politechnika gdańska laboratorium maszyny elektryczne

POLITECHNIKA GDAŃSKA
WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI
KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN ELEKTRYCZNYCH
LABORATORIUM
MASZYNY ELEKTRYCZNE
ĆWICZENIE (SYN)
MASZYNY SYNCHRONICZNE
BADANIE CHARAKTERYSTYK
PRĄDNICY/GENERATORA SYNCHRONICZNEGO
Materiały pomocnicze
Kierunek Elektrotechnika
Studia stacjonarne 1-szego stopnia
semestr 3
Opracował
Mieczysław Ronkowski
Grzegorz Kostro
Michał Michna
Gdańsk 2011-2012
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
2
ĆWICZENIE (SYN)
MASZYNY SYNCHRONICZNE
BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ
Program ćwiczenia
•
•
•
•
•
Pomiar rezystancji uzwojeń maszyny.
Pomiar charakterystyki magnesowania.
Pomiar charakterystyki zwarcia
Pomiar charakterystyki zewnętrznej.
Pomiar charakterystyki regulacyjnej.
1.
TEORIA
1.1. Budowa, działanie, model fizyczny i model obwodowy (schemat zastępczy)
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.
Sa
Pf
Pa
a
f
rm
m
Tm
Pm
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.
Budowę i podstawowe elementy MS przedstawiono na rys. 1.2. Maszyna składa się z następujących
elementów czynnych: wzbudnika/magneśnicy (uzwojenie wzbudzenia, pierścienie ślizgowe, rdzeń
wzbudnika); twornika (uzwojenie twornika, rdzeń twornika); 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 (tworniku) — 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); klasyczne uzwojenie wzbudzenia na wirniku (wzbudniku) o osi magnetycznej d i przesuniętej
względem niej osi q (położenie w strefie międzybiegunowej). Aby zachować czytelność rysunku, układ
uzwojeń fazowych (pasm) maszyny 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
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
3
wirnika (wzbudnika), 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 3-fazowy, b) wzbudnik wydatnobiegunowy, c) tabliczka zaciskowa, d) tabliczka znamionowa
b)
a)
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 )
© Mieczysław RONKOWSKI
hamującego
2
© Mieczysław RONKOWSKI
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)
Uzwojenie wzbudzenia f - f’, zasilane prądem stałym, wzbudza pole magnetyczne — reprezentowane
przez przepływ Θf. Pole wzbudnika jest nieruchome względem układu elektromagnetycznego wirnika, ale ze
względu na ruch obrotowy wirnika (wymuszony maszyną napędową) jest polem wirującym względem
uzwojenia twornika (stojana). Wirujący strumień wzbudnika Φf indukuje SEM rotacji E0 w poszczególnych
fazach uzwojenia twornika. Załączenie obciążenia na zaciski twornika wymusza przepływ prądu 3-fazowego
w uzwojeniach, które wzbudzają własne pole magnetyczne wirujące względem stojana — reprezentowane
przez wirujący przepływ Θa. Pole twornika wywołuje tzw. zjawisko oddziaływania/reakcji twornika.
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
4
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.
Prędkość obrotowa wirnika określa częstotliwość napięcia na zaciskach twornika:
pΩ rm
2π
pns
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 kua
(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).
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
a napięcie Ua jest napięciem fazowym na zaciskach maszyny. W stanie biegu
oznaczone symbolem
jałowego (prąd twornika Ia = 0) MS 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 w bilansie napięć pomija się rezystancję Ra w modelu
obwodowym MS, ze względu na relację Ra << Xs.
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)
Źródło sterowane napięcia
E0(If,
rm)
Xs
Ra
Ia a
U
F1
G
3~
Ua
F2
E 0 = 4,44 Φf f e z a k ua
a’
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.
5
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)
2)
9
układ połączeń uzwojeń stojana
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.
Zaciski U1-U2
U
I
RaU
V
A
Ω
Tablica 2a
Pomiar rezystancji uzwojeń stojana
Zaciski V1-V2
Zaciski W1-W2
U
I
RaV
U
I
RaV
V
A
V
A
Ω
Ω
Tablica 2b
Pomiar rezystancji uzwojenia wzbudzenia
Zaciski F1-F2
Lp.
U
I
Rf
V
A
Ω
2.3. Pomiar charakterystyki biegu jałowego
E0 = f (If)
przy:
n = ns = const
Ia=0
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
E0 [V]
E0=Uan
Uśredniona charakterystyka
magnesowania
E0sz
0
Ifon
If [A]
Rys. 2.1. Charakterystyka biegu jałowego (magnesowania) maszyny synchronicznej
Rys. 2.2. Schemat układu do pomiaru charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) maszyny
synchronicznej
6
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
7
Tablica 3
Lp.
fe [Hz]
Pomiar charakterystyki biegu jałowego
If [A]
EU [V]
EV [V]
EW [V]
0
E0 [V]
2.4. Pomiar charakterystyki zwarcia
przy:
Ua = 0
Ia = f (If)
n = ns = const
cos ϕ = const.
Iaz [A]
Iaz=Ian
Iazsz
0
Ifzn
If [A]
Rys. 2.3. Charakterystyka zwarcia prądnicy synchronicznej
Tablica 4
Pomiary charakterystyki zwarcia i reaktancji synchronicznej
Lp.
Pomiary przy UU, UV, UW = 0
If [A] IU [A] IV [A] IW [A]
0
Oblicz.
Iaz [A]
Pomiary przy IU, IV, IW = 0
Oblicz.
UU [A]
UV [A] UW [A] E0 [A]
Oblicz.
Xs [Ω]
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
8
UU
UV UW
V
IU IV IW
A
U
If
+
A
F1
_
P
W3
W4
F2
G
3~
~1x220V
V
W
N
PW
Ws =
SN
Rys. 2.4. Schemat połączeń prądnicy synchronicznej do pomiaru charakterystyki zwarcia
2.5. Pomiar 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]
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
9
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
If = f (Ia)
przy:
Ua = Uan
n = ns = const.
cos ϕ = const.
Tablica 6
Pomiary charakterystyki regulacyjnej
Lp.
1.
2.
3.
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
Dla badanej PS obliczyć straty (W i %) w uzwojeniach dla prądów znamionowych.
Wykreślić charakterystykę stanu jałowego badanej PS. Nanieść na niej punkty odpowiadające
charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie jej kształt.
Wykreślić charakterystykę zwarcia badanej PS. Nanieść na niej punkty odpowiadające
charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
10
kształt.
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.
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.
Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cosϕ=0ind. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.
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.
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.
Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia
cosϕ=0ind. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.
Obliczyć dla badanej PS wartość znamionowego prądu wzbudzenia Ifn odpowiadającego
znamionowej mocy (napięciu i prądowi twornika) i znamionowemu charakterowi obciążenia
cosϕ=0,8ind.
Dla badanej PS obliczyć stosunek zwarcia kz badanej PS.
Dla badanej PS obliczyć stosunek znamionowego prądu wzbudzenia Ifn do znamionowego
prądu wzbudzenia przy biegu jałowym Ifon.
Dla badanej PS obliczyć wartości reaktancji synchronicznej nienasyconej (w Ω i %)
odpowiadające wartościom prądów wzbudzenia Ifon.i Ifzn.
Dla badanej PS wykreślić charakterystykę reaktancji synchronicznej nienasyconej Xs (w Ω i
%) od prądu wzbudzenia If. Uzasadnić fizycznie jej kształt.
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.
Literatura pomocnicza
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Latek W.: Zarys maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1974.
Latek W.: Badania maszyn elektrycznych w przemyśle. WNT, W-wa 1979.
Manitius Z.: Maszyny synchroniczne. Skrypt. Wyd . Pol. Gdańskiej, Gdańsk 1977.
Manitius Z.: Maszyny Elektryczne. Cz.I. Skrypt. Wyd. Pol. Gdańskiej, Gdańsk 1977.
Plamitzer A.: Maszyny elektryczne. Wyd. 7. WNT, W-wa 1992.
Praca zbiorowa (red. Manitius Z.): Laboratorium maszyn elektrycznych. Skrypt. Wyd.2. Wyd. Pol.
Gdańskiej, Gdańsk 1990.
7. Roszczyk S.: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1979.
8. Ronkowski M.: Maszyny elektryczne. Szkice do wykładów. PG 2011/2012.
http://www.eia.pg.gda.pl/e-mechatronika/
9. Staszewski P., Urbański W.: Zagadnienia obliczeniowe w eksploatacji maszyn elektrycznych,
Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2009.
10. PN-IEC 34-1:1997 Maszyny elektryczne wirujące. Ogólne wymagania i badania:
http://www.pkn.pl/