1

Temat:

PRĄDNICA SYNCHRONICZNA

W UKŁADACH ZASILANIA

Zagadnienia:

• budowa i zasada działania,
• sposoby wzbudzania,
• charakterystyki zewnętrzne,
• współpraca prądnicy z siecią.

2

PODZIAŁ MASZYN  ELEKTRYCZNYCH

PODZIAŁ MASZYN  ELEKTRYCZNYCH

 
  Asynchroniczne

Prądu stałego

Indukcyjne

Klatkowe

Komutatorowe

Komutatorowe

Pierścieniowe

Prądu przemiennego

 Synchroniczne

   Maszyny
elektryczne

Podział maszyn ze względu na zastosowanie:

− 

energetyczne

 (prądnice, silniki, przetwornice) – 

istotna sprawność

− 

specjalne

 (prądnice tachometryczne, selsyny, silniki skokowe,

                 silniki wykonawcze itp.) – 

istotna ch-ka przetwarzania sygnału

Podział maszyn ze
względu na rodzaj prądu:

3

 

 

MASZYNY SYNCHRONICZNE

MASZYNY SYNCHRONICZNE

Co to jest maszyna synchroniczna?

Maszyna synchroniczna 

- maszyna prądu przemiennego, w której między

częstotliwością prądu w tworniku i prędkością wirowania wirnika zachodzi
związek

60

p

n

f

⋅

=

n

 

− prędkość wirowania wirnika [obr/min],

f 

−  częstotliwość prądu w tworniku [Hz],

p

 – liczba par biegunów.

Maszyna synchroniczna jest maszyną odwracalną.

 Może pracować jako silnik lub jako prądnica.

‰

 

Prądnice

 

synchroniczne

 pracują jako generatory trójfazowego prądu przemiennego

o częstotliwości 50 Hz  w elektrowniach i agregatach prądotwórczych.

‰

 

Silniki synchroniczne

 stosowane są do napędu maszyn wymagających stałej

prędkości obrotowej.

4

i

i

e

e

 e
(i)

T

0

MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

5

i

i

e

e

 e
(i)

T

0

n

 

− prędkość obrotowa (ω=2πn)

p

 – liczba par biegunów

Częstotliwość

indukowanego

napięcia

[Hz]

  

n

f

=

  

[1/s]

[Hz]

   

60

p

n

f

⋅

=

  

[1/min]

MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

MODEL PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ

6

 

 

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

Typy budowy maszyny synchronicznej

1. 

Magneśnica (wzbudzenie) na wirniku w postaci biegunów jawnych

   

(dla małych prędkości obrotowych np: hydrogeneratory).

2. 

Magneśnica (wzbudzenie) na wirniku w postaci biegunów utajonych

   

(dla dużych prędkości obrotowych np: (turbogeneratory).

3. 

Magneśnica (wzbudzenie) na stojanie w postaci biegunów jawnych

   

(tylko dla małych mocy do kilku kW)

.

W każdym przypadku twornik jest taki sam tzn. uzwojenie trójfazowe o
biegunach utajonych.

7

 

 

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

U1

V1

V2

W2

W1

U2

N

S

N

S

Maszyna synchroniczna

z biegunami utajonymi

na stojanie i wydatnymi

na wirniku

uzwojenie stojana
(twornika) 

uzwojenie wirnika
         (wzbudzenia)

obwód

magnetyczny

stojana

obwód

magnetyczny

wirnika

pierścienie ślizgowe

szczotki

wyprowadzenia 
uzwojeń stojana

1.

8

 

 

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

U1

V1

V2

W2

W1

U2

+

_

N

S

Maszyna synchroniczna

z biegunami utajonymi

na stojanie i wirniku

uzwojenie stojana
(twornika) 

uzwojenie wirnika
         (wzbudzenia)

obwód

magnetyczny

stojana

obwód

magnetyczny

wirnika

pierścienie ślizgowe

szczotki

wyprowadzenia 
uzwojeń stojana

2.

9

 

 

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

+ _

3~

N

N

S

S

Maszyna synchroniczna
z biegunami wydatnymi

na stojanie i utajonymi

na wirniku

uzwojenie
stojana
(wzbudzenia) 

uzwojenie wirnika
  (twornika)

obwód

magnetyczny

stojana

obwód

magnetyczny

wirnika

pierścienie ślizgowe

szczotki

wyprowadzenia 
uzwojeń wirnika

wyprowadzenia 

uzwojenia

wzbudzenia

3.

10

 

 

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

1
2

4

5
6
7
8
9

Jarzmo stojana
Rdzeń stojana (blachowany)
Uzwojenie stojana
Wirnik

3

Wentylator
Zaciski
Pierścienia ślizgowe
Szczotki
Wzbudnica

1 2

3

4

5

9

8

7

6

11

 

 

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

BUDOWA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

Wirnik z biegunami wydatnymi

Wirnik z biegunami utajonymi

12

 

 

ROZKŁAD INDUKCJI MAGNETYCZNEJ W SZCZELINIE 

ROZKŁAD INDUKCJI MAGNETYCZNEJ W SZCZELINIE 

POWIETRZNEJ  

POWIETRZNEJ  

Rozkład pola magnetycznego w szczelinie powietrznej między wirnikiem

i stojanem decyduje o  kształcie napięcia indukowanego w uzwojeniach

prądnicy

rozkład indukcji w maszynie

 o biegunach wydatnych

B, e

α

δ

δx

+B

-B

α

1

7

2

8

3

9

4

10

5

11

6

12

rozkład indukcji w maszynie

 o biegunach utajonych

13

R

 zasilanie z bocznikowej prądnicy prądu stałego umieszczonej na wspólnym

wale przez pierścienie ślizgowe,

R

 zasilanie z prądnicy prądu przemiennego z prostownikiem,

R

 samowzbudne- uzwojenie wirnika jest zasilane przez transformator,

prostownik z uzwojenia stojana (maszyna musi być wstępnie
namagnesowana).

SPOSOBY WZBUDZANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

SPOSOBY WZBUDZANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

b

d

N

S

Iw

U

Rw

Rww

Iww

+

_

Wzbudnica

14

Model prądnicy synchronicznej ze wzbudzeniem na wirniku

R

 Wirnik z uzwojeniem wzbudzenia zasilanym napięciem stałym napędzany jest

przez silnik z prędkością n. W szczelinie powietrznej uzyskuje się wirujące pole
magnetyczne o sinusoidalnym rozkładzie.

R

 Na stojanie znajduje się uzwojenie trójfazowe. W poszczególnych fazach

uzwojenia indukują się napięcia o sinusoidalnym kształcie przesunięte w fazie o
120

°. Częstotliwość i wartość skuteczna napięć w poszczególnych fazach zależą

od:

 

60

p

n

f

⋅

=

f

t

k

t

z

m

44

,

4

E

⋅

⋅

⋅

Φ

⋅

=

                gdzie : k

t

- współczynnik zależny od typu uzwojenia twornika

                     z

t

- liczba zwojów uzwojenia twornika (stojana)

R

 Po włączeniu obciążenia do uzwojenia twornika pojawi się w nim prąd. Zmienny

prąd wytworzy pulsujący strumień magnetyczny. Geometryczna suma strumieni
z trzech faz tworzy pole wirujące synchronicznie (współbieżnie) z wirnikiem.

R

 Pole twornika (stojana) wiruje synchronicznie z wirnikiem ale  jest przesunięte w

stosunku do pola wzbudzenia o kąt (90

°+Ψ).

ZASADA DZIAŁANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

ZASADA DZIAŁANIA PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ  

15

ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA  

ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA  

Obciążenie rezystancyjne

Obciążenie indukcyjne

16

ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA  

ODDZIAŁYWANIE TWORNIKA NA POLE WZBUDZENIA  

Obciążenie rezystancyjne

Obciążenie pojemnościowe

17

CHARAKTERYSTYKA ZEWNĘTRZNA U=f(I) 

CHARAKTERYSTYKA ZEWNĘTRZNA U=f(I) 

cos =1

ϕ

∆U

U

I

Iw=const

n=n =const

N

I

Em

Φm

cos

1

induk.

ϕ<

I

Icos

Ψ

Em

Φm

Isin

Ψ

Ψ

cos

1

  poj.

ϕ<

Icos

Ψ

Em

Φm

I

Isin

Ψ

Ψ

U=E-I Z

18

1. 

Jednakowe następstwo faz (zgodne kierunki wirowania napięć

   prądnicy i sieci).

2. 

Równość częstotliwości prądnicy i sieci.

3. 

Zgodność fazowa napięć prądnicy i sieci.

4. 

Równość wartości skutecznych napięć prądnicy i sieci.

5. 

Jednakowy kształt krzywej napięcia.

WARUNKI SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY 

WARUNKI SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY 

Z SIECIĄ SZTYWNĄ  

Z SIECIĄ SZTYWNĄ  

19

SPOSOBY SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY Z SIECIĄ 

SPOSOBY SYNCHRONIZACJI PRĄDNICY Z SIECIĄ 

Układ do synchronizacji 

na ciemno

Układ do synchronizacji 

na światło wirujące

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

L1(R)

L2(S)

L3(T)

A

B

C

G

Prądnica

Sieć 3  400V

+

V

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

20

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

1.

Niejednakowe następstwo faz

prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

21

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

ż1   ż2    ż3

1.

Niejednakowe następstwo faz

prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

22

2.

Nierówne częstotliwości

 prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

ż1   ż2    ż3

23

2.

Nierówne częstotliwości

 prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

∆U

∆U

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

ż1   ż2    ż3

24

2.

Nierówne częstotliwości

 prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

∆U

∆U

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

ż1   ż2    ż3

25

3.

Niejednakowe fazy 

prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

∆U

∆U

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

ż1   ż2    ż3

26

3.

Niejednakowe fazy 

prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

∆U

∆U

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

ż1   ż2    ż3

27

4.

Niejednakowe wartości skuteczne 

napięć prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

ż1   ż2    ż3

28

4.

Niejednakowe wartości skuteczne 

napięć prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

ż1   ż2    ż3

29

4.

Niejednakowe wartości skuteczne 

napięć prądnicy i sieci

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

 SYNCHRONIZACJA PRĄDNICY Z SIECIĄ 

A

B

C

G

Prądnica

L1(R)

L2(S)

L3(T)

Sieć 3  400V

+

V

V1

Hz

1

V2

Hz

2

ż

1

ż

2

ż

3

U

R

U

A

U

B

∆U

U

C

U

S

U

T

A     B    C
R     S     T 

ż1   ż2    ż3

30

WYMIANA MOCY PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Z SIECIĄ

WYMIANA MOCY PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ Z SIECIĄ

 SZTYWNĄ

 SZTYWNĄ

Zmieniając prąd wzbudzenia I

w

 (wirnika) prądnicy synchronicznej można regulować

moc bierną pobieraną z sieci zasilającej. Jeżeli:
I

w

 duże (maszyna przewzbudzona) - maszyna pobiera z sieci moc  

bierną

                                                           pojemnościową.

I

w

 małe (maszyna niedowzbudzony) - maszyna pobiera z sieci moc 

bierną

                                                             indukcyjną.

Maszyna pobierająca wyłącznie moc bierną indukcyjną nazywamy 

kompensatorem.

Jeżeli zwiększymy moc doprowadzoną do wału napędowego prądnicy synchronicznej
to zacznie ona oddawać do sieci 

moc czynną

. Przy zmniejszaniu mocy doprowadzonej

maszyna zaczyna pracować jako 

silnik

 pobierając moc czynną z sieci.

M

A1

A2

W

=220V

E2

E1

+

_

Rw

I

K

=36 V

0

U

V

Rw1

3~50Hz 

230/400V

G

silnik napędowy prądu stałego

pradnica

Iw

31