交流同步机同步

Electrical Engineering

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Overview

资料来源: Bazzi, 康涅狄格州大学电气工程系, 斯托斯, CT。

三相绕线-转子同步发电机是全球电力的主要来源。为了发电, 他们需要一个原动力和一个刺激者。原动力可以是由流体 (气体或液体) 纺成的涡轮, 因此流体的来源可以是通过长的喷嘴从大坝流出的水, 用烧焦的煤蒸发的水蒸气等。大多数发电厂包括煤、核能、天然气、燃料油和其他使用同步发电机。

本实验的目的是了解调整三相同步发电机电压和频率输出的概念, 然后与电网同步。同时也证明了电场电流和转速变化对发电机输出功率的影响。

Cite this Video

JoVE Science Education Database. 电气工程. 交流同步机同步. JoVE, Cambridge, MA, (2019).

Principles

同步电机依靠相同的旋转磁场概念, 介绍了交流感应电机。三相电流, 流动在机器的定子, 产生一个旋转磁场的恒定大小在一个理想的频率。同步和异步机之间的区别在于后者在转子一侧短路了绕组或 "松鼠笼", 而同步电机则在转子一侧有固定的磁场。这个磁场由励磁器或永久磁铁提供。永磁同步电机由于其高效率和紧凑的尺寸而变得越来越普遍, 但它们通常使用稀土材料, 这在战略材料的可用性方面是不可取的。因为转子磁场是独立于定子的, 所以使用这个术语, 它锁定旋转磁场, 使转子以相同的转速 (或同步速度) 旋转, 作为定子的旋转磁场。

刺激器为发生器提供直流电场, 可刷或无电。在这个演示中使用的设置是一个拉丝励磁机, 其中直流应用到转子绕组 (场) 的同步机通过内部刷和滑环。永磁励磁也有可能, 但超出了本实验的范围。

为了将发电机连接到电网, 发电机输出电压中的三因素必须与网格的大小、频率和相位顺序相匹配。当自动同步器通常用于大型发电厂时, 本视频中使用了一种简单的方法来进行手动协调。这种方法是 "三灯法"。该方法提供了视觉检查, 在发电机侧和电网一侧的三阶段相同的幅度, 频率和相序, 当所有的灯关闭, 由于匹配的电压, 其差异量, 看到的灯,零.

同步之后, 一旦将生成器绑定到网格, 此演示就不再需要速度控制, 因为该网格就像一个 "无限总线", 在这里, 生成器动态对网格的影响极小。因此, 发电机的频率和电压与网格侧的相同。但仍有一些影响的原动力: 如果原动机试图加快发电机, 发电机转速不会改变, 而是, 发电机产生更多的电力在电网。例如, 如果假设发电机是理想的, 提高速度有效地增加了输入机械功率, 但由于速度是固定的, 输入扭矩增加, 因此, 输出电力的发电机增加。然而, 如果原动机试图减慢发电机, 扭矩下降, 并在某一时刻, 反转的迹象, 导致发电机减少其输出功率, 直到电力流逆转, 它的行为像一个马达。

Procedure

1. 原动力初始化

本实验中的原动力是测功机, 它作为电机旋转发电机转子 (场)。

  1. 确保三相断开开关、同步电机开关和直流电机开关全部关闭。
  2. 检查调压器是否在0%。
  3. 将调压器线连接至三相插座, 并将安装在图1中的设置接通。
    1. 将同步计算机端上的三相开关用作 "S1
    2. 请注意, "S1" 和三灯设置是并行的。
    3. 还要注意数字功率计探头的极性。
    4. 检查 "启动/运行" 开关是否处于 "开始" 位置。
  4. 将 "RF" 设置为最大电阻。
  5. 将调压器保留在 0%, 并关闭 "S1"。
  6. 打开三相断开开关。
    1. 打开高压直流电源。
    2. 确保从供应终端的所有连接都是明确的。
    3. 按电源上的 "V/I" 按钮以显示电压和电流操作点。调整电压旋钮到 15 v
    4. 在直流电源面板上按 "开始"。测功机应具有从直流电源中抽出的大瞬态电流。如果它的 "OCT" 指示灯打开, 则增大过流限制。
  7. 机器应该慢慢旋转。
    1. 增加直流电源输出电压至160左右
    2. 测量轴转速。
    3. 调整电源电压以达到 1800 RPM 转速。
    4. 记录电源显示的直流电流和电压。
  8. 保持安装完好, 不关闭任何设备。

Figure 1
图 1: 三相同步发电机实验的示意图设置.请单击此处查看此图的较大版本.

2. 同步发电机与网格的同步

  1. 将同步机端的启动/运行开关切换到 "运行"。三盏灯现在应该打开了。
    1. 将 "RF" 和电源电压反复调整以实现vg= 120 v, 并将数字功率表上的vg 的频率调整为 60 Hz. 2% 以内的值是可以接受的。
    2. 稍微增加调压器输出以实现VAC1= 120 五。
  2. 在这个阶段, 网格提供120伏的频率为60赫兹。
    1. 在两个电能表上记录电压、电流和功率读数。在仪表上的任何数字前面不要忽略 +/-标志。
  3. 灯具应该改变照明方式。
    1. 如果灯在同一时间亮、变暗, 则发电机和网格具有相同的相序。调用它的三阶段序列在使用中的 b-c。
    2. 如果灯的周期, 如圣诞树灯, 那么发电机和电网有不同的相序, 其中一个是 b-c, 另一个是 a-c-b 横跨灯组。
      1. 在这种情况下, 将调压器返回到0%。
      2. 在电源面板上按 "停止"。
      3. 将直流电压设置还原到 15 v
      4. 在调压器侧切换相位 "b" 和 "c"。
      5. 重复以上步骤, 从步骤2.1 开始。
  4. 此步骤需要快速操作:在所有指示灯关闭的瞬间, 打开 "S1。所有的灯都应该关闭, 因为 "S1" 现在在其终端上充当一个短路。
  5. 生成器现在与网格同步。记录两个电能表上的电压、电流和功率读数。不要忽视标志。
  6. 保持安装完好。

3. 场电流变化的影响

  1. 将 "RF" 调整为从其最大位置到最小位置的大约五步, 并为每个步骤记录以下内容: 轴转速;轴扭矩和标志;两个电能表上的电压、电流和功率读数;直流电源上的电压和电流读数。
  2. 如果此 "RF" 变体为所有电源读数提供相同的符号:
    1. 稍微调整直流电源输出, 实现从/到同步机的反向电源流。
    2. 请记住, 负功率意味着机器正在产生电能。
  3. 调整直流电源电压五步, 不超过总直流电流的供应显示 3.5 a a 记录以下每个步骤: 轴转速;轴扭矩和标志;两个电能表上的电压、电流和功率读数;直流电源上的电压和电流读数。
  4. 保持安装完好。

4. 拆卸设置

在拆卸安装程序之前, 应遵循以下顺序:

  1. 把调压器回0%
  2. 按 "停止" 键关闭电源输出。
  3. 当机器停止旋转时, 将 "启动/运行" 切换到 "开始" 位置, 然后关闭 "S1
  4. 关闭三相断开开关。
  5. 拆卸安装程序。

交流同步发电机是世界范围内发电厂发电的骨干, 经常用于稳定电网。将同步发电机的相位序列、电压大小和频率与网络中的功率相匹配是必不可少的。如果生成器与网格相脱离, 则生成器无法提供电源。在大型发电厂中使用自动同步器时, 本文展示了一种简单的人工协调方法。该视频将介绍三相同步发电机, 并演示了调整电压和频率输出的协议, 以手动同步发电机到电网。

交流同步电机由内旋芯、转子、外固定环、定子等组成。转子磁场是由外加直流电压引起的静止的。定子磁场激发使用三相交流电流, 每个相连接到自己的单独的定子线圈集。这就产生了一个恒定的大小和旋转频率的旋转磁场, 对应于供给线电流的振荡。定子和转子磁场耦合导致转子在与定子旋转磁场完全相同的转速下旋转。有关交流同步电机特性的详细信息, 请观看朱庇特的科学教育视频, 交流同步机的特性。当同步电机作为发电机运行时, 原动机将扭矩应用于转子, 从而产生转子与定子磁场之间的弹性差。如果应用的扭矩反对转子运动, 机器吸收系统的无功功率, 使机器回到同步。如果应用的扭矩, 而不是推动旋转, overexciting 的机器, 发电机提供电力系统。三灯的方法可以用来提供可视化的确认, 即发电机是以相同的电压大小, 频率和相序作为电网。对于同步发电机, 频率是通过原动力速度变化来控制的。如果发电机和系统电源出了相位, 灯就会闪烁。当电压匹配时, 零差分导致所有三盏灯同时关闭。介绍了同步发电机的基本原理, 说明了交流同步发电机与电网的手动同步。

首先初始化直流电机或测功机为原动力。检查三相断开, 同步电机和直流电机都关闭。与调压器设置为 0%, 导线它到三相插座。接下来, 按所示连接设置。然后, 在同步机上切换三相开关。最后, 确保 S1 和三灯并联连接。注意数字功率计探头的极性。然后, 检查起始位置中的开始运行开关。随着 S1 开关, 设置射频的最大阻力。打开三相断开开关, 然后打开高压直流电源。接下来, 按电源上的 VI 显示按钮, 以显示当前的工作电压, 并将电压调整为15伏。然后按 "直流电源" 面板上的 "启动"。测功机应具有从直流电源抽出的大瞬态电流。但是, 如果过流限制或 OCT 指示灯打开, 则增大过电流限制。现在观察同步机旋转缓慢。最后, 将直流电源输出电压提高到160伏左右, 并使用闪光灯技术测量轴的转速。接下来, 调整电源电压以达到 1800 RPM 转速。然后记录直流电流和电压。

现在, 使用三灯的方法与完全组装的装置同步发电机, 如图所示。在同步机一侧切换启动运行开关以运行并检查三盏灯是否打开。接下来, 对电源电压进行反复调整, 以达到120伏特的发电机电压。将数字功率计上的 VG 频率调整为60赫兹. 2% 以内的值是可以接受的。然后稍微增加调压器输出到120伏。在这个阶段, 网格和发电机都提供120伏的频率为60赫兹. 记录电压, 电流和功率读数在两个电能表包括 + 或-标志。最后, 使用灯具的照明模式来确认或调整同步。在三灯的方法, 一旦达到所需的交流电压, 灯的循环和关闭在同一时间。如果从网格中的 a、b、c 的相位序列满足从机器上的序列 a、c、b, 则灯的周期作为电压横跨灯在所有三个阶段不会同时加到零。如果三盏灯相反的循环和闪烁的同步, 那么发电机和网格有不同的相位序列, 在一套灯。识别序列。一个是 ABC, 另一个是 ACB。然后, 为了调整顺序, 首先将调压器返回到 0%, 然后在电源面板上按 "停止"。在将直流电压还原为15伏后, 最后在发电机端切换相 B 和 C。如果三盏灯同时亮起并变暗, 则生成器和网格具有相同的相序, 并正确同步。否则, 在瞬间所有的灯关闭时重复相序修改, 打开开关 S1。现在, 所有的灯都应该保持关闭, 因为 S1 现在在他们的终端上充当一个短路。随后, 生成器将与网格同步。

在工业应用中, 同步电机经常用于稳定电源。机器的功率因数说明在一定条件下, 机器是否能提供无功功率。储存和释放能量以稳定电网。当这种方式运作时, 机器被称为同步冷凝器。在风能作为可再生能源的使用中, 风力发电机组是同步发电机的原动力。为了防止发电机在高负荷时熄火, 汽轮机转子叶片角的差异控制, 以优化在变速风速的旋转速度。风力涡轮机利用自动同步器接口将风力发电传送到电网, 从而将电力安全地传送到公用线路。

你刚才看了朱庇特的交流同步机同步的介绍。现在您应该了解如何调整三相同步发电机的电压和频率输出。手动同步发电机到电网, 并测量现场电流和转速变化对发电机功率输出的影响。谢谢收看!

Results

由于同步机有四个极点 (P), 并且操作频率为f= 60 Hz, 因此同步速度为 1800 rpm, 因此, 主移动器的期望速度为 120f/P= 1800 rpm。

当同步电机 (发电机) 与电网, 机器的原动力提供旋转, 但在机器的转子上的磁场应提供。这是通过使用直流电源, 它提供转子线圈和建立转子磁场。转子上的旋转直流磁场对定子侧施加交流电压, 由直流电源设置转子磁场的强度。为了逐步增加定子侧交流输出电压, 直流稳压电源的速度缓慢。

一旦达到所需的交流电压, 灯循环。以相位 "a" 为例, 假定网侧电压为 170 cos (120πt) v, 它的 RMS 电压为 120 v = 170/sqrt (2), 频率为60赫兹 (2 * 60 rad/秒)。一旦机器的相位 "a" 到达 170 cos (120πt) V, 在灯终端的电压成为零和灯关闭。然而, 这是非常困难的两个电压在同一阶段, 和机器的电压很可能是 170 cos (120πt + φ) V 的地方φ是一个非零相位差。通过调整电压大小, 使用直流转子场, 和频率, 使用原动机的速度, 在每一个机器的阶段电压和相应的网侧电压应匹配, 由于较小的电压和频率扰动。

如果从网格中的 a-b-c 的相位序列从机器上得到另一个序列 a--c-b, 则灯循环作为电压横跨灯在所有三个阶段在同一时间从未加起来到零。

当功率读数显示电网与机器之间的功率流时, 该机器作为发电机运行。这可以在电能表上注明。

Applications and Summary

同步发电机是全球发电厂发电的骨干。将生成器与网格同步已成为标准操作, 通常通过将生成器的相位序列、电压大小和频率与网格相匹配来实现自动化。采用 "刺激器" 实现了转子磁场的电压控制, 而频率控制则是利用涡轮或原动机的速度控制来实现的, 提供旋转使用蒸汽、风力、水或其他流体。频率控制通常使用 "州长" 来实现。

1. 原动力初始化

本实验中的原动力是测功机, 它作为电机旋转发电机转子 (场)。

  1. 确保三相断开开关、同步电机开关和直流电机开关全部关闭。
  2. 检查调压器是否在0%。
  3. 将调压器线连接至三相插座, 并将安装在图1中的设置接通。
    1. 将同步计算机端上的三相开关用作 "S1
    2. 请注意, "S1" 和三灯设置是并行的。
    3. 还要注意数字功率计探头的极性。
    4. 检查 "启动/运行" 开关是否处于 "开始" 位置。
  4. 将 "RF" 设置为最大电阻。
  5. 将调压器保留在 0%, 并关闭 "S1"。
  6. 打开三相断开开关。
    1. 打开高压直流电源。
    2. 确保从供应终端的所有连接都是明确的。
    3. 按电源上的 "V/I" 按钮以显示电压和电流操作点。调整电压旋钮到 15 v
    4. 在直流电源面板上按 "开始"。测功机应具有从直流电源中抽出的大瞬态电流。如果它的 "OCT" 指示灯打开, 则增大过流限制。
  7. 机器应该慢慢旋转。
    1. 增加直流电源输出电压至160左右
    2. 测量轴转速。
    3. 调整电源电压以达到 1800 RPM 转速。
    4. 记录电源显示的直流电流和电压。
  8. 保持安装完好, 不关闭任何设备。

Figure 1
图 1: 三相同步发电机实验的示意图设置.请单击此处查看此图的较大版本.

2. 同步发电机与网格的同步

  1. 将同步机端的启动/运行开关切换到 "运行"。三盏灯现在应该打开了。
    1. 将 "RF" 和电源电压反复调整以实现vg= 120 v, 并将数字功率表上的vg 的频率调整为 60 Hz. 2% 以内的值是可以接受的。
    2. 稍微增加调压器输出以实现VAC1= 120 五。
  2. 在这个阶段, 网格提供120伏的频率为60赫兹。
    1. 在两个电能表上记录电压、电流和功率读数。在仪表上的任何数字前面不要忽略 +/-标志。
  3. 灯具应该改变照明方式。
    1. 如果灯在同一时间亮、变暗, 则发电机和网格具有相同的相序。调用它的三阶段序列在使用中的 b-c。
    2. 如果灯的周期, 如圣诞树灯, 那么发电机和电网有不同的相序, 其中一个是 b-c, 另一个是 a-c-b 横跨灯组。
      1. 在这种情况下, 将调压器返回到0%。
      2. 在电源面板上按 "停止"。
      3. 将直流电压设置还原到 15 v
      4. 在调压器侧切换相位 "b" 和 "c"。
      5. 重复以上步骤, 从步骤2.1 开始。
  4. 此步骤需要快速操作:在所有指示灯关闭的瞬间, 打开 "S1。所有的灯都应该关闭, 因为 "S1" 现在在其终端上充当一个短路。
  5. 生成器现在与网格同步。记录两个电能表上的电压、电流和功率读数。不要忽视标志。
  6. 保持安装完好。

3. 场电流变化的影响

  1. 将 "RF" 调整为从其最大位置到最小位置的大约五步, 并为每个步骤记录以下内容: 轴转速;轴扭矩和标志;两个电能表上的电压、电流和功率读数;直流电源上的电压和电流读数。
  2. 如果此 "RF" 变体为所有电源读数提供相同的符号:
    1. 稍微调整直流电源输出, 实现从/到同步机的反向电源流。
    2. 请记住, 负功率意味着机器正在产生电能。
  3. 调整直流电源电压五步, 不超过总直流电流的供应显示 3.5 a a 记录以下每个步骤: 轴转速;轴扭矩和标志;两个电能表上的电压、电流和功率读数;直流电源上的电压和电流读数。
  4. 保持安装完好。

4. 拆卸设置

在拆卸安装程序之前, 应遵循以下顺序:

  1. 把调压器回0%
  2. 按 "停止" 键关闭电源输出。
  3. 当机器停止旋转时, 将 "启动/运行" 切换到 "开始" 位置, 然后关闭 "S1
  4. 关闭三相断开开关。
  5. 拆卸安装程序。

交流同步发电机是世界范围内发电厂发电的骨干, 经常用于稳定电网。将同步发电机的相位序列、电压大小和频率与网络中的功率相匹配是必不可少的。如果生成器与网格相脱离, 则生成器无法提供电源。在大型发电厂中使用自动同步器时, 本文展示了一种简单的人工协调方法。该视频将介绍三相同步发电机, 并演示了调整电压和频率输出的协议, 以手动同步发电机到电网。

交流同步电机由内旋芯、转子、外固定环、定子等组成。转子磁场是由外加直流电压引起的静止的。定子磁场激发使用三相交流电流, 每个相连接到自己的单独的定子线圈集。这就产生了一个恒定的大小和旋转频率的旋转磁场, 对应于供给线电流的振荡。定子和转子磁场耦合导致转子在与定子旋转磁场完全相同的转速下旋转。有关交流同步电机特性的详细信息, 请观看朱庇特的科学教育视频, 交流同步机的特性。当同步电机作为发电机运行时, 原动机将扭矩应用于转子, 从而产生转子与定子磁场之间的弹性差。如果应用的扭矩反对转子运动, 机器吸收系统的无功功率, 使机器回到同步。如果应用的扭矩, 而不是推动旋转, overexciting 的机器, 发电机提供电力系统。三灯的方法可以用来提供可视化的确认, 即发电机是以相同的电压大小, 频率和相序作为电网。对于同步发电机, 频率是通过原动力速度变化来控制的。如果发电机和系统电源出了相位, 灯就会闪烁。当电压匹配时, 零差分导致所有三盏灯同时关闭。介绍了同步发电机的基本原理, 说明了交流同步发电机与电网的手动同步。

首先初始化直流电机或测功机为原动力。检查三相断开, 同步电机和直流电机都关闭。与调压器设置为 0%, 导线它到三相插座。接下来, 按所示连接设置。然后, 在同步机上切换三相开关。最后, 确保 S1 和三灯并联连接。注意数字功率计探头的极性。然后, 检查起始位置中的开始运行开关。随着 S1 开关, 设置射频的最大阻力。打开三相断开开关, 然后打开高压直流电源。接下来, 按电源上的 VI 显示按钮, 以显示当前的工作电压, 并将电压调整为15伏。然后按 "直流电源" 面板上的 "启动"。测功机应具有从直流电源抽出的大瞬态电流。但是, 如果过流限制或 OCT 指示灯打开, 则增大过电流限制。现在观察同步机旋转缓慢。最后, 将直流电源输出电压提高到160伏左右, 并使用闪光灯技术测量轴的转速。接下来, 调整电源电压以达到 1800 RPM 转速。然后记录直流电流和电压。

现在, 使用三灯的方法与完全组装的装置同步发电机, 如图所示。在同步机一侧切换启动运行开关以运行并检查三盏灯是否打开。接下来, 对电源电压进行反复调整, 以达到120伏特的发电机电压。将数字功率计上的 VG 频率调整为60赫兹. 2% 以内的值是可以接受的。然后稍微增加调压器输出到120伏。在这个阶段, 网格和发电机都提供120伏的频率为60赫兹. 记录电压, 电流和功率读数在两个电能表包括 + 或-标志。最后, 使用灯具的照明模式来确认或调整同步。在三灯的方法, 一旦达到所需的交流电压, 灯的循环和关闭在同一时间。如果从网格中的 a、b、c 的相位序列满足从机器上的序列 a、c、b, 则灯的周期作为电压横跨灯在所有三个阶段不会同时加到零。如果三盏灯相反的循环和闪烁的同步, 那么发电机和网格有不同的相位序列, 在一套灯。识别序列。一个是 ABC, 另一个是 ACB。然后, 为了调整顺序, 首先将调压器返回到 0%, 然后在电源面板上按 "停止"。在将直流电压还原为15伏后, 最后在发电机端切换相 B 和 C。如果三盏灯同时亮起并变暗, 则生成器和网格具有相同的相序, 并正确同步。否则, 在瞬间所有的灯关闭时重复相序修改, 打开开关 S1。现在, 所有的灯都应该保持关闭, 因为 S1 现在在他们的终端上充当一个短路。随后, 生成器将与网格同步。

在工业应用中, 同步电机经常用于稳定电源。机器的功率因数说明在一定条件下, 机器是否能提供无功功率。储存和释放能量以稳定电网。当这种方式运作时, 机器被称为同步冷凝器。在风能作为可再生能源的使用中, 风力发电机组是同步发电机的原动力。为了防止发电机在高负荷时熄火, 汽轮机转子叶片角的差异控制, 以优化在变速风速的旋转速度。风力涡轮机利用自动同步器接口将风力发电传送到电网, 从而将电力安全地传送到公用线路。

你刚才看了朱庇特的交流同步机同步的介绍。现在您应该了解如何调整三相同步发电机的电压和频率输出。手动同步发电机到电网, 并测量现场电流和转速变化对发电机功率输出的影响。谢谢收看!

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