1

3. BADANIE SILNIKA KLATKOWEGO

Wiadomości wstępne

Do maszyn indukcyjnych należy duża grupa maszyn o różnych konstrukcjach przeznaczonych do

wypełniania różnorodnych zadań. Najszerzej stosowane są maszyny trójfazowe wykonywane w bardzo
szerokim przedziale mocy znamionowych, od dziesiątych części kilowata do kilku, a nawet kilkunastu
megawatów. Maszyny asynchroniczne pracują najczęściej jako silniki.

Silnik indukcyjny posiada symetryczne uzwojenie stojana o p parach biegunów, które zasilane jest

napięciem trójfazowym symetrycznym o częstotliwości f

1

. Powstaje w tych warunkach pole magnetyczne

kołowe wirujące względem stojana z prędkością synchroniczną:

p

f

60

n

1

1

=

Linie sił wirującego pola magnetycznego przecinają symetryczne uzwojenie wirnika, indukując w nim

siły elektromotoryczne, które powodują przepływ prądu w tym uzwojeniu. Na przewody z prądem działa siła
elektrodynamiczna wprowadzająca w ruch wirnik maszyny indukcyjnej. Przy pracy silnikowej wirnik wiruje
w kierunku zgodnym z kierunkiem wirowania z prędkością n mniejszą od prędkości obrotowej pola
magnetycznego n

1

. Pole stojana wiruje względem wirnika z prędkością

0

n

n

1

≠

−

i indukuje w wirniku siły

elektromotoryczne o częstotliwości:

(

)

60

n

n

p

f

1

2

−

=

Po uwzględnieniu wyrażenia na poślizg:

1

1

n

n

n

s

−

=

otrzymuje się związek między częstotliwością prądów płynących w stojanie f

1

i w wirniku f

2

:

s

f

f

1

2

=

Silniki indukcyjne są budowane jako klatkowe i pierścieniowe. Zasada działania tych silników jest taka

sama, a różnica polega jedynie na wykonaniu wirnika. Uzwojenie wirnika silnika pierścieniowego wykonane
jest podobnie jak uzwojenie stojana. Końce trzech faz uzwojenia są zwarte, a ich początki doprowadzone do
pierścieni ślizgowych znajdujących się na wale silnika. Dzięki temu można włączać rezystancje potrzebne
do rozruchu i regulacji prędkości obrotowej.

W silniku klatkowym obwód wirnika wykonany jest ze zwartych prętów, co uniemożliwia poprawę

warunków rozruchowych przez wprowadzenie w obwód wirnika rozrusznika. Ze względu na małą
rezystancję wirnika prąd rozruchowy jest duży (3-7 I

N

), co jest obok małego momentu rozruchowego wadą

tego silnika. Warunki rozruchu można poprawić poprzez wykonanie silnika jako głębokożłobkowego lub
dwuklatkowego, albo też poprzez odpowiedni rozruch silnika (przełącznik gwiazda-trójkąt;
autotransformator; oporniki rozruchowe; energoelektroniczne urządzenia miękkiego rozruchu; przemienniki
częstotliwości).

3.1. Cel ćwiczenia

Przedmiotem badań jest silnik indukcyjny klatkowy, przystosowany do sieci zasilającej 3 x 380V.

Uzwojenie tego silnika jest wyprowadzone do tablicy z sześcioma zaciskami, umożliwiające połączenie
stojana w gwiazdę lub trójkąt. (Roboczym połączeniem uzwojenia stojana jest trójkąt). Celem ćwiczenia jest
zapoznanie się z pracą silnika klatkowego w stanach: jałowym, zwarcia ustalonego, obciążenia oraz
wyznaczenie charakterystyk tego silnika.

3.2. Dane znamionowe silnika

Przed rozpoczęciem ćwiczenia należy zapoznać się z charakterystycznymi danymi silnika umieszczonymi

na tabliczce znamionowej oraz dokonać oględzin zewnętrznych.

2

3.3. Przebieg pomiarów

3.3.1. Pomiar rezystancji uzwojeń stojana

Rezystancję uzwojeń stojana mierzy się metodą techniczną według schematu przedstawionego na rys.3.1.

Badane uzwojenie zasila się napięciem stałym. Rezystorem regulacyjnym ustala się wartość prądu płynącego
przez uzwojenie tak, aby nie przekroczył wartości 0,3 I

N

. Dla każdej fazy stojana wykonuje się trzy pomiary

dla różnych wartości prądu. Oblicza się średnie wartości rezystancji dla każdej fazy oraz średnią wartość
rezystancji fazowej stojana R jako średnią, ze wszystkich faz. Wyniki pomiarów i obliczeń wpisuje się do
tabeli 3.1. gdzie :

f

3

R

R

R

R

Wsr

Vsr

Usr

f

+

+

=

Tabela 3.1.

Faza U

Faza V

Faza W

U I R

U

R

Uśr

U I R

V

R

Vśr

U I R

W

R

Wśr

Lp.

V A

Ω

Ω

V A

Ω

Ω

V A

Ω

Ω

1

2

3

4

5

6

7

8

V

A

R

U1

V1

W1

U2

V2

W2

+

-

Rys. 3.1. Schemat połączeń do pomiaru rezystancji uzwojeń silnika klatkowego

3.3.2. Próba biegu jałowego

W próbie biegu jałowego mierzymy prąd, napięcie, moc i prędkość obrotową silnika. Próba ta pozwala

określić współczynnik mocy, straty jałowe i rozdzielić je na straty mechaniczne oraz straty w rdzeniu. Silnik
jest nieobciążony, a jego uzwojenie, połączone w układ roboczy (

lub

∆

) zasila się regulowanym

napięciem. Pomiar przeprowadza się po dokonaniu rozruchu, zmieniając napięcie od wartości 1,3 U

N

do

takiej, przy której prąd zaczyna ponownie wzrastać. Schemat połączeń podany jest na rysunku 3.2.

Wartości zmierzone i obliczone wpisuje się do tabeli 3.2., gdzie :

3

U

U

U

U

WU

VW

UV

0

+

+

=

- średnia wartość napięcia

3

3

I

I

I

I

W

V

U

0

+

+

=

- średnia wartość prądu

biegu jałowego

β

α

±

=

P

P

P

0

- moc czynna przy biegu

jałowym

1

cu

0

Fe

m

0

P

P

P

P

P

∆

−

=

∆

+

∆

=

∆

- straty biegu jałowego

2
0

f

1

cu

I

R

3

P

=

∆

- straty w uzwojeniach

stojana

m

P

∆

- straty mechaniczne

Fe

P

∆

- straty w rdzeniu stojana

0

0

w

0

cos

I

I

ϕ

=

- prąd czynny biegu

jałowego

0

0

0

0

I

U

3

P

cos

=

ϕ

0

2

0

cos

1

sin

ϕ

−

=

ϕ

- współczynnik mocy biegu

jałowego

0

0

sin

I

I

ϕ

=

µ

- prąd magnesujący

V

V

V

A

A

A

U1

U2

W1

W2

V1

V2

W

β

*

*

W

α

*

*

WIRNIK

RI

L1

L2

L3

Rys. 3.2. Schemat połączeń do próby biegu jałowego silnika klatkowego.

Tabela 3.2.

Pomiary

U

UV

U

VW

U

WU

I

U

I

V

I

W

P

α

P

β

Lp.

V V V A A A W W

1

2

3

4

5

6

7

8

4

Obliczenia

U

0

I

0

P

0

cos

ϕ

0

sin

ϕ

0

I

0w

I

µ

∆P

cu

∆P

0

Lp.

V A W - - A A W W

1

2

3

4

5

6

7

8

Charakterystyki biegu jałowego są przedstawione na rysunku 3.3.

I

U

U

I

P

P

P

P

I

µ

1

I ; P; cos

0

0

ϕ

0

cos

ϕ

0

P

0

Rys. 3.3. Charakterystyki biegu jałowego silnika indukcyjnego

Krzywa

jest w przybliżeniu parabolą przesuniętą wzdłuż osi rzędnych o stałą wartość

, gdyż straty w rdzeniu są proporcjonalne w przybliżeniu do kwadratu napięcia, natomiast z powodu

stałej prędkości

Prąd magnesujący w funkcji napięcia

/

U

/

f

P

0

0

=

∆

m

P

∆

const

P

m

≈

∆

/

U

/

f

I

0

=

µ

, zmienia się według

krzywej magnesowania. Przebieg tego prądu w praktyce pokrywa się z przebiegiem prądu jałowego

, gdyż składowa czynna

jest bardzo mała. Ze wzrostem napięcia składowa czynna prądu

rośnie wolno, a prąd magnesujący

szybko, wobec czego:

/

U

/

f

I

0

0

=

w

0

I

w

0

I

µ

I

2

2

w

0

w

0

0

I

I

I

cos

µ

+

=

ϕ

maleje.

Na rysunku 3.4. przedstawiona jest charakterystyka

. Służy ona do rozdzielenia strat

mechanicznych i strat w rdzeniu.

/

U

/

f

P

2
0

0

=

Dla silników asynchronicznych przyjmuje się, że straty mechaniczne są stałe, praktycznie równe stratom

mechanicznym przy obciążeniu. Ponieważ straty w rdzeniu są proporcjonalne do kwadratu napięcia, to
w funkcji kwadratu napięcia przebieg strat jałowych jest linią prostą.

5

U

P

P

P

2

U

2

Rys. 3.4. Rozdział strat jałowych silnika indukcyjnego

3.3.3. Próba zwarcia ustalonego

Próbę zwarcia silnika przeprowadza się, doprowadzając do uzwojeń stojana (przy zahamowanym

wirniku) obniżone napięcie do wartości, przy której prąd ma wartość około I

N

. Próbę tę należy wykonać

możliwie szybko, aby można było pominąć wpływ nagrzewania się uzwojeń. Próbę przeprowadza się dla:
- uzwojeń stojana połączonych w gwiazdę
- uzwojeń stojana połączonych w trójkąt.

Schemat połączeń podany jest na rysunku 3.5.
Wyniki pomiarów i obliczeń wpisuje się do tabeli 3.3., gdzie:

3

U

U

U

U

VW

UW

UV

z

+

+

=

- wartość napięcia zwarcia

β

α

±

=

P

P

P

z

- moc czynna zwarcia

3

I

I

I

I

W

V

U

z

+

+

=

- wartość prądu zwarcia

z

z

z

z

I

U

3

P

cos

=

ϕ

- zwarciowy współczynnik

mocy

Fl

81

,

9

M

p

=

- wartość momentu

początkowego

V

A

A

A

U1

U2

W1

W2

V1

V2

W

β

*

*

W

α

*

*

WIRNIK

RI

L1

L2

L3

Przełącznik
ręczny

Rys. 3.5. Schemat połączeń do badań silnika indukcyjnego

W celu wyznaczenia momentu początkowego do wału silnika mocuje się dźwignię, której drugi koniec

opiera się o szalkę wagi. Każdorazowo po zmianie napięcia zasilającego równoważy się dźwignię siłą F.
Należy zmierzyć i zanotować długość ramienia dźwigni l. Ponieważ na wartość początkowego momentu
rozruchowego wpływa wzajemne położenie stojana i wirnika - pomiar siły należy powtórzyć przy kilku

6

położeniach wirnika i jako wynik przyjąć wartość średnią. Przy założeniu prostoliniowego przebiegu prądów
zwarcia należy obliczyć prąd i moc zwarcia przy napięciu znamionowym:

Charakterystyki stanu zwarcia przedstawione są na rysunku 3.6.

zp

2
zp

2
n

zn

zp

zp

n

zn

P

U

U

P

I

U

U

I

=

=

gdzie:

Zp

Zp

P

i

I

- prąd i moc zwarcia zmierzone przy napięciu

.

Zp

U

Ponadto należy określić krotność prądu rozruchowego przy połączeniu w gwiazdę i trójkąt:

λ

∆

λ

∆

zn

zn

n

zn

n

zn

I

I

oraz

I

I

;

I

I

Tabela 3.3.

Pomiary

U

UV

U

VW

U

WU

I

U

I

V

I

W

P

α

P

β

F

Lp.

V V V A A A W W kG

1

2

3

4

5

6

7

8

Obliczenia

U

Z

I

Z

P

Z

cos

ϕ

Z

∆P

cu

M

r

Lp.

V A W - W Nm

1

2

3

4

5

6

7

8

7

Prąd zwarcia silnika ma przebieg prostoliniowy. Jest to słuszne przy założeniu stałej wartości impedancji

silnika. W przybliżonych pomiarach zakłada się stałość impedancji. Ze względu na małe straty w rdzeniu
przy zwarciu silnika (małe napięcie i mała indukcja) i brak strat mechanicznych przyjmuje się, że cała moc
pobrana w tym stanie pokrywa straty obciążeniowe zależne od kwadratu prądu, a więc i od kwadratu
napięcia. Otrzymuje się więc paraboliczny przebieg

( )

z

z

U

f

P

=

. Współczynnik mocy zwarcia

z

cos

ϕ

można

uważać za wartość stałą, zakładając stałość reaktancji zwarciowej. Przy zastosowaniu przełącznika gwiazda -
trójkąt uzyskuje się trzykrotne zmniejszenie prądu pobieranego z sieci.

I

I

I

U

U

P

P

P

cos

ϕ

cosϕ

; ;

1

Rys. 3.6. Charakterystyki zwarcia silnika klatkowego dla dwóch skojarzeń faz stojana

3.3.4. Wyznaczanie początkowego momentu rozruchowego

Na podstawie obliczeń przeprowadzonych w punkcie 3.3.3. i ujętych w tabeli 3.3. wykreśla się zależność

( )

2
z

r

U

f

M

=

przy zasilaniu stojana silnika w gwiazdę i w trójkąt. Charakterystyki rozruchowe przedstawione

są na rysunku 3.7. Wyznaczając dla danego

z charakterystyki zwarcia (rys.3.6.) prąd zwarcia

oraz dla tej samej wartości napięcia

wartość momentu początkowego

z charakterystyki rozruchowej (rys. 3.7.), można określić rozruchowy moment początkowy przy napięciu
znamionowym dla dwóch skojarzeń faz: w gwiazdę i trójkąt.

zp

U

∆

λ

zp

zp

I

i

I

zp

U

∆

λ

rp

rp

M

i

M

rp

2

zp

zn

rn

M

I

I

M

⎟

⎟
⎠

⎞

⎜

⎜
⎝

⎛

=

oraz krotność rozruchowego momentu początkowego

n

rn

M

M

gdzie:

n

n

n

n

P

55

,

9

M

=

U

2

U

2

M

M

M

M

r

r

r

Rys. 3. 7. Charakterystyki rozruchowe silnika klatkowego przy skojarzeniu faz stojana w gwiazdę i w trójkąt

8

Przez zastosowanie przełącznika gwiazda - trójkąt uzyskuje się trzykrotne zmniejszenie momentu

rozruchowego. Moment silnika jest proporcjonalny do kwadratu napięcia, a więc:

3

1

U

3

U

M

M

2
z

2
z

r

r

=

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

∆

λ

3.3.5. Próba obciążenia silnika klatkowego.

Próbę obciążenia wykonuje się w układzie połączeń silnika według rysunku 3.5. przy połączeniu uzwojeń

w gwiazdę i trójkąt, przy stałym napięciu zasilania równym znamionowemu. Silnik obciążamy hamulcem
bębnowym. Pomiary przeprowadza się dla prądów w zakresie 0

−1,3I

n

. Wyniki pomiarów i obliczeń wpisuje

się w tabeli 3.4.,

Tabela 3.4.

Pomiary

U

1

I

1

P

α

P

β

F

1

F

2

n

Lp.

V A W W kG

kG

obr/min

1

2

3

4

5

6

7

8

Obliczenia

P

1

P

2

F M

2

cos

ϕ

η

I

1

/I

n

P

2

/P

n

Lp.

W

W

kG

Nm

- - - -

1

2

3

4

5

6

7

8

Charakterystyki obciążeniowe w jednostkach względnych przedstawiono na rysunku 3.8.

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

η

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

ϕ

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

n

2

n

2

n

2

n

1

P

P

f

;

P

P

f

cos

;

P

P

f

I

I

9

gdzie:

2

1

F

F

F

−

=

β

α

+

=

P

P

P

1

2

FD

81

,

9

M

2

=

n

M

05

,

1

P

2

2

=

1

2

P

P

=

η

1

1

1

I

U

3

P

S

P

cos

=

=

ϕ

D - średnica bębna hamulca [m]

Przez przełączenie uzwojeń silnika z trójkąta w gwiazdę zmniejsza się napięcie podawane na fazę

uzwojenia

3

razy.

I

I

P

cosϕ

; ;

cosϕ

1

η

P

η

I

I

cosϕ

1

Rys. 3.8. Charakterystyki obciążenia silnika klatkowego przy połączeniu uzwojeń stojana w trójką

W przybliżeniu zmniejsza się również strumień magnesujący także

3

razy. Przy założeniu stałego

momentu obciążenia spowoduje to wzrost prądu wirnika. Ponieważ prąd stojana jest sumą geometryczną
sprowadzonego prądu wirnika i prądu magnesującego i przy małych obciążeniach główną rolę odgrywa prąd
magnesujący, wobec tego prąd stojana ulega zmniejszeniu. Przy dużych obciążeniach większego znaczenia
nabiera prąd wirnika i dlatego prąd stojana dla połączenia w trójkąt jest mniejszy od prądu przy połączeniu w
gwiazdę. Przebieg współczynnika mocy wynika z tego, że ze wzrostem obciążenia rośnie prąd czynny, a
prąd magnesujący pozostaje prawie stały.

3.3.6. Wyznaczanie charakterystyki mechanicznej.

Charakterystyką mechaniczną nazywa się zależność prędkości obrotowej od momentu na wale silnika

. Na rysunku 3.9. przedstawiona jest konstrukcja charakterystyki mechanicznej.

(

2

M

f

n

=

)

• Punkt 1 charakterystyki – prędkość synchroniczna:

• Punkt 2 – punkt pracy znamionowej (moment i prędkość znamionowa)

• Punkt 3 – moment krytyczny (maksymalny moment jaki rozwija silnik i odpowiadająca mu prędkość

obrotowa)

• Punkt 4 – moment rozruchowy wyznaczony w punkcie 3.3.4.

•

Odcinek a - b charakterystyki – część charakterystyki obciążenia wyznaczona w punkcie 3.3.5.

10

W celu skonstruowania charakterystyki mechanicznej należy zaznaczyć wymienione punkty, a następnie
aproksymować do krzywej przedstawionej na rys. 3.9.

M

n

0

1

2

3

4

M

M

M

n

a

b

n

n

k

n

1

n

r

Rys. 3.9. Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego

3.5. Sprawozdanie.

Sprawozdanie powinno zawierać:

• dane znamionowe badanego silnika

• obliczone wartości rezystancji uzwojeń silnika

• charakterystyki biegu jałowego, zwarcia, rozruchowe, i obciążenia

• charakterystykę mechaniczną skonstruowaną w oparciu o przedstawiony algorytm

• obliczone wartości prądu zwarcia i mocy zwarcia przy napięciu znamionowym

• obliczone krotności prądu rozruchowego przy połączeniu w gwiazdę i trójkąt

• obliczone wartości rozruchowego momentu początkowego przy napięciu znamionowym

• obliczone krotności rozruchowego momentu początkowego

• wnioski i spostrzeżenia.