Badanie prądnicy synchronicznej

Transkrypt

1 Badanie prądnicy synchronicznej 1) Próba biegu jałowego prądnicy synchronicznej 3-azowej Badania przeprowadza się w układzie połączeń pokazanych na Rys.1. Rys.1. Schemat połączeń do próby stanu jałowego prądnicy synchronicznej 3-azowej.

2 W pierwszej kolejności zgodnie ze schematem pokazanym na Rys.1 należy wykonać połączenia torów prądowych i napięciowych pomiędzy zaciskami wyjściowymi kolumny synchronizacyjnej, układem przetworników pomiarowych PS I i badaną prądnicą synchroniczną, a także połączyć obwód wzbudzenia prądnicy synchronicznej wykorzystując układ przetworników pomiarowych PS II. Zestaw przewodów pomiarowych należy pobrać u laboranta. Następnie należy załączyć komputer PC oraz zasilanie stołu laboratoryjnego. Logujemy się jako użytkownik labmasz. Po załadowaniu systemu operacyjnego załączamy przetwornik analogowocyrowy NI USB 6251, który zgłasza się komunikatem: Okno komunikatu należy skasować (Cancel). Następnie z poziomu pulpitu wywołujemy aplikację PS - pomiary (pojawia się okno wirtualnego przyrządu pomiarowego): Elementy wirtualnego przyrządu do badania prądnicy synchronicznej: 1 Okno woltomierza pomiar napięcia przewodowego prądnicy. 2 Okno amperomierza pomiar prądu azowego. Oba okna zostały powiększone w celu ułatwienia obserwacji z większej odległości. Poniżej prezentowane są wartości napięcia U, prądu I i mocy czynnej P obwodu wzbudzenia.

3 3 Okno prędkości obrotowej n wirnika. 4 Okno oscyloskopu przedstawiające przebiegi wartości chwilowych napięć azowych prądnicy synchronicznej lub (po przełączeniu zakładki) widmo amplitudowe napięcia azy A. Powyżej okna wyświetlane są kolejno wartości skuteczne napięć prądnicy: średniego napięcia przewodowego U śr (z trzech napięć przewodowych, w oknie oznaczonym U g ) i napięć azowych (U ph A, U ph B, U ph C). 5 Dodatkowe okno oscyloskopu, w którym w zależności od wykonywanej próby prezentowane są: chwilowe wartości prądów azowych prądnicy synchronicznej (lub po przełączeniu przycisku zakładki widmo prądu azy A) albo np. przy synchronizacji chwilowe wartości napięć przewodowych od strony sieci. Powyżej okna wyświetlane są odpowiednie wartości skuteczne. 6 Okno służące do prezentacji kolejnych punktów pomiarowych wyznaczanej charakterystyki (w tym przypadku): - U śr = (I ), 7 Panel Dane pomiarowe umożliwia sterowanie zapisem danych pomiarowych do pliku. Naciśnięcie przycisku Zapisz powoduje zapisywanie do pliku danych dotyczących jednego punktu charakterystyki (w tym przypadku są to: wartość średnia napięcia przewodowego U śr, napięcie wzbudzenia U, prąd wzbudzenia I, prędkość obrotowa n), Naciśniecie przycisku Ostatni (pod opisem Kasuj) powoduje skasowanie danych dotyczących ostatniego punktu charakterystyki, przycisk Wszystko umożliwia skasowanie wszystkich pomiarów dotyczących wyznaczanej charakterystyki, przycisk STOP powoduje zatrzymanie pomiarów. Powrót do wykonywania pomiarów bez utraty zapisanych wyników następuje przez przyciśniecie ikony strzałki na górnym pasku okna. W środku panelu znajduje się okienko pokazujące liczbę zapisanych pomiarów, czyli liczbę punktów wyznaczanej charakterystyki. Przycisk Drukuj służy do drukowania wyników pomiarów. Drukowanie wyników powinno być wykonane na końcu zajęć po wyznaczeniu wszystkich charakterystyk Wyznaczenie charakterystyki przy biegu jałowym prądnicy Napięcie wzbudzenia prądnicy synchronicznej regulowane (w zakresie U min ~ 0V - U max ~ 110V) podawane jest z autotransormatora. Należy zwrócić szczególną uwagę, aby w chwili rozpoczęcia pomiarów napięcie wzbudzenia ustawione było na wartość minimalną. Następnie załączamy układ przetworników pomiarowych PS I i PS II i uruchamiamy przyrząd wirtualny (kliknięcie myszką w strzałkę start na pasku górnym). W dalszej kolejności (po ustawieniu w pozycji min opornika regulacji prądu wzbudzenia R) załączamy napięcie zasilania napędowej maszyny prądu stałego i dokonujemy jej rozruchu. Rozruchu napędowej maszyny prądu stałego dokonywany jest przy włączonym oporniku rozruchowym, po osiągnięciu prędkości obrotowej ok obr/min należy zewrzeć opornik rozruchowy Rr przyciskiem znajdującym się na obudowie układu rozruchowego. Opornikiem R regulacji prądu wzbudzenia należy ustawić znamionową prędkość obrotową prądnicy synchronicznej. Uwaga! Z uwagi na występujący magnetyzm szczątkowy obwodu wzbudzenia prądnicy synchronicznej napięcie przewodowe przy braku prądu wzbudzenia może wynosić kilkadziesiąt woltów. Rozpoczynamy pomiary zwiększając prąd wzbudzenia do wartości maksymalnej, przy której osiągamy napięcie prądnicy równe 1,2 U n. Pomiary kontynuujemy zmniejszając prąd wzbudzenia I do zera. Uwaga! Napięcie wzbudzenia należy

4 zmieniać monotonicznie, jednokierunkowo, aby zapobiec zniekształceniu pomiarów przez lokalne pętle histerezy. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia przewodowego U śr, napięcie obwodu wzbudzenia U, prąd wzbudzenia I, prędkość obrotowa n) próby biegu jałowego prądnicy synchronicznej zapisywane są do pliku pom1_jal.txt. Opracowanie wyników pomiaru Po przeniesieniu danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego należy na podstawie dwóch gałęzi krzywych wyznaczyć średnią charakterystykę biegu jałowego. Na podstawie uśrednionej charakterystyki, przedłużonej do przecięcia z osią odciętych należy wyznaczyć wartość prądu koercji. Po przesunięciu charakterystyki magnesowania o wartość prądu koercji należy wykreślić charakterystykę magnesowania bez uwzględnienia magnetyzmu szczątkowego. Z otrzymanej charakterystyki należy wyznaczyć wartość znamionowego prądu wzbudzenia przy biegu jałowym. 2) Próba zwarcia Badania przeprowadza się w układzie połączeń pokazanych na Rys.2. Układ pomiarowy należy zmodyikować. Za pomocą odpowiedniej zwory zwieramy zaciski wyjściowe kolumny synchronizacyjnej (zwory dostępne są u laboranta). Uruchomienie wirtualnego przyrządu przebiega identycznie jak w wypadku próby stanu jałowego silnika prądnicy synchronicznej. W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Próba zwarcia. Okno wirtualnego przyrządu jest nieco zmodyikowane zamiast napięcia prądnicy dokonujemy pomiaru prądu azowego (aktywne okno oscyloskopu 5). W oknie 6 prezentowana jest charakterystyka pomiarowa: - I z = (I ),

5 Rys.2. Schemat połączeń do próby zwarcia prądnicy synchronicznej 3-azowej. Uruchamiamy napędową maszynę prądu stałego (identycznie jak w wypadku próby biegu jałowego). Pomiaru dokonujemy zwiększając prąd wzbudzenia prądnicy synchronicznej aż do wartości, przy której osiągnięty zostanie prąd znamionowy. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: prąd I g, napięcie obwodu wzbudzenia prądnicy synchronicznej U, prąd wzbudzenia I, oraz prędkość obrotowa n) próby zwarcia zapisywane są do pliku pom2_zwa.txt. Opracowanie wyników pomiaru. Po przeniesieniu danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego należy wykreślić charakterystykę ustalonego zwarcia prądnicy synchronicznej i w razie potrzeby wykreślić charakterystykę (podobnie jak w wypadku biegu jałowego) zwarcia ustalonego bez uwzględnienia magnetyzmu szczątkowego oraz uzasadnić jej przebieg.

6 3) Synchronizacja prądnicy synchronicznej z siecią sztywną Synchronizację przeprowadza się w układzie połączeń pokazanych na Rys.3. Rys.3. Schemat połączeń do synchronizacji prądnicy synchronicznej z siecią.

7 W pierwszej kolejności zgodnie ze schematem pokazanym na Rys.3 należy wykonać połączenia torów prądowych i napięciowych pomiędzy odłącznikiem napięcia sieci, układem przetworników pomiarowych PS II i zaciskami wejściowymi kolumny synchronizacyjnej oraz zaciskami wyjściowymi kolumny synchronizacyjnej, układem przetworników pomiarowych PS I i badaną prądnicą synchroniczną, a także połączyć obwód wzbudzenia prądnicy synchronicznej. Uruchomienie wirtualnego przyrządu przebiega identycznie jak w wypadku próby stanu jałowego silnika prądnicy synchronicznej. W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Synchronizacja. Okno wirtualnego przyrządu jest zmodyikowane w oknach oscyloskopów 4 i 5 prezentowane są chwilowe wartości napięć przewodowych od strony prądnicy synchronicznej i sieci. Synchronizacji dokonujemy za pomocą kolumny synchronizacyjnej, która pozwala na ocenę, czy spełnione zostały wszystkie cztery warunki: 1 zgodności następstwa az przebiegu napięć prądnicy i sieci, 2 równości częstotliwości napięć prądnicy i sieci, 3 równości skutecznych wartości napięć prądnicy i sieci, 4 równości kątów azowych napięć prądnicy i sieci. Powyższe warunki można zastąpić jednym warunkiem w odniesieniu do chwilowych przebiegów napięć prądnicy i sieci: Chwilowe wartości odpowiadających sobie napięć prądnicy i sieci powinny być równe. Okna oscyloskopów 4 i 5 umożliwiają obserwację spełnienia tego warunku. Po synchronizacji, gdy powyższe warunki zostały spełnione prąd prądnicy powinien być bliski zeru. Synchronizacja jest punktem wyjścia do wyznaczania charakterystyk eksploatacyjnych.

8 4) Charakterystyka obciążenia Pomiary przeprowadzamy po synchronizacji prądnicy synchronicznej z siecią w układzie połączeń pokazanych na Rys.3. Uruchomienie wirtualnego przyrządu przebiega identycznie jak w wypadku próby stanu jałowego silnika prądnicy synchronicznej. W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Charakterystyka obciążenia. Okno wirtualnego przyrządu jest zmodyikowane w oknach oscyloskopów 4 i 5 prezentowane są odpowiednio chwilowe wartości napięć azowych i prądów azowych prądnicy synchronicznej. Obok okna oscyloskopu prezentowane są dodatkowo wartości oprócz napięcia U, prądu I i mocy czynnej P obwodu wzbudzenia, także moc pozorna S, moc czynna P oraz moce czynne poszczególnych az i współczynnik mocy. W oddzielnym powiększonym oknie prezentowana jest wartość cosφ oraz jego charakter (występujące różnice pomiędzy wartością cosφ i współczynnika mocy wyjaśnione są w rozdziale Inormacje dodatkowe). W oknie 6 prezentowane są charakterystyki pomiarowe: - U g = (I ), I g = const., cosφ = const. zrealizowane dla trzech różnych wartości współczynnika cosφ: cosφ (poj.), cosφ = 1, cosφ (ind.). Charakterystyka obciążenia jest trudna do wykonania, gdyż wymaga jednoczesnej regulacji dwóch parametrów: prądu wzbudzenia i mocy czynnej zmieniając moment na wale prądnicy. Z tego powodu charakterystykę najłatwiej jest wykonać dla cosφ = 0 ind (moc czynna P = 0). Pomiarów dokonujemy w sposób następujący:

9 Tuż po synchronizacji regulujemy prąd wzbudzenia I tak, aby uzyskać daną wartość cosφ przy znamionowym prądzie I g prądnicy korygując w razie potrzeby moc czynną. W kolejnym kroku zmieniamy (zmniejszamy) moc czynną P, zmieniając moment obciążenia na wale i następnie zmniejszamy napięcie sieci za pomocą regulatora indukcyjnego i zmieniamy prąd wzbudzenia I tak, aby utrzymać daną wartość cosφ i znamionowy prąd I g prądnicy. Uwaga! Dla cosφ o charakterze pojemnościowym występują obszary niestabilnej pracy i możliwość wypadnięcia prądnicy synchronicznej z synchronizmu. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia przewodowego U g, prąd I g, moc czynna P i moc pozorna S, napięcie wzbudzenia U, prąd wzbudzenia I, prędkość obrotowa n, cosφ) próby obciążenia prądnicy synchronicznej dla trzech różnych współczynników mocy zapisywane są odpowiednio do plików pom3_obc_cos1.txt, pom3_obc_cos2.txt, pom3_obc_cos3.txt. Opracowanie wyników pomiaru. Po przeniesieniu danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego należy wykreślić charakterystyki: - U g = (I ), dla I g = I gn, cosφ = const., oraz uzasadnić ich przebieg. Punktem wspólnym charakterystyk jest wartość prądu wzbudzenia dla danej wartości prądu I g wyznaczonych podczas próby zwarcia ustalonego. 5) Charakterystyka zewnętrzna Pomiary przeprowadzamy po synchronizacji prądnicy synchronicznej z siecią w układzie połączeń pokazanych na Rys.3. Uruchomienie wirtualnego przyrządu przebiega identycznie jak w wypadku próby stanu jałowego silnika prądnicy synchronicznej. W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Charakterystyka zewnętrzna. Okno wirtualnego przyrządu pozostaje identyczne jak w wypadku wyznaczania charakterystyki obciążenia. W oknie 6 prezentowane są charakterystyki pomiarowe: - U g = (I g ), I = const., cosφ = const. zrealizowane dla trzech różnych wartości współczynnika cosφ: cosφ (poj.), cosφ = 1, cosφ (ind.). Pomiary rozpoczynamy od stanu obciążenia, ustalając prąd wzbudzenia dla U g = U gn oraz I g = I gn oraz wybranego współczynnika mocy cosφ. Pomiarów dokonujemy zmniejszając moc czynną prądnicy synchronicznej i regulując napięcie prądnicy za pomocą regulatora indukcyjnego tak, aby utrzymać wybraną wartość współczynnika mocy. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia przewodowego U g, prąd I g, moc czynna P i moc pozorna S, napięcie wzbudzenia U, prąd wzbudzenia I, prędkość obrotowa n, cosφ) próby obciążenia prądnicy synchronicznej dla trzech różnych współczynników mocy zapisywane są odpowiednio do plików pom4_zew_cos1.txt, pom4_zew_cos2.txt, pom4_zew_cos3.txt. Opracowanie wyników pomiaru. Po przeniesieniu danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego należy wykreślić charakterystyki:

10 oraz uzasadnić ich przebieg. - U g = (I g ), dla I g = const., cosφ = const., 6) Charakterystyka regulacyjna Pomiary przeprowadzamy po synchronizacji prądnicy synchronicznej z siecią w układzie połączeń pokazanych na Rys.3. Uruchomienie wirtualnego przyrządu przebiega identycznie jak w wypadku próby stanu jałowego silnika prądnicy synchronicznej. W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję Charakterystyka regulacyjna. Okno wirtualnego przyrządu pozostaje identyczne jak w wypadku wyznaczania charakterystyki obciążenia. W oknie 6 prezentowane są charakterystyki pomiarowe: - I = (I g ), U g = const., cosφ = const. zrealizowane dla trzech różnych wartości współczynnika cosφ: cosφ (poj.), cosφ = 1, cosφ (ind.). Pomiary rozpoczynamy od stanu nieobciążonego (stan tuż po synchronizacji, I g = min), ustalając wybraną wartość cosφ poprzez regulację prądu wzbudzenia I g. Następnie zwiększając moc czynną P i należy tak regulować prąd wzbudzenia, aby utrzymać wybraną wartość współczynnika mocy. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia przewodowego U g, prąd I g, moc czynna P i moc pozorna S, napięcie wzbudzenia U, prąd wzbudzenia I, prędkość obrotowa n, cosφ) próby obciążenia prądnicy synchronicznej dla trzech różnych współczynników mocy zapisywane są odpowiednio do plików pom5_reg_cos1.txt, pom5_reg_cos2.txt, pom5_reg_cos3.txt. Opracowanie wyników pomiaru. Po przeniesieniu danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego należy wykreślić charakterystyki: - I = (I g ), dla U g = const., cosφ = const., oraz uzasadnić ich przebieg. Inormacje dodatkowe Po zakończeniu sesji pomiarowej (pracy w laboratorium) należy wydrukować protokół z danymi pomiarowymi. W tym celu korzystamy z przycisku Drukuj w panelu sterowania zapisem danych pomiarowych. Uwaga! Pliki z danymi pomiarowymi zostaną wydrukowane tylko wtedy, gdy zarejestrowanych zostało co najmniej pięć punktów pomiarowych w danej sesji pomiarowej. Pojawia się okno:

11 które należy uzupełnić nazwiskami osób wykonujących ćwiczenie. Po wypełnieniu odpowiednich pól uruchamiamy drukowanie przyciskiem OK. Pojawia się podgląd wydruku do akceptacji. Wydrukowany protokół pomiarów jest do odbioru u laboranta. Po wylogowaniu wszystkie pliki z danymi pomiarowymi są kasowane. Dlatego też przed zamknięciem sesji pomiarowej należy je przenieść do bezpiecznej lokalizacji. Jest nią dowolna skrzynka pocztowa. Dostęp do plików pomiarowych (tylko poprzez pocztę ) uzyskuje się uruchamiając aplikację PS wysyłanie : Po uruchomieniu aplikacji (kliknięcie myszką w strzałkę start na pasku górnym) pojawia się okno z listą utworzonych podczas pracy w laboratorium plików pomiarowych (wraz z ich rozmiarem), a także ewentualnie plik arkusza kalkulacyjnego (Open Oice - Calc) z opracowanymi danymi pomiarowymi. Arkusz kalkulacyjny musi być umieszczony w tym samym katalogu co pliki z danymi pomiarowymi W polu adresat należy wpisać własny adres . Pomiary realizowane są za pomocą wirtualnego przyrządu w skład, którego wchodzą: a) Układ czujników/przetworników I/U oraz U/U zapewniających separację galwaniczną pomiędzy obwodem wejściowym (mierzonym prądem i napięciem) i wyjściowym (sygnałem pomiarowym). Maksymalna amplituda sygnału pomiarowego została dostosowana do zakresu napięciowego wejść przetwornika cyrowo-analogowego. Wymagania te spełniają przetworniki napięciowe i prądowe typu LEM. Schemat przetwornika napięcie/napięcie typu LV 25-P o napięciu znamionowym 10V 500V został przedstawiony na Rys.3, a schemat przetwornika prąd/napięcie typu LA 100-P o prądzie znamionowym 100 A został przedstawiony na Rys.4.

12 Rys.3. Woltomierz zrealizowany za pomocą przetwornika LV 25-P. Iw prąd strony wtórnej przetwornika. Sygnałem pomiarowym jest spadek napięcia na oporniku Rp. Rys.4. Amperomierz zrealizowany za pomocą przetwornika LA 100-P. Iw prąd strony wtórnej przetwornika. Sygnałem pomiarowym jest spadek napięcia na oporniku Rp. Trzy czujniki prądowe (o zmodyikowanym zakresie 0 30A AC) i trzy czujniki napięciowe (o zakresie podstawowym V AC) umieszczone są w jednej obudowie wyposażonej w układy zasilania przetworników, zestaw zacisków prądowych i napięciowych oraz zestaw gniazd wyjściowych BNC sygnału pomiarowego. Na Rys.5 przedstawione zostało rozmieszczenie zacisków prądowych i napięciowych oraz gniazd sygnału pomiarowego. Zaznaczone zostały pary zacisków tworzące tor pomiarowy odpowiednio prądowy i napięciowy skojarzony z właściwym gniazdem sygnału pomiarowego. Rys.5. Rozmieszczenie zacisków prądowych i napięciowych oraz gniazd sygnału pomiarowego

13 Dodatkowo w oddzielnej obudowie zostały umieszczone: jeden czujnik napięciowy (o zakresie podstawowym V AC) i prądowy (o zakresie podstawowym 0 25A AC) do pomiaru napięcia i prądu w obwodzie wzbudzenia oraz trzy czujniki napięciowe (o zakresie podstawowym V AC) do pomiaru napięcia sieci podczas synchronizacji. b) Przetwornik analogowo-cyrowy. Do pomiarów zastosowano przetwornik NI USB 6251 wyposażony w kartę przetwornika A/C o następujących danych technicznych: - magistrala przesyłu danych USB, - 16 wejść analogowych pojedynczych/8 wejść analogowych różnicowych, - maksymalna częstotliwość próbkowania 1, S/s, - maksymalny zakres napięć wejściowych przetwornika A/C ± 10 V, - rozdzielczość 16 bitów. Sygnał pomiarowy z gniazd BNC przetworników I/U oraz U/U podawany jest za pomocą kabli BNC na odpowiednie wejścia terminala BNC-211 współpracującego z przetwornikiem NI USB c) Oprogramowanie pomiarowe nadzorujące pracę przetwornika analogowo-cyrowego, odpowiedzialne za akwizycję danych pomiarowych, przetwarzanie danych pomiarowych i wizualizację pomiarów. Program pomiarowy (wirtualny przyrząd pomiarowy) został zrealizowany za pomocą oprogramowania narzędziowego LabView irmy National Instruments. W układzie pomiarowym mierzone są chwilowe wartości prądu azowego i napięcia azowego badanego silnika indukcyjnego. Na podstawie wartości chwilowych zarejestrowanych w czasie 1000 ms (a więc czasie trwania 50 okresów napięcia zasilającego) obliczana jest z deinicji odpowiednio wartość skuteczna prądów i napięć azowych zgodnie z zależnością: X t T x T t0 ( t)dt 1 N N n1 x ( n). (1) gdzie: T okres analizowanego sygnału, x (t) wartość chwilowa sygnału pomiarowego, N ilość próbek sygnału, x (n) zdyskretyzowany w czasie i amplitudzie sygnał pomiarowy. Na podstawie wartości skutecznych prądów i napięć azowych wyznaczana jest średnia wartość napięcia i prądu azowego: 2 U I śr śr U A U B U 3 I A I B IC 3 C. (2) Moc czynna pobierana przez silnik indukcyjny jest sumą mocy czynnych trzech az: P P P P 1 A B C, (3)

14 wyznaczanych zgodnie z zależnością: P 1 T T tt 1 p ( t)dt T T tt 1 u ( t) i ( t)dt N N n1 u ( n) i ( n). (4) gdzie: u, i odpowiednio wartość chwilowa napięcia i prądu azowego. Moc pozorna wyznaczana jest z zależności: S S S S U I U I U I 3( U I ) (5) 1 A B C A A B B C C śr śr Współczynnik mocy wyznaczany jest z zależności: P1 współczynnik mocy p (6) S 1 Natomiast współczynnik cosφ wyznaczany jest na podstawie kąta azowego pomiędzy podstawowymi harmonicznymi napięcia i prądu prądnicy. Jest on zgodny ze wskazaniami miernika na kolumnie synchronizacyjnej. Różnica pomiędzy wartością współczynnika mocy p i cosφ spowodowane jest obecnością wyższych harmonicznych w prądzie prądnicy. Instrukcja jest uzupełnieniem skryptu: Grzegorz Kamiński, Janusz Kosk, Włodzimierz Przyborowski Laboratorium Maszyn Elektrycznych Oicyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej Warszawa 2005 instrukcję opracował Adam Biernat, Warszawa, wrzesień 2012