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 = 120.9 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 =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= 30 r/nin，n[o]=28.5 r/nin，IFO =3.4 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
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
（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=414.3 V 。Xd = UGO/IGn =414.3/9.08=45.3（W）
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
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
（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
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
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
（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
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
（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
（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，而在临界失步时，需要经历一个时间t.当发电机失磁时有功很小，这表明发电机空载运行时，即使全部失磁也不会失步。
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？
答：失磁后发电机电枢反应的程度变小，转子加速，转速表上升，但是频率表不变，频率表收到系统频率限制。
4）分析发电机带孤立负荷运行时失磁的特点。
答：发电机带孤立负荷运行时失磁时频率和转速都变大，失磁后频率升高是由于转子相当于没有负载在空载，所以频率较之之前升高了，转子转速增加是因为转子上的转速完全有原动机。
5）说明发电机调相运行的作用和特点。
答：发电机调相运行用于无功功率调节，对改善电网功率因数及电网经济运行起重要的作用，是现代大型电网中必不可少的主要电力设备之一，从理论上讲，它实际是空载运行的发动机。
6）分析发电机甩负荷后运行参数变化的特点。
答：发电机甩负荷后有功功率和无功功率都变为零，功率因数为1，既有功发不出，极端电压升高很多，是因为励磁绕组上过剩磁场能量积累，空载电势很大，所以使得端电压升高。
6）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。
答：发电机的励磁电流从电网中获取，当电网停电之后，励磁电流变为零，发电机的有功和无功不变为零，此时发电机的转速下降，最后停止。
四、附录
1．不饱和Xd的求法
4）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；
5）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
6）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* = Xd Sn/Un2
五、心得体会
通过一个星期的实验，我对发电机并网的过程有了更详细、深入的了解。刚开始去到实验室，看老师演示并网实验时，对并网的操作不是很熟悉，看着老师这么熟练的操作心中觉得十分佩服。老师要求我们在做并网实验时不能一边对着书本的步骤一边做，而是要牢记每个步骤对应的按钮，操作时应该观察哪一个电表。当时我觉得这个是一个非常艰巨的任务，但是通过几次实验的慢慢熟悉，我逐渐熟练地掌握了发电机并网的步骤。
在实验过程中，通过王老师的耐心指导，对发电机并网的理论知识加深、巩固，更懂得了做实验不应该以记录实验报告上面的表格的数据为目的，而是应该理论联系实际，了解清楚每一个实验的意义，反应了什么问题等等。并且我更加深刻的认识到，越是紧急的情况，就越不能慌张，一定要保持头脑清醒，动作迅速，操作准确。我们所做的实验的发电机并网是属于准同期并网，所以对这部分已经有了比较深刻的理解，希望学校有条件的话能够开设发电机自同期并网的实验，这样才能更好的比对两个并网方式的优缺点。