Generatorji in transformatorji
Transcription
Generatorji in transformatorji
Generatorji in transformatorji Laboratorijska vaja 2 Ime in priimek: Datum in ura: 1 Ocena poročila: Besedilo naloge Trifazni sinhronski generator, ki ga poganja asinhronski motor, uporabite za otočno napajanje bremena, pri čemer vzbujanje najprej nastavljajte ročno, nato pa uporabite elektronski regulator vzbujanja. Obliko napetosti v prostem teku in pri nazivni obremenitvi opazujte na osciloskopu, z digitalnim analizatorjem moči pa določite vsebnost višjih harmonskih komponent. S pomočjo asinhronskega teka določite vzdolžno in prečno sinhronsko reaktanco generatorja. 2 Vezalni načrt 3-FAZNI DIGITALNI ANALIZATOR MOČI 3-FAZNI VARIAK 3 x GRELO 220 V 1250 W U A L2 L3 AM 3~ V SG A W W A W V N V V A NASTAVLJIVI ENOSMERNI VIR ELEKTRONSKI REGULATOR VZBUJANJA + _ Slika 1: Vezalni načrt za meritve obratovalnih stanj sinhronskega stroja. U L1 L2 L3 AM 3~ SG L1 V W N F1 A V L2 L3 1 ∆U L1 W F2 1 TOKOVNE KLEŠČE 2 DIFERENCIALNA NAPETOSTNA SONDA 2 N 3 3 DIGITALNI OSCILOSKOP Slika 2: Vezalni načrt za merjenje sinhronskih reaktanc z asinhronskim prostim tekom generatorja. 2-1 Generatorji in transformatorji 3 Opis merilnih metod 3.1 Prosti tek sinhronskega generatorja Trifazni sinhronski generator (SG) poganjamo z asinhronskim motorjem, ki je priključen na omrežje nazivne napetosti in frekvence. Zaradi omrežnega napajanja je vrtilna hitrost motorja odvisna le od obremenitve, kar pomeni, da bo le-ta vedno asinhronska, zato bo tudi frekvenca inducirane napetosti generatorja (fg) vedno nižja od nazivne: fg = n ⋅ fn . nn (1) Vzbujalno navitje generatorja bomo napajali z nastavljivim enosmernim virom. Ko se generator vrti, nima pa še priključenega vzbujalnega navitja, najprej izmerimo remanenčno napetost. Nato vzbujalno navitje priključimo na enosmerni vir in nastavimo tak vzbujalni tok, da bo na sponkah generatorja v prostem teku nazivna napetost. NALOGA 1: Z meritvijo frekvence inducirane napetosti v prostem teku določite vrtilno hitrost rotorja sinhronskega generatorja. 3.1.1 Oblika inducirane napetosti Z uporabo diferencialne napetostne sonde s spominskim osciloskopom posnamemo časovni potek inducirane napetosti prostega teka, analizator moči pa uporabimo za harmonsko analizo te napetosti. Pri tem uporabimo diskretno Fourierovo transformacijo s kosinusno vrsto in si zabeležimo vrednosti posameznih členov do 30. harmonske komponente. NALOGA 2: Izračunajte vrednost skupnega harmonskega popačenenja napetosti (THD - Total Harmonic Distorsion) in jo primerjajte s tisto, ki jo podaja proizvajalec. 3.2 Obremenitev generatorja pri otočnem obratovanju Generatorju nastavimo in pustimo vzbujanje prostega teka ter na statorske sponke priključimo breme. V našem primeru gre za grela, ki so na generator priključena preko trifaznega viriaka, tako da lahko s prestavo variaka nastavljamo velikost bremenskega toka. Začnemo tako, da je gumb variaka nastavljen na 0 V, nato pa postopoma zvišujemo napetost in zadnjo meritev opravimo, ko je gumb nastavljen na približno 380 V (na skali). Pri tem z analizatorjem moči spremljamo dogajanje in merimo delovne točke. Predvsem se osredotočimo na napetost, saj bo le-ta, zaradi reakcije indukta, ki jo povzroča naraščajoči bremenski tok statorskih navitij, vedno nižja (slika 3). Odčitamo in zabeležimo električne količine nekaj teh obratovalnih stanj. Xs Ia E0 Xs Ib E0=Un Ua Ub E0 Xs Ic Uc E0 Ic Ib Ia Slika 3: Poenostavljen kazalčni diagram SG za obratovanje pri nespremenljivem vzbujanju in pri povečevanju bremenskega toka čistega ohmskega karakterja (Ia < Ib < Ic). 2-2 Generatorji in transformatorji NALOGA 3: Za obremenitev generatorja z ohmskim bremenom izmerite zunanjo karakteristiko, ki podaja odvisnost napetosti od bremenskega toka pri nespremenjenem vzbujanju. Če želimo, da bo napetost na sponkah ohmsko obremenjenega generatorja enaka nazivni, moramo sedaj povečati vzbujanje ter v stroju spet vzpostaviti tak magnetni pretok, da bo induciral to napetost. Izmerimo vrednost novega vzbujalnega toka (I1) in električne količine na strani bremena (U2, I2, P2). 3.3 Otočno obratovanje sinhronskega generatorja z regulatorjem vzbujanja Obravnavani sinhronski generator je opremljen z elektronskim regulatorjem vzbujanja, ki s spreminjanjem vzbujalnega toka skrbi, da je izhodna napetost konstantna, ne glede na obremenitev. Regulator vzbujanja dobi napajanje neposredno s statorskega navitja, tako da je remanenčna napetost generatorja pogoj za delovanje regulatorja (glej poglavje 3.1). Z variakom, ki napaja bremenske upore (grela), povečujte obremenitev generatorja in poleg prostega teka izmerite še najmanj pet točk regulirne karakteristike. NALOGA 4: V en sam kazalčni diagram vrišite vsa izmerjena obratovalna stanja, pri čemer zanemarite odstopanje faktorja moči od 1 (zaradi induktivnosti variaka) in predpostavite čisti ohmski karakter za vse obratovalne točke. 3.4 Določitev vzdolžne in prečne sinhronske reaktance Metoda asinhronskega prostega teka sinhronskega stroja omogoča določitev vzdolžne (Xd) in prečne (Xq) sinhronske reaktance strojev z izraženimi poli. Obe reaktanci določimo z naslednjo meritvijo: nevzbujan rotor sinhronskega generatorja poganjamo z asinhronskim motorjem, zato je vrtilna hitrost podsinhrona z zelo majhnim slipom. Trifazno statorsko navitje sinhronskega stroja priključimo na trifazno napetost nazivne frekvence. Napetost počasi dvigujemo do približno 25% nazivne vrednosti, istočasno pa merimo tok, ki naj ne preseže nazivnega (slika 2). Ker se rotor ne vrti sinhrono z vrtilnim poljem, se tudi položaj rotorja glede na os statorskega vrtilnega polja nenehno spreminja. V nekem trenutku je vzdolžna os rotorja poravnana z osjo vrtilnega polja statorja, v drugem pa leži rotor prečno na os vrtilnega polja. Zaradi različnih reluktanc v eni in drugi osi, amplituda izmeničnega toka iz omrežja niha med manjšo vrednostjo Id in večjo Iq (slika 4). i Iq Id t Slika 4: Tok v statorskem navitju pri preizkusu asinhronskega prostega teka. Časovni potek napetosti in toka statorskega navitja opazujemo na osciloskopu. Vrednost amplitude toka Id odčitamo z oscilograma takrat, ko je statorski tok najmanjši in je rotor v vzdolžni legi, največji statorski tok pa predstavlja vrednost Iq, ko je rotor v prečni legi. Tudi napetost se lahko zaradi padcev v napajalnem viru, skladno s tokom spreminja, kar razberemo iz oscilograma napetosti. Napetost je nižja (Uq), ko je tok večji (Iq) in obratno (Ud, Id), tako da iz 2-3 Generatorji in transformatorji oscilograma odčitamo amplitudni vrednosti Ud in Uq. Pri preizkusih z majhnimi slipi lahko tok in napetost, zaradi počasnega spreminjanja, merimo neposredno z A- oziroma V-metrom. Navitje ima pretežno induktivni karakter, zato nenasičeni vrednosti vzdolžne in prečne sinhronske reaktance enostavno izenačimo z absolutno vrednostjo impedanc: X d Zd = X q Zq = Ud 3 ⋅ Id Uq 3 ⋅ Iq , (2) . (3) Čeprav so vse odčitane vrednosti amplitude, vrednosti le-teh nismo preračunali v efektivne vrednosti, saj nastopajo v enačbi tako v števcu in imenovalcu in so končne vrednosti enake. Običajno sinhronskih reaktanc ne podajajamo v absolutnih vrednostih, temveč kot relativne oziroma normirane vrednosti. Relativno vrednost sinhronske reaktance dobimo, če njeno dejansko vrednost delimo z vrednostjo osnovne ali nazivne impedance. Osnovna impedanca stroja je podana z njegovimi nazivnimi količinami: Z osn = Un 3 ⋅ In = U n2 . Sn (4) Relativni sinhronski reaktanci xd in xq torej izračunamo: xd = xq = Xd , Z osn Xq Z osn (5) . (6) NALOGA 5: S pomočjo izračunanih sinhronskih reaktanc narišite kazalčni diagram sinhronskega generatorja z izraženimi poli za nazivno obratovalno stanje. 4 Vprašanja za razmislek a) Kaj naredimo, če se rotor sinhronskega generatorja razmagneti in zato regulator vzbujanja ne deluje? b) Kaj je skupno harmonsko popačenje? Kako ga izračunamo? c) Ali naj regulator vzbujanja deluje, če je vrtilna hitrost sinhronskega generatorja prenizka? 5 Literatura [1] F. Avčin, P. Jereb, Preizkušanje električnih strojev, Tehniška založba Slovenije, 1983. [2] Damijan Miljavec, Peter Jereb, Električni stroji - temeljna znanja, FE, Ljubljana, 2008. [3] I. Zagradišnik, B. Slemnik, Električni rotacijski stroji, FERI, Maribor, 2001. 2-4 Generatorji in transformatorji 6 Nevarnosti pri delu POZOR, NEVARNOST ELEKTRIČNEGA UDARA! NAPAJALNA IZMENIČNA IN ENOSMERNA NAPETOST DO 400 V. MERILNO VEZJE, INSTRUMENTE IN NAPRAVE VEDNO VEŽITE, PRIKLAPLJAJTE ALI ODKLAPLJAJTE V BREZNAPETOSTNEM STANJU! MED MERITVIJO SE NE DOTIKAJTE MERILNIH VEZI, PRIKLJUČNIH SPONK IN MERJENCA! POZOR, NEVARNOST OBLOKA IN VISOKE INDUCIRANE NAPETOSTI! OB PREKINITVI ENOSMERNIH TOKOKROGOV OBSTAJA MOŽNOST NASTANKA ELEKTRIČNEGA OBLOKA IN INDUCIRANJA VISOKIH NAPETOSTI. POZOR, NEVARNOST DOTIKA VRTEČIH SE DELOV STROJA! ZARADI IZVAJANJA MERITEV, VSI VRTEČI DELI NISO MEHANSKO ZAŠČITENI. MED OBRATOVANJEM STROJA SE NE DOTIKAJTE IN NE SEGAJTE V OBMOČJE VRTEČIH SE DELOV STROJA! PO IZKLJUČITVI STROJA POČAKAJTE, DA SE LE-TA USTAVI! POZOR, NEVARNOST DOTIKA VROČIH DELOV! ZA OBREMENJEVANJE GENERATORJA SE UPORABLJAJO ODPRTA INFRA GRELA, KI MED OBRATOVANJEM PRI NAZIVNI NAPETOSTI ZAŽARIJO IN DOSEŽEJO ZELO VISOKE TEMPERATURE. OBSTAJA VELIKA NEVARNOST OPEKLIN! IZOGIBAJTE SE BLIŽINI VROČIH DELOV! 2-5