POLITECHNIKA GDA

Ń

SKA

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN ELEKTRYCZNYCH

L AB O R AT O R I U M

M AS Z Y N Y E L E K T R Y C Z N E

Ć

WICZENIE (MS)

MASZYNY SYNCHRONICZNE

BADANIE CHARAKTERYSTYK

PR

Ą

DNICY/GENERATORA SYNCHRONICZNEGO

Materiały pomocnicze

Kierunek Eelektrotechnika
Studia stacjonarne 1-szego stopnia
semestr 3

Opracował

Mieczysław Ronkowski

Grzegorz Kostro

Michał Michna

Gda

ń

sk 2012-2013

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

2

ĆWICZENIE (MS)

MASZYNY SYNCHRONICZNE

BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

PROGRAM

Ć

WICZENIA

................................................................................................................................................ 2

1.

TEORIA

................................................................................................................................................................. 2

1.1.

Budowa, działanie i model fizyczny maszyny synchronicznej............................................................................ 2

1.2.

Model obwodowy (schemat zastępczy) maszyny synchronicznej....................................................................... 5

2.

BADANIA

............................................................................................................................................................... 6

2.1.

Oględziny zewnętrzne......................................................................................................................................... 6

2.2.

Pomiar rezystancji uzwojeń ................................................................................................................................ 6

2.3.

Pomiar charakterystyki biegu jałowego .............................................................................................................. 6

2.4.

Pomiar charakterystyki zwarcia i reaktancji synchronicznej............................................................................... 9

2.5.

Pomiar charakterystyki zewnętrznej ................................................................................................................. 12

2.6.

Pomiar charakterystyki regulacyjnej ................................................................................................................. 12

2.7.

Zadania ............................................................................................................................................................. 13

3.

PYTANIA KONTROLNE

................................................................................................................................... 14

4.

LITERATURA POMOCNICZA

.......................................................................................................................... 15

PROGRAM

Ć

WICZENIA

•

Pomiar rezystancji uzwojeń maszyny.

•

Pomiar charakterystyki magnesowania.

•

Pomiar charakterystyki zwarcia

•

Pomiar charakterystyki zewnętrznej.

•

Pomiar charakterystyki regulacyjnej.

1.

TEORIA

1.1. Budowa, działanie i model fizyczny maszyny synchronicznej

Maszyna synchroniczna (MS) jest przetwornikiem elektromechanicznym (rys. 1.1) o trzech wrotach,

które fizycznie reprezentują: „wyjście elektryczne” – zaciski uzwojenia twornika „a”; „wejście elektryczne”
– zaciski uzwojenia wzbudzenia „f”; „wejście mechaniczne” – koniec wału (sprzęgło). Moc mechaniczna
(dostarczana) P

m

i moc elektryczna (odbierana) P

a

ulegają przemianie elektromechanicznej za

pośrednictwem pola magnetycznego – pola wytwarzanego uzwojeniem wzbudzenia. Energia pola
magnetycznego jest energią wewnętrzną maszyny, gdyż przetwornik nie ma możliwości wymiany tej energii
z otoczeniem.

Rys. 1.1. Maszyna synchroniczna (praca prądnicowa) – trójwrotowy przetwornik elektromechaniczny: wrota (zaciski)

obwodu twornika „a” – odpływ energii elektrycznej przetwarzanej ma energię mechaniczną, wrota obwodu wzbudnika

(wzbudzenia) „f” – dopływ energii pola wzbudzenia, wrota układu (obwodu) mechanicznego „m” – dopływ energii

mechanicznej

Uwaga:

Działanie maszyny synchronicznej oparte jest na wykorzystaniu idei pola o wirującym strumieniu
magnetycznym.

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

3

Budowę i podstawowe elementy MS przedstawiono na rys. 1.2. Maszyna składa się z następujących

elementów czynnych: magneśnicy/wzbudnika (uzwojenie wzbudzenia, pierścienie ślizgowe, rdzeń
magneśnicy) umieszczonej na wirniku; twornika (3-fazowe uzwojenie twornika, rdzeń twornika)
umieszczonego na stojanie; wału.

Układ elektromechaniczny na rys. 1.3 przedstawia schematycznie budowę (elementarnej)

wielofazowej MS o wydatnobiegunowym wirniku wraz z ilustracją zasady jej działania. Uzwojenia MS
stanowią:

trzy fazy (pasma) na stojanie – osie magnetyczne poszczególnych faz są odpowiednio względem siebie
przesunięte w przestrzeni o kąt 120

0

(dla MS o liczbie par biegunów p>1 kąt wynosi 120

o

/p);

uzwojenie wzbudzenia na wirniku o osiach magnetycznych d i q, położnych odpowiednio na osi bieguna i w
strefie międzybiegunowej.

Aby zachować czytelność rysunku, układ uzwojeń fazowych (pasm) MS zaznaczono szkicowo na rys. 1.3
obwodami a-a', b-b' oraz c-c'. Przy czym, litery a, b oraz c oznaczają umowne początki uzwojeń (pasm), a
litery a', b' oraz c’ — umowne końce tych uzwojeń. Analogiczny sposób wyróżniania umownych początków
i końców uzwojeń przyjęto dla wzbudzenia, odpowiednio f oraz f’. Oznaczenia znormalizowane
(przemysłowe) zacisków uzwojeń MS są takie jakie podano na rys. 1.2c.

a)

b)

c)

d)

Rys. 1.2. Budowa i podstawowe elementy maszyny synchronicznej (produkcja firmy ELMOR Gdańsk): a) twornik 3-

fazowy, b) wzbudnik wydatnobiegunowy, c) tabliczka zaciskowa, d) tabliczka znamionowa

Uzwojenie wzbudzenia f - f’, zasilane prądem stałym, wzbudza pole magnetyczne —

reprezentowane

przez

przepływ

Θ

f

.

Pole

magneśnicy

jest

nieruchome

względem

układu

elektromagnetycznego wirnika, ale ze względu na ruch obrotowy wirnika (wymuszony maszyną napędową)
jest polem wirującym względem uzwojenia twornika (stojana). Zgodnie z prawem Faradaya, wirujący
strumień wzbudnika Φ

f

indukuje SEM rotacji E

0

w poszczególnych fazach uzwojenia twornika.

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

4

a)

© Mieczysław RONKOWSKI

2

MS: PRACA PR

Ą

DNICOWA

STAN JAŁOWY

MS: PRACA PR

Ą

DNICOWA

STAN JAŁOWY

)

(

f

f

f

I

Φ

Φ

====

r

Ω

E ~

0

f

E

Φ

~

0

+

Wiruj

ą

cy strumie

ń Φ

f

wzbudnika

indukuje SEM rotacji E

0

w 3-fazowym uzwojeniu twornika

b)

© Mieczysław RONKOWSKI

3

MS: PRACA PR

Ą

DNICOWA

STAN OBCI

ĄŻ

ENIA CZYNNO-BIERNEGO

MS: PRACA PR

Ą

DNICOWA

STAN OBCI

ĄŻ

ENIA CZYNNO-BIERNEGO

+

Pole wzbudzenia

Θ

f

wyprzedza („ci

ą

gnie”)

pole twornika

Θ

a

– efektem jest

generacja momentu

elektromagnetycznego T

e

hamuj

ą

cego

Pr

ą

dy 3-fazowego

uzwojenia twornika

I

aa

, I

ab

, I

ac

wzbudzaj

ą

wiruj

ą

ce pole

twornika

Θ

a

Rys. 1.3. Elementarna maszyna synchroniczna: budowa i ilustracja zasady jego działania – pole wzbudzenia

Θ

f

wyprzedza („ciągnie”) pole twornika

Θ

a

– efektem jest generacja momentu elektromagnetycznego T

e

hamującego

(obciążającego turbinę/silnik napędowy)

Uwaga:

Prędkość obrotowa wirnika określa częstotliwość SEM E

0

– napięcia na zaciskach uzwojenia

twornika U

a

:

π

Ω

2

rm

e

p

f

====

(1.1)

60

s

e

pn

f

====

(1.2)

gdzie:

rm

Ω

- prędkość kątowa mechaniczna wirnika (prędkość synchroniczna) [rad/s];

s

n

- prędkość obrotowa mechaniczna wirnika (prędkość synchroniczna) [obr/min];

p – liczba par biegunów.

Zależność na SEM indukowaną w uzwojeniu twornika MS jest analogiczna do zależności na SEM

dla transformatora (z pominięciem współczynnika k

ua

):

ua

a

e

f

k

z

f

E

44

,

4

0

Φ

=

(1.3)

gdzie: z

a

– liczba zwojów na fazę uzwojenia twornika;

k

ua

– współczynnik uzwojenia twornika.

Uwaga:

SEM rotacji E

0

jest wielkością elektromechaniczną – jest efektem obrotowego ruchu mechanicznego

(prędkość

Ω

rm

) pola wzbudnika Φ

f

(wzbudzanego prądem I

f

).

f

e

- częstotliwość SEM E

0

określa rów. (1.1) lub (1.2).

Załączenie obciążenia na zaciski uzwojenia twornika wymusza przepływ prądu 3-fazowego (I

aa

. I

ab

, I

ac

) w

uzwojeniach, które wzbudzają własne pole magnetyczne wirujące względem stojana — reprezentowane
przez wirujący przepływ Θ

a

. Pole twornika wywołuje tzw. zjawisko oddziaływania/reakcji twornika.

Uwaga:

Zasadą pracy ustalonej maszyny synchronicznej jest ruch synchroniczny pola twornika Θ

a

i pola

wzbudnika Θ

f

- ruch synchroniczny obu pól oznacza, że pola są nieruchome względem siebie.

Wzajemne położenie pól (wektorów pól) zależy od charakteru pracy MS (prądnica lub silnik)
oraz od charakteru obciążenia (czynne, czynno-indukcyjne, czynno-pojemnościowe).

Ruch synchroniczny jest warunkiem generacji użytecznej mocy elektrycznej – użytecznego momentu
elektromagnetycznego.

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

5

1.2. Model obwodowy (schemat zast

ę

pczy) maszyny synchronicznej

Statyczne stany pracy MS o wirniku cylindrycznym (turbogeneratora) można opisać za pomocą

modelu obwodowego przedstawionego na rys. 1.4a. SEM rotacji E

0

reprezentuje sterowane źródło napięcia

oznaczone symbolem

a napięcie U

a

jest napięciem fazowym na zaciskach maszyny. W stanie biegu

jałowego MS (prąd twornika I

a

= 0) zachodzi relacja U

a

.

≅

E

0

, w stanie obciążenia (prąd twornika I

a

≠

0)

U

a

≠

E

0

, natomiast w stanie zwarcia U

a

= 0. Straty mocy i spadek napięcia w uzwojeniu twornika oraz

zjawisko oddziaływania twornika odwzorowują odpowiednio: rezystancja uzwojenia twornika R

a

i

reaktancja synchroniczna X

s

., W praktyce, ze względu na relację R

a

<< X

s

, w bilansie napięć pomija się

rezystancję R

a

w modelu obwodowym MS.

Na rys. 1.4b pokazano symbol graficzny MS na schematach połączeń: U, V, W – zaciski trzech faz

uzwojenia twornika, N – zacisk zerowy (gwiazdowy) uzwojenia twornika połączonego w gwiazdę (Y), F1,
F2 – zaciski uzwojenia wzbudzenia.

a)

ua

a

e

f

0

k

z

f

Φ

4,44

E

====

)

(I

Φ

Φ

f

f

f

====

b)

G

3~

W

V

U

N

F1

F2

Rys. 1.4. Maszyna synchroniczna (prądnica/generator): a) podstawowy model obwodowy (schemat zastępczy) maszyny

o wirniku cylindrycznym – strzałkowanie napięć prądów dla pracy prądnicowej; a) symbol graficzny maszyny na

schematach połączeń

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

6

2.

BADANIA

2.1. Ogl

ę

dziny zewn

ę

trzne

Należy dokonać oględzin badanej maszyny synchronicznej oraz urządzeń wchodzących w skład układu

napędowego. Przede wszystkim należy dokładnie przeczytać i wynotować dane zawarte na tabliczce
znamionowej maszyn..

Tablica 1

Dane znamionowe maszyny synchronicznej

Lp.

Dane znamionowe maszyny synchronicznej

Jednostka

Wartość

1

nazwę lub znak producenta

2

nazwę i typ

3

numer fabryczny

4

rok wykonania

5

moc znamionową

kVA

6

znamionowe napięcia

V

7

znamionowy prąd stojana

A

8

znamionowy współczynnik mocy

1)

-

9

układ połączeń uzwojeń stojana

2)

-

10

znamionowe napięcie wzbudzenia

V

11

znamionowy prąd wzbudzenia

A

12

prędkość (lub częstotliwość)

obr/min

13

klasa izolacji

14

warunki pracy niesymetrycznej (I

2

/I

N

)

15

stopień ochrony

2.2. Pomiar rezystancji uzwoje

ń

Tablica 2a

Pomiar rezystancji uzwojenia twornika (stojana)

Zaciski U1-U2

Zaciski V1-V2

Zaciski W1-W2

Wart. średnia

Lp.

U

I

R

aU

U

I

R

aV

U

I

R

aV

R

a

V

A

Ω

V

A

Ω

V

A

Ω

Ω

Tablica 2b
Pomiar rezystancji uzwojenia wzbudzenia

Zaciski F1-F2

Lp.

U

I

R

f

V

A

Ω

2.3. Pomiar charakterystyki biegu jałowego

Definicja charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) (rys.2.1):

E

0

= f (I

f

)

przy:

n = n

s

= const

I

a

= 0

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

7

I

f

[A]

0

E

0

[V]

E

0sz

I

fon

U

ś

redniona charakterystyka

magnesowania

E’

0

E’’

0

3

/

U

E

an

0

====

2

E

E

E

0

0

0

′′′′′′′′

++++

′′′′

====

Rys. 2.1. Charakterystyka biegu jałowego (magnesowania) maszyny synchronicznej

Ze względu na wystąpienie zjawiska nasycenia w elementach obwodu magnetycznego,

charakterystyka biegu jałowego MS jest nieliniowa (rys. 2.1).

Rys. 2.2. Schemat układu do pomiaru charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) maszyny

synchronicznej

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

8

Kształt charakterystyk biegu jałowego pozwala ocenić właściwości obwodu magnetycznego MS,

poziom nasycenia, właściwości materiałów ferromagnetycznych jarzm i biegunów. Ważne znaczenie ma
wartość magnetyzmu szczątkowego – wynosi zwykle od 1 do 3% wartości znamionowej [3].

Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) MS

przedstawiono na rys. 2.1.

Charakterystykę biegu jałowego MS zdejmuje się tak samo jak dla

maszyny

prądu stałego.

Struktury magnetyczne obydwu rodzajów maszyn są bardzo podobne – kształt ich charakterystyk biegu
jałowego nie różnią się istotnie.

Uwaga:

Podczas próby, aby nie tworzyć lokalnych pętli histerezy, zmieniamy monotonicznie wartość
prądu wzbudzenia rosnąco

↑

I

f

, a następnie – monotonicznie malejąco

↓

I

f

(ilustrują to

odpowiednio strzałki na rys. 2.1).
Tak zmieniamy prąd wzbudzenia I

f

, aby nie przekroczył wartości prądu znamionowego w

zakresie I

f

= (1,1 ÷ 1,2) I

fn

.

Na rys. 2.1 zaznaczono charakterystyczną wartość prądu wzbudzenia

I

f0n

wzbudzającą strumień

magneśnicy, który indukuje SEM E

0

o wartości równej napięciu znamionowemu maszyny

(

3

0

/

U

E

an

====

przy połączeniu uzwojenia twornika w Y).

Tablica 3a

Pomiar charakterystyki biegu jałowego

Punkty pom.

f

e

[Hz]

I

f

[A]

E

U

[V]

E

V

[V]

E

W

[V]

Oblicz.

E′

0

[V]

Oblicz.

E′′

0

[V]

1↑ pocz.

0

-

2↑

const

-

3↑

-

4↑

-

5↑

-

6↑

-

7↑

-

8↑ końc.

7↓ pocz.

-

6↓

-

5↓

-

4↓

-

3↓

-

2↓

-

1↓ końc.

0

-

Uwaga:

W tab.3 strzałkami ↑ oraz ↓ oznaczono odpowiednio punkty pomiarowe dla wartości rosnących
i malejących prądu wzbudzenia I

f

.

Aby uprościć wyznaczenie (obliczenie) uśrednionej charakterystyki magnesowania, należy dla
odpowiednich par punktów pomiarowych (np. zakres od 1↑ - 1↓ do 7↑ - 7↓) nastawiać
odpowiednio takie same wartości prądu wzbudzenia I

f

.

Wartości średnie SEM E′

0

oraz E′′

0

dla trzech faz (obliczone w tab. 3a) zestawiamy w tab. 3b celem

obliczenia uśrednionej charakterystyki biegu jałowego. Wartość uśrednionej SME E

0

wyznaczamy z

zależności:

2

0

0

0

E

E

E

′′′′′′′′

++++

′′′′

====

(2.1)

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

9

Tablica 3b

Obliczenia uśrednionej charakterystyki biegu jałowego

Wartości oblicz. w tab. 3a

Oblicz.

Punkty

pom. ↑

Punkty

pom. ↓

I

f

[A]

E′

0

[V]

E′′

0

[V]

E

0

[V]

1↑ pocz.

1↓ końc.

0

2↑

2↓

3↑

3↓

4↑

4↓

5↑

5↓

6↑

6↓

7↑

7↓ pocz

8↑ końc.

2.4. Pomiar charakterystyki zwarcia i reaktancji synchronicznej

Definicja charakterystyki zwarcia (rys.2.3):

I

f

[A]

0

I

az

[A]

I

azsz

I

azn

=I

an

I

fzn

Rys. 2.3. Charakterystyka zwarcia prądnicy synchronicznej

W stanie zwarcia, ze względu na silne rozmagnesowanie maszyny przez przepływ oddziaływania

twornika Θ

a

, obwód magnetyczny maszyny nie jest nasycony. Z tej przyczyny charakterystyka zwarcia MS

jest prostoliniowa (rys. 2.3).

Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia charakterystyki zwarcia MS przedstawiono na rys.

2.4.

Uwaga:

Podczas próby zmieniamy tak prąd wzbudzenia I

f

, aby prąd zwarcia I

az

nie przekroczył wartości prądu

znamionowego w zakresie I

az

= (1,1 1,2) I

an

.

Na rys. 2.3 zaznaczono charakterystyczną wartość prądu wzbudzenia I

fzn

wzbudzającą strumień

magneśnicy, który indukuje SEM E

0

wymuszającą w uzwojeniu twornika prąd zwarcia o wartości równej

prądowi znamionowemu maszyny: I

az

= I

an

.

I

az

= f (I

f

)

przy:

U

a

= 0

n = n

s

= const

cos

ϕ

= const.

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

10

Tablica 4a

Pomiary charakterystyki zwarcia

Pomiary przy U

a

= 0

Oblicz.

Lp.

I

f

[A]

I

U

[A]

I

V

[A]

I

W

[A]

I

az

[A]

0

I

fzn

I

an

Wartości średnie prądu zwarcia I

az

dla trzech faz (obliczone w tab. 4 a) zestawiamy w tab. 4b celem

wyznaczenia reaktancji synchronicznej X

s

. Do jej wyznaczenia konieczne jest ponowne wykonanie pomiaru

charakterystyki biegu jałowego badanej MS przy wartościach prądu wzbudzenia I

f

podanych tab.4a.

Tablica 4b

Pomiary charakterystyki biegu jałowego do wyznaczenia reaktancji synchronicznej

Wartości z tab. 4a

Pomiary przy I

a

= 0

Oblicz.

Oblicz.

Lp. I

f

[A]

I

az

[A]

U

U

[A]

U

V

[A]

U

W

[A] E

0

[V]

X

s

[

Ω

]

0

I

fzn

I

azn

Wartości reaktancji synchronicznej

w tab. 4b obliczamy z następującej zależności:

az

s

I

E

X

0

====

(2.2)

Uwaga:

Dodatkowo przy prądzie I

f0n

, któremu na charakterystyce magnesowania odpowiada SEM

3

0

/

U

E

an

====

(patrz rys. 2.1), wyznaczamy wartość prądu zwarcia I

az0,

a następnie obliczamy reaktancję synchroniczną:

0

3

az

n

a

s

I

U

X

====

Wyniki pomiarów i obliczeń zestawiamy w poniższej tabeli.

I

f0n

[A] =

3

0

/

U

E

an

====

[V] =

I

az0

[A] =

X

s

[

Ω

]

=

Wartość reaktancji synchronicznej zależy do poziomu nasycenia obwodu magnetycznego maszyny,

który zależy od wartości prądu wzbudzenia i prądu zwarcia. Prąd wzbudzenia określa wartość SME E

0

.

Problemem jest jaką wartość E

0

należy przyjąć do wyznaczenia reaktancji synchronicznej. W praktyce

wyznacza się wartość nienasyconą i nasyconą reaktancji synchronicznej. Wartość nienasyconą wyznaczamy
w oparciu o powyżej opisaną metodę w zakresie prostoliniowej części charakterystyki magnesowania.
Wyznaczenie wartości nasyconej wymaga pomierzenia charakterystyki obciążenia MS, tj. zależności U

a

=

U

a

(I

f

) przy I

a

=I

an

oraz cos

ϕ

= 0

ind

[3].

Charakterystyki zwarcia pozwala określić ile razy większy jest prąd zwarcia od prądu

znamionowego przy różnych wartościach prądu wzbudzenia. Najbardziej interesująca jest wartość tego

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

11

stosunku przy takim prądzie wzbudzenia, który w stanie jałowym MS indukuje E

0

= U

an

. Stosunek ten

nazywamy stosunkiem zwarcia i definiujemy następująco:

fzn

n

f

z

I

I

k

0

====

(2.3)

Wartość stosunku zwarcia jest powiązana z wartość nienasyconą reaktancji synchronicznej:

%

s

z

X

k

100

====

(2.4)

gdzie, X

s%

– % wartość reaktancji synchronicznej wyrażona następująco:

[%]

]

[

]

[

%

100

Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

Ω

n

s

s

Z

X

X

====

(2.5)

przy czym, Z

n

– impedancja znamionowa (wielkość fikcyjna)

]

[

Ω

Ω

Ω

Ω

afn

afn

def

n

I

U

Z

====

(2.6)

Zgodnie z wzorem (2.4) stosunek zwarcia równy jest odwrotności procentowej reaktancji

synchronicznej.

Praktyczne wartości stosunku zwarcia wynoszą:

•

dla turbogeneratorów 0,5 – 1,0 (średnio 0,75)

•

dal hydrogeneratorów średnio 1.

Dla badanej maszyny synchroniczne należy wyznaczyć wartości stosunku zwarcia wg wzorów

(2.3) i (2.4).
Uwaga:

Opisany w p. 2.4 pomiar reaktancji synchronicznej dotyczy turbogeneratorów (wirnik cylindryczny). W
przypadku hydrogeneratorów (wirnik wydatno biegunowy) wyróżniamy reaktancję synchroniczną w osi
podłużnej X

d

i w osi porzecznej X

q

, przy czym X

q

< X

d

[3]. Dla turbogeneratorów zachodzi równość obu

reaktancji i oznaczamy ją symbolem X

s

.

G

3~

W

V

U

N

F1

F2

W3

P

+

_

A

I

f

~1x220V

I

U

I

W

I

V

W

s

=

PW

A

V

W4

SN

U

U

U

W

U

V

Rys. 2.4. Schemat połączeń prądnicy synchronicznej do pomiaru charakterystyki zwarcia

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

12

2.5. Pomiar charakterystyki zewn

ę

trznej

Definicja charakterystyki zewnętrznej:

Tablica 5

Pomiar charakterystyki zewnętrznej

Pomiary

Lp.

U

U

[V]

U

V

[V]

U

W

[V]

I

f

[A]

I

U

[A]

I

W

[A]

I

V

[A]

cos

ϕ

U

a

[V] I

a

[A]

const.

const.

Rys. 2.5. Schemat połączeń prądnicy synchronicznej do pomiaru charakterystyki zewnętrznej i regulacyjnej: a)

obciążenie czynne (rezystory), b) obciążenie bierne pojemnościowe (bateria kondensatorów), c) obciążenie indukcyjne

(regulator indukcyjny)

2.6. Pomiar charakterystyki regulacyjnej

Definicja charakterystyki regulacyjnej:

U

a

= f (I

a

)

przy:

n = n

s

= const.

I

f

= I

fon

= const.

cos

ϕ

= const.

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

13

Tablica 6

Pomiary charakterystyki regulacyjnej

Pomiary

Lp.

U

U

[V]

U

W

[V]

U

U

[V]

I

f

[A]

I

U

[A]

I

W

[A]

I

V

[A]

cos

ϕ

U

a

[V] I

a

[A]

const.

const.

const.

const. const.

2.7. Zadania

1.

Dla badanej PS obliczyć straty (W i %) w uzwojeniach twornika i wzbudzenia dla prądów
znamionowych.

2.

Wykreślić charakterystykę stanu jałowego badanej PS. Nanieść na niej punkty
odpowiadające charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie jej
kształt.

3.

Wykreślić charakterystykę zwarcia badanej PS. Nanieść na niej punkty odpowiadające
charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej
kształt.

4.

Dla badanej PS obliczyć wartości reaktancji synchronicznej nienasyconej (w

Ω

i %)

odpowiadające wartościom prądów wzbudzenia I

fon

.i I

fzn

.

5.

Dla badanej PS wykreślić charakterystykę reaktancji synchronicznej nienasyconej X

s

(w

Ω

i

%) od prądu wzbudzenia I

f

. Uzasadnić fizycznie jej kształt.

6.

Dla badanej PS obliczyć stosunek zwarcia k

z

.

7.

Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cos

ϕ=1

. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom

(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

8.

Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cos

ϕ=0

poj

. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom

(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

9.

Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cos

ϕ=0

ind

. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

10.

Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cos

ϕ=1

. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom

(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

11.

Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cos

ϕ=0

poj

. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom

(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

12.

Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cos

ϕ=0

ind

. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

I

f

= f (I

a

)

przy:

U

a

= U

an

n = n

s

= const.

cos

ϕ

= const.

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

14

13.

Obliczyć dla badanej PS wartość znamionowego prądu wzbudzenia I

fn

odpowiadającego

znamionowej mocy (napięciu i prądowi twornika) i znamionowemu charakterowi obciążenia
cos

ϕ=0,8

ind

.

14.

Dla badanej PS obliczyć stosunek znamionowego prądu wzbudzenia I

fn

do znamionowego

prądu wzbudzenia przy biegu jałowym I

fon

.

15.

Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika
mocy cos

ϕ

2

= 1 (czynnego).

16.

Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika
mocy cos

ϕ

2

= 0,8

ind

.

17.

Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika
mocy cos

ϕ

2

= 0,8

poj

.

3. PYTANIA KONTROLNE

•

Pytania ze znajomości teorii i zagadnień dotyczących sprawozdania

1.

Podać rodzaje budowy maszyny synchronicznej. Wymienić elementy stojana i wirnika.

2.

Opisać zasadę działania prądnicy synchronicznej w ujęciu ciągu logicznego przyczyna - skutek.

3.

Narysować podstawowy (elementarny) model fizyczny (układ dwóch przepływów) prądnicy
synchronicznej. Wykazać, że w stanie pracy ustalonej prądnicy układ dwóch przepływów jest
nieruchomy względem siebie. Jakie są tego konsekwencje?

4.

Opisać reakcję twornika prądnicy synchronicznej dla obciążenia o charakterze czynnym, indukcyjnym i
pojemnościowym. Narysować odpowiednie położenia układu dwóch przepływów prądnicy.

5.

Opisać obraz fizyczny (składowe strumieni) i statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy
synchronicznej dla biegu jałowego.

6.

Opisać obraz fizyczny (składowe strumieni) i statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy
synchronicznej dla stanu zwarcia.

7.

Opisać obraz fizyczny (składowe strumieni) i statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy
synchronicznej w stanie obciążenia. Uwzględnić charakter obciążenia.

8.

Narysować modele statyczne prądnicy synchronicznej: fizyczny (składowe strumieni) i obwodowy
(schemat zastępczy). Podać i wyjaśnić wzajemne relacje między wielkościami modelu fizycznego a
zmiennymi i parametrami modelu obwodowego (schematu zastępczego).

9.

Narysować statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy synchronicznej, nazwać tworzące
go elementy i dokonać interpretacji fizycznej tych elementów.

10.

Podać, nazwać i objaśnić podstawowe wielkości charakterystyczne i zależności dotyczące prądnicy
synchronicznej (I

f

, I

a

,

Θ

f

,

Θ

a

,

Φ

f

,

Φ

a

,

Φ

σ

a

, E

o

, X

s

, T

e

,

∆

P

Fe

,

∆

P

Cua

,

∆

P

Cuf,

∆

P

o

).

11.

Na podstawie jakich pomiarów (charakterystyk) wyznacza się parametry statycznego modelu
obwodowego (schematu zastępczego) prądnicy synchronicznej? Podać zależności między wynikami tych
pomiarów i parametrami schematu zastępczego.

12.

Podać charakterystykę biegu jałowego badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz
analitycznie jej kształt.

13.

Podać charakterystykę zwarcia badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz analitycznie
jej kształt.

14.

Podać charakterystyki zewnętrzne badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz
analitycznie ich kształt. Uwzględnić charakter obciążenia.

15.

Podać charakterystyki regulacyjne badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz
analitycznie ich kształt. Uwzględnić charakter obciążenia.

•

Pytania z przygotowania do ćwiczenia

1.

Podać najważniejsze dane tabliczki znamionowej maszyny synchronicznej.

2.

Co to są w maszynie synchronicznej: uzwojenia wzbudzenia (magneśnicy, wirnika) i twornika (stojana),
wielkości wzbudzenia i twornika?

3.

Wymienić podstawowe układy połączeń uzwojeń prądnicy synchronicznej.

4.

Wymienić podstawowe metody rozruchu silnika prądu stałego (napędzającego badaną prądnicę
synchroniczną).

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne

15

5.

Jak ustawić poziom prądu wzbudzenia i poziom napięcia na tworniku silnika prądu stałego
(napędzającego badaną prądnicę synchroniczną) w czasie rozruchu? Jakie są ograniczenia na poziom
prądu rozruchowego?

6.

Podać orientacyjne wartości procentowe dla prądnicy synchronicznej:

•

spadku napięcia na rezystancji uzwojenia wzbudzenia i twornika,

•

reaktancji synchronicznej,

•

mocy wzbudzenia (magnesującej),

•

strat w żelazie, w miedzi uzwojeń i mechanicznych, a także relacje między ich wartościami,

•

sprawności.

7.

Podać definicję reaktancji synchronicznej prądnicy synchronicznej. Dlaczego i jak ją można wyznaczyć?

8.

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy i amperomierzy do pomiarów rezystancji uzwojeń prądnicy
synchronicznej? Wymienić oddzielnie dla uzwojenia wzbudzenia i uzwojenia twornika.

9.

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy) do pomiarów
charakterystyki biegu jałowego prądnicy?

10.

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy) do pomiarów
charakterystyki zwarcia prądnicy?

11.

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy, watomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy)
do pomiarów charakterystyki zewnętrznej prądnicy?

12.

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy, watomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy)
do pomiarów charakterystyki regulacyjnej prądnicy?

13.

Wymienić podstawowe charakterystyki prądnicy synchronicznej (dotyczące tematyki ćwiczenia),
wymieniając współrzędne oraz wielkości jakie należy utrzymywać stałe.

4.

LITERATURA POMOCNICZA

1.

Latek W.: Zarys maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1974.

2.

Latek W.: Badania maszyn elektrycznych w przemyśle. WNT, W-wa 1979.

3.

Manitius Z.: Maszyny synchroniczne. Skrypt. Wyd . Pol. Gdańskiej, Gdańsk 1977.

4.

Manitius Z.: Maszyny Elektryczne. Cz.I. Skrypt. Wyd. Pol. Gdańskiej, Gdańsk 1977.

5.

Plamitzer A.: Maszyny elektryczne. Wyd. 7. WNT, W-wa 1992.

6.

Praca zbiorowa (red. Manitius Z.): Laboratorium maszyn elektrycznych. Skrypt. Wyd.2. Wyd. Pol.
Gdańskiej, Gdańsk 1990.

7.

Rafalski W., Ronkowski M., Zadania z maszyn elektrycznych, Cz. I: Transformatory i maszyny
asynchroniczne, skrypt, wyd. 4, Wyd. Politechniki Gdańskiej, 1994.

8.

Ronkowski M., Michna M., Kostro G., Kutt F.: Maszyny elektryczne wokół nas: zastosowanie,
budowa, modelowanie, charakterystyki, projektowanie. (e-skrypt). Wyd. PG, Gdańsk, 2011.
http://pbc.gda.pl/dlibra/docmetadata?id=16401&from=&dirids=1&ver_id=&lp=2&QI=

9.

Roszczyk S.: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1979.

10.

Staszewski P., Urbański W.: Zagadnienia obliczeniowe w eksploatacji maszyn elektrycznych,
Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2009.

11.

PN-IEC 34-1:1997 Maszyny elektryczne wirujące. Ogólne wymagania i badania:

http://www.pkn.pl/