ĆWICZENIE S2 MASZYNA SYNCHRONICZNA. WSPÓŁPRACA Z SIECIĄ. Program ćwiczenia: 1. Zapoznanie się z układem. 2. Rozruch asynchroniczny. 3. Samosynchronizacja maszyny z siecią elektroenergetyczną. 4. Wybieg. 5. Synchronizacja dokładna. 6. Wyznaczenie krzywych V. Literatura: J. Rusek Elektrotechnika z elementami napędów Wyd. AGH, 1993, str. 111-124 J.Skwarczyński, Z. Tertil Maszyny elektryczne cz. IV 1994, str 107-140 J.Skwarczyński, Z. Tertil Maszyny elektryczne cz. III 1994, str 32-135 A.M. Plamitzer Maszyny elektryczne Wyd. Naukowo_techniczne 1986, str 415-518
1. Cel ćwiczenia. Ćwiczenie ma na celu zapoznanie studentów z własnościami dynamicznymi maszyn synchronicznych oraz zbadanie podstawowych własności ruchowych tych maszyn. Dane znamionowe maszyny: P N = 4 kw U N = 380 V I N = 7 A n N = 1500 obr/min f N = 50 Hz cosϕ N = 0,86 I f0n = 1,15 A J = 0,249 kgm 2 (cały zespół) ΔP mech = 300 W ΔP Fe = 197 W ΔP Cu = 184 W R S20 = 1,25 Ω Uwaga: Wszystkie czynności związane z załączaniem i regulacją urządzeń znajdujących się na stanowisku mogą być dokonywane wyłącznie przez prowadzącego ćwiczenie lub przez studentów na wyraźne polecenie prowadzącego. Po zakończeniu każdej z serii pomiarów przewidzianych w programie ćwiczenia studenci powinni czekać na dalsze instrukcje prowadzącego. Absolutnie niedozwolone jest samodzielne zatrzymywanie zespołu lub wyłączanie jakichkolwiek urządzeń bez zgody prowadzącego ćwiczenie. 2. Rozruchu asynchroniczny silnika synchronicznego. Rozruch asynchroniczny maszyny możliwy jest dzięki litym biegunom wirnika i pierścieniom je zwierającym spełniającym rolę klatki rozruchowej. Ze względu na duże napięcia indukujące się w obwodzie wzbudzenia maszyny przy poślizgu bliskim jedności (gdy maszyna rusza) wymagane jest zwarcie tego obwodu opornicą R3 (załączaną przełącznikiem W3). Aby dokonać pełnego rozruchu, wartość rezystancji tej opornicy musi być odpowiednio duża, w przeciwnym wypadku może dojść do utknięcia wirnika w okolicy połowy prędkości synchronicznej (efekt Gorgesa). Należy dokonać rozruchu w dwóch przypadkach: pierwszy dla mniejszej wartości rezystancji opornicy widoczny efekt Gorgesa, drugi przypadek dla większej wartości - rozruch płynny. Aby dokonać rozruchu należy wykonać następujące czynności: 1. uruchomić program LABMOT, a w nim wybrać Start, 2. w menu Kanały ustawić wzmocnienia kanałów, na których mierzone są wielkości tak, aby wskaźniki pod mierzonymi wielkościami w oknie głównym programu miały kolor zielony, 3. z menu Próby wybrać Rejestracja przebiegów czasowych, 4. w oknie które się otworzy z menu Dane należy wybrać Zacznij nową próbę, następnie w oknie, które się otworzy należy wpisać dane znamionowe maszyny i nacisnąć OK, 5. w oknie Wybór wielkości do rejestracji należy zaznaczyć U ab, I a, n t, I 1, 6. w oknie Pomiar ciągły... należy ustawić częstość na 1000 Hz, liczbę próbek na 10000, a ilość wykresów na 4, 7. przełącznik W3 ustawić w pozycji 1 ROZRUCH (zwarcie obwodu wzbudzenia opornicą R3), 8. suwak opornicy R3 ustawić w położeniu min,
9. załączyć stycznik ST1 przyciskiem ZAŁ (zielonym), 10. w oknie Pomiar ciągły... nacisnąć przycisk Start co powinno rozpocząć rejestrację i około sekundę później załączyć wyłącznik W2 w ten sposób uruchamiając maszynę, 11. po zakończeniu rejestracji należy wyłączyć wyłącznik W2, przycisnąć przycisk OK i z menu Wyniki wybrać Wykresy czasowe, 12. w otwartym oknie z rozwijanych menu Kanał wybrać kolejno U ab, I a, I 1, n t, dla U ab, I a, I 1, zaznaczyć Skut (wartość skuteczna) i wybrać filtry dolnoprzepustowe odpowiednio dla U ab, I a, I 1, 20 Hz, a dla n t 5 Hz; następnie należy nacisnąć przycisk Zrób wykres, 13. na wykresach, które się pojawią po przyciśnięciu prawego przycisku myszy z rozwijanego menu wybrać opcję Kopiuj dane do schowka, a następnie przycisnąć przycisk Wyjście; wyniki należy umieścić w arkuszu programu Excel poprzez komendę Wklej. Aby dokonać rejestracji dla drugiego przypadku należy ustawić suwak opornicy R3 w pozycji max, w oknie Pomiary czasowe wybrać opcję Pomiary, w oknie Pomiar ciągły... należy ustawić częstość na 1000 Hz, liczbę próbek na 10000, a ilość wykresów na 4. Następnie należy powtórzyć kroki 9 do 12, przy czym po dokonaniu drugiej rejestracji należy pozostawić załączony wyłącznik W2. 3. Samosynchronizacja maszyny z siecią elektroenergetyczną. Samosynchronizacja polega na załączeniu do sieci niewzbudzonej maszyny, a następnie po dokonaniu rozruchu i zbliżeniu się prędkości obrotowej wirnika do prędkości okołosynchronicznej, załączeniu wzbudzenia, przez co maszyna zostaje wciągnięta w synchronizm. Aby dokonać samosynchronizacji należy wykonać następujące czynności: 1. po dokonaniu rozruchu w poprzednim punkcie maszyna powinna być już uruchomiona, jeśli tak nie jest należy ją uruchomić załączając wyłącznik W2 (przełącznik W3 powinien być w położeniu 1 ROZRUCH), 2. w oknie Pomiary czasowe programu LABMOT wybrać opcję Pomiary, 3. w oknie Pomiar ciągły... należy ustawić częstość na 1000 Hz, liczbę próbek na 10000, a ilość wykresów na 4, 4. upewnić się, czy przełącznik W3 znajduje się w pozycji 1 ROZRUCH i za pomocą autotransformatora ustawić napięcie wzbudzenia na wartość około 20 V, 5. po odczekaniu kilku sekund w oknie Pomiar ciągły... nacisnąć przycisk Start i około sekundę później załączyć napięcie wzbudzenia poprzez przełączenie przełącznika W3 w pozycję 2 PRACA, 6. po zakończeniu rejestracji należy zostawić uruchomiony napęd (nie wyłączać niczego) i przycisnąć przycisk OK, 7. z menu Wyniki należy wybrać Wykresy czasowe, 8. w otwartym oknie z rozwijanych menu Kanał wybrać kolejno U ab, I a, I 1, n t, dla U ab, I a, I 1, zaznaczyć Skut (wartość skuteczna) i wybrać filtry dolnoprzepustowe odpowiednio dla U ab, I a, I 1, 20 Hz, a dla n t 5 Hz; następnie należy nacisnąć przycisk Zrób wykres, 9. na wykresach, które się pojawią po przyciśnięciu prawego przycisku myszy z rozwijanego menu wybrać opcję Kopiuj dane do schowka, a następnie przycisnąć przycisk Wyjście; wyniki należy umieścić w nowym arkuszu programu Excel poprzez komendę Wklej.
4. Wybieg. Wybieg polega na wyłączeniu zasilania pracującej maszyny i powolnym jej zatrzymaniu w wyniku działania sił tarcia. Ponieważ zależność momentu tarcia od prędkości wyznaczona na podstawie przebiegu prędkości rejestrowanej podczas wybiegu potrzebna jest do wyznaczenia momentu elektromagnetycznego podczas rozruchu, rejestracji należy dokonać w tych samych warunkach, a więc przy wyłączonym napięciu wzbudzenia i załączonej opornicy R3. Aby dokonać wybiegu należy wykonać następujące czynności: 1. w oknie Pomiary czasowe programu LABMOT z menu Dane, należy wybrać Wybór wielkości do rejestracji, 2. w oknie Wybór wielkości do rejestracji należy odznaczyć (usunąć) U ab, I a, I 1, a pozostawić n t, a następnie zatwierdzić OK, 3. w oknie Pomiar ciągły... należy ustawić częstość na 50 Hz, a liczbę próbek na 1500, 4. upewnić się, czy suwak opornicy R3 znajduje się w pozycji max, 5. pracującej wciąż maszynie (po wykonaniu samosynchronizacji w poprzednim punkcie) należy zmniejszyć napięcie wzbudzenie do zera, a następnie przełączyć obwód wzbudzenia na opornicę R3 poprzez przełączenie przełącznika W3 z pozycji 2 PRACA w pozycję 1 ROZRUCH; maszyna utrzyma się w synchronizmie dzięki istnieniu momentu reaktywnego, 6. w oknie Pomiar ciągły... nacisnąć przycisk Start i około sekundę później wyłączyć wyłącznik W2, co spowoduje powolne hamowanie maszyny, 7. po zakończeniu rejestracji należy przycisnąć przycisk OK, 8. z menu Wyniki należy wybrać Wykresy czasowe, 9. w otwartym oknie z rozwijanych menu Kanał wybrać należy n t, i ustawić filtr dolnoprzepustowy 5 Hz; następnie należy nacisnąć przycisk Zrób wykres, 10. na wykresach, które się pojawią po przyciśnięciu prawego przycisku myszy z rozwijanego menu wybrać opcję Kopiuj dane do schowka, a następnie przycisnąć przycisk Wyjście; wyniki należy umieścić w nowym arkuszu programu Excel poprzez komendę Wklej. 5. Synchronizacja dokładna. Synchronizacji dokładnej maszyny z siecią dokonuje się po rozpędzeniu maszyny do prędkości okołosynchronicznej przy pomocy silnika obcowzbudnego prądu stałego. Stojan maszyny jest odłączony od sieci, a napięcie wzbudzenia ustawione na taką wartość, żeby na biegu jałowym w otwartych fazach stojana indukowało się napięcie bliskie znamionowemu. Po zrównaniu się napięć i częstotliwości po stronie maszyny z napięciami i częstotliwością po stronie sieci, co sygnalizowane jest przez zrównanie się wskazań dwóch woltomierzy oraz dwóch częstościomierzy w kolumnie synchronizacyjnej należy oczekiwać momentu, kiedy woltomierz różnicowy wskaże zero, a żarówki zgasną (również wchodzące w skład kolumny). Jest to jednoznaczne ze zrównaniem się chwilowych wartości napięć sieci z odpowiadającymi chwilowymi wartościami napięć maszyny. W tym właśnie momencie należy załączyć uzwojenia stojana maszyny do sieci, co spowoduje jej synchronizację.
Aby dokonać synchronizacji dokładnej należy wykonać następujące czynności: 1. w oknie Pomiary czasowe programu LABMOT wybrać należy Wybór wielkości do rejestracji, 2. w oknie Wybór wielkości do rejestracji należy zaznaczyć U ab, I a, n t, I 1, 3. w oknie Pomiar ciągły... należy ustawić częstość na 1000 Hz, liczbę próbek na 10000, a ilość wykresów na 4, 4. upewnić się, że wyłącznik W2 jest wyłączony, a przełącznik W3 ustawić w położenie 2 PRACA (załączone napięcie wzbudzenia), 5. wartość prądu wzbudzenia ustawić wstępnie na około 1 A za pomocą autotransformatora, 6. załączyć stycznik ST1 przyciskiem ZAŁ (zielonym), co spowoduje podanie napięcia od strony sieci na kolumnę synchronizacyjną; jeden z częstościomierzy w kolumnie powinien wskazać 50 Hz, a jeden z woltomierzy napięcie o wartości około 380 V; woltomierz różnicowy powinien wskazać napięcie około 380 V, a żarówki powinny być zapalone, 7. załączyć napięcie wzbudzenia maszyny prądu stałego (220 V=) stycznikiem na szafie zasilającej, 8. załączyć wyłącznik W4, co spowoduje zasilenie prostownika sterowanego, a następnie włączyć wyłącznik W5, co połączy twornik maszyny prądu stałego z wyjściem prostownika, 9. pokrętło na obudowie prostownika ustawić w skrajnym lewym położeniu (zero), a następnie załączyć prostownik czarnym przyciskiem na obudowie (oznaczonym 1), 10. kręcąc pokrętłem na obudowie prostownika w prawo należy doprowadzić napęd do takiej prędkości, aby wskazanie drugiego z częstościomierzy w kolumnie synchronizacyjnej pokryło się ze wskazaniem pierwszego częstościomierza, prędkość i częstość mierzone programem LABMOT powinny wynosić odpowiednio 1500 obr/min i 50 Hz, 11. za pomocą autotransformatora należy doregulować napięcie wzbudzenia tak, aby wskazanie drugiego z woltomierzy w kolumnie synchronizacyjnej pokryło się ze wskazaniem pierwszego woltomierza, 12. po dokonaniu tych czynności częstość z jaką porusza się wskazówka woltomierza różnicowego oraz zapalają się i gasną żarówki powinna być na tyle mała, aby łatwo można było wychwycić moment, w którym żarówki zgasną, a woltomierz różnicowy pokaże zero, 13. następnie w oknie Pomiar ciągły... nacisnąć przycisk Start i gdy tylko zgasną żarówki należy włączyć wyłącznik W2; spowoduje to powstanie krótkiego stanu nieustalonego i wciągnięcie maszyny w synchronizm, 14. po zakończeniu rejestracji należy przycisnąć przycisk OK, 15. nie należy zatrzymywać zespołu, ani dokonywać żadnych przełączeń na stanowisku, 16. z menu Wyniki należy wybrać Wykresy czasowe, 17. w otwartym oknie z rozwijanych menu Kanał wybrać kolejno U ab, I a, I 1, n t, dla U ab, I a, I 1, zaznaczyć Skut (wartość skuteczna) i wybrać filtry dolnoprzepustowe odpowiednio dla U ab, I a, I 1, 20 Hz, a dla n t 5 Hz; następnie należy nacisnąć przycisk Zrób wykres, 18. na wykresach, które się pojawią po przyciśnięciu prawego przycisku myszy z rozwijanego menu wybrać opcję Kopiuj dane do schowka, a następnie przycisnąć przycisk Wyjście; wyniki należy umieścić w nowym arkuszu programu Excel poprzez komendę Wklej.
6. Wyznaczenie krzywych V. Krzywe V zostaną wyznaczone podczas pracy silnikowej maszyny uprzednio zsynchronizowanej z siecią. Dokonać należy trzech rejestracji dla trzech różnych wartości mocy zasilających maszynę: 0 kw, 1,5 kw oraz 3 kw. Aby dokonać wyznaczenia krzywych V należy wykonać następujące czynności: 1. zamknąć okno Pomiary czasowe i z menu Próby wybrać Pomiar czegoś tam, 2. w oknie Pomiar wybranych wielkości wybrać Dane, a następnie Zacznij nową próbę, 3. w otwartym oknie wpisać dane znamionowe maszyny a następnie zatwierdzić przyciskiem OK, 4. po otwarciu się okna Pomiar wybranych wielkości autotransformator ustawić należy w skrajnym prawym położeniu tak, aby prąd wzbudzenia osiągnął wartość maksymalną (około 2,1 A), 5. upewnić się, że maszyna jest zsynchronizowana z siecią, a następnie nieznacznie wyregulować zasilanie pokrętłem na obudowie prostownika sterowanego tak, aby moc pobierana przez maszynę synchroniczną wynosiła zero (wielkość P w oknie głównym programu LABMOT); za miarę mocy przyjmujemy moc zasilania maszyny synchronicznej, 6. po odczekaniu 5-6 sekund od zakończenia regulacji wcisnąć przycisk Zmierz (lub klawisz Z na klawiaturze), 7. kolejne punkty pomiarowe należy rejestrować nieznacznie zmniejszając wartość prądu wzbudzenia i po odczekaniu 5-6 sekund na ustalenie się wartości mierzonych wielkości naciskając przycisk Zmierz, 8. pomiary należy kontynuować do momentu aż prąd wzbudzenia nie osiągnie dolnej granicy zakresu regulacji podanej w tabeli 1, 9. po zarejestrowaniu ostatniego punktu pomiarowego należy powrócić z prądem wzbudzenia do wartości maksymalnej (2,1 A), 10. w oknie tabelki z pomiarami należy wcisnąć przycisk Wykresy, 11. w oknie Co pokazać na wykresie należy zaznaczyć I 1 na osi x (prąd wzbudzenia) oraz I na osi y (uśredniony prąd z trzech faz stojana) i wcisnąć przycisk OK, 12. w otwartym oknie wykresy po naciśnięciu na wykresie prawym przyciskiem myszy należy wybrać Kopiuj dane do schowka i przycisnąć OK, 13. wyniki należy umieścić w nowym arkuszu programu Excel poprzez komendę Wklej, 14. pokrętłem na obudowie prostownika sterowanego należy tak zmniejszyć napięcie twornika maszyny prądu stałego aby moc pobierana przez maszynę synchroniczną była równa P = 1,5 kw, 15. w oknie Pomiar wybranych wielkości należy usunąć wszystkie zarejestrowane wartości przyciskając przycisk Usuń i zatwierdzając OK, 16. następnie należy powtórzyć kroki od 6 do 13, 17. po zarejestrowaniu drugiego przypadku należy przystąpić do rejestracji przypadku trzeciego, 18. pokrętłem na obudowie prostownika sterowanego należy tak zmniejszyć napięcie twornika maszyny prądu stałego aby moc pobierana przez maszynę synchroniczną była równa P = 3 kw, 19. w oknie Pomiar wybranych wielkości należy usunąć wszystkie zarejestrowane wartości przyciskając przycisk Usuń i zatwierdzając OK, 20. następnie należy powtórzyć kroki od 6 do 13.
Tabela 1. Zakresy regulacji prądu wzbudzenia dla różnych przypadków obciążenia maszyny synchronicznej 7. Zatrzymanie napędu. P [kw] I wzb min [A] I wzb max [A] 0 0 2,1 1,5 0,2 2,1 3 0,8 2,1 Zatrzymanie napędu powinno zostać dokonane przez prowadzącego i odbywać się powinno w następującej kolejności: 1. wyłączyć wyłącznik W2, co spowoduje odłączenie maszyny synchronicznej od sieci, 2. pokrętłem na obudowie prostownika sterowanego należy kręcić powoli w lewo aż do osiągnięcia położenia zerowego pokrętła i zatrzymania napędu, 3. wyłączyć prostownik sterowany przyciskiem zero na jego obudowie, 4. wyłączyć wyłącznik W5, a następnie W4, 8. Sprawozdanie. Sprawozdanie zawierać powinno następujące elementy: 1. schemat układu pomiarowego oraz schemat połączeń kolumny synchronizacyjnej, 2. opis czynności łączeniowych wykonywanych podczas synchronizacji maszyny synchronicznej z siecią (zarówno dokładnej, jak i samosynchronizacji), opis zalet i wad obu tych sposobów synchronizacji, 3. przebiegi czasowe prędkości obrotowej (w radianach na sekundę) i skuteczne filtrowane przebiegi prądu stojana, prądu wzbudzenia i napięcia (cztery wielkości na jednym wykresie) podczas samosynchronizacji, synchronizacji dokładnej i rozruchu (dla rozruchu w dwóch przypadkach: z większą oraz z mniejszą wartością rezystancji w obwodzie wzbudzenia); aby wszystkie przebiegi były dobrze widoczne należy przeskalować prądy stojana i wzbudzenia: dla samosynchronizacji i synchronizacji dokładnej prąd stojana pomnożyć przez 50, a prąd wzbudzenia pomnożyć przez 200, dla rozruchu prąd stojana pomnożyć przez 10, a prąd wzbudzenia pomnożyć przez 50; łącznie w tym punkcie powinny powstać cztery wykresy, na każdym z nich po cztery przebiegi, 4. wykres prędkości obrotowej (w radianach na sekundę) w funkcji czasu podczas wybiegu, 5. powstałe w wyniku różniczkowania prędkości obrotowej wykresy zależności J dω/dt (moment rozruchowy) od prędkości obrotowej ω podczas rozruchu (2 przypadki) oraz zależności -J dω/dt (moment tarcia) od prędkości obrotowej ω podczas wybiegu; łącznie trzy charakterystyki umieszczone na jednym wykresie; ze względu na różną długość ciągów próbek należy dokonać interpolacji, 6. charakterystyki momentu elektromagnetycznego w funkcji prędkości podczas rozruchu (powstałe w wyniku dodania momentu tarcia do momentu rozruchowego); łącznie dwa wykresy (dla dwóch przypadków rezystancji zwierającej wirnik), 7. trzy charakterystyki prądowe (krzywe V) narysowane w jednym układzie współrzędnych (punkty plus aproksymacja), 8. podsumowanie zawierające wnioski, które można wyciągnąć na podstawie wyników wykonanych pomiarów.