POLITECHNIKA POZNAŃSKA
Laboratorium Maszyn Elektrycznych. Ćwiczenie nr 3 Temat: Badanie 3-fazowego silnika indukcyjnego pierścieniowego.
Rok akademicki: 2012/2013 Wydział Elektryczny Studia dzienne inżynierskie Nr grupy: E4/2
Uwagi:

1. Cel ćwiczenia

Zapoznanie się z budową i działaniem silnika indukcyjnego .Wyznaczanie charakterystyki siły elektromotorycznej wirnika w funkcji prędkości badanego silnika . Zapoznanie się z tabliczką znamionową badanego silnika.

2. Wstęp teoretyczny

Silnik elektryczny asynchroniczny, silnik indukcyjny jest maszyną elektryczną zmieniającą energię elektryczną w energię mechaniczną, w której wirnik obraca się z poślizgiem w stosunku do wirującego pola magnetycznego wytworzonego przez uzwojenie stojana. Silnik asynchroniczny składa się z 2 podstawowych części: nieruchomego stojana, wykonanego z ferromagnetycznych blach elektrotechnicznych ze żłobkami na cewki uzwojenia, i ruchomego wirnika, również wykonanego z blach ze żłobkami na uzwojenie. Przemienny prąd w symetrycznym, wielofazowym uzwojeniu stojana powoduje powstanie w maszynie zmiennego pola magnetycznego od każdej z faz w taki sposób, że wypadkowe pole jest tzw. polem wirującym, wirującym wzdłuż obwodu maszyny, czyli wokół wirnika. Pole to w wyniku indukcji elektromagnetycznej (stąd inna nazwa silnika - silnik indukcyjny) powoduje powstanie sił elektromotorycznych w uzwojeniu wirnika, pod wpływem których płyną tam prądy elektryczne, które powodują powstanie magnetycznego pola wirującego wirnika. Oddziaływanie wirujących pól magnetycznych: od stojana i od wirnika wywołuje powstanie momentu elektromagnetycznego działającego na wirnik i, w konsekwencji, momentu obrotowego odpowiedzialnego za ruch wirnika.

Siła elektromotoryczna w uzwojeniach wirnika powstaje, gdy wirnik obraca się z prędkością inną niż prędkość wirowania pola magnetycznego. Różnica pomiędzy prędkościami obrotowymi stojana i wirnika określa się jako poślizg i jest on zapisany wzorem:

$$s = \frac{n_{s} - n_{w}}{n_{s}} = 1 - \ \frac{n_{w}}{n_{s}}$$

Silnik asynchroniczny bez obciążenia uzyskuje obroty prawie równe obrotom silnika synchronicznego. Silnik indukcyjny nie może kręcić się (bez pomocy zewnętrznego napędu) z prędkością synchroniczną (poślizg = 0), gdyż wówczas w uzwojeniu wirnika nie indukowałyby się napięcia i nie płynęłyby prądy, w konsekwencji silnik nie uzyskiwałby momentu elektromagnetycznego.

Rozruch silnika można przeprowadzić na wiele sposobów:

1. Rozruch bezpośredni

Rozruch silnika jest możliwy, jeżeli powstający w chwili rozruchu moment elektromagnetyczny jest większy niż moment obciążenia. Najprostszym sposobem dokonania rozruchu silnika indukcyjnego jest podłączenie uzwojeń stojana do 3-fazowego źródła zasilania (w przypadku silnika 3-fazowego), jest to tzw. rozruch bezpośredni. W tym przypadku pobierany prąd rozruchu jest wielokrotnie większy niż prąd znamionowy (do 8 razy), co powoduje nagrzewanie się uzwojeń a także może spowodować spadki napięcia sieci zasilającej. Wartość powstającego momentu elektromagnetycznego nie jest zbyt duża, dlatego, aby silnik mógł wystartować nie może być zbytnio obciążony. Ze względu na te ograniczenia rozruch bezpośredni stosuje się dla silników o małych mocach (do kilkunastu kW).

1. Rozruch gwiazda-trójkąt

Sposobem na zmniejszenie prądu rozruchowego, jest zastosowanie w celach rozruchowych przełącznika gwiazda - trójkąt.

Rozruch ten jest jednak możliwy tylko dla silników 3-fazowych, które mają wyprowadzone 6 zacisków na tabliczce zaciskowej, umożliwiające odpowiednie podłączenie uzwojeń stojana w gwiazdę lub w trójkąt.

Przy połączeniu uzwojeń silnika w trójkąt, prąd pobierany przez silnik z sieci jest 3-krotnie większy niż prąd pobierany przy połączeniu w gwiazdę. Także moment elektromagnetyczny a więc i moc silnika w tym przypadku są 3-krotnie większe. Stosując przełącznik gwiazda – trójkąt możemy wystartować silnik połączony w gwiazdę, przez co będzie mniejszy pobór prądu z sieci zasilającej, a następnie po osiągnięciu przez silnik odpowiedniej prędkości obrotowej przełączyć uzwojenia stojana w trójkąt, tak, aby silnik mógł zapewnić pożądaną przez nas moc. W starszych rozwiązaniach przełączenie zwykle dokonywane było ręcznie przez operator, obecnie stosuje się specjalizowane do tego celu układy styczników i przekaźników dokonujące automatycznego przełączenia po nastawionym wcześniej czasie.

1. Rozruch przez zmianę rezystancji w obwodzie wirnika

Jak juz wspomniano wcześniej, w przypadku silnika pierścieniowego w celach rozruchowych można stosować dodatkowe rezystory przyłączane do uzwojeń wirnika co powoduje spadek prądu wirnika, a zatem również spadek prądu pobieranego z sieci. Wadą tego rozwiązania, podobnie jak w przypadku rozruchu gwiazda - trójkąt jest mniejszy moment rozruchowy silnika, poza tym jak juz wspomniano wcześniej, ze względu na skomplikowana budowę i koszty utrzymania konstrukcja ta jest obecnie rzadko stosowana.

1. Zastosowanie “softstartu”

Ostatnio coraz częściej, do łagodnego rozruchu 3-fazowych silników indukcyjnych stosuje się specjalizowane urządzenia, nazywane układami „soft - start” (miękkiego rozruchu), które mają za zadanie redukuję niekorzystnych zjawisk występujących podczas rozruchu, wpływających na żywotność silników i jakość ich pracy. Ich zasada działania opiera się na, płynnej regulacji napięcia podawanego na uzwojenia (lub jedno z uzwojeń) W roli elementów sterujących stosuje się najczęściej tyrystory. Zwykle urządzenia takie umożliwiają kontrole i możliwość nastawienia wielu parametrów takich jak czas rozruchu, wartość początkowego momentu rozruchowego, kolejności faz i czy temperaturę przegrzania.

Zmiana kierunku wirowania.

Aby uzyskać zmianę kierunku wirowania wirnika należy zamienić podłączenie dowolnych dwóch faz (tak samo postępuje się gdy wykorzystujemy silnik do hamowania metodą przeciwprądem).

Wykres momentu T (tutaj M) od prędkości (lub poślizgu):

M_r – moment rozruchu,

M_k – moment krytyczny, moment utyku,

s_k – poślizg krytyczny, poślizg utyku.

3. Przebieg ćwiczenia

Schemat połączeń

Schemat połączony jest w trójkąt. Watomierze połączone są w układ Arona do mierzenia mocy czynnej.

Tabliczka znamionowa badanego silnika

3,3kW	380V~/∆
9,5A	940obr/min
25A	95V
0,654cosφ

Z tabliczki można wywnioskować że moc znamionowa silnika wynosi 3.3 kW a napięcie międzyprzewodowe U_m dla stojana połączonego w trójkąt jest równy 380V~/∆.

Jeśli unieruchomimy wirnik i podłączymy uzwojenie stojana do sieci silnik na uzwojeniu wirnika indukuje prąd w wartości 25A i napięciu 95V. Znamionowy współczynnik mocy cosφ (0,654) rozumiany jako współczynnik mocy silnika od strony uzwojenia stojana.

Prędkość wirnika wynosi 940obr/min (prędkość synchroniczna w tym wypadku wynosi 1000obr/min.)

n_N - prędkość obrotowa znamionowa

n₀ – prędkość obrotowa synchroniczna

M_max –max moment obrotowy

M_n – Moment znamionowy

Wyniki pomiarów:

Lp.	n	U	f	Zakres pracy silnika
		[V]	[Hz]
1	1600	46	30	praca prądnicowa
2	1510	41	25,5
3	1415	34	-
4	1317	25,5	-
5	1228	18	-
6	1129	10	-
7	1000	0	-	praca silnikowa
8	912	7	-
9	817	15	-
10	712	23	-
11	611	31,5	-
12	516	42	-
13	420	47	29
14	306	56	35
15	222	62	39
16	111	72	44,5
17	0	80	50,5
18	-111	90	55,5	praca hamulcowa
19	-202	98	60
20	-300	105	65

Wnioski

Do badania silnika indukcyjnego zastosowaliśmy układ Arona aby zaobserwować jak zmienia się wartość mocy w poszczególnych stanach pracy : hamulcowej, silnikowej oraz pracy prądnicowej. Do pomiarów został użyty częstotliwościomierz wibracyjny. Podczas hamulcowego stanu pracy pobierana jest duża moc aby odpowiednio wyhamować silnik. W pracy tej częstotliwość zmniejsza wraz ze zbliżeniem się do punktu rozruchu. W silnikowym stanie pracy badany obiekt pobiera mniejszą ilość mocy a częstotliwość zmienia się w szerszym zakresie niż w pracy hamulcowej. Powyżej 1000 obr/min rozpoczęła się praca prądnicowa ponieważ przy prędkości wyższej od synchronicznej maszyna indukcyjna jest prądnicą. W tym stanie zauważamy że moc jest oddawana do sieci. Ćwiczenie to pokazało nam w jaki sposób eksploatować, używać maszyny indukcyjne i jak można te maszyny wykorzystać.