Ć wiczenie 9 SILNIK TRÓJFAZOWY ZWARTY

Transkrypt

1 145 Ć wiczeie 9 SILNIK TRÓJFAZOWY ZWARTY 1. Wiadomości ogóle 1.1. Ogóla budowa Siliki asychroicze trójfazowe, dzięki swoim zaletom ruchowym, prostocie kostrukcji, łatwej obsłudze są powszechie stosowae w apędach przemysłowych i roliczych. Silik taki składa się ze stojaa i ułożyskowaego wirika. Stoja to sprasoway pakiet blach ze stali elektrotechiczej prądicowej uformoway w postaci wydrążoego walca z wyciętymi a wewętrzej części żłobkami i osadzoy sztywo w kadłubie silika ajczęściej odlewaym z żeliwa. W żłobkach umieszczoe są trzy uzwojeia fazowe, rozmieszczoe symetryczie a obwodzie. Początki U,V,W i końce x, y, z poszczególych uzwojeń fazowych wyprowadzoe są a tabliczkę zaciskową. Odpowiedie rozmieszczeie początków i końców a tabliczce zaciskowej silika (rys.9.1) ułatwia kojarzeie uzwojeń fazowych stojaa w gwiazdę lub w trójkąt. Rys.9.1. Tabliczka zaciskowa silika asychroiczego trójfazowego: a) rozmieszczeie a tabliczce początków i końców uzwojeń stojaa, b) przyłączeie silika do sieci przy skojarzeiu uzwojeń w gwiazdę, c) przyłączeie silika do sieci przy skojarzeiu uzwojeń w trójkąt Wirik silika to rówież odpowiedio sprasoway i osadzoy sztywo a wale pakiet blach prądicowych z aciętymi a zewętrzej części żłobkami. Żłobki wirika i połączeia czołowe są zazwyczaj zalewae alumiium. Pręty w żłobkach 1 połączoe pierścieiami 2 tworzą tzw. klatkę - rys.9.2 stąd też azwa silik asychroiczy zwarty (pręty w żłobkach są trwale zwarte pierścieiami czołowymi). Rys.9.2. Klatka wirika silika asychroiczego zwartego

2 146 Siliki asychroicze z wirikiem zwartym o żłobkach ormalych (rys.9.3a) charakteryzują się dużymi prądami rozruchowymi I r = 55, 75, I oraz posiadają stosukowo małe momety rozruchowe ( M r 08, M ) i dlatego budowae są a małe moce (do kilku kilowatów). Przy większych mocach wiriki tych silików są zaopatrzoe w głębokie żłobki - silik głębokożłobkowy (rys.9.3b) lub w dwie klatki - silik dwuklatkowy (rys.9.3c) przez co uzyskuje się zmiejszeie prądu rozruchowego i powiększeie mometu rozruchowego. Rys.9.3. Żłobki wirika silika klatkowego: a) żłobek ormaly; b) żłobek głęboki; c) żłobek dwuklatkowy 1.2. Zasada działaia 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 f s = 60 1 p (9.1) gdzie: f - częstotliwość apięcia zasilającego, Hz, p - liczba par bieguów magetyczych uzwojeń stojaa, s- obroty pola wirującego, obr/mi. Wirujące pole magetycze przeciające pręty klatki wirika idukuje w ich siły elektromotorycze E 2 (reguła prawej dłoi), które powodują przepływ przez te pręty prądu (pręty wirika poprzez pierścieie czołowe tworzą obwody zamkięte). Wzajeme oddziaływaie prądu I 2 w prętach klatki i wirującego pola magetyczego a siebie, daje momet apędowy (reguła lewej dłoi), który powoduje obrót wirika w kieruku wirowaia pola magetyczego. gdzie: C M - stała wyikająca z daych kostrukcyjych, ϕ 2 - opóźieie prądu wirika I 2 względem E 2, Φ - strumień magetyczy, I - prąd w prętach klatki wirika. 2 M = CMΦI 2 cosϕ 2 (9.2) Wartość strumieia Φ jest warukowaa wartością apięcia fazowego uzwojeń stojaa U1f Φ 444, fz k 1 q1 gdzie: k q1 - wypadkowy współczyik uzwojeń stojaa. (9.3)

3 147 Momet elektromagetyczy wytwarzay przez silik jest w przybliżeiu proporcjoaly do kwadratu apięcia zasilającego: M CU 2 (9.4) 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 2 a pod jej wpływem I 2. Opóźiaie się wirika względem wirującego pola magetyczego azywa się poślizgiem, który wyraża się zależością s = s % 100% (9.5) Poślizg w silikach asychroiczych w warukach zamioowych zasilaia i obciążeia wyosi kilka procet. Prędkość obrotowa wirika w zależości od poślizgu; s 60f1 = s ( 1 s) = ( 1 s) (9.6) p 1.3. Rozruch silika Pierwszy momet włączeia silika do sieci a więc początek rozruchu ( = 0) charakteryzują; Ir - prąd rozruchowy, Mr - momet rozruchowy. Prąd rozruchowy powiie być możliwie mały by poprzez chwilowe obiżeie apięcia w sieci ie zakłócić pracy iych odbiorików, szczególie wrażliwych a zmiay apięcia. Momet rozruchowy powiie być możliwie duży, większy od mometu oporowego maszyy apędzaej, aby w ogóle silik ruszył z jedej stroy, z drugiej zaś by czas rozruchu był możliwie ajkrótszy. Powszechie stosowae są dwa rodzaje rozruchów silików z wirikiem zwartym; rozruch bezpośredi, rozruch za pomocą przełączika / Rozruch bezpośredi Do uzwojeń stojaa doprowadza się apięcie zamioowe. Silik w tym przypadku wytwarza ajwiększy momet rozruchowy, ale pobiera z sieci ajwiększy prąd rozruchowy, który w zależości od budowy wirika może wyosić od 4 7,5 I. W sieciach odbiorczych, z uwagi a spadek apięcia, dopuszcza się rozruch bezpośredi silików o mocy do 4 kw. W sieciach wewątrzzakładowych, bezpośredio mogą być uruchamiae siliki o większych mocach, gdyż moce trasformatorów są duże a odciki sieci elektryczej krótkie.

4 Rozruch za pomocą przełączika / Rozruch silika asychroiczego zwartego za pośredictwem przełączika być stosoway przy spełieiu astępujących kryteriów: / może 1. U = U f si l ika p sieci, 2. M r M op Pierwszy waruek ozacza, że apięcie zamioowe uzwojeia fazowego silika (z uzwojeiami połączoymi w trójkąt) odpowiada apięciu przewodowemu sieci zasilającej. W warukach przemysłowych są zazwyczaj sieci trójfazowe o apięciu 380/220 V. Silik o apięciu 380 V - w takiej sieci może być uruchamiay przez przełączik /, atomiast silik o apięciu 220/380 V może pracować tylko przy skojarzeiu uzwojeń stojaa w gwiazdę a więc ie może być uruchamiay przez przełączik /. Rys.9.4. Charakterystyka apięciowo-prądowa biegu jałowego silika asychroiczego zwartego Prąd magesujący potrzeby a wytworzeie strumieia odpowiadającego zwiększoemu apięciu do 380 V (9,3) zgodie z rys.9.4 przekroczy kilkuastokrotą wartość prądu zamioowego. Przez zastosowaie przełączika gwiazda-trójkąt uzyskuje się trzykrote zmiejszeie prądu rozruchowego pobieraego z sieci, ale jedocześie maleje trzykrotie momet rozruchowy. Stosowaie rozruchu za pomocą przełączika / umożliwia stosowaie silików o większych mocach. Np., dla zabezpieczeia o prądzie bezpieczika I b = 20 A możliwy jest rozruch bezpośredi silików o mocach do 4 Kw, atomiast do 7,5 kw z zastosowaiem przełączika / Bieg jałowy Uzwojeie stojaa jest zasilae apięciem zamioowym, atomiast wał silika jest ieobciążoy. Silik pobiera z sieci prąd Io azyway prądem biegu jałowego, który z uwagi

5 149 a dużą szczelię powietrzą pomiędzy stojaem a wirikiem jest dość zaczy i wyosi około 0,5 I. Moc czya P o pobieraa przez silik z sieci pokrywa straty mechaicze, straty w stali obwodu magetyczego i straty w uzwojeiach. Obroty wirika przy biegu jałowym są tylko iezaczie iższe od obrotów pola wirującego (poiżej 0,2%) Obciążeie silika Uzwojeie stojaa zasilae jest apięciem zamioowym, wał silika obciążoy mometem oporowym. Przy zmiaach obciążeia a wale silik samoczyie dostosowuje momet apędowy do mometu oporowego poprzez zmiaę prędkości obrotowej wirika. Silik pobiera z sieci moc pozorą S: która decyduje o stopiu obciążeia liii zasilającej silik. Składowa czya P 1 mocy pozorej S: S = 3 UI, (9.7) P = Scosϕ = UIcosϕ 1 3 (9.8) pokrywa zapotrzebowaie a moc P a wale silika oraz straty mocy P w samym siliku. Moc P a wale silika w zależości od mometu M i prędkości obrotowej wyosi: gdzie: P - W; M - N m; - obr/s ; ω - rad/s. Moc biera Q: P= ωm = 2 πm (9.9) Q= Ssiϕ= 3UIsi ϕ, (9.10) charakteryzuje wytwarzae w siliku pole magetycze warukujące jego pracę. Moc biera iezaczie wzrasta wraz ze wzrostem obciążeia silika. Dlatego współczyik mocy cosϕ: P cosϕ = = S P 1 1, (9.11) 2 2 P + Q jest warukoway przede wszystkim stopiem obciążeia silika. Najmiejszą wartość posiada przy biegu jałowym (cosϕ 0 = 0,1 0,3). Należy zatem uikać pracy silika biegącego luzem lub pracującego z iewielkim obciążeiem, gdyż to powoduje zmiejszeie stopia wykorzystaia urządzeń przesyłowych i zwiększeie strat sieciowych. Sprawość silika jako stosuek mocy a jego wale do mocy czyej pobieraej z sieci 1 η= P P 1 (9.12) zależy rówież od obciążeia. Przy biegu jałowym η = 0.

6 150 Podstawową charakterystyką ruchową silika jest charakterystyka mechaicza przedstawiająca zależość mometu apędowego M w fukcji prędkości obrotowej wirika : M = f(), przy zamioowym apięciu zasilaia (rys.9.5). Momet maksymaly M max jaki silik jest w staie wytworzyć jest zaczie większy od mometu zamioowego M, którym silik może być długotrwale obciążoy. Wyrażeie M pm = max M (9.13) azywa się przeciążalością mechaiczą która dla silików zwartych wyosi 1,8 3. Zapas mometu apędowego zapewia silikowi stabilą pracę w przypadku pojawieia się chwilowych przeciążeń. Długotrwała jedak praca silika przy momecie większym od mometu zamioowego jest iedopuszczala z uwagi a możliwość przegrzaia izolacji uzwojeń i uszkodzeń termiczych silika. Rys.9.5. Charakterystyka mechaicza silika asychroiczego 1.6. Praca ieaturala Uzwojeia stojaa połączoe w gwiazdę są zasilae apięciem zamioowym odpowiadającym połączeiu tych uzwojeń w trójkąt a wał silika jest obciążoy takim mometem oporowym, który ie powoduje przeciążeia prądowego uzwojeń (przełączik / pozostawioy w pozycji ). Napięcie fazowe silika w takim przypadku jest 3 razy miejsze od apięcia zamioowego. Zgodie z zależością (9.3) w takim samym stopiu maleje wartość strumieia magetyczego Φ. Zakładając wykorzystaie prądowe uzwojeń, zgodie z zależością M = CMΦI 2 cosϕ 2 momet wytwarzay przez silik będzie rówież 3 razy miejszy w porówaiu z mometem zamioowym. Charakterystykę mechaiczą tak pracującego silika uwzględiając związek (9.4) przedstawioo a rys.9.6. Moc a wale silika: P = 2 π M, (9.14)

7 151 uwzględiając iezacze zmiejszeie prędkości obrotowej wirika (rys.9.6) maleje do około połowy mocy zamioowej. W takiej samej proporcji maleje moc biera Q pobieraa przez silik z sieci, co korzystie wpływa a współczyik mocy cosϕ i obciążalość liii zasilającej silik. Te rodzaj pracy silika jest często stosoway w apędach obrabiarkowych, jak też powiie być stosoway w apędach roliczych, gdzie a ogół jede silik jest wykorzystyway do apędu szeregu maszy różiących się bardzo zaczym zapotrzebowaiem mocy. Rys.9.6. Praca ieaturala silika asychroiczego zwartego a tle jego charakterystyki mechaiczej aturalej Praca ieaturala może być stosowaa jeżeli moc maszyy roboczej ie przekracza połowy mocy zamioowej silika Regulacja prędkości obrotowej W silikach asychroiczych zwartych zgodie z (9.6) obroty wirika moża regulować przez: 1) zmiaę częstotliwości apięcia zasilającego, 2) zmiaę liczby par bieguów magetyczych uzwojeia stojaa. Z uwagi a stałą częstotliwość sieciową (50 Hz) do regulacji obrotów przez zmiaę częstotliwości wykorzystuje się przetworice maszyowe a ostatio coraz częściej przetworice tyrystorowe (falowiki). W drugim sposobie regulacji obrotów, uzwojeie stojaa wykouje się jako przełączale a dwie róże liczby par bieguów. Uzwojeie każdej fazy składa się z dwóch połówek, które moża łączyć szeregowo lub rówolegle (rys.9.7). Przy połączeiu rówoległym uzyskuje się skojarzeie w tzw. podwóją gwiazdę - obroty większe, przy połączeiu szeregowym uzyskuje się skojarzeie w trójkąt - obroty miejsze.

8 152 Rys.9.7. Uzwojeia stojaa silika dwubiegowego: a) podwója gwiazda - szybkie obroty; b) trójkąt - wole obroty Zmiaa kieruku obrotów Zmiaę kieruku wirowaia wirika w silikach asychroiczych trójfazowych uzyskuje się przez skrzyżowaie dwóch przewodów fazowych zasilających uzwojeie stojaa (rys.9.8). Rys.9.8. Zasilaie silika asychroiczego: a) dla obrotów w prawo; b) dla obrotów w lewo. W przypadku stosowaia do rozruchu silika przełączika / ie wolo krzyżować przewodów pomiędzy silikiem a przełączikiem, atomiast moża a zasileiu do przełączika Dae zamioowe silika Na tabliczkach umieszczaych a silikach produkcji krajowej podawae są astępujące dae: typ - p. SZJe 24b, moc a wale - p. 2,2 kw, apięcie zamioowe - p. 220/380 V, prąd zamioowy - p. 8,6/5 A, prędkość obrotowa wirika, sprawość η i współczyik mocy cosϕ odpowiadające zamioowym warukom pracy, częstotliwość, rodzaj pracy (ciągła, dorywcza, przerywaa), wytwórca i umer fabryczy. Z katalogów silików moża uzyskać poadto takie dae jak: I r / I ; M r / M oraz przeciążalość mometem M max / M.

9 Wykoaie ćwiczeia 2.1. Dae zamioowe badaego silika Należy zapozać się z tabliczką zaciskową oraz tabliczką daych zamioowych. Podstawowe dae silika zestawić w tabeli 9.1. Momet zamioowy M, moc bierą Q oraz poślizg s dla zamioowych waruków pracy silika obliczyć korzystając z zależości podaych w p.9.1. Tabela 9.1. Typ P U I cosϕ η Ir/I Mr/M Mmx/M M Q s kw V A obr/mi - % N m var % 2.2. Próba zwarcia pomiarowego Próba zwarcia ma a celu wyzaczeie prądu rozruchowego i mometu rozruchowego. Próbę przeprowadzamy dla obu układów połączeń uzwojeń stojaa tj. w gwiazdę i w trójkąt, przy zahamowaym wiriku hamulcem Proy'ego przy obiżoych apięciach astawiaych autotrasformatorem ale takich, przy których prądy uzyskają wartości zamioowe. W tym i w astępych puktach ćwiczeia wykorzystamy układ pomiarowy przedstawioy a rys.9.9. Wyiki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 9.2. W obliczeiach korzystamy z zależości: I r U 1 U = Iz, Mr = D( F1 F2)( U 2 U z gdzie: U - apięcie zamioowe odpowiadające połączeiu uzwojeń stojaa w trójkąt, U z - apięcie zasilające silik w czasie próby, I z - prąd pobieray przez silik w czasie próby, F1, F 2 - wskazaia dyamometrów, (1 kg = 9,81 N), D - średica koła pasowego hamulca. z 2 ) Q t - wyłączik tablicowy, Q b - odłączik bezpieczeństwa a stole laboratoryjym. Rys.9.9. Układ pomiarowy do badań silika asychroiczego zwartego

10 154 Tabela 9.2. D =... m; U =... V; I =... A Połączeie Pomiary Obliczeia uzwojeń U z I z F 1 F 2 I r M r I r /I r I r /I M r /M r M r /M stojaa V A kg kg A N m w gwiazdę w trójkąt 2.3. Próba rozruchu bezpośrediego i zmiaa kieruku wirowaia Próbę rozruchu bezpośrediego silika przeprowadzamy dla obu skojarzeń uzwojeń stojaa, przy apięciu zamioowym odpowiadającym połączeiu w trójkąt, przy odhamowaym wiriku. W tym celu astawiamy a wyjściu autotrasformatora wymagaą wartość apięcia. Przy zamkiętym wyłącziku Q (rys.9.9) boczikującym amperomierz A i watomierz W, celem ochroy tych mierików przed przeciążeiem prądowym, wyłączikiem Q b podajemy apięcie a silik. Pomiar powtórzyć 3-krotie dla obu skojarzeń. Prąd rozruchowy odczytujemy z amperomierza Ar współpracującego z przekładikiem prądowym w momecie gdy wskazówka mierika uzyska maksymale odchyleie. Wyiki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 9.3. Tabela 9.3. U =... V; I =... A Połączeie w Połączeie w I rśr I rśr Lp. I Ar ϑ i I r I rśr I Ar ϑ i I r I rśr I rśr I A - A A A - A A ϑ i = I 1 / I2 - przekładia przekładika prądowego. Dla uzyskaia zmiay kieruku wirowaia, zgodie z p. 1.8, skrzyżować dwa przewody fazowe a przełącziku /. Wykoać rozruch sprawdzający Porówaie wielkości charakteryzujących rozruch Porówaie wyików charakteryzujących rozruch silika, uzyskae z próby zwarcia pomiarowego i z próby rozruchu bezpośrediego z daymi zamioowymi zestawić w tabeli 9.4. Przeprowadzić dyskusję wyików uzyskaych z próby zwarcia pomiarowego i próby rozruchu bezpośrediego w odiesieiu do daych zamioowych. Zwrócić szczególą uwagę a odczyt prądu rozruchowego przy próbach rozruchu bezpośrediego silika. Tabela 9.4.

11 155 Dae zamioowe Próba zwarcia Próba rozruchu I r / I r I r / I M r / M 2.5. Charakterystyka apięciowo-prądowa biegu jałowego Zmieiając apięcie zasilające silik z uzwojeiami stojaa połączoymi w trójkąt od Umi 100V, przy którym silik już uzyskuje obroty ustaloe, do Umax przy którym prąd I 0 = 1,1 1,2 I, dokoać około 8 puktów pomiarowych. Wyiki pomiarów zestawić w tabeli 9.5. Tabela 9.5. U I 0 V A Na podstawie wyików pomiarów wykreślić charakterystykę U = f(i 0 ). Z charakterystyki U = f(i 0 ) odczytać I 0 dla apięcia U = U oraz wartość apięcia U', przy którym I 0 = I. Obliczyć: I dla U I = 0 0% 100% I U dla I0 = I U % = 100% U Przeprowadzić dyskusję otrzymaych wyików Próba obciążeia Próbę obciążeia silika przeprowadzić dla połączeia uzwojeń stojaa w trójkąt, przy apięciu zamioowym astawioym autotrasformatorem. Zmieiając obciążeie silika hamulcem Proyego (hamulec taśmowy) w graicach od prądu I 0 (bieg jałowy) do prądu I = 1,1 1,2 I dokoać około 6 puktów pomiarowych. Wyiki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 9.6. Poszczególe wielkości zamieszczoe w tabeli 9.6 obliczać z zależości podaych w poprzedich p. ćwiczeia. Na podstawie wyików uzyskaych z pomiarów i obliczeń ależy a jedym rysuku wykreślić charakterystyki: I, cosϕ, η,, Q = f(p). Na podstawie sporządzoych wykresów ależy dla I = I określić wartości: P,, cosϕ, η, Q i porówać te wartości z daymi zamioowymi (tabela 9.7). Przeprowadzić dyskusję otrzymaych wyików.

12 156 Tabela 9.6. Pomiary Obliczeia Lp. I P w F 1 F 2 P 1 F M P cosϕ η s Q A W KG KG obr/mi W N N m W - % % var P=3P ; F= F F ; M= 1 2 D F. w 1 2 Tabela 9.7. I P cosϕ η Q Dae A W obr/mi - % var z tabliczki zamioowej z pomiarów 2.7. Praca ieaturala Silik z uzwojeiami stojaa połączoymi w gwiazdę zasilamy apięciem rówym apięciu zamioowemu dla połączeia uzwojeń w trójkąt. Hamulcem taśmowym obciążamy silik tak, by prąd pobieray z sieci uzyskał wartość prądu zamioowego odpowiadającego połączeiu uzwojeń w gwiazdę. Wyiki pomiarów i obliczeń zestawić w tabeli 9.8. Z charakterystyk wyzaczoych w p.2.6 (praca aturala) dla wartości mocy a wale P osiągiętej przez silik przy pracy ieaturalej ( ), odczytać wartości: I, cosϕ, η,, Q. Porówaie wyików zestawić w tabeli 9.9. Tabela 9.8. Pomiary Obliczeia U I P w F 1 F 2 P 1 F M P cosϕ η s Q V A W kg kg W N N m W - % % var Tabela 9.9. Rodzaj pracy P I cosϕ η Q W A - % obr/mi var Naturala Nieaturala Przeprowadzić dyskusję otrzymaych wyików.

13 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 1. Budowa i zasada działaia silika. 2. Prędkość pola wirującego, prędkość obrotowa wirika, poślizg, sposób wyzaczaia prędkości obrotowej pola a podstawie zaych obrotów wirika. 3. Metody rozruchów silika oraz ich praktycze zastosowaie. 4. Kryteria stosowaia rozruchu silika za pomocą przełączika gwiazda - trójkąt oraz zalety i wady tego rozruchu. 5. Charakterystyka mechaicza silika M = f(). 6. Wpływ obciążeia silika a współczyik mocy cosϕ i jego sprawość. 7. Wpływ apięcia zasilającego a pracę silika, szczególie a momet obrotowy i prąd. 8. Charakterystyka apięciowo - prądowa biegu jałowego, oraz prąd biegu jałowego. 9. Czyiki powodujące przeciążeie silika. 10.Praca ieaturala silika: a czym polega, kiedy może być stosowaa oraz skutki takiej pracy. 11.Sposoby regulacji prędkości obrotowej silika. 12.Zmiaa kieruku obrotów w silikach uruchamiaych bezpośredio i za pomocą przełączika gwiazda - trójkąt. 13.Obliczaie mocy a wale a podstawie pomiarów próby obciążeia silika. 14.Obliczaie mometu zamioowego a podstawie tabliczki zamioowej silika. 15.Czy silik o apięciu U = 220/380 V moża zasilić z sieci trójfazowej o apięciu przewodowym U = 380 V, jeżeli tak, to w jaki sposób? Literatura: [ 10, 12, 16, 17 ]