電機(jī)學(xué)：第5篇－同步電機(jī)－思考題

1、5-1 汽輪發(fā)電機(jī)和水輪發(fā)電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有何區(qū)別，原因何在？【答】 在結(jié)構(gòu)上，汽輪發(fā)電機(jī)為隱極轉(zhuǎn)子，水輪發(fā)電機(jī)為凸極轉(zhuǎn)子。原因：汽輪發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)為汽輪機(jī)，轉(zhuǎn)速高，離心力大。故采用整塊鋼通過鍛壓工藝把轉(zhuǎn)子制成一個(gè)整體。水輪發(fā)電機(jī)的原動(dòng)機(jī)為水輪機(jī)，轉(zhuǎn)速低，離心力小。故采用相對(duì)簡(jiǎn)單的焊接工藝把轉(zhuǎn)子制成由多個(gè)部分組成的組合件。5-2 同步電機(jī)有哪幾種運(yùn)行狀態(tài)，如何區(qū)分？【答】 同步電機(jī)有發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)和補(bǔ)償機(jī)三種運(yùn)行狀態(tài)。可以通過功率角來(lái)表征，功率角定義為相量超前相量的角度?？梢缘葍r(jià)為主磁場(chǎng)空間矢量超前合成磁場(chǎng)的角度。具體區(qū)分如下：時(shí)，轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)超前于合成磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上受到一個(gè)制動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子輸

2、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；時(shí)，轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)與合成磁場(chǎng)的軸線重合，電磁轉(zhuǎn)矩為零，電機(jī)內(nèi)沒有有功功率的轉(zhuǎn)換，電機(jī)處于補(bǔ)償機(jī)狀態(tài)（或空載狀態(tài)）；時(shí)，轉(zhuǎn)子主磁場(chǎng)滯后于合成磁場(chǎng)，轉(zhuǎn)子上受到一個(gè)驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電磁轉(zhuǎn)矩，定子繞組從電網(wǎng)吸收電功率，轉(zhuǎn)子可拖動(dòng)負(fù)載輸出機(jī)械功率，電機(jī)作電動(dòng)機(jī)運(yùn)行。5-4 何謂同步電機(jī)的電樞反應(yīng)？電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于什么？試討論下列各種情況下的電樞反應(yīng)（發(fā)電機(jī)慣例）：（1）電樞電流超前于勵(lì)磁電勢(shì)以角時(shí)；（2）電樞電流滯后于勵(lì)磁電勢(shì)以角時(shí)，其中?！敬稹?同步電機(jī)在空載時(shí)，氣隙中僅存在著轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)。負(fù)載以后，除轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢(shì)外，定子三相電流也產(chǎn)生電樞磁動(dòng)勢(shì)。電

3、樞磁動(dòng)勢(shì)的存在，使氣隙中磁場(chǎng)的大小及位置發(fā)生變化，這種現(xiàn)象成為電樞反應(yīng)。電樞反應(yīng)的性質(zhì)取決于電樞磁動(dòng)勢(shì)和主磁場(chǎng)在空間的相對(duì)位置，空載電動(dòng)勢(shì)和負(fù)載電流之間的夾角，即取決于負(fù)載的性質(zhì)。（1）電樞電流超前于勵(lì)磁電勢(shì)以角，產(chǎn)生直軸增磁電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。（2）電樞電流滯后于勵(lì)磁電勢(shì)以角，產(chǎn)生直軸去磁電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。5-5 試述交軸和直軸電樞反應(yīng)對(duì)同步發(fā)電機(jī)中能量轉(zhuǎn)換和運(yùn)行性能的影響?！敬稹?交軸電樞反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)換有直接關(guān)系。直軸電樞反應(yīng)與能量轉(zhuǎn)換有間接關(guān)系。 能量轉(zhuǎn)換需要磁場(chǎng)。直接影響磁場(chǎng)，通過磁場(chǎng)影響能量轉(zhuǎn)換。沒有仍然有能量轉(zhuǎn)換，但如果，即，則沒有能量轉(zhuǎn)換。以隱極機(jī)為例，。影響磁

4、場(chǎng)，從而影響發(fā)電機(jī)的功率因數(shù)。5-6 試述電樞反應(yīng)電抗的意義?！敬稹侩姌蟹磻?yīng)電抗是對(duì)應(yīng)于電樞反應(yīng)磁通的電抗，即等于單位電樞電流所產(chǎn)生的電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。反映電樞反應(yīng)主磁路（簡(jiǎn)稱主磁路）、電樞繞組的一個(gè)參數(shù)。主磁路磁阻越大，則越大；電樞繞組匝數(shù)越多，則越大。5-7 試畫隱極同步發(fā)電機(jī)在純電阻負(fù)載時(shí)的相量圖，并說明這種情況下的電樞反應(yīng)的性質(zhì)?！敬稹?因?yàn)闉殇J角，故電樞反應(yīng)的性質(zhì)為直軸去磁電樞磁動(dòng)勢(shì)和交軸電樞磁動(dòng)勢(shì)。5-8 為什么分析凸極同步電機(jī)時(shí)要用雙反應(yīng)理論？凸極同步發(fā)電機(jī)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，若既不等于又不等于，問電樞磁場(chǎng)的基波與電樞磁動(dòng)勢(shì)的基波在空間是否同相，為什么？【答】 因?yàn)榧词共挥?jì)磁飽和，凸極同步

5、發(fā)電機(jī)的氣隙沿電樞圓周是不均勻的，氣隙磁阻不是常數(shù)，因此，電樞反應(yīng)電勢(shì)無(wú)法用一個(gè)負(fù)的電抗壓降來(lái)表示，從而無(wú)法引入電樞反應(yīng)電抗。所以分析凸極機(jī)時(shí)，必須采用雙反應(yīng)理論。既不等于又不等于時(shí)，電樞磁場(chǎng)基波與電樞磁勢(shì)基波在空間不同相。因?yàn)榇藭r(shí)、都不等于零。由、合成而得。與成比例，與成比例。、磁路的磁阻不同，導(dǎo)致這兩個(gè)比例不同，故與的相位不同。5-9 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？【答】 直軸同步電抗表征單位直軸電流所產(chǎn)生的直軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與漏電勢(shì)之和。交軸同步電抗表征單位直軸電流所產(chǎn)生的交軸電樞反應(yīng)電動(dòng)勢(shì)與漏電勢(shì)之和。，和的大小與磁路的磁阻、繞組的有效匝數(shù)、頻

6、率有關(guān)。5-10 試述同步發(fā)電機(jī)單獨(dú)負(fù)載運(yùn)行和與電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，性能上有哪些差別，原因何在？【答】 同步發(fā)電機(jī)單獨(dú)負(fù)載運(yùn)行時(shí)，負(fù)載發(fā)生變化，發(fā)電機(jī)的頻率和端電壓將相應(yīng)地隨之變化。當(dāng)同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)，發(fā)電機(jī)單機(jī)的功率調(diào)節(jié)、個(gè)別負(fù)載的變動(dòng)或其他擾動(dòng)對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的電壓、頻率影響甚微，發(fā)電機(jī)的頻率和端電壓與電網(wǎng)相一致，基本不變。5-11 試述同步發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)并聯(lián)的條件和方法?！敬稹?同步發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)并聯(lián)的條件： 發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的相序一致； 發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的電壓波形相同； 發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)的頻率相等； 發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)與電網(wǎng)電壓大小相等、相位相同，即。同步發(fā)電機(jī)投入電網(wǎng)并聯(lián)的方法： 準(zhǔn)確整步法；

7、自整步法。5-12 試述同步發(fā)電機(jī)與電網(wǎng)并聯(lián)時(shí)靜態(tài)穩(wěn)定的概念?！敬稹?并網(wǎng)在電網(wǎng)上的同步發(fā)電機(jī)，在某一工作點(diǎn)運(yùn)行時(shí)，如果外界（電網(wǎng)或原動(dòng)機(jī)）發(fā)生微小的擾動(dòng)，在擾動(dòng)消失后，發(fā)電機(jī)是否回復(fù)到原先的狀態(tài)下穩(wěn)定地運(yùn)行，稱為同步發(fā)電機(jī)的靜態(tài)穩(wěn)定問題。如能回復(fù)，說明同步發(fā)電機(jī)是穩(wěn)定的；反之，則是不穩(wěn)定的。5-14 試述同步補(bǔ)償機(jī)的原理和用途。同步補(bǔ)償機(jī)應(yīng)當(dāng)裝設(shè)在送電端還是受電端？為什么？【答】 同步補(bǔ)償機(jī)可以看作為空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。其型曲線相當(dāng)于時(shí)電動(dòng)機(jī)的型曲線。在正常勵(lì)磁時(shí)，補(bǔ)償機(jī)的電樞電流接近于零；過勵(lì)時(shí)，補(bǔ)償機(jī)能從電網(wǎng)吸取超前的無(wú)功電流；欠勵(lì)時(shí)，補(bǔ)償機(jī)則從電網(wǎng)吸取滯后的無(wú)功電流。5-15 試述同

8、步發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)和電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，、和角的變化范圍?！敬稹?同步發(fā)電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運(yùn)行時(shí)，由轉(zhuǎn)子輸入機(jī)械功率，從定子繞組向電網(wǎng)或負(fù)載輸出電功率，電磁功率；同時(shí)，勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)超前于端電壓，電磁轉(zhuǎn)矩為制動(dòng)轉(zhuǎn)矩；同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角和內(nèi)功率因數(shù)角均在范圍內(nèi)，即和均為正值。同步發(fā)電機(jī)作為電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，由電網(wǎng)輸入電功率，從轉(zhuǎn)子輸出機(jī)械功率，若仍用發(fā)電機(jī)慣例（輸出電流為正方向）來(lái)分析，可看作電動(dòng)機(jī)向電網(wǎng)輸送負(fù)的電流，發(fā)出負(fù)功率，即電磁功率；相應(yīng)地，功率角亦成為負(fù)值，即勵(lì)磁電動(dòng)勢(shì)滯后于端電壓，電磁轉(zhuǎn)矩為驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩；同步電動(dòng)機(jī)的功率因數(shù)角和內(nèi)功率因數(shù)角均在范圍外，即和均為負(fù)值。綜上所述： 5-16 有一臺(tái)同步電動(dòng)機(jī)在額定電壓、額定頻率、額定負(fù)載下（功率因數(shù)為超前）運(yùn)行時(shí)，功率角，現(xiàn)因電網(wǎng)發(fā)生故障，情況有如下變化時(shí)，功率角有何變化？（1）電網(wǎng)頻率下降，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變；（2）電網(wǎng)電壓和頻率都下降，負(fù)載轉(zhuǎn)矩不變；設(shè)勵(lì)磁一直保持不變，電樞電阻、凸極效應(yīng)和飽和效應(yīng)均忽略不計(jì)。【答】 由以及If不變可知：（1）電網(wǎng)頻率下降，則、E0、Xd、Xq下降，要Tem不變，則應(yīng)有、度減小。（2）電網(wǎng)電壓和頻率都下降，則、不變。5-17 有一無(wú)窮大電網(wǎng)，受電端的線電壓，供電給一個(gè)，（滯后）的三相負(fù)載。今欲加裝同步補(bǔ)償機(jī)以把線路的功率因數(shù)提高0.95