1 

5. BADANIE PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ 

Wiadomości wstępne 

Maszyna synchroniczna – to typ maszyny prądu przemiennego, w której istnieje ścisła zależność między 

częstotliwością napięcia f a prędkością obrotową n maszyny według zależności: 

p

f

60

n

=

  [obr/min] 

Maszyny synchroniczne buduje się najczęściej jako trójfazowe, w stojanie których umieszczane jest 

z reguły trójfazowe uzwojenie twornika, a uzwojenie wzbudzenia umieszczone w wirniku zasilane jest 
napięciem stałym. W statycznym układzie wzbudzenia uzwojenia wirnika zasilane są poprzez pierścienie 
ślizgowe i urządzenie szczotkowe z dodatkowej prądnicy bocznikowej umieszczonej na wspólnym wale 
z prądnicą synchroniczną. Bezszczotkowy system układu wzbudzenia składa się z trójfazowej wzbudnicy 
głównej prądu przemiennego i wirującego prostownika, który zawiera w sześciu gałęziach po kilka 
równolegle połączonych diod zapewniających żądaną rezerwę w prostowniku. 

Dla uzyskania w przybliżeniu sinusoidalnego rozkładu indukcji magnetycznej uzwojenie wzbudzenia 

turbogeneratorów umieszcza się w żłobkach zajmujących około 2/3 obwodu wirnika, a w hydrogeneratorach 
uzyskuje się to przez odpowiednie ukształtowanie szczeliny przywirnikowej. 

Prądnica synchroniczna może być  włączona do sieci po uprzednim dokonaniu synchronizacji, która 

polega na doprowadzeniu maszyny do takiego stanu, aby w chwili włączania jej do sieci nie popłynął zbyt 
duży prąd. Warunki synchronizacji są następujące: 
•  Równość wartości skutecznych napięć sieci i prądnicy, 
•  Równość częstotliwości napięć sieci i prądnicy, 
•  Równość wartości napięć chwilowych sieci i prądnicy, 
•  Zgodność następstwa faz napięcia sieci i prądnicy. 

Jeżeli prądnica po przeprowadzeniu synchronizacji zostanie włączona do sieci, to może przejąć 

obciążenie czynne i bierne. Aby prądnica przejęła obciążenie czynne zwiększa się moment obrotowy 
urządzenia napędzającego prądnicę. Aby prądnica synchroniczna mogła dostarczać do sieci moc bierną, 
zmienia się jej prąd wzbudzenia. 

5.1. Cel ćwiczenia 

Celem  ćwiczenia jest zapoznanie się z własnościami prądnicy synchronicznej oraz wyznaczenie jej 

charakterystyk. Pomiary wykonuje się na stanowisku laboratoryjnym wyposażonym we wszystkie przyrządy 
pomiarowe i pomocnicze. 

5.2. Dane znamionowe 

Z tabliczek znamionowych: maszyny synchronicznej, silnika bocznikowego prądu stałego i wzbudnicy 

należy przepisać dane znamionowe tych maszyn. 

5.3. Przebieg pomiarów 

5.3.1. Charakterystyka biegu jałowego 

Układ połączeń do zdejmowania charakterystyki biegu jałowego przedstawiony jest na rysunku 5.1. 

Charakterystyka biegu jałowego jest zależnością indukowanego napięcia twornika w funkcji stałego w czasie 
prądu wzbudzenia E

0

 = f(I

f

) przy n = n

n

 = const w stanie nieobciążonym prądnicy synchronicznej (I = 0). 

Badania prądnicy synchronicznej rozpoczyna się od chwili rozruchu silnika bocznikowego prądu stałego za 
pomocą rozrusznika R

r

. W tym celu załącza się napięcie prądu stałego stycznikiem S3 i zwiera się stopniowo 

poszczególne segmenty rozrusznika. Następnie podaje się napięcie ze wzbudnicy na uzwojenie wirnika 
prądnicy synchronicznej przez załączenie wyłącznika WW. 

2 

U

V

W

A

A

A

PV

A

wg

A

fm

A

V

M

G

R

nap

D1

D2

A1

A2

WW

F1

F2

S2

S3

=

Z9

R

r

A1

A2

D1

D2

R

obr

N
V
U
W

 

Rys. 5.1. Schemat połączeń do próby biegu jałowego prądnicy synchronicznej 

Po załączeniu stycznika S2, korzystając z przełącznika rodzaju napięcia PV, odczytuje się napięcia 

twornika prądnicy. Prędkość obrotową n = n

n

 utrzymuje się stałą przez regulację rezystancji R

obr

 włączonej 

w obwód wzbudzenia silnika. Przez zmianę rezystancji R

nap

  włączonej w obwód wzbudzenia wzbudnicy 

zwiększa się prąd wzbudzenia I

f

 prądnicy do takiej wartości, aby napięcie na zaciskach twornika było równe 

1,3 U

n

. Następnie zmniejszając prąd wzbudzenia, odczytuje się wartości sił elektromotorycznych 

zaindukowanych w tworniku prądnicy synchronicznej. Wyniki pomiarów wpisuje się do tabeli 5.1. Oblicza 
się średnią wartość siły elektromotorycznej: 

3

E

E

E

E

UW

VW

UV

0

+

+

=

 

Tabela 5.1. 

I

f

 

E

UV

 

E

UW

 

E

WV

 

E

0

 n 

Lp. 

A V V V V 

obr/min 

1            

2            

3            

4            

5            

6            

7            

8            

Charakterystyka biegu jałowego przedstawiona jest na rysunku 5.2. Zakrzywienie charakterystyki biegu 

jałowego, zwanej również charakterystyką magnesowania, spowodowane jest nasyceniem rdzenia prądnicy 
synchronicznej. Pokazany kształt charakterystyki uwzględnia istnienie magnetyzmu szczątkowego. 
Korzystając z charakterystyki magnesowania określa się wartość znamionowego prądu wzbudzenia biegu 
jałowego I

f0n

 przy napięciu U = U

n

. 

3 

E

0

I

f

E

sz

0

I

f0n

U

n

 

Rys. 5.2. Charakterystyka biegu jałowego prądnicy synchronicznej 

5.3.2. Charakterystyka zwarcia ustalonego prądnicy synchronicznej 

Schemat połączeń do zdejmowania charakterystyki zwarcia przedstawiony jest na rysunku 5.3. 

Charakterystyki zwarcia I

z

 = f(I

f

) przy n = n

n

 = const są zależnością prądu twornika od prądu wzbudzenia 

przy zwarciu faz twornika. Zdejmując charakterystykę zwarcia symetrycznego należy zewrzeć zaciski UVW, 
zwarcia dwufazowego – np. zaciski UV, zwarcia jednofazowego – np. zaciski OU. Prędkość obrotowa 
prądnicy jest równa prędkości znamionowej. Przy zwarciu symetrycznym prąd wzbudzenia I

f

 reguluje się do 

takiej wartości, aby prąd twornika osiągnął wartość około 1,2 I

n

. Następnie zmniejszając prąd wzbudzenia 

mierzy się prądy poszczególnych faz twornika i oblicza się wartość prądu zwarcia symetrycznego: 

3

I

I

I

I

W

V

U

z

+

+

=

 

   

U

V

W

A

A

A

V

U

W

N

 

Rys. 5.3. Schemat połączeń do próby zwarcia ustalonego prądnicy synchronicznej 

Schemat połączeń wzbudnicy, silnika i uzwojenia wirnika prądnicy przedstawiono na rys. 5.1. 
Ze względu na niebezpieczeństwo przegrzania niektórych elementów prądnicy synchronicznej na skutek 

powstania silnego pola twornika wirującego w kierunku przeciwnym do wirowania wirnika, przy próbach 
zwarcia niesymetrycznego prąd twornika nie powinien przekraczać 25 % prądu znamionowego, a same 
próby powinny odbywać się możliwie szybko. Wyniki pomiarów wpisuje się do tabeli 5.3. 

Tabela 5.3. 

I

f

 

I

U

 

I

V

 

I

W

 

I

Z

 

Lp. 

Rodzaj 

zwarcia 

A A A A A 

1 

 

 

 

 

 

 

2 

 

 

 

 

 

 

3 

 

 

 

 

 

 

4 

 

 

 

 

 

 

5 

 

 

 

 

 

 

6 

 

 

 

 

 

 

7 

 

 

 

 

 

 

8 

 

 

 

 

 

 

4 

I

z

I

f

I

n

I

wz1n

I

wz2n

I

wz3n

a

b

c

 

Rys. 5.4. Charakterystyki zwarcia ustalonego prądnicy synchronicznej: a) symetrycznego, b) dwufazowego, c) 

jednofazowego. 

Charakterystyki zwarcia ustalonego prądnicy synchronicznej przedstawione są na rysunku 5.4. Ponieważ 

napięcie U = 0 więc przepływ wypadkowy i strumień są bardzo małe. W stanie zwarcia obwód magnetyczny 
jest nienasycony, więc istnieje proporcjonalność między prądami prądnicy synchronicznej. Z charakterystyki 
zwarcia symetrycznego określa się wartość znamionowego prądu wzbudzenia przy zwarciu I

fzn

. Na 

podstawie charakterystyk biegu jałowego i zwarcia symetrycznego oblicza się wartość stosunku 
zwarciowego: 

fzn

n

0

f

I

I

K

=

 

który zawiera się w granicach od 0,55 do 1,5. Wraz ze wzrostem stosunku zwarciowego rośnie stateczność 
pracy prądnicy oraz koszt prądnicy. 

5.3.3. Synchronizacja prądnicy synchronicznej z siecią sztywną 

Schemat połączeń prądnicy synchronicznej z siecią sztywną przedstawiony jest na rysunku 5.5. W celu 

zsynchronizowania prądnicy z siecią sztywną należy wykonać następujące czynności: 
1.  Uruchomić silnik napędowy i doprowadzić układ do prędkości obrotowej n = n

n

 za pomocą opornika 

R

obr

. 

2.  Po załączeniu wyłącznika WW przez regulację opornika R

nap

 należy zwiększyć napięcie prądnicy 

synchronicznej do wartości napięcia sieci zasilającej. 

3.  Załączyć stycznik S2 oraz łączniki Ł1 i Ł2 
4.  Przełącznikiem rodzaju synchronizmu PR wybrać sposób synchronizacji: 

a)  

przy synchronizacji na światło wirujące załączyć stycznik S1 w momencie, gdy jedna żarówka 
(oznaczona na stanowisku laboratoryjnym) gaśnie, a wskazówka woltomierza zdąża do zera. 
W momencie synchronizacji prędkość wirowania świateł powinna być niewielka, co osiąga się regulując 
prędkość obrotową opornikiem R

obr

, 

b)  

przy synchronizacji za pomocą kolumny synchronizacyjnej KS stycznik S1 załącza się w momencie, gdy 
woltomierz i częstotliwościomierz kolumny synchronizacyjnej wskazują zero, a wskazówka 
synchroskopu wolno obracając się zbliża się do czerwonego punktu na skali. 

Przy idealnej synchronizacji między prądnicą a siecią nie popłynie żaden prąd, nie ma przepływu żadnej 

mocy - czynnej i biernej, a moment obrotowy silnika pokrywa straty zespołu: silnik - prądnica - wzbudnica. 

S2

V
U
W

KS

U

V

W

A

A

A

W

β

W

α

S1

Ł2

Ł1

PV

 

Rys. 5.5. Schemat połączeń do synchronizacji prądnicy z siecią sztywną 

Schemat połączeń wzbudnicy silnika i uzwojenia wirnika prądnicy przedstawiono na rys. 5.1. 

5 

5.3.4. Charakterystyka obciążenia przy cos 

ϕ = 0 ind. 

Charakterystyką obciążenia nazywa się zależność napięcia na zaciskach prądnicy od prądu wzbudzenia U 

= f(I

f

) przy prądzie twornika I = I

a

 = const., n = n

n

 = const.; cos

ϕ = const. Aby obciążenie prądnicy miało 

charakter czysto indukcyjny należy zsynchronizowaną z siecią sztywną prądnicę przewzbudzić (zwiększając 
jej prąd wzbudzenia regulatorem R

nap

). Jednocześnie należy regulować opornikiem R

obr

 prąd wzbudzenia 

silnika, czyli moment obrotowy do stanu, gdy prąd prądnicy jest równy prądowi znamionowemu. 
W momencie, gdy wskazania (watomierzy) są równe, lecz przeciwne, moc czynna rozwijana przez prądnicę 
jest równa zeru i cos

ϕ = 0 (ind.). Do uzyskania prądu czysto biernego należy przy każdorazowej zmianie 

wzbudzenia prądnicy odpowiednio regulować wzbudzenie silnika napędowego dla zwiększenia jego 
momentu obrotowego, przez co zwiększona moc pokryje straty w prądnicy. W tak regulowanym układzie 
przy obciążeniu prądnicy prądem znamionowym I

n

 i przy cos

ϕ = 0 ind odczytuje się wartość prądu 

wzbudzenia I

f00

 przy napięciu U = U

n

. Na rysunku 5.6. pokazana jest konstrukcja charakterystyki obciążenia 

za pomocą wyznaczonego trójkąta Potiera. 

U

I

f

I

f00

I

f0n

I

fzn

U

n

E

0

U

A’

B’

C’

O’

E

D

B

A

C

0

 

Rys. 5.6. Charakterystyka obciążenia prądnicy synchronicznej 

Charakterystykę obciążenia buduje się w oparciu o wyznaczoną w punkcie 5.3.2. wartość znamionowego 

prądu wzbudzenia przy zwarciu I

fzn

, oraz wyznaczony punkt B’ o współrzędnych (U

n

, I

f00

). Od punktu B’ 

odkłada się w lewo odcinek B’0’ równy wartości I

fzn

. Przez punkt 0’ prowadzi się prostą równoległą do 

prostoliniowej części charakterystyki magnesowania E

0

 = f(I

f

). Z punktu A’ prowadzi się rzędną do 

przecięcia z odcinkiem B’ w punkcie 0’. Punkty A’B’C’ są wierzchołkami trójkąta Potiera, który przesuwa 
się po charakterystyce biegu jałowego tak, aby wierzchołek A’ ślizgał się po tej charakterystyce. 
Wierzchołek B’ zakreśli całkowitą charakterystykę obciążenia prądnicy synchronicznej. 

5.3.5. Charakterystyka zewnętrzna 

Charakterystyką zewnętrzną prądnicy synchronicznej nazywa się zależność napięcia na jej zaciskach od 

prądu twornika U = f(I), przy I

f

 = const., n = n

1

 = const., cos

ϕ = const. 

S2

U

V

W

A

A

A

W

β

W

α

Ł2

PV

R

obc

 

Rys. 5.7. Schemat połączeń do zdejmowania charakterystyki zewnętrznej prądnicy synchronicznej 

Schemat połączeń wzbudnicy silnika i uzwojeń wirnika prądnicy przedstawiono na rysunku 5.1.  
Schemat połączeń do zdejmowania charakterystyki zewnętrznej dla wartości współczynnika mocy 

cos

ϕ = 1 przedstawiony jest na rysunku 5.7. Po uruchomieniu silnika napędzającego należy załączyć 

stycznik S2 i łącznik Ł2. Charakterystykę zewnętrzną wyznacza się począwszy od biegu jałowego prądnicy, 

6 

gdy U = U

n

 i I = 0. Przez regulację rezystancji R

nap

 utrzymuje się stały prąd wzbudzenia I

f

 = const., 

a rezystancją  R

obr

 utrzymuje się stałą prędkość obrotową n = n

n

 = const. Następnie obciąża się stopniowo 

prądnicę opornikiem wodnym R

obc

, przyłączonym do zacisków Z1 na stole laboratoryjnym, do wartości 

I = I

n

. Wyniki pomiarów wpisuje się do tabeli 5.4. gdzie:  

3

I

I

I

I

W

V

U

+

+

=

 

Tabela 5.4. 

I

A

 

I

B

 

I

C

 I U 

Lp. 

A A A A V 

1 

 

 

 

 

 

2 

 

 

 

 

 

3 

 

 

 

 

 

4 

 

 

 

 

 

5 

 

 

 

 

 

6 

 

 

 

 

 

7 

 

 

 

 

 

8 

 

 

 

 

 

Na rysunku 5.8. przedstawiona jest zależność U = f(I) przy n = const., I

f

 = const., cos

ϕ = 1. Opadający 

przebieg charakterystyki zewnętrznej jest wynikiem rozmagnesowującego działania strumienia twornika 
oraz spadków napięcia na reaktancjach rozproszenia. 

U

I

U

n

cos =1

ϕ

I

n

 

Rys. 5.8. Charakterystyka zewnętrzna prądnicy synchronicznej 

5.3.6. Charakterystyka regulacyjna 

Charakterystyką regulacyjną prądnicy synchronicznej nazywa się zależność I

f

 = f(I) przy U = U

n

 = const., 

n = n

n

 = const. i cos

ϕ = const. Charakterystyki regulacyjne wyznacza się po zsynchronizowaniu prądnicy z 

siecią sztywną zgodnie z punktem 5.3.3. dla trzech wartości: 

a)  

cos

ϕ = 1. Rezystancją  R

nap

 reguluje się prąd wzbudzenia tak, aby wskazania watomierzy były zawsze 

jednakowe.  

b)  

cos

ϕ = 0,5 ind. Prąd wzbudzenia prądnicy zmienia się tak, aby watomierz W2 wskazywał 0, a watomierz 

W1 całkowitą moc.  

c)  

cos

ϕ = 0,5 poj. Prąd wzbudzenia prądnicy zmienia się tak, aby watomierz W2 wskazywał 0, a watomierz 

W1 całkowitą moc. 
Dla wszystkich trzech przypadków obciążenie prądnicy zmienia się przez zmianę prądu wzbudzenia 

silnika napędzającego. Wyniki pomiarów wpisuje się w tabeli 5.5. 

7 

Tabela 5.5. 

I

f

 I 

I

f

 I 

I

f

 I 

Lp. 

Charakter 
obciążenia 

A A 

Charakter 
obciążenia 

A A 

Charakter 
obciążenia 

A A 

1 

 

 

 

 

 

 

2 

 

 

 

 

 

 

3 

 

 

 

 

 

 

4 

 

 

 

 

 

 

5 

 

 

 

 

 

 

6 

 

 

 

 

 

 

7 

 

 

 

 

 

 

8 

cos

ϕ=1 

 

 

cos

ϕ=0,5 

ind. 

 

 

cos

ϕ=0,5 

poj. 

 

 

Na rysunku 5.9. przedstawiona jest zależność  I

f

 = f(I) przy U = const. i n = const. Wzrost prądu 

wzbudzenia I

f

 ze wzrostem prądu obciążenia I przy obciążeniu indukcyjnym jest spowodowany 

rozmagnesowującym działaniem twornika i wzrastającymi spadkami napięcia na reaktancjach rozproszenia. 
Wpływ tych czynników jest mniejszy przy obciążeniu czynnym prądnicy synchronicznej. Spadek prądu 
wzbudzenia I

f

 przy obciążeniu pojemnościowym wynika z domagnesowującej reakcji twornika. Prądnica 

synchroniczna pracuje jako niedowzbudzona, czyli oddaje sieci moc bierną pojemnościową. 

I

f

I

cos =1

ϕ

I

n

cos

ϕ

ind

cos

ϕ

poj

 

Rys. 5.9. Charakterystyki regulacyjne prądnicy synchronicznej 

5.4. Sprawozdanie 

Sprawozdanie powinno zawierać: 

•  dane znamionowe wszystkich maszyn, 
•  charakterystyki biegu jałowego, 
•  charakterystyki zwarcia, 
•  charakterystykę obciążenia, 
•  charakterystykę zewnętrzną, 
•  charakterystyki regulacyjne, 
•  wnioski i spostrzeżenia.