī)的負(fù)序阻抗要小些？

6．46為何單一致步發(fā)電機(jī)尋常都在轉(zhuǎn)子上裝阻尼作用較強(qiáng)的阻尼繞組？6．55步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的原理是怎樣的？步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的相數(shù)與極數(shù)有何聯(lián)系？

6．56有一PN?25000kW、UN?10.5kV、Y聯(lián)接、cos?N?0.8（滯后）的汽

??輪發(fā)電機(jī)，Xt?2.13，電樞電阻略去不計(jì)，試求額定負(fù)載下發(fā)電機(jī)