background image

POLITECHNIKA GDAŃSKA 

Wydział Elektrotechniki i Automatyki 

Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych 

 
 
 
 
 

MATERIAŁY POMOCNICZE DO LABORATORIUM 

 

M A S Z Y N Y   E L E K T R Y C Z N E   I I  

 

PODSTAWY DYNAMIKI MASZYN ELEKTRYCZNYCH 

 

Kier. Elektrotechnika, studia mgr, sem. V 

 

TEMATYKA ĆWICZENIA 

 

BADANIE DYNAMIKI MASZYNY SYNCHRONICZNEJ 

ZWARCIE UDAROWE

 

POMIARY KOMPUTEROWE 

(wersja 1.1) 

 
 
 
 

Mieczysław RONKOWSKI 

Marek KAMIŃSKI 

Grzegorz KOSTRO 

Michał MICHNA 

Piotr PIETRUSZEWSKI 
Marcin STARZYŃSKI 

 
 
 
 
 

GDAŃSK 2002

background image

2 

Ćwiczenie: Badanie dynamiki maszyny synchronicznej. Pomiary komputerowe 

 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28

 

ĆWICZENIE 
BADANIE DYNAMIKI MASZYNY SYNCHRONICZNEJ 

ZWARCIE UDAROWE 
POMIARY KOMPUTEROWE 

 

 
Spis treści 
 

 

 

1. CEL ĆWICZENIA  

2. RZUT OKA NA ZASTOSOWANE KOMPUTEROWE TECHNIKI POMIAROWE 

 

3. BADANIA DOŚWIADCZALNE  

 

3.1. Oględziny zewnętrzne  

 

3.2. Pomiary zwarcia udarowego 

 

 

4. PYTANIA KONTROLNE 

 

 

5. ZADANIA 

 

 

6. SPRAWOZDANIE 

 

 

7. LITERATURA 

 

 

10 

8. ZAŁĄCZNIK  

 

10 

WZORY PRAKTYCZNE DO OBLICZANIA PRĄDÓW SYMETRYCZNEGO ZWARCIA 
UDAROWEGO MASZYNY SYNCHRONICZNEJ (MS) 

 

 

10 

 

1. CEL ĆWICZENIA 

Celem ćwiczenia jest:  

♦  opanowanie zastosowania komputerowych technik pomiarowych do badania właściwości 

dynamicznych generatora synchronicznego;  

♦  wykonanie badań doświadczalnych wybranych stanów pracy dynamicznej maszyny 

synchronicznej: 

•  zwarcie udarowe maszyny synchronicznej; 
•  porównanie wyników badań doświadczalnych z wynikami badań symulacyjnych. 

2.  RZUT OKA NA ZASTOSOWANE KOMPUTEROWE TECHNIKI POMIAROWE 

Przebiegi czasowe wielkości charakterystycznych stanów dynamicznych maszyny synchronicznej mogą 

być rejestrowane za pomocą dwóch układów pomiarowych (do wyboru): 

1. 4-ro 

kanałowy oscyloskop cyfrowy firmy Tektronix ze złączem GPIB oraz komputer PC wyposażony 

w kartę GPIB do zapisu wyników pomiarów na dysku;  

2.  komputer PC wyposażony w kartę pomiarową typu PCI-MIO-16E-4 firmy National Instruments. 

♦  Układ pierwszy jest układem klasycznym, więc nie wymaga wyjaśnienia zasady jego działania. W 

przypadku układu drugiego „sercem” jest wymieniona karta pomiarowa, która posiada: 

♦  16 pojedynczych lub 8 różnicowych wejściowych kanałów analogowych przy czym: 

•  maksymalne napięcie pracy ±11 [V] przy zabezpieczeniach przepięciowych ±25 [V], 
•  FIFO bufer (rozmiar kolejki) 512 [S], 
•  przetwornik analogowo–cyfrowy 12 bitowy, 
•  częstotliwość próbkowania 500 [kS/s]; 
•  2 analogowe wyjścia 12 bitowe; 
•  8 wejściowo/wyjściowych kanałów cyfrowych; 
•  2 wyjścia czasowe; 
•  1 wyjście zewnętrznego wyzwalania. 

Rozdzielczość karty PCI-MIO-16E-4 wynika z zastosowania 12 bitowego przetwornika A/C (4096 

poziomów dla danego zakresu). W tabeli 1 przedstawiono zakres pomiarowy oraz rozdzielczość karty w 
zależności od przyjętego wzmocnienia. 

background image

 

M. Ronkowski, M. Kamiński, G. Kostro, M. Michna, P. Pietruszewski,  M. Starzyński  

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28 

Tablica 1. Zakresy pomiarowe karty PCI-MIO-16E-4 firmy National Instruments 

Konfiguracja 

zakresu 

Wzmocnienie Zakres 

pomiarowy

Dokładność 

0 do +10 V 

1.0 

0 do +10 V 

2.44 mV 

 

2.0 

0 do +5 V 

1.22 mV 

 

5.0 

0 do +2 V 

488.28 

µV 

 

10.0 

0 do +1 V 

244.18 

µV 

 

20.0 

0 do +500 mV 

122.07 

µV 

 

50.0 

0 do +200 mV 

48.83 

µV 

 

100.0 

0 do +100 mV 

24.41 

µV 

0 do +10 V 

0.5 

-10 do +10 V 

4.88 mV 

 

1.0 

-5 do +5 V 

2.44 mV 

 

2.0 

-2.5 do +2.5 V 

1.22 mV 

 

5.0 

-1 do +1 V 

488.28 

µV 

 

10.0 

-500 do +500 mV 

244.18 

µV 

 

20.0 

-250 do +250 mV 

122.07 

µV 

 

50.0 

-100 do +100 mV 

48.83 

µV 

 

100.0 

-50 do +50 mV 

24.41 

µV 

 

Zasady doboru częstotliwości próbkowania i skanowania: 

•  dostępny zakres częstotliwości: 0,00153 – 500 000 pts/s dla jednego kanału; 
•  maksymalna częstotliwość próbkowania zmniejsza się tylokrotnie ile chcemy skanować kanałów; 
•  należy tak dobrać obie częstotliwości by zachować minimalny czas pomiędzy odczytem 

ostatniego kanału w jednej sekwencji skanowania, a odczytem pierwszego kanału następnej 
sekwencji (

∆t

Scan

) (dla karty PCI-MIO-16E-4 czas ten wynosi 

∆t

Samp

= 4

µs); 

•  należy uwzględnić dłuższy czas opóźnienia międzykanałowego, w przypadku zmiany 

wzmocnienia w dwóch sąsiednich kanałach na wyższą. 

Dalsze szczegóły dotyczące zasad pomiaru z zastosowaniem karty pomiarowej typu PCI-MIO-16E-4 

opisano w „Instrukcja Programu NIDAQScope rejestracji pomiarów z zastosowaniem karty pomiarowej 
National Instruments MIO-PCI 16E4 i komputera PC
” (dostępna na: 

http://wat3.ely.pg.gda.pl/maszyny/

). 

3. BADANIA DOŚWIADCZALNE  

3.1. Oględziny zewnętrzne  

Dokonać oględzin zewnętrznych badanej maszyny synchronicznej i urządzeń wchodzących w skład 

układu pomiarowego. Należy, przede wszystkim, dokładnie zanotować dane zawarte w  tabliczce 
znamionowej maszyny synchronicznej oraz wartości parametrów jej modelu obwodowego (patrz instrukcja 
do ćwiczenia „Dynamika maszyny synchronicznej. Badanie zwarcia udarowego” Laboratorium ME II).  
 

3.2. Pomiary zwarcia udarowego 

Pomiary zwarcia maszyny synchronicznej polegają na wykonaniu kolejno czynności: 

•  połączeniu układu pomiarowego według schematu zamieszczonego na rys.1; 
•  dokonaniu rozruchu maszyny synchronicznej za pomocą silnika prądu stałego; 
•  ustaleniu prędkości obrotowej równej prędkości znamionowej maszyny synchronicznej; 
•  ustawieniu takiego prądu wzbudzenia maszyny synchronicznej, aby na zaciskach maszyny 

zaindukowało się napięcie znamionowe; 

•  zanotowaniu wielkości charakterystycznych maszyny synchronicznej (prądu wzbudzenia, 

napięcia fazowego, prędkości obrotowej); 

•  zwarciu uzwojeń twornika maszyny synchronicznej za pomocą stycznika ST (rys. 1); 
•  dokonaniu rejestracji następujących przebiegów czasowych zwarcia udarowego maszyny: 

background image

4 

Ćwiczenie: Badanie dynamiki maszyny synchronicznej. Pomiary komputerowe 

 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28

 

  prądu twornika wybranej fazy, 
  napięcia fazowego (tej samej fazy w której rejestrowany jest prąd), 
  prądu wzbudzenia, 
  prędkości obrotowej; 

•  ponownym odczytaniu wielkości charakterystycznych maszyny (prądu wzbudzenia, prądu 

twornika, napięcia fazowego, prędkości obrotowej) – po ustaleniu się zwarcia. 

W czasie kolejnych pomiarów należy zwracać uwagę na utrzymanie stałej wartości prędkości obrotowej 

silnika napędowego (maszyny synchronicznej).  

Należy wykonać kilka prób zwarcia w taki sposób, aby każda z prób wykonana była przy innym koncie 

fazowym napięcia twornika (inna chwilowa wartość początkowa  napięcia fazowego twornika).  

 

V

A

ST

LE

M(U)

U1

V1

W1

W2

V2

U2

F1

F2

W

LEM(I)

PC/KP

AKUMULATOR

n

SPS

N

PC/KP

A

LE

M(I)

12V

PC/KP

TWORNIK MS

MAGNEŚNICA MS

TP

LE

M(U)

PC/KP

Uwaga:
Oznaczenia zacisków uzwojeń:
U1, U2, V1, V2, W1, W2, F1, F2
odpowiadają oznaczeniom zacisków:
as, as', bs, bs', cs, cs', fd, fd'
przyjętym dla modelu fizycznego MS

NAPĘD

TACHOPRĄDNICA

 

Rys. 1. Schemat układu pomiarowego do próby zwarcia udarowego maszyny synchronicznej (MS) 

Uwaga do rys. 1: 

Zakresy pomiarowe użytych mierników i przetworników typu LEM należy dobrać stosownie do: 

•  danych znamionowych badanej maszyny; 

•  dopuszczalnego zakresu amplitudy sygnałów na wejściu użytej karty pomiarowej lub 

oscyloskopu. 

background image

 

M. Ronkowski, M. Kamiński, G. Kostro, M. Michna, P. Pietruszewski,  M. Starzyński  

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28 

Uwagi do pomiarów: 

Przed dokonaniem zwarcia udarowego maszyn synchronicznej należy zanotować następujące 
wielkości początkowe: 

napięcie twornika  

            U

as0

   = .................. [V] 

(wartość fazowa!) 

prąd wzbudzenia 

 

I

fd0

  

= .................. [A] 

prędkość obrotowa   

n

0

  

= .................. [obr/min] 

Po zakończeniu stanu dynamicznego zwarcia udarowego należy zanotować wartości ustalone: 

napięcie twornika  

             U

as

   = .................. [V] 

(wartość fazowa!) 

prąd twornika   

 

I

as

 

= .................. [A] 

prąd wzbudzenia 

 

I

fd

 

= .................. [A] 

prędkość obrotowa   

n 

= .................. [obr/min] 

Zanotować wykaz wielkości mierzonych, numery kanałów i dane użytych przetworników LEM 

Wielkość mierzona 

Nr kanału (Channel) 

Przetwornik  

LEM 

Współczynnik transformacji 

LEM’a 

u

as

 Chan 

   

i

as

 Chan 

 

 

i

fd

 Chan 

  

n Chan 

  

 
Stała prądnicy tachometrycznej:  

Rys. 

2, rys. 

3 i rys.4 przedstawiają przykłady zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych 

przebiegów, które są charakterystyczne dla próby zwarcia udarowego maszyny synchronicznej. 

Uwagi do rys. 2 i rys. 3:  

•  Przebiegi zarejestrowano w układzie pomiarowym: komputer PC wyposażony w kartę 

pomiarową (KP) typu PCI-MIO-16E-4 firmy National Instruments. 

•  Przebiegi wykreślono i opracowano za pomocą procesora graficznego PROBE 

symulatora PSPICE.  

•  Zarejestrowane przebiegi czasowe na wyjściu przetworników LEM są odpowiednio 

przeskalowane, tzn.: 

 

przebiegi prądów wg relacji: 

Wartość liczbowa przebiegu prądowego w [A] = zarejestrowana wartość liczbowa 

przebiegu prądowego w [V] na wyjściu przetwornika LEM * współczynnik transformacji 

przetwornika LEM w [A/V] 

 

przebiegi napięciowe wg relacji: 

Wartość liczbowa przebiegu napięciowego w [V] = zarejestrowana wartość liczbowa 

przebiegu napięciowego w [V] na wyjściu przetwornika LEM * współczynnik 

transformacji przetwornika LEM w [V/V] 

 

•  Wartości ustalone i udarowe (maksymalne) wielkości mierzonych należy odnieść do 

wartości znamionowych maszyny synchronicznej. 

•  Na podstawie zarejestrowanych przebiegów, należy określić stałe czasowe stanu 

nadprzejściowego i przejściowego, a także wartości reaktancji nadprzejściowej i 
przejściowej w osi poprzecznej i podłużnej. 

Np. dla wielkości zarejestrowanej w kanale „1” (Chan1 = napięcia fazowe twornika) przeskalowanie 

wykonano za pomocą odpowiednich opcji procesora graficznego PROBE. Opcje te umożliwiają wykonanie 
wielu operacji, np. mnożenia i/lub dzielenia zmiennej przez wielkość stałą; dodawania lub odejmowania 
wielkości stałej; całkowania, różniczkowania zmiennej, itp.. Zatem przeskalowanie przebiegu napięcia 
twornika ma postać: 

 

background image

6 

Ćwiczenie: Badanie dynamiki maszyny synchronicznej. Pomiary komputerowe 

 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28

 

)

65

16

*

1

(

.

7

Chan

u

as

=

 [V] 

gdzie, liczba 716.65 = współczynnik transformacji zastosowanego przetwornika LEM w [V/V]. 

 

a)  
 

            Time

1.30s 1.35s 1.40s 1.45s 1.50s 1.55s 1.60s 1.65s 1.70s 1.75s

1   Chan0*25.881 2   Chan2*21.75

0A

20A

40A

60A

80A

1

 

   >>

-100A

-50A

0A

50A

100A

2

 

 Ias

 Ifd

(1.7870,20.391)

(1.4110,97.070)

(1.7992,9.2373)

(1.3579,8.7193)

(1.4150,69.620)

 

 Ifd0

Ias udarowy

Ifd udarowy

Ias ustalony

Ifd ustalony

b)

 

 

           

Time

1.30s 1.35s 1.40s 1.45s 1.50s 1.55s 1.60s 1.65s 1.70s 1.75s

1   Chan3 *330.54*4.57+900 2   Chan1 *716.65

0

400

800

1100

1
 

-400V

-200V

0V

200V

400V

2
 

   >>

Uas

 n

(1.7008,-62.321)

(1.3850,-316.329)

(1.3927,0.9994K)

 

 n0 

Uas0 

 

Rys. 2. Przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów czasowych próby zwarcia 

udarowego maszyny synchronicznej: przebieg symetryczny (praktycznie) prądu twornika  

a)  Chan0 = i

fd

 – prąd wzbudzenia [A], Chan2 = i

as

 – prąd twornika [A],  

b)  Chan1 = u

as

 – napięcie fazowe  twornika [V], Chan3 = n – prędkość obrotowa [obr/min] 

background image

 

M. Ronkowski, M. Kamiński, G. Kostro, M. Michna, P. Pietruszewski,  M. Starzyński  

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28 

a) 

 

           

Time

0.4s

0.6s

0.8s

1.0s

1.2s

1.4s

0.3s

1.5s

1   Chan0*25.881

2   Chan1*20.61

-100A

0A

100A

200A

1

 

   >>

0A

20A

40A

60A

2

 

Ifd

 Ias 

(1.0745,7.0445)

(352.128m,7.1389)

(398.000m,57.069)

(1.0850,19.587)

(396.000m,147.988)

Ifd0 początkowy

Ias udarowy

Ias ustalony 

Ifd udarowy

Ifd ustalony

 

b) 

Time

0.4s

0.6s

0.8s

1.0s

1.2s

1.4s

0.3s

1.5s

1   (Chan2*163+1.1)*50

2   Chan3*330.54

0

400

800

1100

1

 

-400V

-200V

0V

200V

400V

2

 

   >>

 Uas

(1.1200,-50.837)

(382.000m,-302.609)

 n

(1.3250,991.435)

(351.144m,0.9995K)

n0

Uas0

 

Rys. 3. Przykład zarejestrowanych i odpowiednio opracowanych przebiegów czasowych próby zwarcia 

udarowego maszyny synchronicznej: przebieg asymetryczny prądu twornika  

a) Chan0 = i

as

 – prąd twornika [A], Chan1= i

fd

 – prąd wzbudzenia[A],  

b) Chan2 = n – prędkość obrotowa [obr/min], Chan3 = u

as

 – napięcie fazowe twornika [V],  

background image

8 

Ćwiczenie: Badanie dynamiki maszyny synchronicznej. Pomiary komputerowe 

 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28

 

           

Time

380.0ms

390.0ms

400.0ms

410.0ms

420.0ms

430.0ms

440.0ms

450.0ms

1   Chan0*25.881 2   Chan3*330.54

-100A

0A

100A

170A

1

 

   >>

-400

-200

0

200

2

 

t0 chwila wystąpienia zwarcia

   Ias

 Uas

 Uas(t0)

 Uas0

 

Rys. 4. „ZOOM” zarejestrowanej chwili wystąpienia zwarcia udarowego maszyny synchronicznej 

Chan0 = u

as

 – napięcie fazowe  twornika [V], Chan3 = i

as

 – prąd twornika [A] 

4. PYTANIA KONTROLNE 

1. Podać i omówić schemat połączeń układu pomiarowego do badania przebiegów czasowych próby 

zwarcia udarowego maszyny synchronicznej. 

2. Podać i uzasadnić przebiegi prądu twornika dla zwarcia udarowego maszyny synchronicznej (MS). 

Założyć, że w chwili zwarcia napięcie na fazie as twornika ma wartość zerową. Posłużyć się 
przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program PSPICE). Jakie parametry i stałe czasowe 
dynamicznego modelu obwodowego MS mają wpływ na wartości udarowe przebiegów i czas 
trwania zwarcia udarowego? Zaznaczyć charakterystyczne etapy zwarcia udarowego. 

3. Podać i uzasadnić przebiegi prądu twornika dla zwarcia udarowego maszyny synchronicznej (MS). 

Założyć, że w chwili zwarcia napięcie na fazie as twornika ma wartość maksymalną . Posłużyć się 
przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program PSPICE). Jakie parametry i stałe czasowe 
dynamicznego modelu obwodowego MS mają wpływ na wartości udarowe przebiegów i czas 
trwania zwarcia udarowego? Zaznaczyć charakterystyczne etapy zwarcia udarowego. 

4. Podać i uzasadnić przebiegi prądu wzbudzenia dla zwarcia udarowego maszyny synchronicznej 

(MS). Rozważyć dwa przypadki: a) w chwili zwarcia napięcie na fazie as twornika ma wartość 
maksymalną; b) w chwili zwarcia napięcie na fazie as twornika ma wartość zerową. Posłużyć się 
przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program PSPICE). ). Jakie parametry i stałe czasowe 
dynamicznego modelu obwodowego MS mają wpływ na wartość udarową przebiegu i czas ustalania 
się prądu wzbudzenia?  

5. Podać i uzasadnić przebiegi składowych prądu twornika dla zwarcia udarowego maszyny 

synchronicznej (MS). Założyć, że w chwili zwarcia napięcie na fazie as twornika ma wartość 
zerową. Posłużyć się przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program PSPICE). Jakie 
parametry dynamicznego modelu obwodowego MS mają wpływ na wartości maksymalne 
składowych, a jakie na stałe czasowe przebiegów? 

6. Podać i uzasadnić przebiegi składowych prądu twornika dla zwarcia udarowego maszyny 

synchronicznej (MS). Założyć, że w chwili zwarcia napięcie na fazie as twornika ma wartość 
maksymalną. Posłużyć się przebiegami uzyskanymi metodą symulacyjną (program PSPICE). Jakie 
parametry dynamicznego modelu obwodowego MS mają wpływ na wartości maksymalne 
składowych, a jakie na stałe czasowe przebiegów? 

7. Podać sposób wyznaczania wartości reaktancji charakterystycznych MS w oparciu o przebiegi 

czasowe prądu twornika dla zwarcia udarowego maszyny. Posłużyć się przebiegami uzyskanymi 
metodą symulacyjną (program PSPICE).    

background image

 

M. Ronkowski, M. Kamiński, G. Kostro, M. Michna, P. Pietruszewski,  M. Starzyński  

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28 

5. ZADANIA 

1.  Na podstawie wyników pomiaru zwarcia udarowego maszyny synchronicznej (MS).  

  wykreślić przebiegi czasowe: napięcia twornika, prądu twornika i wzbudzenia oraz prędkości 

obrotowej (jeśli była mierzona);  

  uzasadnić fizyczne i analitycznie charakter pomierzonych przebiegów; 
  wyznaczyć wartości udarowe i ustalone prądu twornika i wzbudzenia oraz prędkości obrotowej; 
  wyznaczyć czasy trwania charakterystycznych etapów (stanów) zwarcia udarowego; 
  wyznaczyć wartości reaktancji charakterystycznych MS w oparciu o przebiegi czasowe prądu 

twornika; 

  wyznaczyć wartości stałych czasowych charakterystycznych MS w oparciu o przebiegi czasowe 

prądu twornika; 

2. Porównać jakościowo wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i symulacyjnej (program PSPICE

dla zwarcia udarowego maszyny synchronicznej (MS). Do porównania wybrać jeden z przebiegów, 
np.: napięcie twornika, prąd twornika, lub prędkość obrotową. 

3. Porównać jakościowo wyniki uzyskane na drodze doświadczalnej i analitycznej (wg wzorów 

podanych w załączniku) dla zwarcia udarowego maszyny synchronicznej (MS). Do porównania 
wybrać przebiegi napięcie twornika, prądu twornika i prędkości obrotowej. 

6. SPRAWOZDANIE 

Wzór strony tytułowej sprawozdania  

 

POLITECHNIKA GDAŃSKA 

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI 

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN 

ELEKTRYCZNYCH 

LABORATORIUM MASZYN ELEKTRYCZNYCH II 

sem. V rok akad. 2002/03 

ĆWICZENIE 4B 
BADANIE DYNAMIKI MASZYNY SYNCHRONICZNEJ. 

ZWARCIE UDAROWE

 

POMIARY KOMPUTEROWE 
 
Opracowali: 
Imię i nazwisko: 
.............................................................. 
.............................................................. 
Nr grupy laboratoryjnej/dziekańskiej: 
 
Data oddania sprawozdania: 
Ocena: 

Opracowanie sprawozdania powinno zawierać: 

•  stronę tytułową wg wzoru podanego niżej; 
•  nr zadania; 
•  dane znamionowe, parametry modelu obwodowego i stałe czasowe badanej maszyny (wartości 

parametrów należy nanieść na rysunku przedstawiającym model obwodowy maszyny);  

•  określenie wymuszeń elektrycznych i mechanicznych; 
•  określenie warunków początkowych : 
•  „ręczne” oszacowanie wartości udarowych i ustalonych wielkości badanych maszyny oraz ich 

porównanie z wartościami otrzymanymi na drodze symulacyjnej; 

•  uzasadnienie fizyczne i analityczne uzyskanych wyników  

(powinno to być napisane w stylu inżynierskim! —- tzn. minimum języka tekstowego a 
maksimum języka graficznego i symbolicznego
); 

•  krótką dyskusję wpływu założeń upraszczających modelu generatora na uzyskane wyniki metodą 

symulacyjną (program PSPICE); 

•  wykaz literatury wykorzystanej przy pisaniu sprawozdania. 

background image

10 

Ćwiczenie: Badanie dynamiki maszyny synchronicznej. Pomiary komputerowe 

 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28

 

7. LITERATURA 

1. S. Bolkowski: Stany nieustalone w obwodach elektrycznych. WNT, Warszawa, 1976. 
2.  R.H. Cannon (jr.): Dynamika układów fizycznych. WNT, Warszawa, 1973. 
3. P.C. Krause: Analysis of Electric Machinery. McGraw-Hill Book Comp. New York, 1986. 
4. W. Latek: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, Warszawa, 1982. 
5. W. Latek: Turbogeneratory. WNT, Warszawa, 1973. 
6. Z. Manitius: Maszyny elektryczne cz. I, II. Skrypt PG, 1982, 1984. 
7. Z. Manitius: Maszyny synchroniczne. Skrypt PG, 1978. 
8. W. Paszek: Stany nieustalone maszyn elektrycznych prądu przemiennego. WNT, Warszawa, 1986. 
9. M. Ronkowski: Szkic do wykładów z przedmiotu Maszyny elektryczne IIDynamika maszyn 

elektrycznych. Katedra Energoelektroniki i Maszyn Elektrycznych. WEiA. PG, Gdańsk, 2001. 
(

wat3.ely.pg.gda.pl/maszyny

10.  S. Roszczyk: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, Warszawa, 1979. 

8.  ZAŁĄCZNIK 

WZORY PRAKTYCZNE DO OBLICZANIA PRĄDÓW SYMETRYCZNEGO ZWARCIA 

UDAROWEGO MASZYNY SYNCHRONICZNEJ (MS)  

Przypomnijmy, że podczas trwania zwarcia udarowego MS wyróżnia się trzy charakterystyczne stany: 

•  stan podprzejściowy, w którym zarówno SMM klatki tłumiącej (prąd klatki 

r

kd

i'

) jaki i przyrost SMM 

wzbudzenia (przyrost prądu wzbudzenia ponad wartość początkową 

r

fd

I

0

'

) przeciwdziała SMM 

twornika (wymuszeniu twornika); 

•  stan przejściowy, w którym zmieniającej się SMM twornika przeciwdziała tylko przyrost prądu 

wzbudzenia ponad wartość początkową 

r

fd

I

0

'

 (prąd w klatce zmniejsza swą wartość do zera — 

przestaje płynąć); 

•  stan ustalony, w którym prąd wzbudzenia osiąga wartość początkową I’

r

fd0

 (ustalona SMM twornika 

przeciwstawia się ustalonej SMM wzbudzenia). 

Z wymienionymi wyżej stanami zwarcia udarowego MS stowarzyszone są odpowiednie składowe prądu 
twornika. Ogólne zasady ich wyznaczania, dla przypadku uproszczonego opisu zjawisk zwarcia udarowego, 
przedstawiono w p. 2.3. Szkicu do wykładu: „ANALIZA ZWARCIA UDAROWEGO MS”. Uproszczenie 
polegało na pominięciu rezystancji obwodów twornika, wzbudzenia oraz klatek tłumiących MS. Mniej 
uproszczony, ale praktyczny (inżynierski) sposób wyznaczania składowych prądu zwarcia stojana jest 
omówiony poniżej.  

SKŁADOWE UDAROWEGO PRĄDU ZWARCIA: WZORY ANALITYCZNE 

)

cos(

3

2

0

r

e

s

as

t

U

u

θ

+

ω

=

               (1)

)

3

2

cos(

3

2

0

π

θ

+

ω

=

r

e

s

bs

t

U

u

 

)

3

4

cos(

3

2

0

π

θ

+

ω

=

r

e

s

cs

t

U

u

 

N

S

as'

as

mfd

λ

N

S

r

as

q

d

0

r

θ

r

fd

I'

0

 

 

Rys. Z1. Określenie początkowego kąta (rad. elektryczne) 

położenia wirnika względem stojana.  

Na rysunku dla czasu t = 0 położenie kątowe wirnika 
wynosi 

θ

r0

 = 

π

/2 a napięcie indukowane 

0

)

0

(

=

as

u

 

 

background image

 

M. Ronkowski, M. Kamiński, G. Kostro, M. Michna, P. Pietruszewski,  M. Starzyński  

11 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28 

Zakładamy,  że MS pracuje samotnie w stanie biegu jałowego. W takich warunkach pracy napięcie na 
zaciskach uzwojenia stojana maszyny zależy od prądu wzbudzenia i prędkości kątowej (obrotowej) wirnika. 
Przy założeniu sinusoidalnego rozkładu pola wzbudzenia w szczelinie głównej maszyny, układu połączeń 
uzwojeń w gwiazdę, napięcie na zaciskach twornika ma charakter przebiegów sinusoidalnych 
(odpowiadających napięciom fazowym uzwojenia stojana), które opisują rów. (1). W rów (1): U

s

 - wartość 

skuteczna międzyfazowego napięcia twornika, 

θ

r0

 - początkowe położenie kątowe (elektryczne) wirnika 

względem stojana (patrz rys. 1), które określa fazę początkową napięcia. 
Napięcie fazowe równe jest SEM E

0

; dla wartości skutecznych zachodzi równość: 

 

0

3

E

U

s

=

 

SEM E

0

 jest indukowana wirującym strumieniem wzbudzenia (magneśnicy) 

λ

mfd

, którego wartość określa 

prąd początkowy wzbudzenia 

r

fd

I'

0

 

W dalszych wzorach zostaną pomięte indeksy symboli poszczególnych faz; podane wzory dotyczą fazy as
Przy powyższych wymuszeniach napięciowych i przejęciu klasycznych założeń upraszczających, prąd 
twornika MS w stanie zwarcia udarowego symetrycznego można przedstawić jako sumę następujących 
składowych:  
 

3

2

1

sz

sz

sz

sz

i

i

i

i

+

+

=

 (2) 

gdzie, 

♦  składowa częstotliwości podstawowej 

może być wyrażona jako suma składowych: 

 

sz

sz

szu

sz

i

i

i

i

′′

+

+

=

1

 (3) 

przy czym: 

• 

składowa ustalona 

 

)

 

sin(

2

0

0

r

e

d

szu

t

X

E

i

θ

+

ω

=

(4) 

• 

składowa przejściowa 

 

)

 

sin(

 )

1

1

(

2

0

0

r

e

d

T

t

d

d

sz

t

e

X

X

E

i

θ

+

ω

=

 (5) 

• 

składowa podprzejściowa 

 

)

 

sin(

 )

1

1

(

2

0

0

r

e

d

T

t

d

d

sz

t

e

X

X

E

i

θ

+

ω

′′

=

′′

′′

 (6) 

♦  składowa częstotliwości podwójnej (częstotliwości sumarycznej): 

 

)

 

2

sin(

 )

1

1

(

2

1

2

0

0

2

r

e

s

T

t

q

d

sz

t

e

X

X

E

i

θ

+

ω

′′

′′

=

 (7) 

♦  składowa aperiodyczna (częstotliwości różnicowej): 

 

)

sin(

 )

1

1

(

2

1

2

0

0

3

r

s

T

t

q

d

sz

e

X

X

E

i

θ

′′

+

′′

=

 (8) 

Reaktancje synchroniczne i stałe czasowe (zawarte w powyższych wzorach) wyznacza się wg zależności 
podanych w p. 2.4. Szkicu do wykładu „ANALIZA ZWARCIA UDAROWEGO MS” 

Reprezentację graficzną powyższych równań przedstawiono kolejno na rys. Z2, Z3, Z4, Z5, Z5 i Z6. Do 
obliczeń przyjęto początkowe położenie kątowe wirnika względem stojana 

θ

r0

 = 

π/2; odpowiada to napięciu 

początkowemu 

0

)

0

(

=

as

u

background image

12 

Ćwiczenie: Badanie dynamiki maszyny synchronicznej. Pomiary komputerowe 

 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28

 

           

Time

0s

20ms

40ms

60ms

80ms

100ms

I(G_Izu)

I(G_Izp)

I(G_Izpp)

I(G_Iz2)

I(G_Iz3)

-10KA

0A

10KA

20KA

sz

i

′′

szu

i

sz

i

2

sz

i

3

sz

i

 

 

Rys.Z2. Składowe (wyniki analityczne wg rów. 4-8) prądu twornika zwarcia udarowego symetrycznego 

generatora synchronicznego typu GD8-1000-50 o mocy 1000 kVA.  

Warunki początkowe 

2

/

0

π

=

θ

r

oraz 

0

)

0

(

=

as

u

  

 

           

Time

0s

20ms

40ms

60ms

80ms

100ms

I(G_Iz)

-20KA

0A

20KA

40KA

sz

i

 

 

Rys.Z3. Suma składowych (wynik analityczny wg rów. 2, składowe na rys. 2) prądu twornika zwarcia 

udarowego symetrycznego generatora synchronicznego typu GD8-1000-50 o mocy 1000 kVA.  

Warunki początkowe 

2

/

0

π

=

θ

r

oraz 

0

)

0

(

=

as

u

  

background image

 

M. Ronkowski, M. Kamiński, G. Kostro, M. Michna, P. Pietruszewski,  M. Starzyński  

13 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28 

          

Time

0s

40ms

80ms

120ms

160ms

200ms

I(G_Iz1)@1

I(G_Iz1)@2

-I(G_Iz1)@2

I(G_Izu_p)@2

-I(G_Izu_p)@2

I(G_Izu)@2

- I(G_Izu)@2

-20KA

0A

20KA

stan ustalony

stan podprzejściowy

stan przejściowy

obwiednia stanu podprzejściowego

obwiednia stanu przejściowego

obwiednia stanu ustalonego

obwiednia przebiegu bieżącego

 

Rys.Z4. Symetryczny przebieg prądu twornika zwarcia udarowego symetrycznego generatora 

synchronicznego typu GD8-1000-50 o mocy 1000 kVA.  

Wynik analityczny wg rów. 2, bez składowych: częstotliwości podwójnej, aperiodycznej. Warunki początkowe 

0

0

=

θ

r

oraz 

0

 

2

3

/

 

2

)

0

(

E

sn

U

u

as

=

=

 

 

          

Time

0s

40ms

80ms

120ms

160ms

200ms

-I(G_Iz1)

-I(G_Izu_p)

-I(G_Izu)

0

10KA

20KA

''

 i

'

 i

ekstrapolacja składowej przejściowej

amplituda składowej ustalonej

obwiednia prądu zwarcia twornika

g

a

b

c

d

h

ekstrapolacja przbiegu stanu podprzejściowego

 

Rys.Z5. Obwiednie symetrycznego przebiegu prądu twornika zwarcia udarowego symetrycznego generatora 

synchronicznego typu GD8-1000-50 o mocy 1000 kVA. 

Przebieg prądu twornika jak na rys. Z4. 

sz

sz

i

i

i

'

''

=

  

szu

sz

i

i

i

=

'

'

 

background image

14 

Ćwiczenie: Badanie dynamiki maszyny synchronicznej. Pomiary komputerowe 

 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28

 

          

Time

0s

20ms

40ms

60ms

80ms

100ms

-(I(G_Iz1)- I(G_Izu_p))

-(I(G_Izp)- I(G_Izu))

1.0A

1.0KA

100KA

''

 i

'

 i

 

Rys. Z6. Różnice prądów twornika (

sz

sz

i

i

i

'

''

=

(

szu

sz

i

i

i

=

'

'

, wg rys. Z5) symetrycznego przebiegu 

prądu twornika zwarcia udarowego symetrycznego generatora synchronicznego typu GD8-1000-50 o mocy 

1000 kVA. 

Przebieg prądu twornika i dane wg rys. Z4. Na osi y skala logarytmiczna, na osi x skala liniowa.  

 

METODA PRZYBLIŻONEGO WYZNACZANIA WARTOŚCI REAKTANCJI 

I STAŁYCH CZASOWYCH MS  

Do wyznaczania wartości reaktancji i stałych czasowych MS metodą pomiarową można wykorzystać 
eksperymentalne przebiegi czasowe prądów zwarcia udarowego symetrycznego. Przebieg najkorzystniejszy 
to przebieg symetryczny prądu twornika zwarcia udarowego MS (patrz rys. Z4), z odpowiednio 
wyznaczonymi obwiedniami składowych prądu, np. tak jak podano rsys. Z7 (powtórzony rys. Z5). 
 

          

Time

0s

40ms

80ms

120ms

160ms

200ms

-I(G_Iz1)

-I(G_Izu_p)

-I(G_Izu)

0

10KA

20KA

''

 i

'

 i

ekstrapolacja składowej przejściowej

amplituda składowej ustalonej

obwiednia prądu zwarcia twornika

g

a

b

c

d

h

ekstrapolacja przbiegu stanu podprzejściowego

 

Rys.Z7. Wyznaczanie wartości reaktancji MS na podstawie obwiedni symetrycznego przebiegu prądu 

twornika (stojana) dla zwarcia udarowego MS (przebieg i dane wg rys. Z4) 

Reaktancja synchroniczna podprzejściowa 

d

''

 determinuje wartość początkową prądu Ob obwiedni stanu 

background image

 

M. Ronkowski, M. Kamiński, G. Kostro, M. Michna, P. Pietruszewski,  M. Starzyński  

15 

ME2_Cw4B.doc/2003-12-28 

podprzejściowego bc (rys. Z7): 
 

 

d

X

E

b

''

2

0

0

=

 

(9) 

analogicznie reaktancja synchroniczna przejściowa 

d

'

  determinuje wartość prądu Oa obwiedni stanu 

przejściowego acd (rys. Z7): 

 

d

X

E

a

'

2

0

0

=

 

(10) 

natomiast reaktancja synchroniczna  d

X

 determinuje wartość prądu Og obwiedni stanu ustalonego gh (rys. 

Z7): 

 

d

X

E

g

0

2

0

=

 

(11) 

Zatem na podstawie pomierzonej SEM E

0

 (wartość skuteczna) i określonych współrzędnych 0b0a oraz 0g 

dla eksperymentalnie wyznaczonego przebiegu czasowego prądu twornika zwarcia udarowego MS można 
wyznaczyć odpowiednio reaktancje: 

 

b

E

X

d

0

2

''

0

=

 (12) 

 

a

E

X

d

0

2

'

0

=

 (13) 

 

g

E

X

d

0

2

0

=

 

(14) 

Posługując się wykresem na rys. Z7 można także wyznaczyć stałe czasowe 

d

''

oraz 

d

'

 MS. Otoż stała 

czasowa 

d

''

 determinuje czas zanikania obwiedni stanu podprzejściowego – obwiednia bc, natomiast stała 

czasowa 

d

'

 determinuje czas zanikania obwiedni stanu przejściowego – obwiednia acd. 

Przypomnijmy, dla przebiegu wykładniczego 

 

T

t

e

I

t

i

/

0

)

(

=

 (15) 

stała czasowa określa czas dla którego wartość chwilowa prądu i(t) osiągnie wartość 1/e lub 0.368 wartości 
prądu początkowego I

 

0

0

/

0

368

.

0

/

)

(

I

e

I

e

I

T

i

T

T

=

=

=

 (16) 

Zatem znajomość wartości początkowej 0b jest podstawą do wyznaczenia stałej czasowej 

d

''

; a wartości 

początkowa 0a jest podstawą do wyznaczenia stałej czasowej d

'