1
5. BADANIE PR
DNICY 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:
f
n = 60 [obr/min]
p
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 E0 = f(If) przy n = nn = const w stanie nieobciążonym prądnicy synchronicznej (I = 0).
Badania prądnicy synchronicznej rozpoczyna się od chwili rozruchu silnika bocznikowego prądu stałego za
pomocą rozrusznika Rr. 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
WW
V
S2
A
D1 wg
A N
V
A1 U
A
U
D2
F1 F2
G
W
R
A
nap
A2
W
PV
R
r
D1 A
S3
A1
D2
=
R V
M
obr
A2
A
fm
Z9
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 = nn utrzymuje się stałą przez regulację rezystancji Robr włączonej
w obwód wzbudzenia silnika. Przez zmianę rezystancji Rnap włączonej w obwód wzbudzenia wzbudnicy
zwiększa się prąd wzbudzenia If prądnicy do takiej wartości, aby napięcie na zaciskach twornika było równe
1,3 Un. 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:
EUV + EVW + EUW
E0 =
3
Tabela 5.1.
If EUV EUW EWV E0 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 If0n przy napięciu U = Un.
3
E0
Un
Esz
0 If0n
If
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 Iz = f(If) przy n = nn = 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 If reguluje się do
takiej wartości, aby prąd twornika osiągnął wartość około 1,2 In. Następnie zmniejszając prąd wzbudzenia
mierzy się prądy poszczególnych faz twornika i oblicza się wartość prądu zwarcia symetrycznego:
N
V
A
V
IU + IV + IW U
Iz =
A U
3
A W
W
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.
If IU IV IW IZ
Rodzaj
Lp.
zwarcia
A A A A A
1
2
3
4
5
6
7
8
4
Iz
c
b
a
In
If
Iwz1n Iwz2n Iwz3n
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 Ifzn. Na
podstawie charakterystyk biegu jałowego i zwarcia symetrycznego oblicza się wartość stosunku
zwarciowego:
If 0n
K =
Ifzn
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 = nn za pomocą opornika
Robr.
2. Po załączeniu wyłącznika WW przez regulację opornika Rnap należy zwiększyć napięcie prądnicy
synchronicznej do wartości napięcia sieci zasilającej.
3. Załączyć stycznik S2 oraz łączniki A
1 i A
2
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 Robr,
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.
V
S2 A
2 S1 A
1
W
A
ą
V
U
W
� A
U
W
A
W
PV KS
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 � = 0 ind.
Charakterystyką obciążenia nazywa się zależność napięcia na zaciskach prądnicy od prądu wzbudzenia U
= f(If) przy prądzie twornika I = Ia = const., n = nn = const.; cos� = const. Aby obciążenie prądnicy miało
charakter czysto indukcyjny należy zsynchronizowaną z siecią sztywną prądnicę przewzbudzić (zwiększając
jej prąd wzbudzenia regulatorem Rnap). Jednocześnie należy regulować opornikiem Robr 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� = 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 In i przy cos� = 0 ind odczytuje się wartość prądu
wzbudzenia If00 przy napięciu U = Un. Na rysunku 5.6. pokazana jest konstrukcja charakterystyki obciążenia
za pomocą wyznaczonego trójkąta Potiera.
U
E E0
A
U
Un
O C B
A
B If
C D
0 Ifzn If0n If00
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 Ifzn, oraz wyznaczony punkt B o współrzędnych (Un, If00). Od punktu B
odkłada się w lewo odcinek B 0 równy wartości Ifzn. Przez punkt 0 prowadzi się prostą równoległą do
prostoliniowej części charakterystyki magnesowania E0 = f(If). 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 If = const., n = n1 = const., cos� = const.
V
S2 A
2 R
obc
Wą
A
U
W�
A
A
W
PV
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� = 1 przedstawiony jest na rysunku 5.7. Po uruchomieniu silnika napędzającego należy załączyć
stycznik S2 i łącznik A
2. Charakterystykę zewnętrzną wyznacza się począwszy od biegu jałowego prądnicy,
6
gdy U = Un i I = 0. Przez regulację rezystancji Rnap utrzymuje się stały prąd wzbudzenia If = const.,
a rezystancją Robr utrzymuje się stałą prędkość obrotową n = nn = const. Następnie obciąża się stopniowo
prądnicę opornikiem wodnym Robc, przyłączonym do zacisków Z1 na stole laboratoryjnym, do wartości
I = In. Wyniki pomiarów wpisuje się do tabeli 5.4. gdzie:
IU + IV + IW
I =
3
Tabela 5.4.
IA IB IC 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., If = const., cos� = 1. Opadający
przebieg charakterystyki zewnętrznej jest wynikiem rozmagnesowującego działania strumienia twornika
oraz spadków napięcia na reaktancjach rozproszenia.
U
U
n
cos�=1
I
I
n
Rys. 5.8. Charakterystyka zewnętrzna prądnicy synchronicznej
5.3.6. Charakterystyka regulacyjna
Charakterystyką regulacyjną prądnicy synchronicznej nazywa się zależność If = f(I) przy U = Un = const.,
n = nn = const. i cos� = const. Charakterystyki regulacyjne wyznacza się po zsynchronizowaniu prądnicy z
siecią sztywną zgodnie z punktem 5.3.3. dla trzech wartości:
a) cos� = 1. Rezystancją Rnap reguluje się prąd wzbudzenia tak, aby wskazania watomierzy były zawsze
jednakowe.
b) cos� = 0,5 ind. Prąd wzbudzenia prądnicy zmienia się tak, aby watomierz W2 wskazywał 0, a watomierz
W1 całkowitą moc.
c) cos� = 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.
If I If I If I
Charakter Charakter Charakter
Lp.
obciążenia obciążenia obciążenia
A A A A A A
1
2
3
4
cos�=0,5 cos�=0,5
cos�=1
ind. poj.
5
6
7
8
Na rysunku 5.9. przedstawiona jest zależność If = f(I) przy U = const. i n = const. Wzrost prądu
wzbudzenia If 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 If przy obciążeniu pojemnościowym wynika z domagnesowującej reakcji twornika. Prądnica
synchroniczna pracuje jako niedowzbudzona, czyli oddaje sieci moc bierną pojemnościową.
I
f
cos�
ind
cos�=1
cos�
poj
I
I
n
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.