Badanie silnika asynchronicznego jednofazowego Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i zasady funkcjonowania silnika jednofazowego. W ramach ćwiczenia badane są zmiany wartości prądu rozruchowego w uzwojeniu głównym i rozruchowym. Wprowadzenie Jednofazowy silnik klatkowy zbudowany jest podobnie jak silnik trójfazowy, tzn. składa się ze stojana i wirnika klatkowego. W stojanie umieszczone jest uzwojenie jednofazowe, które może mieć jedną, lub więcej par biegunów. W przypadku jednej pary biegunów uzwojenie to składa się z jednej cewki, której boki umieszczone są w kilku sąsiednich żłobkach i wytwarzają dwubiegunowe pole magnetyczne (pokazane na rys. 1). Jest to pole magnetyczne pulsujące. Rys.1. Pole magnetyczne i schemat połączeń silnika jednofazowego klatkowego (bez fazy rozruchowej ) Pulsujący strumień Φ można rozłożyć na dwa strumienie Φ 1 i Φ 2, wirujące w przeciwnych kierunkach z prędkością synchroniczną dla danej liczby par biegunów. Każdy z tych strumieni wytwarza moment obrotowy, jak przy hamowaniu jednofazowym, jednakże w przypadku silnika klatkowego o małym poślizgu krytycznym moment wypadkowy nie jest momentem hamującym, lecz napędowym (rys. 2). 1
Rys. 2.Moment obrotowy silnika jednofazowego (bez fazy rozruchowej) Dla n = 0 momenty rozruchowe pochodzące od obu pól wirujących są sobie równe M r1 = M r2 i przeciwnie skierowane, wskutek czego wypadkowy moment rozruchowy równa się zeru i silnik nie może sam ruszyć z miejsca. Jeżeli jednak wirnikowi nadamy początkową prędkość w dowolnym kierunku na drodze mechanicznej np. przez pokręcenie ręką, wówczas występuje przewaga momentu napędowego nad hamującym i silnik zaczyna się obracać. W zależności od obciążenia ustali się punkt pracy przy niewielkim poślizgu, podobnie jak w silniku trójfazowym. Brak momentu rozruchowego jest poważną wadą tych silników. Aby ją usunąć stosuje się w stojanie drugie uzwojenie, zwane fazą rozruchową. Obydwa uzwojenia są przesunięte względem siebie w maszynie dwubiegunowej o kąt 90. Prądy płynące w tych uzwojeniach powinny być względem siebie przesunięte w fazie o 1/4 okresu, tzn. ich wskazy powinny być przesunięte o 90. Dla osiągnięcia tego stosuje się dwa rozwiązania silników jednofazowych klatkowych: 1. Silniki z fazą rozruchową kondensatorową, 2. Silniki z fazą rozruchową oporową. Ad. 1) Silniki z fazą rozruchową kondensatorową mają fazę rozruchową przyłączoną do sieci szeregowo z kondensatorem C (rys. 3). 2
Rys.3. Schemat połączeń i wykres wskazowy silnika jednofazowego klatkowego z kondensatorową fazą rozruchową Przez fazę główną płynie prąd I 1 opóźniony względem napięcia o kąt ϕ 1, gdyż obwód fazy głównej jest obwodem o charakterze indukcyjnym. Natomiast prąd I 2 wyprzedza napięcie o kąt ϕ 2. Dzięki odpowiedniemu doborowi kondensatora uzyskujemy takie przesunięcie fazowe, aby: α = ϕ 1 + ϕ 2 = 90 Prądy te wytwarzają dwa strumienie magnetyczne przesunięte w przestrzeni o 90 i w fazie o 1/4 okresu. Silnik z fazą rozruchową kondensatorową jest w istocie silnikiem dwufazowym, zasilanym jednofazowo. Charakterystyka mechaniczna tych silników jest identyczna jak charakterystyka silnika klatkowego trójfazowego. Silniki jednofazowe kondensatorowe uzyskuje się niekiedy drogą przeróbki seryjnie produkowanych silników trójfazowych, przez włączenie kondensatora szeregowo z jedną fazą, podczas gdy uzwojenia pozostałych dwóch faz stanowią fazę główną. Ad. 2) Silniki z fazą rozruchową oporową mają fazę rozruchową nawiniętą drutem oporowym izolowanym. Fazę tę włącza się tylko na czas rozruchu, po czym powinna ona być wyłączona, gdyż duża ilość wydzielonego w drucie oporowym ciepła może po dłuższym czasie spowodować nadmierny wzrost temperatury, grożący spaleniem izolacji uzwojenia. Do odłączenia fazy rozruchowej po zakończonym rozruchu służy wyłącznik odśrodkowy. Wyłącznik ten jest zamontowany na końcu wału silnika. Jego styki przy nieruchomym silniku są zamknięte, a gdy silnik zacznie wirować z dostatecznie dużą prędkością obrotową otwierają się pod wpływem siły odśrodkowej. 3
Rys. 4. Schemat połączeń i wykres wektorowy silnika jednofazowego klatkowego z oporową fazą rozruchową Wskutek dużej rezystancji fazy rozruchowej prąd I 2 jest opóźniony względem napięcia o bardzo niewielki kąt ϕ 2. Prądy I 1 i I 2 są przesunięte w fazie o kąt ϕ 1 - ϕ 2. Prąd I 2 można rozłożyć na dwie składowe: składową I 21, wyprzedzającą prąd I 1 o 90, oraz składową I 22, będącą w fazie z prądem I 1. Składowa I 22 i prąd I 1 dają razem strumień magnetyczny, a składowa I 21 drugi strumień, obydwa przesunięte względem siebie o kąt 90. Dzięki temu powstaje w maszynie strumień wypadkowy wirujący, podobnie jak w maszynie z fazą rozruchową kondensatorową. Charakterystykę mechaniczną tego silnika przedstawia rys. 5. Rys. 5. Charakterystyka mechaniczna jednofazowego silnika klatkowego z oporową fazą rozruchową Silnik rozwija moment rozruchowy M r, pod wpływem którego rusza i pracuje na krzywej 1 do chwili osiągnięcia prędkości obrotowej np. przy tej prędkości następuje zadziałanie wyłącznika odśrodkowego i przejście na krzywą 2, na której odbywa się praca ustalona silnika. Oprócz opisanych wyżej rozwiązań silników jednofazowych klatkowych istnieją jeszcze silniki z dzielonymi biegunami, zwane silnikami ze zwartym zwojem. Posiadają one w stojanie dwa bieguny częściowo rozcięte, na których znajdują się uzwojenia jednofazowe zasilane z sieci, obejmujące cały biegun i zwoje zwarte, obejmujące część bieguna. Bieguny te wytwarzają dwa strumienie magnetyczne pulsujące Φ 1 i Φ 2, przecinające wirnik. Prądy płynące w zwojach zwartych powodują, że strumień Φ 2 jest przesunięty w fazie w stosunku do strumienia Φ 1. Obydwa strumienie przesunięte względem siebie wytwarzają wspólnie wypadkowy strumień magnetyczny wirujący. Dzięki temu wirnik wiruje z poślizgiem względem tego strumienia, oraz może sam ruszyć, gdyż istnieje moment rozruchowy podobnie jak w silniku klatkowym trójfazowym. 4
WYKONANIE ĆWICZENIA a) Pomiar parametrów uzwojeń Rys. Schemat układu pomiarowego Tabela pomiarów Uzwojenie I [A} U [V] R [Ω] Z [Ω] X [Ω] cos ϕ ϕ [ ] α [ ] Główne Rozruchowe Wzory do obliczeń: U Z = ; I X 2 2 = Z R, R P cos ϕ = =. Z S Opór czynny pomierzyć omomierzem. b) Pomiar charakterystyk rozruchowych 5