Laboratorium Maszyn Elektrycznych Ćwiczenie nr 3 Temat: Maszyny indukcyjne.
Rok akademicki 1998/99 Wydział Elektryczny Kierunek A i R Specjalność Automatyka	Wykonujący: 1. Michał Kasperczak 2. Antoni Kozielewski 3. Krzysztof Napiontek 4. Jacek Ostrowski 5. Piotr Pęczkowski 6. Sławomir Siwecki 7. Marcin Indrzejczak 8. Maciej Ciesielski	Data wykonania ćwiczenia 3.XI.1998
				Ocena:
Uwagi:

I.

1. Celem ćwiczenia było badanie maszyn indukcyjnych: silnika pierścieniowego oraz silnika klatkowego:

• zapoznanie się z budową maszyny indukcyjnej;

• rozruch przy pomocy przełącznika gwiazda-trójkąt dla silnika klatkowego;

• rozruch przy pomocy rozrusznika dla silnika pierścieniowego;

• pomiar rezystancji uzwojeń;

• obliczanie parametrów schematu zastępczego;

• wyznaczenie charakterystyk mechanicznych dla znamionowej wartości napięcia zasilania i dla napięcia obniżonego (przy stełj wartości częstotliwości napięcia zasilającego);

• regulacja prędkości wirowania przy pomocy przemiennika częstotliwości napięcia.

2. Dane znamionowe:

	Silnik pierścieniowy SZJe 14b	Silnik jednoklatkowy SZDe 56a
Moc	3,3 kW	1,1 kW
Ilość obrotów	940 ^obr/min	1390 ^obr/min
Napięcie stojana	380 V (∆)
Prąd stojana	9,5 A (∆)
Napięcie wirnika	95 V	220 V (∆)/ 380 V ( )
Prąd wirnika	25 A	4,9 A (∆) / 2,8 A ( )

II. Silnik pierścieniowy

1. Próba stanu jałowego.

W tej próbie silnik pracuje bez obciążenia zewnętrznego, zatem prędkość wirnika osiąga prędkość synchroniczną, a wypadkowy moment na wale jest równy zeru.

We wszystkich tabelach zastosowano następujące oznaczenia:

M - moment obciążenia

n - prędkość obrotowa wału

P₁₀ lub P₁ - moc całkowita

P_cu - straty mocy na rezystancji stojana

P_fe+m. - straty jałowe

I_śr - prąd średni

Q₁₀ lub Q₁ - całkowita moc bierna pobrana ze źródła

 - prędkość kątowa wirnika (wału)

cos  - współczynnik mocy

U	I1	I2	I3	I10	P	P
380	6	6	6	6,0	1240	-920
360	5,2	5,2	5,4	5,3	1040	-760
340	4,6	4,6	4,6	4,6	840	-640
320	4	4	4	4,0	680	-480
300	3,6	3,6	3,6	3,6	560	-440
280	3,2	3,2	3,2	3,2	480	-360
240	2,5	2,5	2,7	2,6	280	-200
200	2	2	2,1	2,0	200	-120
180	1,8	1,8	1,8	1,8	160	-120
160	1,5	1,5	1,6	1,5	120	-80
120	1,1	1,1	1,1	1,1	40	-40
				średni prąd stojana

Z obliczeń według wzorów:

P10	n	M.		cos 	Q10	Pcu	Pfe+m.
320	1000	0	104,72	0,09	3934,7	116,64	261,68
280	1000	0	104,72	0,09	3270,8	89,87	228,81
200	1000	0	104,72	0,08	2700,7	68,56	155,29
200	1000	0	104,72	0,10	2206,1	51,84	161,12
120	1000	0	104,72	0,07	1866,1	41,99	85,01
120	1000	0	104,72	0,08	1546,7	33,18	88,90
80	1000	0	104,72	0,10	1062,0	21,34	55,05
80	1000	0	104,72	0,14	697,1	13,40	60,24
40	1000	0	104,72	0,08	559,3	10,50	22,50
40	1000	0	104,72	0,11	422,1	7,62	25,10
0	1000	0	104,72	0	0,0	3,92	-10,69

2. Próba zwarcia pomiarowego

Przy tej próbie stojan pozostaje zasilany i unieruchamiamy wirnik. Moment występujący na wale jest niezerowy, a silnik działa jak transformator. Nawet buczy podobnie.

Pojawiają się nowe oznaczenia:

Z_1z - impedancja zwarcia

R_1z - rezystancja zwarcia

X_1z - reaktancja zwarcia

U1z	I1	I2	I3	I1z	P	P
380	10	10	9,2	9,7	1320	360
380	9,4	9,5	8,7	9,2	1200	320
380	9	9	8,3	8,8	1120	280
380	8	8	7,4	7,8	880	240
380	7	7	6,6	6,9	680	200
380	6	6	5,7	5,9	520	120
380	5	5	4,8	4,9	360	80
380	4	4	4	4,0	240	40
380	3	3	3	3,0	80	40

Z obliczeń:

P1z	M.[kpm]	cos o	Zz1	Rz1	Xz1	M.[Nm]
960	0,525	0,31	39,0	12,2	37,1	5,15
880	0,5	0,32	41,3	13,1	39,2	4,91
840	0,45	0,33	43,3	14,2	41,0	4,41
640	0,38	0,31	48,7	15,3	46,3	3,73
480	0,29	0,30	55,3	16,6	52,8	2,84
400	0,22	0,34	64,4	21,9	60,6	2,16
280	0,16	0,34	77,0	26,6	72,3	1,57
200	0,125	0,38	95,0	36,2	87,8	1,23
40	0,09	0,19	126,7	23,9	124,4	0,88

Próba obciążenia

Przy napięciu znamionowym i różnych wartościach obciążenia zewnętrznego

Nowe oznaczenia:

s - poślizg

Pm+Pe - suma strat mechanicznych i

Eta - sprawność

Z pomiarów i z obliczeń

U1	I2	M[kpm]	N[obr/min]	M[Nm]	s	[rad/s]	rad/s]
165	1,6	0	1000	0,0	0,00	104,72	104,72
165	3,6	0,56	900	5,5	0,10	94,25	104,72
165	5,5	0,81	800	7,9	0,20	83,78	104,72
165	6,3	0,85	753	8,3	0,25	78,85	104,72
165	7	0,84	700	8,2	0,30	73,30	104,72
165	8	0,76	600	7,5	0,40	62,83	104,72
165	8,5	0,74	500	7,3	0,50	52,36	104,72
165	9	0,66	400	6,5	0,60	41,89	104,72
165	9,2	0,6	300	5,9	0,70	31,42	104,72
165	9,5	0,56	200	5,5	0,80	20,94	104,72
165	9,8	0,56	100	5,5	0,90	10,47	104,72
165	10	0,58	0	5,7	1,00	0,00	104,72
135	1,3	0,11	1000	1,1	0,00	104,72	104,72
135	2,6	0,3	900	2,9	0,10	94,25	104,72
135	4,4	0,46	800	4,5	0,20	83,78	104,72
135	5	0,51	753	5,0	0,25	78,85	104,72
135	5,5	0,5	700	4,9	0,30	73,30	104,72
135	6	0,45	600	4,4	0,40	62,83	104,72
135	6,4	0,4	500	3,9	0,50	52,36	104,72
135	6,8	0,36	400	3,5	0,60	41,89	104,72
135	7,1	0,35	300	3,4	0,70	31,42	104,72
135	7,2	0,32	200	3,1	0,80	20,94	104,72
135	7,5	0,32	100	3,1	0,90	10,47	104,72
135	10	0,31	0	3,0	1,00	0,00	104,72

III. Schemat zastępczy

R1=4,4; R'2=6,1; Xr1=X'r2=13,85; Rfe=106,36; Xm=95,77; R'2*(1-s)/s=115,9

Jednocześnie Io=I/√3; R1=R1z(R1st/(R1st+R'2st)); (R1st=3,24)

R'2=R1z (R'2st/(R1st+R'2st))

R'2st=R2st*υ² ; R2st=0,092

Xr1=X'r2=0.5X1z

Xmo=(U1²sin )/(Q10/3)-Xr1

Rfe=(U1²cos  /((Pfe+Pcu)/3))-R1

Do obliczeń przyjęto wartości R1z, X1z, Z1z z próby zwarcia dla prądu Iśr równego znamionowemu oraz poślizg s=0,004.

IV. Silnik klatkowy

1. próba pracy przy napięciu zanmonowym i przy obciążeniu zewnętrznym

nowa wielkość

d - długość ramienia siły obciążenia

stałe F=2,73kG=26,8N

Z pomiarów dla połączenia w gwiazdę:

U1	I1	I2	I3	Iśr	P	P	P10
380	3,1	3	3,1	3,07	430	1140	1570
380	2,7	2,7	2,7	2,70	320	1000	1320
380	2,4	2,4	2,4	2,40	205	860	1065
380	2,1	2,1	2,2	2,13	65	720	785
380	2,2	2,2	2,1	2,17	-25	600	575
380	1,75	1,9	2	1,88	-140	500	360
380	1,9	1,9	2	1,93	-250	420	170
380	1,9	1,9	2	1,93	-265	400	135

Z obliczeń dla połączenia w gwiazdę:

n [obr/min]	d [cm]	M[Nm]	Puż	η [%]
1480	31	8,3	1287,6	82,0
1460	26	7,0	1065,3	80,7
1458	21	5,6	859,3	80,7
1456	16	4,3	653,8	83,3
1471	11	2,9	454,1	79,0
1482	6	1,6	249,6	69,3
1497	1	0,3	42,0	24,7
1498	0	0,0	0,0	0,0

Z pomiarów dla połączenia w trójkąt:

U1	I1	I2	I3	Iśr	P	P	P10
220	3,1	3,1	3,2	3,13	270	400	670
220	3,1	3,1	3,2	3,13	265	420	685
220	3,1	3,1	3,2	3,13	150	500	650
220	3,3	3,3	3,4	3,33	-10	640	630
220	3,6	3,6	3,7	3,63	-80	740	660
220	4,1	4,3	4,3	4,23	-210	880	670
220	4,7	4,9	4,9	4,83	-325	1020	695
220	5,1	5,1	5,1	5,10	-405	1140	735

Z obliczeń dla połączenia w trójkąt:

N [obr/min]	d [cm]	M[Nm]	Puż	η [%]
1497	0	0,0	0,0	0,0
1498	1	0,3	42,0	6,1
1465	6	1,6	246,7	38,0
1465	11	2,9	452,3	71,8
1453	16	4,3	652,5	98,9
1430	21	5,6	842,8	125,8
1417	26	7,0	1034,0	148,8
1391	31	8,3	1210,2	164,7

2. Rozruch

Rozruchem silnika nazywamy przejście od postoju do stanu pracy ustalonej, przy prędkości właściwej w danych warunkach zasilania i obciążenia. Prąd w stanie rozruchu jest równy prądowi zwarcia, i osiąga wartość 4...8 wartości prądu nominalnego. Mimo tak znacznego wzrostu prądu, moment rozruchowy jest wciąż mniejszy niż moment nominalny (mały cos ), jak również strumień główny znacznie zmniejsza swoją wartość.

O czasie trwania rozruchu decyduje nadwyżka momentu rozruchowego nad statycznym momentem obciążenia. Zmniejszenie prądu rozruchowego jest możliwe przez obniżenie napięcia zasilania oraz powiększenie rezystancji w obwodzie stojana lub wirnika. Przy czym ta druga metoda jest bardziej korzystna, gdyż zmniejszeniu prądu rozruchowego towarzyszy wzrost momentu rozruchowego, szczególnie w przypadku rozruchu przy obciążeniu.

Przez zastosowanie przełącznika gwiazda-trójkąt w uzwojeniu stojana, w czasie rozruchu obniża się napięcie fazowe silnika 3 razy przy nie zmienionej wartości napięcia doprowadzonego do silnika. W czasie pracy uzwojenie stojana jest połączone w trójkąt , a w czasie rozruchu jest połączone w gwiazdę. Przy połączeniu w gwiazdę napięcie fazowe jest 3 razy mniejsze od napięcia fazowego przy połączeniu w trójkąt, moment początkowy jest trzykrotnie mniejszy, prąd spoczynkowy fazowy jest 3 razy mniejszy, a prąd początkowy przewodowy przy połączeniu w gwiazdę jest trzykrotnie mniejszy niż przy połączeniu w trójkąt.

Silnik zasilono od razu napięciem znamionowym U₁=380V przy połączeniu w gwiazdę. Wartość prądu rozruchu I_r=10,56A.

Silnik załączono napięciem znamionowym U₁=220V przy połączeniu w trójkąt. Prąd rozruchu wyniósł wówczas I_r=19,88A.

Silnik został połączony ze źródłem za pomocą przełącznika /∆ i dokonano rozruchu z jego pomocą. Otrzymane prądy rozruchu to : I_rg=7,16A; I_rt=4,35A.

3. Regulacja prędkości wirowania przy pomocy przemiennika częstotliwości napięcia zasilającego

Zmieniając częstotliwość f zasilania maszyny synchronicznej regulujemy prędkość obrotową pola wirującego, co w rezultacie umożliwia regulację prędkości obrotowej wirnika. Zmiana częstotliwości przeprowadzana w sposób ciągły zapewnia ciągłą regulację prędkości. Gdyby zmiana częstotliwości odbywała się przy stałej wartości napięcia zasilania, wówczas występowałaby zmiana wartości strumienia; wzrost częstotliwości powodowałby zmniejszenie się strumienia. Ponieważ w większości przypadków pożądane jest zachowanie stałej wartości strumienia, dlatego regulując częstotliwość f zmieniamy zwykle tak wartość napięcia zasilania U, aby U/f = const.

U1 [V]	f [Hz]	n [obr/min]
0	0	0
26	10,3	4724
32	20,1	3830
34	31,5	2977
38	41,4	2235
40	50,6	330

Podczas procesu regulacji silnik był w połączeniu gwiazdowym, prąd utrzymywał się na poziomie 2A.

V. Wnioski

1. Silnik pierścieniowy

1. stan jałowy:

Zgodnie z przypuszczeniami, silnik nieobciążony momentem rozbiega się do prędkości synchronicznej. Z wartości tej prędkości stwierdzamy, że uzwojenie stojana jest trzybiegunowe. Faktem jest, że wraz ze spadkiem napięcia zasilania maleje średni prąd przewodowy oraz całkowita moc pobierana ze źródła. Należy zauważyć, że przy zwiększanym napięciu U silniej ujawnia się charakter indukcyjny obwodu stojana, co potwierdza spadek wartości współczynnika mocy cos  oraz dodatkowy wzrost pobieranej mocy biernej oraz nieliniowy wzrost prądu.

b) zwarcie pomiarowe:

Unieruchomiony silnik zasilany napięciem wytwarza niezerowy moment który jest momentem rozruchowym. Wzrasta on tak jak napięcie. Zauważamy liniowy wzrost prądu, a zatem mocy czynnej. Wykres wskazuje praktycznie stałą wartość cos  podczas całej próby, co świadczy o stałym rezystancyjno-indukcyjnym charakterze obwodu. Silnik pracuje jak transformator.

c) obciążenie bezpośrednie:

Maszyna pracowała z zadawanym różnym obciążeniem zewnętrznym i przy napięciu znamionowym. Wzrost momentu na wale powodował liniowy wzrost pobieranej mocy czynnej i nieliniowy wzrost pobieranej mocy biernej. Również zauważyć można nieliniowy przebieg prądu średniego, co jest podyktowane zmianą impedancji obwodu zastępczego, który zależy od poślizgu. Ten natomiast wzrastał ze wzrostem momentu (z jednoczesnym spadkiem prędkości obrotowej). Większemu obciążeniu towarzyszył też większy cos , bał zatem mniejszy wpływ indukcyjności w obwodzie w stosunku do rezystancji.

Spadek prędkości obrotowej był nieznaczny i praktycznie liniowy. Sprawność silnika dla parametrów najbliższych znamionowym wynosiła około 77%.

d) charakterystyka mechaniczna:

Analizując wykresy momentu od prędkości obrotowej dla dwóch napięć zasilania U=165V i U=135V, widać, że mniejszym napięciom odpowiadają mniejsze wartości momentu na wale dla tej samej prędkości. Zachowany został kształt przebiegu oraz wartość poślizgu krytycznego (różnice spowodowane są przez zmiany cieplne, co ma wpływ na rezystancję obwodu). Poślizg krytyczny zależy bowiem tylko od impedancji układu, a nie od napięcia zasilania.

2. Silnik klatkowy:

1. obciążenie bezpośrednie:

Przebieg prędkości obrotowej od momentu pokazują załączone charakterystyki. W tym stanie pracy sprawność przy wartościach znamionowych wynosiła około 78%.

b) rozruch

Z otrzymanych wartości prądu rozruchu dla różnych sposobów uruchamiania silnika można wysunąć wniosek, że bezpośrednie załączenie maszyny na napięcie znamionowe jest niekorzystne. W przypadku zasilania stojana połączonego w gwiazdę prąd pobierany przekroczył czterokrotnie wartość znamionową. Podobnie przy zasilaniu silnika połączonego w trójkąt napięciem 220. Po załączeniu przełącznika /∆ i zasilenia silnika 220V, prąd dla połączenia stojana w gwiazdę przekroczył wartości znamionowe ponad dwukrotnie, a po przełączeniu w ∆ nie osiągnął nawet wartości znamionowej. Praca silnika przy tym rozruchu była dużo spokojniejsza.

c) regulacja prędkości obrotowej za pomocą przemiennika częstotliwości:

Zmieniając częstotliwość napięcia zasilania możemy zmieniać prędkość obrotową wału przy niewielkim prądzie pobieranym ze źródła. Metodę tę można także stosować do rozruchu ograniczając mocno wartość prądu rozruchu oraz zapewniając płynną i spokojną pracę silnika.

Spis wykresów:

a) silnik pierścieniowy

• charakterystyka średniego prądu od napięcia zasilania dla próby pracy jałowej;

• zależność mocy czynnej pobranej od napięcia zasilania dla próby pracy jałowej;

• zależność mocy biernej w funkcji napięcia zasilania dla próby pracy jałowej;

• zależność strat jałowych w funkcji napięcia zasilania dla próby pracy jałowej;

• zależność cos f w funkcji napięcia zasilania dla próby pracy jałowej;

• zależność prądu zwarcia od napięcia zwarcia;

• zależność mocy od napięcia zwarcia;

• zależność cos f od napięcia zwarcia;

• zależność sprawności od mocy dla próby obciążenia;

• zależność prądu I1 od momentu dla próby obciążenia;

• zależność poślizgu od momentu dla próby obciążenia;

• zależność cos f od momentu dla próby obciążenia;

• zależność mocy biernej od mocy pobranej dla próby obciążenia;

• zależność prędkości obrotowej od momentu dla próby obciążenia;

2. silnik klatkowy:

• zależność średniego prądu od momentu obciążenia silnika;

• zależność prędkości kątowej od momentu obciążenia silnika;

• zależność średniej wartości prądu od momentu obciążenia silnika;

• zależność prędkości kątowej od momentu obciążenia silnika;

• zależność średniego prądu od momentu;

• zależność prędkości obrotowej od momentu;

• zależność mocy użytecznej od momentu.

---