電機及電氣技術實驗裝置三相同步發電機的并網運行實驗
一、任務目標
1、掌握三相同步發電機投入電網并聯運行的條件與操作方法。
2、掌握三相同步發電機并聯運行時有功功率與無功功率的調節。
二、任務復習
1、三相同步發電機投入電網并聯運行有哪些條件？不滿足這些條件將產生什么后果？如何滿足這些條件？
2、三相同步發電機投入電網并聯運行時怎樣調節有功功率和無功功率？調節過程又是怎樣的？
三、實驗設備
| 序 號 | 型 號 | 名 稱 | 數 量 |
| 1 | DQ01B | 電源控制屏 | 1 套 |
| 2 | DQ02 | 實驗桌 | |
| 3 | DQ03-1 | 電機導軌、旋轉編碼器及數顯轉速表 | 1 臺 |
| 4 | DQ14 | 三相同步電機 | 1 臺 |
| 5 | DQ19 | 校正直流測功機 | 1 臺 |
| 6 | DQ22 | 直流數字電壓、毫安、安培表 | 1 件 |
| 7 | DQ44 | 交流電流表 | 1 件 |
| 8 | DQ45 | 交流電壓表 | 1 件 |
| 9 | DQ25 | 單三相智能型功率、功率因數表 | 1 件 |
| 10 | DQ31 | 波形測試及開關板 | 1 件 |
| 11 | DQ32 | 旋轉燈、并網開關，同步機勵磁電源 | 1 件 |
| 12 | DQ26 | 可調電阻器 | 1 件 |
| 13 | DQ27 | 可調電阻器 | 1 件 |
1、三相同步發電機的并聯運行的接線
按圖5-4接線。圖中三相同步發電機GS選用DQ14，其額定值PN＝170W，UN＝220V、Y接法，IN＝0.45A，nN＝1500r/min；校正直流測功機MG作為GS的原動機選用DQ19，作直流電動機使用（按他勵電動機方式接線）；將MG、GS及RE之間用橡膠聯軸器直接聯接好并用螺絲將MG、GS固定在DQ03-1上；直流毫安表A1選用DQ22，直流電流表A2選用DQ22，直流電壓表V2選用DQ22；直流電壓表V1選用DQ01上的“直流電壓指示”電壓表；交流電壓表V3選用DQ45；交流電流表A3、A4、A5選用DQ44；功率、功率因數表W1、W2選用DQ25；開關S選DQ31，用于同步發電機GS勵磁電源的通斷，轉換開關S2選用DQ31上的三刀三擲開關；并網開關選用DQ32；同步指示燈A/A0、B/B0、C/C0選用DQ32組件；限流電阻R選用DQ26上90Ω的固定阻值；Rf1選用DQ27的900Ω串聯900Ω共1800Ω阻值的變阻器，作為電動機MG的磁場調節電阻；Rf用DQ26組件上的90Ω串90Ω加上90Ω并90Ω共225Ω阻值的變阻器作為發電機GS的勵磁調節電阻；
接好線后，檢查GS、MG及RE之間是否用橡膠聯軸器聯接好，螺絲是否打緊。
圖5-4 三相同步發電機并聯運行接線圖
1、用準同步法將三相同步發電機投入電網并聯運行
A、三相同步發電機與電網并聯運行必須滿足下列條件：
（1）發電機的頻率f2和電網頻率f1要相同；
（2）發電機的發出的電動勢（電壓）E0和電網電壓U的大小、相位要相同，即E0=U；
（3）發電機的相序和電網的相序要相同。
上述三個條件中，其中第三個條件必須滿足，其余兩個條件允許稍有偏差。為了檢查這些條件是否滿足，可用電壓表檢查電壓，用燈光旋轉法或燈光熄滅法檢查相序和頻率。
B、用準同步法將同步發電機并入電網的兩種方法接線介紹：
（1）作交叉接法時，即燈光旋轉法：DQ32組件上的三組指示燈（同步指示器）A0/A為一組、B0/C為一組、C0/B為一組。指示燈端對應電網和發電機的接線如表5-4所示，圖5-4的接法即為交叉接法。
表5-6
| DQ32指示燈端 |
對應電網的接 線相序 |
DQ32指示燈端 |
對應發電機的 接線相序 |
| A0 | U | A | A |
| B0 | V | B | B |
| C0 | W | C | C |
（1）將電動機MG的磁場調節電阻Rf1調至阻值最小位置，將發電機GS的勵磁調節電阻Rf調至阻值最大位置及勵磁電源開關S打在關斷狀態（即將S處閉合導線斷開），將轉換開關S2打開中間位置及并網開關S1打在關斷狀態，同時將控制屏左側的三相調壓器逆時針旋轉到底。
（2）檢查控制屏上的勵磁電源開關和DQ31上的電樞電源開關都處于“關”的位置，作好直流他勵電動機MG的起動準備。
（3）接通電源總開關，按下控制屏上方的“啟動”按鈕，開啟控制屏上的的勵磁電源開關，看到電流表A1有勵磁電流指示后，再開啟DQ31上的電樞電源開關。
（4）電動機MG起動正常運轉后，將MG的電樞電源電壓調為220V（用V1表觀察），調節電動機MG磁場調節電阻Rf1，使電動機MG的輸出轉速n達到1500r/min（用DQ03-1轉速表觀察），該轉速即為發電機GS的同步轉速n0，在以下整個實驗過程中始終保持此同步轉速不變（如果在以下實驗過程中MG磁場調節電阻Rf1調至底后，轉速仍達不到1500r/min時，可繼續增大電樞電源電壓）。
（5）順時針調節控制屏左側的三相調壓器，逐漸升高三相交流輸出電壓U至220V（用V3表觀察）。
（6）開啟DQ32組件上的同步機“勵磁電源”開關，將轉換開關S2閉合到同步機勵磁電源端（右端），合上勵磁電源開關S，接通發電機GS的勵磁電源并調至12V（用V2表觀察），增大同步發電機GS的勵磁電流If（操作方法：減小Rf的阻值，當勵磁電流If大于1.3 A時用并聯部分，而將串聯部分阻值調到最小并用導線短接），使發電機GS的輸出電壓E=220V（用V4表觀察，用萬用表交流電壓檔測量）
（7）觀察DQ32組件上的三組指示燈組燈光，若三組指示燈燈光呈現出同時發亮、同時熄滅的現象則表明發電機GS的輸出電壓E與電網的電壓U的相序不同，此時需要調整發電機GS發出電壓或電網電壓的相序（操作方法：在DQ32組件三組指示燈的A、B、C端調換發電機GS或A0、B0、C0端調換電網的任意二根端線），直至調整到三組指示燈的燈光按A0/A→B0/C→C0/B（表示發電機GS的電壓頻率f2大于電網的電壓頻率f1，造成這種情況的原因的是電動機的轉輸出轉速n大于發電機GS的同步轉速n0）依次明滅形成逆時針的旋轉燈光或者C0/B→B0/C→A0/A（表示發電機GS的電壓頻率f2小于電網的電壓頻率f1，造成這種情況的原因的是電動機的轉輸出轉速n小于發電機GS的同步轉速n0）依次明滅形成順時針的旋轉燈光（旋轉燈光依次明滅的速度越快表示發電機GS的電壓頻率f2和電網的電壓頻率f1相差越大），觀察到這其中的任意一種旋轉燈光的現象表明發電機GS的輸出電壓E與三相輸出電壓U的相序相同。
（8）調節電動機MG磁場調節電阻Rf1、控制屏左側的三相調壓器及發電機GS的勵磁調節電阻Rf，使n= n0=1500r/min（即f2=f1）、E0=U=220V。
（9）觀察DQ32組件上的三組指示燈的燈光緩慢地旋轉亮暗變化，表明發電機GS投入并網的三個條件已滿足，觀察V5的電壓值，電壓表V5的電壓值隨指示燈組A0/A的明暗程度由高到低變化。觀察電壓表V5的電壓值到達最低時（即在指示燈組A0/A熄滅且B0/C和C0/B亮度基本相同時），迅速閉合并網開關S1，把同步發電機GS投入電網并聯運行（為選準并網時機，可多觀察幾回，由于指示燈的燈光在發光較暗時不易觀察，所以并網時最好以V5為參考）。
（10）并網成功后，讓發電機GS運行觀察數分鐘
（11）停機，斷開并網開關S1，將電動機MG的磁場調節電阻Rf1調至阻值最小位置，關閉控制屏上的“勵磁電源”及DQ31組件上的“電樞電源”開關，使電動機MG停機；將發電機GS的勵磁調節電阻Rf調至阻值最大位置及斷開勵磁電源開關S，將控制屏左側的三相調壓器逆時針旋轉到底，按下控制屏上方的“停止”按鈕，使用實驗臺斷電。改變三組指示燈A0/A、B0/B、C0/C各端的接線，按照表5-8列出的各端接線的對應關系，分別將三組指示燈的A0、B0、C0端和A、B、C端接至的電網的U、V、W端和發電機GS的A、B、C端，換線時要注意對應并在開關S1處的線一同調換。準備進入下一個實驗。
2、用自同步法將三相同步發電機投入電網并聯運行
（1）確認各端接線的對應關系調整好接線同圖5-4所示。
（2）按實驗C燈光旋轉法中的（1）～（8）步驟起動直流電動機、調整發電機GS的輸出電壓、電網電壓及發電機GS的輸出電壓和電網輸出的電壓的相序、頻率。
（3）將轉換開關S2閉合到限流電阻R端（左端；電阻R的阻值為90Ω，約為發電機GS的勵磁繞組電阻值的10倍），發電機GS的勵磁繞組經限流電阻R短路。
（4）閉合并網開關S1，迅速將轉換開關S2閉合到同步機勵磁電源端（右端），此時發電機GS依靠定、轉子磁場間所形成的電磁轉矩，就可以把轉子自動牽入同步，即自同步作用，完成投入電網的并聯運行。
（5）并網成功后，讓發電機GS運行觀察數分鐘，直接進入到下一個實驗。
3、三相同步發電機與電網并聯運行時有功功率的調節
（1）按上述三種將同步發電機投入電網并聯運行的方法，選擇其中任意一種方法把同步發電機投入電網并聯運行。
（2）同步發電機投入電網并聯運行正常后，調節電動機MG的磁場調節電阻Rf1和同步發電機GS的勵磁電流If，使發電機GS的輸出電流I（輸出電流I為IA、IB、IC的平均值，即IA、IB、IC的電流值約等于0，通過測IA、IB，估算IC）接近于0，即輸出功率P2≈0（用W表觀察，W表讀數等于W1、W2表讀數之和），此時發電機GS的勵磁電流If等于If0，即If=If0。
（3）保持發電機GS的勵磁電流If=If0不變的條件下，增大電動機MG的磁場調節電阻Rf1，升高電動機MG的輸出功率（即發電機GS的輸入功率P1），此時發電機GS的輸出功率P2增大，直至輸出電流I≈IN≈0.45A(用A3、A4任意一只表作為參考觀察)，記錄此時發電機GS的輸出功率P2及三相輸出電流IA、IB、IC。
（4）由I≈IN≈0.45A開始，逐次減小電動機MG的磁場調節電阻Rf1，逐漸降低發電機GS的輸出電流I，直至發電機GS的輸出電流I≈0，在這一過程中測取發電機GS的輸出功率P2及三相輸出電流IA、IB、IC，共取數據6-7組，記錄于表5-7中。
表5-7 U=220V（Y） If=If0 = A
| 序號 | 三相輸出電流I（A） |
輸出功率 P2（W） |
功率因數 cosφ |
|||
| IA | IB | IC | I | |||
（5）數據測取完后，先不要停機，進入下一個實驗。
4、三相同步發電機與電網并聯運行時無功功率的調節
A、測取當輸出功率等于0時三相同步發電機的V形曲線。
（1）調節電動機MG的磁場調節電阻Rf1和同步發電機GS的勵磁電流If，使發電機GS的輸出功率P2≈0（無功功率等于W1、W2表讀數之和）。
（2）保持發電機GS的輸出功率P2≈0不變的條件下（通過調節電動機MG的磁場調節電阻Rf1保持），增大同步發電機GS的勵磁電流If（操作方法：減小Rf的阻值，先減小其串聯部分的阻值，當勵磁電流If大于1.3 A時用并聯部分，而將串聯部分阻值調到最小并用導線短接），使發電機GS的輸出電流I（輸出電流I為IA、IB、IC的平均值）增大，直至增大到I=IN=0.45A，記錄此時發電機GS的三相輸出電流IA、IB、IC及勵磁電流If，由發電機GS的輸出電流I=IN=0.45A開始，逐次減小同步發電機GS的勵磁電流If（操作方法：增大Rf的阻值，先增大其并聯部分阻值，當并聯部分的阻值增到最大后，將串聯部分短接導線拆除，再增大串聯部分的阻值），使發電機GS的輸出電流I（輸出電流I為IA、IB、IC的平均值）減小，直至減小到最小值Imin，即I≈Imin≈0A，繼續減小同步發電機GS的勵磁電流If，此時發電機GS的輸出電流I又開始增大，直至增大到I≈IN≈0.45A為止，在這一過勵和欠勵的調節過程中，測取發電機GS的三相輸出電流IA、IB、IC及對應的勵磁電流If，共取數據6-8組，記錄于表5-8中，其中I=0.45A及I≈Imin≈0A、I≈0.45A點必測。
表5-9 U=220V P2≈0
| 序 號 | 三相輸出電流I（A） |
勵磁電流 If（A） |
|||
| IA | IB | IC | I | ||
（3）數據測取完后，先不要停機，進入下一個實驗。
B、 測取當輸出功率等于0.5倍額定功率時三相同步發電機的V形曲線。
（1）調節電動機MG的磁場調節電阻Rf1和同步發電機GS的勵磁電流If，使發電機GS的輸出功率P2≈0.5PN≈85W(無功功率等于W1、W2表讀數之和）。
（2）保持發電機GS的輸出功率P2≈0.5PN≈85W不變的條件下（通過調節電動機MG的磁場調節電阻Rf1保持），增大同步發電機GS的勵磁電流If（操作方法：減小Rf的阻值，先減小其串聯部分的阻值，當勵磁電流If大于1.3 A時用并聯部分，而將串聯部分阻值調到最小并用導線短接），使發電機GS的輸出電流I（輸出電流I為IA、IB、IC的平均值）增大，直至增大到I=IN=0.45A，記錄此時發電機GS的三相輸出電流IA、IB、IC及勵磁電流If，由發電機GS的輸出電流I=IN=0.45A開始，逐次減小同步發電機GS的勵磁電流If（操作方法：增大Rf的阻值，先增大其并聯部分阻值，當并聯部分的阻值增到最大后，將串聯部分短接導線拆除，再增大串聯部分的阻值），使發電機GS的輸出電流I（輸出電流I為IA、IB、IC的平均值）減小，直至減小到最小值Imin，即I≈Imin，繼續減小同步發電機GS的勵磁電流If，此時發電機GS的輸出電流I又開始增大，直至增大到I≈IN≈0.45A為止，在這一過勵和欠勵的調節過程中，測取發電機GS的三相輸出電流IA、IB、IC及對應的勵磁電流If，共取數據9-10組，記錄于表5-9中，其中I=0.45A及I≈Imin、I≈0.45A點必測。
表5-9 U=220V P2≈0.5PN≈85W
| 序 號 | 三相輸出電流I（A） |
勵磁電流 If（A） |
|||
| IA | IB | IC | I | ||
（3）停機，斷開并網開關S1，將電動機MG的磁場調節電阻Rf1調至阻值最小位置，先關閉DQ31上的電樞電源開關，再關閉控制屏上的勵磁電源開關，使電動機MG停機；將發電機GS的勵磁調節電阻Rf調至阻值最大位置及斷開勵磁電源開關S，將控制屏左側的三相調壓器逆時針旋轉到底，按下控制屏上方的“停止”按鈕，使實驗臺斷電，同步電動機停機，拆除實驗導線、電機，最后關閉實驗裝置電源總開關。
五、注意事項
1、每次啟動校正直流測功機時，都要按“直流他勵電動機的啟動與停機步驟”啟動；每次停機時，都要先切斷電樞電源，再切斷勵磁電源。
2、調節校正直流測功機的磁場電阻Rf1時，動作要慢，不然勵磁電流突然變化引起來轉速突變，不利于測試，同時磁場電阻Rf1不宜過小，以防止勵磁電流過小而引起電動機“飛車”。
3、實驗前注意儀表的種類、量程、極性及其接法是否正確。
六、實驗報告
1、實驗的項目名稱
2、實驗的任務目標
3、實驗所用到的實驗設備
4、繪制實驗的接線圖
5、記錄實驗的過程、現象和數據記錄
6、在坐標上繪制三相同步發電機P2≈0和P2≈0.5倍額定功率時的V形曲線，并加以說明。
7、試述三相同步發電機和電網并聯運行時有功功率和無功功率的調節方法。
8、小結、體會和建議
七、思考與練習
1、試述并聯運行條件不滿足時并網將引起什么后果？
2、評述準確同步法和自同步法的優缺點。
3、自同步法將三相同步發電機投入電網并聯運行時先把同步發電機的勵磁繞組串入10倍勵磁繞組電阻值的附加電阻R組成回路的作用是什么?
4、自同步法將三相同步發電機投入電網并聯運行時先由原動機把同步發電機帶動旋轉到接近同步轉速(1485～1515 r/min之間)然后并入電網，若轉速太低并網將產生什么情況？