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.