Celem laboratorium było wyznaczanie charakterystyk silnika indukcyjnego zwartego trójfazowego (klatkowego) z uzwojeniami stojana połączonymi w gwiazdę lub trójkąt.

Budowa

Silnik indukcyjny zwarty zbudowany jest z dwóch zasadniczych zespołów: wirnika (nazywanego też rotorem) oraz stojana (nazywanego też statorem). Wirnik złożony jest z izolowanych blach (aby zmniejszyć straty na prądy wirowe) osadzonych na wale silnika. W blachach wirnika wycięte są żłobki na nie izolowane uzwojenie w postaci prętów miedzianych lub aluminiowych. Po obu stronach wirnika pręty te są połączone nie izolowanymi pierścieniami, tworząc niejako klatkę (stąd popularna nazwa silniki klatkowe). Dość często klatka zakończona jest łopatkami wentylacyjnymi do chłodzenia silnika. Czasami wirniki wykonuje się jako dwuklatkowe (klatki o różnej średnicy jedna w drugiej). Stojan silnika zbudowany jest z pakietu izolowanych blach z naciętymi na wewnętrznym obwodzie żłobkami, w których umieszczone są izolowane uzwojenia (drut miedziany lub aluminiowy).Poszczególne cewki przesunięte są względem siebie w przestrzeni o pewien kąt zależny od ilości par biegunów. Końce i początki uzwojeń stojana wyprowadza się do tabliczki zaciskowej silnika. Rdzeń stojana, odpowiednio sprasowany, osadzony jest w kadłubie i zamocowany śrubami lub klinami. Kadłub wykonany jest jako odlew żeliwny, może też być spawany. Z obu stron kadłuba znajdują się tarcze łożyskowe zaopatrzone w gniazda do umieszczania łożysk wału silnia.

Zasada działania

Silnik indukcyjny pracuje na zasadzie wzajemnego oddziaływania wirującego pola magnetycznego stojana i prądu wytworzonego w wirniku drogą indukcji elektromagnetycznej. Prądy sinusoidalne płynąc przez cewki, stojana przesunięte względem siebie w przestrzeni, wytwarzają pole magnetyczne wirujące z prędkością kątową zależną od częstotliwości zmian prądu (jest ona nazwana prędkością synchroniczną). Pole wirujące przecina pręty wirnika i wytwarza w nich prąd indukcyjny. Dzięki oddziaływaniu elektrodynamicznemu pola wirującego i prądu w klatce, wirnik zaczyna podążać za obracającym się polem magnetycznym. Prędkość wirnika musi być mniejsza od prędkości pola wirującego (dlatego mówimy o silniku klatkowym, że jest asynchroniczny) i musi mieć taką wartość aby prąd płynący w wirniku wytwarzał moment obrotowy wystarczający do pokonania sił hamujących. Gdyby wirnik osiągnął prędkość pola wirującego, wówczas pręty przestały być przecinane i znikłaby siła elektromotoryczna, a zatem prąd w wirniku. Zanik prądu w wirniku powodowałby zanik siły obracającej wirnik, a zatem zanik momentu obrotowego. Zanik momentu obrotowego powoduje, że wirnik zaczyna zwalniać. Wtedy pręty klatki znów będą przecinane przez pole wirujące, a więc pojawia się moment obrotowy. Różnicę, wyrażoną w procentach, między prędkością synchroniczną, a prędkością obrotową wirnika nazywamy poślizgiem silnika.

Ćwiczenie obejmowało:

1. Wyznaczanie charakterystyk silnika klatkowego trójfazowego z uzwojeniami stojana połączonymi w gwiazdę:

Schemat układu pomiarowego (zmiana obciążenia poprzez regulację prądu wzbudzenia prądnicy prądu stałego mechanicznie połączonej z wałem wirnika badanego silnika):

Pomiary obejmowały:

n - prędkość obrotowa wirnika,

l - długość ramienia siły pomniejszona o promień stojana prądnicy,

Q - ciężar zawieszony na ramieniu l+r, gdzie r=125[mm],

I_s - prąd w jednej fazie odbiornika,

P_1e - moc pobierana przez silnik z sieci.

W oparciu o pomiary wyliczono wielkości:

M=(l+r)Q - moment obrotowy na wale silnika,

P_2m=2πnM - moc mechaniczna oddawana przez silnik,

- sprawność silnika,

- współczynnik mocy, gdzie U_f - napięcie między fazami odbiornika,

dla połączenia w gwiazdę U_f=380 [V].

Dla połączenia w gwiazdę uzwojeń stojana
Lp.	n	l	Q	Is	P1e	M	P2m		cos
		obr/min	mm	N	A	kW	N·m	W	-	-
1	1370	140	2,943	2,20	0,25	0,779895	111,8317	0,447327	0,172176
2	1370	144	2,943	2,20	0,25	0,791667	113,5198	0,454079	0,172176
3	1370	199	2,943	2,20	0,28	0,953532	136,7301	0,488322	0,192837
4	1370	255	4,905	2,25	0,45	1,8639	267,2708	0,593935	0,30303
5	1360	262	5,886	2,30	0,50	2,277882	324,2489	0,648498	0,329381
6	1350	292	7,848	2,40	0,70	3,272616	462,4206	0,660601	0,441919
7	1340	259	15,696	2,80	1,16	6,027264	845,3439	0,728745	0,627706
8	1320	304	19,620	3,30	1,60	8,41698	1162,89	0,726806	0,734619

Wnioski

Wykresy wykonane na podstawie przeprowadzonych pomiarów są zgodne z charakterystykami roboczymi silników klatkowych zamieszczonymi w literaturze. Należy zwrócić uwagę na niską wartość współczynnika mocy dla silnika, co potwierdza indukcyjny charakter tego odbiornika. Widoczne są podstawowe zalety silnika zwartego, a więc niewielkie zmiany prędkości obrotowej pod wpływem zmian obciążenia, duża sprawność, co w połączeniu z bardzo prostą budową decyduje o powszechnym wykorzystaniu tych silników w technice.

2. Wyznaczanie charakterystyk silnika klatkowego trójfazowego z uzwojeniami stojana połączonymi w trójkąt:

Schemat układu pomiarowego (zmiana obciążenia poprzez regulację prądu wzbudzenia prądnicy prądu stałego mechanicznie połączonej z wałem wirnika badanego silnika):

Pomiary i obliczenia obejmowały te same wielkości co w punkcie 1.

Jedyną różnicą jest napięcie międzyfazowe U_f=220 [V].

Dla połączenia w trójkąt uzwojeń stojana
Lp.	n	l	Q	Is	P1e	M	P2m		cos
		obr/min	mm	N	A	kW	N·m	W	-	-
1	1370	160	1,962	2,1	0,22	0,55917	80,18125	0,36446	0,15873
2	1370	207	1,962	2,1	0,23	0,651384	93,40412	0,406105	0,165945
3	1370	251	1,962	2,1	0,25	0,737712	105,783	0,423132	0,180375
4	1370	278	2,943	2,1	0,33	1,186029	170,0687	0,51536	0,238095
5	1360	223	6,867	2,2	0,50	2,389716	340,1681	0,680336	0,344353
6	1345	208	14,715	2,5	0,87	4,900095	689,819	0,792895	0,527273
7	1340	306	14,715	2,7	1,10	6,342165	889,5098	0,808645	0,617284
8	1315	302	19,620	3,2	1,45	8,37774	1153,084	0,79523	0,686553

Wnioski

Wyniki pomiarów można skomentować analogicznie jak w punkcie 1.

Warto zauważyć, że ta sama moc wydzieliła się w obwodzie z uzwojeniami silnika połączonymi w gwiazdę przy napięciu międzyfazowym √3 razy większym, niż przy połączeniu uzwojeń w trójkąt. Pomiary wykonane dla obu układów połączeń są porównywalne, pewne różnice mogą wynikać z błędów odczytu przyrządów pomiarowych.

---