SZKOA
A GA
ÓWNA SA
UŻBY POŻARNICZEJ
KATEDRA ROZPOZNAWANIA ZAGROŻEC

ZAKA
AD ELEKTROENERGETYKI
Ćwiczenie: BADANIE MASZYN ELEKTRYCZNYCH
PR
DU PRZEMIENNEGO
Opracował:
kpt.dr inż. R.Chybowski
Warszawa 2000
Wersja 1.0
www.labenergetyki.prv.pl
Badanie maszyn prÄ…du przemiennego
1. Cel ćwiczenia
Celem ćwiczenia jest poznanie właściwości maszyn asynchronicznych oraz wyznaczenie
charakterystyk regulacyjnych silnika asynchronicznego.
2. Wprowadzenie teoretyczne
Maszyny prÄ…du przemiennego znajdujÄ… bardzo szerokie zastosowanie. O powszechnym
zastosowaniu decydują następujące podstawowe zalety:
" Duża sprawność
" Niezawodność działania
" Możliwość regulacji prędkości obrotowej
" Możliwość zdalnego sterowania
Wśród maszyn prądu przemiennego największe zastosowanie ma silnik asynchroniczny.
Trójfazowy silnik asynchroniczny składa się z nieruchomej części zwanej stojanem oraz z części
ruchomej noszącej nazwę wirnika. Obie te części łącznie ze szczeliną powietrzną pomiędzy wirnikiem
a stojanem tworzą obwód magnetyczny silnika. W celu zmniejszenia strat w żelazie obwód
magnetyczny wirnika i stojana wykonane sÄ… z odizolowanych od siebie nakrzemionych blach. Na
obwodzie rdzeni stojana i wirnika znajdują się żłobki, wewnątrz których umieszczone są uzwojenia. W
żłobkach stojana umieszczone są cewki uzwojenia trójfazowego. Cewki te mogą być połączone w
gwiazdę lub w trójkąt. Uzwojenie stojana zasilane jest z sieci trójfazowego prądu przemiennego.
Wewnątrz żłobków na obwodzie wirnika umieszczone jest uzwojenie, które może być wykonane i
połączone w różny sposób. W zależności od budowy uzwojenia wirnika rozróżniamy dwa typy silników
asynchronicznych: klatkowy i pierścieniowy.
Silnik asynchroniczny klatkowy ma uzwojenie wirnika w postaci klatki, wykonanej z
nieizolowanych prętów, połączonych na swoich końcach pierścieniami zwierającymi. Wewnątrz
żłobków na obwodzie wirnika silnika synchronicznego pierścieniowego umieszczone jest uzwojenie
trójfazowe, połączone w gwiazdę. Początki tego uzwojenia dołączone są do trzech pierścieni
ślizgowych, osadzonych na wale silnika. Do pierścieni ślizgowych za pośrednictwem szczotek
przyłącza się rezystor służący do rozruchu zwany rozrusznikiem.
Prąd trójfazowy przemienny przepływający przez uzwojenie stojana wytwarza pole magnetyczne
wirujące z prędkością określoną wzorem:
60 f1
n =
P
gdzie: f1  częstotliwość sieci zasilającej silnik
P  liczba par biegunów stojana
Prędkość ta zwana jest prędkością synchroniczną.
Uzwojenia wirnika przecinane będą przez strumień wirującego pola magnetycznego i w przewodach
tych zostanie zaindukowana siła elektromotoryczna (SEM). Wartość indukowanej SEM będzie tym
większa, im większa będzie względna prędkość pola wirującego względem przewodów wirnika. Jeżeli
obwód elektryczny wirnika będzie zamknięty, to na skutek indukowanej SEM w uzwojeniu wirnika
popłynie prąd.
W silnikach asynchronicznych klatkowych obwód wirnika zamknięty jest przez pierścienie
zwierające pręty klatki, natomiast w silnikach pierścieniowych obwód wirnika musi być zamknięty
przez dołączony do pierścieni ślizgowych rezystor. Prąd płynący w uzwojeniu wirnika oddziaływuje z
polem magnetycznym wirującym, powstaje więc moment obrotowy powodujący obrót wirnika. Jeżeli
moment ten jest większy niż moment hamujący, pochodzący od maszyny napędzanej, wówczas wirnik
zaczyna się obracać i zwiększa swoją prędkość obrotową, aż do wartości ustalonej. Moment obrotowy
jest zależny od prędkości obrotowej wirnika.
Przy obciążeniu momentem znamionowym prędkość obrotowa wirnika jest mniejsza od
prędkości synchronicznej tylko o kilka procent. Stosunek różnicy prędkości synchronicznej i prędkości
obrotowej wirnika do prędkości synchronicznej pola wirującego nazywamy poślizgiem:
n1 - n
S =
n1
Uwzględniając powyższe wzory prędkość obrotową silnika asynchronicznego można wyrazić:
60 f1
n = n1(1- S) = (1- S)
P
- 2 -
Wersja 1.0
Badanie maszyn prÄ…du przemiennego
Zmianę prędkości obrotowej można zatem osiągnąć przez zmianę częstotliwości f1, przez
zmianę liczby par biegunów silnika p oraz zmianę poślizgu s. Zmiana poślizgu wymaga wprowadzenia
do obwodu wirnika dodatkowej rezystancji, czyli może być zrealizowana tylko dla silników
pierścieniowych. Taka regulacja jest niewygodna i nieekonomiczna i w chwili obecnej rzadko
stosowana. Regulacja prędkości poprzez zmianę liczby par biegunów (regulacja skokowa) może być
zrealizowana przy odpowiedniej konstrukcji silnika, tzn. z dużą ilością par biegunów stojana. Zmiana
prędkości przez zmianę częstotliwości jest korzystna energetycznie i napędowo sprawia jednak
pewną trudność dostarczenie z
ródła prądu o żądanej częstotliwości. Przy stosowaniu regulacji
prędkości obrotowej przez zmianę częstotliwości należy mieć na względzie inne parametry silnika np.
moment. Dla zachowania odpowiednich parametrów silnika przy zmianie częstotliwości należy
teoretycznie zachować stałość wartości stosunku napięcia do częstotliwości, czyli:
U
= const
f1
Jako z
ródła prądu o zmiennej częstotliwości stosowano przetwornice częstotliwości synchroniczne lub
asynchroniczne, częściej asynchroniczne jako bardziej ekonomiczne. W chwili obecnej stosuje się
przetwornice częstotliwości oparte na elementach półprzewodnikowych (falowniki  układy
tyrystorowe). Przykładowy schemat ideowy przetwornicy częstotliwości pokazano na rys. 1
Rys. 1 Schemat ideowy przetwornicy częstotliwości
1  przetwornik 6  filtr
2  regulator 7  przetwornik
3  sterownik 8  sterownik falownika
4  prostownik 9  falownik
5  regulator prÄ…du 10  przelicznik
Sygnał napięciowy kfsz proporcjonalny do zadanej częstotliwości jest w przetworniku 1 przemieniony
na sygnał proporcjonalny do napięcia Usz , jakie przy danej częstotliwości powinno być na zaciskach
silnika. Po porównaniu napiÄ™cia Usz z rzeczywistÄ… wartoÅ›ciÄ… Us jaka jest na silniku sygnaÅ‚ µ jest
podawany na regulator 2 i sterownik 3. Sterownik tak wysterowuje prostownik 4 aby na zaciskach
- 3 -
Wersja 1.0
Badanie maszyn prÄ…du przemiennego
silnika było napięcie Usz. Regulator prądu 5 zabezpiecza układ przed przekroczeniem maksymalnej
wartości prądu w stanach dynamicznych. Równocześnie sygnał kfsz jest podawany na przetwornik 7,
który na wyjściu daje impulsy o sześciokrotnej częstotliwości 6fsz , rozdzielone w sterowniku falownika
8 na poszczególne tyrystory falownika 9. Sterowany w ten sposób silnik zachowuje się jak przy
zasilaniu ze sztywnej sieci o częstotliwości fsz.
Najnowsza generacja przemienników częstotliwości posiada bardzo rozbudowane układy
sterowania i komunikacji. Przykładowy schemat blokowy takiego przemiennika podano na rys. 2.
Dzięki mikroprocesorom możliwa jest realizacja szeregu dodatkowych funkcji jak: automatyczne
oszczędzanie energii, możliwość przejęcia sterowania obracającego się silnika (lotny start), szybkie
zatrzymanie napędu. Panel operatorski umożliwia monitorowanie kilkunastu wielkości np. pobranej
mocy przez napęd, czasu załączania i pracy przetwornicy, stan wejść i wyjść sterujących.
Rys. 2 Schemat blokowy przemiennika częstotliwości firmy Hitachi
Maszyny prądu przemiennego mogą być również konstruowane do wytwarzania energii elektrycznej.
W prądnicach prądu stałego występuje komutator, który nastręcza trudności zarówno w konstrukcji jak
i eksploatacji. W chwili obecnej coraz większe rozpowszechnienie maja prądnice prądu przemiennego
samowzbudne, które nie posiadają komutatora ani pierścieni ślizgowych. Maszyny te mają
zastosowanie w agregatach prądotwórczych, w prądnicach samochodowych  zwłaszcza w
autobusach, wozach ciężarowych w tym i w samochodach pożarniczych. Budowę takiej prądnicy,
którą często nazywamy alternatorem, pokazano na rys. 3.
- 4 -
Wersja 1.0
Badanie maszyn prÄ…du przemiennego
Rys. 3 Budowa samowzbudnej prÄ…dnicy indukcyjnej firmy Leroy  Somer
1  obudowa stojana 5  dioda
2  łożyska 6  kondensator
3  wentylator 7  zaciski Å‚Ä…czeniowe
4  wirnik 8  uzwojenia stojana
Wirnik ma za zadanie wytworzyć odpowiedni strumień magnetyczny i w tym celu ma uzwojenie
zwarte diodą. W uzwojeniu wirnika indukuje się napięcie zmienne, dioda powoduje, że w uzwojeniu
płynie prąd jednokierunkowy i tym samym strumień magnetyczny ma zawsze odpowiednio
ukierunkowany biegun. Obracający się wirnik wytwarza napięcie na uzwojeniach stojana. Jedno z
uzwojeń stojana jest zwarte kondensatorem i jest to uzwojenie pomocnicze. Pomaga ono w
samowzbudzeniu się prądnicy. Samowzbudzenie się jest możliwe dzięki magnetyzmowi
szczÄ…tkowemu obwodu magnetycznego wirnika.
3. Pomiary laboratoryjne
Pomiary zostanÄ… przeprowadzone dla silnika asynchronicznego zasilanego poprzez
przetwornicę częstotliwości oraz samowzbudnej prądnicy. Silnik jest zamontowany na wspólnej
podstawie z prądnicą prądu przemiennego i wirniki tych maszyn są spięte sztywnym sprzęgłem.
Zadanie 1: Określić typ i wpisać dane znamionowe maszyn na podstawie tabliczek znamionowych.
Silnik z przetwornicÄ… PrÄ…dnica
Typ przetwornicy Typ prÄ…dnicy
Typ silnika Pn
Pn In
In Un
Un nn
- 5 -
Wersja 1.0
Badanie maszyn prÄ…du przemiennego
Zadanie 2: Pomiar rezystancji uzwojenia prÄ…dnicy.
Pomiar rezystancji uzwojenia prądnicy należy wykonać odpowiednim miernikiem na początku
wykonywania ćwiczenia oraz po zakończeniu zadania 5. Po trzykrotnym pomiarze należy obliczyć
wartość średnią korzystając ze wzoru:
Rg - RZ
"Ń = (235 +ÅZ )
RZ
gdzie:
"Ń - średni przyrost temperatury uzwojenia,
Rg,RZ  rezystancja uzwojenia odpowiednio w stanie zimnym i nagrzanym,
ŃZ  temperatura uzwojenia zimnego
Obliczyć średni przyrost temperatury uzwojeń. Uzyskane wyniki zanotować w tabeli 1.
Tabela 1
Wyniki pomiarów i obliczeń rezystancji uzwojenia prądnicy
Stan zimny Stan nagrzany
Rśr Rśr
&! &!
R1 &! R1 &!
"Ń1 = ....................................
Zadanie 3: Badanie stanu jałowego maszyn.
Badanie stanu jałowego maszyn przeprowadzamy w układzie przedstawionym na rys. 4.
Rys.4 Układ pomiarowy przy badaniu maszyn prądu przemiennego.
Podczas badań stanu jałowego obciążenie prądnicy jest wyłączone. Po załączeniu układu należy
ustawić wartości znamionowe silnika (napięcie, częstotliwość). Autotransformatorem obniżamy
napięcie i notujemy wskazania mierników. Po wykonaniu kilku punktów pomiarowych ustawiamy z
powrotem napięcie znamionowe i zmieniamy częstotliwość. Wskazania mierników oraz odczyt z
panelu kontrolnego notujemy w tabeli 2.
Tabela 2
Wyniki pomiarów i obliczeń stanu jałowego maszyn prądu przemiennego.
Zasilanie Panel kontrolny Pr
L.p.
Uwagi
U I P1 P2 P3 U I P f N U
cosĆ Ń
0
V A W W W - V A W Hz 1/min C V
- 6 -
Wersja 1.0
Badanie maszyn prÄ…du przemiennego
Zadanie 4: Badanie obciążenia maszyn.
Próbę obciążenia silnika i prądnicy przeprowadza się przy załączonym obciążeniu prądnicy. Układ
pomiarowy jak na rys. 4. Poprzez zmianę częstotliwości w przetwornicy oraz zmianę rezystancji
obciążenia uzyskuję się różną moc oddawaną przez silnik i prądnicę. Otrzymane wyniki pomiarów
zanotować w tabeli 3.
Tabela 3
Zasilanie Panel kontrolny
PrÄ…dnica
·
L.p.
U I P1 P2 P U I P f n U I P Uwagi
cosĆ Ń
0
V A W W W - V A W Hz 1/min C V A W %
Obliczenia należy wykonać korzystając z następujących wzorów:
PPr Ä…dnicy
P
cosĆ = n = 60 f · = Å"100%
3Å"U Å" I PZasilania
Zadanie 5: Badanie stanów awaryjnych.
W układzie jak na rys. 4 należy przeprowadzić następujące stany awaryjne:
" Autotransformatorem obniżyć napięcia, aż wystąpi reakcji układu sterowania przetwornicy
" Wyłączyć jedną a następnie drugą fazę zasilania.
Podczas tych prób należy zanotować:
" Czas reakcji układu sterowania przetwornicy
" Sposób reakcji
" Słowa alarmowe wyświetlacza
4. Opracowanie wyników pomiaru
a) Uzupełnić tabele o odpowiednie obliczenia
b) Narysować charakterystyki biegu jałowego, tzn. cosŚ, I, P=f(u); P, I=f(n) dla silnika oraz U=f(n)
dla prÄ…dnicy
c) Narysować charakterystyki obciążenia, tzn. cosŚ, I, y=f(P)
d) Przeprowadzić dyskusję wyników oraz podać wnioski z przeprowadzonych pomiarów
5. Zagadnienia i pytania kontrolne
a) Opisać budowę i zasadę działania silnika asynchronicznego
b) Czym się różni silnik asynchroniczny klatkowy od pierścieniowego?
c) Podać sposoby regulacji prędkości obrotowej silników asynchronicznych
d) Podać zasadę działania przetwornicy częstotliwości
e) Opisać budowę i zasadę działania prądnicy prądu przemiennego
6. Literatura
1.Praca zbiorowa: Elektrotechnika i elektronika dla nieelektryków. WNT,
Warszawa 1999
2. Praca zbiorowa: Poradnik montera elektryka. WNT, Warszawa 1997
- 7 -
Wersja 1.0