SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY

Transkrypt

1 SILNIK INDUKCYJNY KLATKOWY. Budowa i zasada działania silników indukcyjnych Zasadniczymi częściami składowymi silnika indukcyjnego są nieruchomy stojan i obracający się wirnik. Wewnętrzną stronę stojana tworzy pakiet z blach o wyciętych żłobkach, w których są umieszczone fazy uzwojenia. (rys..) Rys.. Uzwojenie stojana silnika indukcyjnego (schemat ideowy). Wirnik może być klatkowy lub pierścieniowy. Wirnik klatkowy (zwarty) ma uzwojenie w postaci klatki wykonanej z nieizolowanych prętów połączonych na końcach pierścieniami zwierającymi (rys..). Wirnik pierścieniowy ma uzwojenie wykonane z drutu nawojowego, podobnie jak stojan. Końce faz uzwojenia są ze sobą zwarte, tworząc tzw. punkt gwiazdowy, początki natomiast są połączone z pierścieniami ślizgowymi umieszczonymi na wale (rys..). Do pierścieni ślizgowych przylegają szczotki, które umożliwiają połączenie wirujących uzwojeń wirnika z obwodami zewnętrznymi (najczęściej są to rezystancje rozruchowe bądź regulacyjne). Rys.. Budowa silnika indukcyjnego klatkowego a klatka, b wirnik, c silnik w przekroju Zasada działania silników indukcyjnych opiera się na wykorzystaniu zjawiska indukcji elektromagnetycznej. Źródłem strumienia magnetycznego jest uzwojenie stojana, którego fazy rozmieszczone na obwodzie co 0º są zasilane napięciami -fazowymi, przesuniętymi w fazie także o 0º. Pole magnetyczne to wirujące pole kołowe, którego prędkość wirowania, zwana prędkością synchroniczną, opisuje się wzorem:

2 0 f n = p gdzie: f częstotliwość napięcia zasilającego, p liczba par biegunów. Rys.. Wirnik silnika indukcyjnego pierścieniowego Pole wirujące przecina uzwojenia wirnika i indukuje w nim napięcia. Jeżeli obwód wirnika jest zamknięty, to pod wpływem tych napięć płyną prądy. Prądy te, łącznie z polem magnetycznym stojana, są źródłem momentu wirnika. Pod wpływem tego momentu wirnika się obraca. Prędkość wirowania wirnika n jest mniejsza od prędkości synchronicznej (silnik asynchroniczny). W silnikach indukcyjnych używa się powszechnie pojęcia poślizgu s: n n s = n gdzie: n prędkość synchroniczna, n prędkość wirnika. Gdy wirnik silnika asynchronicznego jest nieruchomy, wówczas jego prędkość obrotowa przyjmuje wartość zero (n = 0), a poślizg s =. Przy prędkości wirnika równej prędkości synchronicznej poślizg jest równy zeru (s = 0). Rys.. Charakterystyki: momentu i prądu stojana silnika indukcyjnego

3 Charakterystyka momentu M oraz charakterystyka prądu stojana I w funkcji obrotów (poślizgu) zostały przedstawione na rys.. Na podstawie tego rysunku można łatwo prześledzić charakterystyczne punkty obu charakterystyk. Prąd stojana silnika ma największą wartość I r przy nieruchomym wirniku (n = 0, s = ), a moment rozruchowy M r nie przyjmuje wtedy swej największej wartości. Maksymalna wartość momentu M max występuje przy poślizgu tzw. krytycznym s k.. Rozruch silników indukcyjnych klatkowych Włączenie silnika do sieci o pełnym napięciu wiąże się z wystąpieniem dużych (od do I N ) prądów rozruchowych. Jest to niebezpieczne zarówno dla silnika (skutki termiczne, elektrodynamiczne), jak i dla zasilającej sieci (duży spadek napięcia w sieci). Najpowszechniej stosowane są następujące sposoby rozruchu silników asynchronicznych klatkowych: - rozruch bezpośredni, - rozruch napięciowy. Rozruch bezpośredni, polegający na bezpośrednim włączeniu silnika do sieci o pełnym napięciu występuje tylko w przypadku sieci dopuszczającej tak duży chwilowy pobór prądu (sieć o odpowiednio dużej mocy zwarcia) i przy napędach o krótkim czasie rozruchu. W silnikach większej mocy o długim czasie rozruchu stosuje się rozruch napięciowy. Rys.. Wpływ napięcia zasilania: a) na zależność prądu stojana od prędkości, b) na charakterystykę mechaniczną Rozruch napięciowy, polega na zmniejszeniu prądów rozruchowych poprzez obniżenie napięcia zasilającego (rys.a). W pierwszej chwili rozruchu zasila się silnik napięciem obniżonym, które w miarę wzrostu prędkości silnika podnosi się do wartości znamionowej. Napięcie zasilania można zmieniać płynnie, stosując zasilanie z regulatora napięcia, lub skokowo, stosując przełącznik gwiazda trójkąt (rys..). W przypadku przełącznika gwiazda-trójkąt uzwojenie stojana silnika pracujące normalnie przy połączeniu w trójkąt jest w trakcie rozruchu przełączone za pomocą przełącznika w gwiazdę. Dzięki temu przełączeniu następuje w czasie rozruchu obniżenie razy napięcia przypadającego na fazę uzwojenia.

4 Rys.. Rozruch silnika indukcyjnego za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt a połączenie w gwiazdę, b połączenie w trójkąt, c silnik z nadbudowanym przełącznikiem gwiazda - trójkąt Przy obniżeniu napięcia zasilającego następuje także zmniejszenie wartości momentu (rys..b), w tym także momentu rozruchowego M r. Nie zmienia się jednak miejsce występowania na charakterystyce mechanicznej momentu maksymalnego M max, czyli nie zmienia się poślizg krytyczny s k. Zmniejszenie wartości momentu rozruchowego ma bezpośredni wpływ na przebieg i dynamikę rozruchu. Może się zdarzyć nawet tak, że moment obciążenia w chwili rozruchu jest większy niż moment rozruchowy rozwijany przez silnik. W takim przypadku rozruch jest niemożliwy. Rys.. Wpływ częstotliwości zasilania na charakterystykę mechaniczną silnika: a) przy stałej wartości napięcia zasilania U = const, b) przy proporcjonalnej zmianie napięcia

5 zasilania i częstotliwości U /f = const, c) przy parametrycznej zmianie U i f zapewniającej M k = const, d) przy parametrycznej zmianie U i f zapewniającej M r = const Regulacja prędkości obrotowej uzyskać można poprzez zmianę częstotliwości napięcia zasilania. (rys..) Wymaga to jednak instalowania specjalnego urządzenia, stanowiącego źródło prądu trójfazowego o regulowanej częstotliwości, tzw. przetwornicy częstotliwości.

6 . POMIARY.. Oznaczenia U V, I A, - zakresy pomiarowe woltomierza, amperomierza U, I, P - napięcie, prąd i moc w czasie pomiaru I N - znamionowy prąd watomierza U N - znamionowe napięcie watomierza cosϕ N - znamionowy współczynnik mocy watomierza α m - maksymalna liczba działek skali miernika α - liczba działek miernika podczas pomiaru C V, C A, C W - stałe woltomierza, amperomierza i watomierza. Zapoznanie się tabliczką znamionową silnika Zapoznać się z danymi znamionowymi silnika indukcyjnego, które należy umieścić w sprawozdaniu.. Bieg jałowy silnika Zapoznać się z układem pomiarowym na rysunku. i zidentyfikować elementy w rzeczywistym układzie pomiarowym. Następnie należy określić stałe mierników według zależności: = [] = [] = [] Rys... Schemat układu pomiarowego bieg jałowy Po dokonanym rozruchu (rozruch napięciowy z użyciem autotransformatora) należy wykonać pomiary nieobciążonego silnika, mierząc prądy stojana, moce pobierane przez poszczególne fazy w funkcji napięcia zasilania, zmieniając je od wartości,u N w dół. Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli..

7 Tabela.. U I I I = C V α [V] C A α [A] C A α [A] C A α [A] [A] 0 0 P P P = + + C W α [W] C W α [W] C W α [W] [W] Do sprawozdania należy wykonać charakterystyki I 0 =f(u), P 0 =f(u) (ręcznie na papierze milimetrowym lub komputerowo) pamiętając, że układ współrzędnych rozpoczynamy w punkcie (0,0).

8 . Stan obciążenia silnika Zapoznać się z układem pomiarowym na rysunku. i określić stałe mierników (wzory:,, ). Pomiary przy obciążeniu są podstawą do wyznaczenia charakterystyki mechanicznej silnika, zależności prądu pobieranego przez silnik w funkcji obrotów oraz charakterystyki sprawności silnika. Rys... Schemat układu pomiarowego stan obciążenia silnika.. Stan obciążenia silnika przy U=U N. Po dokonanym rozruchu należy ustawić napięcie zasilania równe U N badanego silnika. Należy mierzyć moc pobieraną przez poszczególne fazy silnika, prądy stojana oraz obroty w zależności od zmian obciążenia M. Wyniki pomiarów i obliczeń zamieścić w tabeli.. 0 Tabela. M I I I = [Nm] C A α [A] C A α [A] C A α [A] [A]

9 0 n P P P = + + [obr/min] C W α [W] C W α [W] C W α [W] [W] Do sprawozdania należy wykonać obliczenia mocy oddanej (P odd ) oraz sprawności silnika z zależności: = [], = [] Zamieścić przykładowe obliczenia, a wyniki zamieścić w tabeli. Tabela.. 0 P odd η [W] [-] Należy wykonać charakterystyki I =f(n), M=f(n), η=f(p odd ) (ręcznie na papierze milimetrowym lub komputerowo) pamiętając, że układ współrzędnych rozpoczynamy w punkcie (0,0).

10 .. Stan obciążenia przy U<U N. Należy obniżyć napięcie zasilania do poziomu wskazanego przez prowadzącego zajęcia i powtórzyć pomiary jak w punkcie.. Wyniki pomiarów zamieścić w tabeli.. 0 Tabela.. M I I I = [Nm] C A α [A] C A α [A] C A α [A] [A] 0 n P P P = + + [obr/min] C W α [W] C W α [W] C W α [W] [W] Do sprawozdania należy wykonać obliczenia mocy oddanej (P odd ) oraz sprawności silnika z zależności (, ) Zamieścić przykładowe obliczenia, a wyniki obliczeń zamieścić w tabeli.

11 Tabela.. 0 P odd η [W] [-] Należy wykonać charakterystyki I =f(n), M=f(n), η=f(p odd ) (ręcznie na papierze milimetrowym lub komputerowo) pamiętając, że układ współrzędnych rozpoczynamy w punkcie (0,0). Na końcu sprawozdania umieścić odpowiednie wnioski dotyczące przeprowadzonego ćwiczenia. SPRAWOZDANIE Sprawozdanie wykonane ręcznie lub przy użyciu komputera. Sprawozdanie powinno zawierać:.. Część formalna (strona tytułowa):... Temat ćwiczenia laboratoryjnego... Skład zespołu laboratoryjnego... Data wykonania ćwiczenia.. Część pomiarowa i wynikowa (każdy punkt z osobna)... Schemat pomiarowy... Tabela z wynikami... Wszystkie niezbędne obliczenia (pamiętając o jednostkach) i wykresy... Wnioski związane z przeprowadzonymi pomiarami i obliczeniami.. Protokół z laboratorium podpisany przez prowadzącego