实习项目交流同步电动机特性实验

1、. 实习项目 : 交流同步电动机特性实验. 实习目的 :( 一 ) 学习同步电动机之起动法 .( 二 ) 了解同步电动机之相位特性 (V 型曲线 ).( 三 ) 了解同步电动机负载变化时之输入、输出、功因及转矩之变化特性( 一) 同步电动机之起动同步电动机 ,在静止时 , 於定部绕阻加上一交流电源 , 则电枢线圈边 A 及 B 之瞬 时电流方向如图一 (a) 所示, 根据夫来明右手定则将产生一电磁转矩 , 使导体向 右移, 但导体固定而使磁场向左移动 . 在另一半周时 , 线圈内电流之方向改变了 如图一 (b) 所示, 由於转子之大转动惯量 , 转子来不及加速而使磁极之转矩方向 亦随之改变 ,

2、 故在一秒钟内正反转矩各变动 60 次合成转矩零 图一若以某些方法 , 使转部向顺时钟方向转动 , 且其转速接近同步转速时 , 二所示 电流方向改变了，而转部磁极原来在 A导体的亦向前移至C导体而产生同一方向 之转矩 .图二起动同步电动机之步骤为1. 藉外力或别的做用先将同步电动机转子转到同步转速附近 .2. 加直流激磁使转部达到同步转速 . 使同步电动机起动 , 使转速接近同步转速之方法有感应起动法及辅助起动法两种 .(1) 感应起动法 - 利用同步电动机转部极面槽内之鼠笼式结构的阻尼绕阻 , 藉感 应电动机之原理 , 使转部转动 , 然後再藉转部直流激磁所发生之同步化转矩 引入同步 .(2

3、) 辅助起动法 , 此法又可分为下列数种 :(1) 在同部电动机轴上耦合一直流电动机 : 一般同步电动机是做为 驱动直流 发电机 , 但为了达到同步 , 可以先将直流发电机做为电动机以起动同步电 动机 , 一但接近同步速率时 , 将激磁电流送入同步电动机 , 而使电动机得 以整步 .(2) 把场激磁发电机当做直流电动机 : 此法与 (1) 最大不同是激磁机 (直流分 机发电机 ) 系作为电动机使用 , 和同步电动机及交流电源同步 .(3) 以装於同一轴上之感应电动机起动 : 此种感应电动机必须比起动电动机 有较少极数 ( 最好少两极 ), 因而有较高之同步速率 , 先将同步电动机升高 至同步速

4、率以上 . 将交流电流及直流电流同时加入电枢及磁场绕阻中藉 以引入转距 , 使同步电动机转子达到同步速率 .(二) 变化激磁电流时，电枢电流I a及功因(COS如)均随之改变其原理如下:1. 当直流激磁电流增加至某值时，使电枢电流 山与外施电压VP同相,功因为1 此法称为正激 , 如图三 (a) 所示.(3) 若增加同步电动机之激磁电流 , 因其速率恒等於同步速率 , 故其感应之反电 势Egp 一定升高,大於外施电压Vp,此种激磁法称为过激.如图三(b)所示,因V 一定,Egp增加,而Er为Egp与VP之相量和,故E向反时针方向移动.而电流la 与Er间之角度87度是一常数，故电流la亦反时针

5、方向移动，使得电枢电流la 较外施电压越前。角度，故改变激磁电流可改变功因角。(4) 若降低同步电动机之激磁电流 , 因其速率恒等於同步速率 , 故其感应之电势Egp一定降低而低於外施电压 VP,此种激磁方法称为欠激。如图三 （c）所示,而 Er为Egp与VP之和,Vp 一定,故E向顺时针方向移动,使电枢电流Ia与E-间之 角一定为87度故亦向反时针方向移动，使电枢电流la较外施电压Vp滞後一 角度 。图三 由上可知在一定之外施电压及负载之下 , 若改变其激磁电流 , 则可改善同 步电动机之电枢电流及相位。在负载一定时，电枢电流la与激磁电流I f之关 系曲线，略成V曲线。图四中，曲线1、2、

6、3各表示无载、半载及满时之 V 曲线（l-l f）。在极低激磁时，电枢电流大而相位滞後激磁电流渐增 ，则电枢电 流小 , 直至最低值时 , 若激磁电流继续增 , 则电枢电流又开始增大 , 并且相位 越前。换言之 , 即电流 l f 由低值变成高值 , 电动机由欠激变成过激当电枢 电流I a最小时之激磁称为正激，cos 9 =1,若激磁大於此值（过激），此时电枢 电流越前。反之滞後。图四之 1'、 2'、 3'为表示各对 1、 2、 3 之功因变 化曲线称为倒V曲线。点线为各负载下之 V曲线之最小电枢电流值之轨迹， 在此点线上 ,cos 9 =1。图四V曲线及倒V曲线（

7、三） 同步电动机之负载特性同步电动机之转速乃由频率及极数决定 , 故转部只能以同步转速、转动。当负载变 动时 , 其输入、输出、效率、功因及转矩等均发生变化。图五 （a） 、 （b） 、 （c） 分别 表示於正激、欠激及过激情况下 , 负载变化之影响。图五由图五可知晓 （a） 当负载增加时 , 不论欠激、正激或过激电枢电流增加 , 功率输入增 加。 （b） 当电动机过激或欠激情况下 , 由於负载之增加 , 其功率因数趋向於 1 且功因 之改变大於电枢电流之改变 。 （c） 马达於正激情况下 , 由於负载之增加而使电枢电流 增加大於功率因数之增加 , 且趋向於愈滞後。三. 使用仪器及设备：（一）

8、交流同步电动机一直流动力计组r=一台（ 二 ） 交流仪表装置组1. 单相瓦特表 4000W2. 电流表020A3. 伏特表0400V4. 读表选择开关三段式（ 三 ） 直流仪表装置组1. 单相瓦特表 4000W2. 电流表020A3. 伏特表0400V4. 读表选择开关三段式（ 四 ） 三相交流电源220V一台（ 五） 直流电源0到 110V 4A（ 六 ） 转速计一台（ 七） 电子磅秤1只（ 八 ） 双极双投开关1只五. 电路图：图六六. 实验步骤：（一）同步电动机起动1. 如图六之接线。ON,调整IVR,使其输出为同步电动机之额定电压值。向上接通（场绕组短路）此时Ri置於最大值,关闭（cl

9、osed）S 1,无载起动同步电动机，约至额定转速附近时 S2向下接通，接入电源加激磁 电流,使达到同步转速（起初当作感应电动机起动，起动前所有仪表之 电流线圈均要短接）（二） 相位特性实验（负载不变，激磁电流改变）1. 如图六之接线2. 如图上述 “起动法 “起动同步电动机，维持外加电压不变3. 逐步增加同步电动机之激磁电流If，一直至额定值的倍分10段记录Iaf及cos如（若激磁电流额定不知，则以电动机电枢电流为倍额定时之激磁电流为最大值）4. 接通S4,调整R2,使M之读数为直流发电机之额定电压，关闭（closed）S 3,调节同步电动机之电枢电流为最小且其值为 50癥定值。即调整发电机

10、之负载L, 使发电机之负载约为电动机额定输出之半值 求此时直流发电机之输出，维 持癹电机输出一定不变；改变If,自额定激磁电流之30%逐步增加到额定 电流之150%为止，分段记录If . I a . cos ip5. 如4.之方法，加负载之额定值，求其相位特性。（三）无载试验无载起动同步电动机维持外加电压不变.变化激磁电流If由最大值幵始至最小值，逐次记录各仪表之指示，求出电动机之无载旋转损失.（四）负载特性试验（激磁电流不变，负载改变）1. 如图六之接线.2. 无载起动同步电动机，接通S4调Vg为直流发电机之额定值，接通9 ,加负载於同步电动机，此时随着输出的增加，电枢电流增加，维持额定电压

11、不变， 一面加负载，一面调节电动机之可变电阻，使电枢电流为最小值（即100%功因 时之电枢电流），且此最小值为电动机之额定值，记录此时之If ,此为正常激磁3. 维持此If值及外加电压不变，加负载使电动机之输出由零增至倍额定值，（利用动力计之外加电压改变之）逐次记录各仪表值.4. 调整激磁电流为步骤 2.之If之倍，重复步骤3.5. 调整激磁电流为步骤 2.之If之一半，重复步骤3.七. 实习结果：1.相位特性n二rpm次数项目无载P = W+W=瓦IfI aWWPQCose半载P = W+W=瓦IfI awWPQCose满载P = W+W=瓦IfI aWWPQCose以I f为横轴，Cos

12、e为纵轴 绘出倒V特性曲线、项目 次数V(V)11(A)I 3(A)I = I 1+I 3/2(A)输入功率P1=W+W (W)I f(A)旋转损失P1-3I(W)WWP11234567(1)以If为横轴,I a为纵轴绘出V型特性曲线(二)无载特性以I f为横轴,P r为纵轴绘出I f与Pr之特性曲线(三) 负载特性n=rpm项目次数12345678910WW(Kg)I a =I 1+1 3/211I 3I a算 值P=w+匪T(NT-m)PoCos 0nW(Kg)I a =I 1 + 1 3/2I 1I 3I a计 算 值P=W+W2T(kgm)PoCos 0nWW(Kg)I a =I 1

13、+ 1 3/2I 1I 3I a计 算 值P=W+W2T(kgm)PoCos 0n欠激磁I f= A过激磁I f= A正 常激磁If= A1）正常激磁过激 磁 欠激 磁 以上 是以p为 横 轴COS。为纵轴分 别绘出 於正 激、过 激、欠激 情况下 之特性 曲线 八.注 意事项：1.转 子 开 始 转 动 直 到 接 近 同 步 转速时，很明显地在磁场绕阻上将感应一高压，此高压很可能破坏转子之绝缘，故须在同步电动机转子接近同步转速後，才使 转子绕阻通入直流电2.在无载或轻载情况下，接近同步转速时，加入直流电源，转速并未改变，此乃 转子本身已进入同步，其同步转矩来自转矩.另有一种现象即当接近同步

14、转速 之际，将磁场之激磁电流加入时，会产生一声音，此乃因磁极之极性瞬间与定 子旋转磁场相同，因而引起气隙磁通突然下降而降低应电势，降低转矩，枢流, 然後才同步 , 线电流恢复正常 ., 是因此时以组尼绕组启动 , 具感应机特性 , 而感 , 故为正常现象 .增加 . 於是转子退後一个磁极3. 未加直流激磁前的电枢电流太高 应机透过气隙所需激磁电流甚大 九 . 问题研讨 :( 一 ) 、选择题1.( ) 无载运转之同步电动机加入负载时 (A) 继续以同步转速运转 (B) 瞬时速率下降 , 再 保持某一负载角 , 再以同步转速继续运转 (C) 低於同步转速运转 (D) 旋转速率遽降 终至停止2.

15、( ) 同步电动机在启动时 , 磁场线圈中 (A) 不可加激磁电流 (B) 可加激磁电流 (C) 可加激磁电流 , 但电压要低 (D) 加与不加激磁电流无关3. ( ) 设电流原为滞後之同步电动机 , 若渐增其磁场线圈中之电流 , 则其功率因数将 (A) 渐大 (B) 渐小 (C) 先增大後减小 (D) 先减小後增大4. ( ) 同步电动机之直流激磁增减主要目的为 (A) 速率调整 (B) 功率调整 (C) 起动转矩调 整 (D) 频率调整 (E) 功因调整5. ( ) 同步电动机增加激磁电流时 , 其速率 (A) 升高 (B) 降低 (C) 不变 (D) 不一定6. () 同步电动机之 V型

16、曲线为(A) V - I a (B) V -If (C) I a - I f (D) P - I a关系 曲线7. ()同步电动机欲当电容器使用时，应(A)增加负载(B)并联电容器(C)增加激磁(D) 减少激磁 (E) 减少负载8. ( ) 在同步电动机中 , 电枢电流最小时之功因为 (A) 100% (B) 50% (C) 0(D) %9. ( ) 供电系统频率为 50赫之12极同步电动机 , 其转速为 (A)1800rpm (B)1200rpm(C) 500rpm (D)375rpm (E)1500rpm10. ( ) 同步电动机当负载减少时 (A) 转速减小转矩角减小 (B) 转速不变转

17、矩角减小(C) 转速不变转矩增加 (D) 转速增加转矩角增加 (E) 转速、转矩角均不变11. ( ) 设同步电动机之负载角为 e , 则其输与 (A) sin e (B) cos e(C) cot e (D) tan e(E) sec e 成正比12. ( ) 同步机之电枢反应将产生下 列何者结果 ? (A) 电压领前电流 90°使主磁极产生减磁作用 (B) 电压滞後电流 90 °使主磁极产生减磁作用 (C) 电压与电流相同使主 磁极产生灭磁 (D) 电压滞後电流 90 °使主磁极产生交磁 (E) 以上皆非13. ( ) 同步电动机之 泪磁电流若 自最小渐增 ,

18、 则功率因数之变化为 (A) 渐增大(B) 渐减小(C)先减小而後增大(D)先增大而後再渐减小(E)不变14. ( ) 需要有双层轴承的电动机是 (A) 三相感应电动机 (B) 交流串激电动机 (C) 推斥式电动机 (D) 超同步电动机 (E) 感应同步电动机15. ( ) 同步电动机又称为 (A) 回转机械 (B) 回转整流器 (C) 回转电容器 (D) 回转电阻器(E) 回转电感器 因为控制激磁电流可做无效功率的调节16. ( ) 同步电动机不可用於 (A) 改善功率因数 (B) 调整速率 (C) 调整线路电压 (D) 计时(E) 担任机械负载17. ()三相1200kW功因为之电力系统为改善功率因数为，则应装同步调相机(A) 1019kVA (B) 897kVA (C) (D) 8475kVA (E)1200kVA18. ( )50 赫芝 , 12 极 , 100Hp 同步电动机之满载转矩为 (A)1188 (B)1425 (C)1543(D) 1648 (E) 1816牛顿 - 米19. ( ) 当同步电机的磁场激磁较正常激磁为大 ,正在增加时,我们称为过激 , 此时其将(A) 吸取滞後电流 , 电枢反应为去磁效应 (B) 吸取滞後电流 , 电枢反应为加磁效应(C) 吸取越前电流 , 电枢反应为去磁效应 (D) 吸取越前电流 , 电枢反应为加磁