PRZEWODNIK
DO

ĆWICZEŃ

R.A. 2011

MASZYNY
ELEKTRYCZNE
LABORATORIUM

dr inż. Mieczysław Stolpe

1

Tryb odbywania ćwiczeń i pracy własnej



Przed przystąpieniem do ćwiczeń studenci powinni zapoznać się z
niniejszym przewodnikiem oraz odświeżyć i przestudiować wiadomości
teoretyczne tematycznie związane z ćwiczeniem.

 Na podstawie niniejszego opracowania, informacji podanych przez

prowadzącego oraz wiadomości teoretycznych studenci łączą w czasie
ćwiczeń układy przy pomocy których przeprowadzają badania przewidziane
programem ćwiczenia. Załączenie napięcia w układzie pomiarowym odbywa
się po sprawdzeniu układu przez prowadzącego.



W trakcie ćwiczeń oraz w ramach pracy własnej, każdy student prowadzi
zeszyt, w którym zamieszcza schematy stosowane w trakcie wykonywania
ćwiczeń oraz wyniki pomiarów, a także wyniki obliczeń i charakterystyki oraz
własne obserwacje i wnioski wynikające z analiz prowadzonych w ramach
pracy własnej.



Poprawność obliczeń, wyznaczonych charakterystyk oraz spostrzeżeń z
ćwiczeń należy sprawdzać konsultując uzyskane wyniki z prowadzącym w
trakcie ćwiczeń lub przekazując prowadzącemu ćwiczenia zeszyt do
sprawdzenia .



Zaliczenie laboratorium odbędzie się na podstawie kolokwium końcowego
oraz oceny poprawności opracowań w zeszycie, a także oceny uzyskanej z
opracowania przewidzianego do wykonania w ramach ćwiczenia nr 1.

2

Ćwiczenie 1

Badanie transformatora trójfazowego

3



Oględziny oraz odczyt danych znamionowych transformatora i ich interpretacja

 Moc znamionowa



Napięcia znamionowe (odczepy regulacyjne)



Prądy znamionowe



Napięcie zwarcia



Straty obciążeniowe



Straty jałowe



Grupa połączeń



Wyznaczenie danych znamionowych dla podanego układu połączeń uzwojeń



Schemat układu znamionowego



Schemat nowego układu połączeń



Napięcia znamionowe (odczepy regulacyjne)



Prądy znamionowe



Napięcie zwarcia



Straty obciążeniowe



Straty jałowe

1.1.

Badanie transformatora trójfazowego

4

1.2.

Badanie transformatora trójfazowego



Próba zwarcia przy obniżonym napięciu



Wyznaczyć parametry próby zwarcia (U

G

, I

G

, P

G

) dla maksymalnej

wartości napięcia zasilania możliwego do zastosowania w zastanych

warunkach sprzętowych (zasilania i badanego transformatora).



Wyznaczenie parametrów zwarcia pomiarowego (U

Gz

, P

z

, cos

j

z

)



Przeliczyć wyniki próby zwarcia przy obniżonym napięciu na wartości

występujące w warunkach zwarcia pomiarowego

W

W

V

A

P

I



P

L1

L2

L3

A

B

C

a

b

c

N

U

G

I

1G



2G

I

3G

A

V

U

D

I

D

5



Wyznaczenie doświadczalne przekładni napięciowej



Wyznaczyć przekładnię napięciową transformatora dla maksymalnej

wartości napięcia zasilania możliwego do zastosowania w zastanych

warunkach sprzętowych (urządzeń zasilających i pomiarowych)

1.3.

Badanie transformatora trójfazowego

W

W

V

A

P

I



P

L1

L2

L3

A

B

C

a

b

c

N

U

G

I

1G



2G

I

3G

V

U

D

D

G

u

U

U





6



Próba stanu jałowego



Wyznaczyć parametry stanu jałowego dla znamionowej wartości

napięcia zasilania oraz ich zmienność w zależności od wartości

napięcia zasilania (Pomiary: I

D0(1...3)

, U

D

, P



, P



; Obliczenia:

P

D0

, cos

j

0

, sin

j

0

, I

m

D

, I

FeD

)



Narysować wykresy zależności :

U

D

= f(I

m

D

)

– charakterystyka magnesowania

P

D0

= f(U

D

) , cos

j

0

= f(U

D

)

1.4.

Badanie transformatora trójfazowego

W

W

V

A

P

I



P

L1

L2

L3

a

b

c

A

B

C

U

D

I

D0(1)



D0(2)

I

D0(3)

N

BARDZO

WYSOKIE
NAPIĘCIE

7



Pomiar rezystancji uzwojeń



Oszacować wartości rezystancji uzwojeń na podstawie

wcześniejszych pomiarów



Dokonać pomiarów przy założeniu, że dostępne są tylko

zaciski wyjściowe uzwojeń metodą techniczną i mostkową

(R

uzwD_st

, R

uzwG_st

, R

D_st

, R

G_st

)

1.5.

Badanie transformatora trójfazowego

A

B

C

a

b

c

N

R

uzw

D

A

V

R

uzw

D

R

uzw

D

R

uzwY

=R

2

I

U

A

V

I

U

Metoda
techniczna
dla dużych
rezystancji

Metoda
techniczna
dla małych
rezystancji

R

uzwY

=R

2

R

uzwY

=R

2

Przykładowe układy połączeń dla metody technicznej przy dużych i małych rezystancji mierzonych
oraz zależności służące do wyznaczania rezystancji uzwojeń fazowych przy połączeniu w trójkąt i gwiazdę

I

U

R

I

U

R

I

U

R

I

U

R

st

_

D

st

_

G

uzwY

uzw



















D

8

1.6.

Badanie transformatora trójfazowego

I

GN

U

Gz f

R

G~

R

FeG

X

rG

X



R’

D~

E

G

=E’

D

I

FeG

I

m

G

Parametry podłużne

I

GN

I’

DN

=

X’

rD

m



G



Wyznaczanie parametrów podłużnej gałęzi schematu zastępczego

sprowadzonych do strony górnego napięcia na podstawie wyników

próby zwarcia, zmierzonych prądem stałym rezystancji uzwojeń oraz

wyznaczonej wartości przekładni napięciowej transformatora

Z

zG

U

Gzf

R

zG~

=R

G

+R’

D

X

zG

=X

rG

+X’

rD

I

GN

GN

Gz

zG

I

U

Z





z

zG

~

zG

cos

Z

R

j





st

_

D

st

_

G

~

zG

st

_

D

~

D

st

_

D

st

_

G

~

zG

st

_

G

~

G

'

R

R

R

'

R

'

R

'

R

R

R

R

R













u

st

_

D

st

_

D

R

'

R







z

zG

zG

sin

Z

X

j





zG

rD

rG

X

'

X

X







9

1.7.

Badanie transformatora trójfazowego



Wyznaczanie parametrów poprzecznej gałęzi schematu zastępczego

sprowadzonych do strony dolnego napięcia na podstawie wyników

próby stanu jałowego przy znamionowym napięciu zasilania



W celu uzasadnienia możliwości pominięcia

R

D~

i X

rD

, wyznaczyć ich wartości i porównać

z X

m

D

oraz R

FeD

U

Df

R

D~

R

FeD



X

rD

X

m



D

R’

G~
~

X’

rG

E

D

= E’

I

D0

I

FeD

I

m



D

Parametry poprzeczne

I

D0

U’

G0f

G

U

Df

R

FeD



X

m



D

I

D0

I

Fe

D

I

m



D

FeDN

DN

FeDN

DNf

FeD

DN

DN

DN

DNf

D

I

U

I

U

R

I

U

I

U

X













m

m

m

u

rD

rD

u

~

D

~

D

'

X

X

'

R

R









10

1.8.

Badanie transformatora trójfazowego



Wyznaczyć parametry schematu zastępczego badanego transformatora
sprowadzone do napięcia U

(X)

podanego dla każdego ćwiczącego przez

prowadzącego



Na podstawie wyznaczonego schematu zastępczego narysować wykres
wskazowy jednej fazy pozwalający wyznaczyć wartość napięcia DN na
obciążeniu dla założenia, że transformator zasilany jest napięciem
znamionowym po stronie GN i obciążony tak, że prąd strony GN ma
wartość znamionową, a współczynnik mocy strony GN ma wartość cos

j

(X)

podaną dla każdego ćwiczącego przez prowadzącego

Uwaga:

Efektem pracy ma być opracowanie w którym zawarte będą :

1

– Dane wyjściowe zestawione na podstawie obliczeń punktu 1.6.

i 1.7. oraz U

(X)

, cos

j

(X)

podane przez prowadzącego

i wyznaczona wartość sprowadzonego do napięcia U

(X)

prądu

znamionowego transformatora I

(X)N

2

– Opis graficzno - analitycznej metody wyznaczenia napięcia

wyjściowego strony DN transformatora z obliczeniami

3

– Wykres wskazowy (skale napięć i skale prądów przyjąć tak, by

wykres mieścił się na kartce papieru formatu A3 (nie używać
papieru milimetrowego)

4

– Wnioski

11

Ćwiczenie 2

Badanie maszyny synchronicznej

przy pracy autonomicznej

12

Uwaga:

Ze względu na fakt nieukończenia budowy nowego

stanowiska do badania maszyn synchronicznych

wykorzystana będzie w ćwiczeniu maszyna indukcyjna

pierścieniowa.

13



Ustalenie możliwości zastosowania silnika pierścieniowego
w roli prądnicy synchronicznej oraz spodziewanych odstępstw
w zjawiskach podczas pracy

•

Budowa maszyn synchronicznych jest podobna do budowy

silników

pierścieniowych. Nie występują żadne różnice w budowie stojanów
tych maszyn.

Trójfazowe uzwojenie stojana maszyny pierścieniowej

może być wykorzystane jako uzwojenie twornika. Wirnik typowej
maszyny synchronicznej posiada jednofazowe uzwojenie wzbudzenia
oraz

niekiedy uzwojenie

tłumiące kołysania, najczęściej w postaci

uzwojenia

klatkowego.

Maszyna

pierścieniowa, posiadająca w

wirniku uzwojenie

trójfazowe, wyprowadzone na zewnątrz poprzez

pierścienie

z

zestykiem

ślizgowym,

pozwala

na

uzyskanie

jednofazowej

formy

uzwojenia

wzbudzenia

lub

uzwojenia

spełniającego równocześnie rolę uzwojenia wzbudzenia i uzwojenia
tłumiącego, zależnie od sposobu połączenia źródła napięcia stałego
z

zaciskami

uzwojeń i samego uzwojenia. Dla najczęściej

występującego połączenia uzwojenia wirnika maszyny pierścieniowej
w

gwiazdę można zastosować dwa sposoby połączenia zacisków

uzwojenia z zasilaczem

prądu stałego.

14

A.

~

=

B.

~

=

WN

max

f

I

I





wN

max

f

I

I



w

R

w

R

w

R

w

R

w

R

w

R

• Układy zasilania prądem stałym uzwojenia wirnika maszyny pierścieniowej:

• W układzie A jest odwzorowana sytuacja występująca podczas pracy typowego

jednofazowego uzwojenia wzbudzenia zasilanego z zasilacza

prądu stałego.

Uzwojenie tak

połączone nie może wywoływać momentu tłumiącego kołysania

powstające podczas współpracy maszyny synchronicznej z siecią. Wartość
dopuszczalną prądu stałego wymuszanego w tym układzie należy przyjąć równą
prądowi znamionowemu uzwojenia wirnika maszyny indukcyjnej.

• Drugi układ, oznaczony jako B, pozwala na zastosowanie większej wartości prądu

stałego, ze względu na dwukrotnie mniejszą wartość prądu w dwóch fazach w
porównaniu z trzecią, co przy założeniu nieprzekraczania znamionowych strat w
uzwojeniu wirnika prowadzi do

następującego wyrażenia określającego wartość

strat

łącznych w uzwojeniu:

W

f

W

f

w

R

I

R

I

P























D

15

• Dodatkową korzyścią stosowania układu B jest to, że dla sinusoidalnie

zmiennych

sił elektromotorycznych indukowanych na skutek poruszania się tego

uzwojenia

względem wypadkowego pola wirującego podczas pracy maszyny w

sieci sztywnej,

określanego mianem kołysań, zachowuje się ono jak uzwojenie

tłumiące.

• Istotną różnicą występującą pomiędzy maszyną synchroniczną i indukcyjną

pierścieniową jest wielkość szczeliny powietrznej (między stojanem i wirnikiem).
Ma ona

wpływ na wartość reaktancji synchronicznej maszyny, która w

maszynach synchronicznych ma

wartość ograniczaną dość dużą szczeliną, a w

maszynach

pierścieniowych pracujących jako synchroniczne posiada dużą

wartość, mocno ograniczając moment maksymalny maszyny podczas pracy w
sieci, lub

zmiękczając charakterystyki zewnętrzne podczas pracy samotnej

prądnicy (przy pracy autonomicznej).

• Jeśli założyć, że straty te mogą być co najwyżej równe stratom w uzwojeniu

wirnika podczas gdy przez

każdą fazę płynie prąd znamionowy, to

dopuszczalna

wartość strat w uzwojeniu wirnika będzie:

w

max

f

w

max

f

w

wN

wN

R

I

R

I

R

I

P





























D

czyli

wN

wN

max

f

I

I

I







16



Oględziny oraz odczyt i analiza danych znamionowych maszyn



Wyznaczenie charakterystyki magnesowania prądnicy U

a0

= E

f

= f(I

f

)



Badanie polega na wyznaczeniu zależności napięcia indukowanego w

tworniku podczas stanu jałowego od wartości prądu wzbudzenia przy

stałej częstotliwości wynoszącej 50 Hz. Należy ustalić na podstawie

danych maszyny, przy jakiej prędkości to badanie należy wykonać



Tabela wyników i schemat układu pomiarowego:

L.p.

I

f

U

a0

n

A

V

obr/min

1

. . . . .

. . . . .

. . . . .

10

U1

V1

W1

Silnik indukcyjny

klatkowy

Napęd prądnicy

Maszyna

indukcyjna

pierścieniowa

wykorzystywana

jako

synchroniczna

Momentomierz

i obrotomierz

Falownik

L1

N

~

~

L1

N

~

=

V

Zasilacz
obwodu

wzbudzenia

M

A

2.1.

Badanie maszyny synchronicznej przy pracy autonomicznej

17

2.2.

Badanie maszyny synchronicznej przy pracy autonomicznej



Badania prądnicy w stanie zwarcia



Wyznaczyć i narysować zależność prądu zwarcia w tworniku od wartości

prądu wzbudzenia przy stałej częstotliwości wynoszącej 50 Hz.



Wyznaczyć i narysować zależność prądu zwarcia w tworniku od prędkości

wirowania przy stałej wartości prądu wzbudzenia.



Tabele wyników i schemat układu pomiarowego:

L.p.

I

az

I

f

n

A

A

obr/min

1

n

s

= . . .

. . . . .

. . . . .

5

L.p.

I

az

n

I

f

A

obr/min

A

1

If = . . .

. . . . .

. . . . .

10

U1

V1

W1

Silnik indukcyjny

klatkowy

Napęd prądnicy

Maszyna

indukcyjna

pierścieniowa

wykorzystywana

jako

synchroniczna

Momentomierz

i obrotomierz

Falownik

L1

N

~

~

L1

N

~

=

A

Zasilacz
obwodu

wzbudzenia

M

A

18

2.3.

Badanie maszyny synchronicznej przy pracy autonomicznej



Badania prądnicy w stanie obciążenia



Wyznaczyć i narysować charakterystyki zewnętrzne prądnicy przy stałej

częstotliwości wynoszącej 50 Hz i różnych charakterach odbiorników.



Tabele wyników i schemat układu pomiarowego:

L.p.

I

a

U

a

I

f

cos

j

odb

n

A

V

A

-

Obr/min

1

I

fmax

1

lub 0(L)

lub 0(C)

n

s

. . . . .

. . . . .

. . . . .

10

U1

V1

W1

Silnik

indukcyjny

klatkowy

Napęd prądnicy

Maszyna

indukcyjna

pierścieniowa

wykorzystywan

a jako

synchroniczna

Momen-

tomierz

i obroto-

mierz

Falownik

L1

N

~

~

L1

N

~

=

V

Zasilacz
obwodu

wzbudzeni

a

M

A

A

Odbornik

R

lub L

lub C

Autotransformator

regulacyjny

19

Ćwiczenie 3

Badanie rezystancji izolacji transformatora

oraz wyznaczanie jego grupy połączeń

20

21

3.1. Badanie rezystancji izolacji transformatora oraz

wyznaczanie jego grupy połączeń



Doświadczalne wyznaczenie grupy połączeń transformatora
Do badania należy wykorzystać symetryczny układ napięcia trójfazowego
kolejności zgodnej


Symetryczny układ trójfazowy kolejności zgodnej charakteryzuje się
występowaniem przesunięć fazowych pomiędzy kolejnymi napięciami
układu tak, że napięcie każdej następnej fazy układu opóźnia się
względem napięcia poprzedniej fazy o kąt 120 stopni.



Wyznaczanie kolejności układu napięć zasilających



można przeprowadzać przy
pomocy specjalnych
mierników kolejności faz
układu trójfazowego

22

3.2. Badanie rezystancji izolacji transformatora oraz

wyznaczanie jego grupy połączeń



Wyznaczanie kolejności układu napięć zasilających c.d.

R

C

L 1

L 2

L 3

I

12

I

12

U

V

V



można przeprowadzać przy
pomocy pomiarów napięć
prostego układu RC podłączo-
nego

do zacisków wykorzys-

tywanego

trójfazowego układu

napięć

 Badanie polega na

porówna-

niu

wartości napięcia wskazy-

wanego przez woltomierz z
wartością napięcia między-
przewodowego.
Jeśli U

V

>U

12

, to układ trójfa-

zowy

jest kolejności zgodnej.

Jeśli U

V

<U

12

, to układ trójfa-

zowy

jest kolejności

przeciwnej.



Wynika to z wykresów
wskazowych zamieszczonych
obok.

L

1

L

2

L

3

Układ kolejności zgodnej

U

12

U

31

U

23

I

12

U

R

U

C

U

C

U

V

U

V

>

U

12

L

1

L3

L2

Układ kolejności przeciwnej

U

12

U

31

U

23

I

12

U

R

U

C

U

V

U

V

<

U

12

23

3.3. Badanie rezystancji izolacji transformatora oraz wyznaczanie jego

grupy połączeń



Wyznaczanie kolejności układu napięć zasilających c.d.



Na podstawie wartości pojemności kondensatora oraz rezystora, które są do
dyspozycji, ustalić wartość napięcia zasilania, które nie zniszczy tych
elementów, połączyć układ, zasilić go nastawioną na autotransformatorze
wartością obliczoną napięcia U

12

i sprawdzić porównanie wartości U

V

oraz U

12

.

Zmieniać kolejność zacisków na zasilaniu tak by U

V

stało się większe od U

12

.

Uzyskany układ napięć tworzy w takim przypadku kolejność zgodną.



Pomiary do wyznaczenia kąta godzinowego transformatora



Należy połączyć ze sobą po jednym zacisku strony GN i DN oraz zasilić jedno
z uzwojeń napięciem trójfazowym kolejności zgodnej, zgodnie z oznaczeniami
zacisków transformatora. Następnie wykonać pomiary wartości napięć dla
wszystkich kombinacji zacisków wyjściowych oraz wejściowych transformatora

A

A

B

C

a

b

c

L1

L2

L3

l1

l2

l3

V

Autotransformator regulacyjny

24

3.4. Badanie rezystancji izolacji transformatora oraz wyznaczanie jego

grupy połączeń



Pomiary do wyznaczenia kąta godzinowego transformatora c.d.



Wyniki pomiarów należy zestawić w tabeli, a na ich podstawie narysować wykres
wskazowy napięć międzyzaciskowych transformatora.



Rysowanie należy rozpocząć od trójkąta napięć zasilania: U

AB

, U

BC

, U

CA

, (A,B,C)

a następnie na podstawie kolejnych wartości napięć wyznaczyć położenie punktów

b oraz c. Przykładowa konstrukcja wykresu została pokazana poniżej.



W ramach pracy własnej,
dobrać nowe nazewnictwo
zacisków transformatora,
tak by kąt godzinowy uzyskał
nową wartość podaną
przez prowadzącego

A,a

b

U

AB

c

U

ab

B

C

U

BC

U

CA

U

bc

U

ca

U

Cc

U

Cb

U

Bc

U

Bb

Kąt godzinowy

11 h

25

3.5. Badanie rezystancji izolacji transformatora oraz wyznaczanie jego

grupy połączeń

 Pomiary rezystancji izolacji transformatora

Przeprowadza się zgodnie z zaleceniami normy PN-88/E-06714

(IEC 34-

1) Maszyny elektryczne wirujące. Ogólne wymagania i badania



Pomiary przeprowadza się przy pomocy mierników izolacji, które dokonują
pomiarów rezystancji izolacji prądem stałym przy zasilaniu badanego układu
napięciem o wartości zależnej od napięcia znamionowego badanego transformatora,
wybieranym spośród wartości: 500V, 1000V oraz 2500V.



Odczytu wartości lub rejestracji dokonuje się po czasie 15s i 60s od chwili podania
napięcia (R15 i R60). Na podstawie zmierzonych wielkości oblicza się tzw.
współczynnik absorpcji, który jest równy R60/R15

 Wymagania:



, przy czym R60 w M

W

, U

N

w V, S

N

w MVA





Przeprowadzić pomiary i dokonać ich analizy.

N

N

60

S

10

1000

1

U

R







3

,

1

R

R

15

60



26

Ćwiczenie 4

Badanie maszyny synchronicznej

podczas pracy w sieci sztywnej

27



Oględziny oraz odczyt i analiza danych znamionowych maszyn i urządzeń

wykorzystywanych w trakcie badań



Połączenie układu

4.1.

Badanie maszyny synchronicznej podczas pracy w sieci sztywnej

U1

V1

W1

Silnik indukcyjny

klatkowy

Napęd prądnicy

Momentomierz

i obrotomierz

Falownik

L1

N

~

~

L1

N

~

=

M

V

Zasilacz

obwodu

wzbudzenia

A

U

kł

ad

s

y

nchroni

z

a

c

ji

L1

L2

L3

L1

L2

L3

L3

L1

L2

N

V

U

PR

U

S

I

W

W

Q

PR

P

PR

L1

L2

L3

Prądnica

L1

L2

L3

Sieć

L1

L2

L3

Prądnica

L1

L2

L3

Sieć

Układ

synchronizacji

„met. na ciemno”

Układ

synchronizacji

„met. światła wirującego”

28



Synchronizacja prądnicy z siecią dwoma metodami

 Praca w sieci sztywnej



Regulacja mocy czynnej (sprawdzenie jak wpływa regulacja mocy

czynnej na moc bierną)



Regulacja mocy biernej (sprawdzenie jak wpływa regulacja mocy

biernej na moc czynną)



Wyznaczenie krzywych „V” przy podanej przez prowadzącego mocy

4.2.

Badanie maszyny synchronicznej podczas pracy w sieci sztywnej

L.p.

I

I

f

Q

PR

cos

j

U

s

P

PR

A

A

VAr

-

V

W

1

Imax

. . . . .

5

Imin

. . . . .

10

Imax



Na bazie pomiarów

narysować i poddać

analizie charakterystyki:

I, Q

PR

, cos

j

= f(I

f

)

KOLEJNE
ĆWICZENIA
NIEBAWEM

29