三相同步发电机的并网运行实验
一、任务目标
1、掌握三相同步发电机投入电网并联运行的条件与操作方法。
2、掌握三相同步发电机并联运行时有功功率与无功功率的调节。
二、任务复习
1、三相同步发电机投入电网并联运行有哪些条件？不满足这些条件将产生什么后果？如何满足这些条件？
2、三相同步发电机投入电网并联运行时怎样调节有功功率和无功功率？调节过程又是怎样的？
三、实验设备
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序 号 |
型 号 |
名 称 |
数 量 |
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1 |
DQ01B |
电源控制屏 |
1 套 |
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2 |
DQ02 |
实验桌 |
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3 |
DQ03-1 |
电机导轨、旋转编码器及数显转速表 |
1 台 |
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4 |
DQ14 |
三相同步电机 |
1 台 |
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5 |
DQ19 |
校正直流测功机 |
1 台 |
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6 |
DQ22 |
直流数字电压、毫安、安培表 |
1 件 |
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7 |
DQ44 |
交流电流表 |
1 件 |
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8 |
DQ45 |
交流电压表 |
1 件 |
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9 |
DQ25 |
单三相智能型功率、功率因数表 |
1 件 |
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10 |
DQ31 |
波形测试及开关板 |
1 件 |
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11 |
DQ32 |
旋转灯、并网开关，同步机励磁电源 |
1 件 |
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12 |
DQ26 |
可调电阻器 |
1 件 |
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13 |
DQ27 |
可调电阻器 |
1 件 |
四、实验过程
1、三相同步发电机的并联运行的接线
按图5-4接线。图中三相同步发电机GS选用DQ14，其额定值PN＝170W，UN＝220V、Y接法，IN＝0.45A，nN＝1500r/min；校正直流测功机MG作为GS的原动机选用DQ19，作直流电动机使用（按他励电动机方式接线）；将MG、GS及RE之间用橡胶联轴器直接联接好并用螺丝将MG、GS固定在DQ03-1上；直流毫安表A1选用DQ22，直流电流表A2选用DQ22，直流电压表V2选用DQ22；直流电压表V1选用DQ01上的“直流电压指示”电压表；交流电压表V3选用DQ45；交流电流表A3、A4、A5选用DQ44；功率、功率因数表W1、W2选用DQ25；开关S选DQ31，用于同步发电机GS励磁电源的通断，转换开关S2选用DQ31上的三刀三掷开关；并网开关选用DQ32；同步指示灯A/A0、B/B0、C/C0选用DQ32组件；限流电阻R选用DQ26上90Ω的固定阻值；Rf1选用DQ27的900Ω串联900Ω共1800Ω阻值的变阻器，作为电动机MG的磁场调节电阻；Rf用DQ26组件上的90Ω串90Ω加上90Ω并90Ω共225Ω阻值的变阻器作为发电机GS的励磁调节电阻；
接好线后，检查GS、MG及RE之间是否用橡胶联轴器联接好，螺丝是否打紧。
图5-4 三相同步发电机并联运行接线图
1、用准同步法将三相同步发电机投入电网并联运行
A、三相同步发电机与电网并联运行必须满足下列条件：
（1）发电机的频率f2和电网频率f1要相同；
（2）发电机的发出的电动势（电压）E0和电网电压U的大小、相位要相同，即E0=U；
（3）发电机的相序和电网的相序要相同。
上述三个条件中，其中第三个条件必须满足，其余两个条件允许稍有偏差。为了检查这些条件是否满足，可用电压表检查电压，用灯光旋转法或灯光熄灭法检查相序和频率。
B、用准同步法将同步发电机并入电网的两种方法接线介绍：
（1）作交叉接法时，即灯光旋转法：DQ32组件上的三组指示灯（同步指示器）A0/A为一组、B0/C为一组、C0/B为一组。指示灯端对应电网和发电机的接线如表5-4所示，图5-4的接法即为交叉接法。
表5-6
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DQ32指示灯端 |
对应电网的接
线相序 |
DQ32指示灯端 |
对应发电机的
接线相序 |
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A0 |
U |
A |
A |
|
B0 |
V |
B |
B |
|
C0 |
W |
C |
C |
C、灯光旋转法
（1）将电动机MG的磁场调节电阻Rf1调至阻值最小位置，将发电机GS的励磁调节电阻Rf调至阻值最大位置及励磁电源开关S打在关断状态（即将S处闭合导线断开），将转换开关S2打开中间位置及并网开关S1打在关断状态，同时将控制屏左侧的三相调压器逆时针旋转到底。
（2）检查控制屏上的励磁电源开关和DQ31上的电枢电源开关都处于“关”的位置，作好直流他励电动机MG的起动准备。
（3）接通电源总开关，按下控制屏上方的“启动”按钮，开启控制屏上的的励磁电源开关，看到电流表A1有励磁电流指示后，再开启DQ31上的电枢电源开关。
（4）电动机MG起动正常运转后，将MG的电枢电源电压调为220V（用V1表观察），调节电动机MG磁场调节电阻Rf1，使电动机MG的输出转速n达到1500r/min（用DQ03-1转速表观察），该转速即为发电机GS的同步转速n0，在以下整个实验过程中始终保持此同步转速不变（如果在以下实验过程中MG磁场调节电阻Rf1调至底后，转速仍达不到1500r/min时，可继续增大电枢电源电压）。
（5）顺时针调节控制屏左侧的三相调压器，逐渐升高三相交流输出电压U至220V（用V3表观察）。
（6）开启DQ32组件上的同步机“励磁电源”开关，将转换开关S2闭合到同步机励磁电源端（右端），合上励磁电源开关S，接通发电机GS的励磁电源并调至12V（用V2表观察），增大同步发电机GS的励磁电流If（操作方法：减小Rf的阻值，当励磁电流If大于1.3 A时用并联部分，而将串联部分阻值调到最小并用导线短接），使发电机GS的输出电压E=220V（用V4表观察，用万用表交流电压档测量）
（7）观察DQ32组件上的三组指示灯组灯光，若三组指示灯灯光呈现出同时发亮、同时熄灭的现象则表明发电机GS的输出电压E与电网的电压U的相序不同，此时需要调整发电机GS发出电压或电网电压的相序（操作方法：在DQ32组件三组指示灯的A、B、C端调换发电机GS或A0、B0、C0端调换电网的任意二根端线），直至调整到三组指示灯的灯光按A0/A→B0/C→C0/B（表示发电机GS的电压频率f2大于电网的电压频率f1，造成这种情况的原因的是电动机的转输出转速n大于发电机GS的同步转速n0）依次明灭形成逆时针的旋转灯光或者C0/B→B0/C→A0/A（表示发电机GS的电压频率f2小于电网的电压频率f1，造成这种情况的原因的是电动机的转输出转速n小于发电机GS的同步转速n0）依次明灭形成顺时针的旋转灯光（旋转灯光依次明灭的速度越快表示发电机GS的电压频率f2和电网的电压频率f1相差越大），观察到这其中的任意一种旋转灯光的现象表明发电机GS的输出电压E与三相输出电压U的相序相同。
（8）调节电动机MG磁场调节电阻Rf1、控制屏左侧的三相调压器及发电机GS的励磁调节电阻Rf，使n= n0=1500r/min（即f2=f1）、E0=U=220V。
（9）观察DQ32组件上的三组指示灯的灯光缓慢地旋转亮暗变化，表明发电机GS投入并网的三个条件已满足，观察V5的电压值，电压表V5的电压值随指示灯组A0/A的明暗程度由高到低变化。观察电压表V5的电压值到达最低时（即在指示灯组A0/A熄灭且B0/C和C0/B亮度基本相同时），迅速闭合并网开关S1，把同步发电机GS投入电网并联运行（为选准并网时机，可多观察几回，由于指示灯的灯光在发光较暗时不易观察，所以并网时最好以V5为参考）。
（10）并网成功后，让发电机GS运行观察数分钟
（11）停机，断开并网开关S1，将电动机MG的磁场调节电阻Rf1调至阻值最小位置，关闭控制屏上的“励磁电源”及DQ31组件上的“电枢电源”开关，使电动机MG停机；将发电机GS的励磁调节电阻Rf调至阻值最大位置及断开励磁电源开关S，将控制屏左侧的三相调压器逆时针旋转到底，按下控制屏上方的“停止”按钮，使用实验台断电。改变三组指示灯A0/A、B0/B、C0/C各端的接线，按照表5-8列出的各端接线的对应关系，分别将三组指示灯的A0、B0、C0端和A、B、C端接至的电网的U、V、W端和发电机GS的A、B、C端，换线时要注意对应并在开关S1处的线一同调换。准备进入下一个实验。
2、用自同步法将三相同步发电机投入电网并联运行
（1）确认各端接线的对应关系调整好接线同图5-4所示。
（2）按实验C灯光旋转法中的（1）～（8）步骤起动直流电动机、调整发电机GS的输出电压、电网电压及发电机GS的输出电压和电网输出的电压的相序、频率。
（3）将转换开关S2闭合到限流电阻R端（左端；电阻R的阻值为90Ω，约为发电机GS的励磁绕组电阻值的10倍），发电机GS的励磁绕组经限流电阻R短路。
（4）闭合并网开关S1，迅速将转换开关S2闭合到同步机励磁电源端（右端），此时发电机GS依靠定、转子磁场间所形成的电磁转矩，就可以把转子自动牵入同步，即自同步作用，完成投入电网的并联运行。
（5）并网成功后，让发电机GS运行观察数分钟，直接进入到下一个实验。
3、三相同步发电机与电网并联运行时有功功率的调节
（1）按上述三种将同步发电机投入电网并联运行的方法，选择其中任意一种方法把同步发电机投入电网并联运行。
（2）同步发电机投入电网并联运行正常后，调节电动机MG的磁场调节电阻Rf1和同步发电机GS的励磁电流If，使发电机GS的输出电流I（输出电流I为IA、IB、IC的平均值，即IA、IB、IC的电流值约等于0，通过测IA、IB，估算IC）接近于0，即输出功率P2≈0（用W表观察，W表读数等于W1、W2表读数之和），此时发电机GS的励磁电流If等于If0，即If=If0。
（3）保持发电机GS的励磁电流If=If0不变的条件下，增大电动机MG的磁场调节电阻Rf1，升高电动机MG的输出功率（即发电机GS的输入功率P1），此时发电机GS的输出功率P2增大，直至输出电流I≈IN≈0.45A(用A3、A4任意一只表作为参考观察)，记录此时发电机GS的输出功率P2及三相输出电流IA、IB、IC。
（4）由I≈IN≈0.45A开始，逐次减小电动机MG的磁场调节电阻Rf1，逐渐降低发电机GS的输出电流I，直至发电机GS的输出电流I≈0，在这一过程中测取发电机GS的输出功率P2及三相输出电流IA、IB、IC，共取数据6-7组，记录于表5-7中。
表5-7 U=220V（Y） If=If0 = A
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序号 |
三相输出电流I（A） |
输出功率
P2（W） |
功率因数
cosφ |
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IA |
IB |
IC |
I |
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表中： 
（5）数据测取完后，先不要停机，进入下一个实验。
4、三相同步发电机与电网并联运行时无功功率的调节
A、测取当输出功率等于0时三相同步发电机的V形曲线。
（1）调节电动机MG的磁场调节电阻Rf1和同步发电机GS的励磁电流If，使发电机GS的输出功率P2≈0（无功功率等于W1、W2表读数之和）。
（2）保持发电机GS的输出功率P2≈0不变的条件下（通过调节电动机MG的磁场调节电阻Rf1保持），增大同步发电机GS的励磁电流If（操作方法：减小Rf的阻值，先减小其串联部分的阻值，当励磁电流If大于1.3 A时用并联部分，而将串联部分阻值调到最小并用导线短接），使发电机GS的输出电流I（输出电流I为IA、IB、IC的平均值）增大，直至增大到I=IN=0.45A，记录此时发电机GS的三相输出电流IA、IB、IC及励磁电流If，由发电机GS的输出电流I=IN=0.45A开始，逐次减小同步发电机GS的励磁电流If（操作方法：增大Rf的阻值，先增大其并联部分阻值，当并联部分的阻值增到最大后，将串联部分短接导线拆除，再增大串联部分的阻值），使发电机GS的输出电流I（输出电流I为IA、IB、IC的平均值）减小，直至减小到最小值Imin，即I≈Imin≈0A，继续减小同步发电机GS的励磁电流If，此时发电机GS的输出电流I又开始增大，直至增大到I≈IN≈0.45A为止，在这一过励和欠励的调节过程中，测取发电机GS的三相输出电流IA、IB、IC及对应的励磁电流If，共取数据6-8组，记录于表5-8中，其中I=0.45A及I≈Imin≈0A、I≈0.45A点必测。
表5-9 U=220V P2≈0
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序 号 |
三相输出电流I（A） |
励磁电流
If（A） |
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IA |
IB |
IC |
I |
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表中： 
（3）数据测取完后，先不要停机，进入下一个实验。
B、 测取当输出功率等于0.5倍额定功率时三相同步发电机的V形曲线。
（1）调节电动机MG的磁场调节电阻Rf1和同步发电机GS的励磁电流If，使发电机GS的输出功率P2≈0.5PN≈85W(无功功率等于W1、W2表读数之和）。
（2）保持发电机GS的输出功率P2≈0.5PN≈85W不变的条件下（通过调节电动机MG的磁场调节电阻Rf1保持），增大同步发电机GS的励磁电流If（操作方法：减小Rf的阻值，先减小其串联部分的阻值，当励磁电流If大于1.3 A时用并联部分，而将串联部分阻值调到最小并用导线短接），使发电机GS的输出电流I（输出电流I为IA、IB、IC的平均值）增大，直至增大到I=IN=0.45A，记录此时发电机GS的三相输出电流IA、IB、IC及励磁电流If，由发电机GS的输出电流I=IN=0.45A开始，逐次减小同步发电机GS的励磁电流If（操作方法：增大Rf的阻值，先增大其并联部分阻值，当并联部分的阻值增到最大后，将串联部分短接导线拆除，再增大串联部分的阻值），使发电机GS的输出电流I（输出电流I为IA、IB、IC的平均值）减小，直至减小到最小值Imin，即I≈Imin，继续减小同步发电机GS的励磁电流If，此时发电机GS的输出电流I又开始增大，直至增大到I≈IN≈0.45A为止，在这一过励和欠励的调节过程中，测取发电机GS的三相输出电流IA、IB、IC及对应的励磁电流If，共取数据9-10组，记录于表5-9中，其中I=0.45A及I≈Imin、I≈0.45A点必测。
表5-9 U=220V P2≈0.5PN≈85W
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序 号 |
三相输出电流I（A） |
励磁电流
If（A） |
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IA |
IB |
IC |
I |
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表中： 
（3）停机，断开并网开关S1，将电动机MG的磁场调节电阻Rf1调至阻值最小位置，先关闭DQ31上的电枢电源开关，再关闭控制屏上的励磁电源开关，使电动机MG停机；将发电机GS的励磁调节电阻Rf调至阻值最大位置及断开励磁电源开关S，将控制屏左侧的三相调压器逆时针旋转到底，按下控制屏上方的“停止”按钮，使实验台断电，同步电动机停机，拆除实验导线、电机，最后关闭实验装置电源总开关。
五、注意事项
1、每次启动校正直流测功机时，都要按“直流他励电动机的启动与停机步骤”启动；每次停机时，都要先切断电枢电源，再切断励磁电源。
2、调节校正直流测功机的磁场电阻Rf1时，动作要慢，不然励磁电流突然变化引起来转速突变，不利于测试，同时磁场电阻Rf1不宜过小，以防止励磁电流过小而引起电动机“飞车”。
3、实验前注意仪表的种类、量程、极性及其接法是否正确。
六、实验报告
1、实验的项目名称
2、实验的任务目标
3、实验所用到的实验设备
4、绘制实验的接线图
5、记录实验的过程、现象和数据记录
6、在坐标上绘制三相同步发电机P2≈0和P2≈0.5倍额定功率时的V形曲线，并加以说明。
7、试述三相同步发电机和电网并联运行时有功功率和无功功率的调节方法。
8、小结、体会和建议
七、思考与练习
1、试述并联运行条件不满足时并网将引起什么后果？
2、评述准确同步法和自同步法的优缺点。
3、自同步法将三相同步发电机投入电网并联运行时先把同步发电机的励磁绕组串入10倍励磁绕组电阻值的附加电阻R组成回路的作用是什么?
4、自同步法将三相同步发电机投入电网并联运行时先由原动机把同步发电机带动旋转到接近同步转速(1485～1515 r/min之间)然后并入电网，若转速太低并网将产生什么情况？
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