-CEL- LABORATORIUM PRZETWORNIKÓW ELEKTROMECHANICZNYCH PODSTAWOWE CHARAKTERYSTYKI I PARAMETRY SILNIKA RELUKTANCYJNEGO Z KLATKĄ ROZRUCHOWĄ (REL) Zapoznanie się z konstrukcją silników reluktancyjnych. Wyznaczenie charakterystyki biegu jałowego. Wyznaczenie charakterystyki zwarcia w funkcji prądu i położenia wirnika. Wyznaczenie zmienności indukcyjności fazowej silnika w funkcji położenia wirnika. -WYPOSAŻENIE- Źródło 3-f napięcia zmiennego 380 V 3 amperomierze prądu zmiennego Woltomierz prądu zmiennego 2 Watomierze Omomierz Oscyloskop cyfrowy -WIADOMOŚCI OGÓLNE- Silniki reluktancyjne stają się coraz popularniejsze. Wynika to głównie z ich prostej konstrukcji co oznacza niskie koszty produkcji i wysoką żywotnością (Rys.1a). Stojan ma identyczną budowę jak w maszynie indukcyjnej. Wirnik składa się z litych lub pakietowanych nabiegunników i ma dużą wytrzymałość mechaniczną (Rys.1b). W stanie ustalonym wirnik porusza się z prędkością synchroniczną równą prędkości wirującego pola magnetycznego. Przykładowo, prędkość 4-biegunowego silnika przy 50 [Hz] wynosi 1500 [obr/min]. Z tego względu silniki te są zaliczane jeden z typów silników synchronicznych. Rys.1 a) uzwojony stojan b) wirnik -1-
Swoją nazwę silnik ten zawdzięcza faktowi iż jego działanie jest związane z różnicą reluktancji wynikającą z dwuosiwej symetrii wirnika w którym wyróżniamy oś wzdłużną d oraz oś poprzeczną q (Rys.2). Rys.2 Przykładowy kształt Idealna maszyna sychroniczna reluktancyjna to taka w której zmienność reluktancji w funkcji położenia kątowego wirnika jest sinusoidalna - od wartości maksymalnej L d (indukcyjność wzdłużna) minimalnej L q (indukcyjność poprzeczna). Rys.3 Indukcyjność fazowa L a (θ) / Moment T e (θ) dla stałego prądu stojana i a. Własności silnika zależą głównie od wartości reaktancji X d and X q : X d = X l + X (1) md X = X + X (2) q l mq : X l Ll X X = ω - Reaktancja rozproszenia stojana = ω - Reaktancja wzdłużna stojana = ω - Reaktancja poprzeczna stojana md L md mq L mq ω - Częstotliwość napięcia zasilającego Najistotniejszym celem w projektowaniu silnika reluktancyjnego jest uzyskanie maksymalnego momentu elektromagnetycznego. Przy pominięciu rezystancji stojana moment elektromagnetyczney jest opisany zależnością: -2-
2 3 U ph 1 1 T e = sin( 2 δ ) 2 ω (3) m X q X d where: U ph - Napięcie fazowe ω m - Prędkość kątowa wirnika δ - Kąt elektryczny względem osi pola i osią wzdłużną wirnika Im większa jest różnica reaktancji tym większy moment elektromagnetyczny jest rozwijany. Większy stosunek X d /X q również zapewnia wyższy współczynnik mocy silnika zmniejszając straty w uzwojeniach i moc przekształtnika zasilającego. Z tego powodu różne rozwiązania konstrukcyjne wirników sa wykorzystywane dla osiągnięcia wymaganego momentu przy zachowaniu dużej wytrzymałości mechanicznej, zwłaszcza dla dużych prędkości obrotowej (Rys.4). d q d q Rys.4 Różne rozwiązania konstrukcyjne wirników: (a) Klasyczne (b) Z barierami strumieniowymi (c,c ) Osiowo pakietowany (c ) -3-
Największą wadą silników reluktancyjnych jest trudny rozruch. Dla konstrukcji na (Rys.4) falownik jest konieczny dla przprowadzenia rozruchu. Aby zapewnić możliwość wykonania bezpośredniego rozruchu konieczne jest dodanie tzw. klatki rozruchowej. Dla osiągnięcia tego celu i zmniejszenia kosztów produkcji możliwe jest wykorzystanie technologii stosowanej w produkcji silników indukcyjnych.. W takim przypadku rdzeń i uzwojenia stojana są takie same jak w silniku indukcyjnym. W przypadku wirnika pewna część zębów powinna być usunięta co przedstawiono na (Rys.5). SILNIK O PODOBNEJ KONSTRUKCJI ZOSTANIE WYKORZYSTANY W ĆWICZENIU. Rys.5 Silnik reluktancyjny z klatką rozruchową (4 biegunowy). -4-
-OBWODY- BIEG JAŁOWY Rys. 6 Układ pomiarowy dla próby biegu jałowego. Rys. 7 Układ pomiarowy dla próby zwarcia I (trójfazowe). Rys. 8 Układ pomiarowy dla próby zwarcia II (jednofazowe). -5-
-ĆWICZENIE- 1. Dane znamionowe U n =... I n =... cosϕ n =... P n =... Wyznaczyć: nominalny moment elektromagnetyczny T en =... [Nm] 2. Pomiar rezystancji z wykorzystaniem omomierza. Zanotować temperaturę otoczenia. R UV =... R UW =... R VW =... T =... Wyznaczyć rezystancję fazową R s jak w przypadku silnika indukcyjnego. 3. Połączyć obwód pomiarowy. 4. Próba biegu jałowego. a) uruchomić zewnętrzny wentylator chłodzący b) zewrzeć obwody prądowe mierników a napięciowe ustawić na max napięcie c) ustawić wartość napięcia zasilania na U= U n d) wykonać rozruch UWAGA istnieje możliwość iż wirnik nie ruszy. Wówczas należy wyłączyć zasilanie i powiadomić prowadzącego!!! e) wykonać pomiary podając napięcie na silnik od 125[%] nominalnego aż do wypadnięcia z synchronizmu. Pomiary rozpocząć od war. max. napięcia. f) Kontrolować prędkość obrotową w celu określenia chwili wypadnięcia. g) obliczenia jak w przypadku silnika asynchronicznego 5. Próba zwarcia - I. a) ponowny pomiar rezystancji uzwojeń b) uruchomić zewnętrzny wentylator chłodzący c) zablokować wirnik w dowolnie wybranym położeniu (α=0) d) obwody napięciowe ustawić na max napięcie e) ustawić wartość napięcia zasilania na U= 0 f) włączyć napięcie na stojan i zwiększyć jego wartość do osiągnięcia ok. I=3I n g) zapamiętać wychylenia przyrządów i WYŁACZYĆ NAPIĘCIE h) zapisać wyniki i) Powtórzyć powyższą procedurę (e-h) dla prądów I=2,5I n 0,5 I n j) ponowny pomiar rezystancji uzwojeń -6-
6. Próba zwarcia - II. a) uruchomić zewnętrzny wentylator chłodzący b) zablokować wirnik w dowolnie wybranym położeniu (α=0) c) obwody napięciowe ustawić na max napięcie d) ustawić wartość napięcia zasilania na U= 0 e) włączyć napięcie na jedną fazę stojana f) zmienić wartość napięcia do osiągnięcia prądu I=1[A] g) zapisać wyniki h) Powtórzyć powyższą procedurę (e-f) dla kątów (α=5,10...45..90 deg) obracając wirnik bez wyłączania zasilania. BIEG JAŁOWY U [V] I R [A] I S [A] I T [A] P I [W] P II [W] STAN ZWARCIA I U [V] I R [A] I S [A] I T [A] P I [W] P II [W] -7-
I = 1[A] STAN ZWARCIA II U [V] α [ ] P [W] U [V] α [ ] P [W] U [V] α [ ] P [W] Podpis prowadzącego... -8-
-SPRAWOZDANIE- 1. Narysować schematy pomiarowe. 2. Charakterystyki biegu jałowego i zwarcia (I) jak w przypadku silnika indukcyjnego. 3. Wyznaczenie charakterystyki reaktancji X f =X f (α) i rezystancji R f =R f (α) fazowej silnika w funkcji kąta obrotu wirnika - impedancja - rezystancja U Z f =, I P R f =, 2 I 2 2 - reaktancja X = Z R. f f f -9-