POLITECHNIKA GDAŃSKA WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN ELEKTRYCZNYCH LABORATORIUM MASZYNY ELEKTRYCZNE ĆWICZENIE (PS) MASZYNY SYNCHRONICZNE BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDNICY/GENERATORA SYNCHRONICZNEGO Materiały pomocnicze Kierunek Energetyka Studia stacjonarne 1-szego stopnia semestr 4 Opracował Mieczysław Ronkowski Grzegorz Kostro Michał Michna Gdańsk 21-211
ĆWICZENIE (PS) M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 2 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 izyczny i model obwodowy (schemat zastępczy) maszyny synchronicznej Maszyna synchroniczna (MS) jest przetwornikiem elektromechanicznym (rys. 1.1) o trzech wrotach, które izycznie reprezentują: wyjście elektryczne zaciski uzwojenia twornika a ; wejście elektryczne zaciski uzwojenia wzbudzenia ; wejście mechaniczne koniec wału (sprzęgło). Moc mechaniczna (dostarczana) P m i moc elektryczna (odbierana) P a 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. S a P P a a m rm T m P m 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) 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) wieloazowej MS o wydatnobiegunowym wirniku wraz z ilustracją zasady jej działania. Uzwojenia MS stanowią: trzy azy (pasma) na stojanie (tworniku) osie magnetyczne poszczególnych az są odpowiednio względem siebie przesunięte w przestrzeni o kąt 12 (dla MS o liczbie par biegunów p>1 kąt wynosi 12 o /p); klasyczne uzwojenie wzbudzenia na wirniku (wzbudniku) o osi magnetycznej d i przesuniętej względem niej osi q (położenie w streie międzybiegunowej). Aby zachować czytelność rysunku, układ uzwojeń azowych (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 oraz. 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 irmy ELMOR Gdańsk): a) twornik 3-azowy, b) wzbudnik wydatnobiegunowy, c) tabliczka zaciskowa, d) tabliczka znamionowa a) MS: MS: PRACA PRĄDNICOWA STAN JAŁOWY b) MS: MS: PRACA PRĄDNICOWA STAN OBCIĄŻENIA CZYNNO-BIERNEGO Wirujący strumień Φ wzbudnika indukuje SEM rotacji E w 3-azowym uzwojeniu twornika Prądy 3-azowego uzwojenia twornika I aa, I ab, I ac wzbudzają wirujące pole twornika Θ a + E ~ Ω r + E ~ Φ Φ = Φ ( I ) Mieczysław RONKOWSKI 2 Pole wzbudzenia Θ wyprzedza ( ciągnie ) pole twornika Θ a eektem jest generacja momentu elektromagnetycznego T e hamującego Mieczysław RONKOWSKI 3 Rys. 1.3. Elementarna maszyna synchroniczna: budowa i ilustracja zasady jego działania pole wzbudzenia Θ wyprzedza ( ciągnie ) pole twornika Θ a eektem jest generacja momentu elektromagnetycznego T e hamującego (obciążającego turbinę/silnik napędowy) Uzwojenie wzbudzenia -, zasilane prądem stałym, wzbudza pole magnetyczne reprezentowane przez przepływ Θ. 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 Φ indukuje SEM rotacji E w poszczególnych azach uzwojenia twornika. Załączenie obciążenia na zaciski twornika wymusza przepływ prądu 3-azowego w uzwojeniach, które wzbudzają własne pole magnetyczne wirujące względem stojana reprezentowane przez wirujący przepływ Θ a. 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 Θ a i pola wzbudnika Θ - 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 e = (1.1) 2π pns e = (1.2) 6 gdzie: Ω - prędkość kątowa mechaniczna wirnika (prędkość synchroniczna) [rad/s]; s rm n - 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 transormatora (z pominięciem współczynnika k ua ): E 4,44 Φ = z k (1.3) e a ua gdzie: z a liczba zwojów na azę uzwojenia twornika; k ua współczynnik uzwojenia twornika. Uwaga: SEM rotacji E jest wielkością elektromechaniczną jest eektem obrotowego ruchu mechanicznego (prędkość Ω rm ) pola wzbudnika Φ (wzbudzanego prądem I ). e - częstotliwość SEM E określa rów. (1.1) lub (1.2). Statyczne stany pracy MS o wirniku cylindrycznym (turbogeneratora) można opisać za pomocą modelu obwodowego przedstawionego na rys. 1.4. SEM rotacji E reprezentuje sterowane źródła napięcia oznaczone symbolem, natomiast napięcie U a jest napięciem azowym na zaciskach maszyny w stanie obciążenia (prąd twornika I a ). Straty w uzwojeniu twornika i zjawisko oddziaływania twornika odwzorowują odpowiednio rezystancja R a oraz reaktancja synchroniczna X s. Ze względu na relację R a << X s pomija się rezystancję R a w modelu obwodowym MS. Źródło sterowane napięcia X s I a a E (I, W rm ) U a E = 4,44 Φ e za kua a Rys. 1.4. Podstawowy model obwodowy (schemat zastępczy) maszyny synchronicznej o wirniku cylindrycznym (turbogeneratora) strzałkowanie napięć prądów dla pracy prądnicowej
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 5 2. 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. Dane znamionowe maszyny synchronicznej Jednostka Wartość 1 nazwę lub znak producenta 2 nazwę i typ 3 numer abryczny 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) - 1 znamionowe napięcie wzbudzenia V 11 znamionowy prąd wzbudzenia A 12 prędkość (lub częstotliwość) obr/min 13 klasa izolacji 14 warunki pracy niesymetrycznej (I 2 /I N ) 15 stopień ochrony 2.2. Pomiar rezystancji uzwojeń Tablica 2a Pomiar rezystancji uzwojeń stojana Zaciski U1-U2 Zaciski V1-V2 Zaciski W1-W2 Lp. U I R au U I R av U I R av V A Ω V A Ω V A Ω Tablica 2b Pomiar rezystancji uzwojenia wzbudzenia Zaciski F1-F2 Lp. U I R V A Ω 2.3. Pomiar charakterystyki biegu jałowego E = (I ) przy: n = n s = const I a =
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 6 E =U an E [V] Uśredniona charakterystyka magnesowania E sz I on I [A] Rys. 2.1. Charakterystyka biegu jałowego (magnesowania) maszyny synchronicznej Rys. 2.2. Schemat układu do pomiaru charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) maszyny synchronicznej
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 7 Tablica 3 Pomiar charakterystyki biegu jałowego Lp. e [Hz] I [A] E U [V] E V [V] E W [V] E [V] 2.4. Pomiar charakterystyki zwarcia I a = (I ) przy: U a = n = n s = const cos ϕ = const. I az [A] I az =I an I azsz I zn I [A] Rys. 2.3. Charakterystyka zwarcia prądnicy synchronicznej Tablica 4 Pomiary charakterystyki zwarcia i reaktancji synchronicznej Pomiary przy U U, U V, U W = Oblicz. Pomiary przy I U, I V, I W = Oblicz. Oblicz. Lp. I [A] I U [A] I V [A] I W [A] I az [A] U U [A] U V [A] U W [A] E [A] X s [Ω]
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 8 U U U V U W I U I V I W V A ~1x22V W3 P + _ I A F1 F2 G 3~ U V W N PW W4 W s = SN Rys. 2.4. Schemat połączeń prądnicy synchronicznej do pomiaru charakterystyki zwarcia 2.5. Pomiar charakterystyki zewnętrznej U a = (I a ) przy: n = n s = const. I = I on = const. cos ϕ = const. Tablica 5 Pomiar charakterystyki zewnętrznej Pomiary Lp. U U [V] U V [V] U W [V] I [A] I U [A] I W [A] I V [A] cosϕ U a [V] I a [A] const. const.
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 I = (I a ) przy: U a = U an n = n s = const. cos ϕ = const. Tablica 6 Pomiary charakterystyki regulacyjnej Pomiary Lp. U U [V] U W [V] U U [V] I [A] I U [A] I W [A] I V [A] cosϕ U a [V] I a [A] const. const. const. const. const. 2.7. Zadania 1. Dla badanej PS obliczyć straty (W i %) w uzwojeniach dla prądów znamionowych. 2. Wykreślić charakterystykę stanu jałowego badanej PS. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić izycznie jej kształt. 3. Wykreślić charakterystykę zwarcia badanej PS. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić izycznie i analitycznie jej
M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 1 kształt. 4. Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia cosϕ=1. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić izycznie i analitycznie jej kształt. 5. Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia cosϕ= poj. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić izycznie i analitycznie jej kształt. 6. Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia cosϕ= ind. Uzasadnić izycznie i analitycznie jej kształt. 7. Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia cosϕ=1. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić izycznie i analitycznie jej kształt. 8. Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia cosϕ= poj. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić izycznie i analitycznie jej kształt. 9. Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia cosϕ= ind. Uzasadnić izycznie i analitycznie jej kształt. 1. Obliczyć dla badanej PS wartość znamionowego prądu wzbudzenia I n odpowiadającego znamionowej mocy (napięciu i prądowi twornika) i znamionowemu charakterowi obciążenia cosϕ=,8 ind. 11. Dla badanej PS obliczyć stosunek zwarcia k z badanej PS. 12. Dla badanej PS obliczyć stosunek znamionowego prądu wzbudzenia I n do znamionowego prądu wzbudzenia przy biegu jałowym I on. 13. Dla badanej PS obliczyć wartości reaktancji synchronicznej nienasyconej (w Ω i %) odpowiadające wartościom prądów wzbudzenia I on.i I zn. 14. Dla badanej PS wykreślić charakterystykę reaktancji synchronicznej nienasyconej X s (w Ω i %) od prądu wzbudzenia I. Uzasadnić izycznie jej kształt. 15. Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika mocy cos ϕ 2 = 1 (czynnego). 16. Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika mocy cos ϕ 2 =,8 ind. 17. Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika mocy cos ϕ 2 =,8 poj. Literatura pomocnicza 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 199. 7. Roszczyk S.: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1979. 8. Ronkowski M.: Maszyny elektryczne. Szkice do wykładów. PG 21/211. http://www.eia.pg.gda.pl/e-mechatronika/ 9. Staszewski P., Urbański W.: Zagadnienia obliczeniowe w eksploatacji maszyn elektrycznych, Warszawa, Oicyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 29. 1. PN-IEC 34-1:1997 Maszyny elektryczne wirujące. Ogólne wymagania i badania: http://www.pkn.pl/