Strona 1

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

Ć

WICZENIE 35

BADANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO JEDNOFAZOWEGO

1

Program ćwiczenia

−

Pomiar rezystancji uzwojeń.

−

Pomiar prędkości obrotowej wyłączenia uzwojenia rozruchowego.

−

Wyznaczanie charakterystyk biegu jałowego.

−

Pomiar charakterystyk stanu zwarcia.

−

Pomiar momentu rozruchowego dla różnych impedancji włączonych w obwód

uzwojenia pomocniczego.

−

Wyznaczenie charakterystyk obciążenia.

2

Cel pomiaru

Silniki jednofazowe są budowane na stosunkowo niewielkie moce. Do określenia właściwości

eksploatacyjnych tych silników nie należy stosować metod pośrednich, gdyż łatwo można
wykonać wszystkie próby przy obciążeniu bezpośrednim.

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i zasady działania silnika jednofazowego oraz

przeprowadzenie podstawowych badań wymaganych przez normę dla tego typu silników.

Przeprowadzone pomiary pozwolą na zbadanie wpływu uzwojenia pomocniczego na pracę

silnika oraz na porównanie otrzymanych parametrów ze znamionowymi, podanymi przez
wytwórcę.

3

Omówienie programu ćwiczenia

3.1

Wprowadzenie

Uzwojeniem głównym silnika indukcyjnego jednofazowego jest znajdujące się w stojanie

uzwojenie jednofazowe. Wirnik silnika jest klatkowy.

Rys. 35.1. Przebiegpodstawowej harmonicznej przestrzennej pola wytworzonego przez uzwojenie

Strona 2

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

jednofazowe dla różnych chwil czasowych

Rys. 35.2. Przybliżony przebieg momentów silnika indukcyjnego jednofazowego

Zasilane prądem przemiennym uzwojenie stojana indukuje w szczelinie maszyny pole zmienne

(rys. 35.1), które można rozłożyć na dwa pola wirujące w przeciwnych kierunkach. Na rys. 35.2
przedstawiono przebiegi momentów od obu pól wirujących (M

I

, M

II

) oraz moment wypadkowy

(M) w zależności od prędkości obrotowej. Przy n = 0 silnikindukcyjny jednofazowy nie wytwarza

Strona 3

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

momentu rozruchowego. Jeżeli jednak wirnikowi nada się pewną prędkość obrotową w dowolnym
kierunku, to pojawia się różny od zera moment powodujący dalszy rozruch silnika.

Silnik jednofazowy może wytwarzać moment rozruchowy, jeżeli zmieni się rozkład indukcji w

szczelinie. W tym celu w stojanie umieszcza się uzwojenie dodatkowe pracujące bądź tylko w
chwili rozruchu (uzwojenie rozruchowe), bądź też w sposób ciągły (uzwojenie pomocnicze).

Rys. 35.3. Silnikz uzwojeniem pomocniczym zwartym: a) zasada budowy, b) wykres wskazowy, 1 ‑ uzwojenie

główne, 2 ‑ uzwojenie pomocnicze

Małe silnikijednofazowe są często budowane z uzwojeniem pomocniczym zwartym (rys. 35.3)

. Mają one wirnik klatkowy i uzwojenie stojana skupione w postaci cewek (1) nałożonych na
bieguny stojana. Na każdym biegunie znajduje się żłobek, który dzieli nabiegunnik na dwie
nierówne części. Uzwojenie pomocnicze (2) stanowi zwój zwarty obejmujący mniejszą część
nabiegunnika. Powstaje w ten sposób dodatkowy strumień

Φ

d

wywołany sumą przepływów

Θ

g

+

Θ

p

(

Θ

g

‑ przepływ uzwojenia głównego,

Θ

p

‑ przepływ uzwojenia pomocniczego).

Przesunięte względem siebie w czasie i przestrzeni strumienie

Φ

g

i

Φ

d

tworzą wirujące pole

eliptyczne powodujące powstanie niewielkiego momentu rozruchowego, wystarczającego do

Strona 4

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

uruchomienia silnika. Wadą tego rozwiązania jest mała sprawność silników, duże straty stałe w
zwoju zwartym i mały moment rozruchowy (ok. 0,25·M

n

).

Strona 5

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

Rys. 35.4. Schemat połączeń i wykres momentów silnika jednofazowego: a) z uzwojeniem rozruchowym

kondensatorowym, b) z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym, c) z uzwojeniem rozruchowym

rezystancyjnym

Innym, lepszym, rozwiązaniem jest nawinięcie dodatkowego uzwojenia umieszczonego w

stojanie w żłobkach nie wykorzystanych przez uzwojenie główne tak, aby osie obu uzwojeń były
przesunięte względem siebie o kąt

π

/2. Jeżeli prądy płynące w uzwojeniu głównym i pomocniczym

są przesunięte o kąt

β

=

π

/2, to przy jednakowych przepływach obu uzwojeń wytworzone pole

wirujące jest kołowe, a więc moment rozruchowy jest największy.

Przesunięcie fazowe prądów uzyskuje się przez włączenie w szereg z uzwojeniem

pomocniczym kondensatorów (rys. 35.4a, b) lub powiększenie rezystancji tego uzwojenia (rys.
35.4c). Uzwojenie wykorzystywane tylko podczas rozruchu wyłączane jest za pomocą wyłącznika
odśrodkowego W, umieszczonego na wale silnika. Czasem stosuje się silniki z dwoma
kondensatorami (rys. 35.4b), z których jeden jest załączony tylko na czas rozruchu, natomiast
drugi pracuje ciągle. Rozwiązanie takie stosuje się po to, aby uzyskać pole jak najbardziej zbliżone

Strona 6

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

do kołowego zarówno podczas rozruchu (większy moment rozruchowy), jak i podczas obciążenia
(większy współczynnikmocy), kiedy to potrzebna pojemność kondensatora maleje kilkakrotnie. W
celu uproszczenia konstrukcji często rezygnuje się ze zmiany pojemności i wówczas uzwojenie
pomocnicze współpracuje z jednym, stale załączonym, kondensatorem.

Zwiększenie momentu rozruchowego przez zwiększenie rezystancji uzwojenia dodatkowego

(rys. 35.4c) uzyskuje się najczęściej po nawinięciu tego uzwojenia przewodem o odpowiednio
zmniejszonym przekroju.

Według PN-IEC 34-1:1997 minimalny moment rozruchowy M

rmin

silników jednofazowych

nie może być mniejszy od 0,3·M

n

.

Jeżeli w sieci zasilającej silnik trójfazowy powstanie przerwa w jednej z faz, to silnik taki nie

zatrzymuje się, lecz pracuje nadal jako silnik jednofazowy. Jego moc w takim przypadku maleje
około dwukrotnie. Stosując odpowiedni układ połączeń faz silnika trójfazowego i odpowiednio
dobranych elementów RLC można, przy zasilaniu go napięciem jednofazowym, uzyskać moc
zbliżoną do jego mocy znamionowej.

Wadą silników jednofazowych jest ich mniejsza sprawność niż silników trójfazowych. Wynika

to stąd, że strumień przeciwbieżny ma względem wirnika prędkość większą od synchronicznej i
wywołuje w jego rdzeniu duże straty.

3.2

Pomiar rezystancji uzwojeń

Pomiar rezystancji uzwojenia głównego R

g

i uzwojenia dodatkowego R

d

należy przeprowadzić

metodą techniczną, a wyniki zestawić w tabeli 35.1.

Tabela 35.1

Lp.

Uzwojenie główne

Uzwojenie rozruchowe

Uwagi

U

I

R

g

R

*

gśr

U

I

R

d

R

*

dśr

V

A

Ω

V

A

Ω

gdzie: R

*

ś

r

– średnia rezystancja przeliczona na umowną temperaturę pracy.

3.3

Pomiar prędkości obrotowej wyłączania uzwojenia rozruchowego

Jeżeli badany silnikma wyłącznik odśrodkowy, należy zmierzyć prędkość obrotową wyłączania

uzwojenia rozruchowego (lub jednego z kondensatorów uzwojenia pomocniczego). Układ
pomiarowy przedstawiono na rys. 35.5. Silnik jednofazowy jest napędzany maszyną bocznikową
prądu stałego. Do zacisków wyłącznika odśrodkowego przyłączony jest obwód kontrolny, złożony
ze źródła napięcia stałego i szeregowo włączonego woltomierza, pozwalający stwierdzić, czy

Strona 7

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

wyłącznik W jest otwarty czy też zamknięty. Jeśli wyłącznik jest zamknięty, woltomierz wskazuje
wartość napięcia zasilającegoobwód kontrolny, natomiast jeśli otwarty, wskazuje zero.

Rys. 35.5. Układ połączeń do pomiaru prędkości obrotowej wyłączaniauzwojenia rozruchowego

W celu zmierzenia prędkości obrotowej wyłączenia uzwojenia rozruchowego należy powoli

zwiększać prędkość obrotową silnika napędowego SN tak, aby można było określić prędkość
obrotową w chwili, kiedy woltomierz w obwodzie kontrolnym wskaże zero. Prędkość obrotową
mierzy się stroboskopem. Aby zmniejszyć błąd pomiaru, należy wykonać trzy próby i obliczyć
wartość średnią otrzymanych prędkości obrotowych wyłączenia uzwojenia rozruchowego.
Zmierzona prędkość obrotowa powinna mieścić się w granicach 0,9

÷

1 prędkości odpowiadającej

momentowi krytycznemu (jeśli normy przedmiotowe nie stanowią inaczej). Ponieważ w ćwiczeniu
nie będzie wyznaczana prędkość n

kryt

, jej wartość zostanie podana.

3.4

Pomiar charakterystyk biegu jałowego

Charakterystyki biegu jałowego są to zależności poślizgu, współczynnika mocy, natężenia

prądu i mocy pobieranej przez nieobciążony silnik od napięcia zasilającego o znamionowej
częstotliwości(s, cos

ϕ

0

, I

0

, P

0

= f(U

0

) przy f = f

n

).

Układ pomiarowy przedstawiono na rys. 35.6. Napięcie zasilające silnik należy zmniejszać od

1,2·U

n

do takiego napięcia minimalnego, przy którym prąd I

0

zaczyna wzrastać (ok. 0,3·U

n

).

Poślizg wyznacza się metodą stroboskopową lub, jeśli jego wartości są większe, mierzy się
stroboskopem prędkość obrotową, a wartość poślizgu oblicza z ogólnej zależności. Wyniki
pomiarów i obliczeń należy zestawić w tabeli 35.2.

Tabela 35.2

Lp.

U

0

I

0

P

0

n

cos

ϕ

0

s

Uwagi

V

A

W

obr/s

–

–

W tabeli 35.2

(35.1)

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wykreśla się charakterystyki biegu jałowego,

których orientacyjne przebiegi przedstawiono na rys. 35.7. Charakterystyki biegu jałowego
umożliwiają, podobnie jak przy badaniu silnika trójfazowego, określenie strat jałowych i

Strona 8

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

wyznaczenie przybliżonej wartości strat mechanicznych oraz pozwalają ocenić poprawność
konstrukcji silnika, szczelinę maszyny itp.

Prąd biegu jałowego ma dwie składowe. Pierwsza odpowiadająca prądowi wirnika o

częstotliwości s·f jest, podobnie jak w silniku trójfazowym, bardzo mała. Druga natomiast
odpowiadająca prądowi wirnika o częstotliwości (2‑s)·f ma znaczną wartość. Dlatego wypadkowy

Strona 9

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

prąd biegu jałowego silnika jednofazowego może być znacznie większy (do 3 razy) niż prąd biegu
jałowego odpowiadającego mu silnika trójfazowego.

Prąd biegu jałowego silników jednofazowych z kondensatorowym uzwojeniem pomocniczym

jest mniejszy, ponieważ wytwarzane w tym silniku pole jest polem wirującym, toteż nie są

Strona 10

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

indukowane w wirniku prądy o częstotliwości(2‑s)f.

Rys. 35.6. Układ połączeń do próby biegu jałowego, stanu zwarciai obciążenia

Rys. 35.7. Charakterystykibiegu jałowego

3.5

Pomiar charakterystyk stanu zwarcia

Charakterystyki stanu zwarcia są to zależności momentu rozruchowego, współczynnika mocy,

natężenia prądu i mocy pobieranych przez silnik przy zatrzymanym wirniku od napięcia

Strona 11

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

zasilającegoo znamionowej częstotliwości(M

r

, cos

ϕ

z

, I

z

, P

z

= f(U

z

) przy s = 1, f = f

n

).

Pomiary wykonuje się w układzie połączeń przedstawionym na rys. 35.6. Przed przystąpieniem

do pomiarów należy ustalić położenie wirnika odpowiadające najmniejszej wartości momentu
rozruchowego. Określa się je przy obniżonym napięciu, obracając powoli wirnik w kierunku
przeciwnym do kierunku wirowania pola. Dla tego położenia, zmniejszając wartość napięcia
zasilającego od wartości, przy której prąd zwarcia wynosi ok. 1,2·I

n

do zera, należy zmierzyć

moment rozruchowy, natężenie prądu i moc pobieraną przez silnik. Wyniki pomiarów należy
zestawić w tabeli 35.3.

Tabela 35.3

Lp.

U

z

I

z

P

z

cos

ϕ

z

U

c

M

r

Uwagi

r

F

r

M

r

V

A

W

–

V

m

N

N·m

Strona 12

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

W tabeli 35.3

(35.2)

W przypadku silnikówz kondensatorem mierzy się również wartość napięcia na kondensatorze,

które nie powinno przekroczyć wartości określonych przez normę (600V przy U

n

=230V).

Na podstawie otrzymanych wyników należy wykreślić charakterystyki zwarcia, których

przykładowe przebiegi przedstawiono na rys. 35.8.

Przybliżone wartości początkowego momentu rozruchowego i prądu rozruchowego przy

znamionowym napięciu zasilania oblicza się z zależności

(35.3)

(35.4)

gdzie: I

z

, M

r

– wartości prądu zwarcia i momentu rozruchowego przy U = U

z

,

U

n

– napięcie znamionowe.

Wartość napięcia na kondensatorze przy znamionowym napięciu zasilania określona jest

wzorem

(35.5)

gdzie: U

c

– napięcie na kondensatorze przy U = U

z

.

Otrzymane wyniki pomiarów i obliczeń należy porównać z wymaganiami stawianymi przez

Strona 13

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

normę.

Rys. 35.8. Charakterystykistanu zwarcia

3.6

Pomiar momentu rozruchowego dla różnych impedancji włączonych w obwód uzwojenia

dodatkowego

Aby porównać momenty rozruchowe badanego silnika dla różnych impedancji, włącza się w

obwód uzwojenia rozruchowego (pomocniczego) (zaciski D1, D2) kondensatory o pojemności
różnej od podanej przez wytwórcę, a następnie w miejsce kondensatorów rezystancję regulowaną
R. Badania przeprowadza się np. przez podłączenie do kondensatora stale współpracującego z
uzwojeniem rozruchowym (pomocniczym) szeregowo lub równolegle dodatkowego kondensatora;
wartość rezystancji dodatkowej włączonej w miejsce kondensatorów dobiera się doświadczalnie
tak, aby przy obniżonym napięciu wytwarzany moment rozruchowy był największy.

Układ pomiarowy, przedstawiony na rys. 35.6, jest identyczny jak podczas pomiarów

charakterystyk zwarcia. Pomiary przeprowadza się dla tego położenia wirnika, w którym podczas
próby zwarcia moment rozruchowy był najmniejszy. Zmniejszając napięcie zasilania od wartości,
przy której prąd zwarcia wynosi ok. 1,2·I

n

do zera, mierzy się wartość momentu rozruchowego

M

r

. Podczas pomiarów kontroluje się wartość napięcia U

c

i w razie koniecznościogranicza wartość

Strona 14

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

napięcia zasilającego tak, aby nie przekroczyć na kondensatorze wartości dopuszczalnej.
Otrzymane wyniki pomiarów należy zestawić w tabeli 35.4.

Tabela 35.4

Lp.

C

1

C

2

R

d

Uwagi

U

z

I

z

M

r

U

z

I

z

M

r

U

z

I

z

M

r

V

A

N·m

V

A

N·m

V

A

N·m

C

1

=

C

2

=

R =

Na podstawie otrzymanych wyników dla każdego z wariantów przelicza się wartości prądów i

momentów na napięcie znamionowe oraz wykreśla zależności M

r

= f(U

z

) i I

z

= f(U

z

) dla

wszystkich układów połączeń uzwojenia dodatkowego (łącznie z wynikami otrzymanymi podczas
pomiarów stanu zwarcia).

3.7

Wyznaczanie charakterystyk obciążenia

Charakterystykami obciążenia są zależności natężenia prądu, prędkości obrotowej, mocy

pobieranej, współczynnikamocy, momentu obrotowego i sprawności od mocy oddawanej na wale
przy znamionowych wartościach napięcia i częstotliwości (I, n, P

1

, cos

ϕ

, M,

η

= f(P

2

) przy

U = U

n

, f = f

n

). Schemat pomiarowy przedstawiono na rys. 35.6, z tym, że badany silnik jest

sprzęgnięty z prądnicą obciążającą. Pomiar charakterystyk obciążenia należy przeprowadzić dla
silnika, w którym w obwód uzwojenia pomocniczego włączony jest kondensator o pojemności
zalecanej przez wytwórcę.

Po przeprowadzeniu rozruchu, przy napięciu U = U

n

, obciąża się badany silnik do takiej

wartości momentu, przy której natężenie prądu pobieranego przez silnik wynosi ok. 1,2 I

n

.

Pomiary przeprowadza się podczas zmniejszania obciążenia do zera. Zmierzone wartości prądu
pobieranego I, mocy pobieranej P

1

i prędkości obrotowej n zestawia się w tabeli 35.5.

Tabela 35.5

Lp.

U

I

P

1

n

cos

ϕ

M

P

2

η

Uwagi

V

A

W

obr/s

–

N·m

W

–

U = U

n

,

Strona 15

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

W tabeli 35.5

–

współczynnikmocy

(35.6)

–

moc oddawana przez silnik

(35.7)

–

sprawność silnika

(35.8)

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeń należy wykreślić charakterystyki

obciążenia, których przykładowe przebiegi przedstawiono na rys. 35.9.

Charakterystyki obciążenia pozwalają na analizę zachowania się silnika w czasie pracy.

Wartości poszczególnych parametrów przy P

2

= P

n

odczytane z charakterystyk obciążenia należy

Strona 16

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

porównać z danymi znamionowymi podanymi przez wytwórcę. Tolerancje wartości podanych na
tabliczce znamionowej określa PN-E-06810:1996.

Rys. 35.9. Charakterystykiobciążenia

4

Opracowanie wyników pomiarów

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

−

opracowane tabele pomiarowe i przykładowe obliczenia,

−

charakterystyki biegu jałowego (I

0

, P

0

, cos

ϕ

0

= f(U

0

) przy f = f

n

),

−

charakterystyki stanu zwarcia (M

r

, I

z

, P

z

, cos

ϕ

z

= f(U

z

) przy s = 1, f = f

n

),

−

wykresy momentu rozruchowego dla badanych impedancji włączonych w obwód

uzwojenia dodatkowego (łącznie z impedancją „fabryczną”),

−

charakterystyki obciążenia (I, P

1

, n,

η

, M, cos

ϕ

= f(P

2

) przy U = U

n

, f = f

n

),

uwagi i wnioski z uwzględnieniemwymagań PN-E-06810:1996.

5

Pytania kontrolne

−

Uzasadnić brak momentu rozruchowego w silniku jednofazowym, gdy zasilane jest

tylko uzwojenie główne.

−

Podać warunki uzyskania w silnikujednofazowym pola kołowego.

−

Omówić i porównać sposoby wykonania uzwojenia rozruchowego.

−

Narysować wykres wektorowy silnika jednofazowego z pomocniczym uzwojeniem

zwartym.

−

Który z typów silników jednofazowych jest najbardziej ekonomiczny w eksploatacji

i dlaczego?

−

Dlaczego prąd biegu jałowego silników jednofazowych jest zwykle większy niż prąd

Strona 17

1

2010-10-30 09:30:07

http://www.imne.pwr.wroc.pl/SkryptME/CW35.htm

biegu jałowego silnikówtrójfazowych?