Badanie silnika indukcyjnego jednofazowego i transformatora

Transkrypt

1 Zakład Napędów Wieloźródłowych nstytut Masyn obocych Ciężkich PW Laboratorium lektrotechniki i lektroniki Ćwicenie M3 - instrukcja Badanie silnika indukcyjnego jednofaowego i transformatora Data wykonania ćwicenia... Data oddania sprawodania... Zespół wykonujący ćwicenie: Nawisko i imię ocena końcowa Wydiał SiM PW ok ak. 0.../0... Semestr... Grupa... Warsawa 00r.

2 SPS TŚC. CL ZAKS ĆWCZNA.... SLNK NDUKCYJNY JDNOFAZOWY - WYBAN ZAGADNNA TANSFOMATO - WYBAN ZAGADNNA LTATUA POMOCNCZA.... Cel i akres ćwicenia Celem ćwicenia jest aponanie się budową i asadą diałania silnika indukcyjnego jednofaowego. Preprowadone badania laboratoryjne umożliwią analię wpływu napięcia asilania na parametry eksploatacyjne silnika w ależności od mian obciążenia. W drugiej cęści ćwicenia elementem badanym jest transformator. Pomiary laboratoryjne dotycą podstawowych parametrów elektrycnych: napięć, prądów, mocy, cosφ dla różnych stanów pracy transformatora. Analia otrymanych wyników umożliwi wynacenie parametrów namionowych urądenia; m.in. prekładni, strat w żelaie w stanie jałowym, napięcia warcia, strat mocy w miedi w stanie warcia.. Silnik indukcyjny jednofaowy - wybrane agadnienia Silnik indukcyjny jednofaowy składa się e stojana i wirnika. Nieruchomy stojan jest wykonany iolowanych wajemnie blach stalowych, charakteryujących się wyciętymi żłobkami na swym wewnętrnym obwodie. W obsare /3 wsystkich żłobków stojana jest umiescone uwojenie główne (roboce) silnika, natomiast w poostałej cęści najduje się nawinięte uwojenie fay pomocnicej (roruchowej). Wirnik wykonany jest w formie klatki dla silników małych mocy lub pierścieni dla silników dużej mocy. Uwojenie główne asilane jest wyłącnie napięciem jednofaowym - źródło prądu sinusoidalnie miennego, wytwarające w stojanie strumień magnetycny, mienny się w casie, w takt mian wywołującego go prądu, ale poostający nieruchomo w prestreni. Wytworone pole magnetycne jest polem magnetycnym pulsującym (oscylującym). W tych warunkach nieruchomy wirnik achowuje się tak jak uwojenie wtórne transformatora, w którym indukuje się SM powodując prepływ prądu w wirniku. ys.. Uwojenie silnika jednofaowego: - wirnik, -stojan, 3-uwojenie stojana, 4-uwojenie wirnika; Schematy połąceń dławikiem ora uwojeniem pomocnicym i kondensatorem.

3 W wyniku oddiaływania pulsującego strumienia magnetycnego stojana na uwojenia wirnika prądem powstają siły. Siły te nosą się wajemnie, wyniku, cego wirnik poostaje nieruchomy brak momentu napędowego (roruchowego). nnymi słowy dla prędkości ero momenty roruchowe pochodące od dwóch strumieni są sobie równe M r M r, ale preciwnie skierowane. ys.. Moment obrotowy silnika jednofaowego be fay roruchowej. Brak momentu roruchowego jest poważną wadą opisanego wyżej silnika. Aby tę wadę usunąć, stosuje się w stojanie drugie uwojenie tw. faą roruchową Obydwa uwojenia główne i roruchowe są presunięte wględem siebie w masynie dwubiegunowej o kąt 90. Prądy płynące w tych uwojeniach powinny być wględem siebie presunięte w faie o /4 okresu, tn. ich wektory powinny być presunięte o 90. Dla osiągnięcia tego stosuje się dwa rowiąania silników jednofaowych klatkowych: a) silniki faą roruchową kondensatorową; b) silniki faą roruchową oporową. ys.3. Schemat połąceń i wykres wektorowy silnika jednofaowego kondensatorową faą roruchową. Silniki faą roruchową kondensatorową mają faę roruchową pryłąconą do sieci seregowo kondensatorem. Pre faę główną płynie prąd opóźniony wględem napięcia o kąt φ, gdyż obwód fay głównej jest obwodem o charaktere indukcyjnym. Natomiast prąd wypreda napięcie o kąt φ. Dięki odpowiedniemu doborowi kondensatora uyskujemy presunięcie faowe: ϕ 0 ϕ 90 Prądy te wytwarają dwa strumienie magnetycne presunięte w prestreni o 90 0 i w faie o ¼ okresu, których wypadkowa daje pole magnetycne wirujące, podobnie jak w

4 silniku trójfaowym. A atem silnik jednofaowy faą roruchową jest w istocie silnikiem dwufaowym, asilanym jednofaowo. Cha-ka mechanicna, poślig tego silnika nicym się nie różnią od charakterystyki mechanicnej i pośligu silnika klatkowego trójfaowego. ys.4. Charakterystyka mechanicna jednofaowego silnika klatkowego oporową faą roruchową: - faą roruchową, -be fay roruchowej. n n s 00% n n prędkość synchronicna, n prędkość wirnika, Silnik jednofaowy kondensatorem stosowany służy do napędu urądeń uruchamianych pod obciążeniem, takich jak kompresory, podnośniki, pompy benynowe itp. Silnik jednofaowy reystancyjną faą roruchową jest powsechnie stosowany do napędu w pralkach domowych, pompach odśrodkowych, aparatach medycnych, polerkach i innych urądeniach niewymagających dużego momentu roruchowego, charakteryuje się: M M r n r,, 6 9 M r moment roruchowy, M n moment namionowy, r prąd roruchowy, n prąd namionowy Zastosowanie kondensatora powala na uyskanie presunięcia kątowego, ~90 0 dięki cemu powstaje kołowe pole wirujące i duży moment roruchowy: M M r n,8 n r n 3 5. ys.5. Charakterystyki roboce silnika indukcyjnego jednofaowego.

5 3. Transformator - wybrane agadnienia Transformator energetycny - urądenie elektromagnetycne statycne, służące do pretwarania energii elektrycnej prądu premiennego o danym napięciu na energię elektrycną o innym napięciu. ys.6. Budowa transformatora jednofaowego: a) rdeniowego; b) płascowego; - jarmo, - kolumna, 3 - uwojenie wysokiego napięcia, 4 - uwojenie niskiego napięcia Transformatory mogą pracować jako podwyżsające lub jako obniżające napięcie, w wiąku tym mówimy o stronie napięcia górnego i stronie napięcia dolnego. W transformatore obniżającym strona napięcia górnego jest stroną pierwotną. Obwód magnetycny transformatora stanowi rdeń, łożony cienkich blach stalowych, iolowanych od siebie. Materiałem - stal o dużej awartości kremu, w ależności od właściwości magnetycnych uyskuje się wąską lub seroką pętlę histerey magnetycnej. Ważnym problemem w transformatorach jest odpowiednie odprowadenie ciepła, powstałego w wyniku strat w rdeniu ora strat w uwojeniach miedianych pierwotnym i wtórnym, wywołanych prepływem prądu. W transformatorach małej mocy - naturalne odprowadanie ciepła na asadie konwekcji powietra i promieniowania. W transformatorach dużej mocy rdeń stalowy wra uwojeniami umiesca się w kadi wypełnionej olejem, który opróc diałania chłodącego ioluje. Ściany kadi są wyposażone w użebrowanie rurowe lub radiatory, pre które prepływa porusany siłami konwekcji nagrany olej transformatorowy. Zasada diałania transformatora polega na elektromagnetycnym oddiaływaniu kilku uwojeń, niepołąconych e sobą elektrycnie, a nawiniętych na wspólnym rdeniu, (sprężenie wspólnym strumieniem magnetycnym). Prąd premienny płynący w uwojeniu pierwotnym, wytwara premienny strumień magnetycny główny obejmujący uwojenia pierwotne i wtórne, indukując w nich napięcia. ys.7. Zasada diałania transformatora jednofaowego. Napięcie indukowane w uwojeniu wtórnym jest napięciem źródłowym dla obwodu tego uwojenia. Cęść strumienia wytworonego pre uwojenie pierwotne nie obejmuje uwojenia wtórnego, gdyż amyka się wokół własnego uwojenia - strumień roprosenia φ r. Jeżeli w obwodie wtórnym płynie prąd to wytwara własny strumień, którego cęść odejmuje się od strumienia głównego, mniejsając jego wartość. Druga cęść amyka się poa obwodem głównym, tworąc strumień roprosenia φ r.

6 ys.8. Schemat astępcy transformatora idealnego. Sinusoidalny strumień główny indukuje: e e dφ ; dt dφ ; dt m m ω φ m ω φ ; m ; w stanie jałowym napięcie U pryłożone do acisków uwojenia pierwotnego jest równoważone pre siłę elektromotorycną (U ). Na aciskach uwojenia wtórnego napięcie U równe sile elektromotorycnej (U ), cyli prekładnia transformatora: ϑ po prekstałceniach fφ m fφ m Pry ałożeniu, że źródło energii asila odbiornik popre idealny transformator be strat, moc pobrana pre odbiornik wynosi: P ys.9. Prekaywanie energii pre transformator idealny. Dla źródła, które tę moc dostarca, odbiornikiem jest inna reystancja. eystancję obciążenia widianą od strony źródła popre transformator nawano reystancją preliconą na stronę pierwotną, a wiec: P W teorii transformatorów i masyn indukcyjnych prelicamy wielkości opisujące stronę wtórną na stronę pierwotną: ϑ X ϑ X L ϑ L P ϑ ϑ

7 ys.0. Schemat astępcy transformatora recywistego. Pry prepływie prądu miennego pre uwojenie nawinięte na rdeń materiału ferromagnetycnego, w rdeniu powstają straty: - straty na histereę, (proporcjonalne do pola powierchni pętli histerey, do kwadratu indukcji i do cęstotliwości) - straty wiroprądowe (w rdeniach magnetycnych najdujących się w miennym polu magnetycnym tworą się elementarne obwody elektrycne amknięte, w których płyną prądy - prądy wirowe. Zgodnie prawem indukcji elektromagnetycnej mienny strumień magnetycny indukuje napięcie elementarne, które pry odpowiednich własnościach prewodących środowiska powoduje prepływ prądów wirowych, im więksa jest reystywność blachy, tym prądy są mniejse i ilość wydielanego ciepła jest mniejsa). Łącne starty w stali ( Fe ) - straty magnetycne, wywołane pre mienne pole magnetycne występują w rdeniu. Straty w miedi wynikają prepływu prądu pre uwojenia o reystancjach i. Pryjmuje się, że straty w uwojeniu wtórnym występują tylko w stanie obciążenia i w stanie warcia transformatora. Sprawność transformatorów energetycnych w granicach od 0,9 do 0,99, jest to ilora mocy cynnej oddanej do mocy cynnej pobieranej pre transformator: P U cos ϕ η P U cosϕ P P PFe PCu W ależności od obciążenia strony wtórnej transformatora roróżnia się następujące stany pracy: stan jałowy, stan obciążenia i stan warcia. W stanie jałowym w uwojeniu wtórnym nie płynie żaden prąd, w uwojeniu pierwotnym płynie mały prąd magnesujący, który powoduje niewielkie spadki napięcia na reystancji i indukcyjności roprosenia L r. Prekładnia napięciowa transformatora w stanie jałowym jest bliżona do wojowej. W stanie jałowym: - reaktancja wiąana e strumieniem głównym X µ, - reaktancja wiąana e strumieniem roprosenia X S, - reystancja uwojenia pierwotnego, - reystancja wiąana e stratami mocy cynnej w rdeniu transformatora Fe. ys.. Schemat astępcy transformatora pracującego w stanie jałowym.

8 W stanie jałowym w uwojeniu wtórnym nie płynie żaden prąd, w uwojeniu pierwotnym płynie prąd jałowy 0, który powoduje niewielkie spadki napięcia na reystancji i indukcyjności roprosenia L S. ys.. Wykres wektorowy transformatora w stanie jałowym. Korystając praw Kirchhoffa dla obwodów magnetycnych możemy napisać ależności dla transformatora pracującego w stanie jałowym i wykonać wykres wektorowy: 0 µ Fe U 0 jx S 0 ys.3. Charakterystyki biegu jałowego transformatora. Transformator pracuje w stanie obciążenia, gdy uwojenie pierwotne jest asilane e źródła napięcia premiennego, a do acisków uwojenia wtórnego dołącony jest odbiornik. ys.4. Schemat astępcy transformatora pracującego w stanie obciążenia. Stan obciążenia charakteryuje się tym, że wartości obydwu prądów, spadki napięcia na reystancjach i indukcyjnościach roprosenia są duże. Korystając ależności umożliwiających sprowadenie uwojenia wtórnego na stronę uwojenia pierwotnego otrymamy schemat astępcy transformatora w stanie obciążenia, który uwględnia następujące elementy składowe: - reakt. strumienia głównego X µ,

9 - reakt. strumienia roprosenia uwojenia pierwotnego X S, - reakt. strumienia roprosenia uw. wtórnego sprowadona na stronę pierwotną X S, - reystancja uwojenia pierwotnego, - reystancja uwojenia wtórnego sprowadona na stronę pierwotną, - reystancja strat mocy cynnej w rdeniu transformatora Fe, - impedancja odbiornika sprowadona na stronę pierwotną Z odb. Korystając praw Kirchhoffa dla obwodów magnetycnych możemy napisać ależności dla transformatora pracującego w stanie obciążenia i wykonać wykres wektorowy: 0 µ Fe U U jx jx jx S S S Z odb jx S Z odb ys.5. Wykres wektorowy transformatora w stanie obciążenia. ys.6. Charakterystyki stanu obciążenia transformatora. W stanie warcia w uwojeniach płyną prądy namionowe. Napięcie wtórne jest równe eru, a do uwojenia pierwotnego doprowada się napięcie równe spadkom napięć wywołanych prądami namionowymi na reystancjach uwojeń i indukcyjnościach roprosenia. Cała moc cynna pobierana pre warty transformator pokrywa wyłącnie straty, amieniając się w całości na ciepło. Ponieważ prąd jałowy 0 w stanie warcia stanowi

10 kilka 0 / 00 prądu pobieranego pre transformator możemy dokonać uproscenia w schemacie astępcym transformatora pracującego w stanie warcia. ys.7. Schemat astępcy transformatora pracującego w stanie warcia. Korystając praw Kirchhoffa dla obwodów magnetycnych możemy napisać ależności dla transformatora pracującego w stanie warcia i wykonać wykres wektorowy: Z U X Z jx Z jx jx Z jx jx U S S S S ys.8. Wykres wektorowy transformatora w stanie warcia, pry ałożeniu że, X S X S. ys.9. Charakterystyki stanu warcia transformatora. W warunkach eksploatacyjnych transformatory można połącyć równolegle, gdy: - napięcia namionowe wtórne są jednakowe, - napięcia warcia są jednakowe, - stosunek mocy namionowych jest nie więksy niż :3, - grupy połąceń transformatorów są jednakowe

11 4. Literatura pomocnica. Bieniek A. i inni Masyny i urądenia elektrycne. Koiej., Sochon B. lektrotechnika i elektronika 3. Kukurba H. Śliwa A. Zbiór adań elektrotechniki 4. Latek W. Zarys masyn elektrycnych 5. Michałowski K., Pryjałkowski A. lektrotechnika elektroniką 6. Preźdiecki F. lektrotechnika i elektronika 7. Sumanowski A. wykład lektrotechniki i elektroniki opracował: dr inż.. Krakowiak