1 EJ1200 ELEFFEKTSYSTEM PM för laboration SYNK: Synkronmaskinen Labbassistenter: Arash Risseh risseh@kth.se Simon Nee snee@kth.se Anders Hagnestål hagnes@kth.se Syfte: Avsikten med laborationen är dels att experimentellt verifiera det ekvivalenta schemat, dels att studera synkronmaskinens egenskaper när den arbetar som ensamgående generator med passiv belastning (impedansbelastning) och dels att studera den för synkronmaskinen karakteristiska synkrona gången och maskinens driftegenskaper när den är ansluten till elnätetrespekt som det kräver. Laborationen börjar utan "kvart". Svar till förberedelseuppgifterna skall lämnas i kursens brevlåda på Teknikringen 33, senast två (2) arbetsdagar före laborationstillfället. Laborantens namnteckning: Laborationen godkänd: Datum Signatur
1 Inledning och syfte med laborationen 2 Synkronmaskinen används huvudsakligen som generator oftast i elkraftverk och i mindre omfattning som motor. Vattenkraftgeneratorer går med relativt lågt varvtal och är därför mångpoliga pga. konstant nätfrekvens och rotorn utförs med utpräglade poler. Ångturbiner är det fördelaktigt att utföra för högt varvtal. Turbogeneratorer är därför normalt 2-poliga (3000 RPM, 50 Hz) och de utförs med cylindrisk rotor. Vid ett första studium av synkronmaskinens verkningssätt utgår man lämpligen från synkronmaskinen med cylindrisk 1 rotor. För kvalitativa undersökningar kan den trefasiga synkronmaskinen representeras med ett enkelt enfasigt ekvivalent schema, en emk proportionell mot magnetiseringsströmmen i serie med en reaktans. Avsikten med laborationen är dels att experimentellt verifiera det ekvivalenta schemat, dels att studera synkronmaskinens egenskaper när den arbetar som ensamgående generator med passiv belastning (impedansbelastning) och dels att studera den för synkronmaskinen karakteristiska synkrona gången och maskinens driftegenskaper när den är ansluten till nätet. 1.1 Förkunskaper Läs igenom kapitel 5 i kurskompendiet. För att underlätta genomförandet i denna labboration extra läsning om generatorer och elmotorer rekommenderas. Svar till förberedelseuppgifterna skall lämnas i kursens brevlåda på Teknikringen 33, senast två arbetsdagar före laborationstillfället. Studenter som inte lämnar in förberedelseuppgifterna i tid kommer inte att få delta i laborationen. Laborationen börjar utan "kvart". 2 Laborationens uppkoppling Laborationens uppkoppling framgår av schemat i Appendix. Synkronmaskinen är axelkopplad till en likströmsmaskin. Likströmsmaskinen är utförd som en momentvåg. Enligt lagen om verkan och motverkan erhålls hos en elektrisk maskin ett lika stort reaktionsmoment på statorn som det moment som verkar på rotorn men med motsatt riktning. Genom att statorn inte är fastskruvad i ett fundament utan upphängd i lager så att den kan vrida sig kring sin symmetriaxel, Figur 1, kan reaktionsmomentet på statorn vägas ut och momentet på rotorn bestämmas. Med hjälp av momentvågen kan alltså synkronmaskinens mekaniska axelmoment bestämmas. (Vid noggrannare mätning måste man korrigera för de lager- och luftfriktionsmoment som verkar på statorn.) När 1 Vid laborationen skall en maskin med cylindrisk rotor användas. Vid laborationen kommer en släpringad asynkronmaskin användas som synkronmaskin genom att två av rotorlindningens faser matas med likström
3 synkronmaskinen skall gå som generator används likströmsmaskinen som drivmotor eller "turbin". Figur 1. Elektrisk maskin med möjligheten att mäta reaktionsmoment. 2.1 Start av likströmsmaskinen Vid start begränsas rotorströmmen i likströmsmaskinen endast av resistansen i kretsen. Under start är därför ett startmotstånd (10Ω) inkopplat i serie med rotorn på likströmsmaskinen, vilket kortsluts efter start med hjälp av en kontaktor. Start sker med full magnetiseringsström (I m ) varefter önskat varvtal ställs in genom ändring av magnetiseringsströmmen. Mätutrustningen består för likströmsmaskinen av driftinstrument för matningsspänning, ankarström och magnetiseringsström. 2.2 Magnetisering av synkronmaskinen Den för magnetiseringen av maskinen erforderliga likströmmen erhålls från ett variabelt likspänningsaggregat med hög strömförmåga. (Antalet lindningsvarv i maskinens rotorlindning är relativt litet jämfört med detsamma hos en normal synkronmaskin, varför erforderlig magnetiseringsström blir relativt hög medan magnetiseringsspänningen blir låg.) Brytare B4 samt potentiometern för inställning av magnetiseringsströmmen sitter monterade på aggregatets framsida. För synkronmaskinen mäts magnetiseringsströmmen I f med en digitalamperemeter eller effektmätaren. Generatorns spänning mäts också med effektmätaren eller en voltmetern inkopplad mellan två faser och frekvensen avläses på effektmätaren.
2.3 Belastning av synkronmaskinen 4 Med hjälp av brytare B6 kan synkronmaskinen kopplas till en belastning. Denna brytare har fem olika lägen: 0. Öppen krets d v s tomgång 1. Nätdrift för inkoppling mot starkt nät 2. Induktiv last 3. Resistiv last 4. Kortslutning Identifiera brytare B6 i labbuppkopplingen och verifiera gärna med labbassistenten att det är rätt brytare och att ni har förstått hur den fungerar. 2.4 Infasning mot nätet Med hjälp av fasningsbrytaren B7, en tryckknappsmanövrerad kontaktor, och fasningslamporna över denna kan maskinen fasas in på ett 50 Hz nät. 2.5 Effektmätning Då trefaseffekten är symmetrisk, kan denna med tillräcklig noggrannhet bestämmas genom mätning av effekten hos en fas och multiplikation med 3. Eftersom statorlindningen är D-kopplad saknar kretsen nollpunkt. För att mäta fasspänningen skapas därför en virtuell nollpunkt med hjälp av en Y-kopplad resistans, nollpunktsmotstånd. Denna resistans är relativt stor och utgör därför ingen belastning för synkronmaskinen. 2.6 Mätning av belastningsvinkeln För att kunna se hur rotorn, vid ändrad belastning ändrar läge relativt den av nätspänningen bestämda, synkront roterande flödesvågen används ett stroboskop, vilket matas från samma starkta nät. Stroboskoplampan ger en mycket kort och intensiv ljusblixt en gång per växelspänningsperiod i det ögonblick växelspänningen går genom noll. Genom att belysa ett index på axelkopplingen kan man iakttaga hur det relativa rotorläget ändras vid ändring av belastningen. Lampan skall stängas av när den inte används. Med hjälp av en cirkulär skala placerad intill kopplingen kan belastningsvinkeln bestämmas. Maskinens rotationsvarvtal kan avläsas på en multimeter. Den avläser en spänning över en resistor som matas från en axelkopplad tachometergenerator, vilken lämnar en likspänning proportionell mot varvtalet (10V/1000rpm).
3 Ensamgående generator 5 3.1 Data för synkronmaskinen Den studerade maskinen har vid D-kopplad statorlindning enligt märkplåten märkspänningen 220 V, 50 Hz. Vid 220 V blir flödestätheten i vissa delar av den magnetiska kretsen så stor att den mättas. Det ekvivalenta schema som vi tidigare har ställt upp för att kunna göra kvalitativa studier av synkronmaskinen och dess driftegenskaper, förutsatte linjära magnetiska förhållanden. För att god överensstämmelse skall erhållas mellan experiment och beräkningar med hjälp av det ekvivalenta schemat utan korrigeringar med hänsyn till järnmättning, skall vi reducera maskinens spänning till 180 V, vilket reducerar flödestätheten i motsvarande proportion. Vi får då nästan linjära magnetiska förhållanden, vilket framgår vid upptagning av tomgångskurvan. Följande data gäller då för synkronmaskinen: Märkeffekt: S n =2,43 kva, U n =180 V(hsp, D-kopplad), 50 Hz, I n =4,5 A, poltal=4 (p=2) Magnetisering för märkspänning (180 V) i tomgång I f0 =6,0~7,5 A Statorlindningens resistans per linjefas R 1 =0,87 Ω/fas vid 75 C. Synkron reaktans X s =28 Ω/fas 3.2 Tomgångskurvan, TK Se till att brytaren B6 står i läge 0, vilket indikerar att synkronmaskinen ej är ansluten till någon belastning. Vid igångkörning av likströmsmotorn inställs först maximal magnetiseringsström hos denna. Med startmotståndet inkopplat startas motorn genom tillslag av brytaren B1. Efter igångkörning kortsluts startmotståndet med brytaren B2 och varvtalet 1500 rpm ställs in genom att ändra likströmsmaskinens magnetiseringsström I m. TK, E =f(i f ) vid 1500 rpm, tas upp mellan 0 och 180 V(hsp). OBS! kolla noga så att strömmen I f inte överstiger 10 A. Kontrollera varvtalet när magnetiseringsströmmen har ändrats. Efter upptagningen av TK nedregleras I f till noll. 3.3 Kortslutningskurvan, KK En trefasig kortslutning görs med sladdar över anslutningarna till impedansbelastningen. Brytaren B6 ställs därefter i läge 4 så att synkronmaskinen blir kortsluten.
6 KK, I k =f(i f ), tas upp mellan I f =0 och det maximala värde som erhölls vid upptagning av TK. Efter upptagningen av KK nedregleras I f till noll varefter brytning sker med B6 och kortslutningen avlägsnas. Rita upp TK och KK i ett diagram och beräkna den synkrona reaktansen: X S U = I nfas k 0 I k0 är den kortslutningsström som erhålls vid den magnetiseringsström I f0 som ger märkspänning i tomgång vilket fås ur de uppritade kurvorna. Hur kommer det sig att KK även vid höga värden på I f blir linjär medan TK kröker av? 3.4 Belastning av ensamgående generator Generatorns spänning och frekvens in-regleras på sina märkvärden i tomgång enligt 3.2. Med konstant värde på I f och vid konstant frekvens upptas U=f(I) dels vid resistiv belastning, cosϕ=1, dels vid induktiv belastning, cosϕ =0 ind. Använd brytare B6 för att koppla till och från impedansbelastningen, läge 2 och 3. Rita av de två kurvorna i samma diagram som används i förberedelseuppgiften. Förklara varför spänningen vid en och samma belastningsström blir lägre vid induktivän vid resistivbelastning. 4 Synkronmaskinen mot ett starkt nät Vid den studerade ensamgående generatorn var de påtryckta, oberoende storheterna drivmotorns varvtal ( turbinen ), generatorns magnetisering (E f ) och den inkopplade belastningsimpedansen. Generatorns ström och spänning ställde in sig beroende av dessa storheter och den synkrona reaktansen. Drivmotorns effekt ställde in sig så att den av generatorn upptagna mekaniska effekten blev likastor som den i belastningsimpedansen utvecklade elektriska effekten inklusive förluster. När synkronmaskinen är inkopplad till ett starkt nät blir förhållandena annorlunda. Maskinens spänning och varvtal är bestämda av nätet. Övriga påtryckta, oberoende storheter är generatorns magnetisering, (E f ) och den mekaniska axeleffekten, vilken är bestämd av "turbinpådraget" vid generatordrift och av aktuell mekanisk belastning vid motordrift. Den elektriska effekten ställer in sig så att jämvikt med den mekaniska effekten erhålls, vilket sker genom att belastningsvinkeln antar ett sådant värde att Ef U Pe = 3 sin ( δ ) = P X S mek Därmed är också strömmens aktiva komposant given.
7 Strömmens reaktiva komposant antar ett sådant värde, att den av rotor- och stator-mmk tillsammans bildade resulterande mmk svarar mot den av nätspänningen givna flödestätheten i luftgapet. 4.1 Infasning Ställ brytare B6 i läge 1 Drivmotorn startas och varvtalet injusteras på märkvarvtal varefter generatorn magnetiseras så att dess spänning bli lika med nätets. Observera att nätet håller 3 180V(hsp), detta för att minska inverkan av järnmättning såsom tidigare förklarats. Vid rätt fasföljd blinkar fasningslamporna med skillnadsfrekvensen mellan nät och maskin. Justera drivmotorns varvtal så att en låg frekvensskillnad erhålls. Fasa in maskinen på nätet med hjälp av fasningsbrytaren B7 i ett ögonblick då maskinoch nätspänning är i fas (lamporna är släckta). 4.2 Reaktiv effekt "Turbinpådraget" regleras genom att ändra magnetiseringen (I m ) hos likströmsmaskinen. Då I m minskas under infasningsvärdet ökar "turbinpådraget" och vice versa. "Turbinpådraget" injusteras så att den aktiva effekten blir noll och I f så att den reaktiva effekten blir noll. Därefter upptas I=f(I f ) vid övermagnetisering respektive undermagnetisering. Notera även U och Q. Se till att P hela tiden är noll. Är S = Q? Hur ändras belastningsvinkeln? I=f(I f ) uppritas i ett diagram. 4.3 Aktiv effekt, moment och belastningsvinkel Ställ in "pådrag" (I m ) och magnetisering (I f ) så att P och Q=0 och notera U, I f, δ och T. Eftersom P=0 kommer det avlästa värdet på vinkelskalan att motsvara belastningsvinkeln δ=0. Det avlästa värdet på momentskalan (ca 1 Nm) är synkronmaskinens egna luft- och friktionsförluster. Hur kompenserar man för det när man räknar ut synkronmaskinens eget avgivna moment? Med konstant värde på I f upptas trefaseffekten P och momentet T som funktion av δ dels vid generatordrift, dels vid motordrift. Rita upp T = f(δ) i det diagram som används i motsvarande förberedelseuppgift. Studera vid generatordrift med ungefär I=0.5 I n hur sambandet P= ω s T stämmer. Undersök vid samma driftpunkt hur P, T och δ ändras vid ökning av I f med 50 %.
5 Förberedelsuppgifter 8 5.1 Frågor 1. Vad måste man se till vid genomförande av eller ändring i befintliga kopplingar? 2. Vilket varvtal har en maskin med poltalet=2, 4 resp 10 vid 50 Hz? (Svara i [varvtal/min] 3. Vad gör man för att begränsa startströmmen hos likströmsmaskinen i labbuppkopplingen? 4. Hur mäter man belastningsvinkeln, δ, i laborationen? 5. Hur många mekaniska grader motsvarar 90 elektriska då p=1, 2 och 5? 6. Hur mäter man maskinens varvtal? 7. Varför sänks märkspänningen från 220 till 180 V? 8. Varför påverkas varvtalet av magnetiseringsströmmen I m storlek vid tomgång? 9. Vilket samband uttrycker tomgångskurvan TK? 10. Vilket samband uttrycker kortslutningskurvan KK? 11. Rita upp ekvivalenta schemat för synkronmaskinen med beteckningar för generatordrift. 12. Vad blir den aktiva trefaseffekten som en synkronmaskin lämnar uttryckt i E, U, X s och δ? 13. Om en synkrongenerator är övermagnetiserad i tomgång, behöver den då nödvändigtvis producera reaktiv effekt vid belastning? 14. Kan en synkronmotor både producera och konsumera reaktiv effekt? 5.2 Belastning av ensamgående generator Anta att maskinen är magnetiserad för märkspänning (180 V hsp) i tomgång. Konstruera (med hjälp av i moment 3.1 givna data) U=f(I) dels vid cosϕ =1 och dels vid cosϕ =0 induktivt. Rita upp de två kurvorna med lämplig skala i ett diagram. Använd det välkända sambandet E=U+jX s I och visardiagram för respektive fall för att beräkna U=f(I).Observera att fasspänningen anges i ekvivalenta schemat. 5.3 Synkronmaskinen mot ett starkt nät Rita två trefasiga visardiagram för maskin- och nätspänningarna bredvid varandra som svarar mot det tillstånd då fasningsbrytaren får slås till. Hur skall lamporna lysa vid infasningen? Beräkna momentet T = f(δ) vid magnetisering för märkspänning i tomgång och rita upp sambandet i ett diagram. Anta att nätet håller märkspänning (180 V hsp). OBS! Vinkel δ skall variera från -90 till 90.
9 Figur 1 Laborationsuppkoppling Synkronmaskinen