DASW – dwufazowy asynchroniczny silnik wykonawczy

Silnik asynchroniczny zbudowany jest jak wszystkie silniki elektryczne z dwóch zasadniczych części: nieruchomego stojana i ruchomego wirnika. Stojan wykonany jest w formie wydłużonego pierścienia złożonego z blach żelazo-krzemowych odizolowanych od siebie lakierem lub papierem. Na wewnętrznej części obwodu stojana wycięte są żłobki, w których po wyłożeniu ich materiałem izolacyjnym umieszcza się wzajemnie do siebie prostopadłe uzwojenie (wzbudzenia i sterujące). Wirnik również złożony jest z blach, wyciętych w kształcie koła. Sprasowane blachy osadzone są na wale zamocowanym w łożyskach. W blaszkach wytłoczone są żłobki, w których umieszczone jest uzwojenie. Ze względu na sposób wykonania wirnika dzielimy silniki asynchroniczne na: pierścieniowe i klatkowe.

Zasada działania

Doprowadzenie napięcia dwufazowego do uzwojenia stojana spowoduje powstanie magnetycznego pola wirującego. Pole to przecina pręty wirnika, indukując w nich siły elektromotoryczne. Pod ich wpływem w zamkniętym uzwojeniu wirnika płynie prąd, który wytwarza własne pole magnetyczne. Pole magnetyczne stojana oddziałując na pole magnetyczne wytwarza moment obrotowy zgodny z prędkością wirowania pola stojana. Jeżeli moment ten będzie większy od momentu obciążenia silnika, wirnik zacznie się obracać. Wirnik silnika musi obracać się z prędkością obrotową N mniejszą od prędkości synchronicznej (prędkości obrotowej pola wirującego), stąd nazwa silnika asynchronicznego. W przypadku gdy prędkość obrotowa wirnika byłaby równa prędkości synchronicznej, pręty uzwojenia wirnika nie byłyby przecinane przez pole wirujące, w wirniku nie indukowałaby się siła elektromotoryczna.

Obiektem badanym jest dwufazowy asynchroniczny silnik wykonawczy o następujących danych:

- napięcie wzbudzania U_wn= 60 [V ]

- napięcie sterowania U_sn = 75 [V]

- częstotliwość f = 50 [Hz]

- moc znamionowa P_n= 2 [W]

- prędkość obrotowa n_n= 1500 [obr/min]

Wzory i oznaczenia:

M = m*g*R*sin() - moment mechaniczny

cos(_w ) = P_w / I_w*U_w - cosinus przesunięcia fazowego napięcia wzbudzenia

cos(_s ) = P_s / I_s * U_s - cosinus przesunięcia fazowego napięcia sterującego

P_m = 2**n*M/60 - moc mechaniczna

= P_m / ( P_s + P_w) - sprawność

m = 0,05 [kg] - masa tarczy

R = 0,1 [m] - promień tarczy

- wychylenie

g - przyspieszenie ziemskie

n - liczba obrotów na minutę

1. Schemat połączeń

5. Wnioski

W związku z uszkodzeniem stanowiska pomiarowego swpz przed rozpoczęciem ćwiczeń laboratoryjnych nie byliśmy w stanie zbadać silnika oraz wyznaczyć charakterystyk na bazie pomiarów. W związku z tym do opracowania sprawozdania użyliśmy zgodnie z poleceniem prowadzącego gotowych wyników uzyskanych przez inną sekcje laboratoryjną. Ze względu na zaistniałą sytuacje nie mieliśmy wpływu na wynik pomiarów.

Uzyskana przez nas charakterystyka I_w=f(n) jest w przybliżeniu liniowa i praktycznie stała dla różnych wartości obrotów.Charakterystyka I_s=f(n) w przeciwieństwie do wcześniej opisywanej posiada charakter paraboliczny.

Obie uzyskane przez nas charakterystyki mocy wzbudzenia i sterowania w funkcji obrotów posiadają charakter liniowy oraz praktycznie identyczny współczynnik nachylenia prostej powstałej w wyniku regresji liniowej. Pomiary wskazują na wzrost ilości obrotów silnika przy spadku mocy sterowania.

Wyznaczona przez nas charakterystyka mocy mechanicznej w funkcji obrotów P_m=f(n) na podstawie posiadanych pomiarów nie wykazuje jednoznacznie charakteru jej przebiegu.

Charakterystyki cosinusów kątów przesunięć fazowych zarówno napięcia wzbudzenia jak i sterowania wskazują na liniowy oraz malejący charakter przebiegów, przy czym dla napięcia sterowania uzyskaliśmy większy kąt nachylenia regresji liniowej przebiegu charakterystyki względem osi układu, co pokazuje szybszy spadek wartości cosinusa kąta dla rosnącej ilości obrotów na minutę.

Charakterystyka sprawności silnika w funkcji obrotów bardzo przypomina wcześniejszą charakterystykę związaną z mocą mechaniczną. Jest to spowodowane faktem, iż wzór na sprawność silnika jest proporcjonalny do wartości mocy mechanicznej. Podobnie jak w tamtym przypadku, nie jesteśmy w stanie jednoznacznie określić charakteru jej przebiegu.

Badając charakterystyki mechaniczne nie byliśmy w stanie dojść do jednoznacznych wniosków związanych ze zmianami kąta α. Wszystkie charakterystyki posiadają liniowy i malejący wraz ze wzrostem ilości obrotów charakter, jednak próby porównania ich współczynników nachylenia regresji liniowych nie dały jednoznacznych rezultatów (przykładowo zarówno dla α=1/2 jak i α=3/4 te współczynniki są praktycznie identyczne, ale dla pozostałych kątów α są od nich różne).

Przy badaniu charakterystyk momentu rozruchowego silnika zauważyliśmy, że przebiegi charakterystyk prądu i mocy, w obu przypadkach zarówno dla uzwojenia wzbudzenia jak i sterowania, posiadają charakter liniowy, przy czym dla uzwojenia wzbudzenia są poziome (co oznacza, że prąd i moc uzwojenia wzbudzenia są praktycznie stałe dla różnych wartości napięcia sterowania), natomiast dla uzwojenia sterowania są one rosnące (co oznacza, że liniowy wzrost napięcia sterującego powoduje liniowy wzrost zarówno prądu jak i mocy uzwojenia sterowania). Dla uzyskanych na podstawie posiadanych wyników pomiarów charakterystyk cosinusów przesunięć fazowych, zarówno dla uzwojenia wzbudzenia jak i sterowania, w funkcji napięcia sterującego, nie byliśmy w stanie dopasować sensownych i jednoznacznych wniosków, co prawdopodobnie miało związek z faktem, iż wykonanych zostały jedynie odpowiednio 5 i 4 pomiarów.

Ze względu na brak możliwości przeprowadzenia własnych pomiarów silnika, wynikających z awarii na stanowisku laboratoryjnym , a także bazując jedynie na rezultatach uzyskanych przez inną sekcje laboratoryjną, nie byliśmy w stanie w jednoznaczny sposób ocenić przebiegów niektórych z badanych przez nas charakterystyk.