电机学实验报告

三相同步发电机的运行特性实验报告

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第2页，共12页 一、实验目的

1. 掌握三相同步发电机的空载、短路及零功率因数负载特性的实验求取法。

2.学会用实验方法求取三相同步发电机对称运行时的稳太参数。

二、实验内容：

1.空载实验：在n=nN ，I=0的条件下，测取同步发电机的空载特性曲线Uo=f(If)。

2.三相短路实验：在n=n N ，U=0的条件下，测取同步发电机的三相短路特性曲线I k =f(I f ).

3..求取零功率因数负载特性曲线上的一点，在n=nN ；U=UN ；cos Ø≈0的条件下，测取当I=IN

时的If 值。

三、实验仪器及其接线

1.实验仪器如下图所示：

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第3页，共12页 2.实验室实际接线图如下图所示：

图1 实验室实际接线图

四、实验线路及操作步骤：

1. 空载实验

实验接线图如图2所示

图2 实验接线图

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8到9组数据，最后读取励磁电流为零时的剩

磁电压，将测量数据记录于表1中。

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表1 空载实验数据记录 n=no=1500转/分 I=0

数据说明： （1）表1中

U 0=3

AC

BC AB U U U ++ U 0*=N

U U 0 I f =I´f +ΔI f0 I I fo f

I f =

*

I f0为U 0= U N 时的I f 值，在本实验室中取U N =400V,I N =3.6A 。

（2）若空载特性剩磁较高，则空载特性应予以修正，即将特曲线的的直线部分延长与横轴相交，交点的横坐标绝对植ΔI f0即为修正量，在所有试验测得的励磁电流数据上加上ΔI f0，即得通过坐标原点之空载校正曲线。如图3所示。

图3 空载特性曲线校正

2.短路实验

实验线路图如图2所示。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K 2，将电枢三相绕组短路，将机组转速调到额定值并保持不变，逐步增加发电机的励磁电流I f ，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。其间共同读取5-6组数据，记于表2中。

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表2短路实验数据记录

在表17—2中I K =3

C

B A I I I ++ I K *=N

K I I I

I fo

f I f =*

式中：I N ---发电机额定电流

I f0---空载电压为额定电压时的励磁电流。

五、数据处理

（1）利用空载特性曲线原始数据绘图求ΔI f o

利用原始数据绘出的空载特性曲线如下图所示：

图4修正前的空载特性曲线

由图可以看出：修正前，短路特性曲线与横轴交于（-0.12，0）ΔIfo ≈0.12A 则利用公式I f =I'f +ΔI f o ，则修正后的I f 如下表所示

表3修正前后If 数据对比

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（2）修正后的空载特性曲线

由表3数据可绘出修正后的空载特性曲线如下图所示

图5修正后的空载特性曲线 实验室用的额定电压为UN=400V ，从图5可以读出当UN=400V 时，If=Ifo=1.2A

（3）利用短路特性曲线原始数据绘图求ΔI f

o

图4修正前的短路特性曲线 由图可以看出：修正前，短路特性曲线与横轴交于（-0.08，0），故可求得ΔI f o ≈0.08A ，则利

用公式I f =I'f +ΔI f o ，则修正后的I f 如下表所示

表4 修正前后If 数据对比

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（4）修正后的短路特性曲线

由表4数据可绘出修正后的空载特性曲线如下图所示

图5 修正后的短路特性曲线

（5）分别求U 0

，I K ，I f 的标幺值

标幺值的求取公式如下：

U 0*=N

U

U

0，I K *=

N

K I

I ，I I fo f I f =*

其中U N =400V ，I N =3.6A ，Ifo=1.2A

处理后的数据如下表所示：

表5 空载实验数据标幺值

表6 空载实验数据标幺值

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（5）利用空载特性曲线和短路特性曲线求同步电抗xd 的不饱和值的标幺值

利用表5和表6数据绘制空载和短路特性曲线如下：

图6 空载和短路特性曲线

如图6，通过添加趋势线方程，我们可以看出气隙线的斜率K1=1.1019，短路特性直线的斜

率K2=1.148又由于*

'*0

'0*k N N k b d d I E U I I E Z x x ===

ϕϕ 而在实验作图过程中，我们不难发现

2k 1k **0f *0f '*0*'*

0==k k I I I E I E （具体分析过程见后面问题讨论第二题），所以可以推导得2

k 1

k *'*0*==k d I E x

代入数据解得xd*=0.959

（6）同步电抗xd 的不饱和值的有名值 已知U N =400V ，I N =3.6A ，由公式N

N

N I U Z =

求得，N Z =111.11欧姆 xd =N Z .xd*=111.11 X 0.959=106.55欧姆

六、误差分析

（1）对于本实验，没有像之前采用钳形谐波小功率表进行测量，而是采用电压表与电流表测量，读数过程不可避免的产生误差。

（2）本实验在检查发电机是否达到额定转速时，采用闪光测频法，肉眼的局限性易使得实验结果产生误差。

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第9页，共12页 （3）实验数据处理过程， 主要采用的是作图法求解，也会产生一定的误差。

七、问题讨论

1.同步发电机空载、短路和零功率因数负载特性曲线的意义是什么？曲线的大致状态如何？

答：（1）同步发电机在n=nN ，I=0的运行状态下，测得的E0=f(If) ，即空载特性当同步发

电机运行于n=nN ，U=0，即电枢三相绕组持续稳定短路时，测得短路电流Ik 随励磁电流If

变化的关系曲线Ik=f(If)，称为短路特性。同步发电机在n=nN 下，带纯电感负载，保持负

载电流I 为常量，测得的U=f(If)关系曲线称为零功率因数负载特性。利用它们可以求取同步

发电机的稳态参数

（2）发电机空载、短路和零功率因数负载特性曲线大致状态如下图所示：

图7 空载特性曲线和短路特性曲线

图8 空载特性曲线和零功率特性曲线

2.怎样利用空载、短路和零功率因数负载特性曲线来求取同步发电机的稳态参数？

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第10页，共12页 （1）同步电抗简单测量方法：原动机带动同步发电机在同步转速下运转，测其开路和短路

特性。在同一坐标纸上绘制成曲线，并作出气隙线。选一固定的If ，求对应 的短路电流Ik

和对应于气隙线上的电势E0'，则同步电抗可按下式求得： xd(不饱和)= E0'/Ik

图9 空载及其短路特性曲线

*

'*0'0*k N N k b d d I E U I I E Z x x ===ϕϕ 而在实验作图过程中，我们不难发现2

k 1k **0f *0f '*0*'*0==k k I I I E I E （其中K1,K2分别为气隙线和短路特性直线的斜率之比） 所以2

k 1k *'*0*==k d I E x 即可算出xd 的标幺值，乘上基准值，即可得出有名值 （2）定子漏抗的求取

图9 同步电机的特性三角形

U=0时的励磁电流If= ，两部分：OB 用来克服漏抗电动势E σ的励磁电流，AB

为对应的漏抗压降，即 =x σId ，BC 段平衡电枢电动势Ead 的励磁电流，Ead ＝xadId ，△ABC 的BC 边代表纯去磁的电枢反应磁动势，AB 边代表定子漏抗。 OC AB

电机学实验报告 第11页，共12页 和 均和I 成正比。所以I 一定时，△ABC 固定，此三角形称为同步电机的特

性三角形。则定子漏抗 d

I AB x =σ

（3）直轴同步电抗xd 饱和值的求取

图10 空载和零功率因数负载特性曲线

如图10通过空载、短路特性和零功率因数负载特性可求出直轴同步电抗xd 的饱和值和定子

漏抗x σ。接纯电感负载，即ψ=90︒，有:

八、心得体会

首先，这次实验让我们对同步发电机的运行有了更深入的了解，是一次很好的学习。在完

成实验报告过程中，采用了excel 软件对实验数据进行处理，克服了手工作图误差较大的问

题。同时，在实验的数据处理过程中，采用了一定的创新，如通过斜率来求同步电抗的不饱

和值。由于实验条件的原因，零功率因数负载特性没有测量，因此实验的一些稳态参数无法

计算，但我们在问题讨论版块也做了理论说明。

在实验完成后，我们认为，本实验过程还有许多值得思考或改进的地方，比如是否能替换

闪光测频法，使得实验结果更准确，能否对实验室用的电压表和电流表进行改进等等。本实

验是一次给予我们启发和思考的实验，让我们获益匪浅，是一次很有意义的实验。

最后非常感谢实验老师的辛苦指导！

AB BC d

d I x E U -=000N N d N d N N

E U I x E U QA x I I =+-⇒==