电机学实验报告
三相同步发电机的运行特性
学院: 电气信息学院
专业: 电气工程及其自动化
班级: 2011级
姓名:
一、实验目的
1.掌握三相同步发电机的空载、短路及零功率因素负载特性的实验求取法
2.学会用试验方法求取三相同步发电机对称运行时的稳态参数
二、实验参数
实验在电力系统监控实验室进行，每套实验装置以直流电动机作为原动机，带动同步电动机转动，配置常规仪表进行实验参数进行测量，本次同步发电机运行试验，仅采用常规控制方式。
同步发电机的参数如下
额定功率2kw
额定电压400v
额定电流 3.6A
额定功率因素0.8
接法Y
三、实验原理
工作原理
◆主磁场的建立：励磁绕组通以直流励磁电流，建立极性相间的励磁磁场，即建立起主磁场。
◆载流导体：三相对称的电枢绕组充当功率绕组，成为感应电势或者感应电流的载体。
◆切割运动：原动机拖动转子旋转（给电机输入机械能），极性相间的励磁磁场随轴一起旋转并顺次切割定子各相绕组（相当于绕组的导体反向切割励磁磁场）。
◆交变电势的产生：由于电枢绕组与主磁场之间的相对切割运动，电枢绕组中将会感应出大小和方向按周期性变化的三相对称交变电势。
通过引出线，即可提供交流电源。
◆感应电势有效值：每相感应电势的有效值为
◆感应电势频率：感应电势的频率决定于同步电机的转速n 和极对数p ，即
◆交变性与对称性：由于旋转磁场极性相间，使得感应电势的极性交变；由于电枢绕组的对称性，保证了感应电势的三相对称性。
同步转速
◆同步转速从供电品质考虑，由众多同步发电机并联构成的交流电网的频率应该是一个不变的值，这就要求发电机的频率应该和电网的频率一致。
我国电网的频率为50Hz ，故有：
◆要使得发电机供给电网50Hz的工频电能，发电机的转速必须为某些固定值，这些固定值称为同步转速。
例如2极电机的同步转速为3000r/min，4极电机的同步转速为1500r/min，依次类推。
只有运行于同步转速，同步电机才能正常运行，这也是同步电机名称的由来。
运行方式
◆同步电机的主要运行方式有三种，即作为发电机、电动机和补偿机运行。
作为发电机运行是同步电机最主要的运行方式，作为电动机运行是同步电机的另一种重要的运行方式。
同步电动机的功率因数可以调节，在不要求调速的场合，应用大型同步电动机可以提高运行效率。
近年来，小型同步电动机在变频调速系统中开始得到较多地应用。
同步电机还
可以接于电网作为同步补偿机。
这时电机不带任何机械负载，靠调节转子中的励磁电流向电网发出所需的感性或者容性无功功率，以达到改善电网功率因数或者调节电网电压的目的。
三、实验过程 1、空载实验
①实验操作
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6组数据，最后读取励磁电流为零的剩磁电压，将数据记录在表格中。
②数据处理
对实验过程中记录的数据记录处理并完善表格
对U O 的计算：
3
AC
BC AB O U U U U ++=
对*o U 的计算： N
U U U o *
o =
通过以上公式分别计算出了U O 与*
o U ，依次记录在表格中。
对于励磁电流中If 的计算我们需要事先求得电流的修正量0f I ∆，对于0f I ∆的求取我们先利用U O 与，f I 的六组数据，用MA TLAB 通过二次拟合出实测曲线，将特性曲线的直线部分延长与横轴相交，算取修正量，f I ，我们利用六组数据将曲线进行二次拟合，得到拟合函数：
8761.25*4006.580*5880.192-f02
f0++=，，I I U O
曲线拟合如下：
图一
我们代入0=O U 这一点，求得||f0，I 这一值即为图中的0f I ∆，可以得到
0439.00f =∆I
将fo f f I I I ∆+=，分别计算出来填入表格中 同时计算出N I I I /f *f =填入表格中
③数据结果
将实验数据及计算后的数据填入表格中，得到结果如下：
表一
①实验操作
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，将电枢三相绕组短路，将机组转速跳到额定值并保持不变，逐步增加发电机的励磁电流
f I ，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。
②数据处理
对实验过程中记录的数据记录处理并完善表格
对I k 的计算：
3k C
B A I I I I ++=
对*k I 的计算： N
I I I k *k = 通过以上公式分别计算出了I k 与*
k I ，依次记录在表格中。
同时利用上面计算出的0439.00f =∆I 分别根据公式
fo f f I I I ∆+=，
N I I I /f *
f =
计算出修正后的励磁电流与励磁电流的标幺值，记录到表格中。
③数据结果
实验中记录的各个数据与通过计算得到的各个数据记录如下：
表二
①根据表一绘制空载特性曲线以及气隙线
图二
②根据表二绘制短路特性曲线
图三
③利用空载和短路特性曲线求取同步电抗的不饱和同步电抗*
X
d
我们选取励磁电流标幺值4.1*f =I 的时候的空载电压标幺值*
o U 与短路电流标幺值
*
k
I ，利用公式可以计算得到
④利用简化向量图求作当8.0cos ,==ϕN I I 滞后时的电压变化率)6.0%(*d *q X X U =∆设。
滞后8.0cos =ϕ可知I 之后U 角度37o 。
按顺序依次作U 、I 、Q E 、0E ，向量图
如下：
通过实验结果得到数据16.1*d =X 、70.06.0*d *q ==X X 、1*=I 、1*=U ，
根据向量图可以求出电角度ψ
63.137
cos 37sin arctan o
o
q =+=
U U I X ψ 即o
47.58=ψ
那么同步电机的功角o 47.21-==ϕψδ
最后可以计算得到92.10.85*16.193.0sin cos *d ***0=+=+=ψδI X U E
电压变化率%92%-%*
*
*o =⨯=∆U U E U
五、实验思考
①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
I q jX I
o
37=ϕU
轴
q d
I q
I q
q jX I d
d jX I O
E δ
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，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。
②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。
③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。
④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而只有铜耗。