ĆWICZENIE 21

Strona 1

ĆWICZENIE 21

PRĄDNICA SYNCHRONICZNA TRÓJFAZOWA – CHARAKTERYSTYKI

1 Program ćwiczenia

− Wyznaczenie charakterystyki biegu jałowego.

− Sprawdzenie kształtu krzywej napięcia.

− Wyznaczenie charakterystyk zwarcia.

− Wyznaczenie charakterystyki zewnętrznej przy cosϕ = 1.

− Wyznaczenie charakterystyki regulacji przy cosϕ = 1.

2 Cel ćwiczenia

Pierwsza cześć ćwiczenia jest poświecona wyznaczeniu podstawowych charakterystyk

prądnicy synchronicznej będących podstawą do określenia jej głównych parametrów

niezbędnych w ocenie konstrukcji maszyny oraz analizie jej zachowania w czasie pracy

ustalonej.

W drugiej części ćwiczenia będzie badana praca prądnicy pracującej na sieć wydzieloną.

Pozwoli to na uchwycenie podstawowych zależności miedzy napięciem na zaciskach

maszyny, prądem twornika i prądem wzbudzenia przy stałym współczynniku mocy cosϕ = 1.

3 Omówienie programu ćwiczenia

Przed przystąpieniem do wykonywania połączeń i pomiarów należy dokonać oględzin

badanej prądnicy i silnika napędowego oraz odnotować ich dane znamionowe.

3.1 Pomiar charakterystyki biegu jałowego

Charakterystyka biegu jałowego przedstawia zależność SEM E indukowanej w tworniku od f

prądu wzbudzenia I przy otwartym obwodzie twornika i stałej prędkości obrotowej ( E = f f

f

( I ) przy I = 0, n = const).

f

Znajomość przebiegu charakterystyki biegu jałowego pozwala ocenić budowę obwodu

magnetycznego maszyny (udział szczeliny powietrznej, stopień nasycenia itp.) oraz wespół

z

innymi

charakterystykami

wyznaczyć

metodami

zastępczymi

charakterystyki

eksploatacyjne, bez konieczności obciążenia maszyny. Najczęściej charakterystykę biegu

jałowego wyznacza się dla znamionowej prędkości obrotowej. Jeśli jest to niemożliwe np.

ze względu na zbyt dużą wartość SEM E pomiary wykonuje się dla mniejszych prędkości,

f

a uzyskane wartości przelicza się na warunki znamionowe wg wzoru

(21.1)

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 2

w którym: E – wartość SEM zmierzona przy prędkości n

x

x

E – wartość SEM przeliczona dla prędkości n

n

n

Rys. 21.1. Schemat pomiarowy do wyznaczania charakterystyki biegu jałowego

Schemat pomiarowy do wyznaczania charakterystyki biegu jałowego przedstawiono na rys.

21.1. Silnikiem napędowym prądnicy jest silnik bocznikowy prądu stałego. Po jego

uruchomieniu i zwiększeniu prędkości obrotowej do prędkości znamionowej prądnicy przy

otwartym wyłączniku zasilania wzbudzenia W odczytuje się wartości SEM twornika E dla f

I = 0. Jest to tzw. SEM remanentu. Następnie po zamknięciu wyłącznika stopniowo f

zwiększamy prąd wzbudzenia do wartości, przy której SEM osiąga wartość 1,3 U , notując n

wartości E i I oraz kontrolując stałość prędkości obrotowej. Wyniki pomiarów należy f

f

zestawić w tabeli 21.1. Otrzymuje się w ten sposób wzrastającą gałąź charakterystyki biegu jałowego. Gałąź opadającą wyznacza się podczas zmniejszania prądu wzbudzenia do zera.

Aby wyeliminować wpływ zjawiska histerezy magnetycznej na wyniki pomiarów, należy je

wykonywać przy prądzie wzbudzenia wzrastającym, a następnie malejącym monotonicznie.

Z tego względu, amperomierz do pomiaru prądu wzbudzenia powinien być przyrządem

wielozakresowym, dostosowanym do zmiany zakresu bez przerywania obwodu.

Tabela 21.1

n

I

i

E

E

E

E

e

Lp.

f

f

1

2

3

śr

f

Uwagi

obr/s

A

–

V

V

V

V

–

I rośnie

f

I maleje

f

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 3

Rys. 21.2. Charakterystyka biegu jałowego

Na podstawie wyników pomiarów należy wykreślić obydwie gałęzie charakterystyki biegu

jałowego oraz praktyczną charakterystykę, która leży pośrodku pomiarowo wyznaczonych

gałęzi (rys. 21.2). Najczęściej charakterystykę biegu jałowego wykreśla się w jednostkach względnych, co ułatwia ich wzajemne porównywanie. Jako wartości odniesienia przyjmuje

się w przypadku SEM wartość U , a dla prądu wzbudzenia wartość I , która odpowiada n

f 0

napięciu U , na biegu jałowym, przy znamionowej prędkości obrotowej. Względne wartości n

oblicza się ze wzorów

(21.2)

(21.3)

Strumień remanentu utrzymujący się w obwodzie magnetycznym maszyny powoduje,

że otrzymana pomiarowo charakterystyka nie przechodzi przez początek układu. Na jej

podstawie należy wyznaczyć teoretyczną charakterystykę biegu jałowego. W tym celu

przedłuża się prostoliniową część charakterystyki, aż do przecięcia się jej z osią odciętych, i powstały punkt 0’ traktuje się jako początek układu współrzędnych charakterystyki biegu jałowego. Na jej podstawie można wyznaczyć stosunek k

będący miarą nasycenia obwodu

ns

magnetycznego maszyny

(21.4)

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 4

3.2 Sprawdzenie kształtu krzywej napięcia

Zgodnie z wymaganiami normy, maksymalna różnica między przebiegiem SEM a jej

pierwszą harmoniczną nie powinna przekraczać 5% amplitudy pierwszej harmonicznej.

Wymaganie to dotyczy maszyn powyżej 1MW. W ćwiczeniu zostanie zastosowana

uproszczona metoda sprawdzenia kształtu krzywej napięcia. Na ekranie oscyloskopu

katodowego jest umieszczony obraz dwóch sinusoid, o tej samej amplitudzie i okresie,

przesuniętych w pionie o wartość 0,1A (rys. 21.3). Za pomocą pionowego i poziomego

wzmacniacza oscyloskopu należy krzywą badanego napięcia wprowadzić między dwie

sinusoidy. Jeśli badany przebieg nie wychodzi poza obszar ograniczony sinusoidami, to

uważa się go za praktycznie sinusoidalny. Obserwację wykonać dla napięć fazowych i

międzyfazowych. (Uwaga! Napięcia z zacisków maszyny muszą być podawane na

oscyloskop przez dzielnik napięcia).

Rys. 21.3. Szkic do sprawdzenia kształtu krzywej napięcia

3.3 Wyznaczenie charakterystyki symetrycznego zwarcia trójfazowego ustalonego

Charakterystyką symetrycznego zwarcia trójfazowego ustalonego jest nazywana zależność

prądu twornika I od prądu wzbudzenia I przy zwartych zaciskach twornika i znamionowej a

f

prędkości obrotowej ( I = f( I ) przy n = n ). Schemat układu pomiarowego przedstawiono az

f

n

na rys. 21.4.

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 5

Rys. 21.4. Układ pomiarowy do wyznaczenia charakterystyk zwarcia trójfazowego

ustalonego

Po uruchomieniu silnika napędowego i nastawieniu znamionowej prędkości obrotowej

przeprowadzamy pomiar charakterystyki, zmieniając prąd wzbudzenia od wartości

odpowiadającej 1,3· I do I = 0. Wyniki zestawić w tabeli 21.2, w której n

f

(21.5)

(21.6)

i – obliczone wg (21.3)

f

Tabela 21.2

I

i

I

I

I

I

i

Lp.

f

f

u

v

w

az

az

Uwagi

A

–

A

A

A

A

–

n = nn

Na podstawie wyników pomiarów należy wykreślić w jednostkach względnych na

wspólnym wykresie z charakterystyką biegu jałowego, charakterystykę zwarcia (rys.21.5).

Charakterystyka ta jest linią prostą, gdyż SEM odpowiadająca strumieniowi w szczelinie

maszyny podczas stanu zwarcia nie przekracza 10 ‑ 15% wartości napięcia znamionowego

przy

I = I .

Obwód

magnetyczny

pozostaje

zatem

nienasycony,

a

reaktancja

az

n

synchroniczna ma wartość stałą.

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 6

Rys. 21.5. Charakterystyki zwarcia i biegu jałowego wraz z konstrukcją do wyznaczenia

stosunku zwarcia

Warto zauważyć, że prąd zwarcia praktycznie nie zależy od prędkości obrotowej

(częstotliwości). Wynika to stąd, że prąd. zwarcia, jako iloraz SEM i impedancji obwodu zwarcia, jest praktycznie stały w zakresie częstotliwości, w którym rezystancja jest

pomijalna w stosunku do reaktancji

(21.7)

Dopiero przy małej częstotliwości wartości reaktancji maszyny i rezystancji uzwojeń są

porównywalne, co powoduje, że impedancja nie zależy liniowo od częstotliwości (rys. 21.6)

.

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 7

Rys. 21.6. Zależność ustalonego prądu zwarcia od prędkości obrotowej prądnicy synchronicznej Na podstawie rys. 21.5 należy wyznaczyć tzw. stosunek zwarcia definiowany jako iloraz

prądu wzbudzenia I

potrzebnego do uzyskania podczas biegu jałowego SEM E = U do

f 0

f

n

prądu wzbudzenia I , przy którym w stanie symetrycznego zwarcia w uzwojeniu twornika fz

płynie prąd I . Zatem

n

(21.8)

Stosunek zwarcia można także wyrazić jako

(21.9)

przy czym I

oznacza prąd zwarcia dla I = I

(rys. 21.5). Stosunek ten oznacza zatem

z 0

f

f 0

krotność ustalonego prądu, jaki płynie w tworniku po zwarciu maszyny wzbudzonej na

biegu jałowym do napięcia znamionowego, w stosunku do prądu znamionowego. Stosunek

zwarcia zawiera się w granicach od 0,4 do 1,1 przy czym wartości mniejsze odnoszą się do maszyn większych.

Po podstawieniu do (21.8) w miejsce Iz 0

(21.10)

gdzie X – reaktancja synchroniczna w osi podłużnej,

d

otrzymuje się zależność

(21.11)

z której wynika, że stosunek zwarcia jest ilościowo równy odwrotności reaktancji

synchronicznej podłużnej wyrażonej w jednostkach względnych. Większy stosunek zwarcia

oznacza zatem mniejszą reaktancję synchroniczną maszyny i większy prąd zwarcia

odpowiadający danemu wzbudzeniu.

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 8

Stosunek zwarcia określa również przeciążalność statyczną maszyny zgodnie z

zależnością

(21.12)

Znamionowy prąd wzbudzenia I

oraz cosϕ są zwykle podawane na tabliczce

fn

n

znamionowej maszyny.

3.4 Wyznaczanie charakterystyki zewnętrznej prądnicy

Charakterystyka zewnętrzna to zależność napięcia na zaciskach twornika maszyny U od prądu twornika I przy stałym prądzie wzbudzenia I , stałej częstotliwości f oraz stałym a

f

współczynniku mocy cosϕ( U = f( I ) przy I = const, cosϕ = const, f = const). W ćwiczeniu a

f

charakterystykę wyznacza się dla cosϕ = 1. Schemat układu pomiarowego przedstawiono na

rys. 21.7. Obciążeniem prądnicy jest regulowany rezystor trójfazowy R . Po uruchomieniu o

prądnicy na biegu jałowym i wzbudzeniu jej do napięcia znamionowego należy ustawić

rezystor R w położeniu R

i zamknąć wyłącznik W. Następnie zmniejszając rezystancję

o

max

R zwiększać prąd twornika aż do wartości I . Przez cały czas należy utrzymywać stałe o

n

wartości prądu wzbudzenia oraz prędkości obrotowej. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli

21.3. Na ich podstawie wykreśla się dolną gałąź charakterystyki zewnętrznej (rys. 21.8, krzywa a).

Rys. 21.7. Układ pomiarowy do wyznaczenia charakterystyki zewnętrznej prądnicy

Tabela 21.3

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 9

I

I

I

I

U

U

U

U

ś

ś

Lp.

U

V

W

r

1

2

3

r

Uwagi

A

A

A

A

V

V

V

V

prąd I rośnie

a

I =

f

prąd I maleje

a

I =

f

Aby wyznaczyć zmienność napięcia prądnicy, wykonuje się pomiar charakterystyki

zewnętrznej przy odciążaniu (rys. 21.8, krzywa b). W tym celu przy prądzie obciążenia

I = I należy ustalić taką wartość prądu wzbudzenia, aby napięcie na zaciskach było równe n

znamionowemu, U = U . Następnie wykonuje się pomiary, zmniejszając prąd obciążenia aż n

do I = 0, przy zachowaniu n = n oraz I = const. Otrzymuje się w ten sposób gałąź b a

n

f

charakterystyki zewnętrznej. Na jej podstawie należy wyznaczyć zmienność napięcia ∆ u ,

%

będącą procentowym wzrostem napięcia na zaciskach maszyny, przy jej odciążeniu od

warunków obciążenia znamionowego do zera

(21.12)

Rys. 21.8. Charakterystyki zewnętrzne prądnicy synchronicznej

3.5 Wyznaczenie charakterystyki regulacji

Charakterystyka regulacji przedstawia zależność prądu wzbudzenia I od prądu twornika, f

przy U = const, cosϕ = const, n = const. Wskazuje ona jak należy regulować prąd wzbudzenia, aby przy zmieniającym się obciążeniu prądnicy utrzymać stałe napięcie na jej zaciskach.

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 10

Tabela 21.4

I

I

I

I

I

Lp.

f

U

V

W

aśr

Uwagi

A

A

A

A

A

U = Un

Układ pomiarowy jak w p. 3.4. Maszynę pracującą na biegu jałowym wzbudza się do

napięcia znamionowego. Następnie po załączeniu rezystora R

należy zwiększać prąd

o

obciążenia od 0 do 1,2· I . Jednocześnie prąd wzbudzenia reguluje się tak, aby napięcie n

twornika pozostawało nie zmienione. W czasie pomiarów należy utrzymywać stałą

prędkość obrotową n = n . Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 21.4 oraz na ich podstawie n

wykreślić charakterystykę regulacji (rys. 21.9).

Rys. 21.9. Charakterystyki regulacji prądnicy synchronicznej

4 Sprawozdanie z ćwiczenia

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

− protokół z pomiarów,

− wykresy charakterystyk:

– biegu jałowego E = f( I ),

f

f

– zwarcia symetrycznego I = f( I ),

f

– zewnętrznej U = f( I), przy cosϕ = 1,

– regulacyjnej I = f( I) przy cosϕ = 1,

f

− obliczenia:

– współczynnika nasycenia obwodu magnetycznego k ,

n

– współczynnika zwarcia k ,

z

– reaktancji synchronicznej x ,

d

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03

ĆWICZENIE 21

Strona 11

– przeciążalności p,

– zmienności napięcia przy cosϕ = 1,

− uwagi i wnioski z pomiarów.

5 Pytania kontrolne

− Jaka jest różnica między rzeczywistą a teoretyczną charakterystyką biegu jałowego?

− Podać definicje charakterystyk wyznaczanych w ćwiczeniu.

− Uzasadnić prostoliniowość charakterystyki zwarcia.

− Jaka jest praktyczna interpretacja stosunku zwarcia?

− Uzasadnić, dlaczego zmienność napięcia jest większa w przypadku maszyn z małym stosunkiem zwarcia.

− Kiedy można uznać, że krzywa napięcia prądnicy jest praktycznie sinusoidalna?

− Podać definicję przeciążalności statycznej maszyny synchronicznej.

− O czym informuje charakterystyka regulacji?

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/cw21.htm

2010-10-30 09:39:03