2014广西大学电气工学学院同步电机实验报告

同步发电机运行

实 验 报 告

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同步发电机运行实验

目 录

一、实验目的

二、实验装置及接线

三、实验内容

实验一 电动机- 发电机组的接线

实验二 发电机组的起动和同步电抗Xd测定

实验三 发电机同期并网实验

实验四 发电机的正常运行

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同步发电机运行实验

实验五 发电机的特殊运行方式

四、实验报告

一、实验目的

同步发电机是电力系统最重要又最复杂的电气设备，在电力系统运行中起着十分重要的作用。通过实验，使学生掌握和巩固同步发电机及其运行的基本概念和基本原理，培养学生的实践能力、分析能力和创新能力，加强工程实线训练，提高学生的综合素质。

二、实验装置及接线

实验在电力系统监控实验室进行，每套实验装置以7.5KW直流电动机与同轴的5KW同步发电机为被控对象，配置常规仪表测量控制屏（常规控制）和计算机监视控制屏（计算机监控）。可实现对发电机组的测量、控制、信号、保护、调节、并列等功能，本次同步发电机运行实验，仅采用常规控制方式。 直流电动机-同步发电机组的参数如下：

直流电动机：

型 号 Z2-52，凸极机 额定功率 7.5KW

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额定电压 DC220V 额定电流 41A 额定转速 1500r/min 额定励磁电压 DC220V

额定励磁电流 0.98A(6、7、8号机组为0.5A) 同步发电机

型 号 T2-54-55 额定功率 5KW

额定电压 AC400V(星接) 额定电流 9.08A 额定功率因数 0.8 空载励磁电流 2.9A 额定励磁电流 5A

直流电动机-同步发电机组接线如图一所示。发电机通过空气开关2QS和接触器2KM可与系统并列，发电机机端装有电压互感器1TV和电流互感器1TA，供测量、同期用，系统侧装有单相电压互感器2TV作同期用，两侧电压通过转换开关6SA接入同期表S（MZ-10）。

发电机励磁电源可以取自380V电网（他励方式），也可以取自机端（自励方式），通过4QS进行切换，交流电源经励磁变压器CB降压隔离后，经分立元件整流装置或模块式晶闸管SCR-L变为直流，再通过灭磁开关3KM供电给发电机励磁绕组FLQ，励磁

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电流通过调压按钮或电位器2WR进行调节。Rm为灭磁电阻，通过3KM的常闭触点与励磁绕组FLQ并接。

发电机组上面有一台用皮带带动的原作为励磁机用的直流发电机，在其励磁绕组加上恒定的直流电压（从开关稳压电源引来），则电枢上的电压正比于发电机组的转速，故用一只直流电压表即可测量发电机转子转速。

直流电动机的电枢电源来自电网380V交流电压，经空气开关1QS和接触器1KM供电给模块式晶闸管SCR-T变为直流，电枢电压通过调速按钮或电位器1WR进行调节。直流电动机的励磁电源来自电网220V交流电压，经单相调压器1TB和整流块整流后供给励磁绕组B1-B2，调节调压器的输出电压可调节励磁电流。调节电枢电压或励磁电流可以调速。

发电机组控制屏屏面上装有各种仪表、控制开关、按钮、指示灯等，图一对二次控制信号回路并没有画全，屏后接线和控制回路接线可参考实验室提供的详图。

三、实验内容

实验一、电动机-发电机组的接线

注意：以下各项都要在现场找到并认识相关设备的构造。 1）直流电动机的接线

（1）电动机励磁回路的作用及其接线； （2）电动机励磁电流的调节方法； （3）电动机电枢回路的接线；

（4）三相桥式整流模块SCR-T的作用，电动机调速方法； （5）电抗器DK的作用； （6）分流器3FL的作用和原理；

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（7）3QS和1KM的联锁接线和作用；

（8）熟悉控制屏上电动机的操作设备及仪表。 2）同步发电机的接线

（1）发电机定子回路接线，2QS和2KM的作用；

（2）电压互感器1TV、2TV和电流互感器1TA的作用和接线； （3）发电机的励磁方式，4QS的作用和接线；

（4）发电机电压的建立和调节，励磁变压器CB的作用和接线； （5）SCR-L直流输出端并接一只二极管的作用； （6）3KM的作用，其常闭触点串Rm接励磁线圈的作用； （7）机组速度测量的原理；

（8）三相组合式同期表的作用、外部结构和背后接线； （9）熟悉控制屏上发电机的操作设备及仪表。

实验二 发电机组的起动和同步电抗Xd测定

（一）机组起动

1）起动前，所有开关在断开状态，电位器1WR、2WR和调压器1TB在零位。

2）合上开关1QS，用电压转换开关2SA检测电网三相电压是否基本平衡，电动机调速屏面上的绿灯应点亮；

UAB = 400 V， UBC = 400 V， UCA = 400 V

3）合上电动机励磁电源开关3QS，调节调压器1TB 使电动机励磁电流为额定值，注意各机组额定值不同，可看铭牌或由老师告知；

4）在确认电动机励磁电流为额定值后,按下按钮1SB1使1KM合闸，电动机调速屏面上的红灯应点亮，1KM合闸线圈回路串有3QS的一对常开触点连锁；

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5）将1SA放到手动位置，旋转电位器1WR缓慢升高电枢电压，使电动机起动并逐渐升至额定转速1500r/min（相当于转速表30V），起动过程要监视机组的声音以及电枢电压表、电流表、转速表的指示是否正常；

6）用万用表测量机端三相剩余电压（在屏后右侧端子排相应端子上测），计算与额定

电压的百分比；

UAB = 17 V， UBC = 17 V， UCA = 17 V

7）用万用表测量电动机电枢回路所串电抗器的直流电压和交流电压，分析两者为什么

差别很大。

UDC = 150 V， UAC = 3 V

（二）空载试验

1）将4QS扳向他励，发电机为他励励磁方式，合上2QS给上他励电源，操作3SA开关使

3KM合闸，用万用表检测励磁变压器CB两侧电压是否正常； UAB = 397 V， UBC = 399 V， UCA = 400 V Uab = 38 V， Ubc = 38 V， Uca = 39 V

2）旋转电位器2WR缓慢升高发电机电压，观察表计的指示是否正常，三相电压是否平衡；

注意：在升压过程中当机端电压低于300V时，频率表指针可能打到头，这是正常现象，待电压升至300V以上时指针会回到正常值。

3）观察发电机建压后机组的转速是否有微小变化，记录空载励磁电流； no= 1500 r/nin，n[o]= 1450 r/nin，IFO = 2.25 A

4）旋转电位器2WR将电压降至零后，再旋转电位器2WR单向调节励磁电流，使发电机电

压单调增加直至450V，然后单调减小励磁电流直至零，记录励磁电流IF和定子端电压UG，注意试验中电机的转速要维持恒定额定转速。

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表1 发电机空载试验数据

1 2 1.0 300 3 3.5 450 4 1.0 300 5 0.6 150 6 0.4 25 IF(A) 0.5 UG(V) 150 5）机组停机：旋转电位器2WR使发电机电压减到零，再旋转电位器1WR将机组转速减到

零，再跳开1KM；注意：必须将机组转速减到零再跳开1KM，否则下次起动电动机可能会遭受很大的冲击。 6）绘制发电机空载特性曲线。 （三）三相短路试验

1）机组在停机状态，在发电机出线端接上三相短路线（可在1TV一次侧接线柱上用导

线短接）；

2）起动机组，调节发电机为额定转速，并在试验过程中保持恒定；

3）调节励磁电流使定子短路电流为1.1倍定子额定电流，然后单调减小励磁电流直至

零，记录励磁电流IF和定子电流IG，试验完后拆除短路线。

表2 发电机短路试验数据

IF(A) IG(A) （四）实验报告及分析思考题

1）画出发电机空载特性曲线和短路特性曲线，参考电机学实验测定不饱和Xd的方法，求取Xd值。

9.98 8 6 4 2 0 1 1.95 2 1.4 3 1.0 4 0.6 5 0.4 0 6 12

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1.根据实验数据画出发电机空载特性和短路特性,如图.

2.通过空载特性的起点0将空载只限段延长得到发电机不饱和的气隙线,如图虚线 3.在纵轴上取得IG=IGn=9.08A对应于短路特性的点A,并往上查得气隙上的店B所对应的电势UGO=510

4.求Xd值:Xd = UGO/IGn =56.1Ω

2）发电机空载特性不是直线，而短路特性基本为直线，为什么？

答：空载特性开始一段实际上是一条直线，因为这是磁通很小，电机磁路中的磁铁

部分饱和，该部分所需的磁动势远小于空气隙磁动势，转子励磁磁动势主要消耗在空气隙中，空载特性的电压较高的部分开始向下弯曲，那是因为随着磁通的增大，电机磁路的铁磁部分迅速跑和，它所需磁动势也就很快增大，空载特性边偏离气隙先开始向下弯曲，短路时，电枢电流只有直轴分量，它所产生的电枢反应为纯粹的

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去磁作用，短路时合成磁动势的数值甚小，只等于漏抗降落，相应的，产生的气隙磁通和合成磁动势亦很小，故电机磁路处于不饱和状态，磁动势和磁通之间为线性关系，故为一条直线。

3）发电机转动以后，灭磁开关3KM跳开不加励磁，定子是否有电压，为什么？ 答：定子上会有电压，因为励磁回路中有剩磁。

4）发电机定子三相绕组为什么接成星形？接成三角形有什么问题？

答：发电机定子三相绕组接成星形，有三次谐波电势而没有三次电流，接成三角形，因绕组闭合三次谐波电流能流通且很大，增加发电机的损耗，降低发电机的效率和出力。

5）发电机建压后机组的转速是否有变化，分析原因。

答：有变化，转速会降低。从磁场上看，因为建压后定子上产生的阻碍转子转动的电枢磁场，所以转动会受到阻碍，从损耗上看，建压以后，励磁通路增加了铁耗和同耗，电动机的做功一部分会用于抵消这一部分损耗。

6）调节电动机的电枢电压或励磁电流都可以调速，说明各有什么特点和应用场合。

答：根据直流电动机的转速公式n=(U-IaRa)/Ceφ

：

?调节励磁电流可以连续平滑的调节速度，转速近似与每极磁通成反比，但是调速时高速受到机械强度和换向的限制，最低转速受到励磁 绕组自身电阻和磁路饱和的限制，因此调速比不能太大，一般为1:2~1:6；应用在需要精准调速的场合。 ?调节电动机的电枢电压的方式，调节方便、损耗小，调速范围广，可达1:24以上，其缺点是专用直流电源投资大。应用在需要快速，且调节范围较大的场合。

7）电动-发电机组在建压后，电动机励磁回路发生断线，有什么现象？如何处理

答：会出现飞车。当励磁回路断线时，气际中的磁通突然减小，根据公式n=(U-IaRa)/Ceφ, φ减小，电动机转速迅速上升。如此时没有并网，因断开1KM，

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若并网，先解列，再断开1KM。

8)电动机的励磁绕组与电枢绕组并接起来，用调节电枢电压调速，如右图所示，分析是否可行。

答：不好，调节起来不稳定。因为调节磁通时，当磁通增大时，转速会下降，调节电压时，当电压增大时，转速会上升。

9）三相挢整流模快SCR-T会产生多少次的特征谐波，从电抗上的交直流电压分析电抗器的作用。

答：会产生n=6k+-1，k=1、2、3……的谐波，电抗器的作用是滤波，因为直流电流的W为零，电抗为零，直流电压为电阻电压，交流W大，电抗大，交流电压就很大。

10）电动机电枢电流和发电机励磁电流采用分流器测量的原理是什么？能否采用电流

互感器测量？

答：分流器是测量直流电流用的，分流器实际就是一个阻值很小的电阻，当有直流电流通过时，产生压降，供直流电流表显示，不能使用电流互感器，因为它只用于交流线路的电流测量。

实验三 发电机同期并网实验

（一）实验内容和步骤

1． 发电机为他励方式，将发电机组起动并起励建压至额定值，调节发电机频率为50Hz。 2． 合上6SA投入同期表S，三只同期指示灯应同时亮暗，根据同期表的压差频差指示和

指针旋转情况（顺时针旋转说明发电机频率比系统高），利用调压调速接钮精细调节发电机电压和频率。当同期表指针顺时针均匀缓慢旋转并距零位6°左右时，立即按下2SB1使2KM合闸并网，并网时冲击电流应不大，电流表指针应很快回复至零位附近，有功和无功功率接近零，如表计指示不正常要立即解列发电机。注意：同期表S不要

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长期通电，不并网或并网完成后都要断开6SA。

3． 旋转电位器1WR，有功功率和定子电流应能变化；旋转电位器2WR，励磁电流、无功功

率和定子电流应能变化。

4． 发电机解列：旋转电位器1WR调有功功率表为零，再旋转电位器2WR调定子电流表为

零（无功功率为零），跳开发电机出口接触器2KM将发电机解列。

5． 发电机解列灭磁后，将发电机定子的三根相线顺序调相(即A→B→C→A)但相序不变，再

将发电机起励建压并调节至与电网的电压和频率相同，观察同期表和同期灯的情况，分析是否能够并网。试验完后恢复原来的接线。

同期灯情况： 同亮同灭 ， 能否并网： 能 。

6． 发电机解列灭磁后，将发电机定子的任两根相线对调使之成为反相序，再将发电机起

励建压，观察同期表（顺时针旋转说明发电机频率比系统高还是低）和同期灯的情况，分析是否能够并网，但不能进行并网操作，试验完后恢复原接线。

同期灯情况： 不能同亮同灭 ， 能否并网： 否 。 （二）实验报告及分析思考题

1．发电机同期方式有几种？本实验采用的是什么同期方式？同期条件是什么？ 答：①发电机同期方式有：准同期和自同期 ②本实验采用的是准同期 ③同期条件

是电压相位、频率相等，相序一致。

2．手动同期时，在同期表指针提前一定角度时发出合闸命令，为什么？

答：因为从按下按钮到断路器合闸有一定的延时。

3．发电机正常解列时，为什么要调有功功率和无功功率均为零？这时定子电流是多少? 答：是为了保护断路器和发电机，减少因带负荷开断断路器产生电弧对断路器的破

坏。也防止带剩余有功和无功来开断发电机，使发电机甩负荷而造成对发电机的影

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响，此时定子电流为0

4．将发电机定子的三根相线顺序调相(即A→B→C→A)但相序不变，分析是否能够并网。

说明相序和相别的区别。

答：能并网。相序是指各相按照一定的顺序排序，而相别是指各相如A相、B相顺

序调相相序不变，而满足并网条件。

5．将发电机定子的任两根相线对调使之成为反相序，分析是否能够并网。

答：对调发电机侧电压线Ag、Cg，相量。发电机侧与系统侧线电压Uabg的相位差

为60°。不能并网。

6、发电机在停机状态，其机端三相引线未拆除，合上1KM接通系统电压，分析产生什

么后果。

答：系统倒送电，使同步机启动，由于未加励磁，其相当于异步电机的动，会产生

较大启动电流，损坏电机，同时启动电流过大会引起较大电压下降，影响同一电网的其他用户。

实验四 发电机的正常运行

（一）发电机工作状态与励磁调节的关系（以下实验如不说明，发电机均系他励方式和并网运行）

1) 按上面的起动并网步骤，将发电机并网运行。

2）发电机输出有功功率为1.5KW左右，调节励磁电流额定值5A下降，定子电流也随之下降，当Q=0时定子电流最小，以后再减小励磁电流，定子电流也随之上升，当定子

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电流达到额定值9.08A，不要再减小励磁电流，记录Q、I、COSφ数值于表3，注意要记录纯有功的状态。

3）根据实验结果，分析迟相、进相、纯有功运行状态的特点。

表3 改变励磁电流发电机各量的变化 P=1.5KW UG=380V f=50HZ IF（A） IG（A） 1 2.75 4 2 2.5 3 1.0 0.9 2 3 0 1.0 3 4 1.75 3 -1.7 -0.7 5 1.5 4 -2 -0.6 6 1.2 5 -2.5 1 6 -3 7 Q（KVAR） 1.8 COSφ 4)使发电

0.65 -0.54 -0.5 机输出的有功功率分别等于0、1KW、2KW功率时，调节励磁电流从某最小值(定子电流不超过额定值9.08A)到额定值，记录对应的定子电流值于表4，注意要记录纯有功(Q=0)的状态。

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5）画出不同有功功率时的V形曲线[即IG=f(IF)]并分析，指出迟相运行进相运行区域。

表4 不同有功定值时改变励磁电发电机电流的变化

IF P=0 1 0.5 7 1 4 5 6.5 2 3 1.85 0.5 2 4 4 2.5 2.75 3.1 4 3 4.4 4.5 5.1 5 IG P=1KW 8.5 P=2KW 10.5

多簇V型曲线图

答：由图可知，在V型曲线中，最低点为IF为1.85的点，则最低点左边为进相运行，右边为迟相运行。

（二）发电机工作状态与有功调节的关系

1)发电机励磁电流为4A左右不变，调节有功从零到4KW左右，记录P、Q、I、COSφ数值

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于表5；

表5 改变有功功率发电机各量的变化

P（KW） IG（A） 0 4 1 2 0.5 4 2.2 1 4 2 3 4 1.5 4.5 1.8 2 4.75 1.6 5 Q（KVAR） 2.4 COSφ

表5数据图

<0.5 <0.5 <0.5 0.7 0.8 2)分析有功变化时无功功率的变化情况。

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答：从表5图可以看出，有功增加时，无功是减小的. （三）分析思考题

1）有功为定值而改变励磁电流时，分析什么状态时定子电流最小。

答：由发电机V形曲线实验可知：有功为定值时，改变励磁电流可得到一条完整的V

形曲线，当功率因数为1时定子电流最小，此时发电机只有有功功率。 2）原动机不调节而调节励磁电流改变无功功率时，分析有功功率是否变化。

答：如图，在发电机并网后，调节励磁只改变无功功率，有功功率理论上不会发生变化。调节励磁电流，使得空载电势发生变化，而空载电动势的向量必须落在有功功率的虚线上，而有功功率只能依靠改变原动机的机械功率，所以，无功发生变化。无功随励磁电流的增大而增大，减小而减小.

3）励磁电流不调节而调节有功功率时，分析无功功率

是否变化。

答：如图，不调节励磁电流，而调节原动机不仅可

以增大有功输出，而且无功也会发生改变。对于与电网并联运行的发电机，当该变原动机的输入功率

时，由P=Pe=UEq*sinδ/Xd发电机的位移角δ将相应跟着改变，起着调节有功功率的作用，但此时如使励磁保持不变及Eq，由Q=UEq*cosδ/Xd-U2/Xd，输出的无功功率将会发生变化。

5）发电机在并网运行时，直流电动机励磁回路发生断线，有什么现象？

答 ：在短线短时内，直流电机会发生飞车现象，导致短时间的转速升高，然后直流电动机因为失磁转速变慢，但是发电机还存在励磁电流，从系统吸收有功功率带动转

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子转动，即有功变为负值，发电机相当与电动机。电动机励磁电流为0，电枢电流变大。此时应先解列，减速减磁，停机检修。

6）发电机在并网运行时，直流电动机电枢回路晶闸管因产生故障完全截止，有什么现

象？发电机是什么这行方式？如何处理？

答：电枢电压下降，原动机转速下降，发电机的功率、定子电流不断减小、发电机从

系统吸收功率、使发电机变成电动机运行方式，此时使发电机和系统解列，然后停机检修。

7）发电机励磁绕组通过3KM常闭触点并接电阻Rm，它的作用是什么？

答：起到灭磁的作用，电阻Rm是用于吸收灭磁，磁感应电力的能量。当发电机内部

发生故障，继电保护将发电机从系统断开时，如果不消灭发电机的磁场，故障电流仍然存在，过大的短路电流将会烧毁绕组导致发电机长时间不能回复运行。

实验五 发电机的特殊运行方式

（一）发电机的失磁运行

1)失磁运行实验：发电机并入系统后，调有功和无功为零,然后跳开灭磁开关3KM使发电机失磁，励磁电流应为零，观察发电机是否稳定。然后缓慢增加发电机有功，当发电机电流不断增大超过额定值时，说明发电机已失步，要立即减少有功或合上3KM将发电机拖回同步，如果仍然失步要跳开2KM将发电机解列，并将机组转速降至额定值以下，实验过程要记录各表计的指示，并记录凸极机维持同步的功率的最大值。

表7 失磁时各表计的变化

P=0 Q -6 COSφ <-0.5 IG 9.5 22

UG 400 f 50 n 1500

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P=0.5 KW P=1 失步

-6.8 -7.6 <-0.5 <-0.5 10 11 400 400 50 50 1500 15000 2）发电机不并网而带孤立负荷（临时接上三只星形接法的200W的白炽灯）运行失磁，记录发电机各运行参数于表8，观察发电机的运行情况并分析。

表8 孤立负荷时发电机的运行参数

失磁前 失磁后 P 0.75 0 Q 0 0 IG 1 0 UG 375 0 IF 1.5 0 f 50 0 n 1500 1500 （二）发电机的调相运行

1)发电机并网后将有功和无功功率调到3KW和2KVAR，记录各表计数值。 2) 降低电动机电枢电压，将发电机有功功率逐渐减少直至零，记录各表计数值。 3）继续降低电动机电枢电压，将发电机有功功率逐渐减少至负值，（相当于导水叶或主汽门全关），记录各表计数值。

表9 调相运行实验数据

发电机运行 零有功运行 电动机运行 P 3 0 <0 Q 2 2.8 3 COSφ 0.9 <0.5 <0.5 IG 6.25 4.5 5 UG 400 400 400 IF 3 3 3 n 1500 1500 1500 4）发电机为电动机运行状态下，调节励磁电流，观察无功功率从迟相、零到进相，记录各表计数值，分析发电机调相运行状态的持点。试验完后机组解列停机。

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表10 调相运行改变励磁电流各量的变化

IF IG UG Q COSφ 3 5 400 3 <0.5 1 2 1 400 0.4 0.8 2 3 1.9 1 400 0 1 4 1.75 1 400 -0.4 -0.9 5 1.75 1 400 -0.2 -0.7 （三）发电机甩负荷

1)发电机并网后将有功1KW和无功功率调到0.75kvar，记录各表计数值。

2）将发电机出口开关2KM突然跳闸，观察和记录各表计的变化（注意发电机的转速和电压要很快调下来）。

表11 甩负荷时各表计的变化

甩前 甩后

（五）分析思考题

1）发电机进相运行的作用是什么？随着进相运行深度的增加，机端电压为什么会下

降？

答：发电机进相运行时，发出的有功功率和吸收无功功率，即从系统吸收无功功率，这对维持系统无功功率平衡，从而调节系统电压。保证供电质量起了一定的作用。

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P 1 0 Q 0.75 0 COSφ 0.9 1 IG 2.2 0 UG 400 300 IF 1.5 2 n 1500 1500

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随进相的运行深度的增加，定子电流上升，而在转子端的电压时不变的，所以在定子上的压降变大，机端电压下降。

2）发电机失磁而有功较小时，为什么能保持同步而不失步？

答：发电机失磁后，转子加速，功角拉大，力图使发电机的励磁功率与电动功率之间保持平衡，发电机逐渐过渡到进相运行状态，而在临界失步时，需要经历一个时间t.当发电机失磁时有功很小，这表明发电机空载运行时，即使全部失磁也不会失步。

3）发电机失磁并失步后，发电机频率表和转速表的指示有什么变化？为什么？

答：失磁后发电机电枢反应的程度变小，转子加速，转速表上升，但是频率表不变，频率表收到系统频率限制。

4）分析发电机带孤立负荷运行时失磁的特点。

答：发电机带孤立负荷运行时失磁时频率和转速都变大，失磁后频率升高是由于转子相当于没有负载在空载，所以频率较之之前升高了，转子转速增加是因为转子上的转速完全有原动机

5）说明发电机调相运行的作用和特点。

答：发电机调相运行用于无功功率调节，对改善电网功率因数及电网经济运行起重

要的作用，是现代大型电网中必不可少的主要电力设备之一，从理论上讲，它实际是空载运行的电动机。

6）分析发电机甩负荷后运行参数变化的特点。

答：发电机甩负荷后有功功率和无功功率都变为零，功率因数为1，既有功发不出，

极端电压升高很多，是因为励磁绕组上过剩磁场能量积累，空载电势很大，所以使得端电压升高。

7）做实验过程中，发电机并网带额定有功和无功正常运行，电网突然停电，分析机组

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的运行情况。

答：发电机的励磁电流从电网中获取，当电网停电之后，励磁电流变为零，发电机的有功

和无功变为零，此时发电机的转速下降，最后停止。

四、实验心得

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/srco.html