同步电机-实验.doc

第4章 同步电机
实验一 三相同步发电机的运行特性

一．实验目的

1.用实验方法测量同步发电机在对称负载下的运行特性。
2.由实验数据计算同步发电机在对称运行时的稳态参数。

二．预习要点

1.同步发电机在对称负载下有哪些基本特性？
2.这些基本特性各在什么情况下测得？
3.怎样用实验数据计算对称运行时的稳态参数？

三．实验项目

1．测定电枢绕组实际冷态直流电阻。
2．空载试验：在n=nN、I=0的条件下，测取空载特性曲线U0=f（If）。
3．三相短路实验：在n=nN、U=0的条件下，测取三相短路特性曲线IK=f（If）。
4．纯电感负载特性：在n=nN、I=IN、cosj≈0的条件下，测取纯电感负载特性曲线。
5．外特性：在n=nN、If=常数、cosj=1和cosj=0.8（滞后）的条件下，测取外特性曲线U=f（I）。
6．调节特性：在n=nN、U=UN、cosj=1的条件下，测取调节特性曲线If=f（I）。

四．实验设备及仪器

1．MEL系列电机系统教学实验台主控制屏。
2．电机导轨及测功机，转矩转速测量（NMEL-13、MEL-14）。
3．功率、功率因数表（或在主控制屏，或采用单独的组件NMEL-20）。
4．同步电机励磁电源（含在主控制屏左下方，NMEL-19）。
5．三相可调电阻器900Ω（NMEL-03）。
6．三相可调电阻器90Ω（NMEL-04）。
7．旋转指示灯及开关板（NMEL-05B）。
8．三相可调电抗（NMEL-08A，含在主控制屏右下方）。
9．三相同步电机M08。
10．直流并励电动机M03。

五．实验方法及步骤

1．测定电枢绕组实际冷态直流电阻。
被试电机采用三相凸极式同步电机M08。
测量与计算方法参见实验3-1。记录室温，测量数据记录于表4-1中。
表4-1 室温 ℃

绕组I
绕组II
绕组III
I（mA）

U（V）

R（Ω）

2．空载试验
按图4-1接线，直流电动机M按他励方式联接，拖动三相同步发电机G旋转，发电机的定子绕组为Y形接法（UN=220V）。
Rf用NMEL-09中的3000Ω磁场调节电阻。
Rst采用NMEL-03中90Ω与90Ω电阻相串联，共180Ω电阻。
RL采用NMEL-03中三相可调电阻。
XL采用NMEL-08中三相可变电抗。
S1、S2采用NMEL-05中的三刀双掷开关。
同步电机励磁电源为0~2.5A可调的恒流源，按装在主控制屏的右下部。须注意，切不可将恒流源输出短路。
V1、mA、A1为直流电压、毫安、安倍表，按装在主控制屏的右下部。
交流电压表、交流电流表、功率表按装在主控制屏上，不同型号的实验台，其仪表数量不同，接法可参见异步电机的接线。
实验步骤：
（1）未上电源前，同步电机励磁电源调节旋钮逆时针到底，直流电机磁场调节电阻Rf调至最小，电枢调节电阻Rst调至最大开关S1、S2板向“2”位置（断开位置）。
（2）按下绿色“闭合”按钮开关，合上直流电机励磁电源和电枢电源船形开关，启动直流电机M03。
调节Rst至最小，并调节可调直流稳压电源（电枢电压）和磁场调节电阻Rf，使M03电机转速达到同步发电机的额定转速1500r/min并保持恒定。
（3）合上同步电机励磁电源船形开关，调节M08电机励磁电流If（注意必须单方向调节），使If单方向递增至发电机输出电压U0≈1.3UN为止。在这范围内，读取同步发电机励磁电流If和相应的空载电压Uo，测取7-8组数据填入表4-2中。
表4-2 n=nN=1500r/min I=0
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
UO（V）

If（A）

（4）减小M08电机励磁电流，使If单方向减至零值为止。读取励磁电流If和相应的空载电压U0。填入表4-3中。
表4-2 n=nN=1500r/min I=0
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
UO（V）

If（A）

实验注意事项：
（1）转速保持n=nN=1500r/min恒定。
（2）在额定电压附近读数相应多些。
实验说明：在用实验方法测定同步发电机的空载特性时，由于转子磁路中剩磁情况的不同，当单方向改变励磁电流If从零到某一最大值，再反过来由此最大值减小到零时将得到上升和下降的二条不同曲线，如图4-2。二条曲线的出现，反映铁磁材料中的磁滞现象。测定参数时使用下降曲线，其最高点取U0≈1.3UN，如剩磁电压较高，可延伸曲线的直线部分使与横轴相交，则交点的横座标绝对值△if0应作为校正量，在所有试验测得的励磁电流数据上加上此值，即得通过原点之校正曲线，如图4-3所示。
3．三相短路试验。
（1）同步电机励磁电流源调节旋钮逆时针到底，按空载试验方法调节电机转速为额定转速1500r/min，且保持恒定。
（2）用短接线把发电机输出三端点短接，合上同步电机励磁电源船形开关，调节M08电机的励磁电流If，使其定子电流IK=1.2IN，读取M08电机的励磁电流If和相应的定子电流值IK。
（3）减小发电机的励磁电流If使定子电流减小，直至励磁电流为零，读取励磁电流If和相应的定子电流IK2，共取数据7-8组并记录于表4-4中。
表4-4 U=0V n=nN=1500r/min
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
IK（A）

If（A）

4．纯电感负载特性
实验步骤：
（1）未上电源前，把同步电机磁励电源调节旋钮逆时针调到底，调节可变电抗器使其阻抗达到最大，同时折除同步电机定子端的短接线。
（2）按空载试验方法起动直流电动机M03，调节发电机的转速达1500 r/min，并保持恒定。开关S2扳向“1”端，使电机带纯电感负载运行。
（3）调节同步电机励磁电源，调节旋钮顺时针增大和可变电抗器，同时调节直流电动机的磁场调节电阻Rf ，保持转速1500 r/min，使同步发电机端电压接近1.1倍额定电压且电流为额定电流，读取端电压值和励磁电流值。
（4）每次调节励磁电流使电机端电压减小且调节可变电抗器使定子电流值保持恒定为额定电流。读取端电压和相应的励磁电流。测取7-8组数据并记录于表4-5中。
表4-5 n=nN=1500r/min I=IN= A
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
UO（V）

If（A）

5．测同步发电机在纯电阻负载时的外特性。
（1）把三相可变电阻器RL调至最大，按空载试验的方法起动直流电动机，并调节其转速达同步发电机额定转速1500r/min，且转速保持恒定。
（2）开关S2合向“2”端（断开感性负载），开关S1合向“1”端，发电机带三相纯电阻负载运行。
（3）合上同步电机励磁电源船形开关，调节发电机励磁电流If和负载电阻RL使同步发电机的端电压达额定值220伏，且负载电流亦达额定值。
（4）保持这时的同步发电机励磁电流If恒定不变，调节负载电阻RL，测同步发电机端电压和相应的平衡负载电流，直至负载电流减小到零，测出整条外特性。记录5-6组数据于表4-6中。
表4-6 n=nN=1500r/min If= A cosj=1
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
U（V）

I（A）

6．测同步发电机在纯电阻负载时的调整特性。
（1）发电机接入三相负载电阻RL（S1合向“1”），断开感性负载XL（S2合向“2”），并调节RL至最大，按前述方法起动电动机，并调节电机转速1500r/min，且保持恒定。
（2）合上同步电机励磁电源船形开关，调节同步电机励磁电流If，使发电机端电压达额定值UN=220伏，且保持恒定。
（3）调节负载电阻RL以改变负载电流，同时保持电机端电压不变。读取相应的励磁电流If和负载电流I，测出整条调整特性。测出6~7组数据记录于4-7中。
表4-7 U=UN=220V n=nN=1500r/min
序 号
1
2
3
4
5
6
7
8
I（A）

If（A）

六．实验报告

1.根据实验数据绘出同步发电机的空载特性。
2.根据实验数据绘出同步发电机短路特性。
3.根据实验数据绘出同步发电机的纯电感负载特性。
4.根据实验数据绘出同步发电机的外特性。
5.根据实验数据绘出同步发电机的调整特性。
6.由空载特性和短路特性求取电机定子漏抗Xσ和特性三角形。
7.由零功率因数特性和空载特性确定电机定子保梯电抗。
8.利用空载特性和短路特性确定同步电机的直轴同步电抗Xd（不饱和值）。
9. 利用空载特性和纯电感负载特性确定同步电机的直轴同步电抗Xd（饱和值）。
10.求短路比。
11.由外特性试验数据求取电压调整率ΔU％。

七．思考题

1.定子漏抗Xσ和保梯电抗Xp它们各代表什么参数？ 它们的差别是怎样产生的？
2.由空载特性和特性三角形用作图法求得的零功率因数的负载特性和实测特性是否有差别？造成这差别的因素是什么？
实验二 三相同步发电机的并联运行

一．实验目的

1.掌握三相同步发电机投入电网并联运行的条件与操作方法。
2.掌握三相同步发电机并联运行时有功功率与无功功率的调节。

二．预习要点

1.三相同步发电机投入电网并联运行有那些条件？不满足这些条件将产生什么后果？如何满足这些条件？
2.三相同步发电机投入电网并联运行时怎样调节有功功率和无功功率？调节过程又是怎样的？

三．实验项目

1.用准确同步法将三相同步发电机投入电网并联运行。
2.用自同步法将三相同步发电机投入电网并联运行
3.三相同步发电机与电网并联运行时有功功率的调节。
4.三相同步发电机与电网并联运行时无功功率调节。
(1)测取当输出功率等于零时三相同步发电机的V形曲线。
(2)测取当输出功率等于0.5倍额定功率时三相同步发电机的V形曲线。

四．实验设备及仪器

1．MEL系列电机教学实验台主控制屏。
2．电机导轨及测功机、转矩转速测量（NMEL-13、MEL-14）。
3．三相可变电阻器90Ω（MEL-04）。
4．旋转指示灯及开关板（NMEL-05A）。
5．同步电机励磁电源（位于主控制屏右下部NMEL-19）。
6．功率、功率因数表（或在主控制屏上，或为单独的组件NMEL-20）。

五．实验方法及步骤

1．用准同步法将三相同步发电机投入电网并联运行。
实验接线如图4-4。

三相同步发电机选用M08。
原动机选用直流并励电动机M03（作他励接法）。
mA、A1、V1选用直流电源自带毫安表、电流表、电压表（在主控制屏下部）。
Rst选用NMEL-04中的两只90Ω电阻相串联（最大值为180Ω）。
Rf选用NMEL-03中两只900Ω电阻相串联（最大值为1800Ω）。
R选用NMEL-04中的90Ω电阻。
开关S1、S2选用NMEL-05。
交流电压表、电流表、功率表的选择同实验3.1（异步电动机的工作特性）。
同步电机励磁电源固定在控制屏的右下部。
工作原理：三相同步发电机与电网首联运行必须满足以下三个条件。
（1）发电机的频率和电网频率要相同，即fII=fI；
（2）发电机和电网电压大小、相位要相同，即EoII=UI;
（3）发电机和电网的相序要相同；
为了检查这些条件是否满足，可用电压表检查电压，用灯光旋转法或整步表法检查相序和频率。
实验步骤：
（1）三相调压器旋钮逆时针到底，开关S2断开，S1合向“1”端，确定“可调直流稳压电源”和“直流电机励磁电源”船形开关均在断开位置，合上绿色“闭合”按钮开关，调节调压器旋钮，使交流输出电压达到同步发电机额定电压UN=220伏。
（2）直流电动机电枢调节电阻Rst调至最大，励磁调节电阻Rf调至最小，先合上直流电机励磁电源船形开关，再合上可调直流稳压电源船形开关，起动直流电动机M03，并调节电机转速为1500r/min。
（3）开关S1合向“2”端，接通同步电机励磁电源，调节同步电机励磁电流If，使同步发电机发出额定电压220伏。
（4）观察三组相灯，若依次明灭形成旋转灯光，则表示发电机和电网相序相同，若三组灯同时发亮，同时熄灭则表示发电机和电网相序不同。当发电机和电网相序不同则应先停机，调换发电机或三相电源任意二根端线以改变相序后，按前述方法重新起动电动机。
（5）当发电机和电网相序相同时，调节同步发电机励磁电流If使同步发电机电压和电网电压相同。再细调直流电动机转速，使各相灯光缓慢地轮流旋转发亮。
（6）待A相灯熄灭时合上并网开关S2，把同步发电机投入电网并联运行。
（7）停机时应先断开并网开关S2，将Rst调至最大，三相调压器逆时针旋到零位，并先断开电枢电源后断开直流电机励磁电源。
2．用自同步法将三相同步发电机投入电网并联运行
（1）在并网开关S2断开且相序相同的条件下，把开关S1合向“2”端接至同步电机励磁电源。
（2）按前述方法起动直流电动机，并使直流电动机升速到接近同步转速（1475~1525转/分之间）。
（3）启动同步电机励磁电流源，并调节励磁电流If使发电机电压约等于电网电压220伏。
（4）将开关S1闭合到“1”端，接入电阻R（R为90Ω电阻，约为三相同发电机励磁绕组电阻的10倍）。
（5）合上并网开关S2，再把开关S1闭合到“2”端，这时电机利用“自整步作用”使它迅速被牵入同步。
3．三相同步发电机与电网并联运行时有功功率的调节。
（1）按上述1、2任意一种方法把同步发电机投入电网并联运行。
（2）并网以后，调节直流电动机的励磁电阻Rf和同步电机的励磁电流If，使同步发电机定子电流接近于零，这时相应的同步发电机励磁电流If=Ifo。
（3）保持这一励磁电流If不变，调节直流电动机的励磁调节电阻Rf，使其阻值增加，这时同步发电机输出功率P2增加。
（3）在同步电机定子电流接近于零到额定电流的范围内读取三相电流、三相功率、功率因数，共取数据6~7组记录于表4-9中。
表4-9 U=220V（Y） If=Ifo= A
序
号
测 量 值
计 算 值
输出电流I（A）
输出功率P（W）
I
P2
cosj
IA
IB
IC
PI
PII
1

2

3

4

5

6

表中：I=
P2=PI+PII

4．三相同步发电机与电网并联运行时无功功率的调节
（1）测取当输出功率等于零时三相同步发电机的V形曲线。
a．按上述1、2任意一种方法把同步发电机投入电网并联运行。
b．保持同步发电机的输出功率P2≈0。
c．先调节同步发电机励磁电流If，使If上升，发电机定子电流随着If的增加上升到额定电流，并调节Rst保持P2≈0。记录此点同步发电机励磁电流If、定子电流Io。
d．减小同步电机励磁电流If使定子电流I减小到最小值，记录此点数据。
e．继续减小同步电机励磁电流，这时定子电流又将增加直至额定电流。
f．分别在这过励和欠励情况下，读取数据9-10组记录表4-10中。
表4-10 n=1500r/min U=220V P2≈0W
序
号
三 相 电 流 I（A）
励磁电流If（A）
IA
IB
IC
I
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

表中：I=
（2）测取当输出功率等于0.5倍额定功率时三相同步发电机的V形曲线。
a．按上述1、2任意一种方法把同步发电机投入电网并联运行。
b．保持同步发电机的输出功率P2等于0.5倍额定功率。
c．先调节同步发电机励磁电流If，使If上升，发电机定子电流随着If的增加上升到额定电流。记录此点同步发电机励磁电流If、定子电流Io。
d．减小同步电机励磁电流If使定子电流I减小到最小值，记录此点数据。
e．继续减小同步电机励磁电流，这时定子电流又将增加直至额定电流。
f．分别在这过励和欠励情况下，读取数据9-10组记录表4-11中。
表4-11 n=1500r/min U=220V P2≈0.5PN
序
号
测 量 值
计 算 值
IA
IB
IC
If
I
cosj
1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

表中：I=

六．实验报告

1.评述准确同步法和自同步法的优缺点。
2.试述并联运行条件不满足时并网将引起什么后果？
3.试述三相同步发电机和电网并联运行时有功功率和无功功率的调节方法。
4.画出P2≈0和P2≈0.5倍额定功率时同步发电机的V形曲线，并加以说明。

七．思考题

1.自同步法将三相同步发电机投入电网并联运行时先把同步发电机的励磁绕组串入10倍励磁绕组电阻值的附加电阻组成回路的作用是什么？
2.自同步法将三相同步发电机投入电网并联运行时先由原动机把同步发电机带动旋转到接近同步转速(1475～1525转/分之间)然后并入电网，若转速太低并车将产生什么情况？

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