politechnika gdańska laboratorium maszyny elektryczne

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN ELEKTRYCZNYCH
L AB O R AT O R I U M
M AS Z Y N Y E L E K T R Y C Z N E
ĆWICZENIE (MS)
MASZYNY SYNCHRONICZNE
BADANIE CHARAKTERYSTYK
PRĄDNICY/GENERATORA SYNCHRONICZNEGO
Materiały pomocnicze
Kierunek Eelektrotechnika
Studia stacjonarne 1-szego stopnia
semestr 3
Opracował
Mieczysław Ronkowski
Grzegorz Kostro
Michał Michna
Gdańsk 2012-2013
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
2
ĆWICZENIE (MS)
MASZYNY SYNCHRONICZNE
BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ
PROGRAM ĆWICZENIA ................................................................................................................................................ 2
1.
TEORIA ................................................................................................................................................................. 2
1.1. Budowa, działanie i model fizyczny maszyny synchronicznej............................................................................ 2
1.2. Model obwodowy (schemat zastępczy) maszyny synchronicznej....................................................................... 5
2.
BADANIA............................................................................................................................................................... 6
2.1. Oględziny zewnętrzne......................................................................................................................................... 6
2.2. Pomiar rezystancji uzwojeń ................................................................................................................................ 6
2.3. Pomiar charakterystyki biegu jałowego .............................................................................................................. 6
2.4. Pomiar charakterystyki zwarcia i reaktancji synchronicznej............................................................................... 9
2.5. Pomiar charakterystyki zewnętrznej ................................................................................................................. 12
2.6. Pomiar charakterystyki regulacyjnej ................................................................................................................. 12
2.7. Zadania ............................................................................................................................................................. 13
3.
PYTANIA KONTROLNE ................................................................................................................................... 14
4.
LITERATURA POMOCNICZA.......................................................................................................................... 15
PROGRAM ĆWICZENIA
•
•
•
•
•
Pomiar rezystancji uzwojeń maszyny.
Pomiar charakterystyki magnesowania.
Pomiar charakterystyki zwarcia
Pomiar charakterystyki zewnętrznej.
Pomiar charakterystyki regulacyjnej.
1.
TEORIA
1.1. Budowa, działanie i model fizyczny maszyny synchronicznej
Maszyna synchroniczna (MS) jest przetwornikiem elektromechanicznym (rys. 1.1) o trzech wrotach,
które fizycznie reprezentują: „wyjście elektryczne” – zaciski uzwojenia twornika „a”; „wejście elektryczne”
– zaciski uzwojenia wzbudzenia „f”; „wejście mechaniczne” – koniec wału (sprzęgło). Moc mechaniczna
(dostarczana) Pm i moc elektryczna (odbierana) Pa ulegają przemianie elektromechanicznej za
pośrednictwem pola magnetycznego – pola wytwarzanego uzwojeniem wzbudzenia. Energia pola
magnetycznego jest energią wewnętrzną maszyny, gdyż przetwornik nie ma możliwości wymiany tej energii
z otoczeniem.
Rys. 1.1. Maszyna synchroniczna (praca prądnicowa) – trójwrotowy przetwornik elektromechaniczny: wrota (zaciski)
obwodu twornika „a” – odpływ energii elektrycznej przetwarzanej ma energię mechaniczną, wrota obwodu wzbudnika
(wzbudzenia) „f” – dopływ energii pola wzbudzenia, wrota układu (obwodu) mechanicznego „m” – dopływ energii
mechanicznej
Uwaga:
Działanie maszyny synchronicznej oparte jest na wykorzystaniu idei pola o wirującym strumieniu
magnetycznym.
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
3
Budowę i podstawowe elementy MS przedstawiono na rys. 1.2. Maszyna składa się z następujących
elementów czynnych: magneśnicy/wzbudnika (uzwojenie wzbudzenia, pierścienie ślizgowe, rdzeń
magneśnicy) umieszczonej na wirniku; twornika (3-fazowe uzwojenie twornika, rdzeń twornika)
umieszczonego na stojanie; wału.
Układ elektromechaniczny na rys. 1.3 przedstawia schematycznie budowę (elementarnej)
wielofazowej MS o wydatnobiegunowym wirniku wraz z ilustracją zasady jej działania. Uzwojenia MS
stanowią:
trzy fazy (pasma) na stojanie – osie magnetyczne poszczególnych faz są odpowiednio względem siebie
przesunięte w przestrzeni o kąt 1200 (dla MS o liczbie par biegunów p>1 kąt wynosi 120o/p);
uzwojenie wzbudzenia na wirniku o osiach magnetycznych d i q, położnych odpowiednio na osi bieguna i w
strefie międzybiegunowej.
Aby zachować czytelność rysunku, układ uzwojeń fazowych (pasm) MS zaznaczono szkicowo na rys. 1.3
obwodami a-a', b-b' oraz c-c'. Przy czym, litery a, b oraz c oznaczają umowne początki uzwojeń (pasm), a
litery a', b' oraz c’ — umowne końce tych uzwojeń. Analogiczny sposób wyróżniania umownych początków
i końców uzwojeń przyjęto dla wzbudzenia, odpowiednio f oraz f’. Oznaczenia znormalizowane
(przemysłowe) zacisków uzwojeń MS są takie jakie podano na rys. 1.2c.
a)
b)
c)
d)
Rys. 1.2. Budowa i podstawowe elementy maszyny synchronicznej (produkcja firmy ELMOR Gdańsk): a) twornik 3fazowy, b) wzbudnik wydatnobiegunowy, c) tabliczka zaciskowa, d) tabliczka znamionowa
Uzwojenie wzbudzenia f - f’, zasilane prądem stałym, wzbudza pole magnetyczne —
reprezentowane przez przepływ Θf. Pole magneśnicy jest nieruchome względem układu
elektromagnetycznego wirnika, ale ze względu na ruch obrotowy wirnika (wymuszony maszyną napędową)
jest polem wirującym względem uzwojenia twornika (stojana). Zgodnie z prawem Faradaya, wirujący
strumień wzbudnika Φf indukuje SEM rotacji E0 w poszczególnych fazach uzwojenia twornika.
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
a)
4
b)
MS:
MS:PRACA
PRACAPRĄDNICOWA
PRĄDNICOWA
STAN
STANJAŁOWY
JAŁOWY
MS:
MS:PRACA
PRACAPRĄDNICOWA
PRĄDNICOWA
STAN
STANOBCIĄŻENIA
OBCIĄŻENIACZYNNO-BIERNEGO
CZYNNO-BIERNEGO
Prądy 3-fazowego
uzwojenia twornika
Iaa, Iab, Iac wzbudzają
wirujące pole
twornika Θa
Wirujący strumień Φf wzbudnika
indukuje SEM rotacji E0
w 3-fazowym uzwojeniu twornika
+
+
E0 ~ Ωr
E0 ~ Φ f
Pole wzbudzenia Θf
wyprzedza („ciągnie”)
pole twornika Θa – efektem jest
generacja momentu
elektromagnetycznego Te
Φ f = Φ f (I f )
hamującego
© Mieczysław RONKOWSKI
© Mieczysław RONKOWSKI
2
3
Rys. 1.3. Elementarna maszyna synchroniczna: budowa i ilustracja zasady jego działania – pole wzbudzenia Θf
wyprzedza („ciągnie”) pole twornika Θa – efektem jest generacja momentu elektromagnetycznego Te hamującego
(obciążającego turbinę/silnik napędowy)
Uwaga:
Prędkość obrotowa wirnika określa częstotliwość SEM E0 – napięcia na zaciskach uzwojenia
twornika Ua:
pΩ rm
2π
pn s
fe =
60
fe =
(1.1)
(1.2)
gdzie:
Ω rm - prędkość kątowa mechaniczna wirnika (prędkość synchroniczna) [rad/s];
ns - prędkość obrotowa mechaniczna wirnika (prędkość synchroniczna) [obr/min];
p – liczba par biegunów.
Zależność na SEM indukowaną w uzwojeniu twornika MS jest analogiczna do zależności na SEM
dla transformatora (z pominięciem współczynnika kua):
E0 = 4,44 Φ f f e z a k ua
(1.3)
gdzie: za – liczba zwojów na fazę uzwojenia twornika;
kua – współczynnik uzwojenia twornika.
Uwaga:
SEM rotacji E0 jest wielkością elektromechaniczną – jest efektem obrotowego ruchu mechanicznego
(prędkość Ωrm) pola wzbudnika Φf (wzbudzanego prądem If).
fe - częstotliwość SEM E0 określa rów. (1.1) lub (1.2).
Załączenie obciążenia na zaciski uzwojenia twornika wymusza przepływ prądu 3-fazowego (Iaa. Iab, Iac) w
uzwojeniach, które wzbudzają własne pole magnetyczne wirujące względem stojana — reprezentowane
przez wirujący przepływ Θa. Pole twornika wywołuje tzw. zjawisko oddziaływania/reakcji twornika.
Uwaga:
Zasadą pracy ustalonej maszyny synchronicznej jest ruch synchroniczny pola twornika Θa i pola
wzbudnika Θf - ruch synchroniczny obu pól oznacza, że pola są nieruchome względem siebie.
Wzajemne położenie pól (wektorów pól) zależy od charakteru pracy MS (prądnica lub silnik)
oraz od charakteru obciążenia (czynne, czynno-indukcyjne, czynno-pojemnościowe).
Ruch synchroniczny jest warunkiem generacji użytecznej mocy elektrycznej – użytecznego momentu
elektromagnetycznego.
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
5
1.2. Model obwodowy (schemat zastępczy) maszyny synchronicznej
Statyczne stany pracy MS o wirniku cylindrycznym (turbogeneratora) można opisać za pomocą
modelu obwodowego przedstawionego na rys. 1.4a. SEM rotacji E0 reprezentuje sterowane źródło napięcia
oznaczone symbolem
a napięcie Ua jest napięciem fazowym na zaciskach maszyny. W stanie biegu
jałowego MS (prąd twornika Ia = 0) zachodzi relacja Ua.≅ E0 , w stanie obciążenia (prąd twornika Ia ≠ 0)
Ua ≠ E0, natomiast w stanie zwarcia Ua = 0. Straty mocy i spadek napięcia w uzwojeniu twornika oraz
zjawisko oddziaływania twornika odwzorowują odpowiednio: rezystancja uzwojenia twornika Ra i
reaktancja synchroniczna Xs., W praktyce, ze względu na relację Ra << Xs, w bilansie napięć pomija się
rezystancję Ra w modelu obwodowym MS.
Na rys. 1.4b pokazano symbol graficzny MS na schematach połączeń: U, V, W – zaciski trzech faz
uzwojenia twornika, N – zacisk zerowy (gwiazdowy) uzwojenia twornika połączonego w gwiazdę (Y), F1,
F2 – zaciski uzwojenia wzbudzenia.
a)
b)
U
F1
G
3~
E 0 = 4,44 Φf f e z a k ua
Φ f = Φ f (If )
F2
V
W
N
Rys. 1.4. Maszyna synchroniczna (prądnica/generator): a) podstawowy model obwodowy (schemat zastępczy) maszyny
o wirniku cylindrycznym – strzałkowanie napięć prądów dla pracy prądnicowej; a) symbol graficzny maszyny na
schematach połączeń
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
2.
6
BADANIA
2.1. Oględziny zewnętrzne
Należy dokonać oględzin badanej maszyny synchronicznej oraz urządzeń wchodzących w skład układu
napędowego. Przede wszystkim należy dokładnie przeczytać i wynotować dane zawarte na tabliczce
znamionowej maszyn..
Tablica 1
Dane znamionowe maszyny synchronicznej
Lp.
Jednostka
Wartość
Dane znamionowe maszyny synchronicznej
1
nazwę lub znak producenta
2
nazwę i typ
3
numer fabryczny
4
rok wykonania
5
moc znamionową
kVA
6
znamionowe napięcia
V
7
znamionowy prąd stojana
A
8
znamionowy współczynnik mocy 1)
9
układ połączeń uzwojeń stojana 2)
10
znamionowe napięcie wzbudzenia
V
11
znamionowy prąd wzbudzenia
A
12
prędkość (lub częstotliwość)
obr/min
13
klasa izolacji
14
warunki pracy niesymetrycznej (I2/IN)
15
stopień ochrony
2.2. Pomiar rezystancji uzwojeń
Lp.
Tablica 2a
Pomiar rezystancji uzwojenia twornika (stojana)
Zaciski U1-U2
Zaciski V1-V2
Zaciski W1-W2
U
I
RaU
U
I
RaV
U
I
RaV
V
A
V
A
V
A
Ω
Ω
Ω
Tablica 2b
Pomiar rezystancji uzwojenia wzbudzenia
Zaciski F1-F2
Lp.
U
I
Rf
V
A
Ω
2.3. Pomiar charakterystyki biegu jałowego
Definicja charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) (rys.2.1):
E0 = f (If)
przy:
n = ns = const
Ia = 0
Wart. średnia
Ra
Ω
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
E’’0
7
E0 [V]
E 0 = U an / 3
E’0
Uśredniona charakterystyka
magnesowania
E0 =
E′0 + E′0′
2
E0sz
0
Ifon
If [A]
Rys. 2.1. Charakterystyka biegu jałowego (magnesowania) maszyny synchronicznej
Ze względu na wystąpienie zjawiska nasycenia w elementach obwodu magnetycznego,
charakterystyka biegu jałowego MS jest nieliniowa (rys. 2.1).
Rys. 2.2. Schemat układu do pomiaru charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) maszyny
synchronicznej
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
8
Kształt charakterystyk biegu jałowego pozwala ocenić właściwości obwodu magnetycznego MS,
poziom nasycenia, właściwości materiałów ferromagnetycznych jarzm i biegunów. Ważne znaczenie ma
wartość magnetyzmu szczątkowego – wynosi zwykle od 1 do 3% wartości znamionowej [3].
Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) MS
przedstawiono na rys. 2.1.
Charakterystykę biegu jałowego MS zdejmuje się tak samo jak dla maszyny prądu stałego.
Struktury magnetyczne obydwu rodzajów maszyn są bardzo podobne – kształt ich charakterystyk biegu
jałowego nie różnią się istotnie.
Uwaga:
Podczas próby, aby nie tworzyć lokalnych pętli histerezy, zmieniamy monotonicznie wartość
prądu wzbudzenia rosnąco ↑If, a następnie – monotonicznie malejąco ↓If (ilustrują to
odpowiednio strzałki na rys. 2.1).
Tak zmieniamy prąd wzbudzenia If, aby nie przekroczył wartości prądu znamionowego w
zakresie If = (1,1 ÷ 1,2) Ifn.
Na rys. 2.1 zaznaczono charakterystyczną wartość prądu wzbudzenia If0n wzbudzającą strumień
magneśnicy, który indukuje SEM E0 o wartości równej napięciu znamionowemu maszyny
( E0 = U an / 3 przy połączeniu uzwojenia twornika w Y).
Tablica 3a
Punkty pom.
1↑ pocz.
2↑
3↑
4↑
5↑
6↑
7↑
8↑ końc.
7↓ pocz.
6↓
5↓
4↓
3↓
2↓
1↓ końc.
Pomiar charakterystyki biegu jałowego
fe [Hz]
If [A]
EU [V]
EV [V]
EW [V]
Oblicz.
E′0 [V]
0
const
Oblicz.
E′′0 [V]
-
-
0
Uwaga:
W tab.3 strzałkami ↑ oraz ↓ oznaczono odpowiednio punkty pomiarowe dla wartości rosnących
i malejących prądu wzbudzenia If.
Aby uprościć wyznaczenie (obliczenie) uśrednionej charakterystyki magnesowania, należy dla
odpowiednich par punktów pomiarowych (np. zakres od 1↑ - 1↓ do 7↑ - 7↓) nastawiać
odpowiednio takie same wartości prądu wzbudzenia If.
Wartości średnie SEM E′0 oraz E′′0 dla trzech faz (obliczone w tab. 3a) zestawiamy w tab. 3b celem
obliczenia uśrednionej charakterystyki biegu jałowego. Wartość uśrednionej SME E0 wyznaczamy z
zależności:
E0 =
E0′ + E0′′
2
(2.1)
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
9
Tablica 3b
Obliczenia uśrednionej charakterystyki biegu jałowego
Wartości oblicz. w tab. 3a
Oblicz.
Punkty
Punkty
If
E′0
E′′0
E0
pom. ↑
pom. ↓
[A]
[V]
[V]
[V]
1↑ pocz.
1↓ końc.
0
2↑
2↓
3↑
3↓
4↑
4↓
5↑
5↓
6↑
6↓
7↑
7↓ pocz
8↑ końc.
2.4. Pomiar charakterystyki zwarcia i reaktancji synchronicznej
Definicja charakterystyki zwarcia (rys.2.3):
przy:
Ua = 0
Iaz = f (If)
n = ns = const
cos ϕ = const.
Iaz [A]
Iazn=Ian
Iazsz
0
Ifzn
If [A]
Rys. 2.3. Charakterystyka zwarcia prądnicy synchronicznej
W stanie zwarcia, ze względu na silne rozmagnesowanie maszyny przez przepływ oddziaływania
twornika Θa, obwód magnetyczny maszyny nie jest nasycony. Z tej przyczyny charakterystyka zwarcia MS
jest prostoliniowa (rys. 2.3).
Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia charakterystyki zwarcia MS przedstawiono na rys.
2.4.
Uwaga:
Podczas próby zmieniamy tak prąd wzbudzenia If, aby prąd zwarcia Iaz nie przekroczył wartości prądu
znamionowego w zakresie Iaz = (1,1 1,2) Ian.
Na rys. 2.3 zaznaczono charakterystyczną wartość prądu wzbudzenia Ifzn wzbudzającą strumień
magneśnicy, który indukuje SEM E0 wymuszającą w uzwojeniu twornika prąd zwarcia o wartości równej
prądowi znamionowemu maszyny: Iaz = Ian.
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
Tablica 4a
Pomiary charakterystyki zwarcia
Pomiary przy Ua = 0
Lp. If [A]
IU [A]
IV [A] IW [A]
0
Ifzn
10
Oblicz.
Iaz [A]
Ian
Wartości średnie prądu zwarcia Iaz dla trzech faz (obliczone w tab. 4 a) zestawiamy w tab. 4b celem
wyznaczenia reaktancji synchronicznej Xs. Do jej wyznaczenia konieczne jest ponowne wykonanie pomiaru
charakterystyki biegu jałowego badanej MS przy wartościach prądu wzbudzenia If podanych tab.4a.
Tablica 4b
Pomiary charakterystyki biegu jałowego do wyznaczenia reaktancji synchronicznej
Wartości z tab. 4a
Pomiary przy Ia = 0
Oblicz. Oblicz.
Lp. If [A]
Iaz [A]
UU [A] UV [A] UW [A] E0 [V]
Xs [Ω]
0
Ifzn
Iazn
Wartości reaktancji synchronicznej w tab. 4b obliczamy z następującej zależności:
Xs =
E0
I az
(2.2)
Uwaga:
Dodatkowo przy prądzie If0n, któremu na charakterystyce magnesowania odpowiada SEM E0 = U an / 3
(patrz rys. 2.1), wyznaczamy wartość prądu zwarcia Iaz0, a następnie obliczamy reaktancję synchroniczną:
Xs =
Uan
3I az 0
Wyniki pomiarów i obliczeń zestawiamy w poniższej tabeli.
If0n [A] =
E0 = U an / 3 [V] =
Iaz0 [A] =
Xs [Ω] =
Wartość reaktancji synchronicznej zależy do poziomu nasycenia obwodu magnetycznego maszyny,
który zależy od wartości prądu wzbudzenia i prądu zwarcia. Prąd wzbudzenia określa wartość SME E0.
Problemem jest jaką wartość E0 należy przyjąć do wyznaczenia reaktancji synchronicznej. W praktyce
wyznacza się wartość nienasyconą i nasyconą reaktancji synchronicznej. Wartość nienasyconą wyznaczamy
w oparciu o powyżej opisaną metodę w zakresie prostoliniowej części charakterystyki magnesowania.
Wyznaczenie wartości nasyconej wymaga pomierzenia charakterystyki obciążenia MS, tj. zależności Ua =
Ua (If) przy Ia =Ian oraz cosϕ= 0ind [3].
Charakterystyki zwarcia pozwala określić ile razy większy jest prąd zwarcia od prądu
znamionowego przy różnych wartościach prądu wzbudzenia. Najbardziej interesująca jest wartość tego
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
11
stosunku przy takim prądzie wzbudzenia, który w stanie jałowym MS indukuje E0 = Uan . Stosunek ten
nazywamy stosunkiem zwarcia i definiujemy następująco:
kz =
I f 0n
(2.3)
I fzn
Wartość stosunku zwarcia jest powiązana z wartość nienasyconą reaktancji synchronicznej:
kz =
100
X s%
(2.4)
gdzie, Xs% – % wartość reaktancji synchronicznej wyrażona następująco:
X s% =
X s [Ω ]
100 [%]
Z n [Ω ]
(2.5)
przy czym, Zn – impedancja znamionowa (wielkość fikcyjna)
def
Zn =
U afn
I afn
[Ω ]
(2.6)
Zgodnie z wzorem (2.4) stosunek zwarcia równy jest odwrotności procentowej reaktancji
synchronicznej.
Praktyczne wartości stosunku zwarcia wynoszą:
• dla turbogeneratorów 0,5 – 1,0 (średnio 0,75)
• dal hydrogeneratorów średnio 1.
Dla badanej maszyny synchroniczne należy wyznaczyć wartości stosunku zwarcia wg wzorów
(2.3) i (2.4).
Uwaga:
Opisany w p. 2.4 pomiar reaktancji synchronicznej dotyczy turbogeneratorów (wirnik cylindryczny). W
przypadku hydrogeneratorów (wirnik wydatno biegunowy) wyróżniamy reaktancję synchroniczną w osi
podłużnej Xd i w osi porzecznej Xq, przy czym Xq < Xd [3]. Dla turbogeneratorów zachodzi równość obu
reaktancji i oznaczamy ją symbolem Xs.
UU
IU IV IW
UV UW
V
A
W4
W3
U
P
+
If
A
F1
G
3~
~1x220V
V
W
F2
_
N
PW
Ws =
SN
Rys. 2.4. Schemat połączeń prądnicy synchronicznej do pomiaru charakterystyki zwarcia
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
12
2.5. Pomiar charakterystyki zewnętrznej
Definicja charakterystyki zewnętrznej:
Ua= f (Ia)
przy:
Lp.
UU[V]
n = ns = const.
UV[V]
If = Ifon = const.
Tablica 5
Pomiar charakterystyki zewnętrznej
Pomiary
UW[V]
If[A]
IU [A]
IW [A]
const.
cos ϕ = const.
IV [A]
cosϕ Ua[V]
const.
Ia[A]
Rys. 2.5. Schemat połączeń prądnicy synchronicznej do pomiaru charakterystyki zewnętrznej i regulacyjnej: a)
obciążenie czynne (rezystory), b) obciążenie bierne pojemnościowe (bateria kondensatorów), c) obciążenie indukcyjne
(regulator indukcyjny)
2.6. Pomiar charakterystyki regulacyjnej
Definicja charakterystyki regulacyjnej:
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
13
If = f (Ia)
przy:
Ua = Uan
n = ns = const.
cos ϕ = const.
Tablica 6
Pomiary charakterystyki regulacyjnej
Lp.
UU[V]
const.
UW[V]
const.
UU[V]
const.
If[A]
Pomiary
IU [A]
IW [A]
IV [A]
cosϕ Ua[V]
const. const.
Ia[A]
2.7. Zadania
1. Dla badanej PS obliczyć straty (W i %) w uzwojeniach twornika i wzbudzenia dla prądów
znamionowych.
2. Wykreślić charakterystykę stanu jałowego badanej PS. Nanieść na niej punkty
odpowiadające charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie jej
kształt.
3. Wykreślić charakterystykę zwarcia badanej PS. Nanieść na niej punkty odpowiadające
charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej
kształt.
4. Dla badanej PS obliczyć wartości reaktancji synchronicznej nienasyconej (w Ω i %)
odpowiadające wartościom prądów wzbudzenia Ifon.i Ifzn.
5. Dla badanej PS wykreślić charakterystykę reaktancji synchronicznej nienasyconej Xs (w Ω i
%) od prądu wzbudzenia If. Uzasadnić fizycznie jej kształt.
6. Dla badanej PS obliczyć stosunek zwarcia kz.
7. Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cosϕ=1. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom
(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.
8. Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cosϕ=0poj. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom
(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.
9. Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cosϕ=0ind. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.
10. Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cosϕ=1. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom
(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.
11. Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cosϕ=0poj. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom
(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.
12. Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cosϕ=0ind. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
14
13. Obliczyć dla badanej PS wartość znamionowego prądu wzbudzenia Ifn odpowiadającego
14.
15.
16.
17.
znamionowej mocy (napięciu i prądowi twornika) i znamionowemu charakterowi obciążenia
cosϕ=0,8ind.
Dla badanej PS obliczyć stosunek znamionowego prądu wzbudzenia Ifn do znamionowego
prądu wzbudzenia przy biegu jałowym Ifon.
Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika
mocy cos ϕ2 = 1 (czynnego).
Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika
mocy cos ϕ2 = 0,8ind.
Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika
mocy cos ϕ2 = 0,8poj.
3. PYTANIA KONTROLNE
• Pytania ze znajomości teorii i zagadnień dotyczących sprawozdania
1. Podać rodzaje budowy maszyny synchronicznej. Wymienić elementy stojana i wirnika.
2. Opisać zasadę działania prądnicy synchronicznej w ujęciu ciągu logicznego przyczyna - skutek.
3. Narysować podstawowy (elementarny) model fizyczny (układ dwóch przepływów) prądnicy
synchronicznej. Wykazać, że w stanie pracy ustalonej prądnicy układ dwóch przepływów jest
nieruchomy względem siebie. Jakie są tego konsekwencje?
4. Opisać reakcję twornika prądnicy synchronicznej dla obciążenia o charakterze czynnym, indukcyjnym i
pojemnościowym. Narysować odpowiednie położenia układu dwóch przepływów prądnicy.
5. Opisać obraz fizyczny (składowe strumieni) i statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy
synchronicznej dla biegu jałowego.
6. Opisać obraz fizyczny (składowe strumieni) i statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy
synchronicznej dla stanu zwarcia.
7. Opisać obraz fizyczny (składowe strumieni) i statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy
synchronicznej w stanie obciążenia. Uwzględnić charakter obciążenia.
8. Narysować modele statyczne prądnicy synchronicznej: fizyczny (składowe strumieni) i obwodowy
(schemat zastępczy). Podać i wyjaśnić wzajemne relacje między wielkościami modelu fizycznego a
zmiennymi i parametrami modelu obwodowego (schematu zastępczego).
9. Narysować statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy synchronicznej, nazwać tworzące
go elementy i dokonać interpretacji fizycznej tych elementów.
10. Podać, nazwać i objaśnić podstawowe wielkości charakterystyczne i zależności dotyczące prądnicy
synchronicznej (If , Ia , Θf , Θa , Φf, Φa , Φσa , Eo , Xs , Te , ∆PFe , ∆PCua , ∆PCuf, ∆Po).
11. Na podstawie jakich pomiarów (charakterystyk) wyznacza się parametry statycznego modelu
obwodowego (schematu zastępczego) prądnicy synchronicznej? Podać zależności między wynikami tych
pomiarów i parametrami schematu zastępczego.
12. Podać charakterystykę biegu jałowego badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz
analitycznie jej kształt.
13. Podać charakterystykę zwarcia badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz analitycznie
jej kształt.
14. Podać charakterystyki zewnętrzne badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz
analitycznie ich kształt. Uwzględnić charakter obciążenia.
15. Podać charakterystyki regulacyjne badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz
analitycznie ich kształt. Uwzględnić charakter obciążenia.
•
Pytania z przygotowania do ćwiczenia
1. Podać najważniejsze dane tabliczki znamionowej maszyny synchronicznej.
2. Co to są w maszynie synchronicznej: uzwojenia wzbudzenia (magneśnicy, wirnika) i twornika (stojana),
wielkości wzbudzenia i twornika?
3. Wymienić podstawowe układy połączeń uzwojeń prądnicy synchronicznej.
4. Wymienić podstawowe metody rozruchu silnika prądu stałego (napędzającego badaną prądnicę
synchroniczną).
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
15
5. Jak ustawić poziom prądu wzbudzenia i poziom napięcia na tworniku silnika prądu stałego
(napędzającego badaną prądnicę synchroniczną) w czasie rozruchu? Jakie są ograniczenia na poziom
prądu rozruchowego?
6. Podać orientacyjne wartości procentowe dla prądnicy synchronicznej:
• spadku napięcia na rezystancji uzwojenia wzbudzenia i twornika,
• reaktancji synchronicznej,
• mocy wzbudzenia (magnesującej),
• strat w żelazie, w miedzi uzwojeń i mechanicznych, a także relacje między ich wartościami,
• sprawności.
7. Podać definicję reaktancji synchronicznej prądnicy synchronicznej. Dlaczego i jak ją można wyznaczyć?
8. Jak należy dobrać zakresy woltomierzy i amperomierzy do pomiarów rezystancji uzwojeń prądnicy
synchronicznej? Wymienić oddzielnie dla uzwojenia wzbudzenia i uzwojenia twornika.
9. Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy) do pomiarów
charakterystyki biegu jałowego prądnicy?
10. Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy) do pomiarów
charakterystyki zwarcia prądnicy?
11. Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy, watomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy)
do pomiarów charakterystyki zewnętrznej prądnicy?
12. Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy, watomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy)
do pomiarów charakterystyki regulacyjnej prądnicy?
13. Wymienić podstawowe charakterystyki prądnicy synchronicznej (dotyczące tematyki ćwiczenia),
wymieniając współrzędne oraz wielkości jakie należy utrzymywać stałe.
LITERATURA POMOCNICZA
4.
1. Latek W.: Zarys maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1974.
2. Latek W.: Badania maszyn elektrycznych w przemyśle. WNT, W-wa 1979.
3. Manitius Z.: Maszyny synchroniczne. Skrypt. Wyd . Pol. Gdańskiej, Gdańsk 1977.
4. Manitius Z.: Maszyny Elektryczne. Cz.I. Skrypt. Wyd. Pol. Gdańskiej, Gdańsk 1977.
5. Plamitzer A.: Maszyny elektryczne. Wyd. 7. WNT, W-wa 1992.
6. Praca zbiorowa (red. Manitius Z.): Laboratorium maszyn elektrycznych. Skrypt. Wyd.2. Wyd. Pol.
Gdańskiej, Gdańsk 1990.
7. Rafalski W., Ronkowski M., Zadania z maszyn elektrycznych, Cz. I: Transformatory i maszyny
asynchroniczne, skrypt, wyd. 4, Wyd. Politechniki Gdańskiej, 1994.
8. Ronkowski M., Michna M., Kostro G., Kutt F.: Maszyny elektryczne wokół nas: zastosowanie,
budowa, modelowanie, charakterystyki, projektowanie. (e-skrypt). Wyd. PG, Gdańsk, 2011.
http://pbc.gda.pl/dlibra/docmetadata?id=16401&from=&dirids=1&ver_id=&lp=2&QI=
9. Roszczyk S.: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1979.
10. Staszewski P., Urbański W.: Zagadnienia obliczeniowe w eksploatacji maszyn elektrycznych,
Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2009.
11. PN-IEC 34-1:1997 Maszyny elektryczne wirujące. Ogólne wymagania i badania:
http://www.pkn.pl/