四川大学电气信息学院

实验报告

课    程  电力系统自动装置原理

实验名称  同步发电机并车实验、同步发电机励磁控制实验

专业班级  电气工程及其自动化09级 

学生姓名         

学    号        

同步发电机并车实验

一、实验目的

1．加深理解同步发电机准同期并列原理，掌握准同期并列条件；

2．掌握微机准同期控制器及模拟式综合整步表的使用方法；

3．熟悉同步发电机准同期并列过程；

4．观察、分析有关波形。

二、原理与说明

将同步发电机并入电力系统的合闸操作通常采用准同期并列方式。准同期并列要求在合闸前通过调整待并机组的电压和转速，当满足电压幅值和频率条件后，根据“恒定越前时间原理”，由运行操作人员手动或由准同期控制器自动选择合适时机发出合闸命令，这种并列操作的合闸冲击电流一般很小，并且机组投入电力系统后能被迅速拉入同步。根据并列操作的自动化程度不同，又分为手动准同期、半自动准同期和全自动准同期三种方式。

正弦整步电压是不同频率的两正弦电压之差，其幅值作周期性的正弦规律变化。它能反映两个待并系统间的同步情况，如频率差、相角差以及电压幅值差。线性整步电压反映的是不同频率的两方波电压间相角差的变化规律，其波形为三角波。它能反映两个待并系统间的频率差和相角差，并且不受电压幅值差的影响，因此得到广泛应用。

手动准同期并列，应在正弦整步电压的最低点(同相点)时合闸，考虑到断路器的固有合闸时间，实际发出合闸命令的时刻应提前一个相应的时间或角度。

自动准同期并列，通常采用恒定越前时间原理工作，这个越前时间可按断路器的合闸时间整定。准同期控制器根据给定的允许压差和允许频差，不断地检查准同期条件是否满足，在不满足要求时闭锁合闸并且发出均压均频控制脉冲。当所有条件均满足时，在整定的越前时刻送出合闸脉冲。

三、实验项目和方法

（一）机组启动与建压

1．检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置，如不在则应调到0位置；

2．合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。调速器面板上数码管在并网前显示发电机转速（左）和控制量（右），在并网后显示控制量（左）和功率角（右）。调速器上“并网”灯和“微机故障”灯均为熄灭状态，“输出零”灯亮；

3．按调速器上的“微机方式自动/手动”按钮使“微机自动”灯亮；

4．励磁调节器选择它励、恒UF运行方式，合上励磁开关；

5．把实验台上“同期方式”开关置“断开”位置；

6．合上系统电压开关和线路开关QF₁，QF₃，检查系统电压接近额定值380V；

7．合上原动机开关，按“停机/开机”按钮使“开机”灯亮，调速器将自动启动电动机到额定转速；

       8．当机组转速升到95%以上时，微机励磁调节器自动将发电机电压建压到与系统电压相等。

（二）观察与分析

1．操作调速器上的增速或减速按钮调整机组转速，记录微机准同期控制器显示的发电机和系统频率。观察并记录旋转灯光整步表上灯光旋转方向及旋转速度与频差方向及频差大小的对应关系；观察并记录不同频差方向，不同频差大小时的模拟式整步表的指针旋转方向及旋转速度、频率平衡表指针的偏转方向及偏转角度的大小的对应关系；

2．操作励磁调节器上的增磁或减磁按钮调节发电机端电压，观察并记录不同电压差方向、不同电压差大小时的模拟式电压平衡表指针的偏转方向和偏转角度的大小的对应关系；

3．调节转速和电压，观察并记录微机准同期控制器的频差闭锁、压差闭锁、相差闭锁灯亮熄规律；

4．将示波器跨接在“发电机电压”测孔与“系统电压”测孔间，观察正弦整步电压（即脉动电压）波形，观察并记录整步表旋转速度与正弦整步电压的周期的关系；观察并记录电压幅值差大小与正弦整步电压最小幅值间的关系；观察并记录正弦整步电压幅值达到最小值得时刻所对应的整步表指针位置和灯光位置；

         

图1 正弦整步电压波形                                图2 三角波波形

5．用示波器跨接到“三角波”测孔与“参考地”测孔之间，观察线性整步电压（即三角波）的波形，观察并记录整步表旋转速度与线性整步电压的周期的关系；观察并记录电压幅值差大小与线性整步电压最小幅值间的关系；观察并记录线性整步电压幅值达到最小值得时刻所对应的整步表指针位置和灯光位置。

         

图3 灯光位置和脉冲宽度对比a                   图4 灯光位置和脉冲宽度对比b

（三）手动准同期

1．按准同期并列条件合闸

       将“同期方式”转换开关置“手动”位置。在这种情况下，要满足并列条件，需要手动调节发电机电压、频率，直至电压差、频差在允许范围内，相角差在零度前某一合适位置时，手动操作合闸按钮进行合闸。

观察微机准同期控制器上显示的发电机电压和系统电压，相应操作微机励磁调节器上的增磁或减磁按钮进行调压，直至 “压差闭锁”灯熄灭。

观察微机准同期控制器上显示的发电机频率和系统频率，相应操作微机调速器上的增速或减速按钮进行调速，直至 “频差闭锁”灯熄灭。

此时表示压差、频差均满足条件，观察整步表上旋转灯位置，当旋转至0º 位置前某一合适时刻时，即可合闸。观察并记录合闸时的冲击电流。

2．偏离准同期并列条件合闸

本实验项目仅限于实验室进行，不得在电厂机组上使用！！！

实验分别在单独一种并列条件不满足的情况下合闸，记录功率表冲击情况：

（1）电压差相角差条件满足，频率差不满足，在f_F>f_X和f_F<f_X   时手动合闸，观察并记录实验台上有功功率表P和无功功率表Q指针偏转方向及偏转角度大小，分别填入表1；注意：频率差不要大于0.5HZ。

（2）频率差相角差条件满足，电压差不满足，V_F>V_X和V_F<V_X时手动合闸，观察并记录实验台上有功功率表P和无功功率表Q指针偏转方向及偏转角度大小，分别填入表1；注意：电压差不要大于额定电压的10%。

（3）频率差电压差条件满足，相角差不满足，顺时针旋转和逆时针旋转时手动合闸，观察并记录实验台上有功功率表P和无功功率表Q指针偏转方向及偏转角度大小，分别填入表1-1。注意：相角差不要大于30度。

注：有功功率P和无功功率Q也可以通过微机励磁调节器的显示观察。

表1-1

（四）半自动准同期

将“同期方式”转换开关置“半自动”位置，按下准同期控制器上的“同期”按钮即向准同期控制器发出同期并列命令，此时，同期命令指示灯亮，微机正常灯闪烁加快。准同期控制器将给出相应操作指示信息，运行人员可以按这个指示进行相应操作。调速调压方法同手动准同期。

当压差、频差条件满足时，整步表上旋转灯光旋转至接近0º 位置时，整步表圆盘中心灯亮，表示全部条件满足，准同期控制器会自动发出合闸命令，“合闸出口”灯亮，随后DL灯亮，表示已经合闸。同期命令指示灯熄，微机正常灯恢复正常闪烁，进入待命状态。

（五）全自动准同期

将“同期方式”转换开关置“全自动”位置；按下准同期控制器的“同期”按钮，同期命令指示灯亮，微机正常灯闪烁加快，此时，微机准同期控制器将自动进行均压、均频控制并检测合闸条件，一旦合闸条件满足即发出合闸命令。

在全自动过程中，观察当“升速”或“降速”命令指示灯亮时，调速器上有什么反应；当“升压”或“降压”命令指示灯亮时，微机励磁调节器上有什么反应。当一次合闸过程完毕，控制器会自动解除合闸命令，避免二次合闸；此时同期命令指示灯熄，微机正常灯恢复正常闪烁。

（六）停机

当同步发电机与系统解列之后，按调速器的“停机/开机”按钮使“停机”灯亮，即可自动停机，当机组转速降到85%以下时，微机励磁调节器自动逆变灭磁。待机组停稳后断开原动机开关，跳开励磁开关以及线路和无穷大电源开关。

切断操作电源开关。

四、实验报告

1．合闸冲击电流的大小与哪些因素有关？

答：1）电压幅值影响，冲击电流主要为无功分量；

2）合闸相角差的影响，该值较小时，冲击电流主要是有功分量

3）频率不相等时，如果合闸时间不恰当，可能在较大相角差时合闸，引起较大冲击电流；如果合闸信号时间恰当，可能在两电压重合的时间合闸，从而使冲击电流等于零。

2．正弦整步电压波形的变化规律？

答：由图1可以看出，正弦整步电压波形的包络是正弦型的，即和之差幅值是的包络是正弦变化。

3．滑差频率fs，开关时间tyq  的整定原则？

  答：最大允许滑差角频率其中决定于发电机的允许冲击电流最大值，、分别是断路器动作误差时间、自动装置动作误差时间。fs可以由此求出。越前时间，自动装置合闸信号输出回路的动作时间，是并列断路器合闸时间。

五、思考题

1．相序不对(如系统侧相序为A、B、C、为发电机侧相序为A、C、B)，能否并列？为什么？

答：不能并列。相序不同相当于短路，会形成很大的环流，进而损坏设备

2．电压互感器的极性如果有一侧(系统侧或发电机侧)接反，会有何结果？

答：会使得和相角相差180°，如果仍以相同条件进行同期合闸，合闸时候的压差是最大的，合闸将引起很大的冲击电流。

3．准同期并列与自同期并列，在本质上有何差别？如果在这套机组上实验自同期并列，应如何操作？

答：本质区别是 是否检测同期。自同期是系统将电机拉入同步，因此不需检测同期。准同期是发电机与电网相序相同、电压相等、频率相等、相位相同才能合闸。

4．当两侧频率几乎相等，电压差也在允许范围内，但合闸命令迟迟不能发出，这是一种什么现象？应采取什么措施解决？

答：这是存在合闸相角差的现象，应该采取恒定越前相角或者恒定越前时间方法进行合闸操作。

同步发电机励磁控制实验

一、实验目的

1．加深理解同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统的基本任务；

2．了解自并励励磁方式和它励励磁方式的特点；

3．熟悉三相全控桥整流、逆变的工作波形；观察触发脉冲及其相位移动；

4．了解微机励磁调节器的基本控制方式；

5．了解电力系统稳定器的作用；观察强励现象及其对稳定的影响；

6．了解几种常用励磁限制器的作用；

7．掌握励磁调节器的基本使用方法。

二、原理与说明

同步发电机的励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，它们和同步发电机结合在一起就构成一个闭环反馈控制系统，称为励磁控制系统。励磁控制系统的三大基本任务是：稳定电压，合理分配无功功率和提高电力系统稳定性。

实验用的励磁控制系统示意图如图1所示。可供选择的励磁方式有两种：自并励和它励。当三相全控桥的交流励磁电源取自发电机机端时，构成自并励励磁系统。而当交流励磁电源取自380V市电时，构成它励励磁系统。两种励磁方式的可控整流桥均是由微机自动励磁调节器控制的，触发脉冲为双脉冲，具有最大最小α角限制。

微机励磁调节器的控制方式有四种：恒U_F（保持机端电压稳定）、恒I_L（保持励磁电流稳定）、恒Q（保持发电机输出无功功率稳定）和恒α（保持控制角稳定）。其中，恒α方式是一种开环控制方式，只限于它励方式下使用。

同步发电机并入电力系统之前，励磁调节装置能维持机端电压在给定水平。当操作励磁调节器的增减磁按钮，可以升高或降低发电机电压；当发电机并网运行时，操作励磁调节器的增减磁按钮，可以增加或减少发电机的无功输出，其机端电压按调差特性曲线变化。

发电机正常运行时，三相全控桥处于整流状态，控制角α小于90°；当正常停机或事故停机时，调节器使控制角α大于90°，实现逆变灭磁。

电力系统稳定器――PSS是提高电力系统动态稳定性能的经济有效方法之一，已成为励磁调节器的基本配置；励磁系统的强励，有助于提高电力系统暂态稳定性；励磁限制器是保障励磁系统安全可靠运行的重要环节，常见的励磁限制器有过励限制器、欠励限制器等。

三、实验项目和方法

（一）不同α角（控制角）对应的励磁电压波形观测

（1）合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄；

（2）励磁系统选择它励励磁方式：操作 “励磁方式开关”切到“微机它励”方式，调节器面板“它励”指示灯亮；

（3）励磁调节器选择恒α运行方式：操作调节器面板上的“恒α”按钮选择为恒α方式，面板上的“恒α”指示灯亮；

（4）合上励磁开关，合上原动机开关；

（5）在不启动机组的状态下，松开微机励磁调节器的灭磁按钮，操作增磁按钮或减磁按钮即可逐渐减小或增加控制角α，从而改变三相全控桥的电压输出及其波形。

注意：微机自动励磁调节器上的增减磁按钮键只持续5秒内有效，过了5秒后如还需要调节，则松开按钮，重新按下。

实验时，调节励磁电流为表1规定的若干值，记下对应的α角（调节器对应的显示参数为“CC”），同时通过接在Ud+、Ud-之间的示波器观测全控桥输出电压波形，并由电压波形估算出α角，另外利用数字万用表测出电压Ufd和U_AC，将以上数据记入下表，通过Ufd，U_AC和数学公式也可计算出一个α角来；完成此表后，比较三种途径得出的α角有无不同，分析其原因。

表1

（6）调节控制角大于90度但小于120度，观察全控桥输出电压波形，与课本所画波形有何不同？为什么？

（7）调节控制角大于120度，观察全控桥输出电压波形，与课本所画波形有何不同？为什么？

        

图1  探头为未衰减观察的波形                图6  α=97.3°，励磁电流为零 Ud 波形

         

图3  α=84.1°Ud波形                              图4  α=75.9°Ud波形

         

图5  触发角64.1度Ud波形图                             图6  三角波

四、实验报告

由图1到图6几个相关波形，可以得出触发角越小平均电压Ud越大，从而得到更大的励磁电流。理论上触发角时处于逆变状态，实际观察到触发角为97°时电路输出平均电压为零，而且正负半周波形不对称，这可能跟励磁绕组的阻感性质有关。

开始用示波器观察波形时，出现如图1的情况，明显已经超出了测量范围，经过调整探头衰减比例，成功观察到Ud波形如图2所示。

五、思考题

1．三相可控桥对触发脉冲有什么要求？

答： 六个晶闸管的触发脉冲按顺序，依次相差60°；共阴极组的脉冲依次差120°，共阳极组也依次相差120°；同一相的上下两个桥臂脉冲相差180°。

 

第二篇：自动装置实验报告

 

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电力系统自动装置实验报告

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专业 电气工程及其自动化

同步发电机并车实验

一、        实验目的

1、          加深理解同步发电机准同期并列原理，掌握准同期并列条件；

2、          熟悉同步发电机准同期并列过程；

3、          观察、分析有关波形。

二、        原理与说明

将同步发电机并入电力系统的合闸操作通常采用准同期并列方式。准同期并列要求在合闸前通过调整待并机组的电压和转速，当满足电压幅值和频率条件后，根据“恒定越前时间原理”，由运行操作人员手动或由准同期控制器自动选择合适时机发出合闸命令，这种并列操作的合闸冲击电流一般很小，并且机组投入电力系统后能被迅速拉入同步。根据并列操作的自动化程度不同，又分为手动准同期、半自动准同期和全自动准同期三种方式。

正弦整步电压是不同频率的两正弦电压之差，其幅值作周期性的正弦规律变化。它能反映两个待并系统间的同步情况，如频率差、相角差以及电压幅值差。线性整步电压反映的是不同频率的两方波电压间相角差的变化规律，其波形为三角波。它能反映两个待并系统间的频率差和相角差，并且不受电压幅值差的影响，因此得到广泛应用。

手动准同期并列，应在正弦整步电压的最低点(同相点)时合闸，考虑到断路器的固有合闸时间，实际发出合闸命令的时刻应提前一个相应的时间或角度。

自动准同期并列，通常采用恒定越前时间原理工作，这个越前时间可按断路器的合闸时间整定。准同期控制器根据给定的允许压差和允许频差，不断地检查准同期条件是否满足，在不满足要求时闭锁合闸并且发出均压均频控制脉冲。当所有条件均满足时，在整定的越前时刻送出合闸脉冲。

三、        实验项目、方法及过程

(一)  机组启动与建压

1、          检查调速器上“模拟调节”电位器指针是否指在0位置，如不在则应调到0位置；

2、          合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄。调速器面板上数码管在并网前显示发电机转速（左）和控制量（右），在并网后显示控制量（左）和功率角（右）。调速器上“并网”灯和“微机故障”灯均为熄灭状态，“输出零”灯亮；

3、          按调速器上的“微机方式自动/手动”按钮使“微机自动”灯亮；

4、          励磁调节器选择它励、恒UF运行方式，合上励磁开关；

5、          把实验台上“同期方式”开关置“断开”位置；

6、          合上系统电压开关和线路开关QF1，QF3，检查系统电压接近额定值380V；

7、          合上原动机开关，按“停机/开机”按钮使“开机”灯亮，调速器将自动启动电动机到额定转速；

8、          当机组转速升到95%以上时，微机励磁调节器自动将发电机电压建压到与系统电压相等。

(二)  观察与分析整步电压，方波信号，三角波信号的波形

正弦整步电压

脉宽比方波信号

三角波线性整步电压信号

四．实验分析

1. 比较手动准同期和自动准同期的调整并列过程。

 手动准同期并列过程是通过人观察旋转灯的旋转来判断发电机和电网是否满足并车条件，并通过调节发电机的转速及励磁使之满足，然后确定合闸发信装置发出合闸信号的时机。而自动准过同期的调整并列过程是通过自动装置来完成并车条件的判断和对发电机的调节。

2．分析合闸冲击电流的大小与哪些因素有关。

  合闸冲击电流产生的根本原因是由于合闸时并列点两侧的电压的瞬时值不等。因此影响合闸冲击电流大小的因素有：①并列点两侧电压幅值；②合闸时并列点两侧打压的电压差；③合闸点两侧电压频率差。

3．分析正弦整步电压波形的变化规律。

正弦整步电压是并列点两侧电压差按滑差角频率周期性变化的正弦包络线。其幅值是并列点两侧电压幅值之和，角频率是两侧电压角频率之差。

4．滑差频率f_s，开关时间t_yq  的整定原则？

滑差频率是根据并列所允许的最大冲击电流和发合闸信号所采用的恒定越前量来整定的。即：，开关时间，其中t_c为自动装置合闸信号输出回路的动作时间，t_QF是并列断路器合闸动作时间。

五．思考题回答

1．相序不对(如系统侧相序为A、B、C、为发电机侧相序为A、C、B)，能否并列？为什么？

不能并列，因为相序不对时，并列点三相中至多只有一相保证相位相同，而其余两相存在着较大的相位差，并列时会产生较大的冲击电流。

2．电压互感器的极性如果有一侧(系统侧或发电机侧)接反，会有何结果？

在使用自动准同期并列装置时，如果电压互感器的极性如果有一侧接反，根据自动准同期装置要在变压器二次侧电压差不多同相位时才会合闸，此时并列点两侧电压的实际相位差是接近180°，故在并列时会产生很大的冲击电流而使发电机损坏。

3．准同期并列与自同期并列，在本质上有何差别？如果在这套机组上实验自同期并列，应如何操作？

准同期与自同期并列的本质差别是准同期需要检测同期条件，而自同期不需要。

首先要将励磁开关关掉，将发电机转速调至同步转速附近，然后将发电机与电网并列，最后给发电机加励磁。

4．频率差变化或电压差变化时，正弦整步电压的变化规律如何？

  频率差变化时，正弦整步电压的滑差频率将变化。电压差变化时，正弦整步电压的幅值变化。

5．当两侧频率几乎相等，电压差也在允许范围内，但合闸命令迟迟不能发出，这是一种什么现象？应采取什么措施解决？

  这是存在合闸相角差的现象，其原因是由于滑差角频率很小，滑差周期时间很大，两侧电压的相角差到达允许范围用时较长。可以通过对发电机频率进行微调，稍微加大滑差角频率来解决。

六．实验结论

本实验用的是自动准同期合闸装置，装置主要有输入单元、CPU单元、输出单元、显示单元、电源单元组成。装置的输入时来自发电机和系统两侧的电压，两个电压经装置做差运算得到正弦整步电压，正弦整步电压是一个正弦的包络信号，他包含了准同期并列装置所需检测的信息，如压差，频差，相角差等。但在利用正弦整步电压判定并列点两侧电压的相位差时需要考虑电压差的影响，为排除此影响根据每个基波周期的脉宽比脉冲，利用时域积分得到了较易判定合闸条件的线性三角波整步电压。

同步发电机励磁实验

一、    实验目的

1.加深理解同步发电机励磁调节原理和励磁控制系统的基本任务；

2.了解自并励励磁方式和它励励磁方式的特点；

3.熟悉三相全控桥整流、逆变的工作波形；观察触发脉冲及其相位移动；

4.了解微机励磁调节器的基本控制方式；

5.了解电力系统稳定器的作用；观察强励现象及其对稳定的影响；

6.了解几种常用励磁限制器的作用；

7.掌握励磁调节器的基本使用方法。

二、    原理与说明

同步发电机的励磁系统由励磁功率单元和励磁调节器两部分组成，它们和同步发电机结合在一起就构成一个闭环反馈控制系统，称为励磁控制系统。励磁控制系统的三大基本任务是：稳定电压，合理分配无功功率和提高电力系统稳定性。

实验用的励磁控制系统示意图如图1所示。可供选择的励磁方式有两种：自并励和它励。当三相全控桥的交流励磁电源取自发电机机端时，构成自并励励磁系统。而当交流励磁电源取自380V市电时，构成它励励磁系统。两种励磁方式的可控整流桥均是由微机自动励磁调节器控制的，触发脉冲为双脉冲，具有最大最小α角限制。

微机励磁调节器的控制方式有四种：恒UF（保持机端电压稳定）、恒IL（保持励磁电流稳定）、恒Q（保持发电机输出无功功率稳定）和恒α（保持控制角稳定）。其中，恒α方式是一种开环控制方式，只限于它励方式下使用。

同步发电机并入电力系统之前，励磁调节装置能维持机端电压在给定水平。当操作励磁调节器的增减磁按钮，可以升高或降低发电机电压；当发电机并网运行时，操作励磁调节器的增减磁按钮，可以增加或减少发电机的无功输出，其机端电压按调差特性曲线变化。

发电机正常运行时，三相全控桥处于整流状态，控制角α小于90°；当正常停机或事故停机时，调节器使控制角α大于90°，实现逆变灭磁。

电力系统稳定器——PSS是提高电力系统动态稳定性能的经济有效方法之一，已成为励磁调节器的基本配置；励磁系统的强励，有助于提高电力系统暂态稳定性；励磁限制器是保障励磁系统安全可靠运行的重要环节，常见的励磁限制器有过励限制器、欠励限制器等。

三、    实验项目及方法

不同α角（控制角）对应的励磁电压波形观测

1、          合上操作电源开关，检查实验台上各开关状态：各开关信号灯应绿灯亮、红灯熄；

2、          励磁系统选择它励励磁方式：操作“励磁方式开关”切到“微机它励”方式，调节器面板“它励”指示灯亮；

3、          励磁调节器选择恒α运行方式：操作调节器面板上的“恒α”按钮选择为恒α方式，面板上的“恒α”指示灯亮；

4、          合上励磁开关，合上原动机开关；

5、          在不启动机组的状态下，松开微机励磁调节器的灭磁按钮，操作增磁按钮或减磁按钮即可逐渐减小或增加控制角α，从而改变三相全控桥的电压输出及其波形。

四、    实验波形

α为 120度时的输出波形

α为 90度时的输出波形

α为 60度时的输出波形

五、    思考题

1．三相可控桥对触发脉冲有什么要求？

六个晶闸管按顺序依次相隔60度触发，共阴极或共阳极的晶闸管依次相隔120度触发，同一相两极相隔180度触发。

六、       实验结论

整流装置中，触发角α对整流输出波形起着决定性的作用，随着α角的不断改变，输出波形也不断的改变。0°<α﹤90°时，处于整流工作状态，改变α角，可以调节发电机励磁电流; 在90°<α< 180°时，电路处于逆变工作状态，可以实现对发电机的自动灭磁。。