三相同步发电机实验手动解析.docx
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三相同步发电机实验手动解析
同步发电机运行
实验指导书
王庆华贺秋丽编
广西大学电气工程学院
一、实验目的
二、实验装置及接线
三、实验内容
实验一电动机-发电机组的接线
实验二发电机组的起动和同步电抗Xd测定
实验三发电机同期并网实验
实验四发电机的正常运行
实验五发电机的特殊运行方式
四、实验报告
五、附录
同步发电机运行实验指导书
一、实验目的
同步发电机是电力系统最重要又最复杂的电气设备，在电力系统运行中起着十分重要的作用。
通过实验，使学生掌握和巩固同步发电机及其运行的基本概念和基本原理，培养学生的实践能力、分析能力和创新能力，加强工程实线训练，提高学生的综合素质。
二、实验装置及接线
实验在电力系统监控实验室进行，每套实验装置以7.5KW直流电动机与同轴的5KW同步发电机为被控对象，配置常规仪表测量控制屏（常规控制）和计算机监视控制屏（计算机监控）。
可实现对发电机组的测量、控制、信号、保护、调节、并列等功能，本次同步发电机运行实验，仅采用常规控制方式。
直流电动机-同步发电机组的参数如下：
直流电动机：
型号Z2-52，凸极机
额定功率7.5KW
额定电压DC220V
额定电流41A
额定转速1500r/min
额定励磁电压DC220V
额定励磁电流0.98A（6、7、8号机组为0.5A）
同步发电机
型号T2-54-55
额定功率5KW
额定电压AC400V（星接）
额定电流9.08A
额定功率因数0.8
空载励磁电流2.9A
额定励磁电流5A
直流电动机-同步发电机组接线如图一所示。
发电机通过空气开关2QS和接触器2KM可与系统并列，发电机机端装有电压互感器1TV和电流互感器1TA，供测量、同期用，系统侧装有单相电压互感器2TV作同期用，两侧电压通过转换开关6SA接入同期表S（MZ-10）。
发电机励磁电源可以取自380V电网（他励方式），也可以取自机端（自励方式），通过4QS进行切换，交流电源经励磁变压器CB降压隔离后，经分立元件整流装置或模块式晶闸管SCR-L变为直流，再通过灭磁开关3KM供电给发电机励磁绕组FLQ，励磁电流通过调压按钮或电位器2WR进行调节。
Rm为灭磁电阻，通过3KM的常闭触点与励磁绕组FLQ并接。
发电机组上面有一台用皮带带动的原作为励磁机用的直流发电机，在其励磁绕组加上恒定的直流电压（从开关稳压电源引来），则电枢上的电压正比于发电机组的转速，故用一只直流电压表即可测量发电机转子转速。
直流电动机的电枢电源来自电网380V交流电压，经空气开关1QS和接触器1KM供电给模块式晶闸管SCR-T变为直流，电枢电压通过调速按钮或电位器1WR进行调节。
直流电动机的励磁电源来自电网220V交流电压，经单相调压器1TB和整流块整流后供给励磁绕组B1-B2，调节调压器的输出电压可调节励磁电流。
调节电枢电压或励磁电流可以调速。
发电机组控制屏屏面上装有各种仪表、控制开关、按钮、指示灯等，图一对二次控制信号回路并没有画全，屏后接线和控制回路接线可参考实验室提供的详图。
三、实验内容
实验一电动机-发电机组的接线
注意：
以下各项都要在现场找到并认识相关设备的构造。
1）直流电动机的接线
（1）电动机励磁回路的作用及其接线；
（2）电动机励磁电流的调节方法；
（3）电动机电枢回路的接线；
（4）三相桥式整流模块SCR-T的作用，电动机调速方法；
（5）电抗器DK的作用；
（6）分流器3FL的作用和原理；
（7）3QS和1KM的联锁接线和作用；
（8）熟悉控制屏上电动机的操作设备及仪表。
2）同步发电机的接线
（1）发电机定子回路接线，2QS和2KM的作用；
（2）电压互感器1TV、2TV和电流互感器1TA的作用和接线；
（3）发电机的励磁方式，4QS的作用和接线；
（4）发电机电压的建立和调节，励磁变压器CB的作用和接线；
（5）SCR-L直流输出端并接一只二极管的作用；
（6）3KM的作用，其常闭触点串Rm接励磁线圈的作用；
（7）机组速度测量的原理；
（8）三相组合式同期表的作用、外部结构和背后接线；
（9）熟悉控制屏上发电机的操作设备及仪表。
实验二发电机组的起动和同步电抗Xd测定
（一）机组起动
1）起动前，所有开关在断开状态，电位器1WR、2WR和调压器1TB在零位。
2）合上开关1QS，用电压转换开关2SA检测电网三相电压是否基本平衡，电动机调速屏面上的绿灯应点亮；
UAB=V，UBC=V，UCA=V
3）合上电动机励磁电源开关3QS，调节调压器1TB使电动机励磁电流为额定值，注意各机组额定值不同，可看铭牌或由老师告知；
4）在确认电动机励磁电流为额定值后,按下按钮1SB1使1KM合闸，电动机调速屏面上的红灯应点亮，1KM合闸线圈回路串有3QS的一对常开触点连锁；
5）将1SA放到手动位置，旋转电位器1WR缓慢升高电枢电压，使电动机起动并逐渐升至额定转速1500r/min（相当于转速表30V），起动过程要监视机组的声音以及电枢电压表、电流表、转速表的指示是否正常；
6）用万用表测量机端三相剩余电压（在屏后右侧端子排相应端子上测），计算与额定电压的百分比；
UAB=V，UBC=V，UCA=V
7）用万用表测量电动机电枢回路所串电抗器的直流电压和交流电压，分析两者为什么差别很大。
UDC=V，UAC=V
（二）空载试验
1）将4QS扳向他励，发电机为他励励磁方式，合上2QS给上他励电源，操作3SA开关使3KM合闸，用万用表检测励磁变压器CB两侧电压是否正常；
UAB=V，UBC=V，UCA=V
Uab=V，Ubc=V，Uca=V
2）旋转电位器2WR缓慢升高发电机电压，观察表计的指示是否正常，三相电压是否平衡；注意：
在升压过程中当机端电压低于300V时，频率表指针可能打到头，这是正常现象，待电压升至300V以上时指针会回到正常值。
3）观察发电机建压后机组的转速是否有微小变化，记录空载励磁电流；
no=r/nin，n[o]=r/nin，IFO=A
4）旋转电位器2WR将电压降至零后，再旋转电位器2WR单向调节励磁电流，使发电机电压单调增加直至450V，然后单调减小励磁电流直至零，记录励磁电流IF和定子端电压UG，注意试验中电机的转速要维持恒定额定转速。
表1发电机空载试验数据
1
2
3
4
5
6
IF（A）
UG（V）
5）机组停机：
旋转电位器2WR使发电机电压减到零，再旋转电位器1WR将机组转速减到零，再跳开1KM；注意：
必须将机组转速减到零再跳开1KM，否则下次起动电动机可能会遭受很大的冲击。
6）绘制发电机空载特性曲线。
（三）三相短路试验
1）机组在停机状态，在发电机出线端接上三相短路线（可在1TV一次侧接线柱上用导线短接）；
2）起动机组，调节发电机为额定转速，并在试验过程中保持恒定；
3）调节励磁电流使定子短路电流为1.1倍定子额定电流，然后单调减小励磁电流直至零，记录励磁电流IF和定子电流IG，试验完后拆除短路线。
表2发电机短路试验数据
1
2
3
4
5
6
IF（A）
IG（A）
（四）实验报告及分析思考题
1）画出发电机空载特性曲线和短路特性曲线，参考电机学实验测定不饱和Xd的方法，求取Xd值。
2）发电机空载特性不是直线，而短路特性基本为直线，为什么？
3）发电机转动以后，灭磁开关3KM跳开不加励磁，定子是否有电压，为什么？
4）发电机定子三相绕组为什么接成星形？
接成三角形有什么问题？
5）发电机建压后机组的转速是否有变化，分析原因。
6）调节电动机的电枢电压或励磁电流都可以调速，说明各有什么特点和应用场合。
7）电动-发电机组在建压后，电动机励磁回路发生断线，有什么现象？
如何处理？
8）电动机的励磁绕组与电枢绕组并接起来，用调节电枢电压调速，如右图所示，分析是否可行。
9）三相挢整流模快SCR-T会产生多少次的特征谐波，从电抗上的交直流电压分析电抗器的作用。
10）电动机电枢电流和发电机励磁电流采用分流器测量的原理是什么？
能否采用电流互感器测量？
实验三发电机同期并网实验
（一）实验内容和步骤
1．发电机为他励方式，将发电机组起动并起励建压至额定值，调节发电机频率为50Hz。
2．合上6SA投入同期表S，三只同期指示灯应同时亮暗，根据同期表的压差频差指示和指针旋转情况（顺时针旋转说明发电机频率比系统高），利用调压调速接钮精细调节发电机电压和频率。
当同期表指针顺时针均匀缓慢旋转并距零位6°左右时，立即按下2SB1使2KM合闸并网，并网时冲击电流应不大，电流表指针应很快回复至零位附近，有功和无功功率接近零，如表计指示不正常要立即解列发电机。
注意：
同期表S不要长期通电，不并网或并网完成后都要断开6SA。
3．旋转电位器1WR，有功功率和定子电流应能变化；旋转电位器2WR，励磁电流、无功功率和定子电流应能变化。
4．发电机解列：
旋转电位器1WR调有功功率表为零，再旋转电位器2WR调定子电流表为零（无功功率为零），跳开发电机出口接触器2KM将发电机解列。
5．发电机解列灭磁后，将发电机定子的三根相线顺序调相（即A→B→C→A）但相序不变，再将发电机起励建压并调节至与电网的电压和频率相同，观察同期表和同期灯的情况，分析是否能够并网。
试验完后恢复原来的接线。
同期灯情况：
，能否并网：
。
6．发电机解列灭磁后，将发电机定子的任两根相线对调使之成为反相序，再将发电机起励建压，观察同期表（顺时针旋转说明发电机频率比系统高还是低）和同期灯的情况，分析是否能够并网，但不能进行并网操作，试验完后恢复原接线。
同期灯情况：
，能否并网：
。
（二）实验报告及分析思考题
1．发电机同期方式有几种？
本实验采用的是什么同期方式？
同期条件是什么？
2．手动同期时，在同期表指针提前一定角度时发出合闸命令，为什么？
3．发电机正常解列时，为什么要调有功功率和无功功率均为零？
这时发电机的定子电流是多少?
4．将发电机定子的三根相线顺序调相（即A→B→C→A）但相序不变，分析是否能够并网。
说明相序和相别的区别。
5．将发电机定子的任两根相线对调使之成为反相序，分析是否能够并网。
6、发电机在停机状态，其机端三相引线未拆除，合上1KM接通系统电压，分析产生什么后果。
实验四发电机的正常运行
（一）发电机工作状态与励磁调节的关系（以下实验如不说明，发电机均系他励方式和并网运行）
1）按上面的起动并网步骤，将发电机并网运行。
2）发电机输出有功功率为1.5KW左右，调节励磁电流额定值5A下降，定子电流也随之下降，当Q=0时定子电流最小，以后再减小励磁电流，定子电流也随之上升，当定子电流达到额定值9.08A，不要再减小励磁电流，记录Q、I、COSφ数值于表3，注意要记录纯有功的状态。
3）根据实验结果，分析迟相、进相、纯有功运行状态的特点。
表3改变励磁电流发电机各量的变化
P=1.5KWUG=380Vf=50HZ
1
2
3
4
5
6
7
IF（A）
IG（A）
Q（KVAR）
COSφ
4）使发电机输出的有功功率分别等于0、1KW、2KW功率时，调节励磁电流从某最小值（定子电流不超过额定值9.08A）到额定值，记录对应的定子电流值于表4，注意要记录纯有功（Q=0）的状态。
5）画出不同有功功率时的V形曲线[即IG=f（IF）]并分析，指出迟相运行、进相运行的区域。
表4不同有功定值时改变励磁电发电机电流的变化
1
2
3
4
5
IF
IG
P=0
P=1KW
P=2KW
（二）发电机工作状态与有功调节的关系
1）发电机励磁电流为4A左右不变，调节有功从零到4KW左右，记录P、Q、I、COSφ数值于表5；
表5改变有功功率发电机各量的变化
1
2
3
4
5
P（KW）
IG（A）
Q（KVAR）
COSφ
2）分析有功变化时无功功率的变化情况。
（三）分析思考题
1）有功为定值而改变励磁电流时，分析什么状态时定子电流最小。
2）原动机不调节而调节励磁电流改变无功功率时，分析有功功率是否变化。
3）励磁电流不调节而调节有功功率时，分析无功功率是否变化。
5）发电机在并网运行时，直流电动机励磁回路发生断线，有什么现象？
6）发电机在并网运行时，直流电动机电枢回路晶闸管因产生故障完全截止，有什么现象？
发电机是什么这行方式？
如何处理？
7）发电机励磁绕组通过3KM常闭触点并接电阻Rm，它的作用是什么？
实验五发电机的特殊运行方式
（一）发电机的失磁运行
1）失磁运行实验：
发电机并入系统后，调有功和无功为零,然后跳开灭磁开关3KM使发电机失磁，励磁电流应为零，观察发电机是否稳定。
然后缓慢增加发电机有功，当发电机电流不断增大超过额定值时，说明发电机已失步，要立即减少有功或合上3KM将发电机拖回同步，如果仍然失步要跳开2KM将发电机解列，并将机组转速降至额定值以下，实验过程要记录各表计的指示，并记录凸极机维持同步的功率的最大值。
表7失磁时各表计的变化
Q
COSφ
IG
UG
f
n
P=0
P=KW
P=失步
2）发电机不并网而带孤立负荷（临时接上三只星形接法的200W的白炽灯）运行失磁，记录发电机各运行参数于表8，观察发电机的运行情况并分析。
表8孤立负荷时发电机的运行参数
P
Q
IG
UG
IF
f
n
失磁前
失磁后
（二）发电机的调相运行
1）发电机并网后将有功和无功功率调到3KW和2KVAR，记录各表计数值。
2）降低电动机电枢电压，将发电机有功功率逐渐减少直至零，记录各表计数值。
3）继续降低电动机电枢电压，将发电机有功功率逐渐减少至负值，（相当于导水叶或主汽门全关），记录各表计数值。
表9调相运行实验数据
P
Q
COSφ
IG
UG
IF
n
发电机运行
零有功运行
电动机运行
4）发电机为电动机运行状态下，调节励磁电流，观察无功功率从迟相、零到进相，记录各表计数值，分析发电机调相运行状态的持点。
试验完后机组解列停机。
表10调相运行改变励磁电流各量的变化
1
2
3
4
5
IF
IG
UG
Q
COSφ
（三）发电机甩负荷
1）发电机并网后将有功1KW和无功功率调到0.75kvar，记录各表计数值。
2）将发电机出口开关2KM突然跳闸，观察和记录各表计的变化（注意发电机的转速和电压要很快调下来）。
表11甩负荷时各表计的变化
P
Q
COSφ
IG
UG
IF
n
甩前
甩后
（五）分析思考题
1）发电机进相运行的作用是什么？
随着进相运行深度的增加，机端电压为什么会下降？
2）发电机失磁而有功较小时，为什么能保持同步而不失步？
3）发电机失磁并失步后，发电机频率表和转速表的指示有什么变化？
为什么？
4）分析发电机带孤立负荷运行时失磁的特点。
5）说明发电机调相运行的作用和特点。
6）分析发电机甩负荷后运行参数变化的特点。
7）做实验过程中，发电机并网带额定有功和无功正常运行，电网突然停电，分析机组的运行情况。
四、实验报告
每位学生都要写出实验报告，主要内容为列出各项实验数据和观察到的现象，并结合实验分析论证发电机各种运行方式的工作原理、运行特点及其对电力系统的影响；每一实验后的分析思考题，多是工程实践中可能出现的问题，对培养学生应用所学知识分析解决工程实际问题的能力很有帮助，要认真分析并写于实验报告上，最后写出实验的体会、问题和建议。
五、附录
1．不饱和Xd的求法
1）根据实验数据画出发电机空载特性
UG=f（IF）和短路特性IG=f（IF），如
图3所示；
2）通过空载特牲的起点O将空载特牲直
线段延长得到发电机不饱和的气隙线，
如图中虚线所示；图3空载特性和短路特性
3）在纵轴上取IG=IGn对应于短路特性的点A，并往上查得气隙线上的点B所对应的电势UGO；
4）求Xd值：
Xd=UGO/IGn，
Xd*=XdSn/Un2
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