Badanie silnika indukcyjnego I (asynchronicznego)

Transkrypt

1 POLTECHNKA ŚLĄSKA WYDAŁ NŻYNER ŚRODOWSKA ENERGETYK NSTYTT MASYN RĄDEŃ ENERGETYCNYCH LABORATORM ELEKTRYCNE Badanie silnika indukcyjnego (asynchronicznego) (E 5) Opracował: Dr inż. Włodziierz OGLEWC

2 3. Cel ćwiczenia Cele ćwiczenia jest wyznaczenie charakterystyk biegu jałowego i zwarcia silnika indukcyjnego klatkowego. Wykonane poiary uożliwią także wyznaczenie wartości paraetrów eleentów scheatu zastępczego silnika.. Wprowadzenie Maszyna indukcyjna jest aszyną elektryczną, służącą do przetwarzania energii elektrycznej w energię echaniczną lub odwrotnie. Przetwarzanie energii odbywa się za pośrednictwe pola agnetycznego. Generalnie aszyny indukcyjne to aszyny, w których napięcie w obwodzie wirnika pojawia się w wyniku indukcji elektroagnetycznej (bez zasilania z zewnątrz). proszczony scheat konstrukcyjny silnika indukcyjnego klatkowego w przekroju przedstawia rysunek Rys... Maszyna indukcyjna klatkowa w przekroju uproszczony Każda aszyna wirująca a część nieruchoą stojan wewnątrz której znajduje się część ruchoa wirnik. Wirnik osadzony jest nieruchoo na wale {} łożyskowany względe korpusu aszyny {}. Obwód agnetyczny aszyny wirującej (w odróżnieniu od transforatora) składa się z dwóch części: rdzenia stojana

3 4 {4} i rdzenia wirnika {5}, oddzielonych od siebie szczeliną powietrzną. Rdzenie stojana i wirnika wykonane są z pakietu blach izolowanych iędzy sobą. W blachach rdzeni wykonane są tzw. żłobki, których przykładowy kształt pokazano na rysunku.. W żłobkach uieszcza się uzwojenie stojana {3} i wirnika {6}. Maszyny z uzwojenie trójfazowy, zwane pierścieniowyi, wyposażone są w pierścienie ślizgowe i szczotki, uożliwiające podłączenie obwodu wirnika do rozrusznika lub regulatora prędkości obrotowej. Prostsza i tańsza aszyna klatkowa a uzwojenie wykonane z prętów zwartych na końcach pierścieniai czołowyi. zwojenie klatkowe pokazano na rysunku.3. Rys..3. zwojenie aszyny indukcyjnej klatkowej Rys... Blachy rdzeni ze żłobkai Silniki klatkowe to najczęściej stosowane aszyny elektryczne. Wynika to z ich wielu zalet, z których najważniejsze są: prostota budowy, niska cena, niezawodność i długie okresy eksploatacji bez konieczności dokonywania zabiegów konserwacyjnych. Do niedawna największą wadą silników klatkowych zwartych były kłopoty związane z ich rozruche i regulacją prędkości obrotowej. Dzięki zastosowaniu przeienników częstotliwości i urządzeń łagodnego startu właściwości ruchowe silników klatkowych zwartych stały się porównywalne z najlepszyi pod ty względe silnikai prądu stałego. asada działania obu typów silników indukcyjnych (klatkowego i pierścieniowego) jest taka saa. zwojenia stojana zasilane prąde trójfazowy wytwarzają kołowe pole agnetyczne wirujące względe nieruchoego stojana z prędkością synchroniczną n S. [ obr ] f 6 f éù = = p êsú, () ë û p in ns

4 5 gdzie: f częstotliwość prądu zasilającego stojan, p liczba par biegunów pola agnetycznego (liczba naturalna zależna od nawinięcia uzwojeń stojana). Przykładowo, dla częstotliwości sieciowej f = 5 Hz i przy jednej parze biegunów p = prędkość synchroniczna wyniesie n S = 3 obr/in (dla p =, n S = 5 obr/in itd.). Wirujące pole agnetyczne wywołane przez prądy stojana indukuje w nieruchoych (początkowo) uzwojeniach wirnika siły elektrootoryczne, pod wpływe których w zaknięty obwodzie wirnika płynie prąd. Oddziaływanie wirującego pola agnetycznego stojana na przewody wiodące prąd w wirniku jest przyczyną powstania oentu elektroagnetycznego, będącego oente obrotowy wału wirnika. Wirnik zaczyna się obracać, jego prędkość względe stojana wzrasta, a względe wirującego pola agnetycznego aleje. Maleją równocześnie wartości sił elektrootorycznych indukowanych w uzwojeniach wirnika i zniejsza się oent obrotowy. W rezultacie ustali się (przy dany obciążeniu) prędkość obrotowa o wartości n niejszej od prędkości synchronicznej n S. Różnicę prędkości synchronicznej n S i obrotowej (bieżącej) n odniesioną do prędkości synchronicznej nazyway poślizgie s. s n S =. () n - n Przy nieruchoy wirniku (n = ) poślizg a wartość jeden (s = ), gdyby wirnik kręcił się z prędkością synchroniczną (n = n S ), to poślizg iałby wartość zero (s = ). Fakt, że wirnik silnika indukcyjnego nie oże obracać się z prędkością synchroniczną n S (dla prędkości synchronicznej oent elektroagnetyczny jest równy zeru), spowodował, iż drugą pełnoprawną nazwą aszyn indukcyjnych jest nazwa aszyny asynchroniczne. Prędkość silnika asynchronicznego wyrażona za poocą poślizgu dana jest zależnością: f n = ( -s). (3) p Częstotliwość przebiegu indukowanego w obwodzie wirnika f zależy od różnicy prędkości pola i wirnika (n S n) i wyrażona za poocą poślizgu jest równa: f S ( n - n) p =. (4) S względniając zależności () i (3), otrzyujey ostatecznie: f = f s. (5)

5 6.. Scheat zastępczy (jednej fazy) aszyny indukcyjnej Analizę pracy aszyn elektrycznych (jak o ty wsponiano w ćwiczeniu Badanie transforatora ) wygodnie jest przeprowadzać w oparciu o scheat zastępczy. Między sposobe sporządzania scheatu zastępczego aszyny indukcyjnej a transforatora istnieje bardzo duża analogia. W scheacie zastępczy aszyny indukcyjnej uwzględnia się następujące eleenty: X μ reaktancję indukcyjną związaną z wirujący struienie główny Φ, X R reaktancję indukcyjną związaną ze struienie rozproszenia w stojanie Φ R, X R reaktancję indukcyjną związaną ze struienie rozproszenia w wirniku Φ R, R Fe rezystancję obrazującą straty ocy w rdzeniu stojana, R rezystancję uzwojenia stojana, R rezystancję uzwojenia wirnika. Na scheacie zastępczy poinięto straty w rdzeniu wirnika, straty w izolacji, prądy pojenościowe i prądy upływu. Scheat zastępczy aszyny indukcyjnej przedstawiono na rysunku.4. R X R X R R R X X R f = const Fe R Fe E X E E f = var Obwód stojana Obwód wirnika Rys..4. Scheat zastępczy aszyny indukcyjnej (postać ) Należy zwrócić szczególną uwagę na fakt, że przy zianie prędkości obrotowej wału wirnika n (co równoważne jest stwierdzeniu o zianie poślizgu s) zieniają się wartość skuteczna i częstotliwość prądu w obwodzie wirnika, wartość skuteczna i częstotliwość siły elektrootorycznej E indukowanej w wirniku oraz wartość reaktancji indukcyjnej obwodu wirnika X R. W celu zbudowania scheatu

6 7 zastępczego aszyny indukcyjnej, w który obwód wirnika byłby połączony z obwode stojana (postać ), nie wystarczy sprowadzić paraetrów wirnika na stronę stojana. Pierwotnie należy wprowadzić zastępczy wirnik, w który częstotliwość f byłaby równa częstotliwości f stojana. W wirniku zastępczy nieruchoy względe stojana, w który f = f, należy wyznaczyć paraetry zastępcze uzależnione od ziennej wartości poślizgu s. Fizykalnie stan, w który f = f, jest stane zwarcia aszyny indukcyjnej, co dla silnika klatkowego oznacza, że do uzwojenia stojana jest doprowadzone napięcie, a wirnik jest nieruchoy (jak przy każdy załączeniu). Wartość siły elektrootorycznej indukowanej w ty stanie w wirniku wynosi E. Siła elektrootoryczna indukowana w N zwojach wirnika nieruchoego wynosi E z prędkością n siła elektrootoryczna wyniesie (5) zapiszey = πf N Φ. W ty say wirniku obracający się E = πf N Φ. Po uwzględnieniu = E s. (6) E Ograniczając rozważania jedynie do silnika klatkowego zwartego, ożna napisać zależność prądu wirnika w postaci E =. (7) R + X R Po uwzględnieniu (5) wyznaczay wartość reaktancji X R dla częstotliwości f, którą oznaczay jako X R X = π f L = π f s L = s X. (8) R Po podstawieniu do zależności (7) otrzyujey E s E = =. (9) R + X s R æ R ö ç + XR è s ø zależności (9) wynika, że zianę poślizgu w rzeczywistej aszynie uwzględnia eleent rezystancyjny R, którego wartość ożey przedstawić jako suę s rzeczywistej rezystancji uzwojenia wirnika R oraz członu zależnego od poślizgu i reprezentującego obciążenie wału silnika ocą czynną R s R s = R + R. s - Po dokonaniu oówionych zabiegów otrzyujey scheat zastępczy aszyny indukcyjnej z zastępczy wirnikie zasilany przebiegie o częstotliwości sieci f.

7 8 Scheat zastępczy silnika klatkowego (przed sprowadzenie paraetrów wirnika na stronę stojana) pokazano na rysunku.5. R X R X R R R X X R f = const Fe R Fe E X E E f = f = const - s R s Obwód stojana Obwód wirnika zastępczego Rys..5. Scheat zastępczy aszyny indukcyjnej (postać ) z wirnikie zastępczy Sprowadzenia (przeliczenia) wielkości strony wirnika (wtórnej) na stronę stojana (pierwotną) dokonuje się korzystając z pojęcia przekładni napięciowej przekładni prądowej J zdefiniowanych następująco: gdzie: N, N liczba zwojów,, liczba faz, E N k J oraz J = =, () E N k N k J = J =, () N k k, k współczynniki uzwojenia (zależne od sposobu wykonania). Dla stojana zastosowano indeks ( ), a dla wirnika ( ). Po sprowadzeniu wielkości wirnika na stronę stojana otrzyujey następujące paraetry: sprowadzone napięcie E = E J oraz ogólnie = J, () sprowadzony prąd sprowadzona rezystancja R = R J J albo sprowadzona reaktancja X = X J J albo =, (3) J R = R J, (4) X = X J. (5)

8 9 Scheat zastępczy aszyny indukcyjnej klatkowej po sprowadzeniu wirnika na stronę stojana przedstawiono na rysunku.6. R X R ' X' R R' R X ' X ' R Fe R Fe E=E' X ' s R - s Rys..6. Scheat zastępczy aszyny indukcyjnej (postać ).. Bieg jałowy silnika indukcyjnego W warunkach biegu jałowego silnik indukcyjny wiruje z prędkością zbliżoną do prędkości synchronicznej ( n» ), występuje wtedy niewielki poślizg ( s» ). Mały ns poślizg powoduje, że częstotliwość f = s f prądu i napięcia w wirniku jest bardzo ała, co w konsekwencji daje poijalnie ałe straty w stali wirnika. powodu bardzo ałej wartości siły elektrootorycznej E = s E w uzwojeniu wirnika płynie prąd o ałej wartości natężenia poijalne są również straty w iedzi wirnika. Moc oddawana przez silnik biegnący jałowo jest równa zeru (nieobciążony wał silnika). Cała oc P pobierana przez silnik zasilany napięcie fazowy i wyuszający ze źródła prąd idzie na pokrycie strat w stojanie, w ty na: straty w uzwojeniu stojana straty w rdzeniu stojana ΔP = R, (6) Cu Fe ΔP», (7) Fe R straty echaniczne ΔP» const. (8) Straty w rdzeniu stojana i straty echaniczne nie zależą od obciążenia na wale silnika. W uproszczony scheacie zastępczy dla biegu jałowego ożna poinąć cały obwód wirnika (analogicznie do przypadku uzwojenia wtórnego transforatora).

9 Scheat zastępczy (uproszczony) dla biegu jałowego silnika indukcyjnego pokazano na rysunku.7. R X R R X Fe RFe E X Rys..7. proszczony scheat zastępczy silnika indukcyjnego klatkowego na biegu jałowy naczny prąd jałowy = (,5,5) N i ały współczynnik ocy przy biegu P jałowy cosj =»,, stanowią zasadnicze wady silników 3 indukcyjnych..3. Stan zwarcia silnika indukcyjnego W warunkach zwarcia silnik indukcyjny jest unieruchoiony, prędkość wynosi zero ( n = ), a poślizg jeden ( s = ). W wyniku tego prąd wirnika w przybliżeniu równy prądowi stojana jest duży, tzn. dochodzący do wartości dziesięciokrotnie większych niż prąd znaionowy. Moc echaniczna nie jest wydawana, ponieważ wirnik się nie obraca. W praktyce poiarowej realizuje się stan zwarcia zasilając silnik indukcyjny napięcie o takiej wartości, żeby w uzwojeniu stojana płynął prąd znaionowy N. Cała oc P pobierana z sieci idzie na pokrycie strat w uzwojeniu wirnika i stojana (w iedzi). Straty ocy w rdzeniu są do poinięcia ze względu na bardzo ałą wartość (zwłaszcza przy obniżony napięciu). P = ΔP + ΔP. (9) Cu W uproszczony scheacie zastępczy dla stanu zwarcia (analogicznie do przypadku transforatora) ożna poinąć całą gałąź poprzeczną. Scheat zastępczy (uproszczony) przy zwarciu silnika indukcyjnego pokazano na rysunku.8. Cu

10 R X R ' X' R R' R X» ' X ' R E =E' Rys..8. proszczony scheat zastępczy silnika indukcyjnego klatkowego w stanie zwarcia 3. Badania i poiary 3.. Określenie wielkości ierzonych Wielkościai ierzonyi są: napięcia iędzyfazowe, natężenia prądów przewodowych i oce czynne występujące w układzie zasilania silnika indukcyjnego w stanie zwarcia i w stanie biegu jałowego. Przy poiarach na biegu jałowy dodatkowo ierzy się prędkość obrotową wału silnika. Na podstawie danych poiarowych wyznacza się charakterystyki biegu jałowego i zwarcia oraz wyznacza się wartości eleentów scheatu zastępczego (jednej fazy) silnika indukcyjnego. 3.. Scheat stanowiska Stanowisko poiarowe zasilane jest z regulowanego źródła prądu ziennego autotransforatora ATr. W skład układu wchodzi tzw. walizka poiarowa, uożliwiająca poiar wartości natężeń prądów przewodowych (oddzielnie w każdej fazie trzy aperoierze), wartości napięć iędzyfazowych i jednego napięcia fazowego (jeden woltoierz z przełącznikie) oraz poiaru ocy czynnej obwodu trójfazowego (jeden watoierz wieloustrojowy). Przykładowy układ poiarowy wykorzystujący przekładniki i zestaw przyrządów zwanych walizką poiarową przedstawiono na rysunku.9.

11 L ATr n L L3 M N V W V W V W W var 44V 55V 5A A A V W A V V A 5A 5A A V V - W V - W O V - V - N A W W Rys..9. Scheat układu poiarowego z walizką poiarową 3.3. Przebieg ćwiczenia. Odczytać i zanotować dane znaionowe badanego silnika.. ierzyć rezystancję stojana badanego silnika indukcyjnego. żyć ostka do poiaru rezystancji lub zastosować etodę techniczną zgodnie z polecenie prowadzącego zajęcia. 3. Sprawdzić, czy wał silnika obraca się swobodnie? 4. Sprawdzić, czy przełączniki zakresów walizki poiarowej ustawione są na wartości aksyalne a pokrętło autotransforatora na wartość inialną? 5. Włączyć stanowisko i powoli rozpędzać silnik zwiększając napięcie autotransforatora do wartości napięcia znaionowego silnika.

12 3 6. Odczekać 5 inut dla ustalenia się teperatur w silniku. 7. djąć charakterystykę biegu jałowego (proponowane wartości napięć: 4 V, 35 V, 3 V, 5 V, V, 5 V, V nie należy poinąć wartości napięcia znaionowego) ierząc: napięcia, prądy, oc i prędkość obrotową. ierzone wartości należy wpisywać do tabeli.. Tabela. Dane z tabliczki znaionowej silnika: Poiary Obliczenia Rezystancja fazy twornika R Ω Lp V VW W V W P n cosj s ΔP Cu ΔP ΔP Fe V V V A A A W /s V V A W W W itd. 8. Wyłączyć zasilanie stanowiska i odczekać, aż wał silnika się zatrzya. 9. Eksperyentalnie wybrać położenie wału silnika (przy niewielki napięciu zasilania), w który natężenie prądu a wartość środkową iędzy wartością aksyalną i inialną. ablokować wał silnika w ty położeniu.. djąć charakterystykę zwarcia (proponowane wartości napięć: 6 V, 5 V, 4 V, 3 V, V, V nie należy poinąć wartości napięcia przy prądzie znaionowy, tj. napięcia zwarcia * ) ierząc: napięcia, prądy i oc. ierzone wartości należy wpisywać do tabeli.. Tabela. Poiary Obliczenia Lp Vz VWz Wz z Vz Wz P cosj ΔP Cu R X ΔP Cu V V V A A A W V A W Ω Ω Ω W itd. Napięcie zwarcia * V %

13 4 4. Opracowanie wyników poiarów. Wypełnić części obliczeniowe tabel.. i.., stosując zależności: a) dla napięć i natężeń prądów,,, (wartości średnie napięć iędzyfazowych i prądów przewodowych ierzonych w trzech fazach): + + V W VW =, () V W =, () Vz Wz VWz =, () z Vz Wz =, (3) 3 b) dla współczynników ocy biegu jałowego i w stanie zwarcia: cos cos c) dla poślizgu przy biegu jałowy: s = P j, (4) 3 = P j, (5) 3 n - n S =, (6) ns d) dla rezystancji, ipedancji i reaktancji (jednej fazy) przy zwarciu: R P», (7) 3 e) dla całkowitych strat ocy kolejno: w stojanie przy biegu jałowy w stojanie przy zwarciu w wirniku przy zwarciu =, (8) 3 X = -R, (9) ΔP = 3 R, (3) Cu Cu ΔP = 3 R, (3) Cu ΔP» P - ΔP, (3) w rdzeniu stojana ΔP P - ( ΔP + ΔP ) Fe Cu», (33) Cu

14 5 f) straty echaniczne ΔP» const szacujey z charakterystyki P = f( ).. Wykreślić charakterystykę biegu jałowego silnika indukcyjnego P w funkcji kwadratu napięcia zasilającego (iędzyfazowego). 3. Wykreślić charakterystyki biegu jałowego silnika indukcyjnego, P, cosj, w funkcji napięcia zasilającego (wszystkie charakterystyki uieszczone na jedny wykresie powinny różnić się od siebie kolore i/lub charaktere linii i opise). 4. Wykreślić charakterystyki stanu zwarcia silnika indukcyjnego, P, cosj, w funkcji napięcia zasilającego (wszystkie charakterystyki uieszczone na jedny wykresie powinny różnić się od siebie kolore i/lub charaktere linii i opise). 5. Narysować pełny scheat zastępczy silnika indukcyjnego (postać ) i podać na scheacie wartości paraetrów wyznaczonych dla wartości znaionowych prądu i napięcia: a) R z poiarów w stanie zwarcia dla prądu znaionowego: R R» (34) oraz dla porównania (w nawiasie) z poiarów bezpośrednich (punkt 3.3. podpunkt.): b) R Fe, X µ z poiarów w stanie jałowy dla napięcia znaionowego: ( - R ) 3 E 3 Fe ΔP P - 3 R - ΔP P - 3 R Fe X =, (35) P E - R (36) μ 3 μ - Fe c) R z poiarów w stanie zwarcia dla prądu znaionowego: ΔP P R -, (37) R - R = - R» R 3 3 d) X R, X R z poiarów w stanie zwarcia przy założeniu: X = X R R (założenie to powoduje błąd 5 % [4]), (38) X - cos j = R = R tgj, (39) R cosj X = X - X. (4) R R

15 6 6. Wyznaczyć wartości napięcia zwarcia w ostatniej rubryce tabeli.. * * * oraz u = % i zapisać je % N 5. Sprawozdanie Sprawozdanie powinno zawierać:. Stronę tytułową (nazwę ćwiczenia, nuer sekcji, nazwiska i iiona ćwiczących oraz datę wykonania ćwiczenia).. Dane znaionowe badanej aszyny indukcyjnej (oc, napięcie, prąd, obroty, współczynnik ocy). 3. Scheat układu poiarowego. 4. Tabele wyników poiarowych wraz z obliczeniai. 5. Wykresy podanych w punkcie 4. zależności. 6. Scheat zastępczy jednej fazy silnika indukcyjnego z wpisanyi wartościai wyienionych w punkcie 4. paraetrów. 7. wagi i wnioski (dotyczące przebiegu charakterystyk, ich odstępstw od przebiegów teoretycznych, wartości wyznaczonych paraetrów scheatu zastępczego, poprawności etody poiaru, rozbieżności poiędzy przybliżoną wartością rezystancji uzwojenia stojana obliczoną dla stanu zwarcia a jej wartością zierzoną itp.).