P. Buchwald
S. Dorożko
A. Zając
J. Krygier
R. Bielawski
Temat: Badanie maszyny synchronicznej - praca w sieci sztywnej.
Dane znamionowe:
prądnica synchroniczna 3-fazowa
Y / D Un=127 / 73 V In=50 / 87 A
Sn=11 kVA cos = 0,8
nn=1500 obr/min f = 50 Hz
wzbudzenie: 65 V 8,0 A
1. Schemat badanego układu.
2. Synchronizacja maszyny z siecią sztywną.
Aby maszyna synchroniczna mogła zostać załączona do sieci musi być osiągnięty stan, w którym na wyłączniku łączącym maszynę z siecią suma chwilowych wartości napięć odpowiednich faz po obu stronach otwartego wyłącznika jest równa zero. Spełnienie tej zależności gwarantują nam warunki:
a) równość wartości skutecznych napięć prądnicy i sieci - uzyskiwana przez regulację prądu wzbudzenia maszyny i sprawdzana za pomocą woltomierzy po obu stronach wyłącznika;
b) równość częstotliwości tych napięć - uzyskiwana przez zmianę prędkości silnika napędowego i sprawdzana za pomocą częstościomierzy po obu stronach wyłącznika;
c) zerowa wartość kąta przesunięcia fazowego napięć tej samej fazy prądnicy i sieci;
d) zgodna kolejność wirowania faz maszyny i sieci.
Warunki c), d) sprawdzamy za pomocą żarówek. W naszym układzie doświadczalnym dokonujemy synchronizacji maszyny "na ciemno" tzn. wszystkie trzy żarówki muszą zgasnąć w momencie osiągnięcia synchronizacji z siecią. W rozwiązaniach praktycznych zadajemy niewielką różnicę częstotliwości i wtedy, przy spełnionych warunkach a), c), d), żarówki gasną i zapalają się jednocześnie. W chwili gdy żarówki gasną można załączyć wyłącznik.
3. Wyznaczenie zależności It = f(Iw) i cos j = f(Iw) przy P = const.
Wyniki pomiarów i obliczeń dokonanych dla trzech wartości mocy czynnej:
Lp. |
U |
I |
Iw |
Q |
P |
f |
cos fi |
|
V |
A |
A |
Var |
W |
Hz |
|
1 |
120 |
39 |
1 |
6581,6 |
3000 |
50 |
0,41 |
2 |
|
28 |
1,5 |
4936,2 |
|
|
0,52 |
3 |
|
22 |
2 |
3550,6 |
|
|
0,65 |
4 |
|
18 |
2,5 |
2598 |
|
|
0,76 |
5 |
|
13 |
3 |
1558,8 |
|
|
0,89 |
6 |
|
12 |
3,5 |
259,8 |
|
|
1,00 |
7 |
|
15 |
4 |
-692,8 |
|
|
0,97 |
8 |
|
16,5 |
4,5 |
-1818,6 |
|
|
0,86 |
9 |
|
19 |
5 |
-2857,8 |
|
|
0,72 |
10 |
|
22,5 |
5,5 |
-3550,6 |
|
|
0,65 |
11 |
|
25,5 |
6 |
-4416,6 |
|
|
0,56 |
12 |
|
28 |
6,5 |
-5282,6 |
|
|
0,49 |
13 |
|
31,5 |
7 |
-6062 |
|
|
0,44 |
14 |
|
34,5 |
7,5 |
-6841,4 |
|
|
0,40 |
Lp. |
U |
I |
Iw |
Q |
P |
f |
cos fi |
|
V |
A |
A |
Var |
W |
Hz |
|
1 |
120 |
30 |
1 |
5888,8 |
2250 |
50 |
0,45 |
2 |
|
24,5 |
1,5 |
4589,8 |
|
|
0,55 |
3 |
|
19,5 |
2 |
3204,2 |
|
|
0,68 |
4 |
|
14,5 |
2,5 |
2078,4 |
|
|
0,82 |
5 |
|
11,5 |
3 |
866 |
|
|
0,96 |
6 |
|
11 |
3,5 |
-86,6 |
|
|
1,00 |
7 |
|
12 |
4 |
-1212,4 |
|
|
0,93 |
8 |
|
14,5 |
4,5 |
-2251,6 |
|
|
0,80 |
9 |
|
17,5 |
5 |
-3031 |
|
|
0,70 |
10 |
|
21 |
5,5 |
-3897 |
|
|
0,61 |
11 |
|
24 |
6 |
-4589,8 |
|
|
0,55 |
12 |
|
28 |
6,5 |
-5629 |
|
|
0,47 |
13 |
|
37 |
7 |
-6235,2 |
|
|
0,43 |
14 |
|
34,5 |
7,5 |
-7014,6 |
|
|
0,39 |
Lp. |
U |
I |
Iw |
Q |
P |
f |
cos fi |
|
V |
A |
A |
Var |
W |
Hz |
|
1 |
120 |
19,5 |
1 |
4070,2 |
0 |
50 |
0,59 |
2 |
|
15,5 |
1,5 |
3204,2 |
|
|
0,68 |
3 |
|
10,5 |
2 |
2165 |
|
|
0,81 |
4 |
|
5,5 |
2,5 |
1212,4 |
|
|
0,93 |
5 |
|
0 |
3 |
0 |
|
|
1,00 |
6 |
|
2 |
3,5 |
-692,8 |
|
|
0,97 |
7 |
|
8 |
4 |
-1732 |
|
|
0,87 |
8 |
|
12,5 |
4,5 |
-2598 |
|
|
0,76 |
9 |
|
17 |
5 |
-3550,6 |
|
|
0,65 |
10 |
|
20,5 |
5,5 |
-4330 |
|
|
0,57 |
11 |
|
24,5 |
6 |
-5196 |
|
|
0,50 |
12 |
|
28,5 |
6,5 |
-6062 |
|
|
0,44 |
13 |
|
31,5 |
7 |
-6754,8 |
|
|
0,41 |
14 |
|
35,5 |
7,5 |
-7620,8 |
|
|
0,37 |
Wzory do obliczeń:
cos j = cos(arctg(Q/P))
Zależności:
Uwagi i wnioski:
Zależność prądu obciążenia od prądu wzbudzenia to tzw. krzywe V. Najniższe punkty poszczególnych krzywych odpowiadają oddawaniu przez maszynę tylko mocy czynnej (cosj=1 ).
Przy wystąpieniu niedowzbudzenia ( lewa strona wykresu ) maszyna oddaje też moc bierną pojemnościową, a przy wystąpieniu przewzbudzenia ( prawa strona wykresu ) maszyna oddaje też moc bierną indukcyjną.
Najniższa krzywa to charakterystyka kompensatora mocy biernej. Przy cosj=1 maszyna nie oddaje mocy czynnej.
4. Wyznaczenie zależności momentu synchronicznego i momentu reluktancyjnego od kąta obciążenia.
Tabele pomiarów i obliczeń dla:
Momentu synchronicznego
- praca prądnicowa
Lp. |
P |
M |
b |
j |
|
W |
Nm |
stopnie |
stopnie |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
450 |
1,43 |
0,5 |
1 |
3 |
900 |
2,86 |
1,5 |
3 |
4 |
1350 |
4,3 |
2 |
4 |
5 |
1800 |
5,73 |
3 |
6 |
6 |
2250 |
7,16 |
4,5 |
9 |
7 |
2700 |
8,59 |
5,5 |
11 |
8 |
3150 |
10,03 |
6 |
12 |
9 |
3600 |
11,46 |
6,5 |
13 |
10 |
4050 |
12,90 |
9 |
18 |
11 |
4500 |
14,33 |
10 |
20 |
12 |
4950 |
15,76 |
10,5 |
21 |
13 |
5400 |
17,20 |
11,5 |
23 |
14 |
5850 |
18,63 |
12,5 |
25 |
- praca silnikowa
Lp. |
P |
M |
b |
j |
|
W |
Nm |
stopnie |
stopnie |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
450 |
1,43 |
-2,5 |
-5 |
3 |
900 |
2,86 |
-7 |
-14 |
4 |
1350 |
4,3 |
-8 |
-16 |
5 |
1800 |
5,73 |
-9 |
-18 |
6 |
2250 |
7,16 |
-10,5 |
-21 |
7 |
2700 |
8,59 |
-13 |
-26 |
8 |
3150 |
10,03 |
-13,5 |
-27 |
9 |
3600 |
11,46 |
-14,5 |
-29 |
10 |
4050 |
12,90 |
-15 |
-30 |
11 |
4500 |
14,33 |
-16 |
-32 |
12 |
4950 |
15,76 |
-17 |
-34 |
13 |
5400 |
17,20 |
-18,5 |
-37 |
14 |
5850 |
18,63 |
-20 |
-40 |
Momentu reluktancyjnego
- praca prądnicowa
Lp. |
P |
M |
b |
j |
|
W |
Nm |
stopnie |
stopnie |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
450 |
1,43 |
3,5 |
7 |
3 |
900 |
2,86 |
6 |
12 |
4 |
1350 |
4,3 |
7 |
14 |
5 |
1800 |
5,73 |
9 |
18 |
6 |
2250 |
7,16 |
14 |
28 |
7 |
2700 |
8,59 |
22 |
44 |
- praca silnikowa
Lp. |
P |
M |
b |
j |
|
W |
Nm |
stopnie |
stopnie |
1 |
0 |
0 |
0 |
0 |
2 |
450 |
1,43 |
-2 |
-4 |
3 |
900 |
2,86 |
-4 |
-8 |
4 |
1350 |
4,3 |
-9,5 |
-19 |
5 |
1800 |
5,73 |
-11,5 |
-23 |
6 |
2250 |
7,16 |
-13,5 |
-27 |
7 |
2700 |
8,59 |
-16 |
-32 |
8 |
3150 |
10,03 |
-19 |
-38 |
9 |
3600 |
11,46 |
-23 |
-46 |
10 |
4050 |
12,90 |
-27 |
-54 |
Wzory do obliczeń:
Moment: M = P/w gdzie w = 2 p f
Kąt elektryczny: j = 2*b
Zależność momentów od kąta j :
Uwagi i wnioski:
Podczas badania momentu reluktancyjnego dla dużych obciążeń maszyna wypada z synchronizmu. Prób dla większych obciążeń zaniechaliśmy.
Wyniki uzyskane dla momentu synchronicznego zaznaczone są na wykresie kreseczkami długimi, a dla momentu reluktancyjnego kreseczkami krótkimi.
Moment jest wyskalowany w Nm.
Lewa strona wykresu przedstawia pracę silnikową, a prawa pracę prądnicową.
Na podstawie uzyskanych wyników dobrałem krzywe teoretyczne ( zaznaczone liniami przerywanymi ), które są zbliżone do przebiegów doświadczalnych.
Sinusoida o większej częstotliwości reprezentuje teoretyczny przebieg momentu reluktancyjnego, a sinusoida o większej amplitudzie reprezentuje teoretyczny przebieg momentu, który występuje w maszynie cylindrycznej. Trzecia krzywa o największej amplitudzie jest sumą dwóch poprzednich i reprezentuje teoretyczny przebieg momentu synchronicznego.
Z wykresu widać, że są dość duże niedokładności, które wynikają głównie z błędów odczytu kąta b .
5. Asynchroniczny rozruch silnika synchronicznego.
Rozruchu silnika dokonywaliśmy w trzech wariantach:
a) uzwojenie wzbudzenia zwarte rezystancją dodatkową Rd = 80 W
Obserwacje:
- wyindukowane napięcie U = 120 V ;
- maksymalna wartość prądu w pierwszej chwili rozruch Imax = 2,2 A ;
- prąd ten maleje;
- maszyna sama wpada w synchronizm;
b) obwód uzwojenia wzbudzenia otwarty
Obserwacje:
- wyindukowane napięcie U = 300 V;
- prąd nie płynie;
- maszyna sama wpada w synchronizm;
c) obwód uzwojenia wzbudzenia zwarty
Obserwacje:
- wyindukowane napięcie U = 0 V;
- maksymalna wartość prądu w pierwszej chwili rozruchu przekroczyła 5 A;
- maszyna nie wpada sama w synchronizm, utrzymuje prędkość obrotową
n = 900 obr/min.
Wniosek:
Najkorzystniejszy jest wariant a). Pozostałe dwa mogą być szkodliwe dla badanej maszyny.