同步電機(jī)課后習(xí)題(2003)課件

1、陳知前2013年12月6-1：汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)上有和區(qū)別？原因何在？答：汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上區(qū)別在于轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)不同，汽輪發(fā)電機(jī)采用隱極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)，水輪發(fā)電機(jī)采用凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)。另外，汽輪發(fā)電機(jī)一般采用臥式結(jié)構(gòu)，水輪發(fā)電機(jī)常采用立式結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代汽輪發(fā)電機(jī)一般都是兩級的，同步轉(zhuǎn)速為3000r/min。由于轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)子受到極大的機(jī)械應(yīng)力，為提高轉(zhuǎn)子的機(jī)械強(qiáng)度，將轉(zhuǎn)子做成隱極式的，即轉(zhuǎn)子鐵心采用整塊高強(qiáng)度合金鍛成，沿轉(zhuǎn)子表面約2/3部分銑有軸向凹槽，勵磁繞組分散地嵌放在槽中，因此勵磁繞組的固定極為可靠，嵌線部分和未開槽的“大齒”構(gòu)成主磁極。這種隱極式的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度高，適合高速運(yùn)行的

2、汽輪發(fā)電機(jī)。另外，由于轉(zhuǎn)速高，汽輪發(fā)電機(jī)的直徑較小，長度較長，所以一般為臥式結(jié)構(gòu)。水輪發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速低，轉(zhuǎn)子離心力較小，轉(zhuǎn)子承受的機(jī)械應(yīng)力較小，故采用制造簡單、勵磁繞組集中安放的凸極式轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)較為合理。另外，由于大型水輪發(fā)電機(jī)極數(shù)多，轉(zhuǎn)速低，要求轉(zhuǎn)動慣量大，故特點(diǎn)是直徑大，長度短，大型水輪發(fā)電機(jī)通常采用立式結(jié)構(gòu)。6-2：同步電機(jī)有幾種運(yùn)行狀態(tài)？答：同步電機(jī)有三種運(yùn)行狀態(tài)：發(fā)電機(jī)狀態(tài)、補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)和電動機(jī)狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子主磁極超前于定子合成磁場，即功角 時，轉(zhuǎn)子由于要克服制動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩而輸入機(jī)械功率，定子繞組向電網(wǎng)或負(fù)載輸出電功率，電機(jī)作發(fā)電機(jī)運(yùn)行。當(dāng)轉(zhuǎn)子主磁極與定子合成磁場的軸向重合，即功角 時，

3、電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時電機(jī)內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，電機(jī)只發(fā)出或吸收無功功率，電機(jī)處于補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)或空載狀態(tài)。當(dāng)轉(zhuǎn)子主磁極滯后于定子合成磁場，即功角 時，轉(zhuǎn)子上將受到一個與其轉(zhuǎn)向相同的驅(qū)動性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩。此時定子從電網(wǎng)中吸收電功率，轉(zhuǎn)子可以拖動機(jī)械負(fù)載而輸出機(jī)械功率，電機(jī)作為電動機(jī)運(yùn)行。0006-3：試述同步電機(jī)的主要勵磁方式？答：同步電機(jī)的主要勵磁方式有以下兩種：1、直流勵磁機(jī)勵磁。直流勵磁機(jī)通常與同步電機(jī)同軸聯(lián)結(jié)，其勵磁繞組采用并勵或他勵接法。當(dāng)采用他勵時，勵磁機(jī)的勵磁由副勵磁機(jī)供給。為使同步發(fā)電機(jī)的輸出電壓保持恒定，常在勵磁電路中加入一個反映負(fù)載大小的自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，即復(fù)式勵磁系統(tǒng)。2、整流器

4、勵磁。整流器勵磁又分為靜止式和旋轉(zhuǎn)式兩種。靜止整流器勵磁系統(tǒng)中的主勵磁機(jī)是一臺與同步發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)接的三相交流發(fā)電機(jī)，其交流輸出經(jīng)靜止三相橋式不可控整流器整流后，通過集電環(huán)接到主發(fā)電機(jī)的勵磁繞組，供給其直流勵磁；主勵磁機(jī)的勵磁由交流副勵磁機(jī)發(fā)出的交流電經(jīng)靜止可控整流器整流后供給，副勵磁機(jī)是一臺中頻三相同步發(fā)電機(jī)，也與主發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)結(jié)，主發(fā)電機(jī)的勵磁通過電壓調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)式整流器勵磁系統(tǒng)的主勵磁機(jī)是與主發(fā)電機(jī)同軸聯(lián)結(jié)的旋轉(zhuǎn)式三相同步發(fā)電機(jī)，電樞的交流輸出經(jīng)與主軸一起旋轉(zhuǎn)的不可控整流器整流后，形成直流勵磁電流送到主發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子勵磁繞組；因為主勵磁機(jī)的電樞、整流裝置和主發(fā)電機(jī)的勵磁繞組三者為同軸旋轉(zhuǎn)

5、，不在需要集電環(huán)和電刷，所以這種系統(tǒng)又稱為無刷勵磁系統(tǒng)。6-4：同步發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于什么？交軸和直軸電樞反應(yīng)對同步發(fā)電機(jī)的運(yùn)行有何影響？ 答：同步發(fā)電機(jī)電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于電樞磁動勢和主磁場在空間的相對位置，即激磁電動勢和負(fù)載電流之間的相角差(內(nèi)功率因數(shù)角 )。交軸電樞反應(yīng)產(chǎn)生交軸電樞磁動勢，與產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩及能量轉(zhuǎn)換直接相關(guān)；直軸電樞反應(yīng)產(chǎn)生直軸電樞磁動勢，起到增磁或者去磁的作用，與電機(jī)的無功功率和功率因數(shù)的超前或滯后相關(guān)。當(dāng) 時，既存在交軸電樞反應(yīng)，也存在直軸電樞反應(yīng)(去磁作用)；當(dāng) 時，既存在交軸電樞反應(yīng)，也存在直軸電樞反應(yīng)(助磁作用)；當(dāng) 時，只有交軸電樞反應(yīng)；當(dāng) 時，只存在直

6、軸電樞反應(yīng)(去磁作用)；當(dāng) 時，只存在直軸電樞反應(yīng)(助磁作用)。00090090000090090 6-5：試說明隱極同步發(fā)電機(jī)帶上純電阻負(fù)載時，電樞反應(yīng)的性質(zhì)？答：當(dāng)發(fā)電機(jī)的負(fù)載為純電阻負(fù)載時，電樞電流I與電壓U同相位，由于U滯后于 一個角度( )，故I也將滯后于 一個角，即內(nèi)功率因數(shù)角 等于，故有 ，所以此時電樞反應(yīng)的性質(zhì)為既存在交軸電樞反應(yīng)，也存在直軸電樞反應(yīng)，且直軸電樞反應(yīng)為去磁作用。分析：隱極同步發(fā)電機(jī)相量圖0E0E0E =UIRasjIX009006-7：試述直軸和交軸同步電抗的意義。 和 的大小與哪些因素有關(guān)？ 和 通常在什么范圍內(nèi)？dXqX*dX*qX答：直軸同步電抗：X d

7、= Xad + X 交軸同步電抗： X q = Xaq + X Xad和Xaq分別稱為直軸電樞反應(yīng)電抗和交軸電樞反應(yīng)電抗，它們分別表征了直軸電樞反應(yīng)和交軸電樞反應(yīng)的強(qiáng)弱。 X是電樞漏電抗，反應(yīng)了電樞漏磁場的大小。 Xd和Xq分別表示當(dāng)直軸電樞電流和交軸電樞電流為1A時，直軸或交軸電樞總磁場在電樞繞組中感應(yīng)的相電動勢，它們表征對稱穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時電樞漏磁場和直軸、交軸電樞反應(yīng)的綜合參數(shù)。由 fN2知：Xd 正比于頻率f，電樞相繞組的串聯(lián)匝數(shù)的平方N2以及直軸氣隙磁導(dǎo)d ；Xq 正比于頻率f，電樞相繞組的串聯(lián)匝數(shù)的平方N2以及直軸氣隙磁導(dǎo)q。注：因為d軸氣隙小于q軸氣隙，所以：dq從而：Xd Xad X

8、q Xaq X 與 的范圍隨著各個時期的設(shè)計制造水平的差異有所不同。汽輪同步發(fā)電機(jī)Xd*=0.92.5, Xq*=0.9 Xd*凸極同步發(fā)電機(jī)Xd*=0.71.5, Xq*=0.41.0凸極同步電動機(jī)Xd*=1.32.0, Xq*=0.81.3*dX*qX6-8：有一臺70000kVA、60000kW、13.8kV（星形聯(lián)結(jié)）的三相水輪發(fā)電機(jī)，交、直軸同步電抗的標(biāo)幺值分別為Xq*=0.7，Xd*=1，試求額定負(fù)載時發(fā)電機(jī)的激磁電動勢E0*(不計磁飽和與定子電阻)。解：額定負(fù)載時 U=UN，I=IN，P2=PN。故U*=1，I*=1 負(fù)載功率因數(shù)內(nèi)功率因數(shù)角功率角 以勵磁電動勢 為參考相量，則有

9、：01 sin311 0.7arctan54.79sinarctancos81 cos31qaUI XUI R0=54.83123.8 0E1()U 01 ()I 60000cos0.85714 3170000NNNNPS電流直軸分量：電流交軸分量：不計磁飽和與定子電阻，凸極同步發(fā)電機(jī)的電壓方程為*0jsinsin54.8dIIj *0coscos54.8qII01.732ddqqEUj I Xj I X0E0UqqXIjddXIjdIqI軸d6-9：有一臺汽輪發(fā)電機(jī)的數(shù)據(jù)如下：額定容量SN=15000kVA，額定電壓UN=6.3kV(Y聯(lián)結(jié))，額定功率因數(shù)cosN=0.8(滯后)。由空載、短

10、路試驗得到數(shù)據(jù)如下表：試求：(1)同步電抗的實際值和標(biāo)幺值；(2)不計飽和與電樞電阻，額定負(fù)載時發(fā)電機(jī)的勵磁電動勢E0.解：（1）額定電流 電抗基值為勵磁電流If/A102158電樞電流I(從短路特性上查得)/A8871375線電壓UL(從空載特性上查得)/V63007350線電壓UL(從氣隙線上查得)/V800012390A64.1374A103 . 631015000333NNNUSI646. 264.137436300NNbIUZ先算同步電抗的不飽和值。在勵磁電流為102A時，從氣隙線查得勵磁電動勢為E0= V=4618.8V，從短路特性查得同一勵磁電流下對應(yīng)短路電流為887A ，故同步

11、電抗不飽和值為：再算同步電抗的飽和值。由空載特性知額定電壓對應(yīng)的勵磁電流為102A，再由短路特性知對應(yīng)的該勵磁電流的短路電流為887A，因此同步電抗飽和值為： （2）額定負(fù)載時，以電樞電流相量為參考相量，額定運(yùn)行且不考慮飽和與定子電阻時，有0800035.207887sEXI 968. 1646. 2207. 5bssZXX8000/3101. 488736300)(IUXNs飽和55. 1646. 2101. 4)()(bssZXX飽和飽和01arccos0.81 01.9682.6897 70.955sEUjI Xj 002.6897 630039783.5VNEEU6-13：試述同步發(fā)電

12、機(jī)投入電網(wǎng)并聯(lián)的條件和方法？答：投入并聯(lián)的同步發(fā)電機(jī)應(yīng)當(dāng)滿足下列條件：(1)發(fā)電機(jī)的相序應(yīng)與電網(wǎng)一致；(2)發(fā)電機(jī)的頻率應(yīng)與電網(wǎng)相同；(3)發(fā)電機(jī)的激磁電動勢應(yīng)與電網(wǎng)電壓大小相等、相位相同、波形相同。上述條件中第一條必須滿足，其余兩條允許稍有出入。同步發(fā)電機(jī)投入并聯(lián)運(yùn)行的方法有兩種：(1)準(zhǔn)確整步法：把發(fā)電機(jī)調(diào)整到完全滿足投入并聯(lián)運(yùn)行的條件，然后投入電網(wǎng)，稱為準(zhǔn)確整步法。(2)自整步法：確保發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)相序相同，然后按照規(guī)定的轉(zhuǎn)向把發(fā)電機(jī)拖動到接近同步轉(zhuǎn)速，勵磁繞組經(jīng)限流電阻短路；然后把發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)，再立即加上直流勵磁，此時依靠定、轉(zhuǎn)子磁場間所形成的電磁轉(zhuǎn)矩，把轉(zhuǎn)子自動牽入同步。6-16：有

13、一臺Xd *=0.8，Xq*=0.5的凸極同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，已知發(fā)電機(jī)的U=1，I=1， cos=0.8（滯后）電樞電阻略去不計，試求發(fā)電機(jī)的： E0，N (2)Pe (max) (E0保持為上面的值)解：(1)額定功率因數(shù)角：內(nèi)功率因數(shù)角：功率角：arccos0.836.8701 0.6 1 0.5arctan53.971 0sinarctancos.8qaUI XUI R 1.1787.3697.53000cossin1cos17.11sin 53.970.81.603cosdddUIEXUI X(2):201.611sin03 1111sinsin20.820.50.82.003

14、75sin0.375sin2sin22eedqdE UUPXXXP先寫出的表達(dá)式，由功角特性：cos1.64(cos0.30475 解 得 ：不 合 理 ， 舍 去 ） （ 發(fā) 電 機(jī) ）257.72磁轉(zhuǎn)矩時的功率角為：所以對應(yīng)的出現(xiàn)最大電max2.00375sin0.375sin22.00375sin72.2570.375sin 2 72.2572.126eP可得最大電磁轉(zhuǎn)矩：0edPd令：6-18：一臺31250kVA（星形聯(lián)結(jié)）、cosN=0.8（滯后）的汽輪發(fā)電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行、已知發(fā)電機(jī)的同步電抗Xs=7.53，額定負(fù)載時的激磁電動勢E0=17.2kV（相），不計飽和與電樞電阻

15、，試求： 發(fā)電機(jī)在額定負(fù)載時，端電壓U、電磁功率Pe、功率角N、輸出的無功功率Q2及過載能力各為多少？ 維持額定勵磁不變，減少汽輪機(jī)的輸出，使發(fā)電機(jī)輸出的有功功率減少一半，問此時的Pe、cos、Q2將變成多少？解：(1)額定負(fù)載時不考慮電樞電阻，發(fā)電機(jī)的電磁功率約等于輸出功率輸出的無功功率為根據(jù)相量圖列方程arccos0.836.87Ncos31250kVA0.825000kWemNNNNPPS2sin31250kVA0.618750kVarNNQS2203(cos)(sin)NNNSUISEUUIXV4 .12816A76.812V1 .6120A04.1702UIUI或代入數(shù)據(jù)解得：0EU

16、sXIjI001122:sin:250000.00753sin0.5961 , 36.6 36.120117.2250000.00753sin0.2847,:16.53 12.816417.2eNsNNNNP XmUEkWkkVkVkWkkVkV根據(jù)解出第一組解對應(yīng)的所以解出：第二組解對應(yīng)的所以解出對于汽輪發(fā)電機(jī)N 約30至40故取N =36.6此時1702.04A6120.1VIU(2)225000212500 kWeeNPP由于不考慮定子電阻，可以認(rèn)為輸出功率減小一半時，電磁功率也減小一半，所以有：00sinsin0.5sinesNEPEmUX 維持勵磁電流為額定勵磁電流不變，所以激磁電動

17、由于發(fā)電機(jī)接無窮大電網(wǎng)，所以端電壓勢不不變變；又因為所以由功角特性：可得：1arcsin 0.5 sin36.617.344 0EUsXIjI022220016.117.22 6.1 17.2 cos17.34411.522c18ossI XUEUE 由相量圖應(yīng)用余弦定理可得：1125000.446436.11.53c01osekWkkAPIVmU功率因數(shù)為：11.5218 / 0.007531.5301( A)ssII XXk電樞電流為：(kVar)2.250564464.014464.012500cos1cossincos22221kWPPQem無功功率為：110250007.53sin0.7913 52.313 6.1 13000emNsPXmUE因為電機(jī)與無窮大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，所以端電壓不變，由題意知：1388(A)A)(388. 100753. 031.52cos131 . 62131 . 622kXIXIss電樞電流為：25000cos0.98436.11.388emPkWmUIkVkA功率因數(shù)為：22125000 Wsin1 cos1 0.9844526(kVar)coscos0.984NemPPkQ無功功率為：ffXfEs,0不變時下降當(dāng)load5%, Tf000.95,0