机电机拖动张广溢习题答案解析

1、WORD格式编辑整理第七章同步电机7-1什么叫同步电机？ 一台250r/min, 50Hz的同步电机，其极数是多少？答 （1）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f频率与转速之间的关系是：60，当电机的磁极对数p 定时，f * n，即：频率f与转速n之间保持严格不变的关系。（2） 台250r/min, 50Hz的同步电机，其极数是24。7-2汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是什么？答 汽轮发电机和水轮发电机的主要结构特点是：汽轮发电机转速高、极数少，其转子 一般采用隐极式结构，气隙均匀分布，机身比较细长；水轮发电机转速低、极数多，其转子 一般采用凸极式结构，

2、气隙不均匀，直径大，长度短。7-3同步电机在对称负载下运行时，气隙磁场由哪些磁势建立？它们各有什么特点？答 （1）同步电机在对称负载下运行时，除转子磁势外，定子三相电流也产生电枢磁势。电枢磁势的存在，会使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。此时， 气隙中的磁场是由转子磁场和电枢反应磁场共同产生的。（2）它们的特点如下：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 磁电流大小决疋由转子位置 决定由原动机的转速决定（根据p、f）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 的瞬时值决疋由电流的频率和磁极

3、对数 决定7-4同步发电机的内功率因数角，；由什么因数决定的？答 同步发电机的内功率因数角-既与负载阻抗的性质和大小有关，又与发电机本身的参数有关。当负载阻抗为ZL =金或乙=Rl jXL时，总阻抗RL jXs或 Rl j（XL Xs）， 则角在90。0范围内； 当负载阻抗为ZlTXl时，总阻抗Z = j （Xl+xJ，则屮=90。； 当负载阻抗为Zl =-jXL,且Xl说时，总阻抗Z=-j （xl-xJ，则屮=_9O0 ；当负载阻抗为 Zl =Rl - jXL,且Xl 汶s 时，总阻抗 Z = Rl-j （Xl-Xs），0。齊90。7-5什么是同步电机的电枢反应，电枢反应的性质决定于什么？答

4、 同步电机在空载时，定子电流为零，气隙中仅存在着转子磁势。同步电机在负载时， 随着电枢磁势的产生，使气隙中的磁势从空载时的磁势改变为负载时的合成磁势。因此，电 枢磁势的存在，将使气隙中磁场的大小及位置发生变化，这种现象称之为电枢反应。同步发 电机的电枢反应的性质主要决定于空载电势E。和负载电流1 a之间的夹角，亦即决定于负 载的性质。当1 a和Eo同相位，即=。：为交轴电枢反应；当1 a滞后E。9。电角度，即 =90）:为直轴去磁电枢磁势；当1 a超前Eo9O电角度，即- = -9 :为直轴增磁电枢磁 专业知识分享WORD格式编辑整理势；当叩二任意角度时，即一般情况下：当9:产生直轴去磁电枢磁

5、势和交轴电枢磁势，当 -90 :产生直轴增磁电枢磁势和交轴电枢磁势。7-6为什么说同步电抗是与三相有关的电抗，而它的数值又是每相值？答 同步电抗是由电枢反应电抗和漏电抗两部分组成，分别对应于定子电流产生的电枢 反应磁通和定子漏磁通。电枢反应电抗综合反映了三相对称电枢电流所产生的电枢反应磁场 对于一相的影响，它等于电枢反应磁场在一相中感应的电动势与相电流的比值。所以说同步 电抗是与三相有关的电抗，而它的数值又是每相值。7-7隐极电机和凸极电机的同步电抗有何异同？答 对于隐极电机而言，气隙均匀，电枢反应磁通为叮a不论作用在什么位置所遇到的磁 阻相同，其在定子绕组感应电势所对应的电抗 Xa，与定子漏

6、磁通门；感应电势所对应的电抗 X;之和，即Xs=Xa + X；称为隐极同步电机的同步电抗。对于凸极电机而言，直轴及交轴上气隙是不相等的，所以将电枢反应磁势分解为直轴和 交轴分量，其相应的电抗分别为直轴和交轴电枢反应电抗，和定子漏抗相加，便可以得到直 轴同步电抗Xd和交轴同步电抗Xq，即Xd =Xad +XXq =Xaq X 匚在直轴磁路上，由于气隙小，磁阻小，所以Xad较大。在交轴磁路上，由于气隙很大，磁阻大，所以Xaq较小，因此有Xad Xaq，Xd Xq。由于磁路饱和的影响，所以Xa、Xs和Xad、Xaq、Xj、Xq的大小是随着磁路饱和程度 的改变而改变的。7-8测定发电机短路特性时，如果

7、电机转速由额定值降为原来的一半， 对测量结果有何影响？答 由于E和Xd都与转速成正比的关系，而电枢电阻与转速无关，在电机转速为额定值 测量时，由于IRa很小，可以忽略不计。如果电机转速由额定值降为原来的一半时，则IRa在电动势方程式中所占的比例将会增大，不能忽略不计，使测量结果产生较大误差。7-9为什么同步电机稳态对称短路电流不太大， 而变压器的稳态对称短路电流值却很大？答 由于同步电机稳态对称短路电流是由同步电抗Xd或Xs限制的。同步电抗是由电枢反应电抗和漏电抗两部分组成，电枢反应电抗Xad或Xa与异步电机的励磁电抗 Xm相似，是对应主磁路磁化性能的参数，其值很大（X為二1左右），所以同步电

8、机稳态对称短路电流不大。而变压器的稳态对称短路电流由变压器的漏阻抗Zk限制的。变压器漏电抗是对应漏磁路磁化性能的参数，其值很小（ZS=.5左右），因此变压器的稳态对称短路电流值却很大。7-1如何通过试验来求取同步电抗的饱和值与不饱和值？答1）由开路特性的不饱和段及短路特性求取同步电抗 Xs或Xd的不饱和值专业知识分享略2X s或X d不饱和值-I k12）Xs或Xd的饱和值可以按下述方法近似求得。在开路特性上找出对应于额定电压下的励磁电流If0，再从短路特性上找出与该励磁电流对应的短路电流Ik，则UnITx s或x d饱和值3）利用开路特性和零功率因数特性，可以求得同步电抗的饱和值。以对应于零

9、功率因U =Un ,1 = In点c作为电机磁路的饱和程度。过 O A作直线，与KC延长线交于T数特性上点。从图13-15中得CTX d饱和值 或此法比由开路及短路特性求取同步电抗的饱和 值更接近实际情况。Xs4）用转差法求Xd、Xq的不饱和值。将同步电机拖到接近同步转速（转差率 小于0.01 ），转子励磁绕组开路。用示波器同时拍摄电枢电压和电枢电流的波形。 得Xd 二U max /IminX q 一 U min ! I max7-11 有一台三相同步发电机，Pn = 2500 KW,Un = 10.5KV ,y接法，csN =.8 （滞后），作单机运行，已知同步电抗X s =7.52门，电枢

10、电阻不计.每相的励磁电势E =7520V求下列几种负载下的电枢电流，并说明电枢反应的性质。WORD格式编辑整理(1)相值为7.52门的三相平衡纯电阻负载；(2)相值为7.52的三相平衡纯电感负载；(3)相值为15.04的三相平衡纯电容负载；(4)相值为7.52 - j7.52的三相平衡电阻电容负载.Eo7520 . 00解（1）= 707 .1 A.E 45 0jxs Zl j 7.527.52，为交轴与直轴去磁电枢反应;Eo7520 Z00(2)500 A /90 0jx s Z l j7.52 j7.52，为直轴去磁电枢反应;(3)Eo7520. 0 01000 A . 90 0jx s

11、Z l j7 .52 j 15 .04，为直轴助磁电枢反应;Eo7520 /0(4)= 1000 A 00jxs Zl j 7 .52 7.52 - j 7.52，为交轴电枢反应;7-12有一台三相凸极同步发电机，电枢绕组 丫接法，每相额定电压U n = 230V，额定 相电流-g.OGA，额定功率因数cosN =0.8（滞后），已知该机运行于额定状态，每相励磁 电势行E。=410V，内功率因数角=60，不计电阻压降.试求：1 d , 1 q , X d , X q各为多 少？解：（1）电势向量图如右下：6 =屮cp = 60 0 arccos 0.8=23.13=I n sin =9.06s

12、in 60 0 A=7.85A=I n cos =9.06 cos 60 0 A 二 4.53 AXd=E0 -U cos 6 = 410V 230V 汉 cos 23.130 _ 药 3 Id7.85 A.八=U sin 6 = 230 V x sin 23 .130 = 19 9- I q _4.53 A-.八E曲位暨7-13有一台三相隐极同步发电机，电枢绕组丫接法，额定电压 Un = 6300V，额定电流I N = 572A，额定功率因数cos：N =0-8 （滞后）。该机在同步速度下运转，励磁绕组开路， 电枢绕组端点外施三相对称线电压 U =230W，测得定子电流为572 A，如果不计

13、电阻压降，求此电机在额定运行下的励磁电势 Eo。U 2300VX s2.32解同步电抗、31. 3 572AEoCOn N)2 (U3SinnXs)20.6 572 2.32)2V =4559/.6300 T- =( 0.8)2 v37-14有一台三相隐极同步发电机，Pn =25000KW，额定电压 U n =10500/同步电抗Xs =23，不计电阻。求：i n ,cos二 0.8 （滞后）IN, cos：F 二 0.8如图a）所示：E。二（U cos ）2 （U sin、Xs）2电枢绕组 丫接法，额定功率，额定转速5二3000r min，额定电流IN = 1720A ,（1）Ia（2）Ia

14、 解：（1）时的Eo ；（超前）时的Eo0.8)20.6 1.72 2.3)2kV = 9.01kV_E第14章(2) 如图b)所示E。二 i(U cos)2 (U sinI nXs)20.8)2 (105 (-0.6) 1.72 2.3)2kV =4.86kV7-15三相同步发电机投入并联时应满足哪些条件？怎样检查发电机是否已经满足并网 条件，如不满足某一条件，并网时，会发生什么现象？答并网运行的条件是：（1）待并网发电机的电压与电网电压大小相等；（2）待并网发电机的电压相位与电网电压相位相同；（3）待并网发电机的频率与电网频率相等；（4）待并网发电机电压相序与电网电压相序一致。若不满足这些

15、条件：专业知识分享检查发电机是否已经满足并网条件，电压的大小可以用电压表来测量，频率及相序则可 以通过同步指示器来确定。最简单的同步指示器由三个同步指示灯组成，有灯光熄灭法和灯 光旋转法。条件（1）和条件（2）不满足，发电机在并网瞬间会产生巨大的瞬态冲击电流，使定子 绕组端部受冲击力而变形；条件（3）不满足，发电机在并网时会产生拍振电流，在转轴上产生时正、时负的转矩， 使电机振动，同时冲击电流会使电枢绕组端部受冲击力而变形；条件（4）不满足的发电机绝对不允许并网，因为此时发电机电压和电网电压恒差1200,它将产生巨大的冲击电流而危及发电机，不可能使发电机牵入同步。7-16功角在时间上及空间上各

16、表示什么含义？功角改变时，有功功率如何变化？无功功 率会不会变化，为什么？答功角在时间上及空间上各表示为：时间相位角：发电机空载电动势 Eo与端电压U之间的相位角为功角S 空间相位角：3可近似认为是主磁极轴线与气隙合成磁场轴线之间的夹角从功角特性可知，当电网电压和频率不变，发 电机励磁电流不变，在稳定运行范围内，当功 角增大时，有功功率增加。而对无功功率，由Q = mUI sin,从同步发 电机相量图可得mE0UcosmUXsXs可知，当功角增大时，发电机向电网送出的无功 功率减小。也可从向量图看，如上图所示，；2、；1疋01 = E。2，Ia2 a1,但Ir2丨门，因而向电网 送出的无功功率

17、减小。7-17并网运行时，同步发电机的功率因数由什么因素决定？答 并网运行时，同步发电机的功率因数由同步发电机的励磁电流的大小或励磁状态决 定的。当励磁电流较小，同步发电机处于欠励磁状态时，同步发电机的功率因数小于1,超前；当励磁电流较大，同步发电机处于过励磁状态时，同步发电机的功率因数小于1,滞后;同步发电机处于正常励磁状态时，同步发电机的功率因数等于1。7-18为什么V形曲线的最低点随有功功率增大而向右偏移？答V形曲线的最低点对应于正常励磁情况， 此时cosW1，定子电流最小且与定子电压 同相位。因PM =3UI cos，当电压为常数、COS 时，PM Q，随着PM的增加，I必将增大，根据

18、电动势平衡方程式Eo二u jl Xs,l增大时，Eo也增大，所需的励磁电流将会增加, 故V形曲线最低点会随有功功率增大而向右偏移。7-19 一台凸极三相同步发电机,U二400V，每相空载电势Eo二370V定子绕组丫接WORD格式编辑整理法，每相直轴同步电抗Xd =3.5，交轴同步电抗Xq=24。该电机并网运行，试求:0（1） 额定功角6n =24时，输向电网的有功功率是多少？（2）能向电网输送的最大电磁功率是多少 ？（3）过载能力为多大？（1）额定功角时，输向电网的有功功率(2)23U E0s.：n 3U1)sinN2 Xq Xd3 (400 / 3) 370 sin 240 . 3 (400

19、 / ；3)2( 11Xd3.5= 37.575 kWdPM向电网输送的最大电磁功率可令 d、： _ 0，得3U E0cos，3U 222.43.5)s 240Xd3 37011()cos 2d =02Xq Xd3.5一 1 1cos、3 ( 400 / 3)(cos 26=02.43.5(3)专业知识分享解得(3)PM max23UE0sin、m 丄 J )sin2 m2 Xq Xd3 (400/方)370 sin 75.5103 (400/ 引2Xd3.5= 75.987 kW过载能力：13.5)si( 275.510)2 2 21 -sin 、= 0.08184(1 -2sin 、)42

20、sin 、2.055sin、-2.805 =0、.m =75.51km 二 Pm max/Pn = 75.987/37.575 = 2.0227-20 一台三相隐极同步发电机并网运行，电网电压U = 400V，发电机每相同步电抗Xs二3.5，定子绕组丫接法，当发电机输出有功功率为80KW时，cos二1，若保持励磁电流不变，减少有功功率至20KW，不计电阻压降，求此时的（1）功角 ；2）功率因数cos；电枢电流；（4）输出的无功功率Q，超前还是滞后?80 103、3 400 1解：发电机输出有功功率为80KW ， cos - 1时= 115.5A二 425.6VE。二 U 2 (IXs)2 二,

21、400/ 3)2 (115.5 3.5)2WORD格式编辑整理专业知识分享=arcta nIX sU 二 arctan115.5 3.5400 /. 360 .30（1）保持励磁电流不变，则E 0不变。当有功功率至20KW时，由PM =竺邑sin 巴 PmXs20= 43UE0snXs，得11、=arcsin( sin、)= arcsin( sin 6O.30) = 12.5044(2)由图I =7jXsEo_ 4256 12.5 - 400/ -3j35= 58.9-63.48 Acos = cos63.48 = 0.447 I 二 58.9 A(4)输出的无功功率Q = v3UI sin

22、=胎 x 400 汶 58.9 汉 sin63.480 = 36.5kVar7-21有一台三相隐极同步发电机并网运行，额定数据为:Sn = 7500KVA, U N =3150V，定子绕组 Y接法，COS=0.8（滞后）电阻压降不计，试求：滞后。,同步电抗Xs “6。,（1）额定运行状态时，发电机的电磁功率 Pm和功角N ；（2）在不调节励磁的情况下，将发电机的输出功率减到额定值的一半时 的功角 ，功率因数COs。3, Sn7500 0I n1374 .6 A解：(1)3Un 3 3150E。= (U cos )2 (U =sin : InXs)2750010kxO.g)2 +(半06 +13

23、74.6 760)2 = 3598VPm - Pn - Sn cos n - 7500 0.8 = 6000kV36000 10 1.6FM X s、N =arcsin M - = arcsin= 29.303U ：E。3 (3150/ 3) 3598A =屮 _ (p或由N - N求出(略)。（2）不调节励磁，则 Eo不变，由3U E。sin 二11 3U .巳2Pn =2Xs，得1 1 0 0、:=arcsin( sin、N) =arcsin(sin 29.3 ) = 14.2I =E0_U = 3598 14.20_3150/.3=1180. _62.你jXsj1.60.cos = co

24、s62.1 = 0.4687-22有一台三相凸极同步发电机并网运行，额定数据为:S n = 8750 KVA ,Un =11KV ，定子绕组 丫 接法，cos二8 (滞后)，同步电抗Xd =18.20,Xq =9.60，电阻不计,试求:(1)额定运行状态时，发电机的功角相励磁电势E(2)最大电磁功率Pm max。8750解 (1)如图4-7所示:3U n459 Ar 二 arctanIaXq U sin=arctan 459 9.6 11 忖6八3111030.8 / 3=58.30、n -即n =58.3 -36.90 =21.411103E0 二Ucos、 ldXdcos21.40 459

25、 sin58.30 18.2 =13.02kV.odPM(2)最大电磁功率Pm max可令d=0，得3U Eocos：3U 2 2Xd1)cos2 = 0Xq Xdcos,(11000/雋(着18.21丽)边2 一01 - si n2、二 0.19094(1 - 2s in2、)242sin -0.2384sin2、1.0596 = 0解得 十73.25岂亘snmXd23(丄-丄)sin 2 m2 Xq Xd3 (11000/ 3) 13020 sin 73.2503 (11000/ 3)218.2=14695.23kW1 1()sin(2 73.25)9.6 18.27-23怎样使得同步电机

26、从发电机运行方式过渡到电动机运行方式？其功角、电流、电磁转矩如何变化？答 当原动机向同步电机输入机械功率时为发电机运行，此时转子磁极轴线超前合成磁 场轴线一个6角度，如图15-1 （ a）,电磁转矩与转子转向相反，是一个制动转矩。如果逐渐 减少原动机的输出机械功率，从功率平衡观点来看，发电机所产生的电磁功率也减少，功角： 逐渐变小。如果发电机所产生的电磁功率为零，则6=0,如图15-1 （b）,电磁转矩便为零。这是从同步发电机过度到电动机运行的临界状态。a）b）c）图15-1同步电机的运行方式a）发电机运行b）理想空载c）电动机运行如果将原动机从同步电机上脱离，电机本身轴承磨擦等阻力转矩和负载

27、转矩的作用，转 子开始减速，使得转子磁极轴线滞后于合成磁场轴线角度，如图15-1（c）。此时电磁转矩的方向与转子转向一致，是一个拖动转矩，于是同步电机就成为电动机运行了。设发电机运 行时其功角、电流、电磁转矩为正，则电动机运行时其功角、电流的有功分量、电磁转矩为 负。7-24增加或减少同步电动机的励磁电流时，对电机内的磁场产生什么效应？答 当同步电动机处于过励磁状态时，电枢磁势对电机内的磁场起去磁的作用，增加或 减少同步电动机的励磁电流时，电枢磁势对电机内的磁场去磁的作用增强或减弱。当同步电 动机处于欠励磁状态时，电枢磁势对电机内的磁场起助磁的作用，增加或减少同步电动机的 励磁电流时，电枢磁势

28、对电机内的磁场助磁的作用减弱或增强。7-25比较同步电动机与异步电动机的优缺点。答 相对于异步电动机，同步电动机的最大优点是功率因数可以根据需要在一定的范围 内进行调节，当电网电压下降时，同步电动机的过载能力的减低不像感应电机那样显著。但 同步电动机也有缺点：起动比较复杂，要有直流励磁电源，结构复杂，价格较贵。7-26为什么起动过程中，同步转矩的平均值为零？答 因为在起动过程中，由于定、转子磁场之间的相互作用，倾向于使转子逆时针方向 旋转。但由于惯性的影响，转子上受到作用力以后并不马上转动。在转子还来不及转动以前， 定子磁场已转过180，此时定、转子磁场之间的相互作用，倾向于使转子顺时针方向旋

29、转。 因此，转子上所受到同步转矩为交变转矩，其平均转矩为零，同步电动机不能起动。7-27 台三相凸极丫接同步电动机，额定线电压Un二6000V，频率fN = 50 HZ , 额定转速nN =3 /min，额定电流In =57.8A，额定功率因数COS =0.8（超前），同 步电抗Xd = 64 2，Xq = 40.8门，不计电阻压降。试求:（1）额定负载时的励磁电势E。；图4-8（2）额定负载下的电磁功率 Pm和电磁转矩 解 （1）如图4-8所示：610321, 0、3Xcos.14 057.8sin58.01064 .2E 0 = U cos 、. I d X d=6378 V额定负载时的励

30、磁电势（2）额定负载下的电磁功率 Pm和电磁转矩T23U(pE0、 U m 11rPmsin、n ，() si n 2、n = 408 .4 kWXd2 X q X dPm408 .4T =9550 -=955013000 N .mn3007-28某企业电源电压为6000V,内部使用了多台异步电动机，其总输出功率为1500KW平均效率70%功率因数为0.8 （滞后），企业新增一台400KW殳备，计划采用运行于过励状 态的同步电动机拖动，补偿企业的功率因数到1 （不计同步电动机本身损耗）。试求：（1）同步电动机的容量为多大？（2）同步电动机的功率因数为多少？解：（1）变电所原提供的无功容量P1：

31、21500、2Q1 Wsin科 Wcon % =1一0.8 =1607kVar为补偿功率因数到1,应使同步电动机的无功容量=Q1=1607kVar则同步电动机的额定容量为400KW因不计同步电动机本身损耗，贝UPn = Pn，视在容量为Sn = Jrn2 +Qn2 = J4002 十 16072 = 1656kVA（2）同步电动机的功率因数为cosN =乩=迴=0.2415Sn 16567-29某厂变电所的容量为2000KVA变电所本身的负荷为1200kW 功率因数 COS=0.65 （滞后）。今该厂欲添一同步电动机，额定数据为：Pn = 500KW,cos J 0.8 （超 前），效率N =

32、95%，。问当同步电动机额定运行时，全厂功率因数是多少？变电所是否过 载？解：变电所原提供的无功容量RR ；21200,2Qi1 si nl 1 、1-cos21 -0.652 =1403kVarcos icos V0.65加入同步电动机后，同步电动机提供的无功容量Qt 二 Pn sin :_500kW0.6=395kVarN cos0.95 0.8加入同步电动机后，变电所需提供的无功容量Q2-Qt =(1403-395)kVar =1008kVar加入同步电动机后，变电所需提供的有功容量PN500F2N =(1200 )kW =1726kWn0.95加入同步电动机后，全厂功率因数F21726门 cccon 2 = 亏=0.86辰 +Q21726 +1008加入同步电动机后，变电所的视在容量为S2 =