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第17章同步发电机的运行特性17-1 同步发电机的空载和短路特性17-2 零功率因数负载特性17-3 同步发电机的外特性和调节特性17-4 滑差法和抽转子法测定同步电机参数17-1 同步发电机的空载和短路特性一、用空载特性和短路特性确定X d1. 空载试验试验条件电枢开路（空载）用原动机把被试同步电机拖动到同步转速改变励磁电流I f ，并记取相应的电枢端电压U 0（空载时U 0=E 0），直到U 0=1.25U N 左右，就可以得到空载特性曲线E 0= f （I f ）。
试验目的测得空载特性E 0=f （I f ）•空载特性可以通过计算或试验得到。
调节励磁回路可变电阻，使激磁电流逐步上升，每次记下If 和E的读数。
作同步电机的空载特性E=f(I f)，由于存在剩磁，规定用下降曲线来表示空载特性，从1.25UN对应的激磁逐步减小。
•同步电机的空载特性也常用标么值表示，空载电势以额定电压为基值，取U=UN时的励磁电流 (称为额定励磁电流)为励磁电流的基值。
用标么值表示的空载特性具有典型性，不论电机容量的大小、电压的高低，其空载特性彼此非常接近。
空载特性实验求取图17-1 空载实验电路和空载特性曲线注意：在绘制空载特性曲线时，应注意把E0换算成相值。
2. 短路试验试验条件电枢绕组短路用原动机把被试同步电机拖动到同步转速试验目的测得短路特性：I=f(If)调节励磁电流使电枢电流I 从零一直增加到1.2I N左右，便可以得到短路特性曲线。
（一）实验步骤：1.电枢端三相短路，短路实验接线图如图17-2；2.原动机拖动转子至同步速度，n = n1；3.调I f，使I由零升至1.2I N左右，逐点记录电枢电流和励磁电流；4.画出U＝0，Ik =f(If)图17-2 短路实验电路短路的等效电路图17-3短路特性和短路时的相矢图(a) 短路时的相矢图 ( b)短路特性•（二）短路特性短路时，限制短路电流的只有发电机的同步阻抗，忽略电枢电阻只考虑同步电抗，短路电流可认为纯感性。
发电机的主要特性发电机的主要特性高邮市微特电机厂的杨总在这里向大家介绍：发电机性能的主要是空载特性和负载运行特性。
而这些特性是用户选用发电机的重要依据。
空载特性：发电机不接负载时，电枢电流为零，称为空载运行。
此时电机定子的三相绕组只有励磁电流I f感生出的空载电动势E0（三相对称），其大小随I f的增大而增加。
但是，由于电机磁路铁心有饱和现象，所以两者不成正比。
反映空载电动势E0与励磁电流I f关系的曲线称为同步发电机的空载特性。
电枢反应：当发电机接上对称负载后，电枢绕组中的三相电流会产生另一个旋转磁场，称电枢反应磁场。
其转速正好与转子的转速相等，两者同步旋转。
同步发电机的电枢反应磁场与转子励磁磁场均可近似地认为都按正弦规律分布。
它们之间的空间相位差取决于空载电动势E0与电枢电流I之间的时间相位差。
电枢反应磁场还与负载情况有关。
当发电机的负载为电感性时，电枢反应磁场起去磁作用，会导致发电机的电压降低；当负载呈电容性时，电枢反应磁场起助磁作用，会使发电机的输出电压升高。
负载运行特性：主要指外特性和调整特性。
外特性是当转速为额定值、励磁电流和负载功率因数为常数时，发电机端电压U与负载电流I之间的关系。
调整特性是转速和端电压为额定值、负载功率因数为常数时，励磁电流If与负载电流I之间的关系。
同步发电机的电压变化率约为20～40%。
一般工业和家用负载都要求电压保持基本不变。
为此，随着负载电流的增大，必须相应地调整励磁电流。
虽然调整特性的变化趋势与外特性正好相反，对于感性和纯电阻性负载，它是上升的，而在容性负载下，一般是下降的。
相关术语发电机：能把机械能转变为电能的设备的总称。
所产生的电能可以是直流电也可以是交流电。
接地：是指电路与大地之间或与某些和大地相通的导电物体之间的连接。
怠速控制：一种可直接根据电气负载对发动机的怠速进行控制的系统。
点火线圈：为火花塞提供直流电压的器件。
永磁发电机：一种带有永久磁铁的交流发电机，用于产生内燃机点火所需要的电流。
电机学实验报告实验四同步发电机运行特性一、实验目的1．掌握用实验方法测取三相同步发电机对称运行特性的方法；2．掌握用实验数据获取同步发电机稳态参数的方法。
二、实验内容1．测取发电机的空载特性；2．测取发电机的短路特性；3．测取额定电流条件下发电机的零功率因数负载特性。
三、实验接线图测取三相同步发电机对称运行特性的实验线路图如图4-1所示。
其中发电机G的转子与直流电动机M的转子机械连接，转子励磁绕组接励磁电源，电枢绕组为Y形连接。
图4-1 三相同步发电机运行特性接线图实验过程中，测定三相同步发电机空载特性的时候，将开关S2打开，这样同步发电机处于空载状态。
测定三相同步发电机短路特性的时候，将开关S2的右侧的三个端口短接，这样同步发电机处于短路运行状态。
测定额定电流条件下三相同步发电机零功率因数负载特性的时候，将开关S2闭合，X L 为一个三相饱和电抗器，忽略电阻，则它的功率因数为零，这样来测定零功率因数负载特性。
四、实验设备1．G同步发电机P N=2kW、U N=400V、I N=3.6A、n N=1500r/min；2．M直流电动机P N=2.2kW、U N=220V、I N=12.4A、U fN=220V、n N=1500r/min；3．变阻器R1：0/204Ω、0/17A，励磁变阻器R f1：0/500Ω、1A；4．X L三相饱和电抗器；5．直流电流表30A(电枢)；6．直流电流表4A(励磁)；7．直流电压表400V；8．交流电压表500V；9．交流电流表10A；10．功率表500V 10A。
五、实验数据1．测定发电机的空载特性：0AB AB CA2．测定发电机的短路特性：表4-2 发电机的短路特性实验数据n=nk A B C3．测定发电机的零功率因数负载特性：表4-3 发电机的零功率因数负载特性实验数据n=nAB AB CA六、特性曲线、参数计算及问题分析1．根据实验数据作出同步发电机的空载运行特性曲线U0=f(I f)，如下图4-2所示：图4-2 发电机空载运行特性曲线2．根据实验数据作出同步发电机的短路运行特性曲线I k=f(I f)，如下图4-3所示：图4-3 发电机短路运行特性曲线3．根据实验数据作出同步发电机的零功率因数负载特性曲线U=f(I f)，如下图4-4所示图4-4 发电机零功率因数负载特性曲线4．利用空载特性和短路特性确定同步电机的直轴同步电抗X d（不饱和值）以及短路比：计算直轴同步电抗X d需要在取同一个I f值的情况下，计算空载电压U0和短路电流I k 的比值。
1.为什么发电机在并网后，电压一般会有些降低？ (2)2.为什么调节无功功率时有功功率不会变，而调节有功功率时无功功率会自动变化？ (2)3.发电机运行时为什么会发热？ (2)4.定子绕组单相接地时对发电机有危险吗？ (2)5.大修后的发电机为什么要做空载和短路试验？ (2)6.什么是保护接地与保护接零？ (3)7.发电机启动前，对碳刷和滑环应进行那些检查？ (3)8.发电机升压操作时应注意什么？ (3)9.发电机并解列前为什么必须投入主变中性点地刀？ (3)10.何谓发动机的调相运行？如何实现？ (4)11.何谓发动机的进相运行，应注意什么，为什么？ (4)12.何谓发动机自励磁，一般在什么情况下发生，如何避免？ (4)13.失磁现象？ (4)14.转子两点接地的危害表现为： (5)15.发动机非全相运行的危害？ (5)16.与发电厂相连的线路在什么情况下可采用零起升压？ (5)17.定子单相接地时对发电机是否有危险? (5)18.转子一点接地时发电机是否可以继续运行？ (6)19.发电机为什么要做直流耐压试验并测泄漏电流? (6)20.发电机的空载特性试验有什么意义?做发电机空载特性试验应注意哪些事项? (6)21.发电机产生轴电压的原因是什么？它对发电机的运行有何危害？ (6)1.为什么发电机在并网后，电压一般会有些降低？对于发电机来说，一般都是迟相运行，他的负载也一般是阻性和感性负载。
当发电机升压并网后，定子绕组流过电流，此电流是感性的，感性电流在发电机内部的电枢反应作用比较大，他对转子磁场起削弱作用，从而引起端电压下降。
当流过的只是有功电流时，也有相同的作用，只是影响比较小。
这是因为定子绕组流过电流时产生磁场，这个磁场的一半对转子磁场起助磁作用，而另一半起去磁作用，由于转子磁场的饱和性，助磁一方总是弱于去磁的一方。
因此，磁场会有所减弱，导致端电压有所下降。
2.为什么调节无功功率时有功功率不会变，而调节有功功率时无功功率会自动变化？调无功功率时，因为励磁电流的变化引起功角的变化，从式看出，当发电机电动势增加，SIN￥值减小时，有功基本不变。
调有功功率时，对无功功率输出的影响就较大。
发电机能不能送无功功率与电压差有关这个电压差指的是发电机电动势和端电压（系统电压）的同相部分的电压差，只有这个电压差才产生无功电流。
当发电机送出有功功率，电动势就与系统电压错开一个角度，这样无功电压变小了。
当有功变化越大，差角就越大，无功电压更小，因此无功自动减小，反之，当差角减小，无功会自动增加。
3.发电机运行时为什么会发热？任何机器运转都会产生损耗，发电机也不例外，运行时他的内部损耗也很多。
大致分四类：铜损是指定子绕组的导线流过电流后在电阻上产生的损耗，即I2R而且定子槽内的导线产生的集肤效应额外引起损耗。
铁损是指铁芯齿部和轭部所产生的损耗，他有两种形式，一种是涡流损耗，另一种是磁滞损耗。
涡流损耗是由于交变磁场产生感应电动势，在铁芯中引起涡流导致发热；磁滞损耗是由于交变磁场而使铁磁性材料克服交变阻力导致发热。
励磁损耗是转子绕组的电阻损耗。
另外，机械损耗就容易理解了。
这四种损耗都将使绕组、铁芯或其他部件发热，因此发电机在运行中会发热，这是不可避免的。
4.定子绕组单相接地时对发电机有危险吗？发电机的中性点是绝缘的，如果一相接地，乍看构不成回路，但是由于带电体与处于地电位的铁芯间有电容存在，发生一相接地，接地点有会有电容电流流过。
单相接地电流的大小，与接地线匝的份额a成正比。
当机端发生金属性接地，接地电流最大，而接地点越靠近中性点，接地电流愈小，故障点有电流流过，就可能产生电弧，当接地电流大于5A时，就会有烧坏铁芯的危险。
5.大修后的发电机为什么要做空载和短路试验？这两个试验都属于发电机的特性和参数试验，他与预防性试验的目的不同。
这类试验是为了了解发电机的运行性能、基本量之间的关系的特性曲线以及被电机结构确定了的参数。
做这些试验可以反映电机的某些问题。
空载试验是指电机以额定转速空载运行时，其定子电压与励磁电流之间的关系。
他的用途很多，利用特性曲线，可以断定转子线圈有无匝间短路，也可判断定子铁芯有无局部短路如有短路，该处的涡流去磁作用也将使励磁电流因升至额定电压而增大。
此外，计算发电机的电压变化率、未饱和的同步电抗，分析电压变动时发电机的运行情况以及整定磁场电阻等都需要利用空载特性。
短路特性是指在额定转速下，定子绕组三相短路时，这个短路电流与励磁电流之间的关系。
利用短路特性，可以判断转子线圈有无匝间短路，以为当转子线圈存在匝间短路时，由于安匝数减少，同样大的励磁电流，短路电流也会减少。
此外，计算发电机的主要参数同步电抗、短路比以及进行电压调整器的整定计算时，也需要短路特性。
6.什么是保护接地与保护接零？保护接地多用在三相电源中性点不接地的系统中。
将三相用电设备的外壳导线和接地电阻相联就是保护接地。
当人碰到一相因绝缘损坏已与金属外壳短路的电机，则磁相电流将分两路入地，由于接地电阻远小于人体电阻，所以大部分电流通过接地电阻入地，流入人体电流微小，人体安全得以保证。
在动力和照明共用的低压三相四线供电制供电系统中，电源中点接地，这时应采用保护接零，即把设备的外壳导线和中线相联。
假如设备与壳相联，则该相导线即与中线形成短路，致使该相熔丝熔断，免除危险。
必须指出的是，同一配电线路中，不允许一部分设备接地，另一部分设备接中线。
因为当接地设备的外壳碰线时，则该设备的外壳与相临接零设备的外壳之间具有相电压的电位差，因而非常危险。
7.发电机启动前，对碳刷和滑环应进行那些检查？1、滑环、刷架、刷握和碳刷必须清洁，不应有油、水、灰等，否则应予以消除。
2、碳刷在刷握中应能上下活动，无卡涩现象。
3、碳刷弹簧应完好，压力应基本一致，且无退火痕迹。
4、碳刷的规格应一致，并符合现场规定。
5、碳刷不应过短，一般不短于2.5厘米，否则应予以更换。
8.发电机升压操作时应注意什么？发电机转速额定后，进行升压操作时，应注意：1、升压应缓慢进行，使定子电压缓慢上升。
2、升压过程中，应监视转子电压、电流和定子电压表指示均匀上升。
定子电流应为零，若发现有电流，则说明定子回路有短路点，应立即切除励磁进行检查。
3、电压升至额定值的50%时，应分别测量定子三相电压是否平衡。
电压升至额定时，还应检查发电机零序电压3U0小于等于5V。
4、升压过程中，应检查发电机、励磁机的工作状况，电刷运行是否正常，进出口风温是否正常。
5、升压至额定后，应检查转子回路的绝缘状况，正、负极对地电压相等，两极对地电压之和小于极间电压的80%。
9.发电机并解列前为什么必须投入主变中性点地刀？因为主变高压侧断路器一般是分相操作的，而分相操作的断路器在合、分操作时，容易产生三相不同期或某相合不上拉不开的情况，可能产生工频失步过电压，威胁主变绝缘，如果在操作前合上接地刀闸，可有效限制过电压，保护绝缘。
10.何谓发动机的调相运行？如何实现？就是发动机不发有功，主要用来向系统输送感性无功。
调相运行是需要消耗有功功率维持其转动的，其消耗的有功可从系统或原动机获得。
水轮发动机是将导叶全关，排出水轮室内地水，由系统供给转动能量，增加励磁电流，即可向系统供给无功功率。
发动机调相运行时，使系统有旋转备用容量，又可调节无功使系统电压维持在正常水平。
11.何谓发动机的进相运行，应注意什么，为什么？是指发动机发出有功，吸收无功的稳定运行状态。
注意：1、 静态稳定性降低。
因进相运行时，内部电动势降低，静态储备降低。
2、 端部漏磁引起定子端部温度升高。
因进相运行时，助磁性的电枢反应，使发动机端部漏磁增加，引起定子温升。
端部漏磁通为定子绕组端部漏磁通和转子端部漏磁通的合成。
进相运行时，由于两个磁通的相位关系，使合成磁通较非进相运行时大，导致定子端部温升。
3、 厂用电电压降低。
厂用电电压一般引自机端出口或发动机母线电压，由于励磁电流降低，无功倒送，引起进相时厂用电电压降低。
4、 输出功率不变的条件下，端电压降低，定子电流增加，易造成过负荷。
.sin d d E UP X =∂进相运行时d E 、U 均有所降低；P 不变，功角增大，同样降低动稳定水平。
12.何谓发动机自励磁，一般在什么情况下发生，如何避免？发动机接上容性负荷时，在系统参数谐振条件下，即当线路的容抗小于或等于发动机和变压器的感抗时，在发动机剩磁和电容电流的助磁作用下，发生发动机端电压与负荷电流同时上升大现象。
当机组接空载长线路或串联电容补偿度过大大线路上容易发生自励磁。
避免方法：在可能发生自励磁的系统中，可采用并联电抗器，在线路末端连接变压器或改变运行方式，从而改变系统运行参数。
使X d +X T 小于线路容抗X C 。
13.失磁现象？转子电流表指示为零或接近零。
定子电流表指示升高并摆动。
有功功率表指示降低并摆动。
无功功率表指示为负值。
功率因数表指示为进相。
母线电压降低并摆动。
发动机声音异常。
励磁回路接地故障危害？发动机正常运行时，励磁回路对地之间有一定的绝缘电阻和分布电容。
它们的大小与转子的结构和冷却方式等因素有关。
当转子绝缘损坏时，就可能引起励磁回路接地故障。
常见的是励磁回路一点接地，因构不成电流通路，对发动机不会构成直接危害。
主要是担心发生第二点接地。
因一点接地后，励磁回路对地电压将有所升高，就有可能再发生第二点接地。
14.转子两点接地的危害表现为：1、转子绕组一部分被短路，另一部分绕组的电流增加，这就破坏了发动机气隙磁场的对称性，引起发动机的剧烈振动，同时无功出力降低。
2、转子电流通过转子本体，若转子电流比较大，就可能烧坏转子，有时还会造成转子和气轮机叶片等部件被磁化。
3、因转子本体局部通过转子电流，引起局部发热，使转子发生缓慢变形而形成偏心，进一步加剧振动。
15.发动机非全相运行的危害？1、转子发热。
2、机组振动加大。
3、定子绕组由于负荷不平衡出现个别绕组端部过热。
4、可能出现过电压。
发动机在停机时，如一相未断开，发动机会发生什么现象？发动机与系统一相相连，另两相断开，将发生异步运行，断路器断口最大电压将产生2倍的线电压。
16.与发电厂相连的线路在什么情况下可采用零起升压？一、有下列情况：1、较长线路由于对地电容较大，若以全电压送出，则末端电压过高，不能并联和带负荷。
2、为检查线路事故跳闸后或检修后是否存在故障。
3、防止全电压投入到故障线路，引起过大的系统冲击或稳定破坏。
二、对线路零起升压的原理接线如我厂单元式接线，1、将发电机和线路的继电保护全部投入，将发电机的自动励磁调节装置、强行励磁和线路重合闸停用。
2、对中性点直接接地的系统，发电机的升压变压器中性点必须直接接地。
对于经消弧线圈接地系统，则升压变压器中性点应尽量带有恰当分接头的消弧线圈。
