优化三相同步发电机参数测定实践

1.实验目的

掌握三相同步发电机参数的测定方法，并进行分析比较加深理论学习。

2.实验原理

各种序电抗是定量分析同步电机性能的有用参数。同步电机的参数主要有：①同步电抗Xs或Xd、Xq；②直轴瞬变电抗X′d和超瞬变电抗X″d；③交轴瞬变电抗X″q；④各序电抗，X+、X-和X0分别表示正序、负序和零序电抗；⑤电枢反应电抗Xa或Xad、Xaq；⑥定子漏电抗Xσ等。

本次实验介绍同步发电机中最基本和常用的几个参数的测量方法。

（1）同步电抗Xd、Xq。

同步电抗Xs或Xd、Xq均由各自对应的电枢反应电抗和定子漏电抗合成。其中Xs或Xd的求取如前述实验，可通过空载、稳态短路实验求出。而利用转差率实验可以同时测出凸极式同步电机的直轴、交轴同步电抗Xd、Xq的不饱和值。转差率实验的做法是：把被试同步电机的励磁绕组开路，即不加励磁；原动机拖动转子以接近同步速旋转，约有0.5%的转差率；定子绕组外施低电压约为额定电压的5%～15%左右，以避免转子被拖入同步，但其相序须保证电枢旋转磁场的转向与转子转向一致。此时定子旋转磁场便以转差率速度切割转子。当定子磁场轴线与转子直轴重合时，电抗达最高值，电枢电流便有最小值。当定子磁场轴线与转子的交轴重合时，电抗达最低值，而电枢电流便有最大值。由于线路中电压降的影响，随着电枢电流的变化，定子绕组上测得的电压也有相应的、较小幅度的变动，显然电枢电流有最小值时电压为最大，电枢电流有最大值时电压为最小。电枢电流和端电压波动的频率正比于转差率。由于转差率很低，电流表和电压表的指针摆动位置可以被清楚地读取，即记录出各最大电流，电压和最小电流、电压值。设读取的数据为每相值，则每相同步电抗为

（2）负序电抗。

研究电机不对称运行最有效的方法是对称分量法。即把不对称的三相电压或三相电流分解为正序、负序和零序分量。然后对各个分量分别建立方程并求解，最后迭加起来得到最后结果。

对不同相序的电流来说，同步电机的电抗也就有不同数值。若定子电流为一稳定的对称三相电流，这时定子电流仅有正序分量，所遇到的电抗就是前述的同步电抗，其电抗的测取方法前已介绍。故正序电抗值等于同步电抗值。

（3）零序电抗X0。

零序电流流过定子绕组时所对应的电抗就是零序电抗。由于三相零序电流在时间上各相同相位、振幅又相等，将三相绕组依次按末端、首端连接的次序串联后接到电源，此时绕组通过的便是零序电流。当零序电流流过三相绕组时，各相所建立的磁势在时间上也应同相位、振幅相等。因三相绕组在空间相隔120°电角度，因此在空气隙中三相基波磁势为零，零序电流不能在气隙中建立基波磁势及磁场。

零序电流流过三相绕组时，只产生漏磁通。和定子漏抗相似，零序电抗的大小依绕组形式而定。对于单层绕组和整距双层绕组而言，在每一个槽中的电流都属于同一相，零序漏磁通便和正序漏磁通相同。对于短距双层绕组而言，在一部分槽中，上、下导体分别属于不同的两相。当有零序电流通过时，上下两导体中的电流的作用相抵消。因此零序磁通便较正序漏磁通为小。另外当定子绕组中流过零序电流时，除了产生漏磁通以外，尚须考虑它所产生的空间三次谐波磁势。这个磁势在时间上和空间上均各相同相，将合成为空间三次谐波的脉振磁势。故零序电抗的数值将随着转子位置的变化而稍有不同，即随着转子位置的不同有三倍于基波频率的周期变化。

在测定零序电抗X0时，把定子绕组串联联接，励磁绕组被短路。然后对定子绕组外施一额定频率的适当电压，使流入的零序电流数值等于额定电流。电机的转子由原动机拖动以同步速转动。测出串联后的电压U、电流I和功率P值，可计算出零序电抗，其计算式为

（4）超瞬间电抗X″d、X″q。

瞬态短路定子绕组会产生巨大的冲击电流。巨大冲击电流的主要危害是产生极大的电磁力，使绕组端部变形甚至拉断。瞬态短路时会产生巨大电流的原因是当定子电流增加时，定子产生的磁通增加，于是在转子绕组中产生变压器电势，转子绕组中便有电流流过，转子电流对定子磁通有阻尼作用，使定子磁通减小，所以定子电抗变小，于是定子电流剧增。

同步发电机瞬态短路时，转子上励磁绕组及阻尼绕组都感应了电流，因此励磁绕组及阻尼绕组对电枢反应磁通φa的进入，产生反抗作用，使电枢反应磁通被挤到它们的漏磁路径上，电枢反应磁通φa的路径要经过气隙磁阻Rad，励磁绕组漏磁阻Rfσ及阻尼绕组漏磁阻Rzσ，考虑到漏磁通，并用相应的磁导表示磁阻所得到的等效磁导为

对应的电抗称为直轴超瞬变电抗，其表达式为

若把同步发电机的定子绕组引线端通过负载电阻短路或在电网上某处短路，则由于线路阻抗的存在使电枢磁势不仅有直轴分量，还有交轴分量。由于凸极式同步电机的直、交轴的磁阻不等，相应的瞬变电抗X′q和超瞬变电抗X″q也不相等。推导公式的方法与前面相似。又由于交轴没有励磁绕组，所以交轴超瞬变电抗为

瞬变电抗和超瞬变电抗可以通过“静止法”试验来测定。试验时定子绕组的一相开路，另两相串联并外施一单相低压交流电源，使定子电流不大于额定值。转子励磁绕组经电流表短接。缓慢转动转子，定子电流和转子电流均将变化，记下定子外施电压U和定子电流的最大值Imax（此时转子绕组中的感应电流也最大）和最小值Imin（此时转子绕组中的感应电流也最小）。不难理解，超瞬变电抗可由下式求得

若没有阻尼绕组，则上式求得的电抗将分别是瞬变电抗X′d和X′q，即不存在超瞬变电抗了。

3.实验内容

（1）用转差法测定同步发电机的同步电抗Xd、Xq。

（2）用逆同步旋转法测定同步发电机的负序电抗X-。

（3）用单相电源测同步发电机的零序电抗X0。

（4）用静止法测超瞬变电抗X″d、X″q或瞬变电抗X′d、X′q。

4.实验说明及操作步骤

接线说明：

实验线路如图8-23。图中M为直流电动机M03，作原动机用；被试电机为三相凸极式同步电机M08，其额定值为：PN＝170W，UN＝220V，IN＝0.45A，nN＝1500r/min；TG为涡流测功机。M、同步电机、TG由联轴器直接相连（虚线所示）。

图8-23　用转差法测同步发电机的同步电抗

电阻R1选用MEL-04挂箱上的阻值为180Ω（接A1、A2端，即两只90Ω串联）、电流为1.3A的可调电阻，作为直流并励电动机的启动电阻。

电阻Rf1选用MEL-09挂箱上的阻值为300Ω、电流为200mA的可调电阻，作为直流并励电动机励磁回路串接电阻。

直流电流表A1选用励磁电源上的励磁电流表（mA），A2选用直流稳压电源上的电枢电流表（A）。

同步发电机定子回路的电压表V、电流表A、功率表W选用主控屏左侧的交流电压表、电流表、功率表。

同步电机励磁回路电压表V选用MEL-06挂箱上的直流电压表，量程为2V。

开关S2选用MEL-05B挂箱上的S2。

（1）用转差法测定同步发电机的同步电抗Xd、Xq。

操作步骤如下：

1）按图8-23接线，同步机定子绕组为Y形接法。

2）将MEL-13挂箱上的红色开关至“ON”位置，“3A”开关合向下方，“转速控制/转矩控制”选择开关合向“转速控制”端。

MEL-06挂箱上的红色开关至“ON”位置，电压表量程为2V。

启动电阻R1调至阻值最大，励磁回路电阻Rf1调至阻值最小；三相调压器调至零位；用导线将定子回路电流表和功率表电流线圈短接；开关S2闭合到直流电压表端。

3）合上电源开关（实验台左侧端面），主电源面板红色指示灯亮，再按下绿色按钮，绿灯亮，红灯灭，电源接通。

4）合上直流电机励磁电源开关，再合上220V直流稳压电源（红色开关至“ON”位置），观察励磁电流表读数大小（若无读数，切不可启动电动机），按下直流稳压电源上的白色“复位”按钮，直流电动机启动。(www.xing528.com)

5）调节直流稳压电源上的“电压调节”旋钮，使电动机输入电压为220V（看直流稳压电源上的电压表，内部已接好）。

6）调节电阻R1使电机升速到接近同步发电机的额定转速1500r/min，保持0.5%的转差率，即与同步速差7～8r/min。

7）调节三相调压器输出，观察同步发电机励磁绕组所接直流电压表。若它有缓慢的摆动（出现正、负显示），则表示同步发电机定子产生的旋转磁场和转子的转向相同，若它只有轻微振动（无负显示），而无摆动，则表示同步发电机定子产生的旋转磁场和转子的转向相反，这时需停机并调整相序。

8）调节调压器使同步发电机电枢绕组端电压为5%～15%的额定电压，调节电机转速使同步发电机电枢端所接交流电压表和交流电流表摆动很慢。

9）在同一瞬间读取电枢电流周期性摆动的最小值Imin与相应的电压最大值Umax以及电流最大值Imax与电压最小值Umin，数据记录于表8-3中。

表8-3　转差法测定同步电抗Xd、Xq

注

（2）用逆同步旋转法测定同步发电机的负序电抗X-。

操作步骤如下：

1）实验线路仍为图8-23，只是将同步发电机电枢绕组任意二相接线对换，以改变相序使同步发电机的定子旋转磁场和转子转向相反。把开关S2闭合在短接端（图示左端），将调压器退至零位，功率表处于正常测量状态。

2）合上直流电源，启动直流电机（方法同上）并使电机升速到额定转速1500r/min。

3）调节调压器逐渐升压，直至同步发电机电枢电流达30%～40%额定电流，读取电枢绕组电压、电流和功率值，并记录于表8-4中。

表8-4　逆同步旋转法测定负序电抗X-

注 P＝P1+P∏；Z-＝；R-＝P/（3I2）；X-＝。

（3）用单相电源测同步发电机的零序电抗X0。

1）按图8-24接线，同步机定子绕组按顺序串联起来通以单相电源。

2）把调压器退至零位，同步发电机励磁绕组短接。

3）启动直流电机并使电机升速至额定转速1500r/min。

4）调节调压器使电枢绕组中电流上升至额定电流值，测取此时的电压、电流和功率值，并记录于表8-5中。

图8-24　用单相电源测同步发电机的零序电抗

表8-5　单相电源测零序电抗X0

注 Z0＝U/（3I）；R0＝P/（3I2）；X0＝

图8-25　静止法测电抗图

（4）用静止法测超瞬变电抗X″d、X″q或瞬变电抗X′d、X′q。

1）按图8-25接线。

2）将调压器退到零位，发电机处于静止状态，调节调压器逐渐升高输出电压，直至同步发电机电枢电流达30%～40%额定电流。

3）用手慢慢转动同步发电机转子，观察两只电流表读数的变化，仔细调整同步发电机转子的位置，使两只电流表读数最大。

4）读取这位置时的电压、电流、功率值并记录于表8-6中。

表8-6　用静止法测超瞬变电抗

注 Z″d＝U/（2I）；R″d＝P/（2I2）；X″d（或X′d）＝ 。

5）把同步发电机转子转过45°角，在这附近仔细调整同步发电机转子的位置，使2只电流表读数最小，读取这位置时的电压、电流、功率值并记录于表8-7中。

表8-7　用静止法测超瞬变电抗

注 Z″q＝U/（2I）；R″q＝P/（2I2）；X″q（或X′q）＝。

5.实验报告

（1）由转差法实验数据计算出直轴与交轴同步电抗的标幺值。

式中电压、电流均指每相值。

（2）由逆同步旋转法实验，求出负序电抗标幺值。

（3）从零序电抗的测取数据中计算出零序电抗标幺值。

（4）从静止法实验数据中计算出直轴与交轴超瞬变电抗的标幺值（若同步电机无阻尼绕组，则所测得的电抗为瞬变电抗）。

6.思考题

说明Xs、Xd、Xq、X-、X0、Xa、X′d、X′q、X″d、X″q各电抗的详细名称，并能理解各电抗的物理意义。