电机习题与解答(同步电机).doc

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6.1三相同步发电机基本工作原理和结构

6-1-1同步发电机是怎样发出三相对称正弦交流电的？

答：

同步发电机的转子上绕有励磁绕组，通以直流电励磁，产生磁场，并由原动机带动旋转，使定子三相对称绕组不断切割转子磁场而感应出三相交流电动势。

（1）波形：

由于感应电动势的波形主要取决于转子磁场在气隙空间分布的波形，制造时使转子磁极的磁场在气隙空间尽可能按正弦波分布，三相绕组的Y形连接和采用短距、分布绕组，便得到正弦波形的感应电动势；

（2）大小：

由于定子三相绕组对称，它们切割同一个转子磁场，三相感应电动势也对称，大小均为

（3）相位差和相序：

由于定子绕组在空间位置上互差1200电角度，转子旋转磁场切割定子三相绕组在时间上有先后顺序，定子的三相感应电动势在时间相位上就互差1200电角度，如果将先切割的一相定义为A相，则后切割的那两相就为B相和C相，因此三相电动势的相序与转子转向一致，其由转子转向决定；

（4）频率：

转子转过一对磁极，感应电动势就经历一个周期的变化，若电机有p对磁极，转子以每分钟n转旋转，则每分钟内电动势变化pn个周期，即频率为：

也就是当电机的磁极对数p一定时，频率f和转速n有严格不变的关系。

6-1-2什么叫同步电机？

其感应电动势频率和转速有何关系？

怎样由其极数决定它的转速？

答：

转子的转速恒等于定子旋转磁场的转速的电机称为同步电机，其感应电动势的频率与转速之间的关系是：

，当电机的磁极对数p一定时，f∝n，即：

频率f与转速n之间保持严格不变的关系。

6-1-3说明汽轮发电机的基本结构，为什么汽轮发电机的转子采用隐极式，而水轮发电机的转子采用凸极式？

答：

汽轮发电机的基本结构由定子、转子两部分组成，定子由定子铁心、电枢绕组、机座及端盖等部件组成；转子由转子铁心、励磁绕组、护环、集电环、中心环、阻尼绕组和风扇等组成。

隐极式发电机转子的励磁绕组嵌放在转子表面各槽内，气隙均匀，机械强度好，适用于少极、高转速的汽轮发电机，凸极式发电机转子气隙不均匀，对着极弧气隙小，而极间气隙大，励磁绕组嵌放在极弧下，适用于多极低转速的水轮发电机。

6-1-4有一台QFS-300-2的汽轮发电机，UN=18千伏，，fN=50赫兹，试求

（1）发电机的额定电流；

（2）发电机在额定运行时能发多少有功和无功功率？

解：

（1）额定电流

（2）额定功率因数角

有功功率

无功功率

6-1-5有一台TS854-210-40的水轮发电机，PN=100兆瓦，UN=13。

8千伏，，fN=50赫兹，求

（1）发电机的额定电流；

（2）额定运行时能发多少有功和无功功率？

（3）转速是多少？

解：

（1）额定电流

（2）有功功率

无功功率

（3）转速

6.2三相同步发电机运行原理

6-2-1试比较三相对称负载时同步发电机的电枢磁动势和激磁磁动势的性质，它们的大小、位置和转速各由哪些因素决定的？

答：

电枢反应磁动势是交流励磁，励磁磁动势是直流励磁

基波波形

大小

位置

转速

励磁磁动势

正弦波

恒定不变，由励磁电流大小决定

由转子位置决定

由原动机的转速决定（根据f、p）

电枢反应磁动势

正弦波

恒定不变，由电枢电流大小决定

由电枢电流的瞬时值决定

由电流的频率和磁极对数决定

ZL

6-2-2同步发电机的电枢反应性质主要决定于什么？

在下列情况下，电枢反应各起什么作用？

1）三相对称电阻负载；

2）电容负载，发电机同步电抗；

3）电感负载

答：

电枢反应的性质取决于内功率因数角ψ，

而ψ角既与负载性质有关，又与发电机本身的参数有关。

由等效电路图可知（忽略电枢绕组电阻ra）：

①当负载阻抗为ZL=R时，阻抗Z=jxt+R，其阻抗

角ψ在900>ψ>00范围内，即空载电动势和

电枢电流之间的相位角ψ在900>ψ>00范围内，

所以电枢反应既有交轴又有直轴去磁电枢反应；

②当负载阻抗为ZL=-jxc时，阻抗Z=jxt-jxc，由于xt*=1.0>xc*=0.8,阻抗角ψ=900，即空载电动势和电枢电流之间的相位角ψ=900，所以电枢反应为直轴去磁电枢反应；

③当负载阻抗为ZL=jxL时，阻抗Z=jxt+jxL的阻抗角为ψ=900，即空载电动势和电枢电流之间的相位角ψ=900，所以电枢反应为直轴去磁电枢反应。

6-2-3保持转子激磁电流不变，定子电流I=IN，发电机转速一定，试根据电枢反应概念，比较：

（1）空载；

（2）带电阻负载；（3）带电感负载；（4）带电容负载时发电机端电压的大小？

为保持端电压为额定值，应如何调节？

答：

（1）空载时，端电压为空载电动势，即UN=E0；

（2）和（3）情况下，电枢反应有直轴去磁作用，端电压将下降，低于空载电动势，但带纯感性负载（参看上题等效电路），内功率因数角ψ=900，而带纯电阻负载时的ψ更接近00（见上题），故纯感性负载时的电枢反应直轴去磁作用更强，端电压下降得更多；

（4）种情况由于负载的容抗大于发电机的同步电抗，使内功率因数角ψ<00,接近-900，所以电枢反应的性质为直轴助磁，使端电压上升，即U>E0；

综上所述，电压从大到小的顺序为：

U4>U1>U2>U3。

欲保持端电压为额定值，当U>UN时，应减小励磁电流；当U

6-2-4同步电机的电枢反应电抗与异步电机的什么电抗相似？

指出它们的相似处？

答：

同步电机电枢反应电抗xa与异步电机的励磁电抗xm相似；

这两个电抗所对应的磁通都是由定子三相电流产生的，都通过气隙，既交链定子绕组，又交链转子绕组，两个电抗都与气隙大小、电源频率、绕组匝数、铁心几何尺寸、材质及磁路的饱和程度有关。

6-2-5同步电抗对应什么磁通？

它的物理意义是什么？

答：

同步电抗是电枢反应电抗和漏抗之和；

物理意义：

同步电抗是表征三相稳定运行时，电枢旋转磁场和漏磁场对电枢电路作用的一个综合参数；同步电抗越大，表示一定负载电流时，电枢反应磁场和漏磁场越强，由它们在电枢绕组中引起的电抗压降越大。

6-2-6为什么同步电抗的数值一般都较大（不可能做得较小），试分析下列情况对同步电抗的影响？

1）电枢绕组匝数增加；

2）铁心饱和程度增大；

3）气隙加大；

4）激磁绕组匝数增加。

答：

由于电机的气隙较小，磁阻很小，由得，同步电抗较大。

（1）电枢绕组匝数增加，同步电抗增大；

（2）铁心饱和程度提高，磁阻增大，同步电抗减小

（3）气隙增大，磁阻增大，同步电抗减小。

（4）励磁绕组匝数增加，由于未改变电枢绕组的匝数及电机磁路的磁阻，所以同步电抗不变。

6-2-7一台同步电机，定子绕组施以三相对称电压，并保持恒定，试问：

抽出转子与使转子以同步速沿电枢旋转方向旋转（激磁绕组开路）这两种情况下哪种情况定子电流大，为什么？

答：

定子绕组施以三相对称低电压，将在绕组中产生三相对称电流并形成旋转磁场，定子侧的电动势方程式为：

若忽略定子漏阻抗压降，上式为：

上式表明，当电源电压不变时，气隙磁通基本不变。

产生气隙磁通的磁动势的大小主要取决于气隙磁通磁路的磁阻。

当转子在同步速下沿电枢旋转磁场方向旋转并与抽出转子相比：

前者气隙磁通路径上磁阻小而后者磁路的磁阻很大，产生同样大的磁通所需的电流前者就比后者的小。

所以，抽出转子后电枢电流会很大，但由于定子只是施以三相对称低电压，所以电枢电流不会大到烧毁绕组的程度。

6-2-8同步发电机带上>00的对称负载，后，端电压为什么会下降，

试用磁路和电路两方面分别加以分析？

答：

磁路方面：

带上>00的对称负载，电枢反应的性

质有直轴去磁作用，故端电压会下降。

电路方面：

电动势方程：

由相量图可见，发电机带上>00的负载后，由于电机本身阻抗压降的影响，使得端电压下降。

6-2-9表征同步发电机单机对称稳定运行的性能有哪些特性？

其变化规律如何？

什么叫短路比？

它和同步电抗有何关系？

它的大小对电机的运行性能和制造成本有何关系？

答：

有空载特性、短路特性、外特性和调整特性，变化规律曲线为：

空载特性：

短路特性：

If

Ik

Ifk

IN

0

If

U0

UN

If0

I

IN

0

If

φ<0°

φ=0°

φ>0°

外特性：

调整特性：

I

IN

0

UN

U

φ<0°

φ>0°

ф=0°

短路比Kc：

是指在空载特性曲线上对应额定电压时的励磁电流If0下，三相稳态短路电流Ik与额定电流IN的比值；

Kc与同步电抗的关系是：

其中，Ks为电机的饱和系数。

影响：

如果短路比大，由短路比的表达式：

知，空载时产生额定电压（或E0）所需的励磁电流就大，或者说，运行时要产生所需的E0就要有较大的励磁磁动势。

这就表明发电机的气隙大，在保证气隙磁通密度一定的条件下需增大励磁磁动势，其一需增加励磁绕组匝数，其二需增加励磁电流（即需增加励磁电源容量及励磁绕组导线截面）。

另外，气隙大，必导致定子几何尺寸增加，直接影响了电机的制造成本。

另一方面，由于气隙大，同步电抗减小，使电机的三相稳态短路电流大，电压变化率小及并网运行时电机的稳定性提高。

6-2-10同步发电机短路特性曲线为什么是直线？

当时，这时的激磁电流已处于空载特性曲线的饱和段，为什么此时求得的却是不饱和值，而在正常负载下却是饱和值？

答：

同步发电机短路时，略去电枢绕组电阻有：

，而气隙电动势为：

此时气隙电动势只需用来平衡漏抗压降，因xσ很小，故气隙电动势很小，用来感应气隙电动势的气隙磁通很小，所以短路时，电机磁路不饱和，E0∝If，而E0∝Ik，因此Ik∝If，所以短路特性是一条过原点的直线。

，尽管当Ik=IN时励磁电流已于空载特性的饱和段，但其E0取之于空载特性曲线的气隙线，而且短路时电机磁路又处于不饱和状态，所以求得的xd为不饱和值。

在正常负载下，电机磁路处于饱和状态，所以xd为饱和值。

6-2-11负载大小的性质对发电机外特性和调整特性有何影响？

为什么？

电压变化率与哪些因素有关？

答：

（参看见题6-2-9图）

对外特性的影响：

（1）发电机带阻、感性负载时，电枢反应有直轴去磁作用，随着负载的增加，去磁作用越强，端电压下降越多，外特性曲线下降程度越大；

（2）带容性负载（负载容抗大于同步电抗）时，电枢反应为直轴助磁，随着负载的增加，助磁作用越强，端电压上升越多，外特性曲线上升程度越大。

对调整特性的影响：

（1）发电机带阻、感性负载时，电枢反应有直轴去磁作用，随着负载的增加，去磁作用越强，端电压下降越多，为保持端电压不变，必须增加励磁电流，使增加的励磁磁动势恰好用来平衡去磁的电枢磁动势，所以曲线上升；

（2）带容性负载（负载容抗大于同步电抗）时，电枢反应为直轴助磁，随着负载大小的增加，助磁作用越强，端电压上升越多，为保持端电压不变，必须减小励磁电流，使减小的励磁磁动势恰好用来平衡助磁的电枢磁动势，所以曲线下降。

6-2-12一台同步发电机在额定负载运行情况下保持激磁电流不变而甩去全部负载，此时端电压上升率为

ΔU升，在空载额定电压时保持激磁电流不变而加上额定负载，此时端电压下降变化率为ΔU降，问ΔU升和

ΔU降哪个大？

为什么？

答：

ΔU降>ΔU升。

原因是:

见图（a）（为外特性曲线）第一种情况