POLITECHNIKA POZNAŃSKA INSTYTUT ELEKTROTECHNIKI PRZEMYSŁOWEJ Zakład Maszyn Elektrycznych
Laboratorium Maszyn Elektrycznych Ćwiczenie nr 2 Temat : Badanie maszyny synchronicznej podczas pracy samotnej (autonomicznej)
Rok akad.: 2006/2007	Jakub Wróblewski	Data
Wydział : Elektryczny			Wykonania ćwiczenia	Oddania sprawozdania
Rodzaj stud. : dzienne			12.03.2007	19.03.2007
Specjalność : EL-EN			Ocena :
Nr grupy : 4
Uwagi : Ćwiczenie odrabiane z dnia 19.02.2007

1. Wstęp

Prądnica synchroniczna trójfazowa składa się z wirnika i stojana. Na obwodzie stojana rozłożone są trzy uzwojenia w taki sposób, że osie geometryczne uzwojeń tworzą między sobą kąty 120°. Wirnik wykonany jest w postaci magnesu lub elektromagnesu wzbudzającego zasilanego prądem stałym. Pole magnetyczne wytworzone przez uzwojenie wirnika zamyka się przez żelazo wirnika, szczeliny powietrzne i żelazo stojana.

Charakterystyka magnesowania jest zależnością siły elektromotorycznej od prądu wzbudzenia. Aby ją wyznaczyć, należy doprowadzić maszynę synchroniczną do znamionowej prędkości obrotowej i odczytać napięcie na zaciskach nieobciążonego twornika przy stałych obrotach i prądzie wzbudzenia nastawianym od zera do takiej wartości przy której U₀=1,3U_N. Jeżeli maszyna posiada magnetyzm szczątkowy to charakterystyka nie zaczyna się od zera tylko od malej wartości SEM pk (0,E_SZCZ).

Charakterystyka ustalonego zwarcia symetrycznego jest to zależność prądu twornika od prądu wzbudzenia, wyznaczona przy zwartych zaciskach twornika i przy prędkości kątowej zbliżonej do znamionowej. W celu jej wyznaczenia należy zewrzeć przez amperomierze zaciski twornika i doprowadzić wirnik maszyny do prędkości zbliżonej do znamionowej, a następnie zwiększyć prąd wzbudzenia di wartości przy której prąd twornika osiągnie wartość znamionową. Charakterystyka zwarcia jest zależnością prostoliniową dlatego do jej wykreślenia niezbędne są tylko dwa punkty pomiarowe. Jeżeli maszyna posiada magnetyzm szczątkowy to charakterystyka nie przechodzi przez początek układu.

Charakterystyka zewnętrzna to zależność napięcia na zaciskach twornika od prądu obciążenia przy znamionowym prądzie wzbudzenia, znamionowej prędkości kątowej i znamionowym współczynniku mocy. Charakterystykę tę zdejmuje się dla różnych typów obciążenia ze względu na różny charakter oddziaływania twornika.

Charakterystyką obciążenia nazywa się zależność napięcia na zaciskach twornika od prądu wzbudzenia przy znamionowej prędkości katowej, stałej wartości prądu twornika i stałej wartości współczynnika mocy.

Stosunek zwarcia można wyznaczyć przy wykorzystaniu charakterystyk zwarcia i magnesowania maszyny synchronicznej.

gdzie: I_f0 to prąd wzbudzenia dla którego na biegu jałowym mamy napięcie znamionowe (U_N), I_fz to prąd wzbudzenia dla którego przy zwarciu mamy prąd znamionowy (I_N) a I_z0 oznacza prąd zwarcia dla I_f = I_f0

1.1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zbadanie prądnicy synchronicznej pracującej autonomicznie. W podstawowym zakresie badań znajduje się wyznaczenie charakterystyki magnesowania, zwarcia, zewnętrznej oraz obciążenia, wyznaczenie reaktancji podłużnej i rozproszenia oraz stosunku zwarcia.

2. Pomiary

2.1. Układ pomiarowy oraz parametry znamionowe maszyn

Parametry znamionowe:

Prądnica synchroniczna: Moc znamionowa PN = 5 [kW]; Prędkość obrotowa 1800obr/min; Prąd znamionowy IN=25A; Napięcie UN= 38/115V; f=60 Hz; cosϕ=1;

Silnik napędowy: Moc znamionowa PN = 6,5 [kW]; IN=56,5 A; N=1500 obr/min; Uwzb=115 V; Iwzb=2,4 A;

Należy wspomnieć że prądnica była projektowana na potrzeby Ameryki gdzie częstotliwość wynosi 60Hz. U nas, przy częstotliwości 50Hz znamionowa prędkość obrotowa to 1500obr/min.

2.2. Wyznaczanie charakterystyki magnesowania

Charakterystykę magnesowania (biegu jałowego) zdjęliśmy przy stałej prędkości obrotowej. Zmienialiśmy napięcie od wartości równej zero do 1,3U_N czyli 150V (
) i odczytywaliśmy prąd wzbudzenia. Pomiary wykonaliśmy tylko dla rosnących wartości napięcia ze względu na brak czasu

2.2.1. Tabela pomiarowa

	L.p.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
n=nS= Const	If [A]	0	0,2	0,4	0,55	0,7	0,95	1,1	1,25	1,55
		U [V]	0	20	40	60	80	100	120	135	150

2.2.2. Charakterystyka magnesowania U₀=f(I_f)

2.3. Wyznaczenie charakterystyki ustalonego zwarcia symetrycznego I_ZW=f(I_f)

Charakterystyka ta jest liniowa zatem do jej wyznaczenia wystarczą dwa punkty pomiarowe, jeden to (0,0) a drugi przy maksymalnym prądzie zwarciowym czyli I_ZW=25A. My wyznaczyliśmy dodatkowo trzeci punkt w środku charakterystyki.

2.3.1. Tabela pomiarowa

	L.p.	1	2	3
n=nS= const	If [A]	0	0,55	0,95
		IZW [A]	0	15	25

2.3.2. Charakterystyka zwarcia

2.3.3. Stosunek zwarcia

Charakterystyki magnesowania i zwarcia nałożone na siebie wyglądają następująco:

Parametry odczytane z wykresu:

Zatem stosunek zwarcia wynosi:

Stosunek zwarcia wyliczyłem dwoma wzorami, widać małą rozbieżność wyników która spowodowana jest niedokładnościami charakterystyk oraz odczytu parametrów z tych charakterystyk.

2.4. Zależność prądu zwarcia od prędkości obrotowej I_ZW=f(n)

Pomiary wykonaliśmy przy stałym prądzie wzbudzenia. Zmienialiśmy prąd zwarcia w zakresie 0A - 25A i odczytywaliśmy prędkość obrotową.

2.4.1. Tabela pomiarowa

	L.p.	1	2	3	4	5	6	7	8	9
If= const	n[obr/min]	1500	1313	740	400	230	200	175	65	28
		IZW [A]	25	25	24	23	22	21	20	12	6

2.4.2. Charakterystyka I_ZW=f(n)

2.4. Wyznaczenie charakterystyk zewnętrznych U=f(I)

Charakterystyki zewnętrzne zdjęliśmy dla trzech rodzajów obciążeń: R, L, C przy stałym prądzie wzbudzenia i stałej prędkości obrotowej.

2.4.1. Tabela pomiarowa

R If=const n=const	L.p.	1	2	3	4	5	6	7
		I [A]	2	4,8	6,7	8,1	12	15	19
		U [V]	115	118	115	111	108	102	86
	L	I [A]	2	2,5	3,4	5	11	14,5	19
		U [V]	100	90	88	80	60	40	26
	C	I [A]	5	8	10,5	13,5	16
		U [V]	115	126	132	142	150

2.4.2. Charakterystyki zewnętrzne

3

1

2

1 - R

2 - L

3 - C

2.5. Wyznaczenie charakterystyki obciążeniowej U=f(I_f)

Charakterystykę tę zdjęliśmy dla obciążenia czystoindukcyjnego przy stałym prądzie znamionowym oraz stałych obrotach i cosφ_ind­ = 0.

2.5.1. Tabela pomiarowa

	L.p.	1	2	3	4	5	6
IN=const n=const	U [V]	32	40	58	74	102	132
		If [A]	1,25	1,35	1,5	1,65	1,95	2,5

2.5.2. Charakterystyka obciążeniowa

2.5.3. Wyznaczenie reaktancji podłużnej i reaktancji rozproszenia twornika

Do wyznaczenia reaktancji twornika można posłużyć się charakterystyką magnesowania i charakterystyką obciążenia. W tym celu tworzy się trójkąt zwarcia zwany trójkątem Potiera. Poniżej widać charakterystyki magnesowania i obciążenia dla naszego przypadku wraz z wyznaczonym trójkątem zwarcia.

C'

U_N

A' D' B'

C

A D B

Odczytane z wykresu: DB = 0,69

Odcinek DB (D'B') odpowiada za reaktancję twornika, zatem X_tr=0,69Ω

Reaktancję rozproszenia X_d wyznaczamy z charakterystyki magnesowania i zwarcia, jest ona określona stosunkiem:

Ostatecznie, reaktancja rozproszenia jest sumą reaktancji twornika i reaktancji podłużnej:

Stąd reaktancja podłużna wynosi X_td=3,11Ω

3. Wnioski

Z charakterystyki magnesowania wynika, że prądnica nie posiada magnetyzmu szczątkowego gdyż wykres przebiega przez początek układu. Charakterystyka ta jest prostoliniowa aż do prądu ok. 1,1A i napięcia znamionowego 115V potem następuje jej załamanie. Charakterystyka zwarcia zgodnie z oczekiwaniami okazała się charakterystyką prostoliniową.

Z wykresu prądu zwarcia w funkcji obrotów I_ZW=f(n) wynika 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:

Wyznaczony z charakterystyki magnesowania i zwarcia stosunek zwarcia obarczony jest błędem ze względu na niedokładność odczytu parametrów z wykresu. Same wykresy również nie są idealne.

Analizując charakterystyki zewnętrzne wynika, że przy obciążeniu pojemnościowym napięcie wzrasta wraz ze wzrostem prądu. Przy obciążeniu rezystancyjnym i indukcyjnym napięcie maleje, przy czym przy odbiorze indukcyjnym maleje szybciej niż przy rezystancyjnym.

Wyznaczone reaktancje na podstawie wykresów obarczone są błędem wynikającym z niedokładności odczytu parametrów z wykresu.

8

---