电机学实验指导书电机实验室华北电力大学2006年8月
电机学实验指导书 电机实验室 华北电力大学 2006 年 8 月
目录第一章 电机实验的基本要求及注意事项$1-1电机实验的重要性和基本要求$1-2电机实验安全操作注意事项第二章电机实验中一些物理量的测量$2-1绝缘电阻的测量：$2-2电机绕组直流电阻的测量5$2-3电功率的测量$2-4电机转速的测量·11$2-5机械转矩和功率的测量.15第三章电机实验所用设备、仪器及仪表17$3-1电机综合实验台17$3-23实验变压器及旋转电机.·23$3-3电机实验所用其它仪器及仪表··26第四章电机教学实验....2834-1认识实验28$4-2三相变压器空载、短路及负载实验-32$4-341三相变压器空载电势波形和联结组.$4-4三相同步发电机的运行特性..46$4-5三相同步发电机的并网运行...53$4-6三相异步电动机的工作特性.-58$4-7直流发电机67
目 录 第一章 电机实验的基本要求及注意事项···············································1 §1－1 电机实验的重要性和基本要求································································································ 1 §1－2 电机实验安全操作注意事项····································································································· 3 第二章 电机实验中一些物理量的测量····················································4 §2－1 绝缘电阻的测量···························································································································· 4 §2－2 电机绕组直流电阻的测量········································································································· 5 §2－3 电功率的测量································································································································· 7 §2－4 电机转速的测量·························································································································· 11 §2－5 机械转矩和功率的测量············································································································ 15 第三章 电机实验所用设备、仪器及仪表····························································· 17 §3－1 电机综合实验台·························································································································· 17 §3－2 实验变压器及旋转电机············································································································ 23 §3－3 电机实验所用其它仪器及仪表······························································································ 26 第四章 电机教学实验··············································································································· 28 §4－1 认识实验········································································································································ 28 §4－2 三相变压器空载、短路及负载实验····················································································· 32 §4－3 三相变压器空载电势波形和联结组····················································································· 41 §4－4 三相同步发电机的运行特性··································································································· 46 §4－5 三相同步发电机的并网运行··································································································· 53 §4－6 三相异步电动机的工作特性··································································································· 58 §4－7 直流发电机··································································································································· 67
S4一5三相同步发电机的并网运行一、实验目的1：掌握三相同步发电机投入电网并联运行的条件与操作方法。2．掌握三相同步发电机并联运行后有功功率与无功功率的调节。二、预习要点1：同步发电机并联运行的条件有哪些？怎样满足这些条件？2，同步发电机并联运行时如何调节有功功率和无功功率的输出？试说明其物理过程。三、实验内容1：利用准整步旋灯法将同步发电机投入电网并联运行。2．研究三相同步发电机与电网并联运行时的有功功率和无功功率的调节，并测取1P时同步发电机的V形曲线。P=0及P=2四、实验线路及操作步骤1，按图4一11所示接线，注意三相接线严格按黄、绿、红加以区分，并尽量减少线路交叉。2．仪器仪表选择直流电动机一同步发电机组一套直流可调电源（WZTS—1）一台并网相序相位指示模块一块并网操作模块：一块直流电流表A，5A一块交流电流表A25A一块电网与发电机电压对比模块450V一块3.注意事项①本实验线路比较复杂，要注意文明接线。②将同步发电机投入电网并联运行时，要求将整步表和旋转指示灯配合使用，互相对证，以免出错。53
53 §4－5 三相同步发电机的并网运行 一、实验目的 １．掌握三相同步发电机投入电网并联运行的条件与操作方法。 ２．掌握三相同步发电机并联运行后有功功率与无功功率的调节。 二、预习要点 １．同步发电机并联运行的条件有哪些？怎样满足这些条件？ ２．同步发电机并联运行时如何调节有功功率和无功功率的输出？试说明其物理过 程。 三、实验内容 １．利用准整步旋灯法将同步发电机投入电网并联运行。 ２．研究三相同步发电机与电网并联运行时的有功功率和无功功率的调节，并测取 P2 = 0 及 P PN 2 1 2 = 时同步发电机的 V 形曲线。 四、实验线路及操作步骤 １．按图 4—11 所示接线，注意三相接线严格按黄、绿、红加以区分，并尽量减少线 路交叉。 ２．仪器仪表选择 直流电动机－同步发电机组 一套 直流可调电源（WZTS—1） 一台 并网相序相位指示模块 一块 并网操作模块 一块 直流电流表Ａ１ 5A 一块 交流电流表Ａ２ 5A 一块 电网与发电机电压对比模块 450V 一块 ３．注意事项 ①本实验线路比较复杂，要注意文明接线。 ②将同步发电机投入电网并联运行时，要求将整步表和旋转指示灯配合使用，互相 对证，以免出错
~380V3K2=0~240VLL2L3并网-K4O整步表K1dK5kzOa解列！OVWWH1,H2M插把插板K3Fi BiB2GS=060VF2A1-图4一11三相同步发电机的并联运行接线图③并联操作时一定要注意当灯光旋转及整步表指针旋转很慢，待不交叉的相灯熄灭，整步表指针指到同步标记处时果断合闸。做V形曲线时，发电机过励时电枢电流不要超过额定电流，发电机发出一定有功时欠励不可太多，以免引起失步或电枢电流超过额定电流值。③调节同步发电机有功功率时，应调节直流电动机电板回路的电压给定。③解列时应先调节发电机励磁到正常励磁电流Iro，再调节直流电动机电枢回路的电压给定电位器，使发电机的电枢电流I～0，即发电机发出的有功和无功功率接近于零时再切断并联刀闸K5。?有关同步指示器（三用表）的使用方法：MZ10型三用表是由电压表、频率表和整步表组合而成，其盘面如图4一12所示。其中电压表、频率表指示为发电机与系统电压、频率的差值，“十”表示发电机比系统电压或频率高，“一”表示发电机比系统电压或频率低。当电压、频率以及整步表S的指示与图示位置一致时，即可并网合闸。若整步表指针顺时针旋转，则表示同步发电机频率高于电网频率，应降低机组转速：反之，当整步表指针逆时针旋转，则表示发电机频率低于电网频率，应提高机组转速。指针旋转的速度反映了同步发电机与电网频率54
54 图 4－11 三相同步发电机的并联运行接线图 ③并联操作时一定要注意当灯光旋转及整步表指针旋转很慢，待不交叉的相灯熄灭， 整步表指针指到同步标记处时果断合闸。 ④做 V 形曲线时，发电机过励时电枢电流不要超过额定电流，发电机发出一定有功 时欠励不可太多，以免引起失步或电枢电流超过额定电流值。 ⑤调节同步发电机有功功率时，应调节直流电动机电枢回路的电压给定。 ⑥解列时应先调节发电机励磁到正常励磁电流Ｉf0，再调节直流电动机电枢回路的电 压给定电位器，使发电机的电枢电流Ｉ≈０，即发电机发出的有功和无功功率接近于零 时再切断并联刀闸 K５。 ⑦有关同步指示器（三用表）的使用方法： ＭＺ１０型三用表是由电压表、频率表和整步表组合而成，其盘面如图 4—12 所示。 其中电压表、频率表指示为发电机与系统电压、频率的差值，“十”表示发电机比系统电 压或频率高，“—”表示发电机比系统电压或频率低。当电压、频率以及整步表 S 的指示 与图示位置一致时，即可并网合闸。若整步表指针顺时针旋转，则表示同步发电机频率高 于电网频率，应降低机组转速；反之，当整步表指针逆时针旋转，则表示发电机频率低于 电网频率，应提高机组转速。指针旋转的速度反映了同步发电机与电网频率
VHz图4一12三用表盘面示意图之差的大小。如果发电机相序与电网接反，则指针转向所反映的情况与上述相反。这种情况下，即使指针指到同步标记处，而相灯指示并非合闸位置，说明相序不对，不能合闸。4：实验步骤①用准整步法投入电网并联运行步骤（按灯光旋转法）。a.起动电机，直流电动机的电源和同步发电机励磁回路的电源均由WZTS一1型微机直流调速装置供给。b.微机直流调速装置上的给定电位器和励磁自耦调压器的位置应在零位方可合闸。c.合闸后接入日光灯，缓慢调节给定电位器，启动直流电动机，使同步发电机接近同步转速。d.合励磁开关Ks，调节励磁自耦调压器，给同步发电机送入励磁电流I，并逐渐增加励磁电流至发电机端电压与电网电压相等。e因接线是按灯光旋转法，如发电机与电网相序相同，三相指示灯应依次亮灭，形成旋转灯光，如发现三相灯光交替同时发亮和同时熄灭，则说明发电机与电网相序不一致，应打开开关K2，将发电机任意两相互换，使相序一致。当发电机转速接近同步速，电压与电网电压相等或接近，各相灯光缓慢地轮流旋转发光，打开三用表开关k，和k2，等到不交叉相连的一相灯光熄灭，交叉相连的两相灯光亮度相同时（此时整步表指针指到同步标记处），立即合上开关Ks发电机即投入电网。并网后，应立即将三用表开关k，和k关闭。②调节直流电动机电枢电压给定电位器，增大直流电动机电枢电压，即增加三相同步发电机的输入转矩，由电流表A2观察发电机输出有功功率的变化。其后，恢复发电机有功功率输出为零。③测定同步发电机V形曲线55
55 图 4－12 三用表盘面示意图 之差的大小。如果发电机相序与电网接反，则指针转向所反映的情况与上述相反。这种情 况下，即使指针指到同步标记处，而相灯指示并非合闸位置，说明相序不对，不能合闸。 ４．实验步骤 ①用准整步法投入电网并联运行步骤(按灯光旋转法)。 a．起动电机，直流电动机的电源和同步发电机励磁回路的电源均由 WZTS－1 型微机 直流调速装置供给。 b．微机直流调速装置上的给定电位器和励磁自耦调压器的位置应在零位方可合闸。 c．合闸后接入日光灯，缓慢调节给定电位器，启动直流电动机，使同步发电机接近 同步转速。 d．合励磁开关 K3，调节励磁自耦调压器，给同步发电机送入励磁电流Ｉf，并逐渐增 加励磁电流至发电机端电压与电网电压相等。 e．因接线是按灯光旋转法，如发电机与电网相序相同，三相指示灯应依次亮灭，形 成旋转灯光，如发现三相灯光交替同时发亮和同时熄灭，则说明发电机与电网相序不一 致，应打开开关 K２，将发电机任意两相互换，使相序—致。当发电机转速接近同步速， 电压与电网电压相等或接近，各相灯光缓慢地轮流旋转发光，打开三用表开关 k1 和 k2， 等到不交叉相连的一相灯光熄灭，交叉相连的两相灯光亮度相同时(此时整步表指针指到 同步标记处)，立即合上开关 K５发电机即投入电网。并网后，应立即将三用表开关 k1 和 k2 关闭。 ②调节直流电动机电枢电压给定电位器，增大直流电动机电枢电压，即增加三相同 步发电机的输入转矩，由电流表Ａ２观察发电机输出有功功率的变化。其后，恢复发电机 有功功率输出为零。 ③测定同步发电机 V 形曲线
a.测P,=0时的V形曲线保持同步发电机的输出功率P，～0，先增加励磁电流Ir，使电枢电流上升至In，记下此点励磁电流和电枢电流，然后逐次减少励磁电流I，使电枢电流减小到最小值（注意记下此点数据），此后继续减少励磁电流Ir，电枢电流又将增加，直到I二0时为止，在过励和欠励情况下各测取三相电枢电流和励磁电流5～7组数据。1b.测P=P时的V形曲线2将同步发电机的励磁电流调到正常励磁电流I，电枢电流I=0时，调节给定电位器，增大直流电动机电枢电压，即增加三相同步发电机的输入转矩，直到发电机电枢电流为额定电流一半时，增加发电机的励磁，使电枢电流上升到额定，然后减少励磁，使电枢电流达到最小值，再减少励磁，使电板电流上升，注意减小同步发电机的励磁电流时，不可欠励太多，以防电机失步，如果失步，应立即增加励磁电流，以便牵入同步，同时应注意电枢电流不要超过额定值。在过励和欠励情况下各测取三相电枢电流和励磁电流5～7组数据。解列调节发电机的励磁电流I一Ito，再调节给定电位器使电枢电流I=0，此时按下解列按钮，解列后，将励磁调节和给定电位器调至零位，停机断电。5．实验记录Vr/minU=U=n=nx=P2= 0P2=1/2PN序号L(A)Ie（A）I(A)I(A)LA(A)I(A)Ie(A)I(A)I（A)Is（A)12345678表中：=( +I+ Ic)S五、实验报告要求56
56 a．测 P2 = 0 时的 V 形曲线 保持同步发电机的输出功率Ｐ２≈０，先增加励磁电流 If，使电枢电流上升至ＩＮ， 记下此点励磁电流和电枢电流，然后逐次减少励磁电流 If，使电枢电流减小到最小值， （注意记下此点数据），此后继续减少励磁电流 If，电枢电流又将增加，直到 If＝０时为 止，在过励和欠励情况下各测取三相电枢电流和励磁电流５～７组数据。 b．测 P PN 2 1 2 = 时的 V 形曲线 将同步发电机的励磁电流调到正常励磁电流Ｉf0,电枢电流Ｉ＝０时，调节给定电位 器，增大直流电动机电枢电压，即增加三相同步发电机的输入转矩，直到发电机电枢电流 为额定电流一半时，增加发电机的励磁，使电枢电流上升到额定，然后减少励磁，使电枢 电流达到最小值，再减少励磁，使电枢电流上升，注意减小同步发电机的励磁电流时，不 可欠励太多，以防电机失步，如果失步，应立即增加励磁电流，以便牵入同步，同时应注 意电枢电流不要超过额定值。在过励和欠励情况下各测取三相电枢电流和励磁电流５～ ７组数据。 ④解列 调节发电机的励磁电流 If＝Ｉf0，再调节给定电位器使电枢电流Ｉ＝０，此时按下解 列按钮，解列后，将励磁调节和给定电位器调至零位，停机断电。 ５．实验记录 n＝nN＝ r/min U＝UN＝ Ｖ 序号 Ｐ２＝０ Ｐ２＝1/2ＰＮ IA（A） IB（A） IC（A） I（A） If（A） IA（A） IB（A） IC（A） I（A） If（A） 1 2 3 4 5 6 7 8 表中： ( ) 3 1 A B C I = I + I + I 五、实验报告要求
1，讨论同步发电机调节有功功率和无功功率的方法。2，画出P，～0及P21/2P时同步发电机的V形曲线，并对V形曲线进行解释说明。六、思考题1：同步发电机和电网并联的条件是什么？如何检查是否满足这些条件？2。旋转灯光和暗灯法怎样接线？两种方法各如何判断相序是否正确，何时并网？如果按旋转法接线而结果灯光是同时明亮和熄灭，这说明什么问题？能否合闸并网？3。本实验中，如何调节同步发电机的有功功率和无功功率的输出？在调节无功功率时，为什么有功功率会随之有些变化？4．利用灯光旋转法能否判断发电机的频率比电网的频率高还是低？57
57 １．讨论同步发电机调节有功功率和无功功率的方法。 ２．画出Ｐ２≈０及Ｐ２≈1/2ＰＮ时同步发电机的Ｖ形曲线，并对Ｖ形曲线进行解释 说明。 六、思考题 １．同步发电机和电网并联的条件是什么？如何检查是否满足这些条件? ２．旋转灯光和暗灯法怎样接线？两种方法各如何判断相序是否正确，何时并网？ 如果按旋转法接线而结果灯光是同时明亮和熄灭，这说明什么问题？能否合闸并网? ３．本实验中，如何调节同步发电机的有功功率和无功功率的输出？在调节无功功 率时，为什么有功功率会随之有些变化? ４．利用灯光旋转法能否判断发电机的频率比电网的频率高还是低?
S4一6三相异步电动机的工作特性一、实验目的掌握三相异步电动机参数、损耗及工作特性的测量方法。二、预习要点1作异步电动机的空载、堵转实验应注意哪些事项？2．如何用空载、堵转实验数据求参数及损耗？3，学习有关转矩的测量方法。4，测取工作特性时应保持那些量不变？测量哪些数据？三、实验内容1：测定异步电动机定子绕组的极性。2．测量异步电动机定子绕组冷态电阻。3。作空载、堵转实验。4，作负载实验。四、实验线路及操作步骤1.测定异步电动机定子绕组极性①先用万用表测出各相绕组的两个出线端，然后假设出线端的标号，并接成Y形。②在一相绕组上经调压器加一低电压，并且监视绕组内电流不超过额定值。测量电压Uax、UB、UAC、UnC③对所测结果进行分析：a.UB=Uac>Ux，Unc=O则说明三相极性正确。b.若Ua>Uax>Uac，Uc≠O，应将C相绕组两个端点对调。C.若Uc>Ux>UB，UBc≠O，应将B相绕组两个端点对调。d.若Uxc=UBc<Uax，Uc一O，应将A相绕组两个端点对调。注意：若为绕线转子异步电机，测定极性时转子绕组应开路。2.测量定子每相绕组冷态电阻用双臂电桥测出定子三相绕组每相的电阻并记下室温，记录如下：Qra =.QIB =-58
58 §4－6 三相异步电动机的工作特性 一、实验目的 掌握三相异步电动机参数、损耗及工作特性的测量方法。 二、预习要点 １．作异步电动机的空载、堵转实验应注意哪些事项？ ２．如何用空载、堵转实验数据求参数及损耗？ ３．学习有关转矩的测量方法。 ４．测取工作特性时应保持那些量不变？测量哪些数据？ 三、实验内容 １．测定异步电动机定子绕组的极性。 ２．测量异步电动机定子绕组冷态电阻。 ３．作空载、堵转实验。 ４．作负载实验。 四、实验线路及操作步骤 １．测定异步电动机定子绕组极性 ①先用万用表测出各相绕组的两个出线端，然后假设出线端的标号，并接成 Y 形。 ②在一相绕组上经调压器加一低电压，并且监视绕组内电流不超过额定值。测量电 压ＵAX、ＵAB、ＵAC、ＵBC。 ③对所测结果进行分析： a．ＵAB＝ＵAC＞ＵAX，ＵBC＝0 则说明三相极性正确。 b．若ＵAB＞ＵAX＞ＵAC，ＵBC≠0，应将 C 相绕组两个端点对调。 c．若ＵAC＞ＵAX＞ＵAB，ＵBC≠0，应将 B 相绕组两个端点对调。 d．若ＵAC＝ＵBC＜ＵAX，ＵBC＝0，应将 A 相绕组两个端点对调。 注意：若为绕线转子异步电机，测定极性时转子绕组应开路。 ２．测量定子每相绕组冷态电阻 用双臂电桥测出定子三相绕组每相的电阻并记下室温，记录如下： rA = Ω rB = Ω
Qrc =0=℃3．空载实验①空载实验按图4一13所示接线。插板K调oyroOM压~380V0iyr3~器插把（W）图4一13三相异步电动机空载、堵转实验接线图②仪器仪表选择笼形异步电动机一直流测功机组一套600V一块交流电压表V一块交流电流表A5A低功率因数瓦特表W150/600V5/10AC0sΦ=0.2选用600V/10A量程呈一块三相调压器（DY04）输出电压为0～430V可调节一台③注意事项a.由于异步电动机采用的是三角形接线，没有中性点。因此功率采用两瓦法测量。b.由于异步电动机最初起动电流很大，因此，电动机起动时电流表不能接入，即插把不能插入插板。电动机起动完毕后才可将插把插入插板进行测量。④实验步骤a.确认三相调压器输出电压为零，闭合开关K，然后逐渐升高电压，起动电动机。保持电动机在额定电压下空载运行数分钟，待机械摩擦稳定后再进行实验。b.调节外施电压，使UAB=1.2UN，逐渐降低电压直到定子电流开始回升为止，每次测量空载电压、空载电流、空载功率，共读取7～9组数据，注意在额定电压附近多测59
59 rC = Ω = ℃ ３．空载实验 ①空载实验按图 4—13 所示接线。 图 4－13 三相异步电动机空载、堵转实验接线图 ②仪器仪表选择 笼形异步电动机－直流测功机组 一套 交流电压表Ｖ 600V 一块 交流电流表Ａ 5A 一块 低功率因数瓦特表Ｗ 150/600V 5/10A cosφ=0.2 选用 600V/10A 量程 一块 三相调压器（DY04） 输出电压为 0～430V 可调节 一台 ③注意事项 a．由于异步电动机采用的是三角形接线，没有中性点。因此功率采用两瓦法测量。 b．由于异步电动机最初起动电流很大，因此，电动机起动时电流表不能接入，即插 把不能插入插板。电动机起动完毕后才可将插把插入插板进行测量。 ④实验步骤 a．确认三相调压器输出电压为零，闭合开关 K，然后逐渐升高电压，起动电动机。 保持电动机在额定电压下空载运行数分钟，待机械摩擦稳定后再进行实验。 b．调节外施电压，使 U AB 2UN = 1. ，逐渐降低电压直到定子电流开始回升为止，每 次测量空载电压、空载电流、空载功率，共读取 7～9 组数据，注意在额定电压附近多测
几组数据，且额定电压点的数据必须测出。③实验记录电电流压(V)(A)功率序(W)号UABUoUcUcxIAIsIcIoPoiPo2Po123456789表中：U。=(UAB+UBC +Uc)41-(1I=+I+Ic)3/3P。 = Poi ± Po24：堵转实验①堵转实验与空载实验接线相同，仍按图4一13所示接线，但转子须由机组上的螺栓固定堵住。②仪器仪表选择笼形异步电动机一直流测功机组同上一块交流电压表V150V一块交流电流表A10A普通功率因数瓦特表W150/600V5/10A选用150V/10A量程一块cosΦ=1同上三相调压器（DYO4）③注意事项a.先检查电动机转动方向，拧紧堵转螺栓堵住转子。b三相调压器输出电压必须调至零位，方可合闸。c.堵转实验动作要迅速，因为此时电机不转，散热条件差，定子绕组可能过热。60
60 几组数据，且额定电压点的数据必须测出。 ⑤实验记录 序 号 电 压 （Ｖ） 电 流 （Ａ） 功 率 （Ｗ） UAB UBC UCA U0 IA IB IC I0 P01 P02 P0 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ 表中： ( ) 3 1 U0 = U AB +UBC +UCA ( ) 3 3 1 0 A B C I = I + I + I P0 = P01 P02 ４．堵转实验 ①堵转实验与空载实验接线相同，仍按图４—１３所示接线，但转子须由机组上的 螺栓固定堵住。 ②仪器仪表选择 笼形异步电动机－直流测功机组 同上 交流电压表Ｖ 150V 一块 交流电流表Ａ 10A 一块 普通功率因数瓦特表Ｗ 150/600V 5/10A cosφ=１ 选用 150V/10A 量程 一块 三相调压器（DY04） 同上 ③注意事项 a．先检查电动机转动方向，拧紧堵转螺栓堵住转子。 b．三相调压器输出电压必须调至零位，方可合闸。 c．堵转实验动作要迅速，因为此时电机不转，散热条件差，定子绕组可能过热