三相同步发电机的运行特性完整版

同步发电机基本工作原理及运行特性一、基本工作原理及结构同步发电机是利用电磁感应原理，将机械能转变为电能的装置。

所谓电磁感应就是导体切割磁力线的能产生感应电势，将导体连接成闭合回路，就有电流通过的现象。

导体镶嵌在铁芯的槽里，铁芯是固定不动的称为定于（静子）。

磁极是转动的，称为转子。

它是由励磁绕组和铁芯组成的。

励磁绕组通过滑环与外部励磁回路相连，定子和转子是发电机的基本组成部分。

那么，三相交流电是如何产生的呢？直流电通入转子绕组后，就产生了稳恒的磁场，沿定于铁芯内圆，每相隔120度，分别安放三相绕组A－X、B－Y、C－Z。

当转子被汽轮机拖动以3000r/min旋转时，定子绕组便切割磁力线，产生感应电势，感应电势的方向可由右手定则来确定。

由于转子产生的磁场是旋转磁场，所以定子绕组切割磁力线的方向不断变化，在其中感应的电势方向就不断变化，因而形成交变电势即交流电势。

交流电势的额定频率为f，它决定于发电机的极对数P和转速n，其计算公式为:f=np/60HZ，我国规定交流电的频率为50HZ。

即：p=1，n=3000r/min交流电势的相位关系：转子以3000r/min的转速不停地旋转A、B、C三相绕组先后切割转子磁场的磁力线，所以三相绕组中电势的相位是不同的，因为定子绕组在安放时，空间角度相差120°相序为A－B－C。

何为同步呢？当发电机并列带负荷后，三相绕组中的定子电流（电枢电流）将合成一个旋转磁场，交流磁场与转子同速度，同方向旋转，这就是同步。

二、同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性，一般是指发电机的空载特性、短路特性、负载特性、外特性和调整特性等五种。

其中，外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，运行人员可以判断发电机的运行状态是否正常，以便及时调整，保证高质量安全发电。

而空载特性、短路特性、负载特性则是检验发电机基本性能的特性，用于测量，计算发电机的各项基本参数。

1、外特性所谓外特性，就是励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，负荷变化时发电机端电压U的变化曲线。

实验四三相同步发电机的运行特
性
实验四：三相同步发电机的运行特性
三相同步发电机是一种常用的大功率电机，它具有较好的效率、可靠性和低成本。

在实验四中，将对三相同步发电机的运行特性进行详细的说明。

首先，要弄清楚三相同步发电机的工作原理。

三相同步发电机是通过三个单相电磁激励来产生同步旋转磁场的。

三个单相电磁激励的电流分别以120度的相位差来传递，这样就形成了一个永久磁场，在这个永久磁场中，三相交流电的同步旋转磁场，能够对发电机的转子产生相应的力，使发电机的转子沿着永久磁场的方向旋转。

其次，要了解三相同步发电机的主要运行特性。

三相同步发电机的运行特性有以下几点：
1. 功率因数：三相同步发电机的功率因数取决于负载的阻抗值，随着负载阻抗的变化，功率因数也会发生变化。

2. 电流平衡：当三相同步发电机处于空载状态时，三相电流应保持平衡，即三相电流之间的相位关系应始终保持120度。

3. 调速特性：三相同步发电机的调速特性取决于供电电压，当供电电压改变时，发电机的转速也会随之改变。

4. 效率：三相同步发电机的效率高，其输出功率大于输入功率，且随着负载的增加而逐渐降低。

5. 启动特性：三相同步发电机的启动特性要求电流不能过大，否则可能会对转子、绕组等部件造成损坏。

最后，要注意三相同步发电机的安全性。

三相同步发电机的安全性要求要求电流不能过大，电压不能过高，否则可能会对电机产生过大的力，从而导致发电机的损坏。

同步发电机的运行特性同步发电机对称稳态运行时，保持转速为额定转速，端电压、电枢电流和励磁电流的变化关系。

一、空载特性1. 定义电枢绕组开路(空载)，保持转子转速为额定转速，电枢端电压U0(空载时即激磁电动势E0)随励磁电流If的变化曲线。

.2. 空载特性曲线见图6-113. 原因：交流绕组电动势公式。

4. 作用：判断同步发电机定子铁心的性能与故障。

二、短路特性1.定义：电枢绕组三相短接(短路，端电压U=0)，保持转子转速为额定转速，电枢电流I随励磁电流If的变化曲线。

2.短路特性曲线：见图6-243.原因：忽略电枢绕组的电阻Ra ，可认为短路电流为纯感性，即，则即此时，电枢反应的性质为直轴去磁的电枢反应，使气隙磁场不饱和，即。

所以，。

4.作用：配合空载特性求xd见图6-25，求xd 不饱和值，见图6-26，求xd 的饱和值，三、外特性及电压变化率1.定义保持转子转速为额定转速，且励磁电流 If 和负载功率因数cosφ不变，发电机端电压U随负载电流I的变化曲线，即U=f (I ) 。

2.外特性曲线见图6-30，负载功率因数不同，外特性曲线不同3.原因感性负载(cosφ =0.8滞后)和纯电阻负载时，外特性曲线是下降的。

这是由于电枢反应去磁作用和漏阻抗压降所引起的。

容性负载(cosφ=0.8超前)时，外特性曲线可能上升。

这是由于电枢反应助磁作用抵消漏阻抗压降使端电压下降的影响使端电压上升。

4.电压调整率调节发电机的励磁电流，使电枢电流为额定电流、功率因数为额定功率因数，端电压为额定电压，此时的励磁电流为额定励磁电流IfN。

保持励磁电流为IfN，转子转速为额定转速，卸去负载(即I=0)，此时端电压的升高的百分值即为电压调整率，用Δu表示，即Δu= 100%同步电机的电压调整率较大，汽轮发电机通常在(30~48)%，水轮发电机通常在(18~30)%;而变压器的仅有(5~8)%。

四、整特性1.定义保持转子转速为额定转速，发电机端电压为额定电压和负载功率因数cosφ不变，励磁电流If随负载电流I的变化曲线，即If = f(I)。

合 分 合 分 +-+-A1A3LDSPM—G ～A2V2+ - 合分V4实验实训老师： 实验实训地点： 实验实训日期： 2020年6月11日实验实训题目： 三相同步发电机稳定运行特性测定一、实验目的用实验方法测取三相同步发电机的运行特性。

二、主要仪器设备三相调压器、实验工作台、三相同步发电机、实验负荷箱。

三、 实验内容与步骤1. 实验内容（1）在f =f N ，I =0的条件下，测取空载特性曲线U 0=f （I f ） ；（2）在f =f N ，I f =常数，cos ϕ=1的条件下，测取外特性曲线U =f （I ）。

2. 实验步骤1) 空载实验直流机电枢电源同步机励磁电源直流机励磁电源图7-1 测取空载特性曲线实验（1） 参照实验图7-1正确接线。

（2） 启动直流电机（请参照实验一） 。

合 分 合 分 +-+-A1A3LDSPM—G ～WWV2A4+ - 交流接 触器 合分实验负荷箱直流机励磁电源（3） 使机组转速n =n N =1500r/min ，并保持不变。

按下实验台同步机励磁电源（40V/4A ）合闸按钮，按下DL -II 微机型电机励磁电源机箱面板上的“启动”按钮，面板上的“合闸”指示灯将会点亮，点击“增加电压”按钮将同步发电机电压逐渐升高，使发电机空载端电压U 0=1.2U N ，然后减小同步发电机励磁电流I f ，U 0下降，直至I f =0，中间测取7到8个点，记录I f 、U 0于表8-1中。

2)外特性实验（1） 短路实验接线原理图自拟。

（此实验中同步发电机的定子绕组需要外接至三相实验负荷箱上）直流机电枢电源同步机励磁电源注：LDSP 为转矩/转速测量仪表图7-2 测取负载特性曲线实验（2） 参照实验图7-2正确接线，启动直流电动机，将转速调节到接近额定转速。

（3） 在发电机励磁电流为零的情况下，将同步发电机的三相定子绕组与实验负荷箱接通，使同步发电机带上电阻负载，然后再增加发电机的励磁电流，调整发电机到额定运行状态（即额定转速、额定电压和额定电流），然后保持励磁电流I f 和转速n=n N 不变，逐步减小负载，直到空载。

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、空载实验：在n=n N、I=0的条件下，测取空载特性曲线U0=f(I f)。

3、三相短路实验：在n=n N、U=0的条件下，测取三相短路特性曲线I K=f(I f)。

4、纯电感负载特性：在n=n N、I=I N、cosφ≈0的条件下，测取纯电感负载特性曲线。

5、外特性：在n=n N、I f=常数、cosφ=1和cosφ=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=n N、U=U N、cosφ=1的条件下，测取调节特性曲线I f=f(I)。

四、实验方法2、屏上挂件排列顺序D34-2、D52、D513、测定电枢绕组实际冷态直流电阻被试电机为三相凸极式同步电机，选用DJ18。

测量与计算方法参见实验4-1。

记录室温。

测量数据记录于表5-1中。

图5-1 三相同步发电机实验接线图4、空载实验(1) 按图5-1接线，校正直流测功机ＭＧ按他励方式联接，用作电动机拖动三相同步发电机ＧＳ旋转，ＧＳ的定子绕组为Y 形接法(U N =220V)。

R f2用R4组件上的90Ω与90Ω串联加R6上90Ω与90Ω并联共225Ω阻值，R st 用R2上的180Ω电阻值，R f1用R1上的1800Ω电阻值。

开关S 1，S 2选用D51挂箱。

(2) 调节D52上的24V 励磁电源串接的R f2至最大位置。

调节MG 的电枢串联电阻R st 至最大值，MG 的励磁调节电阻R f1至最小值。

开关S 1、S 2均断开。

将控制屏左侧调压器旋钮向逆时针方向旋转退到零位，检查控制屏上的电源总开关、电枢电源开关及励磁电源开关都须在“关”断的位置，作好实验开机准备。

1.空载特性同步发电机的空载、短路及零功率因数特性都是同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步电抗及漏电抗，以确定同步发电机的其他特性。

当同步发电机运行于n=n1，I a=0时，即称为空载运行。

(1)同步发电机空载特性曲线的测定同步发电机达到同步转速后，加入励磁电流，改变励磁电流，空载电势也随之改变。

①励磁电流由零升至最大值②励磁电流由最大值降为零由于铁磁材料磁滞的原因，空载电势略有不同，一般取下降得空载特性曲线图1 同步发电机空载特性曲线显然，此时我们通过改变励磁电流，则气隙中的旋转磁通及电枢绕组中的感应电动势都会随之发生变化。

(2)空载特性:空载时不同励磁电流和产生空载电势之间的关系，图2 同步发电机空载特性因E0正比于0，而励磁电流又正比于励磁磁势，所以空载特性曲线与电机的磁化曲线在形状上完全相同。

空载特性主要有两个用处:①空载特性可以反映出电机设计是否合理。

如同前面所分析的情况一样，额定电压应位于空载特性开始弯曲的部分，这样才比较经济合理。

②同步电抗是同步电机中一个极为重要的参数，同步电机的许多性能由它所决定。

空载特性配合短路特性可以求出同步电抗。

2.短路特性当同步发电机运行于n=n1，电枢三相绕组持续稳态短路(即U=0)时，称为短路运行。

如改变它的励磁电流，三相短路电流也随之而改变。

短路特性就是研究这两个量之间的变化关系，I K=f(I f)曲线。

如果略去电枢电阻:得到:因为忽略了电阻效应，电枢是纯电感电路，短路电流滞后于电势90电角度，所以产生的电枢反应是直轴去磁效应。

此时电机内的磁通很弱，磁路是不饱和的，所以同步电抗为一个常数。

图3 同步发电机短路特性同步发电机定子绕组的出线端短路后，电枢电流I随励磁电流i f变化，两者为什么成正比关系?若忽略Ra，则三相短路时，由于滞后于90电角度，即ψ=90°，因此在凸极电机中，短路电流全是直轴分量，而交轴分量为零。

所以由于电枢磁势的直轴去磁作用，使电机中磁通小，磁路也不饱和，所以式上式中的Xd也是一个常数。

实验四三相同步发电机一、实验目的1. 用实验方法测取三相同步发电机的运行特性；2. 研究同步发电机投入电网并联运行的方法。

二、实验内容1. 在f=fN, I=0的条件下, 测取空载特性曲线U0=f（If）；2．在f=fN, U=0的条件下, 测取短路特性曲线IK=f（If）；3. 用准确整步法将同步发电机投入电网并联运行。

三、实验接线接线时, 可单独使用同步指示灯或同期表, 也可同时使用同步指示灯和同期表。

使用同期表时, 同期表A.B端接发电机AB相线电压, 同期表A0、B0端接电网端AB相线电压。

四、实验说明1. 空载实验实验步骤:1）请参照实验接线图4-1正确接线。

2）启动直流电机（请参照实验三）。

3）使机组转速n=nN=1500r/min, 并保持不变。

按下实验台同步机励磁电源（40V/4A）合闸按钮, 合上发电机励磁电源箱（40V/4A）的电源开关, 点击“增”按钮将同步发电机电压逐渐升高, 使发电机空载端电压U0=1.1UN, 然后减小同步发电机励磁电流If, U0下降, 直至If=0, 测取7到8组数据, 记录If、U0于表4-1中。

表4-1I fU02．注意: 同步发电机的励磁电流不能忽大忽小, 必须单方向调节。

3．短路实验短路实验接线原理图自拟。

启动直流电动机, 将转速调节到接近额定转速。

先将同步发电机的三相定子绕组短接, 然后加励磁, 调节同步发电机的励磁电流If, 使定子短路电流IK=1.1IN（IN=3.6A）。

再减小励磁电流直至If=0, 记录4到5组数据, 记录If、IK于表4-2中。

表4-23. 用准确整步法将同步发电机投入电网并联运行实验步骤:（1）请参照实验接线图4-2正确接线。

（2）盘车检查, 确认电机没有卡住或异常响声。

（3）按实验一的方法启动直流电动机, 使直流电动机的转速逐渐上升至1500转/分左右。

（4）按下实验台电网合闸按钮, 按下实验台同步机励磁电源（40V/4A）合闸按钮, 合上发电机励磁电源箱（40V/4A）的电源开关, 点击“增”按钮将同步发电机电压逐渐升高压, 使发电机的端电压等于电网电压。

三相同步发电机的运行特性实验报告一、实验目的1. 掌握三相同步发电机的空载、短路及零功率因数负载特性的实验求取法。

2.学会用实验方法求取三相同步发电机对称运行时的稳太参数。

二、实验内容：1.空载实验：在n=nN，I=0的条件下，测取同步发电机的空载特性曲线Uo=f(If)。

2.三相短路实验：在n=n N，U=0的条件下，测取同步发电机的三相短路特性曲线I k=f(I f).3..求取零功率因数负载特性曲线上的一点，在n=nN；U=UN；cosØ≈0的条件下，测取当I=IN 时的If值。

三、实验仪器及其接线1.实验仪器如下图所示：2.实验室实际接线图如下图所示：图1 实验室实际接线图四、实验线路及操作步骤：1. 空载实验实验接线图如图2所示图2 实验接线图实验时启动原动机（直流电动机），将发电机拖到额定转速，电枢绕组开路，调节励磁电流使电枢空载电压达到120%U N值左右，读取三相线电压和励磁电流，作为空载特性的第一点。

然后单方向逐渐减小励磁电流，较均匀地测取8到9组数据，最后读取励磁电流为零时的剩磁电压，将测量数据记录于表1中。

表1 空载实验数据记录 n=no=1500转/分 I=0（1）表1中U 0=3AC BC AB U U U ++ U 0*=NU U 0 I f =I ´f +ΔI f0 I I fofI f =* I f0为U 0= U N 时的I f 值，在本实验室中取U N =400V,I N =3.6A 。

（2）若空载特性剩磁较高，则空载特性应予以修正，即将特曲线的的直线部分延长与横轴相交，交点的横坐标绝对植ΔI f0即为修正量，在所有试验测得的励磁电流数据上加上ΔI f0，即得通过坐标原点之空载校正曲线。

如图3所示。

图3 空载特性曲线校正2.短路实验实验线路图如图2所示。

在直流电动机不停机状态下，并且，发电机励磁电流等于零的情况下，这时合上短路开关K 2，将电枢三相绕组短路，将机组转速调到额定值并保持不变，逐步增加发电机的励磁电流I f ，使电枢电流达到（1.1-1.2）倍额定值，同时量取电枢电流和励磁电流，然后逐步减小励磁电流直到降为0为止。

1.空载特性同步发电机的空载、短路及零功率因数特性都是同步发电机的基本特性，通过它们可以求出同步电机的同步电抗及漏电抗，以确定同步发电机的其他特性。

当同步发电机运行于n=n1，I a=0时，即称为空载运行。

(1)同步发电机空载特性曲线的测定同步发电机达到同步转速后，加入励磁电流，改变励磁电流，空载电势也随之改变。

①励磁电流由零升至最大值②励磁电流由最大值降为零由于铁磁材料磁滞的原因，空载电势略有不同，一般取下降得空载特性曲线图1 同步发电机空载特性曲线显然，此时我们通过改变励磁电流，则气隙中的旋转磁通及电枢绕组中的感应电动势都会随之发生变化。

(2)空载特性:空载时不同励磁电流和产生空载电势之间的关系，图2 同步发电机空载特性因E0正比于0，而励磁电流又正比于励磁磁势，所以空载特性曲线与电机的磁化曲线在形状上完全相同。

空载特性主要有两个用处:①空载特性可以反映出电机设计是否合理。

如同前面所分析的情况一样，额定电压应位于空载特性开始弯曲的部分，这样才比较经济合理。

②同步电抗是同步电机中一个极为重要的参数，同步电机的许多性能由它所决定。

空载特性配合短路特性可以求出同步电抗。

2.短路特性当同步发电机运行于n=n1，电枢三相绕组持续稳态短路(即U=0)时，称为短路运行。

如改变它的励磁电流，三相短路电流也随之而改变。

短路特性就是研究这两个量之间的变化关系，I K=f(I f)曲线。

如果略去电枢电阻:得到:因为忽略了电阻效应，电枢是纯电感电路，短路电流滞后于电势90电角度，所以产生的电枢反应是直轴去磁效应。

此时电机内的磁通很弱，磁路是不饱和的，所以同步电抗为一个常数。

图3 同步发电机短路特性同步发电机定子绕组的出线端短路后，电枢电流I随励磁电流i f变化，两者为什么成正比关系?若忽略Ra，则三相短路时，由于滞后于90电角度，即ψ=90°，因此在凸极电机中，短路电流全是直轴分量，而交轴分量为零。

所以由于电枢磁势的直轴去磁作用，使电机中磁通小，磁路也不饱和，所以式上式中的Xd也是一个常数。