Ć wiczenie 17 BADANIE SILNIKA TRÓJFAZOWEGO KLATKOWEGO ZASILANEGO Z PRZEMIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI

Transkrypt

1 Ć wiczeie 7 BADANIE SILNIKA TRÓJFAZOWEGO KLATKOWEGO ZASILANEGO Z RZEIENNIKA CZĘSTOTLIWOŚCI Wiadomości ogóle Rozwój apędów elektryczych jest ściśle związay z rozwojem eergoelektroiki Współcześie a ogół każdy układ apędowy umożliwiający regulację silika jest układem eergoelektroiczym Nowe rozwiązaia coraz doskoalszych przyrządów półprzewodikowych mocy, struktur układów półprzewodikowych i systemów sterowaia spowodowały, że techologie eergoelektroicze zostały uzae za ajważiejsze w techice przetwarzaia eergii Napędy mają bardzo róże moce silików elektryczych, od bardzo małej, p kilkadziesiąt watów w sprzęcie domowym, kilkaset watów jako serwoapędy robotów przemysłowych, rzędu kilowatów i dziesiątków kilowatów w obrabiarkach, pompach, wetylatorach, do bardzo dużej rzędu kilkuastu megawatów do apędu wetylatorów kopaliaych, młyów kruszywa itp W zależości od wymagań techiczych, związaych z procesem techologiczym urządzeń apędowych, określających zakres regulacji prędkości, waruków rozruchu i pożądaą dyamikę apędu oraz waruków eksploatacji związaych z rodzajem źródeł zasilaia i środowiskiem, w którym pracują, są stosowae apędy z silikami prądu stałego (obcowzbudymi i szeregowymi) albo z silikami prądu przemieego (asychroicze i sychroicze) Ze względu a część praktyczą ćwiczeia omówioy zostaie silik asychroiczy trójfazowy oraz jego współpraca z przemieikiem częstotliwości rzemieik częstotliwości rzemieik częstotliwości stosoway w ćwiczeiu zamieia apięcie trójfazowe o częstotliwości sieciowej 50 HZ a apięcie trójfazowe o zmieej wartości, częstotliwości i kieruku wirowaia Umożliwia zatem regulację prędkości i mometu obrotowego oraz sterowaie procesami rozruchu, hamowaia i awrotami silika rzemieik częstotliwości, azyway często falowikiem włącza się pomiędzy siecią zasilającą a silikiem (rys ) L L L3 rzemieik częstotliwości U V W ~ Układ sterowaia Rys Układ elektryczy zasilaia silika z przemieika częstotliwości

2 Silik asychroiczy trójfazowy Ogóla budowa i zasada działaia Silik asychroiczy składa się ze stojaa i ułożyskowaego wirika Stoja to sprasoway pakiet blach prądicowych uformoway w postaci wydrążoego walca z aciętymi a wewętrzej części żłobkami i osadzoy a sztywo w kadłubie silika W żłobkach umieszczoe są trzy uzwojeia fazowe rozmieszczoe symetryczie a obwodzie W silikach o mocach większych od 4 kw, początki U; V; W i końce U; V; W z poszczególych uzwojeń fazowych wyprowadzoe są a tabliczkę zaciskową Dostępość początków i końców umożliwia kojarzeie uzwojeń w gwiazdę lub w trójkąt Δ (rozruch silika za pomocą przełączika gwiazda-trójkąt) W silikach o mocach do 4 kw włączie, uzwojeia stojaa są połączoe w gwiazdę wewątrz a a tabliczkę zaciskową wyprowadzae są tylko trzy początki opisae literami U; V; W Wirik silika to rówież odpowiedio sprasoway pakiet blach prądicowych z aciętymi a zewętrzej części żłobkami i osadzoy a sztywo a wale W silikach zwartych żłobki wirika i połączeia czołowe są zalewae alumiium 3 U V W Rys Silik asychroiczy trójfazowy uzwojeia stojaa połączoe w gwiazdę, wirik klatkowy silika, 3 tabliczka zaciskowa Trójfazowe uzwojeie stojaa skojarzoe w gwiazdę lub w trójkąt zasilae z sieci trójfazowej wytwarza wirujące pole magetycze, którego prędkość obrotowa względem stojaa wyraża się wzorem: 60 f s =, () p gdzie: s - prędkość obrotowa pola wirującego, obr/mi, f - częstotliwość apięcia zasilającego, Hz, p - liczba par bieguów magetyczych uzwojeń stojaa Wirujące pole magetycze przeciające pręty klatki wirika idukuje w ich siły elektromotorycze, które powodują przepływ przez te pręty prądu I (pręty wirika poprzez pierścieie czołowe tworzą obwody zamkięte) Wzajeme oddziaływaie prądu I w prętach klatki i wirującego pola magetyczego a siebie, daje momet apędowy, który powoduje obrót wirika w kieruku wirowaia pola

3 3 = C Φ I cos Ψ () gdzie: C - stała wyikająca z daych kostrukcyjych, Φ - strumień magetyczy, Ψ - opóźieie prądu wirika I względem siły elektromotoryczej E, I - prąd w prętach klatki wirika Napięcia fazowe U f zasilające uzwojeia stojaa są kompesowae przez siły elektromotorycze E idukowae w tych uzwojeiach; E = 4, 44 f z Φ k g (3) gdzie: k g- wypadkowy współczyik uzwojeń stojaa, z - liczba zwojów jedego uzwojeia stojaa, oraz przez spadki apięć a oporach uzwojeń; U f = +, (4) E + I R I X gdzie: R, X - rezystacja i reaktacja jedego uzwojeia stojaa Jak wyika z zależości (3) i (4) wartość strumieia magetyczego jest warukowaa wartością apięcia fazowego zasilającego silik: U Φ (5) f 4,44 f z k g Silik asychroiczy wytwarza momet apędowy tylko wówczas, jeśli obroty wirika są miejsze od obrotów pola wirującego S Wówczas występuje przeciaie prętów klatki wirika przez wirujące pole magetycze i pojawia się w prętach wirika E a pod jej wpływem I Opóźiaie się wirika względem wirującego pola magetyczego azywa się poślizgiem, który wyraża się zależością: s s % = 00% (6) s oślizg w silikach asychroiczych w warukach zamioowych zasilaia i obciążeia wyosi kilka % rędkość obrotowa wirika w zależości od poślizgu; 60 f = s ( s) = ( s) (7) p Obciążeie silika rzy zmiaach obciążeia a wale silik samoczyie dostosowuje momet apędowy do mometu oporowego przez zmiaę prędkości obrotowej wirika (obciążeie wzrasta, prędkość obrotowa maleje)

4 4 Silik pobiera z sieci moc pozorą S : gdzie: U, I - wartości przewodowe apięcia i prądu, która decyduje o stopiu obciążeia liii zasilającej silik Składowa czya mocy pozorej S : S = 3U I () = S cosϕ = 3U cosϕ (9) I pokrywa zapotrzebowaie a moc a wale silika oraz straty mocy Δ w samym siliku oc a wale silika w zależości od mometu i prędkości obrotowej wyosi: gdzie: W; N m; obr/s; ω rad/s oc biera Q ; = ω = π (0) Q = S siϕ = 3U I siϕ () charakteryzuje wytwarzae w siliku pole magetycze warukujące jego pracę oc biera iezaczie wzrasta wraz ze wzrostem obciążeia silika Współczyik mocy cos ϕ ; cos = = ϕ () S + Q jest warukoway przede wszystkim stopiem obciążeia silika Najmiejszą wartość posiada przy biegu jałowym (cosϕ 0 =0, 0,3) Sprawość silika: zależy rówież od obciążeia Charakterystyka mechaicza silika η = 00% (3) odstawową charakterystyką ruchową silika jest charakterystyka mechaicza przedstawiająca zależość mometu apędowego w fukcji prędkości obrotowej wirika ; = f(), przy zamioowym apięciu zasilającym i zamioowej częstotliwości (rys3)

5 5 max r d op =f() op s u Rys 3 Charakterystyka mechaicza silika asychroiczego rzeciążalość mechaicza silika; p m max = (4) Dla silików asychroiczych klatkowych wyosi p m =, 3 Zapas mometu apędowego zapewia silikowi stabilą pracę w przypadku pojawieia się chwilowych przeciążeń Silik ruszy jeśli będzie miał spełioy waruek: r op (5) gdzie: r - momet rozruchowy silika, op - momet oporowy maszyy apędzaej przy = 0 Różica pomiędzy mometem apędowym silika i mometem oporowym apędzaej azywa się mometem dyamiczym; d op op maszyy (6) Im większy jest momet dyamiczy tym, p czas rozruchu silika jest krótszy 3 Współpraca silika z przetworicą częstotliwości W silikach asychroiczych o wiriku klatkowym, ajczęściej stosowaych w apędach, płyą regulację prędkości obrotowej, zgodie z (7) 60 f = ( s) p moża uzyskać jedyie przez zmiaę częstotliwości apięcia zasilającego Ze względu a wytwarzay przez silik momet apędowy, = C Φ I cos Ψ regulacja prędkości obrotowej jest ajkorzystiejsza wtedy, gdy odbywa się przy stałej zamioowej wartości strumieia magetyczego rzy zaiedbaiu oporów uzwojeń stojaa ( R ; X ), jak wyika z zależości (4) i (3), apięcie fazowe zasilające silik jest w przybliżeiu rówe idukowaej w uzwojeiu sile elektromotoryczej:

6 6 U f E = c f φ (7) Stąd wyika waruek stałości strumieia w maszyie ( φ = cost ): U = cost () f Ozacza to, że przemieik częstotliwości przezaczoy do zasilaia silika asychroiczego powiie być urządzeiem o regulowaym zarówo apięciu jak i częstotliwości Charakterystyki mechaicze silika dla różych częstotliwości apięcia zasilającego przy U/f = cost pokazao a rys 4 f f f 3 0 max Rys 4 Charakterystyki mechaicze silika asychroiczego trójfazowego dla różych częstotliwości apięcia zasilającego przy zachowaiu waruku U/f = cost Waruek stałości strumieia magetyczego może być zachoway przy powiększaiu częstotliwości a tym samym i wartości apięcia zasilającego do wartości zamioowych rzy stałym stosuku U/f regulacja prędkości obrotowej może odbywać przy stałym momecie a zmieej mocy a wale Dalszy wzrost prędkości obrotowej poad prędkość zamioową może odbywać się tylko przez zmiaę częstotliwości przy zamioowym apięciu zasilającym Silik pracuje wtedy w warukach osłabieia pola magetyczego przy stałej mocy, ale przy malejącym momecie (rys 5) =cost =cost Rys 5 Charakterystyki regulacyje silika asychroiczego trójfazowego zasilaego z przemieika częstotliwości f f

7 7 Wykoaie ćwiczeia Część praktycza ćwiczeia obejmuje: pomiary charakterystyk mechaiczych silika dla kilku częstotliwości, regulację prędkości obrotowej przy stałym momecie Układ pomiarowy Badaia silika trójfazowego zostaą przeprowadzoe w układzie pomiarowym przedstawioym a rys 6 Sterowaie L 30V L L3 N Q AT V AT L L L3 rzemieik Częstotliwości R + Q A V R b Osc W U(U) V(V) W(W) W(Z) U(X) V(Y) ~ A = A 3 C D V R - Rys 6 Układ pomiarowy do badań silika asychroiczego trójfazowego przy zasilaiu z przemieika częstotliwości Obwód badaego silika trójfazowego zasilay jest z przemieika częstotliwości zasilaego za pomocą autotrasformatora trójfazowego AT Woltomierz V służy do kotroli apięcia zasilającego przemieik częstotliwości, przy czym ależy pamiętać, że stosoway model przemieika zbudoway jest a apięcie przewodowe (międzyfazowe) o wartości 0 V Woltomierz V mierzy wartość skuteczą apięcia przewodowego zasilającego silik Występowaie apięcia i jego wartość uzależioa jest od załączeia włączika sterującego pracą przemieika i położeia potecjometru regulacji częstotliwości Amperomierz A mierzy prąd płyący w obwodzie jedej fazy silika, zaś watomierz W moc pobieraą przez jedo uzwojeie silika Rezystor R b zaistalowao w celu umożliwieia oglądaia a ekraie oscyloskopu przebiegów prądu zasilającego silik Do obciążeia silika zastosowao prądicę boczikową obcowzbudą prądu stałego oddającą moc do rezystora wodego R Amperomierz A i woltomierz V mierzą parametry prądu w obwodzie tworika prądicy Amperomierz A 3 służy do pomiaru prądu w obwodzie wzbudzeia Obwód wzbudzeia prądicy prądu stałego zasilay jest poprzez autotrasformator AT i prostowik R o zapozaiu się z kofiguracją układu i poprawością połączeń zestawić dae zamioowe maszy w tabeli

8 Tabela Wielkość Jedostka Silik prądu zmieego rądica hamowicza Typ maszyy - oc kw Napięcie U V rąd I A Obroty obr/mi cos ϕ - - Sprawość η - rąd wzbudzeia I m A - Rezystacja tworika prądicy R th Ω - Na podstawie daych z tabliczki zamioowej silika obliczyć: momet: = = [N m, W, obr/s]; ω π sprawość: η = = 3UI cosϕ Rozruch układu pomiarowego Wstępie ależy skotrolować, czy: wyłącziki Q i Q są wyłączoe, autotrasformatory AT i AT są ustawioe a miimalą wartość apięcia wyjściowego, wyłączik sterowaia przemieika jest w pozycji wyłączoy, potecjometr sterowaia przemieika ustawioy jest a miimum, elektrody rezystora wodego wyurzoe są z wody o sprawdzeiu poprawości ustawień w układzie ależy: wyłączikiem Q zajdującym się a tablicy laboratoryjej, podać apięcie przemiee a autotrasformatory AT i AT, autotrasformatorem AT ustawić wartość apięcia U=0 V zasilającego przemieik częstotliwości (woltomierz V), autotrasformatorem AT sprawdzić działaie obwodu wzbudzeia prądicy hamowiczej (wymagay zakres regulacji I m =0 I m ), sprawdzeie zakończyć astawą I m =0, wyłączikiem Q przyłączyć silik do przemieika częstotliwości, załączyć przemieik wyłączikiem sterowaia, za pomocą potecjometru sterowaia przemieikiem ustawić wartość częstotliwości apięcia zasilającego a 50 Hz (uzyskujemy w te sposób tzw rozruch częstotliwościowy silika), zaurzyć częściowo elektrody rezystora wodego, dokoać próbego obciążeia silika zwiększając autotrasformatorem AT prąd wzbudzeia prądicy hamowiczej (próbę zakończyć astawą I m =0) Tak uruchomioy układ gotowy jest do wykoywaia pomiarów

9 9 3 omiary charakterystyk mechaiczych Charakterystyki mechaicze = f() przy U = cost (U apięcie zasilające przemieik częstotliwości) wyzaczyć dla trzech różych częstotliwości zasilaia silika Wartości częstotliwości f ustalić wspólie z prowadzącym zajęcia o astawieiu zadaej częstotliwości f obciążać silik przez zmiaę prądu wzbudzeia prądicy hamowiczej od biegu jałowego (prąd wzbudzeia I m =0 i wyurzoe elektrody rezystora wodego) do I=,3 I (I prą zamioowy silika) W tym zakresie zmia obciążeia silika ależy wykoać po około pomiarów dla poszczególych częstotliwości Wyiki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli Uwaga: W czasie badań prąd obciążeia prądicy hamowiczej ie może przekroczyć wartości zamioowej I 6,5 A, atomiast apięcie a rezystorze wodym ie może przekroczyć wartości U 300 V Tabela omiary Obliczeia Lp U I w U I η cosϕ V A W V A obr/mi W W % - Nm f = Hz f = Hz f 3 = Hz oc pobieraa z przemieika częstotliwości przez silik ; oc oddawaa przez prądicę hamowiczą h ; h = 3 w = U I Strata mocy w tworiku prądicy hamowiczej Δ h ; Δ h = I R th oc a wale silika (bez uwzględieia strat mechaiczych i strat w żelazie w prądicy hamowiczej); = h + Δ h Sprawość silika trójfazowego zasilaego za pomocą przemieika częstotliwości; η = 00 %

10 0 omet apędowy silika trójfazowego; = π gdzie: momet a wale badaego silika, N m; moc a wale silika, W; prędkość obrotowa silika, obr/s (Uwaga! W czasie pomiarów prędkość obrotowa rejestrowaa jest w obr/mi) Na podstawie uzyskaych wyików badań ależy: a wspólym rysuku wykreślić charakterystyki mechaicze = f() oraz η= f() dla badaych częstotliwości f, dla zamioowego mometu silika opisać a charakterystykach wartości prędkości obrotowych i wartości sprawości η, porówaie otrzymaych wyików badań zestawić w tabeli 3, Tabela 3 = Nm f η Hz obr/mi % przeprowadzić dyskusję otrzymaych wyików badań 4 Regulacja prędkości obrotowej Badaia regulacji prędkości obrotowej silika trójfazowego za pomocą zmia częstotliwości będą realizowae przy stałym momecie omet obciążeia wytwarzay w prądicy hamowiczej ( = c m Φ I ) będzie stały jeżeli przy stałym co do wartości strumieiu Φ (stały prąd wzbudzeia I 3 prądicy hamowiczej) wartość prądu tworika I będzie utrzymywaa a stałym poziomie Charakterystyki regulacyje = f(f) przy U = cost wyzaczyć dla trzech różych mometów obciążeia silika Wartości mometu obciążeia (astawy prądów I i I 3 w obwodach prądicy ) ustalić wspólie z prowadzącym zajęcia W przypadku pierwszym, silik apędza ieobciążoą prądicę hamowiczą (I m =I 3 =0; wyurzoe elektrody rezystora wodego) W przypadku drugim i trzecim, silik jest obciążoy prądicą hamowiczą Zmieiając częstotliwość f zasilaia silika w graicach podaych przez prowadzącego dokoać po pomiarów wielkości zestawioych w tabeli 4: - dla częstotliwości miejszych i rówych zamioowej częstotliwości silika ależy kierować się stałymi wartościami prądów w obwodzie prądicy hamowiczej, - dla częstotliwości wyższych iż zamioowa ależy utrzymywać stałą wartość prądu uzwojeia badaego silika I rówą wartości, jaka wystąpiła przy f=50 Hz (zmiaa wzbudzeia prądicy hamowiczej)

11 Lp Tabela 4 omiary Obliczeia f U I w U I η cosϕ Hz V A W V A obr/mi W W % - Nm = 0 (I =0 A; I 3 =0 A) dla f<f = cost (I = A; I 3 = A) dla f<f 3 = cost (I = A; I 3 = A) Na podstawie uzyskaych wyików badań ależy: a jedym rysuku wykreślić charakterystyki regulacyje = f(f) dla wszystkich badaych obciążeń, a drugim rysuku wykreślić charakterystyki, = f(f) dla drugiego i trzeciego przypadku ( 0), przeprowadzić dyskusję otrzymaych wyików badań 5 Wykaz przyrządów i aparatów Należy, zgodie z wytyczymi podaymi w części ogólej skryptu podać wszystkie przyrządy pomiarowe, urządzeia i aparaty wykorzystywae w ćwiczeiu Zagadieia do samodzielego opracowaia Budowa i zasada działaia silika rędkość pola wirującego, prędkość obrotowa wirika, poślizg, sposób wyzaczaia prędkości obrotowej pola a podstawie zaych obrotów wirika 3 Charakterystyka mechaicza silika = f() 4 Sposoby regulacji prędkości obrotowej silika 5 Obliczaie mocy a wale a podstawie pomiarów próby obciążeia silika 6 Obliczaie mometu zamioowego a podstawie tabliczki zamioowej silika Literatura: [ 0,, 6, 7 ]