background image

POLITECHNIKA GDA

Ń

SKA 

WYDZIAŁ ELEKTROTECHNIKI I AUTOMATYKI 

KATEDRA ENERGOELEKTRONIKI I MASZYN ELEKTRYCZNYCH 

 
 
 
 
 
 

L AB O R AT O R I U M  

M AS Z Y N Y   E L E K T R Y C Z N E  

 
 

Ć

WICZENIE (MS)

 

 

MASZYNY SYNCHRONICZNE 

BADANIE CHARAKTERYSTYK 

PR

Ą

DNICY/GENERATORA SYNCHRONICZNEGO 

 

Materiały pomocnicze 
 
Kierunek Eelektrotechnika 
Studia stacjonarne 1-szego stopnia 
semestr 3 

 
 

 

 

 

 

 

Opracował 

 

 

 

 

 

Mieczysław Ronkowski 

 

 

 

 

 

Grzegorz Kostro 

 

 

 

 

 

Michał Michna 

 
 
 
 

 

 
 
 
 

Gda

ń

sk 2012-2013 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

ĆWICZENIE (MS) 
 
MASZYNY SYNCHRONICZNE 

BADANIE CHARAKTERYSTYK PRĄDNICY SYNCHRONICZNEJ 

 

PROGRAM 

Ć

WICZENIA

................................................................................................................................................ 2

 

1.

 

TEORIA

................................................................................................................................................................. 2

 

1.1.

 

Budowa, działanie i model fizyczny maszyny synchronicznej............................................................................ 2

 

1.2.

 

Model obwodowy (schemat zastępczy) maszyny synchronicznej....................................................................... 5

 

2.

 

BADANIA

............................................................................................................................................................... 6

 

2.1.

 

Oględziny zewnętrzne......................................................................................................................................... 6

 

2.2.

 

Pomiar rezystancji uzwojeń ................................................................................................................................ 6

 

2.3.

 

Pomiar charakterystyki biegu jałowego .............................................................................................................. 6

 

2.4.

 

Pomiar charakterystyki zwarcia i reaktancji synchronicznej............................................................................... 9

 

2.5.

 

Pomiar charakterystyki zewnętrznej ................................................................................................................. 12

 

2.6.

 

Pomiar charakterystyki regulacyjnej ................................................................................................................. 12

 

2.7.

 

Zadania ............................................................................................................................................................. 13

 

3.

 

PYTANIA KONTROLNE

................................................................................................................................... 14

 

4.

 

LITERATURA POMOCNICZA

.......................................................................................................................... 15

 

 

PROGRAM 

Ć

WICZENIA 

 

Pomiar rezystancji uzwojeń maszyny. 

 

Pomiar charakterystyki magnesowania. 

 

Pomiar charakterystyki zwarcia 

 

Pomiar charakterystyki zewnętrznej. 

 

Pomiar charakterystyki regulacyjnej. 

1. 

TEORIA 

1.1.  Budowa, działanie i model fizyczny 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)  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. 
 

 

 

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. 

 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

 

Budowę i podstawowe elementy MS przedstawiono na rys. 1.2. Maszyna składa się z następujących 

elementów  czynnych:  magneśnicy/wzbudnika  (uzwojenie  wzbudzenia,  pierścienie  ślizgowe,  rdzeń 
magneśnicy)  umieszczonej  na  wirniku;  twornika  (3-fazowe  uzwojenie  twornika,  rdzeń  twornika) 
umieszczonego na stojanie; 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  –  osie  magnetyczne  poszczególnych  faz  są  odpowiednio  względem  siebie 
przesunięte w przestrzeni o kąt 120

0

 (dla MS o liczbie par biegunów p>1 kąt wynosi 120

o

/p);  

uzwojenie wzbudzenia na wirniku o osiach magnetycznych d i q, położnych odpowiednio na osi bieguna i w 
strefie międzybiegunowej.  

Aby  zachować  czytelność  rysunku,  układ  uzwojeń  fazowych  (pasm)  MS  zaznaczono  szkicowo  na  rys.  1.3 
obwodami a-a'b-b' oraz c-c'. Przy czym, litery ab 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  wzbudzenia,  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 

Uzwojenie  wzbudzenia  f  -  f’,  zasilane  prądem  stałym,  wzbudza  pole  magnetyczne  — 

reprezentowane 

przez 

przepływ 

Θ

f

Pole 

magneśnicy 

jest 

nieruchome 

względem 

układu 

elektromagnetycznego wirnika, ale ze względu na ruch obrotowy wirnika (wymuszony maszyną napędową) 
jest  polem  wirującym  względem  uzwojenia  twornika  (stojana).  Zgodnie  z  prawem  Faradaya,  wirujący 
strumień wzbudnika Φ

f

  indukuje SEM rotacji E

0

 w poszczególnych fazach uzwojenia twornika. 

 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

a) 

© Mieczysław RONKOWSKI

2

MS: PRACA PR

Ą

DNICOWA

STAN JAŁOWY

MS: PRACA PR

Ą

DNICOWA

STAN JAŁOWY

)

(

f

f

f

I

Φ

Φ

====

r

~

0

f

E

Φ

~

0

+

Wiruj

ą

cy strumie

ń Φ

f

wzbudnika

indukuje SEM rotacji E

0

w 3-fazowym uzwojeniu twornika

 

b) 

© Mieczysław RONKOWSKI

3

MS: PRACA PR

Ą

DNICOWA

STAN OBCI

ĄŻ

ENIA CZYNNO-BIERNEGO

MS: PRACA PR

Ą

DNICOWA

STAN OBCI

ĄŻ

ENIA CZYNNO-BIERNEGO

+

Pole wzbudzenia 

Θ

f

wyprzedza („ci

ą

gnie”)

pole twornika 

Θ

a

– efektem jest

generacja momentu

elektromagnetycznego T

e

hamuj

ą

cego

Pr

ą

dy 3-fazowego 

uzwojenia twornika 

I

aa

I

ab

I

ac

wzbudzaj

ą

wiruj

ą

ce pole  

twornika 

Θ

a

 

 

Rys. 1.3. Elementarna maszyna synchroniczna: budowa i ilustracja zasady jego działania – pole wzbudzenia 

Θ

f

 

wyprzedza („ciągnie”) pole twornika 

Θ

a

 – efektem jest generacja momentu elektromagnetycznego T

e

 hamującego 

(obciążającego turbinę/silnik napędowy) 

Uwaga:  

Prędkość obrotowa  wirnika określa częstotliwość SEM E

0

 – napięcia na zaciskach uzwojenia 

twornika U

a

π

2

rm

e

p

f

====

 

 

 

 

(1.1) 

60

s

e

pn

f

====

 

 

 

 

(1.2) 

 

gdzie:  

 

rm

 - prędkość kątowa mechaniczna wirnika (prędkość synchroniczna) [rad/s]; 

 

s

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 transformatora (z pominięciem współczynnika k

ua

): 

ua

a

e

f

k

z

f

E

 

 

 

44

,

4

0

Φ

=

 

 

 

(1.3) 

gdzie:   z

a

 – liczba zwojów na fazę uzwojenia twornika; 

 

k

ua

 – współczynnik uzwojenia twornika. 

Uwaga:  

SEM rotacji E

0

 jest wielkością elektromechaniczną – jest efektem obrotowego ruchu mechanicznego 

(prędkość 

rm

) pola wzbudnika Φ

f

  (wzbudzanego prądem I

f

).  

f

e

 - częstotliwość SEM E

0

 określa rów. (1.1) lub (1.2). 

 
Załączenie  obciążenia  na  zaciski  uzwojenia  twornika  wymusza  przepływ  prądu  3-fazowego (I

aa

. I

ab

, I

ac

) w 

uzwojeniach,  które  wzbudzają  własne  pole  magnetyczne  wirujące  względem  stojana  —  reprezentowane 
przez wirujący przepływ Θ

a

. Pole twornika wywołuje tzw. zjawisko oddziaływania/reakcji twornika.  

Uwaga:  

Zasadą pracy ustalonej maszyny synchronicznej jest ruch synchroniczny pola twornika Θ

a

 i pola 

wzbudnika Θ

f

  - 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 obci
ążenia (czynne, czynno-indukcyjne, czynno-pojemnościowe). 

 

Ruch synchroniczny jest warunkiem generacji użytecznej mocy elektrycznej – użytecznego momentu 
elektromagnetycznego.

 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

1.2.  Model obwodowy (schemat zast

ę

pczy) maszyny synchronicznej 

 

Statyczne  stany  pracy  MS  o  wirniku  cylindrycznym  (turbogeneratora)  można  opisać  za  pomocą 

modelu obwodowego przedstawionego na rys. 1.4a. SEM rotacji E

0

 reprezentuje sterowane źródło napięcia 

oznaczone symbolem 

a napięcie U

a

 jest napięciem fazowym na zaciskach maszyny. W stanie biegu 

jałowego  MS  (prąd  twornika  I

a

  =  0)  zachodzi  relacja U

a

.

 E

0

 , w stanie obciążenia (prąd twornika I

a

 

 0) 

U

a

 

  E

0

,  natomiast  w  stanie  zwarcia  U

=  0.  Straty  mocy  i  spadek  napięcia  w  uzwojeniu  twornika  oraz 

zjawisko  oddziaływania  twornika  odwzorowują  odpowiednio:  rezystancja  uzwojenia  twornika  R

a

  i 

reaktancja  synchroniczna  X

s

.,  W  praktyce,  ze  względu  na  relację  R

<<  X

s

,  w  bilansie  napięć  pomija  się 

rezystancję R

a

 w modelu obwodowym MS

 

Na rys. 1.4b pokazano symbol graficzny MS na schematach połączeń: UVW – zaciski trzech faz 

uzwojenia twornika, N – zacisk zerowy (gwiazdowy) uzwojenia twornika połączonego w gwiazdę (Y), F1, 
F2 – zaciski uzwojenia wzbudzenia. 
 
a) 

ua

a

e

f

0

k

 

z

 

f

Φ

 

4,44

E

====

)

(I

Φ

 

Φ

f

f

f

====

 

b) 

G  

3~ 

W

V

 

U

 

 

 

 

N

 

 

 

F1

F2

 

  

 

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 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

2. 

BADANIA 

2.1.  Ogl

ę

dziny zewn

ę

trzne 

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 

nazwę lub znak producenta 

 

 

nazwę i typ  

 

 

numer fabryczny 

 

 

rok wykonania 

 

 

moc znamionową 

kVA 

 

znamionowe napięcia 

 

znamionowy prąd stojana 

 

znamionowy współczynnik mocy 

1)

 

 

układ połączeń uzwojeń stojana 

2)

 

 

10 

znamionowe napięcie wzbudzenia 

 

11 

znamionowy prąd wzbudzenia 

 

12 

prędkość (lub częstotliwość) 

obr/min 

 

13 

klasa izolacji 

 

 

14 

warunki pracy niesymetrycznej (I

2

/I

N

 

 

15 

stopień ochrony 

 

 

2.2.  Pomiar rezystancji uzwoje

ń

 

Tablica 2a 

Pomiar rezystancji uzwojenia twornika (stojana) 

 

Zaciski U1-U2 

Zaciski V1-V2 

Zaciski W1-W2 

Wart. średnia 

Lp. 

R

aU

 

R

aV

 

R

aV

 

R

a

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Tablica 2b 
Pomiar rezystancji uzwojenia wzbudzenia 

 

Zaciski F1-F2 

Lp. 

R

f

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.3.  Pomiar charakterystyki biegu jałowego 

Definicja charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) (rys.2.1): 

 

E

0

 = f (I

f

przy: 

 

n = n

s

 = const   

 

I

= 0 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

I

f

 [A]

0

E

0

   [V]

E

0sz

I

fon

 

U

ś

redniona charakterystyka 

magnesowania

 

E’

0

E’’

0

3

/

U

E

an

0

====

2

E

E

E

0

0

0

′′′′′′′′

++++

′′′′

====

 

Rys. 2.1. Charakterystyka biegu jałowego (magnesowania) maszyny synchronicznej 

 

Ze  względu  na  wystąpienie  zjawiska  nasycenia  w  elementach  obwodu  magnetycznego, 

charakterystyka biegu jałowego MS jest nieliniowa (rys. 2.1). 

 

Rys. 2.2. Schemat układu do pomiaru charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) maszyny 

synchronicznej 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

 

Kształt  charakterystyk  biegu  jałowego  pozwala  ocenić  właściwości  obwodu  magnetycznego  MS, 

poziom  nasycenia,  właściwości  materiałów  ferromagnetycznych  jarzm  i  biegunów.  Ważne  znaczenie  ma 
wartość magnetyzmu szczątkowego – wynosi zwykle od 1 do 3% wartości znamionowej [3]. 
 

Schemat układu pomiarowego do wyznaczenia charakterystyki biegu jałowego (magnesowania) MS 

przedstawiono na rys. 2.1. 
 

Charakterystykę  biegu  jałowego  MS  zdejmuje  się  tak  samo  jak  dla

  maszyny 

prądu  stałego. 

Struktury  magnetyczne  obydwu  rodzajów  maszyn  są  bardzo  podobne  –  kształt  ich  charakterystyk  biegu 
jałowego nie różnią się istotnie.

  

Uwaga: 

Podczas  próby,  aby  nie  tworzyć  lokalnych  pętli  histerezy,  zmieniamy  monotonicznie  wartość 
prądu  wzbudzenia  rosnąco 

I

f

,  a  następnie  –  monotonicznie  malejąco 

I

f

  (ilustrują  to 

odpowiednio strzałki na rys. 2.1).  
Tak  zmieniamy  prąd  wzbudzenia  I

f

,  aby  nie  przekroczył  wartości  prądu  znamionowego  w 

zakresie I

f

 = (1,1 ÷ 1,2) I

fn

Na  rys.  2.1  zaznaczono  charakterystyczną  wartość  prądu  wzbudzenia 

I

f0n

  wzbudzającą  strumień 

magneśnicy,  który  indukuje  SEM  E

0

  o  wartości  równej  napięciu  znamionowemu  maszyny 

(

3

0

/

U

E

an

====

 przy połączeniu uzwojenia twornika w Y). 

 

Tablica 3a 

Pomiar charakterystyki biegu jałowego 

Punkty pom. 

f

e

 [Hz] 

I

f

 [A] 

E

U

 [V] 

E

V

 [V] 

E

W

 [V] 

Oblicz. 

E′

0

 [V] 

Oblicz. 

E′′

0

 [V] 

1↑ pocz. 

 

 

 

 

 

2↑ 

const 

 

 

 

 

 

3↑ 

 

 

 

 

 

 

4↑ 

 

 

 

 

 

 

5↑ 

 

 

 

 

 

 

6↑ 

 

 

 

 

 

 

7↑ 

 

 

 

 

 

 

8↑ końc. 

 

 

 

 

 

 

 

7↓ pocz. 

 

 

 

 

 

 

6↓ 

 

 

 

 

 

 

5↓ 

 

 

 

 

 

 

4↓ 

 

 

 

 

 

 

3↓ 

 

 

 

 

 

 

2↓ 

 

 

 

 

 

 

1↓ końc. 

 

 

 

 

 

Uwaga: 

W tab.3 strzałkami ↑ oraz ↓ oznaczono odpowiednio punkty pomiarowe dla wartości rosnących 
i malejących prądu wzbudzenia I

f

.  

Aby uprościć wyznaczenie (obliczenie) uśrednionej charakterystyki magnesowania, należy dla 
odpowiednich par punktów pomiarowych (np. zakres od 1↑ - 1↓ do 7↑ - 7↓) nastawiać 
odpowiednio takie same wartości prądu wzbudzenia I

f

.  

 
 

Wartości średnie SEM E

0

 oraz E′′

dla trzech faz (obliczone w tab. 3a) zestawiamy w tab. 3b celem 

obliczenia  uśrednionej  charakterystyki  biegu  jałowego.  Wartość  uśrednionej  SME  E

0

  wyznaczamy  z 

zależności: 

 

 

 

 

2

0

0

0

E

E

E

′′′′′′′′

++++

′′′′

====

   

 

(2.1) 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

 

 

 

 

Tablica 3b 

 

 

Obliczenia uśrednionej charakterystyki biegu jałowego 

Wartości oblicz. w tab. 3a 

Oblicz.  

Punkty  

pom. ↑ 

Punkty 

pom. ↓ 

I

f

  

[A] 

E′

0

  

[V]  

E′′

0

  

[V] 

E

0

  

[V] 

1↑ pocz. 

1↓ końc. 

 

 

 

2↑ 

2↓ 

 

 

 

 

3↑ 

3↓ 

 

 

 

 

4↑ 

4↓ 

 

 

 

 

5↑ 

5↓ 

 

 

 

 

6↑ 

6↓ 

 

 

 

 

7↑ 

7↓ pocz 

 

 

 

 

8↑ końc. 

 

 

 

 

 

 

2.4.  Pomiar charakterystyki zwarcia i reaktancji synchronicznej 

Definicja charakterystyki zwarcia (rys.2.3): 

 

 

 

I

f

 [A]

0

I

az

   [A]

I

azsz

I

azn

=I

an

 

I

fzn

 

 

Rys. 2.3. Charakterystyka zwarcia prądnicy synchronicznej 

 

W  stanie  zwarcia,  ze  względu  na  silne  rozmagnesowanie  maszyny  przez  przepływ  oddziaływania 

twornika Θ

a

, obwód magnetyczny maszyny nie jest nasycony. Z tej przyczyny charakterystyka zwarcia MS 

jest prostoliniowa (rys. 2.3). 
 

Schemat  układu  pomiarowego  do  wyznaczenia  charakterystyki  zwarcia  MS  przedstawiono  na  rys. 

2.4.  

Uwaga: 

Podczas  próby  zmieniamy  tak  prąd  wzbudzenia  I

f

,  aby  prąd  zwarcia  I

az

  nie  przekroczył  wartości  prądu 

znamionowego w zakresie I

az

 = (1,1  1,2) I

an

Na  rys.  2.3  zaznaczono  charakterystyczną  wartość  prądu  wzbudzenia  I

fzn

  wzbudzającą  strumień 

magneśnicy, który indukuje SEM E

0

 wymuszającą w uzwojeniu twornika prąd zwarcia o wartości równej 

prądowi znamionowemu maszyny: I

az

 = I

an

 

I

az

 = f (I

f

przy: 

U

a

 = 0   

n = n

s

 = const   

 cos 

ϕ

 = const. 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

10 

 

 

Tablica 4a 

 

Pomiary charakterystyki zwarcia  

 

Pomiary przy U

a

 = 0 

Oblicz. 

Lp. 

I

f

 [A] 

I

U

 [A] 

I

V

 [A] 

I

W

 [A] 

I

az

 [A] 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

fzn

 

 

 

 

I

an

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
 

Wartości średnie prądu zwarcia I

az

 dla trzech faz (obliczone w tab. 4 a) zestawiamy w tab. 4b celem 

wyznaczenia reaktancji synchronicznej X

s

. Do jej wyznaczenia konieczne jest ponowne wykonanie pomiaru 

charakterystyki biegu jałowego badanej MS przy wartościach prądu wzbudzenia I

f

 podanych tab.4a. 

 

 

 

 

 

Tablica 4b 

 

Pomiary charakterystyki biegu jałowego do wyznaczenia reaktancji synchronicznej 

 

Wartości z tab. 4a 

Pomiary przy I

a

 = 0 

Oblicz. 

Oblicz. 

Lp.  I

f

 [A] 

I

az

 [A] 

U

U

 [A] 

U

V

 [A] 

U

W

 [A]  E

0

 [V] 

X

[

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

I

fzn

 

I

azn

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Wartości reaktancji synchronicznej

 w tab. 4b obliczamy z następującej zależności: 

az

s

I

E

X

0

====

 

 

 

(2.2)

 

Uwaga:  

Dodatkowo przy prądzie I

f0n

, któremu na charakterystyce magnesowania odpowiada SEM 

3

0

/

U

E

an

====

 

(patrz rys. 2.1), wyznaczamy wartość prądu zwarcia I

az0,

 a następnie obliczamy reaktancję synchroniczną:  

0

3

az

n

a

s

I

U

X

====

 

Wyniki pomiarów i obliczeń zestawiamy w poniższej tabeli. 

 
I

f0n 

[A] = 

3

0

/

U

E

an

====

 [V] = 

I

az0 

[A] = 

X

[

 

 

Wartość reaktancji synchronicznej zależy do poziomu nasycenia obwodu magnetycznego maszyny, 

który  zależy  od  wartości  prądu  wzbudzenia  i  prądu  zwarcia.  Prąd  wzbudzenia  określa  wartość  SME  E

0

Problemem  jest  jaką  wartość  E

0

  należy  przyjąć  do  wyznaczenia  reaktancji  synchronicznej.  W  praktyce 

wyznacza się wartość nienasyconą i nasyconą reaktancji synchronicznej. Wartość nienasyconą wyznaczamy 
w  oparciu  o  powyżej  opisaną  metodę  w  zakresie  prostoliniowej  części  charakterystyki  magnesowania. 
Wyznaczenie  wartości  nasyconej  wymaga  pomierzenia  charakterystyki  obciążenia  MS,  tj.  zależności  U

a

  = 

U

a

 (I

f

) przy I

a

 =I

an

 oraz cos

ϕ

= 0

ind

 [3]. 

 

Charakterystyki zwarcia pozwala określić ile razy większy jest prąd zwarcia od prądu 

znamionowego przy różnych wartościach prądu wzbudzenia. Najbardziej interesująca  jest wartość tego 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

11 

stosunku przy takim prądzie wzbudzenia, który w stanie jałowym MS indukuje E

0

 = U

an

 . Stosunek ten 

nazywamy stosunkiem zwarcia i definiujemy następująco: 

 

 

 

fzn

n

f

z

I

I

k

0

====

 

 

 

(2.3)

 

 

Wartość stosunku zwarcia jest powiązana z wartość nienasyconą reaktancji synchronicznej: 

 

 

 

%

s

z

X

k

100

====

 

 

 

(2.4)

 

gdzie, X

s%

 – % wartość reaktancji synchronicznej wyrażona następująco: 

 

 

 

[%]

 

]

[

]

[

%

100

n

s

s

Z

X

X

====

 

(2.5)

 

przy czym, Z

n

 – impedancja znamionowa (wielkość fikcyjna) 

 

 

 

 

]

[

 

afn

afn

def

n

I

U

Z

====

 

 

(2.6)

 

 

Zgodnie z wzorem (2.4) stosunek zwarcia równy jest odwrotności procentowej reaktancji 

synchronicznej. 
 

Praktyczne wartości stosunku zwarcia wynoszą: 

 

dla turbogeneratorów 0,5 – 1,0 (średnio 0,75) 

 

dal hydrogeneratorów średnio 1. 

 

Dla badanej maszyny synchroniczne należy wyznaczyć wartości stosunku zwarcia wg wzorów 

(2.3) i (2.4). 
Uwaga: 

Opisany w p. 2.4 pomiar reaktancji synchronicznej dotyczy turbogeneratorów (wirnik cylindryczny). W 
przypadku hydrogeneratorów (wirnik wydatno biegunowy) wyróżniamy reaktancję synchroniczną w osi 
podłużnej X

d

 i w osi porzecznej X

q

, przy czym X

q

 < X

[3]. Dla turbogeneratorów zachodzi równość obu 

reaktancji i oznaczamy ją symbolem X

s

.  

G

3~

W

V

U

N

F1

F2

W3

P

+

_

A

I

f

~1x220V

I

U

I

W

I

V

W

s

PW

A

V

W4

SN

U

U

U

W

U

V

 

 

Rys. 2.4. Schemat połączeń prądnicy synchronicznej do pomiaru charakterystyki zwarcia 

 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

12 

2.5.  Pomiar charakterystyki zewn

ę

trznej 

 

Definicja charakterystyki zewnętrznej: 

 

Tablica 5 

Pomiar charakterystyki zewnętrznej 

 

Pomiary 

Lp. 

U

U

[V] 

U

V

[V] 

U

W

[V] 

I

f

[A] 

I

U

 [A] 

I

W

 [A] 

I

V

 [A] 

cos

ϕ

  U

a

[V]  I

a

[A] 

 

 

 

 

const. 

 

 

 

const. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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 

 

Definicja charakterystyki regulacyjnej: 

U

a

= f (I

a

przy: 

n = n

s

 = const.   

I

f

 = I

fon

 = const.  

cos 

ϕ

 = const. 

 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

13 

Tablica 6 

Pomiary charakterystyki regulacyjnej 

 

Pomiary 

Lp. 

U

U

[V] 

U

W

[V] 

U

U

[V] 

I

f

[A] 

I

U

 [A] 

I

W

 [A] 

I

V

 [A] 

cos

ϕ

  U

a

[V]  I

a

[A] 

 

const. 

const. 

const. 

 

 

 

 

const.  const. 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.7.  Zadania 

1.

 

Dla badanej PS obliczyć straty (W i %)  w uzwojeniach twornika i wzbudzenia dla prądów 
znamionowych.

 

2.

 

Wykreślić charakterystykę stanu jałowego badanej PS. Nanieść na niej punkty 
odpowiadające charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie jej 
kształt.

 

3.

 

Wykreślić charakterystykę zwarcia badanej PS. Nanieść na niej punkty odpowiadające 
charakterystycznym wielkościom (parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej 
kształt.

 

4.

 

Dla badanej PS obliczyć wartości reaktancji synchronicznej nienasyconej (w 

 i %) 

odpowiadające wartościom prądów wzbudzenia I

fon

.i I

fzn

.

 

5.

 

Dla badanej PS wykreślić charakterystykę reaktancji synchronicznej nienasyconej X

s

 (w 

 i 

%) od prądu wzbudzenia I

f

. Uzasadnić fizycznie jej kształt.

 

6.

 

Dla badanej PS obliczyć stosunek zwarcia k

z

.

 

7.

 

Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia 
cos

ϕ=1

. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom 

(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

 

8.

 

Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia 
cos

ϕ=0

poj

. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom 

(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

 

9.

 

Wykreślić charakterystykę zewnętrzną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia 
cos

ϕ=0

ind

. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

 

10.

 

Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia 
cos

ϕ=1

. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom 

(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

 

11.

 

Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia 
cos

ϕ=0

poj

. Nanieść na niej punkty odpowiadające charakterystycznym wielkościom 

(parametrom) PS. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

 

12.

 

Wykreślić charakterystykę regulacyjną badanej PS przy zadanym charakterze obciążenia 
cos

ϕ=0

ind

. Uzasadnić fizycznie i analitycznie jej kształt.

 

I

f

 = f (I

a

przy: 

U

a

 = U

an

 

n = n

s

 = const.   

 cos 

ϕ

 = const. 

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

14 

13.

 

Obliczyć dla badanej PS wartość znamionowego prądu wzbudzenia I

fn

 odpowiadającego 

znamionowej mocy (napięciu i prądowi twornika) i znamionowemu charakterowi obciążenia 
cos

ϕ=0,8

ind

.

 

14.

 

Dla badanej PS obliczyć stosunek znamionowego prądu wzbudzenia I

fn

 do znamionowego 

prądu wzbudzenia przy biegu jałowym I

fon

.

 

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

 = 0,8

ind

.

 

17.

 

Wyznaczyć znamionową wartość zmiany napięcia badanej PS dla wartości współczynnika 
mocy cos 

ϕ

2

 = 0,8

poj

.

 

3.  PYTANIA KONTROLNE  

 

Pytania ze znajomości teorii i zagadnień dotyczących sprawozdania  

1.

 

Podać rodzaje budowy maszyny synchronicznej. Wymienić elementy stojana i wirnika. 

2.

 

Opisać zasadę działania prądnicy synchronicznej w ujęciu ciągu logicznego przyczyna - skutek.  

3.

 

Narysować podstawowy (elementarny) model fizyczny (układ dwóch przepływów) prądnicy 
synchronicznej. Wykazać, że w stanie pracy ustalonej prądnicy układ dwóch przepływów jest 
nieruchomy względem siebie. Jakie są tego konsekwencje? 

4.

 

Opisać reakcję twornika prądnicy synchronicznej dla obciążenia o charakterze czynnym, indukcyjnym i 
pojemnościowym. Narysować odpowiednie położenia układu dwóch przepływów prądnicy. 

5.

 

Opisać obraz fizyczny (składowe strumieni) i statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy 
synchronicznej dla biegu jałowego. 

6.

 

Opisać obraz fizyczny (składowe strumieni) i statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy 
synchronicznej dla stanu zwarcia. 

7.

 

Opisać obraz fizyczny (składowe strumieni) i statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy 
synchronicznej w stanie obciążenia. Uwzględnić charakter obciążenia. 

8.

 

Narysować modele statyczne prądnicy synchronicznej: fizyczny (składowe strumieni) i obwodowy 
(schemat zastępczy). Podać i wyjaśnić wzajemne relacje między wielkościami modelu fizycznego a 
zmiennymi i parametrami modelu obwodowego (schematu zastępczego).  

9.

 

Narysować statyczny model obwodowy (schemat zastępczy) prądnicy synchronicznej, nazwać tworzące 
go elementy i dokonać interpretacji fizycznej tych elementów.  

10.

 

Podać, nazwać i objaśnić podstawowe wielkości charakterystyczne i zależności dotyczące prądnicy 
synchronicznej (I

, I

Θ

Θ

Φ

f

Φ

a

 , 

Φ

σ

a

 , E

, X

s

 , T

P

Fe 

P

Cua 

P

Cuf, 

P

o

). 

11.

 

Na podstawie jakich pomiarów (charakterystyk) wyznacza się parametry statycznego modelu 
obwodowego (schematu zastępczego) prądnicy synchronicznej? Podać zależności między wynikami tych 
pomiarów i parametrami schematu zastępczego. 

12.

 

Podać charakterystykę biegu jałowego badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz 
analitycznie jej kształt. 

13.

 

Podać charakterystykę zwarcia badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz analitycznie 
jej kształt. 

14.

 

Podać charakterystyki zewnętrzne badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz 
analitycznie ich kształt. Uwzględnić charakter obciążenia. 

15.

 

Podać charakterystyki regulacyjne badanej prądnicy synchronicznej i uzasadnić fizycznie oraz 
analitycznie ich kształt. Uwzględnić charakter obciążenia. 

 

Pytania z przygotowania do ćwiczenia  

1.

 

Podać najważniejsze dane tabliczki znamionowej maszyny synchronicznej.  

2.

 

Co to są w maszynie synchronicznej: uzwojenia wzbudzenia (magneśnicy, wirnika) i twornika (stojana), 
wielkości wzbudzenia i twornika? 

3.

 

Wymienić podstawowe układy połączeń uzwojeń prądnicy synchronicznej. 

4.

 

Wymienić podstawowe metody rozruchu silnika prądu stałego (napędzającego badaną prądnicę 
synchroniczną).  

background image

M. Ronkowski, G. Kostro, M. Michna: Maszyny synchroniczne 

15 

5.

 

Jak ustawić poziom prądu wzbudzenia i poziom napięcia na tworniku silnika prądu stałego 
(napędzającego badaną prądnicę synchroniczną) w czasie rozruchu? Jakie są ograniczenia na poziom 
prądu rozruchowego? 

6.

 

Podać orientacyjne wartości procentowe dla prądnicy synchronicznej: 

 

spadku napięcia na rezystancji uzwojenia wzbudzenia i twornika, 

 

reaktancji synchronicznej, 

 

mocy wzbudzenia (magnesującej), 

 

strat w żelazie, w miedzi uzwojeń i mechanicznych, a także relacje między ich wartościami, 

 

sprawności. 

7.

 

Podać definicję reaktancji synchronicznej prądnicy synchronicznej. Dlaczego i jak ją można wyznaczyć? 

8.

 

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy i amperomierzy do pomiarów rezystancji uzwojeń prądnicy 
synchronicznej? Wymienić oddzielnie dla uzwojenia wzbudzenia i uzwojenia twornika. 

9.

 

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy) do pomiarów 
charakterystyki biegu jałowego prądnicy? 

10.

 

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy) do pomiarów 
charakterystyki zwarcia prądnicy? 

11.

 

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy, watomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy) 
do pomiarów charakterystyki zewnętrznej prądnicy? 

12.

 

Jak należy dobrać zakresy woltomierzy, amperomierzy, watomierzy i obrotomierzy (częstościomierzy) 
do pomiarów charakterystyki regulacyjnej prądnicy? 

13.

 

Wymienić podstawowe charakterystyki prądnicy synchronicznej (dotyczące tematyki ćwiczenia), 
wymieniając współrzędne oraz wielkości jakie należy utrzymywać stałe. 

4. 

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 1990. 

7.

 

Rafalski W., Ronkowski M., Zadania z maszyn elektrycznych, Cz. I: Transformatory i maszyny 
asynchroniczne, skrypt, wyd. 4, Wyd. Politechniki Gdańskiej, 1994. 

8.

 

Ronkowski M., Michna M., Kostro G., Kutt F.: Maszyny elektryczne wokół nas: zastosowanie, 
budowa, modelowanie, charakterystyki, projektowanie. (e-skrypt). Wyd. PG, Gdańsk, 2011. 
http://pbc.gda.pl/dlibra/docmetadata?id=16401&from=&dirids=1&ver_id=&lp=2&QI= 

9.

 

Roszczyk S.: Teoria maszyn elektrycznych. WNT, W-wa 1979. 

10.

 

Staszewski P., Urbański W.: Zagadnienia obliczeniowe w eksploatacji maszyn elektrycznych, 
Warszawa, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2009. 

11.

 

PN-IEC 34-1:1997 Maszyny elektryczne wirujące. Ogólne wymagania i badania: 

http://www.pkn.pl/