三相同步发电机的运行特性报告

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。

电机与拖动 三相同步发电机的稳态分析、三相同步发电机的功率和转矩、三相同步发电机的运行特性主 题：同步电机的辅导文章——三相同步发电机的稳态分析、三相同步发电机的功率和转矩、三相同步发电机的运行特性、同步发电机与电网的并联运行、三相同步电动机与同步补偿机学习时间：2016年11月28日--12月4日内 容：我们这周主要还是学习课件第5章同步电机的相关内容。

希望通过下面的内容能使同学们加深对同步电机相关知识的理解。

学习时，请同学根据老师标注的侧重点选择性学习。

其中三相同步电机的功率、转矩与运行特性、同步电机的并网运行与功率调节需要重点掌握。

一、三相同步发电机的稳态分析（掌握相关定义即可）同步电机的分析方法因转子结构的不同而不同，但是，可以将隐极同步电机看成是凸极同步电机的特例。

凸极同步电机采用“双反应理论”分析，在分析中一般也不考虑磁路饱和的影响。

通过分析同步发电机的电磁关系，并用各种电抗表征磁场对电路的影响后，可以列写出同步发电机的电路方程，进而得到等效电路和相量图。

同步电抗是同步电机的重要参数，其大小直接影响到同步电机的性能。

隐极同步电机的同步电抗为s a X X X σ=+，即同步电抗由两部分组成：一部分是与电枢反应磁通a Φ相对应的电枢反应电抗a X ，另一部分是与电枢漏磁通相对应的漏电抗X σ。

电枢旋转磁场在电枢绕组中感应产生的相电动势称为电枢反应电动势a E ，显示a E 正比于a Φ，忽略磁路饱和影响时，a Φ正比于电枢磁动势a F 和电枢电流1I ,因此，a E 正比于1I ，即1a a E jX I =-。

凸极同步电机的同步电抗分为直轴同步电抗d X 和交轴同步电抗q X ，其中d ad X X X σ=+，q aq X X X σ=+，式中ad X 和aq X 分别为直轴电枢反应电抗和交轴电枢反应电抗。

隐极同步发电机的电压方程为:1011()s U E R jX I =-+凸极同步发电机的电压方程为：1011d d q q U E R I jX I jX I =---或用虚拟电动势表示：111()Q q U E R jX I =-+0()Q d q d E E j X X I =--根据同步发电机的相量图，可得如下关系：1101111sin tan ,cos cos q d d U X I E U X I U R I ϕψθϕ+==++二、三相同步电机的功率、转矩与运行特性（需要学生重点掌握的内容） 三相同步发电机的功率平衡方程式为：1210210fw ad Fe Cu Cu e P P P P P P P P P P P P P =++++=++=+图1 三相同步电机的功率流程图三相同步发电机的转矩平衡方程为:10e T T T =+ 隐极同步发电机 凸极同步发电机电磁功率 013cos e P E I ψ= 13cos 3e Q Q q P E I E I ψ==功角特性 013sin e s E U P X θ= 2011113sin 3()sin 22e d q dE U U P X X X θθ=+- 矩角特性 0113sin e s E U T X θ=Ω 201111113sin 3()sin 22e d q dE U U T X X X θθ=+-ΩΩ凸极同步发电机的功角特性比隐极同步发电机多一个因凸极效应（q d X X ≠）而产生的磁阻分量（附加分量）。

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、I=0的条件下，测取空载特性曲线U=f(I)。

f0N3、三相短路实验：在n=n、U=0的条件下，测取三相短路特性曲线I=f(I)。

fKN4、纯电感负载特性：在n=n、I=I、cosφ≈0的条件下，测取纯电感负载特性曲线。

NN5、外特性：在n=n、I=常数、cosφ=1和cosφ=0.8(滞后)的条件下，测取外特性曲线U=f(I)。

fN6、调节特性：在n=n、U=U、cosφ=1的条件下，测取调节特性曲线I=f(I)。

fNN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。

COSФ三相同步发电机实验接线图图5-1 IS*1A R L AW*同步电机组绕磁励XVAVRY L SG源A －Z~C3电I B4、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=220V)。

R用R4组件上的90Ω与90Ω串联加R6上90Ωf2N与90Ω并联共225Ω阻值，R用R2上的180Ω电阻值，R用R1上的1800Ω电阻值。

开关S，1st f1S选用D51挂箱。

2(2) 调节D52上的24V励磁电源串接的R至最大位置。

调节MG的电枢串联电阻R至最大值，stf2MG的励磁调节电阻R至最小值。

开关S、S均断开。

将控制屏左侧调压器旋钮向逆时针方向旋2f11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。

同步发电机的运行特性同步发电机的运行特性有（空载特性、短路特性、负载特性）合称电机基本特性、（外特性和调整特性）主要是运行特性等五种。

外特性和调整特性是主要的运行特性，根据这些特性，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。

空载特性、短路特性和负载特性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一、发电机的空载特性（Eo与IL关系）所谓发电机空载运行是指发电机以额定转速运转，定子不带负荷时的运行。

此时，空载电势Eo与励磁电流IL之间的关系叫做空载特性。

当发电机处于空载运行状态，其端电压U就等于电势Eo,因此，端电压U与励磁电流的关系曲线就是空载特性。

如图所示空载特性曲线E0=f(I),做空载特性试验时，应维持发电机转速不变，逐渐增加励磁电流，直至端电压等于额定电压的130%时为止。

在增加励磁电流的过程中，读取励磁电流值及与其对应的端电压值，便可以得到空载特性的上升分支。

接着减小励磁电流，按上面方法读取数值；便得到下降分支，如图2-1-2（a）所示。

由于两曲线的平均，如图中虚线所示。

空载特性曲线是发电机的一条最基本的特曲线。

可用来求发电机的电压变化率、不饱和的同步电抗值等参数。

二、发电机的短路特性（定子绕组的稳态电流I与励磁电流Ii的关系曲线）所谓发电机的短路特性，系指发电机在额定转速下，定子绕组短路时，定子绕组的稳态电流I与励磁电流Ii的关系曲线。

如图2-1-3所示。

短路试验测得的短路特性曲线，不但可以用来求取同步发电机的重要参数饱和的同步电抗与短路比外，在发电厂中，常用它来判断励磁绕组有无匝间短路等故障。

显然，励磁绕组存在匝间短路时，因安匝数的减少，短路特性曲线是会降低的。

三、发电机的外特性（负荷与端电压）所谓发电机的外特性，就是指励磁电流、转速、功率因数为常数的条件下，变更定子负荷电流时，端电压U的变化曲线，即U=f(I)曲线。

在滞后的功率因数情况下cos(θ),当定子电流增加时，电压降落较大，就是由于此时电枢反应是去磁的。

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。

实验报告实验名称：三相同步电动机小组成员：许世飞许晨光杨鹏飞王凯征一．实验目的1．掌握三相同步电动机的异步起动方法。

2．测取三相同步电动机的V形曲线。

3．测取三相同步电动机的工作特性。

二．预习要点1．三相同步电动机异步起动的原理及操作步骤。

2．三相同步电动机的V形曲线是怎样的？怎样作为无功发电机（调相机）？3．三相同步电动机的工作特性怎样？怎样测取？三．实验项目1．三相同步电动机的异步起动。

≈0时的V形曲线。

2．测取三相同步电动机输出功率P23．测取三相同步电动机输出功率P=0.5倍额定功率时的V 形曲线。

24．测取三相同步电动机的工作特性。

四．实验设备及仪器1．实验台主控制屏；2．电机导轨及转速测量；3．功率、功率因数表（NMCL-001）；4．同步电机励磁电源（含在主控制屏左下方，NMEL-19）；5．直流电机仪表、电源（含在主控制屏左下方，NMEL-18）；6．三相可调电阻器900Ω（NMEL-03）；7．三相可调电阻器90Ω（NMEL-04）；8．旋转指示灯及开关板（NMEL-05A）；9．三相同步电机M08； 10．直流并励电动机M03。

五．实验方法被试电机为凸极式三相同步电动机M08。

1．三相同步电动机的异步起动 实验线路图如图3-1。

实验开始前，MEL-13中的“转速控制”和“转矩控制”选择开关扳向“转矩控制”，“转矩设定”旋钮逆时针到底。

R 的阻值选择为同步发电机励磁绕组电阻的10倍（约90欧姆），选用NMEL-04中的90Ω电阻。

开关S 选用NMEL-05。

同步电机励磁电源（NMEL-19）固定在控制屏的右下部。

a ．把功率表电流线圈短接，把交流电流表短接，先将开关S 闭合于励磁电流源端，启动励磁电流源，调节励磁电流源输出大约0.7A 左右，然后将开关S 闭合于可变电阻器R （图示左端）。

b ．把调压器退到零位，合上电源开关，调节调压器使升压至同步电动机额定电压220伏，观察电机旋转方向，若不符合则应调整相序使电机旋转方向符合要求。

三相同步发电机的运行特性实验报告一、实验目的1、掌握三相同步电动机的异步起动方法。

2、测取三相同步电动机的V形曲线。

3、测取三相同步电动机的工作特性。

二、预习要点1、三相同步电动机异步起动的原理及操作步骤。

2、三相同步电动机的V形曲线是怎样的？怎样作为无功发电机（调相机）使用？3、三相同步电动机的工作特性怎样？怎样测取？三、实验项目1、三相同步电动机的异步起动。

2、测取三相同步电动机输出功率P处0时的V形曲线。

4、测取三相同步电动机的工作特性。

3、测取三相同步电动机输出功率P=0∙5倍额定功率时的V形曲线。

四、实验方法1、实验设备2、屏上挂件排列顺序D31、D42、D33、D32、D34-3、D41、D52、D51、D31 3、三相同步电动机的异步起动图8-1三相同步电动机实验接线图1）按图8T 接线。

其中R 的阻值为同步电动机MS 励磁绕组电阻的 10倍（约90Q ）,选用D41上90。

固定电阻。

R 选用D41上90。

串联90。

加上90 Q 并联90。

共225 Q 阻值。

R 选用D42上900。

串联 900。

共1800。

阻值并调至最小。

R 选用D42上900。

串联900。

加同步电机A 3~ Z∣zD52∣∣ij 步电力L 励磁电源 O 24V 0彩⅛奥畏出医箕111I0αα上900 Q并联900。

共2250。

阻值并调至最大。

MS为DJ18（Y接法,额定电压U=220V）02）用导线把功率表电流线圈及交流电流表短接，开关S闭合于励磁电源一侧（图8-1中为上端）。

3）将控制屏左侧调压器旋钮向逆时针方向旋转至零位。

接通电源总开关，并按下“开”按钮。

调节D52同步电机励磁电源调压旋钮及R阻值，使同步电机励磁电流I约0.7A左右。

4）把开关S闭合于R电阻一侧（图8-1中为下端），向顺时针方向调节调压器旋钮，使升压至同步电动机额定电压220伏，观察电机旋转方向，若不符合则应调整相序使电机旋转方向符合要求。

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。

三相同步发电机运行特性空载特性当同步发电机运行于n=n1，I a=0时，即称为空载运行。

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。

（1）测定同步发电机空载特性曲线当同步发电机达到同步转速之后，如果加入励磁电流，改变励磁电流，随之空载电势也发生改变。

①励磁电流由0升至最大值②励磁电流由最大值降为0由于铁磁材料产生磁滞，空载电势有所不同，一般取下降的空载特性曲线图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，则电机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.空载特性反映出电机的设计是否合理。

如前面的分析情况一样，额定电压显示应位于空载特性开始弯曲的部分，这样才经济合理。

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。

零功率因数负载特性同步发电机的负载特性是在n=n N、I=常数、cos=常数的条件下，端电压与励磁电流之间的关系曲线U=f（I f），如图所示。

其中以零功率负载特性最有实用价值。

零功率因数负载特性由可变纯电感负载条件确保cosφ≈ 0 ，通过试验测得最右侧的一条曲线），测试中通常保持电枢电流I=I N。

图4 同步发电机零功率因数负载特性当电机容量较大时，由曲线逐点测取所要求的负载条件的作法代价很高。

实用的作法是将电机并入电网作空载运行，调节励磁电流使电枢输出无功电流为I N，则得曲线上的额定点Q。

再做电机的短路试验，测得I k=I N时的励磁电流为Ifk，又得曲线上另一点，即短路点，工程中有这两点就够用了。