Badanie prądnicy asynchronicznej

Cel ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zbadanie prądnicy asynchronicznej współpracującej z siecią sztywną i w przypadku pracy autonomicznej.

1. Wstęp.

Przy prędkości nadsynchronicznej (n > n1 , s > 0) maszyna asynchroniczna pracuje jako prądnica, gdyż odprowadzona moc mechaniczna zmienia się w moc elektryczną wydawaną do sieci z obwodu stojana przy stałej częstotliwości f1. stan ten nie może być wykorzystany w wytwarzaniu energii elektrycznej lub hamowaniu ze zwrotem energii do sieci. Wobec tego moc mechaniczna

Pm = m2 × I2² × [(1-s)/s]

jest ujemna, co świadczy o doprowadzaniu mocy mechanicznej do maszyny.

Do wytworzenia pola wirującego w prądnicy asynchronicznej konieczny jest pobór prądu magnesującego Im (prądu biernego indukcyjnego). Prąd ten wytwarzają np. prądnice synchroniczne zasilające sieć, do której przyłączono maszynę asynchroniczną. A zatem maszyna asynchroniczna może pracować jako prądnica tylko wtedy, gdy zostanie przyłączona do sieci zasilanej przez prądnice, zdolne do dostarczania prądu indukcyjnego (mocy biernej indukcyjnej).

Ponieważ pobór mocy biernej indukcyjnej jest równoznaczny z wydawaniem mocy biernej pojemnościowej, zatem źródło mocy biernej indukcyjnej można zastąpić odbiornikiem mocy biernej pojemnościowej. Wynika z tego możliwość współpracy prądnicy z odpowiednio dobraną baterią kondensatorów, dostarczającą maszynie moc bierną indukcyjną.

2. Przebieg ćwiczenia.

Badaną prądnicę na biegu jałowym napędzać oddzielnym silnikiem o regulowanej prędkości obrotowej (np. silnikiem prądu stałego), i zwiększać prędkość obrotową aż do uzyskania prędkości synchronicznej (n = n₁ , s = 0). W wirniku badanej maszyny nie będzie indukować się żadna siła elektromotoryczna (E₂ = E₂₀, s = 0) oraz nie popłynie żaden prąd. Prądnicę asynchroniczny połączyć z siecią, aby dostarczyć jej moc czynną potrzebną na pokrycie strat w żelazie i miedzi oraz moc bierną magnesującą, natomiast moc dostarczona przez silnik napędowy idzie na pokrycie strat mechanicznych. Jest to tak zwany idealny bieg jałowy.

Przy dalszym wzroście prędkości obrotowej wirnik będzie wirował szybciej niż pole wirujące stojana, wskutek czego poślizg zmieni znak na ujemny, a siła elektromotoryczna wirnika E₂ jak również i składowa czynna prądu wirnika:

zmieni swój kierunek na przeciwny

gdzie:

R_t – rezystancja czynna wirnika

X_S2 – reaktancja rozproszenia wirnika

y₂ – kąt przesunięcia wewnętrznego

składowa bierna prądu wirnika:

zachowuje ten sam kierunek co przy pracy silnikowej maszyny indukcyjnej.

Dla zachowania równowagi przepływów stojana i wirnika każda zmiana prądu wirnika musi pociągać za sobą zmianę prądu stojana. Zmiana kierunku składowej czynnej prądu wirnika musi pociągać za sobą zmianę kierunku składowej czynnej prądu stojana. Oznacza to, że maszyna oddaje moc do sieci. Moment wytwarzany przez pole wirujące jest momentem hamującym. Energia mechaniczna dostarczana, przetwarzana jest na energię elektryczną. Maszyna pracuje jako prądnica. Pomimo zmiany kierunku składowej czynnej prądu stojana, nie ulega zmianie ani kierunek, ani wartość prądu magnesującego. Wartość prądu magnesującego jest bowiem przy stałym napięciu i częstotliwości zależna wyłącznie od danych konstrukcyjnych maszyny, a nie od charakteru obciążenia. Maszyna asynchroniczna może pracować jako prądnica tylko wtedy, jeśli zostanie jej dostarczona moc bierna. Musi więc pracować równolegle z prądnicami synchronicznymi, które dostarczają jej potrzebnego do wzbudzenia prądu magnesującego i narzucają zarazem swoją częstotliwość. Maszynę przyłącza się do sieci bez żadnej synchronizacji po osiągnięciu przez nią tylko prędkości obrotowej bliskiej synchronicznej.

Główną wadą prądnicy asynchronicznej stanowi pobieranie mocy biernej z sieci przez co pogarsza się ogólny współczynnik mocy. Wadę tę usuwa się wzbudzając prądnicę przy pomocy baterii kondensatorów, jeśli jest to maszyna z wirnikiem klatkowym, względnie za pomocą maszyny komutatorowej prądu zmiennego w przypadku maszyny z wirnikiem pierścieniowym. Wzbudzenie maszyny przy pomocy kondensatorów jest sposobem bardzo prostym i wygodnym w eksploatacji.

a) Praca prądnicy asynchronicznej na sieć sztywną – przy stałym napięciu wymuszonym przez sieć, zwiększając prędkość obrotową odczytywać moc i prąd oddawane do sieci,

b) Praca autonomiczna prądnicy asynchronicznej – załączyć baterie kondensatorów statycznych i odłączyć sieć sztywną:

Ø na biegu jałowym mierzyć napięcie na zaciskach prądnicy w zależności od prędkości obrotowej,

Ø przy obciążeniu prądnicy odbiornikiem trójfazowym mierzyć napięcie, prąd i moc pobierane z prądnicy w zależności od prędkości obrotowej oraz przy stałej prędkości obrotowej zmieniać wielkość obciążenia.

2.1. Schemat układu pomiarowego