电机综合实验讲义.docx
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电机综合实验讲义
电机综合实验指导书
电力学院电自教研室
2010年6月
1
实验一、变压器综合实验
一、三相变压器并联运行
（一）
实验目的
1、学习三相变压器投入并联运行的方法。
2、测试三相变压器并联运行条件不满足时的空载电流。
3、研究三相变压器并联运行时的负载分配的规律。
（二）预习要求
1、我国电力变压器有哪几种标准连接组？
2、三相变压器理想的并联运行的条件是哪些？
3、联接组不同的两台变压器并联运行会产生什么严重后果？
4、短路电压标幺值对负载分配有何影响？
（三）实验原理
理想的并联运行的变压器应能满足以下各条件：
（1）空载时，各变压器的相应的次级电压必须相等而且同相位。
如此，则并联的各个变压器
内部不会产生环流。
（2）在有负载时，各变压器所分担的负载电流应该与它们的容量成正比例。
如此，则各变压
器均可同时达到满载状态，使全部装置容量获得最大程度的应用。
（3）各变压器的负载电流都应同相位，如此，则总的负载电流便是各负载电流的代数和。
当
总的负载电流为一定值时，每台变压器所分担的负载电流均为最小，因而每台变压器的
铜耗为最小，运行较为经济。
为要满足第一个条件，并联运行的各变压器必须有相同的电压等级，即各变压器都应有相同的
电压变比；即
k1=k2=k3=L=kn
且属于相同的连接组，不同连接组别的变压器不能并联运行。
为要满足第二个条件，保证各个变压器所分担的负载电流与其容量成正比例，各个变压器应该
有相同的短路电压标幺值。
为要满足第三个条件，使变压器负载电流同相，即要求各个变压器短路电阻与短路电抗的比值
相等。
因此，要求阻抗电压降的有功分量和无功分量应分别相等，即各个变压器应该有相同的短路
电压有有功分量和无功分量。
变压器并联运行时的负载分配
当变压器并联运行时，通常短路电压标幺值随着容量的不同而不相同，大容量的变压器有较大
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的短路电压。
各个并联运行的变压器实际分担负载的计算公式：
S1:
S2:
L:
SN=
SN1SN2S
uk1*uk2*ukn*
式（3-1）
由此可见，各个变压器的负载分配与该变压器的额定容量成正比，与短路电压成反比。
如果各
个变压器的短路电压相同，则变压器的负载分配只与额定容量成正比。
（四）实验内容及方法
电路原理见图1---1所示，
A2
B2
C2
A1
B1
C1
a2
b2
c2
a1
b1
c1
I1
I2
K4
K2
K3
IL
图1--1
虚拟实验电路如图1--2所示.
1、测试两台三相变压器满足理想条件并联运行时的空载电流
a.按照图1—2连接实验线路，两台变压器均设为Y,d11接法，将连接负载的断路器置断开的位置；
b.检查二台变压器的变比、连接组别、短路阻抗值是否相同。
c.测试变压器的环流。
记录实验数据。
2、测试三相变压器并联运行变比不同时的空载电流
3
:
:
L:
Nn
a.将第二台变压器的次级侧电压降低10%，仍将连接负载的断路器置断开的位置；
b.测试变压器的环流。
记录实验数据。
图1—2
3、测试三相变压器并联运行连接组别不同时的空载电流
a.将电路中一台变压器的接法设为Y,d11,将另一台变压器的接法设为Y,yn0,仍将仍将连接负载的断
路器置断开的位置；
b.将两台变压器的次级侧电压设置为相同情况；
c.测试变压器的环流。
记录实验数据。
4、两台变压器的短路电压标幺值不同时负载分配的测试。
a.测量两台变压器短路电压标幺值相同时的有功功率和无功功率值；
b.将一台变压器的短路电压标幺值（即短路阻抗标幺值）降低10%，将连接负载的短路器设置为闭合，
再进行“a”的测量；
（五）、实验报告要求
1.对测试结果进行列表；
2.对结果进行比较分析后做出结论
实验二、同步发电机综合实验
4
一、三相同步发电机并网运行
（二）
实验目的
1、学习三相同步发电机投入并网运行的方法。
2、测试三相同步发电机并网运行条件不满足时的冲击电流。
3、研究三相同步发电机并网运行时的静态稳定性。
4、测试三相同步发电机突然短路时的短路电流。
（二）预习要求
1、同步发电机与电网并联运行的条件有哪些？
当这些并联条件中任意一个不满足时，会产生什
么后果？
2、同步发电机并网运行时，其静态稳定性与哪些因素有关？
3、为什么三相突然短路电流比三相稳态短路电流大许多倍？
（三）实验原理
1.同步发电机的并网运行
把同步机并联至电网的手续称为整步亦称为并列或并车。
在并车的时候必须避免产生巨大的冲
击电流，以防止同步电机损坏，避免电力系统受到严重的干扰。
为此，并车前必须检验发电机与电网是否符合下列条件：
a、双方应有相同的相序；
b、双方应有相同的电压；
c、双方应有相同或接近相同的频率；
d、双方应有相同的电压初相位。
所以，在并网之前，首先必须检验双方的电压是否相等。
为了检测电压，可以用电压表来测
得汇流排的电压和正待并列的发电机的端电压的差值，差值的大小反映了两端的电压差。
调节
发电机的励磁电流，可以很容易使双方的电压相等。
其次，要检验双方的频率和相序，也可以在电网和发电机的检测系统中很容易的测出。
发电
机的频率与发电机原动机输入的机械功率有关，只要调节原动机输入的机械功率的大小，就可
以使发电机的频率和电网和频率达到一致。
相序的统一可以用调线等方式，在本虚拟实验室中一号发电机相序的统一可以用调整电网的
相角来完成；二号发电机的相序通过调节发电机原动机的机械功率来一致。
上述条件都是理想的并网条件。
在实际并网中，这些条件并不要求完全达到，只要在一定的
误差范围之内就可以进行并网，比如转速（频率）相差约±（2%～5%）。
总之，在并车的时候必须避免产生巨大的冲击电流，以防止同步电机损坏，避免电力系统受
到严重的干扰。
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2.同步发电机的静态稳定性
所谓同步发电机的静态稳定性是指发电机在某个运行下，突然受到任意的小干扰后，能恢复到
原来的（或者是与原来很相近的）运行状态的能力。
同步发电机在并网运行中受到较小的扰动后，
若能够自动保持同步行，则该机就具有静态稳定的能力。
反之，若不能自动保持同步运行，则是不
具备静态稳定性。
同步发电机在并网运行中几乎时时刻刻都受到小的干扰。
例如个别电动机的接入和切除或加负
荷和减负荷；又如架空线路因风吹摆动引起的线间距离（影响线路电抗）的微小变化；另外，发电
机转子的旋转速度也不是绝对均匀的，即功角δ也是有微小变化的。
同步发电机在并网运行中的静
态稳定问题是非常重要的问题。
发电机输出的电磁功率与功角的关系为：
PE=
E0U
Xs
sin™=Pmaxsin™
发电机的功角特性曲线如图2--1所示。
如发电机的电磁功率为P1，在功角特性曲线上，对应
于P1有两个平衡点a和b，其对应的功角为™a和™b。
电力系统与发电机的同步运行是电力系统正常运行的必要条件，因此电力系统静态稳定的概念
也是以电力系统中任一发电机是否失去同步运行为依据的。
即当受到小干扰后，发电机能够自动恢
复同步运行，那么就可以认为系统是静态稳定的。
现结合发电机的功角特性曲线分析发电机静态稳定的概念。
假定在某一正常运行情况下，发电机向无限大系统输送的功率为P0，由于忽略了发电机内阻损耗
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以及机组的摩擦、风阻等损耗，P0即等于原动机输出的机械功率PT。
由图可见，当输送P0时，有两个
运行点a和b。
考虑到系统经常不断地受到各种小的扰动，从下面的分析可以看到，只有a点是能保持
静态稳定的实际运行点，而b点是不可能维持稳定运行的。
先分析a点的运行情况。
如果系统中出现某种瞬时的微小扰动，使功角 增加了一个微小增量
⊗™，则发电机输出的电磁功率达到与图中a’相对应的值。
这时，由于原动机的机械功率PT保持不变，
仍为P0，因此，发电机输出的电磁功率大于原动机的机械功率。
即转子过剩转矩为负值，因而，由转
子运动方程可知，发电机转子将减速，由于在运动过程中存在阻尼作用，经过一系列微小振荡后运
行点又回到了a点。
同样，如果小扰动使功角减小了⊗™，则发电机输出的电磁功率为点a′′
的对应
值，这时输出的功率小于输入的机械功率，转子过剩转矩为正，转子将加速，同样经过一系列振荡
后又回到了运行点a。
由上可见，在运行点a，当系统受到小扰动后能够自动恢复到原先的平衡状态，
因此是静态稳定的。
b点的情况则完全不同，如果小扰动使功角有个增量⊗™，则发电机输出的电磁功率将减少到与
b’点对应的值，小于机械功率。
过剩的转矩为正，功角 将进一步增大。
而功角增大时，与之相应
的电磁功率又将进一步减小。
这样继续下去，功角不断增大，运行点不再返回到b点，™的不断增
大标志着发电机与无限大系统失去同步，系统中电流、电压和功率的大幅度的波动，系统无法正常
运行。
故b点是不稳定的，即发电机没有能力维持在b点运行。
由上面的分析可知，发电机能否保持同步运行的能力，决定于发电机离开同步速度时，由于™
的变化所引起的电磁功率增量对转子的作用。
当外界扰动造成发电机的功角增大时，电磁功率增
量大于零，功角减小时，电磁功率增量小于零。
这样，一旦扰动消失，发电机就恢复同步运行。
所以，凡处于功角特性曲线上升部分的工作点，都是静态稳定的，下降部分的工作点是静态不稳
定的。
或者说功角特性曲线上功角和电磁功率同时增大。
或者同时减小的那部分是静态稳定的。
静态稳定的条件用数学表达为
⊗PM
⊗™
〉0，我们称
⊗PM
⊗™
为比整步功率，又称为整补功率系数，
其大小可以说明发电机维护同步运行的能力，既说明静态稳定的程度，用Pss表示。
Pss=
dPm
d™
=
E0U
xs
cos™
δ角越小，Pss数值越大，发电机越稳定。
由
dPE
d™
和PE可知，当δ小于900时，
dPE
d™
为正值，
在这个范围内发电机的运行是稳定的，但当δ愈接近900，其值愈小，稳定的程度越低。
当δ等于900
时，是稳定和不稳定的分界点，称为静态稳定极限。
在所讨论的简单系统情况下，静态稳定极限所
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对应的功角正好与最大功率或称功率极限的功角一致。
对应的™=900时达到静态稳定功率极限。
为
了安全可靠，极限功率应该比额定功率大一定的倍数，即发电机的额定运行点都远低于稳定极限，
以保持有足够的静稳定储备。
Pem与Pen之比称为静过载能力Km，即：
Km=
Pem
Pen
=
E0UE0U
XdXd
1
sin™n
一般要求Km>1.7，也可以说发电机带额定有功负荷运行时静态稳定储备应该在70%以上，因此额定
功角™n一般应该是300左右。
3.同步发电机的突然短路
如图所示为一恒定电势源供电的简单三相电路。
短路前电路处于稳态，每相的电阻和电感分别为R+R'和L+L'。
由于电路对称，只写出一相
（a相）的电势和电流如下：
e=Emsin（⎤t+〈）⎫
⎬
（3-2-1）
式中，Im为短路前电流幅值，Im=
'22'2
Em
'
ϕ'=arctan
⎤（L+L'）
R+R'
；〈为电源电势的初始相角，即t=0时的相位角，亦称为合闸角。
当f点发生三相短路时，整个电路被分成两个独立的回路。
其中f点右边的回路变为没有电源
的短接电路，其电流将从短路前的值逐渐衰减到零；而f点左边的回路仍与电源相连接，但每相的
阻抗已减小为R+j⎤L所决定的新稳态值，短路电流计算主要是针对这一电路进行的。
假定短路在t=0时刻发生，短路后左侧电路仍然是对称的，因此可以只研究其中的一相，例如
a相。
为此，写出a相的微分方程式如下：
Ri+L
di
dt
=Emsin（⎤t+〈）
（3-2-2）
8
/sin™n=
i=Imsin（⎤t+〈−ϕ'）⎭
（R+R）+⎤（L+L）
；ϕ为短路前电路的阻抗角，
方程（3-2-2）的解就是短路的全电流，它由两部分组成：
第一部分是方程（3-2-2）的特解，
它代表短路电流的周期分量；第二部分是方程（3-2-2）的齐次方程的通解，它代表短路电流的自由
分量。
短路电流的强制分量与外加电源电势有相同的变化规律，也是幅值恒定的正弦交流，习惯上称
之为周期分量，记为iP，用下式表示：
iP=IPmsin（⎤t+〈−ϕ）
（3-2-3）
短路电流的自由分量与外加电源无关，它是按指数规律衰减的直流，称为非周期电流，记为
iaP=Cept=Ce−tTa
（3-2-4）
式中，p为特征方程R+pL=0的根，p=−
R
L
；Ta为非周期分量电流衰减的时间常数，
Ta=−
1
p
=
L
R
；C为由初始条件决定的积分常数，即非周期分量电流的初始值iaP0。
这样，短路的全电流就表示为
i=iP+iaP=IPmsin（⎤t+〈−ϕ）+Ce−tTa
（3-2-5）
根据电路的开闭定律，电感中的电流不能突变，短路前瞬间的电流i[0]应等于短路发生后瞬间的
电流i0。
将t=0分别代入短路前和短路后的电流算式（3-2-1）和（3-2-5）中可得
Imsin（〈−ϕ'）=IPmsin（〈−ϕ）+C
因此，
C=iaP0=Imsin（〈−ϕ'）−IPmsin（〈−ϕ）
将此式代入（3-2-5）式，便得短路全电流
i=IPmsin（⎤t+〈−ϕ）+[Imsin（〈−ϕ'）−IPmsin（〈−ϕ）]e−tTa
（3-2-6）
（3-2-7）
式（3-2-7）是a相短路电流的算式。
如果用〈−120o和〈+120o分别代替式中的〈，就可以得到b
相和c相的短路电流算式。
短路电流各分量之间的关系也可以用相量图表示，如下图所示。
9
简单三相电路短路时的相量图
∙
∙
∙
图中旋转相量Em、Im和IPm在静止的时间轴t上的投影分别代表电源电势、短路前电流和短路
∙
后周期电流的瞬时值。
图中所示的是t=0的情况。
此时，短路前电流相量Im在时间轴上的投影为
∙
iP0≠i[0]。
为了保持电感中的电流在短路前后瞬间不发生突变，电路中必须产生一个非周期自由电
∙∙
流，它的初值应为i[0]和iP0之差。
在相量图中，短路发生瞬间Im−IPm在时间轴上的投影就等于非
周期电流的初值iaP0。
由此可见，非周期电流初值的大小同短路发生的时刻有关，亦既与短路发生时
∙∙
而当它与时间轴垂直时，iaP0=0。
在后一种情况下，自由分量不存在，短路发生瞬间，短路前电流
的瞬时值刚好等于短路后强制电流的瞬时值，电路从一种稳态直接进入另一种稳态，而不经历过渡
过程。
以上所说的是一相的情况，对另外两相也可做类似的分析，当然，b相和c相的电流应分别落
后于a相120°和240°。
三相短路时，只有周期分量才是对称的，而各相短路电流的非周期分量并
不相等。
由此可见，非周期分量为最大值和零值的情况只可能在一相出现。
3．2．1．2
短路冲击电流
短路电流最大可能的瞬时值称为冲击电流，以iim表示。
短路冲击电流主要用来校验电气设备的
电动力稳定度。
当电路的参数已知时，短路电流周期分量的幅值是一定的，而短路电流的非周期分量则按指数
规律单调衰减，因此，非周期分量的初值越大，暂态过程中短路全电流的最大瞬时值就越大。
由前
∙∙
面的讨论可知，使非周期电流有最大初值的条件应为：
（1）相量差Im−IPm有最大可能值。
∙∙
（2）相量差Im−IPm在t=0时与时间轴平行。
10
Imsin（〈−ϕ'）=i[0]；短路后周期电流相量IPm的投影为IPmsin（〈−ϕ）=iP0。
一般情况下，
电源电势的初始相位角（或合闸角）〈有关。
当相量差Im−IPm与时间轴平行时，iaP0的值最大；
由此可见，非周期电流的初值既同短路前和短路后的情况有关，又同短路发生时刻（或合闸角〈）
o
于是，非周期电流有最大初始值的条件是：
短路前电路处于空载状态（即Im=0），并且短路发生时
电源电势刚好过零值（即合闸角〈=0），如下图所示。
短路电流非周期分量有最大可能的条件图
将这些条件代入式（3-2-6）可知，非周期电流的最大初值iaP0=IPm。
o
i=−IPmcos⎤t+IPme−tTa
（3-2-8）
短路电流的最大瞬时值在短路发生后约半个周期时出现。
f=50Hz时，这个时间约为0.01秒，
将其代入式（3-2-8），可得短路冲击电流
iim=IPm+IPme−0.01Ta
=（1+e−0.01Ta）IPm=kimIPm
（3-2-9）
kim=1+e−0.01Ta称为冲击系数，它表示冲击电流周期分量幅值得多少倍。
当时间常数Ta由零变到无
穷大时，kim的取值范围为1≤kim≤2。
在短路电流的实用计算中，当短路发生在发电机电压母线时，
取kim=1.9；当短路发生在发电厂高压母线侧时，取kim=1.85；在其他地点短路时，取kim=1.8。
（四）实验内容和实验方法
a.按照图2—2连接线路；
b.在短路器断开的情况下，测出电网和发电机的电压波形，找到并联条件满足的点，确定并网的
时间，进行并网实验，测试并网时的冲击电流；
c.调整发电机的运行条件，分别在初相位不同和电压幅值不同时，进行并网实验，测试并网时的
冲击电流；
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有关。
一般电力系统中，由于短路回路的感抗比阻值大得多，即⎤L＞＞R，故可近似认为ϕ≈90，
将Im=0，ϕ≈90和〈=0代入式（3-2-7）可得
d.对并网运行的发电机进行有功功率和无功功率的调整，测试功角随之变化的过程。
e.自拟方案，测出发电机失步后的各物理量变化过程。
f.断开并网开关，设置发电机三相突然短路故障，分别测试最大短路电流和最小短路电流。
图2---2
五、试验报告要求
a.整理各实验结果；
b.对各实验结果结合理论进行分析，做出结论。
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