BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO Strona 1/8
BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO
1. Wiadomości wstępne
1.1. Budowa
Silnik asynchroniczny klatkowy składa się z dwóch zasadniczych elementów: części
nieruchomej zwanej stojanem i ruchomej - umieszczonej wewnątrz stojana - zwanej wirnikiem.
Stojan wykonany jest najczęściej jako odlew i stanowi obudowę dla pakietu blach magnetycznych.
Na wewnętrznej stronie pakietu znajdują się żłobki, w których umieszczono uzwojenie, do którego
doprowadza się prąd przemienny trójfazowy.
Pakiet blach magnetycznych wirnika osadzony jest na wale. W żłobkach na obwodzie
wirnika umieszczone są pręty miedziane lub aluminiowe zwarte po obu stronach wirnika. Pręty te
wraz z pierścieniami zwierającymi tworzą tzw. klatkę. Ze względu na kształt i liczbę klatek
rozróżnia się wirniki jednoklatkowe zwykłe i głębokożłobkowe oraz wirniki dwuklatkowe. Pręty
klatki nie są izolowane. Klatkę można traktować jako uzwojenie wielofazowe o liczbie faz równej
liczbie prętów klatki. To "uzwojenie" wirnika nie jest połączone elektrycznie z siecią zasilającą i
płynie w nim tylko prąd powstały w wyniku indukcji elektromagnetycznej.
Szczelina między stojanem i wirnikiem powinna być jak najmniejsza. Przy dużej szczelinie
silnik pobiera duży prąd bierny oraz duży prąd biegu jałowego, co obniża cosĆ. W najmniejszych
maszynach szczelina wynosi 0,2�0,3 mm, w średnich i dużych - kilka milimetrów.
1.2. Bieg jałowy
Przy biegu jałowym silnik pracuje bez obciążenia mechanicznego. Wirnik wiruje z
prędkością bliską synchronicznej z bardzo małym poślizgiem, wynoszącym s H" 0,001. W tym stanie
pracy straty w uzwojeniu oraz w rdzeniu wirnika są pomijalnie małe. Moc pobierana P = U I cosĆ
o 1 1 o
składa się ze strat w rdzeniu stojana "PFe, strat mechanicznych (w łożyskach, na wentylację) "Pmech i
strat w uzwojeniu stojana "PcU1:
P H" "P + "P + "P (1)
o Fe mech cU1
Prąd biegu jałowego wynosi Io H" (0,25�0,5)In . Dolna granica odnosi się do maszyn dużych i
szybkobieżnych, a górna do małych i wolnobieżnych. Wartość prądu jałowego zależy od wielkości
szczeliny powietrznej. Współczynnik mocy przy biegu jałowym wynosi cosĆo = 0,1�0,2 i jest
większy w małych maszynach. Duży prąd biegu jałowego i mały współczynnik mocy stanowią
poważne wady silnika asynchronicznego.
1.3. Stan zwarcia
Rys. 1. Charakterystyka zwarcia silnika asynchronicznego klatkowego.
BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO Strona 2/8
Stan zwarcia silnika asynchronicznego klatkowego powstaje przy zasilaniu uzwojenia
stojana i jednoczesnym unieruchomieniu wirnika. Pobierana w stanie zwarcia moc elektryczna w
całości zamienia się w ciepło. Napięcie zwarcia oraz prąd zwarcia są podobnie definiowane jak w
transformatorze. Napięcie zwarcia silników asynchronicznych klatkowych wynosi (0,1�0,25)Un.
Przy napięciu znamionowym, silnik asynchroniczny pobiera prąd zwarcia w granicach (4�8)In.
Współczynnik mocy w stanie zwarcia cosĆ = 0,1�0,2. Pomiar prądu zwarcia przeprowadzamy przy
z
obniżonym odpowiednio napięciu zasilania Ux. Zmierzoną wartość prądu Ix przeliczamy na
warunki znamionowe:
U
n
I H"I
(2)
z x
U
x
Stan zwarcia w silnikach asynchronicznych klatkowych występuje dla n = 0 na początku rozruchu
oraz w przypadku gdy wartość momentu oporowego przekroczy wartość momentu rozwijanego
przez silnik, np. przy gwałtownym zahamowaniu. W obydwu przypadkach przez silnik płynie prąd
zwarcia.
1.4. Charakterystyki mechaniczne
Rys. 2. Schemat zastępczy silnika asynchronicznego klatkowego.
Na rysunku 2 przedstawiono schemat zastępczy obwodu wirnika oraz całego silnika
asynchronicznego. Dla maszyn rzeczywistych, nie popełniając dużego błędu, możemy przyjąć, że:
R2
2
M H"cU
1
(3)
R2 2
2
�ąsX
s2
s
Przy poślizgach zbliżonych do zera
R2
2 2
,
sX j"
s2
s
wobec czego
2s
cU1
M H" =c1 s (4)
R2
i charakterystyka mechaniczna odpowiada prostej. Przy poślizgach s H" 1, możemy przyjąć, że:
R2
H"R2 , sX H" X .
s2 s2
s
Ponieważ w rzeczywistym silniku R2<moment przyjmuje postać równania hiperboli:
R2 c2
2
M H"cU =
(5)
1
2
s
sX
s2
BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO Strona 3/8
Rys. 3. Wpływ zmiany napięcia zasilania na przebieg charakterystyki mechanicznej.
Rys. 4. Charakterystyki ruchowe silnika asynchronicznego klatkowego.
Przebiegi charakterystyk mechanicznych przedstawiono na rys. 3. Ekstremum
charakterystyki M = f(s) występuje przy tzw. poślizgu krytycznym:
R2
sk=
(6)
X
s2
Istotną cechą silnika asynchronicznego jest zależność momrentu obrotowego od kwadratu napięcia:
2
M H"cU (7)
1
Wartość momentu zmniejsza się przy obniżaniu napięcia, co jest niekorzystną właściwością silnika.
Charakterystyki ruchowe silnika asynchronicznego przedstawiono na rys. 4.
1.5. Rozruch
W chwili przyłączania silnika asynchronicznego do sieci jego wirnik jest nieruchomy i
pobierany z sieci prąd przy napięciu znamionowym jest równy prądowi zwarcia. W typowych
silnikach osiąga on wartość Iz = (4�8)In. Moment rozruchowy jest przy tym mały, znacznie mniejszy
od znamionowego, ponieważ w tym stanie cosĆz H" 0,1�0,2.
Duży prąd rozruchowy wywołuje znaczne spadki napięcia w sieci zasilającej, szkodliwe dla
innych odbiorników zasilanych z tej samej sieci. Początkowy prąd rozruchowy wynosi:
U
1
I =
(8)
2
śą R1�ąR '2źą2�ąśą X �ą X ' źą2
s1 s2
Z tego wzoru wynikają następujące możliwości zmiejszenia prądu rozruchowego:
BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO Strona 4/8
-przez obniżenie napięcia zasilania Ul,
-przez zastosowanie rezystancji bądz
reaktancji indukcyjnych w obwodzie stojana (R i X ).
1 s1
1.5.1. Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt
Jest to najtańszy sposób (poza rozruchem bezpośrednim) i dlatego często stosowany w
silnikach klatkowych małej i średniej mocy. Uzwojenie stojana silnika, połączone podczas normal
nej pracy w trójkąt, przełączane jest przy rozruchu w gwiazdę. Po przełączeniu z gwiazdy w trójkąt
napięcie fazowe zwiększa się razy:
3
ćą
U = 3U (indeks  T oznacza połączenie w trójkąt,  G -w gwiazdę)
ćą
fT fG
analogicznie: I = 3 I , skąd
ćą
fT fG
IG 1
=
.
IT 3
Następuje więc trzykrotne zmniejszenie prądu rozruchowego. Maleje również trzykrotnie moment
rozruchowy:
2
M U
U / 3 1
ćą
G fG
= = = .
śą źą
śą źą
MT U U 3
fT
Przebiegi prądu i momentu przy użyciu przełącznika gwiazda-trójkąt oznaczono na rys. 5 grubszą
linią.
Rys. 5. Prąd i moment podczas rozruchu silnika asynchronicznego przy użyciu przełącznika gwiazda-trójkąt
1.6. Regulacja prędkości obrotowej
Różne możliwości regulacji prędkości obrotowej wynikają z poniższej zależności:
60 f
1
n= śą1-sźą .
p
Można więc regulować prędkość przez zmianę:
-częstotliwości f1,
-liczby par biegunów p,
-poślizgu s.
1.6.1. Zmiana częstotliwości f1
Dla spełnienia warunku regulacji prędkości obrotowej przy stałym momencie M = const
s
(czyli Ć = const) , przy zmianach częstotliwości należy również zmieniać wartość napięcia tak, aby
BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO Strona 5/8
był spełniony warunek:
U
1
=const.
f
1
Rys. 9.6. Zależność momentu od częstotliwości
Na rys. 6 podano przebiegi M = f(n) dla dwóch różnych częstotliwości przy zachowaniu
s
powyższego warunku. Ze zmniejszaniem się częstotliwości uzyskuje się przebiegi mniej sztywne.
Regulacja prędkości przy zmianie częstotliwości jest z technicznego punktu widzenia
najkorzystniejsza. Pozwala ona na płynną regulację prędkości w zakresie 0energetyczna jest w całym zakresie regulacji wysoka. Zasadniczą trudnością uniemożliwiającą
szerokie zastosowanie tej metody jest wysoki koszt z
ródeł napięcia o zmiennej częstotliwości,
którymi są dzisiaj przekształtniki tyrystorowe. Dawniej używano prądnic synchronicznych bądz

przetwornic asynchronicznych.
1.6.2. Zmiana liczby par biegunów
Zmianę liczby par biegunów stosuje się tylko w silnikach klatkowych, ponieważ zmiana
liczby par biegunów w silniku pierścieniowym wymagałaby także zmiany liczby par biegunów
uzwojenia wirnika, co konstrukcyjnie jest bardzo trudne do realizacji.
Budowa silnika o przełączalnej liczbie par biegunów jest stosunkowo prosta. Koszt jest
nieco większy niż silnika zwykłego i nieco mniejsza sprawność. Zmianę prędkości uzyskuje się
tylko skokowo, co jest wadą tego sposobu regulacji. Koszty ruchowe są niskie, regulacja odbywa się
bez strat. Jest to najpowszechniej stosowany sposób regulacji prędkości obrotowej silników
asynchronicznych klatkowych. Charakterystyki mechaniczne silnika dz
wigowego przedstawiono
przykładowo na rys. 7.
Rys. 9.7. Charakterystyki mechaniczne silnika asynchronicznego przy różnej ilości par biegunów
BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO Strona 6/8
1.6.3. Zmiana poślizgu przy zmianie wartości napięcia stojana
Zmniejszenie napięcia Ul wpływa na zmniejszenie wartości momentu maksymalnego
(M H" cU2) przy nie zmienionej wartości poślizgu krytycznego. Regulacja prędkości obrotowej przez
zmianę napięcia zasilania jest niekorzystna. Zakres regulacji jest bardzo mały i tylko w dół.
Zmniejszeniu napięcia Ul przy stałej wartości momentu, odpowiada wzrost prądów w obwodzie
stojana i wirnika, co powoduje wzrost strat w uzwojeniach. Dlatego niedopuszczalna jest ciągła
praca przy obciążeniu momentem znamionowym i zasilaniu napięciem mniejszym niż znamionowe.
Ten sposób regulacji jest bardzo nieekonomiczny i praktycznie rzadko stosowany.
2. Wykonanie ćwiczenia
2.1. Charakterystyka mechaniczna silnika
Załączyć silnik. Obciążyć silnik do wartości znamionowej prądu obciążenia. Zmniejszając
obciążenie do wartości minimalnej (za pomocą nastawnika wzbudzenia) wykonać po ok. 10
pomiarów dla dwóch przypadków:
a) uzwojenia połączone w gwiazdę (pomiary 1-10),
b) uzwojenia połączone w trójkąt (pomiary 1 '-10').
UWAGA: W przypadku użycia amperomierzy i watomierzy elektromechanicznych na czas
rozruchu zewrzeć ich cewki prądowe (przełącznik zakresu prądowego ustawić w położenie "K" lub
 zwarte )
Pomiary
Obliczenia
Silnik Prądnica
L.p.
I U P n I U I U P P P M s
1 1 1f 2 2 w w 1 2 s � cosĆ
A V W obr/min A V A V W W W Nm - - -
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1'
2'
3'
4'
5'
6'
7'
8'
9'
10'
BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO Strona 7/8
2.2. Symulacja stanów awaryjnych pracy silnika
1) Praca silnika obciążonego przy przerwie w jednej fazie
2) Rozruch silnika przy przerwie w jednej fazie
3) Rozruch silnika przy przerwie w jednej fazie z kondensatorową fazą rozruchową
Wzory do obliczeń:
P =3P
1 1f
P =U I
2 2 2
P2
�ą=
P1
ćą
P =P �
s 1
PS
M =9,55
n
P1f
cos�ą=
U1 I1
n1-n
s=
n1
Na podstawie pomiarów i obliczeń narysować charakterystyki I1=f(M), P1=f(M), cosĆ =f(M),
n=f(M), �=f(M)
BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO Strona 8/8
Protokół z pomiarów Data: . . . . . . . . . . , podpis prowadzącego: . . . . . . . . . . . . . .
Temat: BADANIE TRÓJFAZOWEGO SILNIKA ASYNCHRONICZNEGO KLATKOWEGO
Wykonujący sprawozdanie: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Pomiary
Obliczenia
Silnik Prądnica
L.p.
I U P n I U I U P P P M s
1 1 1f 2 2 w w 1 2 s � cosĆ
A V W obr/min A V A V W W W Nm - - -
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
1'
2'
3'
4'
5'
6'
7'
8'
9'
10'