广西大学电气工程学院三相同步发电机实验手动发电厂运行与控制实验报告资料.docx
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广西大学电气工程学院三相同步发电机实验手动发电厂运行与控制实验报告资料
同步发电机运行
实验报告书
指导老师：
王庆华贺秋丽
莫仕勋陈新苗
学院：
广西大学电气工程学院
班级：
电气工程及其自动化10~班
姓名：
学号：
目录
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=395.3V，UBC=394.7V，UCA=395.6V
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=21.5V，UBC=21.4V，UCA=21.5V
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=0.7V，UAC=120.9V
（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=393.2V，UBC=394.4V，UCA=397.2V
Uab=38.8V，Ubc=39.1V，Uca=38.9V
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=30r/nin，n[o]=28.5r/nin，IFO=3.4A
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）
1
2.2
6.2
3.8
1.1
0.3
UG（V）
150
300
450
400
200
50
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）
3.2
2.8
2
1.5
0.9
0
IG（A）
10
8.5
6
4.5
3
0
（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。
答：
由表1和表2的数据可画出空载特性曲线和短路特性曲线，如下图所示：
图1空载特性曲线
图2短路特性曲线
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）
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，
3）在纵轴上取IG=IGn=9.08A对应于短路特性的点，并往上查得气隙线上的点所对应的电势UGO；
4）求Xd值：
曲线OA的方程为y=（10-0）/（3.2-0）*x=3.125*x,则IKA=IGn/3.125=2.9A；曲线OB的方程为y=（150-50）/（1-0.3）*x=143.86*x,则UGO=143.86*2.9=414.3V。
Xd=UGO/IGn=414.3/9.08=45.3（）
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？
答：
空载特性开始一段实际上是一条直线，因为这是磁通很小，电机磁路中的磁铁部分饱和，该部分所需的磁动势远小于空气隙磁动势，转子励磁磁动势主要消耗在空气隙中，空载特性的电压较高的部分开始向下弯曲，那是因为随着磁通的增大，电机磁路的铁磁部分迅速跑和，它所需磁动势也就很快增大，空载特性边偏离气隙先开始向下弯曲，而短路时，电枢电流只有直轴分量，它所产生的电枢反应为纯粹的去磁作用，短路时合成磁动势的数值甚小，只等于漏抗降落，相应的，产生的气隙磁通和合成磁动势亦很小，故电机磁路处于不饱和状态，磁动势和磁通之间为线性关系，故为一条直线。
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？
答：
定子上会有电压，因为励磁回路中有剩磁。
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？
答：
发电机定子三相绕组接成星形，有三次谐波电势而没有三次电流，接成三角形，因绕组闭合三次谐波电流能流通且很大，增加发电机的损耗，降低发电机的效率和出力。
5）发电机建压后机组的转速是否有变化，分析原因。
答：
有变化，转速会降低。
因为建压后铁耗增加了，没有磁滞损耗，而转子上有流过直流电流只有铜耗。
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。
答：
调节电枢电压——励磁电流一定时，转速与外施电压近似成正比，调压调速需专用的直流电源向电动势供电，可以通过调节小功率励磁电路进行，调节方便，使用灵活，损耗小，调速范围广。
缺点是专用直流电源设备投资大，较适用于不同转速负载转矩恒定不变的工况。
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？
答：
会出现飞车。
当励磁回路断线时，气际中的磁通突然减小，根据公式n=（U-IaRa）/Ceφ,φ减小，电动机转速迅速上升。
如此时没有并网，因断开1KM，若并网，先解列，再断开1KM。
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。
答：
不好，调节起来不稳定。
因为调节磁通时，当磁通增大时，转速会下降，调节电压时，当电压增大时，转速会上升。
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。
答：
会产生n=6k+-1，k=1、2、3……的谐波，电抗器的作用是滤波（滤掉交流得到直流），因为直流电流的W为零，电抗为零，直流电压为电阻电压，交流W大，电抗大，交流电压就很大。
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？
答：
分流器是测量直流电流用的，分流器实际就是一个阻值很小的电阻，当有直流电流通过时，产生压降，供直流电流表显示。
不能使用电流互感器，因为它只用于交流线路的电流测量。
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：
同亮同暗，能否并网：
能。
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：
交替亮灭，能否并网：
不能。
（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？
答：
发电机同期方式有准同期和自同期；本实验采用的是准同期；同期条件是电压相位、频率相等，相序一致。
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？
答：
因为断路器动作合闸需要一定的时间。
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?
答：
是为了保护断路器和发电机，减少因带负荷开断断路器产生电弧对断路器的破坏。
也防止带剩余有功和无功开断发电机，使发电机甩负荷而造成对发电机的影响，此时定子电流为0。
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。
答：
能并网。
相序是指各相按照一定的顺序排序，而相别是指各相如A相、B相顺序调相相序不变，满足并网条件。
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。
答：
不能并网，ABC三相不对称其相差角度不为120度。
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。
答：
系统倒送电，使同步机启动，由于未加励磁，其相当于异步电机的直接启动，会产生较大启动电流，损坏电机，同时启动电流过大会引起较大电压下降，影响同一电网的其他用户。
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）
5
4.5
4
3.5
3
2
1
IG（A）
4.6
4
2.3
2.5
2.8
4.5
7.8
Q（KVAR）
2
1.6
0.8
0
-1.2
-2.8
-5.2
COSφ
0.78
0.8
0.92
1
0.82
0.55
<0.5
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
1
2
3
4
5
IG
P=0
5.9
4
1
1.5
4.2
P=1KW
7.5
4.3
2.4
3.1
4.3
P=2KW
7.8
5.2
3.6
2.8
4.5
（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）
0
1
2
3
4
IG（A）
1.5
1.6
3.2
4.9
6.5
Q（KVAR）
1
0.5
0.1
-0.2
-1.3
COSφ
<0.5
0.88
0.97
0.99
0.96
2）分析有功变化时无功功率的变化情况。
答：
图3有功及励磁调节向量图
如上图所示，当励磁电流不变时，电势
向量的长度不变。
若原动机的机械功率增大，定子绕组的输出功率增大到
，因电势向量
长度不变又须落在有功功率的虚线上，则功率角增大到
，无功功率减小到
。
而只调节无功时有功功率不变。
（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。
答：
由发电机V形曲线实验可知有功为定值时，改变励磁电流可得到一条完整的V形曲线，当功率因数为1时定子电流最小，此时发电机只有有功功率。
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。
答：
调节励磁只改变无功功率，有功功率理论上不会发生变化。
调节原动机就是调节机械输入功率，而原动机不做调节，只调节励磁电流，使得空载电势发生变化，进而无功发生变化
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。
答：
不调节励磁电流，而调节原动机不仅可以增大有功输出，而且无功也会发生改变。
对于与电网并联运行的发电机，当该变原动机的输入功率时，由P=Pe=UEq*sinδ/Xd发电机的位移角δ将相应跟着改变，起着调节有功功率的作用，但此时如使励磁保持不变及Eq，由Q=UEq*cosδ/Xd-U²/Xd，输出的无功功率将会发生变化。
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？
答：
直流电动机因为失磁转速变慢，但是发电机还存在励磁电流，发电机从系统吸收有功功率带动转子转动，即有功变为负值，电动机励磁电流为0，电枢电流变大。
此时应先解列，减速减磁，停机检修。
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？
答：
原动机转速下降，发电机的功率、定子电流不断减小，从系统吸收功率，使发电机变成电动机运行方式，此时使发电机和系统解列，然后停机检修。
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？
答：
起到灭磁的作用，当发电机内部发生故障，继电保护将发电机从系统断开时，如果不消灭发电机的磁场，故障电流仍然存在，过大的短路电流将会烧毁绕组导致发电机长时间不能回复运行。
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
-6
<0.5
8.8
400
50
30
P=0.5KW
-6.4
<0.5
9
400
50
30
P=0.8KW失步
0.8
<0.5
12.8
400
50
30
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
0.6
0
0.8
380
2.8
53.8
30
失磁后
0
0
0
0
0
49.5
34
（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
3
2
0.84
5
400
5
29.5
零有功运行
0
3
<0.5
4.4
400
5
29.5
电动机运行
<0
3
<0.5
4.5
400
5
29.5
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
4.2
3.8
3.1
2.6
2
IG
3
1.9
0.9
2
3.5
UG
400
400
400
400
400
Q
2
0.8
0
-1
-2
COSφ
<0.5
<0.5
0.97
<0.5
<0.5
（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
1
0.75
0.88
1.9
400
3.9
30
甩后
0
0
1
0
430
3.9
31.5
（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？
答：
发电机进相运行时，发出正的有功功率和负的容性无功功率，即从系统吸收无功功率，这对维持系统无功功率平衡，从而调节系统电压。
保证供电质量起了一定的作用。
随进相的运行深度的增加，定子电流上升，电压升高。
发电机励磁电流下降，极端电压下降。
2）发电机失磁而有功较小时，为什么能保持同步而不失步？
答：
发电机失磁后，转子加速，功角拉大，力图使发电机的励磁功率与电动功率之间保持平衡，发电机逐渐过渡到进相运行状态，
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