1. Część teoretyczna.

Maszynę synchroniczną nazywamy taką maszynę prądu przemiennego, w której istnieje ścisła zależność pomiędzy częstotliwością f, prędkością obrotową n i liczbą par biegunów p:

f= (Hz)

Maszyny synchroniczne stosuje się we współczesnych układach elektroenergetycznych najczęściej w charakterze przetwornika energii mechanicznej w elektryczną, czyli jako prądnice.

Maszyny synchroniczne buduje się najczęściej jako trójfazowe. Trójfazowe uzwojenie wtornika umieszczone jest z reguły w stojanie, a uzwojenie wzbudzenia w wirniku.Uzwojenie wzbudzenia jest zasilane zwykle ze specjalnej prądnicy prądu stałego, zwanej wzbudnicą. Wzbudnica jest najczęściej osadzona na wale maszyny synchronicznej. Stojan maszyny synchronicznej wykonany jest z pakietu blach magnetycznych o grubości 0,5 mm. W odpowiednich żłobkach rozmieszczonych na wewnętrznym obwodzie, umieszczone jest trójfazowe uzwojenie twornika (połączone najczęściej w gwiazdę).

Wirniki maszyn synchronicznych wykonuje się w dwojaki sposób:

- z biegunami utajonymi,

- z biegunami jawnymi.

Zasada działania prądnicy synchronicznej.

U V W

M

F₁ G F₂ 3

1

A₁ G A₂ 2

E₁

E₂

U,V,W -- zaciski uzwojenia twornika (stojana),

1 -- uzwojenie wzbudzenia,

2 -- obwód wzbudzenia,

3 -- silnik napędowy,

F₁,F₂ -- zaciski uzwojenia wzbudzenia,

A₁,A₂ -- zaciski uzwojenia twornika,

Jeżeli uzwojenie wzbudzenia (umieszczone w nieruchomym wirniku) będzie zasilane prądem stałym I_w , to wytworzy ono stałe względem wirnika i stojana pole magnetyczne o strumieniu F.

Jeżeli wirnik prądnicy będzie napędzany (np.: przez silnik M ) i uzyska prędkość n , to powstanie wirujące względem stojana i nieruchome względem wirnika pole magnetyczne kołowe, które spowoduje, że w każdej fazie nieruchomego stojana powstanie sinusoidalna siła elektromotoryczna wyrażona wzorem:

E=c F n

E -- siła elektromotoryczna indukowana w każdej fazie stojana,

F -- strumień magnetyczny,

n -- prędkość obrotowa wirnika,

c -- stała konstrukcyjna,

Sinusoidalne siły elektromotoryczne przesunięte są względem siebie o kąt 120⁰. Sinusoidalny kształt siły elektromotorycznej uzyskuje się przy sinusoidalnym rozkładzie indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej.

Bieg jałowy prądnicy synchronicznej.

Bieg jałowy to taki stan pracy prądnicy synchronicznej, w którym prądnica jest napędzana i przez jej uzwojenie wzbudzenia płynie prąd I_w , ale nie jest obciążona, to znaczy prąd w tworniku jest równy zeru.

Charakterystyka biegu jałowego prądnicy synchronicznej E=f(I_w) przy I=0 i f=const.

E

E=f(I_w)

I_w

Obciążenie prądnicy synchronicznej.

W stanie obciążenia prądnicy synchronicznej przez poszczególne fazy uzwojenia twornika płynie prąd I. Prąd ten wytwarza strumień magnetyczny twornika F_t, który przebiega w obwodzie magnetycznym prądnicy wspólnie ze strumieniem wirnika (magneśnicy) F_m.

Charakterystyka zewnętrzna prądnicy synchronicznej U=f(I) przy I_w=const., dla różnych wartości współczynnika mocy cos f.

U

U_n cosf<1 (poj.)

cosf=1

cosf>1 (ind.)

I_n I

Charakterystyka regulacyjna prądnicy synchronicznej I_w=f(I_p), przy U=const. dla różnych wartości współczynnika mocy cos f.

I_w

cosf<1 (ind.)

cosf=1

cosf>1 (poj.)

I_p

2. Pomiary laboratoryjne.

Silnik Se 132s-7A

P= 5,5 kW

U= 380 V (trójkąt)

cosf= 0,85

I= 11,4 A

n= 2900 obr/min

Prądnica synchroniczna Gce 32

P= 4 kW

U= 400 V

I= 5,8 --- 7,2 A

f= 50 Hz

cosf= 0,8 --- 1

n= 3000 obr/min

sprawność= 0,78

Wzbudzenie

U= 54 V

I= 5,6 A

I. Charakterystyka biegu jałowego.

	E	V	396	372	360	324	308	269	209	92	40
	Iw	A	1,95	1,68	1,50	1,35	1,20	0,75	0,65	0,21	0,10

II. Charakterystyka obciążenia.

U_p= (U_RS+U_RT+U_ST)/3

I_P= (I_R+I_S+I_T)/3

cosf=P/(1,732*U_p*I_p)

		URS	URT	UST	IR	IS	IT	P	n	f	cosf	f	UP	IP
	L.p.	V	V	V	A	A	A	W	obr./min.	Hz	---	rad	V	A
	1	384	384	384	0	0	0	0	2800	49,77	1	0	384	0
	2	360	360	360	1,7	1,8	1,4	1010	2800	49,53	1	0,99	360	1,63
	3	296	296	296	3,1	3,1	2,4	1520	2600	49,46	1	0,99	296	2,86
	4	256	256	256	4	2,7	3,1	1440	2600	49,47	1	0,99	256	3,26
	1	388	388	388	0	0	0	0	2630	49,77	1	0	388	0
	2	380	380	380	1,85	1,85	1,88	1200	2620	49,50	1	0,99	380	1,86
	3	384	384	384	3,9	3,9	3,3	2480	2590	49,14	1	0,99	384	3,7
	4	392	392	392	5,85	4,0	5,1	3360	2580	49,87	1	0,99	392	4,98

III. Charakterystyka regulacyjna.

I_P=(I_R+I_S+I_T)/3

		IW	IR	IS	IT	IP
	L.p.	A	A	A	A	A
	1	2,2	1,9	1,9	1,5	1,766
	2	2,5	3,8	1,9	3	2,9
	3	3,3	5,7	4	4,7	4,8

3. Wnioski.

Dla charakterystyki biegu jałowego porównując wykres teoretyczny z wykresem otrzymanym z przeprowadzonego ćwiczenia, można zauważyć, że są one zbliżone do siebie. Największe podobieństwo można zauważyć w środkowej części wykresu. Zarówno na początku, jak i na końcu istnieją pewne odstępstwa od wykresu teoretycznego. Być może jest to spowodowane błędami pomiaru, jak i własnościami materiałów z jakich wykonany jest układ. Charakterystyka biegu jałowego dla cosf=1 pokazuje, że przy wzroście wartości E rośnie wartość I_w.

Zarówno wykres charakterystyki pracy jak i wykres charakterystyki regulacyjnej, są w przybliżeniu takie same jak wykresy teoretyczne przy cosf=1. Oczywiście tak jak powyżej istnieją pewne zakłócenia, lecz są one w granicach błędu. Tak więc wykresy otrzymane przez nas w pełni oddają dane charakterystyki. Z wykresu charakterystyki obciążenia dla cosf=1 wynika, że wraz ze wzrostem napięcia U maleje prąd I. Natomiast dla charakterystyki regulacyjnej można zauważyć, że wraz ze wzrostem prądu I_w rośnie prąd I_p (dla cosf=1).

Z wykresu charakterystyki obciążenia prądnicy z układem automatycznej regulacji wynika, że wraz ze wzrostem napięcia U wartość prądu najpierw maleje do osiągnięcia wartości I=1,86 ( dla U=380V), a następnie rośnie. Wykres ten jest połączeniem wykresu charakterystyki obciążenia z wykresem charakterystyki regulacyjnej.