ĆWICZENIE 24

BADANIE SILNIKA SYNCHRONICZNEGO

• Program ćwiczenia

• Rozruch silnika metodą asynchroniczną.

• Wyznaczenie charakterystyk elektromechanicznych silnika (I, M, P₁ = f(P₂) przy U, f, cosϕ = const).

• Wyznaczenie charakterystyk kompensatorowych silnika (I_Q, I_p, I_f, cosϕ = f(P₂) przy U, I = const).

• Wyznaczenie znamionowej przeciążalności silnika.

• Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i właściwości eksploatacyjnych silnika synchronicznego. Silniki tego typu mają cenne zalety, do których należą: stała, niezależna od obciążenia, prędkość obrotowa, możliwość kompensacji mocy biernej i duża sprawność. Do wad tych maszyn można zaliczyć kłopotliwy rozruch oraz brak łatwej regulacji prędkości obrotowej. Silniki synchroniczne są stosowane w napędach średnich i dużych mocy, które nie wymagają regulacji prędkości obrotowej i zbyt częstych rozruchów. Należą do nich napędy sprężarek, wentylatorów, pomp itp.

Podczas pomiarów przeprowadzanych w trakcie ćwiczenia szczególną uwagę należy zwracać na te aspekty pracy silnika, które różnią go od innych znanych typów silników. Umożliwi to analizę porównawczą różnych typów silników pod kątem ich przydatności do określonego rodzaju napędu.

• Omówienie programu ćwiczenia

1. Rozruch silnika synchronicznego

Moment obrotowy w silniku synchronicznym jest wynikiem oddziaływania wirującego strumienia twornika ze strumieniem wzbudzenia. W czasie normalnej pracy strumienie te wirując z jednakową prędkością w przestrzeni, pozostają względem siebie nieruchome. Jeśli jednak zasilić twornik silnika przy wirniku nieruchomym, to strumień twornika będzie wirował względem wirnika z prędkością synchroniczną. Powstający moment obrotowy ma wtedy charakter pulsujący - zmienia wartość i kierunek z częstotliwością napięcia twornika. Na skutek dużej bezwładności wirnika pozostaje on nieruchomy, gdyż średnia wartość działającego na niego momentu jest równa zeru.

Aby silnik synchroniczny mógł wytwarzać jednokierunkowy moment, należy go doprowadzić do prędkości synchronicznej. Proces ten nazywany jest rozruchem silnika.

Do znanych sposobów rozruchu silników synchronicznych należą:

1. rozruch za pomocą silnika pomocniczego,

2. rozruch częstotliwościowy,

3. rozruch asynchroniczny.

Rozruch za pomocą silnika pomocniczego nie różni się od opisanej w ćwiczeniu 22 synchronizacji prądnicy synchronicznej z siecią. Silnik jest napędzany za pomocą niewielkiego silnika dodatkowego do prędkości synchronicznej. Następnie, po wzbudzeniu i spełnieniu warunków synchronizacji, jest załączany do sieci. Sposób ten jest rzadko stosowany. Nie pozwala on na rozruch silnika pod obciążeniem.

Rozruch częstotliwościowy wymaga źródła o regulowanej częstotliwości, w granicach od zera do częstotliwości znamionowej, z jednoczesnym zachowaniem warunku U / f = const. Przy powolnym zwiększaniu częstotliwości napięcia twornika, wzbudzony wirnik, którego strumień jest praktycznie stale w synchronizmie ze strumieniem stojana, wiruje z prędkością zależną od aktualnej częstotliwości. Rozruch częstotliwościowy jest uzasadniony jedynie tam, gdzie jest wymagana regulacja prędkości obrotowej silnika w dużym zakresie. Stosowane w takich przypadkach statyczne przemienniki częstotliwości służą jako źródło zasilania nie tylko w czasie rozruchu, ale i podczas pracy silnika. Proces rozruchu jest w takim przypadku procesem regulacji prędkości obrotowej od zera do wymaganej prędkości. Dużą zaletą rozruchu częstotliwościowego jest możliwość rozruchu silnika przy pełnym obciążeniu, jego wadą - dość duży koszt przemienników.

Najczęściej stosowanym sposobem uruchamiania silników synchronicznych jest rozruch asynchroniczny. Wymaga on jednak odpowiedniego przystosowania konstrukcji maszyny. Magneśnicę silnika wyposaża się w klatkę rozruchową. Jej rolę może również odgrywać klatka tłumiąca lub lite bloki nabiegunników. W zależności od parametrów klatki rozruchowej silnik może startować z większym lub mniejszym obciążeniem.




Rys. 24.1. Schemat układu pomiarowego

Rozruch jest przeprowadzany, podobnie jak dla silników indukcyjnych, w układzie pokazanym na rys. 24.1. Początkowo obwód uzwojenia wzbudzenia jest odłączony od zasilania i zamknięty przez wyłącznik W4 i opornik R_r. Po załączeniu trójfazowego napięcia na twornik silnika zostaje wytworzony wirujący strumień magnetyczny, który indukuje w zamkniętych obwodach wirnika prądy, co powoduje powstanie asynchronicznego momentu obrotowego i silnik zaczyna wirować. Po uzyskaniu ustalonej prędkości obrotowej, która jest dość bliska prędkości synchronicznej, zamyka się wyłączniki W2 i W3 włączając prąd wzbudzenia, a następnie rozwiera wyłącznik W4 odłączając rezystor R_r. Wobec małej prędkości względnej strumieni wirnika i stojana wirnik zostaje „wciągnięty” w synchronizm.




Rys. 24.2. Składowe momentu rozruchowego silnika synchronicznego

Podczas rozruchu oprócz momentu asynchronicznego od prądów indukowanych w klatce rozruchowej (krzywa M₁, rys. 24.2) działa również moment pochodzący od prądów indukowanych w zamkniętym obwodzie uzwojenia wzbudzenia. Uzwojenie to jest jednofazowe, zatem strumień wywołany przez prąd płynący w nim jest strumieniem pulsującym. Strumień taki może być rozłożony na dwie składowe wirujące w przeciwnych kierunkach. Moment obrotowy od składowej współbieżnej ze strumieniem stojana przedstawia krzywa M₂, a od składowej przeciwbieżnej krzywa M₃. Krzywa M_r przedstawia przebieg wypadkowego momentu rozruchowego.

Wartości momentów M₂, i M₃ zależą od rezystancji R_r. Jeśli rezystancja ta jest zbyt mała, siodło na krzywej M_r, spowodowane momentem M₃, może być tak głębokie, że silnik ustali swą prędkość obrotową w połowie prędkości synchronicznej, co uniemożliwi jego wejście w synchronizm po włączeniu wzbudzenia. Wartość rezystancji R_r powinna być 8-10 razy większa od rezystancji uzwojenia wzbudzenia. Zbyt duża wartość R_r powoduje indukowanie się w uzwojeniu dużego napięcia, które może być niebezpieczne dla jego izolacji oraz może stanowić zagrożenie dla obsługi.

Wielkością charakteryzującą rozruch silnika pod obciążeniem jest tzw. moment wpadu. Oznacza on największy moment hamujący, przy którym silnik może wpaść w synchronizm po włączeniu wzbudzenia przy ustalonej prędkości asynchronicznej. Moment silnika przy 5% poślizgu, czyli prędkości n = 0,95·n_s jest nazywany znamionowym momentem wpadu Moment ten wynosi (0,7-0,9)·M_n dla silników o biegunach jawnych i klatką rozruchową oraz około 0,3·M_n dla silników z wirnikiem cylindrycznym bez klatki tłumiącej.

Początkowa wartość prądu rozruchowego podczas rozruchu asynchronicznego jest, podobnie jak w przypadku silników indukcyjnych, dość duża i wynosi (5-7)·I_n. Zmniejszenie tego prądu można uzyskać przez obniżenie wartości napięcia zasilającego w początkowym okresie rozruchu za pomocą autotransformatorów lub dławików łączonych w szereg z uzwojeniem twornika. Należy jednak pamiętać, że taką metodę można stosować jedynie przy rozruchu lekkim, gdyż moment obrotowy maleje proporcjonalnie do kwadratu zmian napięcia.

Rozruchu silnika dokonuje się bez obciążenia przy napięciu obniżonym za pomocą autotransformatora. Przed rozruchem należy ustalić położenie pokrętła autotransformatora AT2 odpowiadające znamionowej wartości prądu wzbudzenia. W tym celu po zamknięciu wyłączników W2 i W3 (rys. 24.1) należy, regulując napięcie wyjściowe autotransformatora AT2, nastawić znamionową wartość prądu wzbudzenia i wyłączyć wyłącznik W3. Następnie wyłącznikiem W1 zamknąć obwód wzbudzenia przez rezystor R_r. Po zwarciu amperomierzy i cewek prądowych watomierzy i nastawieniu autotransformatora AT1 w pozycji U_min włącza się zasilanie twornika wyłącznikiem W4. Napięcie twornika podnosi się powoli do wartości U_n w miarę jak silnik nabiera prędkości obrotowej. Po ustaleniu się prędkości silnika na wartości bliskiej prędkości synchronicznej zamyka się wyłącznik W3. Silnik wpada w synchronizm. Następnie należy szybko otworzyć wyłącznik W4, wyłączając rezystor R_r. Często, w przypadku silników synchronicznych o biegunach jawnych, synchronizm zostaje już osiągnięty przed włączeniem prądu wzbudzenia co jest spowodowane występowaniem w takich maszynach momentu reluktancyjnego.

1. Wyznaczanie charakterystyk elektromechanicznych

Charakterystyki elektromechaniczne silnika podają jego właściwości eksploatacyjne. Są to zależności prądu twornika I, mocy pobieranej z sieci P₁, momentu obrotowego M i sprawności η od mocy oddawanej na wale silnika przy znamionowych wartościach napięcia U, współczynnika mocy cosϕ oraz częstotliwości f.

Układ pomiarowy przedstawiono na rys. 24.1. Obciążenie silnika stanowi prądnica obcowzbudna prądu stałego o znanej zależności P_1g = f(P_2g) przy U_a = U_n i n = n_s. P_1g oznacza moc mechaniczną dostarczaną do prądnicy, równą mocy oddawanej przez silnik P₂, a P_2g moc elektryczną oddawaną przez prądnicę na opornik R_o.

Pomiary charakterystyk należy przeprowadzić przy współczynniku mocy równym 1,0, obciążając silnik w zakresie (0-1,2)·P_n. Obciążenie silnika reguluje się przez zmianę rezystancji R_o. Przez cały czas pomiarów należy utrzymywać stałe napięcie na zaciskach twornika prądnicy hamulcowej przez regulowanie jej prądu wzbudzenia. Ponieważ przy zmianie obciążenia silnika niewielkiej zmianie ulega również rozpływ mocy biernej, należy dla każdego punktu pomiarowego skorygować współczynnik mocy do wartości 1,0 przez regulację prądem wzbudzenia silnika. Prąd twornika przy cosϕ = 1,0 ma wartość minimalną, a obydwa watomierze w zastosowanym układzie Arona wskazują taką samą wartość (p. krzywe V, ćw. 22).

W podanym zakresie mocy należy wykonać około 8 pomiarów, odczytując prąd pobierany przez silnik I, moc czynną P₁ i prąd oddawany przez prądnicę hamulcową I_g. Napięcie zasilające silnik przez cały czas pomiarów powinno być równe znamionowemu. Wyniki pomiarów należy zestawić w tabeli 24.1.

Tabela 24.1

Lp.

Iu

Iv

Iśr

PI

PII

P1

P2

M

η

Ig

P2g

Uwagi

A

A

A

W

W

W

W

N·m

-

A

W

1 · · · 8

U = Un cosϕ = 1,0 Ug = U n = ns

Moc oddawaną przez prądnicę hamulcową oblicza się ze wzoru


(24.1)

Moc oddawana przez silnik P₂ równa jest mocy mechanicznej pobieranej przez prądnicę P_1g i może być odczytana z wykresu P_1g = f(P_2g) dla poszczególnych wartości P_2g.

Moment obrotowy silnika


(24.2)

gdzie: n_s - prędkość synchroniczna w obr/s.

Sprawność silnika


(24.3)

Na podstawie otrzymanych wyników należy wykreślić charakterystyki I, P, M, cosϕ,  = f(P₂). Ich teoretyczny przebieg przedstawiono na rys. 24.3.




Rys. 24.3. Charakterystyki elektromechaniczne silnika synchronicznego

2. Wyznaczanie charakterystyk kompensatorowych

Silnik synchroniczny może w czasie pracy spełniać dodatkowo funkcję kompensatora, poprawiając współczynnik mocy zespołu odbiorów pracujących przy cosϕ < 1. Silnik synchroniczny, identycznie jak prądnica, przy przewzbudzeniu zaczyna pobierać z sieci prąd bierny pojemnościowy, zatem oddaje do sieci moc bierną indukcyjną. Ze względu na nagrzewanie się uzwojenia twornika suma geometryczna prądu czynnego i biernego nie może przekraczać maksymalnego dopuszczalnego prądu obciążenia silnika, a więc jego prądu znamionowego.

Pomiar wykonuje się w układzie jak na rys. 24.1. Na wstępie należy ustalić punkt pracy przy obciążeniu znamionowym silnika I = I_n oraz cosϕ = 1. Prąd bierny jest wtedy równy zeru. Zmniejszając obciążenie silnika na wale, obserwuje się zmniejszanie prądu twornika. Umożliwia to przewzbudzanie silnika i obciążanie go dodatkowo prądem biernym, tak aby prąd twornika był nadal równy I_n. W skrajnym przypadku całkowitego odciążenia silnika na wale, prąd bierny stanowi ok. 90% prądu znamionowego silnika. Silnik pracuje wówczas jako kompensator wirujący.

W zakresie od obciążenia znamionowego do zera należy wykonać około 6 pomiarów, odczytując wartości mocy pobieranej i prądu wzbudzenia przy stałym napięciu zasilającym U i prądzie twornika I_a. Wyniki pomiarów zestawić w tabeli 24.2.

Tabela 24.2

Lp.	PI	PII	P1	cosϕ	Q	IQ	If	Uwagi
		W	W	W	-	VAr	A		A
								U = Un Ia = In

W tabeli 24.2:


(24.4)


(24.5)


(24.6)

Na podstawie wyników pomiarów i obliczeń należy wykreślić krzywe I_Q, I_f, cosϕ = f(P₁). Ich teoretyczny przebieg przedstawiono na rys. 24.4.




Rys. 24.4. Charakterystyki kompensatorowe silnika synchronicznego

3. Wyznaczanie znamionowej przeciążalności momentem

Stosunek wartości momentu maksymalnego, jaki silnik może rozwinąć przy znamionowym napięciu twornika i znamionowym prądzie wzbudzenia bez utraty synchronizmu, do wartości momentu znamionowego nazywany jest znamionową przeciążalnością momentem. Zgodnie z normą przeciążalność silników synchronicznych nie powinna być mniejsza niż 1,65.

Moment maksymalny można zmierzyć stopniowo obciążając silnik, przy zachowaniu stałych wartości napięcia twornika i prądu wzbudzenia, aż do wypadnięcia z synchronizmu. Pomiar ten należy przeprowadzać bardzo szybko ze wzglądu na znaczne przeciążenie maszyny i układu zasilającego. Ponieważ w tym ćwiczeniu jest stosowany pośredni sposób pomiaru momentu, szybkie i dokładne wyznaczenie wartości momentu maksymalnego byłoby dość trudne. Dlatego przeciążalność zostanie określona na podstawie pomiaru kąta mocy ϑ. W tym celu na wale silnika jest umieszczona tarcza z promieniowymi kreskami. Liczba kresek jest równa liczbie par biegunów badanego silnika. Na zewnątrz tarczy znajduje się nieruchoma podziałka kątowa (rys. 24.5).




Rys. 24.5. Tarcza stroboskopowa do pomiaru kąta mocy

W czasie pracy silnika tarczę oświetla się lampą stroboskopu, której częstość błysków jest zsynchronizowana z częstotliwością napięcia zasilającego silnik. Pozornie nieruchoma kreska wirującej tarczy wskazuje kąt mocy ϑ. Na wstępie, na biegu jałowym, przy cosϕ =1, należy, obracając tarczą z podziałką kątową ustawić kreskę na zero. Po obciążeniu silnika mocą znamionową odczytuje się odpowiadającą mu wartość ϑ_n. Następnie, po uprzednim zwarciu amperomierzy w obwodzie twornika oraz cewek prądowych watomierzy, należy obciążać silnik aż do utraty synchronizmu. Należy odczytać tę wartość kąta przy której nastąpiło wypadnięcie z synchronizmu - ϑ_max . Pomiar kąta ϑ_max należy przeprowadzić możliwie szybko i przy pierwszych objawach utraty synchronizmu wyłączyć napięcie zasilające.

Przeciążalność silnika oblicza się z przybliżonego wzoru


(24.7)

• Sprawozdanie z ćwiczenia

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• protokół z pomiarów,

• wykresy charakterystyk elektromechanicznych I, P₁, M, η = f(P₂),

• wykresy kompensatorowe silnika I_Q, I_f, cosϕ = f(P₁),

• obliczoną wartość znamionowej przeciążalności momentem,

• uwagi i wnioski.

• Pytania kontrolne

• Omówić zalety i wady silników synchronicznych.

• Scharakteryzować znane metody rozruchu silników synchronicznych.

• Wyjaśnić przebiegi składowych momentu rozruchowego w czasie rozruchu asynchronicznego.

• Co to jest moment wpadu silnika synchronicznego?

• Omówić przebieg charakterystyk elektromechanicznych silnika synchronicznego.

• Jakie są możliwości kompensacji mocy biernej za pomocą silnika synchronicznego?

• Co to jest przeciążalność momentem silnika synchronicznego?

94

---