電機及電氣技術實驗裝置三相同步發(fā)電機的并網運行實驗
一、任務目標
1、掌握三相同步發(fā)電機投入電網并聯(lián)運行的條件與操作方法。
2、掌握三相同步發(fā)電機并聯(lián)運行時有功功率與無功功率的調節(jié)。
二、任務復習
1、三相同步發(fā)電機投入電網并聯(lián)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(fā)電機投入電網并聯(lián)運行時怎樣調節(jié)有功功率和無功功率？調節(jié)過程又是怎樣的？
三、實驗設備
| 序 號 | 型 號 | 名 稱 | 數(shù) 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(shù)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(shù)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(shù)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(fā)電機的并聯(lián)運行的接線
按圖5-4接線。圖中三相同步發(fā)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(lián)軸器直接聯(lián)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(shù)表W1、W2選用DQ25；開關S選DQ31，用于同步發(fā)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(lián)900Ω共1800Ω阻值的變阻器，作為電動機MG的磁場調節(jié)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(fā)電機GS的勵磁調節(jié)電阻；
接好線后，檢查GS、MG及RE之間是否用橡膠聯(lián)軸器聯(lián)接好，螺絲是否打緊。
圖5-4 三相同步發(fā)電機并聯(lián)運行接線圖
1、用準同步法將三相同步發(fā)電機投入電網并聯(lián)運行
A、三相同步發(fā)電機與電網并聯(lián)運行必須滿足下列條件：
（1）發(fā)電機的頻率f2和電網頻率f1要相同；
（2）發(fā)電機的發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(jié)電阻Rf1調至阻值最小位置，將發(fā)電機GS的勵磁調節(jié)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(tài)（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(tài)，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(jié)電動機MG磁場調節(jié)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(fā)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(jié)電阻Rf1調至底后，轉速仍達不到1500r/min時，可繼續(xù)增大電樞電源電壓）。
（5）順時針調節(jié)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(fā)電機GS的勵磁電源并調至12V（用V2表觀察），增大同步發(fā)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(lián)部分，而將串聯(lián)部分阻值調到最小并用導線短接），使發(fā)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(xiàn)出同時發(fā)亮、同時熄滅的現(xiàn)象則表明發(fā)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(fā)電機GS發(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(fā)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(xiàn)象表明發(fā)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(jié)電動機MG磁場調節(jié)電阻Rf1、控制屏左側的三相調壓器及發(fā)電機GS的勵磁調節(jié)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(fā)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(fā)電機GS投入電網并聯(lián)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(fā)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(fā)電機GS運行觀察數(shù)分鐘
（11）停機，斷開并網開關S1，將電動機MG的磁場調節(jié)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(fā)電機GS的勵磁調節(jié)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(fā)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(fā)電機投入電網并聯(lián)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(fā)電機GS的輸出電壓、電網電壓及發(fā)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(fā)電機GS的勵磁繞組電阻值的10倍），發(fā)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(fā)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(lián)運行。
（5）并網成功后，讓發(fā)電機GS運行觀察數(shù)分鐘，直接進入到下一個實驗。
3、三相同步發(fā)電機與電網并聯(lián)運行時有功功率的調節(jié)
（1）按上述三種將同步發(fā)電機投入電網并聯(lián)運行的方法，選擇其中任意一種方法把同步發(fā)電機投入電網并聯(lián)運行。
（2）同步發(fā)電機投入電網并聯(lián)運行正常后，調節(jié)電動機MG的磁場調節(jié)電阻Rf1和同步發(fā)電機GS的勵磁電流If，使發(fā)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(shù)等于W1、W2表讀數(shù)之和），此時發(fā)電機GS的勵磁電流If等于If0，即If=If0。
（3）保持發(fā)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(jié)電阻Rf1，升高電動機MG的輸出功率（即發(fā)電機GS的輸入功率P1），此時發(fā)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(fā)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(jié)電阻Rf1，逐漸降低發(fā)電機GS的輸出電流I，直至發(fā)電機GS的輸出電流I≈0，在這一過程中測取發(fā)電機GS的輸出功率P2及三相輸出電流IA、IB、IC，共取數(shù)據(jù)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(shù) cosφ |
|||
| IA | IB | IC | I | |||
（5）數(shù)據(jù)測取完后，先不要停機，進入下一個實驗。
4、三相同步發(fā)電機與電網并聯(lián)運行時無功功率的調節(jié)
A、測取當輸出功率等于0時三相同步發(fā)電機的V形曲線。
（1）調節(jié)電動機MG的磁場調節(jié)電阻Rf1和同步發(fā)電機GS的勵磁電流If，使發(fā)電機GS的輸出功率P2≈0（無功功率等于W1、W2表讀數(shù)之和）。
（2）保持發(fā)電機GS的輸出功率P2≈0不變的條件下（通過調節(jié)電動機MG的磁場調節(jié)電阻Rf1保持），增大同步發(fā)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(lián)部分的阻值，當勵磁電流If大于1.3 A時用并聯(lián)部分，而將串聯(lián)部分阻值調到最小并用導線短接），使發(fā)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(fā)電機GS的三相輸出電流IA、IB、IC及勵磁電流If，由發(fā)電機GS的輸出電流I=IN=0.45A開始，逐次減小同步發(fā)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(lián)部分阻值，當并聯(lián)部分的阻值增到最大后，將串聯(lián)部分短接導線拆除，再增大串聯(lián)部分的阻值），使發(fā)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(xù)減小同步發(fā)電機GS的勵磁電流If，此時發(fā)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(jié)過程中，測取發(fā)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(fā)電機的V形曲線。
（1）調節(jié)電動機MG的磁場調節(jié)電阻Rf1和同步發(fā)電機GS的勵磁電流If，使發(fā)電機GS的輸出功率P2≈0.5PN≈85W(無功功率等于W1、W2表讀數(shù)之和）。
（2）保持發(fā)電機GS的輸出功率P2≈0.5PN≈85W不變的條件下（通過調節(jié)電動機MG的磁場調節(jié)電阻Rf1保持），增大同步發(fā)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(lián)部分的阻值，當勵磁電流If大于1.3 A時用并聯(lián)部分，而將串聯(lián)部分阻值調到最小并用導線短接），使發(fā)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(fā)電機GS的三相輸出電流IA、IB、IC及勵磁電流If，由發(fā)電機GS的輸出電流I=IN=0.45A開始，逐次減小同步發(fā)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(lián)部分阻值，當并聯(lián)部分的阻值增到最大后，將串聯(lián)部分短接導線拆除，再增大串聯(lián)部分的阻值），使發(fā)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(xù)減小同步發(fā)電機GS的勵磁電流If，此時發(fā)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(jié)過程中，測取發(fā)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(shù)據(jù)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(jié)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(fā)電機GS的勵磁調節(jié)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(jié)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(xiàn)象和數(shù)據(jù)記錄
6、在坐標上繪制三相同步發(fā)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(fā)電機和電網并聯(lián)運行時有功功率和無功功率的調節(jié)方法。
8、小結、體會和建議
七、思考與練習
1、試述并聯(lián)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(yōu)缺點。
3、自同步法將三相同步發(fā)電機投入電網并聯(lián)運行時先把同步發(fā)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(fā)電機投入電網并聯(lián)運行時先由原動機把同步發(fā)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？