1

Temat:

PRĄDNICA SYNCHRONICZNA

W UKŁADACH ZASILANIA

Zagadnienia:

• budowa i zasada działania,
• sposoby wzbudzania,
• charakterystyki zewnętrzne,
• współpraca prądnicy z siecią.

2

PODZIAŁ MASZYN ELEKTRYCZNYCH

PODZIAŁ MASZYN ELEKTRYCZNYCH

Asynchroniczne

Prądu stałego

Indukcyjne

Klatkowe

Komutatorowe

Komutatorowe

Pierścieniowe

Prądu przemiennego

Synchroniczne

Maszyny
elektryczne

Podział maszyn ze względu na zastosowanie:

−

energetyczne

(prądnice, silniki, przetwornice) –

istotna sprawność

−

specjalne

(prądnice tachometryczne, selsyny, silniki skokowe,

silniki wykonawcze itp.) –

istotna ch-ka przetwarzania sygnału

Podział maszyn ze
względu na rodzaj prądu:

3

MASZYNY SYNCHRONICZNE

MASZYNY SYNCHRONICZNE

Co to jest maszyna synchroniczna?

Maszyna synchroniczna

- maszyna prądu przemiennego, w której między

częstotliwością prądu w tworniku i prędkością wirowania wirnika zachodzi
związek

60

p

n

f

⋅

=

n

− prędkość wirowania wirnika [obr/min],

f

− częstotliwość prądu w tworniku [Hz],

p

– liczba par biegunów.

Maszyna synchroniczna jest maszyną odwracalną.

Może pracować jako silnik lub jako prądnica.

‰

Prądnice

synchroniczne

pracują jako generatory trójfazowego prądu przemiennego

o częstotliwości 50 Hz w elektrowniach i agregatach prądotwórczych.

‰

Silniki synchroniczne

stosowane są do napędu maszyn wymagających stałej

prędkości obrotowej.

4

i

i

e

e

e
(i)

T

0

MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

5

i

i

e

e

e
(i)

T

0

n

− prędkość obrotowa (ω=2πn)

p

– liczba par biegunów

Częstotliwość

indukowanego

napięcia

[Hz]

n

f

=

[1/s]

[Hz]

60

p

n

f

⋅

=

[1/min]

MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

6

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

Typy budowy maszyny synchronicznej

1.

Magneśnica (wzbudzenie) na wirniku w postaci biegunów jawnych

(dla małych prędkości obrotowych np: hydrogeneratory).

2.

Magneśnica (wzbudzenie) na wirniku w postaci biegunów utajonych

(dla dużych prędkości obrotowych np: (turbogeneratory).

3.

Magneśnica (wzbudzenie) na stojanie w postaci biegunów jawnych

(tylko dla małych mocy do kilku kW)

.

W każdym przypadku twornik jest taki sam tzn. uzwojenie trójfazowe o
biegunach utajonych.

7

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

U1

V1

V2

W2

W1

U2

N

S

N

S

Maszyna synchroniczna

z biegunami utajonymi

na stojanie i wydatnymi

na wirniku

uzwojenie stojana
(twornika)

uzwojenie wirnika
(wzbudzenia)

obwód

magnetyczny

stojana

obwód

magnetyczny

wirnika

pierścienie ślizgowe

szczotki

wyprowadzenia
uzwojeń stojana

1.

8

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

U1

V1

V2

W2

W1

U2

+

_

N

S

Maszyna synchroniczna

z biegunami utajonymi

na stojanie i wirniku

uzwojenie stojana
(twornika)

uzwojenie wirnika
(wzbudzenia)

obwód

magnetyczny

stojana

obwód

magnetyczny

wirnika

pierścienie ślizgowe

szczotki

wyprowadzenia
uzwojeń stojana

2.

9

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

+ _

3~

N

N

S

S

Maszyna synchroniczna
z biegunami wydatnymi

na stojanie i utajonymi

na wirniku

uzwojenie
stojana
(wzbudzenia)

uzwojenie wirnika
(twornika)

obwód

magnetyczny

stojana

obwód

magnetyczny

wirnika

pierścienie ślizgowe

szczotki

wyprowadzenia
uzwojeń wirnika

wyprowadzenia

uzwojenia

wzbudzenia

3.

10

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

1
2

4

5
6
7
8
9

Jarzmo stojana
Rdzeń stojana (blachowany)
Uzwojenie stojana
Wirnik

3

Wentylator
Zaciski
Pierścienia ślizgowe
Szczotki
Wzbudnica

1 2

3

4

5

9

8

7

6

11

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

Wirnik z biegunami wydatnymi

Wirnik z biegunami utajonymi

12

ROZKŁAD INDUKCJI MAGNETYCZNEJ W SZCZELINIE

ROZKŁAD INDUKCJI MAGNETYCZNEJ W SZCZELINIE

POWIETRZNEJ

POWIETRZNEJ

Rozkład pola magnetycznego w szczelinie powietrznej między wirnikiem

i stojanem decyduje o kształcie napięcia indukowanego w uzwojeniach

prądnicy

rozkład indukcji w maszynie

o biegunach wydatnych

B, e

α

δ

δx

+B

-B

α

1

7

2

8

3

9

4

10

5

11

6

12

rozkład indukcji w maszynie

o biegunach utajonych

13

R

zasilanie z bocznikowej prądnicy prądu stałego umieszczonej na wspólnym

wale przez pierścienie ślizgowe,

R

zasilanie z prądnicy prądu przemiennego z prostownikiem,

R

samowzbudne- uzwojenie wirnika jest zasilane przez transformator,

prostownik z uzwojenia stojana (maszyna musi być wstępnie
namagnesowana).

SPOSOBY WZBUDZANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

SPOSOBY WZBUDZANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

b

d

N

S

Iw

U

Rw

Rww

Iww

+

_

Wzbudnica

14

Model prądnicy synchronicznej ze wzbudzeniem na wirniku

R

Wirnik z uzwojeniem wzbudzenia zasilanym napięciem stałym napędzany jest

przez silnik z prędkością n. W szczelinie powietrznej uzyskuje się wirujące pole
magnetyczne o sinusoidalnym rozkładzie.

R

Na stojanie znajduje się uzwojenie trójfazowe. W poszczególnych fazach

uzwojenia indukują się napięcia o sinusoidalnym kształcie przesunięte w fazie o
120

°. Częstotliwość i wartość skuteczna napięć w poszczególnych fazach zależą

od:

60

p

n

f

⋅

=

f

t

k

t

z

m

44

,

4

E

⋅

⋅

⋅

Φ

⋅

=

gdzie : k

t

- współczynnik zależny od typu uzwojenia twornika

z

t

- liczba zwojów uzwojenia twornika (stojana)

R

Po włączeniu obciążenia do uzwojenia twornika pojawi się w nim prąd. Zmienny

prąd wytworzy pulsujący strumień magnetyczny. Geometryczna suma strumieni
z trzech faz tworzy pole wirujące synchronicznie (współbieżnie) z wirnikiem.

R

Pole twornika (stojana) wiruje synchronicznie z wirnikiem ale jest przesunięte w

stosunku do pola wzbudzenia o kąt (90

°+Ψ).

ZASADA DZIAŁANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

ZASADA DZIAŁANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

15

ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA

ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA

Obciążenie rezystancyjne

Obciążenie indukcyjne

16

ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA

ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA

Obciążenie rezystancyjne

Obciążenie pojemnościowe

17

CHARAKTERYSTYKA ZEWNĘTRZNA U=f(I)

CHARAKTERYSTYKA ZEWNĘTRZNA U=f(I)

cos =1

ϕ

∆U

U

I

Iw=const

n=n =const

N

I

Em

Φm

cos

1

induk.

ϕ<

I

Icos

Ψ

Em

Φm

Isin

Ψ

Ψ

cos

1

poj.

ϕ<

Icos

Ψ

Em

Φm

I

Isin

Ψ

Ψ

U=E-I Z

18

1.

Jednakowe następstwo faz (zgodne kierunki wirowania napięć

prądnicy i sieci).

2.

Równość częstotliwości prądnicy i sieci.

3.

Zgodność fazowa napięć prądnicy i sieci.

4.

Równość wartości skutecznych napięć prądnicy i sieci.

5.

Jednakowy kształt krzywej napięcia.

WARUNKI SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY

WARUNKI SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY

Z SIECIĄ SZTYWNĄ

Z SIECIĄ SZTYWNĄ

19

SPOSOBY SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY Z SIECIĄ

SPOSOBY SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY Z SIECIĄ

Układ do synchronizacji

na ciemno

Układ do synchronizacji

na światło wirujące

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

L1(R)

L2(S)

L3(T)

A

B

C

G

Prądnica

Sieć 3 400V

+

V

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

20

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

1.

Niejednakowe następstwo faz

prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

21

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

ż1 ż2 ż3

1.

Niejednakowe następstwo faz

prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

22

2.

Nierówne częstotliwości

prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

ż1 ż2 ż3

23

2.

Nierówne częstotliwości

prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

∆U

∆U

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

ż1 ż2 ż3

24

2.

Nierówne częstotliwości

prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

∆U

∆U

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

ż1 ż2 ż3

25

3.

Niejednakowe fazy

prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

∆U

∆U

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

ż1 ż2 ż3

26

3.

Niejednakowe fazy

prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

∆U

∆U

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

ż1 ż2 ż3

27

4.

Niejednakowe wartości skuteczne

napięć prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

ż1 ż2 ż3

28

4.

Niejednakowe wartości skuteczne

napięć prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

ż1 ż2 ż3

29

4.

Niejednakowe wartości skuteczne

napięć prądnicy i sieci

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3 400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A B C
R S T

ż1 ż2 ż3

30

WYMIANA MOCY PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Z SIECIĄ

WYMIANA MOCY PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Z SIECIĄ

SZTYWNĄ

SZTYWNĄ

Zmieniając prąd wzbudzenia I

w

(wirnika) prądnicy synchronicznej można regulować

moc bierną pobieraną z sieci zasilającej. Jeżeli:
I

w

duże (maszyna przewzbudzona) - maszyna pobiera z sieci moc

bierną

pojemnościową.

I

w

małe (maszyna niedowzbudzony) - maszyna pobiera z sieci moc

bierną

indukcyjną.

Maszyna pobierająca wyłącznie moc bierną indukcyjną nazywamy

kompensatorem.

Jeżeli zwiększymy moc doprowadzoną do wału napędowego prądnicy synchronicznej
to zacznie ona oddawać do sieci

moc czynną

. Przy zmniejszaniu mocy doprowadzonej

maszyna zaczyna pracować jako

silnik

pobierając moc czynną z sieci.

M

A1

A2

W

=220V

E2

E1

+

_

Rw

I

K

=36 V

0

U

V

Rw1

3~50Hz

230/400V

G

silnik napędowy prądu stałego

pradnica

Iw

31