Laboratorium Maszyn Elektrycznych
Ćwiczenie S2 - Maszyna synchroniczna, współpraca z siecią
Grupa studencka 3. Grupa laboratoryjna D.	23-03-99
Nazwisko i imię :	Data zaliczenia:
1. Król Grzegorz
2. Kus Adrian
3. Legut Jacek		Uwagi:
4. Lis Gerard
5. Łatka Tadeusz

1. Opis badanego układu.

Badana maszyna synchroniczna pracuje w układzie Leonarda w celu zapewnienia możliwości precyzyjnego sterowania nią. Jest to maszyna trójfazowa, dwubiegunowa. Na wspólnym wale znajdowała się prądnica prądu stałego, generująca prąd dla uzwojenia wzbudzenia. Takie rozwiązanie gwarantuje bezpieczeństwo, gdyż nie pozwala na rozruch przy zasilonym uzwojeniu wzbudzenia. Energię dla uzwojeę stojana (twornika) była pobierana z maszyny asynchronicznej sterowanej z tablicy rozdzielczej.

Dane znamionowe maszyny.

UN = 400/231 [V]

IN = 23.1 [A]

PN = 16 [kW]

cosN = 0.8

nN = 1500 [obr./min.]

2. Synchronizacja generatora z siecią.

a) synchronizacja dokładna - po załączeniu układu wskaźniki w kolumnie synchronizacyjnej wskazują częstotliwość sieci oraz napięcie w niej panujące. regulując R₁ zmienialiśmy prędkość maszyny tak aby zrównała się ona z częstotliwością sieci (f = 50 Hz). Potem ustawiliśmy na zaciskach maszyny napięcie sieci (U = 400 V). Następnie pozostało tylko załączyć maszynę w momencie kiedy żarówki kolumny synchronizacyjnej zgasły (żarówki w układzie „na ciemno” - kolejność faz zgodna przy zgaszonych żarówkach).

b) samosynchronizacja - po doprowadzeniu prędkości maszyny w pobliżu prędkości synchronicznej przyłączamy ją do sieci. Następnie podajemy wzbudzenie co powoduje wciągnięcie maszyny w synchronizm. Synchronizacja przeprowadzona tym sposobem wywołuje przepływ dużo większych prądów w porównaniu z opisaną wyżej, jednak czas jej trwania jest znacznie krótszy.

Układ połączeń kolumny synchronizacyjnej:

Układ lamp do synchronizacji na ciemno:

3. Rozruch asynchroniczny silnika synchronicznego)

Polega na potraktowaniu maszyny synchronicznej jako maszyny asynchronicznej (AS). Rolę uzwojenia wzbudzenia AS pełni klatka rozruchowa, która podczas normalnej pracy ma za zadanie tłumić oscylacje. Właściwe uzwojenie wzbudzenia zwiera się rezystancją. Musi być ona około 10 razy większa od odporności uzwojenia wzbudzenia, aby wyeliminować niepożądany efekt „siodła” na krzywej momentu elektrycznego podczas rozruchu. Jest on wywołany powstającym w uzwojeniu pulsującym polem magnetycznym, którego składowa przeciwna do kierunku obrotów (hamująca) ma maksimum dla około połowy prędkości synchronicznej. Jest to tzw. efekt Göergesa. Może on spowodować utknięcie maszyny podczas rozruchu. Zarówno rozruch asynchroniczny jak i efekt Göergesa zaabsorbowano w labolatorium.

4. Wyznaczanie krzywych "V" na podstawie pomiarów silnika.

Krzywe „V” obrazują zależność natężenia prądu twornika od natężenia prądu wzbudzenia. Z wykresu można również odczytać informację o charakterze pobieranej lub oddawanej do sieci mocy tj. czynna lub bierna. Z lewej strony krzywa jest ograniczona warunkami stabilności maszyny (zbyt duże zmniejszenie prądu wzbudzenia może spowodować wypadnięcie maszyny z synchronizmu), natomiast z prawej warunkami temperaturowymi. Minimum krzywej „V” oznacza kąt mocy określony równaniem cos Wartości zostały zmierzone przy pracy silnikowej w warunkach lekkiego obciążenia powodowanego przez wzbudnicę i dołączoną na wspólnym wale maszynę obciążającą - była wyłączona, nie można jednak pominąć oporów mechanicznych.

• wyniki pomiarów:

P = 8 [kW]

If [A]	I [A]
12	23
10	19
8,5	16
7,5	13
6	9
4,5	3,6
4	1,8
3,5	0,5
2,5	2,3
2	4,6
1,5	6,2
1	8

5. Wnioski

Jednym z podstawowych problemów eksploatacji maszyn synchronicznych jest zapewnienie warunków umożliwiających powstanie trwałej więzi pomiędzy elektromagnesem (lub magnesem trwałym) wirnika oraz polem wirującym, wytwarzanym przez uzwojenia stojana przyłączone do sieci sztywnej. Więź ta może zaistnieć jedynie przy dostatecznie małej prędkości względnej wirnika i pola, a towarzyszące temu procesy nieustalone nie mogą stanowić zagrożenia dla maszyny ani sieci zasilającej. Przyjmowanie przez wirnik ustalonego, stabilnego położenia względem pola nazywa się synchronizacją.

Sposób przygotowania maszyny do procesu synchronizacji zależy od jej wielkości i konstrukcji, przeznaczenia, parametrów sieci zasilającej itp.

Synchronizacja generatorów wymaga precyzyjnego ustawienia wirnika względem pola odpowiadającego napięciu sieci. Dokonuje się tego metodą tzw. synchronizacji dokładnej, porównując chwilowe wartości siły elektromotorycznej, wyindukowanej w uzwojeniach stojana przez wirujący wzbudzony wirnik, z odpowiednimi napięciami sieci, do której ma być przyłączony generator. Włączenie maszyny do sieci powinno nastąpić w chwili, gdy pomiędzy parami odpowiednich zacisków wyłącznika występuje możliwie najmniejsze napięcie.

Dla osiągnięcia tego stanu należy

- uzgodnić kolejność faz prądnicy i sieci,

- wyrównać częstotliwość napięć generatora i sieci, nadając maszynie odpowiednią prędkość,

- wyrównać skuteczne wartości napięć sieci i prądnicy regulując prąd wzbudzenia,

- doprowadzić do zgodności faz napięć sieci i generatora.

W przypadku silnika synchronicznego wymaganą niską prędkość względną wirnika i pola wirującego uzyskuje się za pomocą jednej z trzech metod:

- za pomocą obcej maszyny,

- obniżając częstotliwość napięcia zasilającego uzwojenie stojana,

- metodą rozruchu asynchronicznego.

Rozruch asynchroniczny jest najczęściej wykorzystywaną metodą zbliżenia prędkości wirnika do prędkości pola wirującego. Odbywa się dzięki prądom wyindukowanym w klatce, w którą wyposażony jest wirnik lub w litych elementach obwodu magnetycznego wirnika. Wytwarzany w ten sposób moment przypomina w zasadzie moment powstający w silniku indukcyjnym, posiada jednak dodatkowe składowe wynikające z niepełnej, jedynie dwuosiowej symetrii zwartych obwodów wirnika. Rozruch asynchroniczny wzbudzonej maszyny w ogóle nie jest możliwy. Uzwojenie wzbudzenia nie może też pozostawać otwarte z uwagi na niebezpieczne dla izolacji napięcie, jakie wyindukowałyby się w nim podczas rozruchu. Na ogół uzwojenie to jest zamykane na czas rozruchu asynchronicznego rezystancją o wartości zbliżonej do dziesięciokrotnej wartości rezystancji własnej uzwojenia. Zwiększenie rezystancji ma na celu ograniczenie prądu wyindukowanego w uzwojeniu wzbudzenia przez pole wirujące, a tym samym zmniejszenie niekorzystnego "siodła" na charakterystyce momentu średniego. To obniżenie momentu może w pewnych przypadkach doprowadzić do utknięcia wirnika bezpośrednio po przekroczeniu połowy prędkości synchronicznej (tzw. efekt Görgesa). "Siodło" na charakterystyce momentu średniego wynika z istnienia składowej przeciw­nej pola eliptycznego. Prądy o częstotliwości sf₀, wyindukowane w obwodach wirnika z powodu ich niepełnej symetrii, wywołują pole, które ma dwie składowe:

- zgodną, wirującą względem stojana z prędkością ω_zg = ω + sω₀ = ω₀,

- przeciwną, której prędkość względem stojana wynosi ω_prz = ω - sω₀=(1 - 2s)ω_o

Zmiana znaku prędkości ω_prz przy poślizgu 0,5 powoduje również zmianę znaku mo­mentu średniego, pochodzącego od tej składowej pola szczelinowego. Ten składnik mo­mentu dodatni dla poślizgów 1 ≥ s > 0,5 staje się ujemny dla s < 0,5.

"Siodło" na charakterystyce momentu średniego - tzw. efekt Görgesa

---