Instytut Energoelektroniki Napędu Elektrycznego i Robotyki
Laboratorium Energoelektronicznych Układów Napędowych	Rok akad. 2011/2012
	Rodzaj studiów NZGEE
Temat ćwiczenia: Nr 1 – Metody rozruchu silnika indukcyjnego klatkowego
Skład sekcji: 1. Tomasz Błach 2. Marek Masłowski 3. Artur Olejniczak 4. Jan Słodczyk 5. Sławomir Staniszewski 6. Marcin Szeja 7. Wojciech Świerczek 8. Tomasz Tomczak	Kierunek: Elektrotechnika Semestr: VI Grupa: 2 Sekcja: 1
	Prowadzący: Dr inż. Andrzej Kandyba
Data wykonania: 24.03.2012 r.	Data oddania: 28.04.2012 r.

1. Cel i program ćwiczenia.

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się ze sposobami rozruchu silników indukcyjnych klatkowych. Ta wiedza pozwala dokonać właściwego wyboru sposobu i poprawnego przeprowadzenia rozruchu tych silników zwłaszcza większych mocy unikając narażania sieci, z której silnik jest zasilany na wywołane dużymi prądami rozruchowymi spadki napięcia mogące spowodować zakłócenia w sieci jak i w rozruchu samego silnika.

Program ćwiczenia obejmuje:

- rozruch za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt

- rozruch za pomocą przemiennika częstotliwości (falownika)

- rozruch za pomocą układu tyrystorowego „soft start”

Ze wszystkich sposobów rozruchu zostały zapisane przebiegi czasowe napięć, prądów i prędkości obrotowej za pomocą oscyloskopu cyfrowego.

1. Dane badanego silnika indukcyjnego klatkowego

Firma – INDUKLA

Typ – Sg 132M-4

U­_N=3~400 Δ

I=14,6 A

P_N=7,5 kW

f=50 Hz

cosφ=0,85

n=1450 ­­­^obr/_min

η=87,0 %

1. Przebieg ćwiczenia.

   1. Wstęp teoretyczny.

Rozruch silnika indukcyjnego klatkowego przy uzwojeniach połączonych w trójkąt odbywa się przy prądzie rozruchowym rzędu 3-8 krotnego prądu znamionowego a przy tym moment rozruchu osiąga do 70% znamionowego momentu rozruchu. Przeciążenie prądowe może spowodować przegrzanie silnika i skrócenie jego żywotności. Następstwem tak ciężkiego rozruchu są również spadki napięcia w sieci, z której zresztą ten silnik jest zasilany a to pociąga za sobą obniżenie momentu rozruchowego do uniemożliwienia wzbudzenia się silnika włącznie z powodu zbyt niskiego napięcia. Dlatego tak korzystne jest stosowanie różnych metod rozruchu silników indukcyjnych klatkowych.

1. Rozruch silnika indukcyjnego klatkowego za pomocą przełącznika gwiazda-trójkąt.

Przełącznik gwiazda-trójkąt był kiedyś montowany w układach rozruchowych jako ręczny przełącznik pakietowy a przełączanie trybu pracy odbywało się „na słuch”. Po osiągnięciu przez silnik obrotów przełączało się przełącznikiem uzwojenia z gwiazdy w trójkąt. Gdy silnik był większej mocy układ rozbudowywano o styczniki i wtedy przełącznik sterował cewkami tych styczników a w nowocześniejszych modelach pojawiały się już przekaźniki czasowe. Dzisiaj wykorzystuje się gotowe układy o małych rozmiarach do montażu na szynie TH z możliwością regulacji czasu przełączenia.

Korzystne jest więc stosowanie przełączników gwiazda-trójkąt gdyż uruchamia się silnik z uzwojeniami połączonymi w gwiazdę i dzięki temu w krytycznym momencie rozruchu gdy płyną niemal zwarciowe prądy rozruchowe napięcie na zaciskach jest obniżone o 70% a prąd jest również mniejszy o $\sqrt{3}$ w stosunku do prądów płynących przy połączeniu w trójkąt.

W pierwszej części ćwiczenia chcemy zaobserwować i odpowiednio skorygować czas przełączenia przełącznika w celu dokonania prawidłowego rozruchu silnika. Przedstawiony na rysunku 1 układ został zmontowany z zastosowaniem przycisku S2 (załącz), Sp (wyłącz), styczników Ky1 (kier. obr. P), Kx1 (główny), Kx2 (trójkąt), Kx3 (gwiazda), przekaźnik czasowy z regulowany czasem przełączania Kt (sterujący stycznikami Kx2 i Kx3). Po włączeniu stanowiska laboratoryjnego na przełączniku „Wybór sterowania” wybieramy pozycję „Sieć”, który zasila częśc stanowiska do badania silnika z wykorzystaniem przełącznika gwiazda-trójkąt. Następnie przyciskiem „S2” podajemy napięcie na cewki styczników i przekaźnika czasowego. Ponieważ zakres ćwiczenia nie wymaga zastosowania przełączania obrotów L/P pomijamy stycznik Ky2. Napięcie uruchamia stycznik Ky1 a jego styk pomocniczy podtrzymuje napięcie w układzie do czasu wyłączenia układu przyciskiem „Sp”. Napięcie równocześnie podane jest na cewki styczników Kx1 (włącza się bezwarunkowo) oraz cewki styczników Kx3, Kx2 i Kt. Stycznik Kx3 który jak pierwszy zawiera końcówki uzwojeń silnika w gwiazdę zostaje przełączony na stycznik Kx2 po czasie ustawionym na przekaźniku czasowym Kt , który ustala docelowe połączenie uzwojeń silnika w trójkąt. Oba styczniki są wzajemnie zabezpieczone stykami pomocniczymi uniemożliwiającymi włączenie jednego stycznika gdy drugi jest aktywny. Przełącznik ten realizuje również funkcję mikro zwłoki między przełączeniem styczników Kx2 i Kx3 aby zapobiec zwarciu międzyfazowemu.

Poniżej przedstawiono oscylogramy Nr 1-3 z prawidłowo dokonanym rozruchem silnika. Szybki czas przełączenia można zaobserwować jako chwilowa wartość zerowa prądu a następnie dalsze oscylacje prądu już w układzie trójkąta przy stale narastającej prędkości obrotowej silnika. Malejące oscylacje prądu pokrywają się z ustaloną wartością znamionowej prędkości obrotowej wirnika silnika.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 1

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 2

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 3

Następnie przedstawiono oscylogramy Nr 4-6 z nieprawidłowo dokonanym rozruchem silnika. Zbyt długi czas przełączenia spowodował, że silnik osiągnął znamionową prędkość obrotową a pobierany prąd z jej osiągnięciem zdążył zmaleć czyli efekt był taki jakby przełącznika gwiazda-trójkąt wcale nie było tylko silnik pracował w układzie gwiazdy w końcu jednak przełącznik zadziałał i objawiło się to niekorzystnym impulsem prądu przy przełączeniu a na prędkość obrotową nie miało to żadnego wpływu.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 4

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 5

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 6

1. Rozruch silnika indukcyjnego klatkowego za pomocą przemiennika częstotliwości (falownika).

Ostatnia z badanych metod rozruchu silnika indukcyjnego klatkowego za pomocą przemiennika częstotliwości, który jest urządzeniem energoelektronicznym pozwalającym na płynny rozruch silnika. Jest to możliwe dzięki płynnej regulacji częstotliwości zasilającej silnik, która ma wpływ na regulację prędkości obrotowej i płynnej regulacji napięcia, która wpływa na zmianę momentu elektromagnetycznego. Jeżeli do tego zachowa się warunek stałego stosunku zmian napięci do zmian częstotliwości w efekcie otrzymuje się stały moment silnika. Powyższą zasadę działania można przedstawić w postaci schematu blokowego jak na poniższym rysunku.

W drugiej części ćwiczenia chcemy zaobserwować przebieg rozruchu silnika z zastosowanym przemiennikiem częstotliwości. Przedstawiony na rysunku 2 układ został zmontowany z zastosowaniem przycisku S2 (załącz), Sp (wyłącz), styczników Ky1 (kier. obr. P), Kx1 (główny), Kx2 (trójkąt). Po włączeniu stanowiska laboratoryjnego na przełączniku „Wybór sterowania” wybieramy pozycję „Przekształtnik częstotliwości”, który zasila część stanowiska do badania silnika z wykorzystaniem przekształtnika częstotliwości. Następnie przyciskiem „S2” podajemy napięcie na cewki styczników. Ponieważ zakres ćwiczenia nie wymaga zastosowania przełączania obrotów L/P pomijamy stycznik Ky2. Napięcie uruchamia stycznik Ky1 a jego styk pomocniczy podtrzymuje napięcie w układzie do czasu wyłączenia układu przyciskiem „Sp”. Napięcie równocześnie podane jest na cewki styczników Kx1 i Kx2 (włączają się bezwarunkowo), które uruchamiają silnik wkładzie połączeń uzwojeń w trójkąt.

Poniżej przedstawiono oscylogramy Nr 7-10, na których można zaobserwować w początkowej fazie rozruchu gdy częstotliwość była zbyt mała silnik się nie obracał ale w momencie zwiększania częstotliwości, jest to widoczne wyraźnie na powiększonym odcinku oscylogramu nr 10 gdzie wzrost częstotliwości poskutkował rozruchem silnika i można zaobserwować delikatny przyrost wartości prędkości. Na oscylogramach 7-9 widać jak przyrost częstotliwości wpływa na przyrost prędkości obrotowej wirnika aż do uzyskania prędkości znamionowej.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 7

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 8

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 9

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 10

1. Rozruch silnika indukcyjnego klatkowego za pomocą układu tyrystorowego „soft start”.

Zasadę działania jednofazowego układu tyrystorowego przedstawia poniższy schemat.

Impulsy tyrystorów przesunięte są w fazie o 180°. Górny tyrystor załączany jest podczas dodatniej połówki napięcia zasilającego, natomiast dolny przy ujemnej, w czasie gdy jest on spolaryzowany w kierunku przewodzenia. Wyłączenie tyrystora następuje w chwili zmiany polaryzacji napięcia zasilającego (przy obciążeniu rezystancyjnym - w przypadku cewki, która "sprzeciwia się" nagłym zmianom prądu, w efekcie czego tyrystor mimo odwrotnej polaryzacji napięcia będzie zmuszony do przewodzenia przez prąd cewki przez pewien czas - zależny od indukcyjności).Regulacja napięcia polega na załączania odpowiedniego tyrystora w określonym punkcie (od 0° do 180°). Przy załączeniu górnego tyrystora w 0° i dolnego w 180° (licząc od początku układu współrzędnych) na odbiorze wystąpi pełne napięcie zasilające.
Kiedy nie wysterujemy żadnego z tyrystorów (lub wysterujemy kątem 180°) napięcie na odbiorniku jest równe zeru. W praktyce sterownik zasilany jest napięciem o wartości skutecznej przynajmniej 220V, dlatego można pominąć spadek napięcia na przewodzącym tyrystorze. W przypadku trójfazowych układów tyrystorowych jak na schemacie poniżej, stosowane są głównie jako układy kontroli i ograniczenia prądu rozruchowego maszyn indukcyjnych jako tzw. miękkie rozruchy lub soft-start

Układy soft startu ponadto oprócz obniżania prądów rozruchowych chronią silnik przed udarami mechanicznymi mającymi miejsce przy obciążeniach silników.

W ostatniej części ćwiczenia chcemy zaobserwować przebieg rozruchu silnika z zastosowanym tyrystorowego układu łagodnego rozruchu. Przedstawiony na rysunku 3 układ został zmontowany z zastosowaniem przycisku S2 (załącz), Sp (wyłącz), styczników Ky1 (kier. obr. P), Kx1 (główny), Kx2 (trójkąt). Po włączeniu stanowiska laboratoryjnego na przełączniku „Wybór sterowania” wybieramy pozycję „Soft Start”, który zasila część stanowiska do badania silnika z wykorzystaniem układu tyrystorowego. Następnie przyciskiem „S2” podajemy napięcie na cewki styczników. Ponieważ zakres ćwiczenia nie wymaga zastosowania przełączania obrotów L/P pomijamy stycznik Ky2. Napięcie uruchamia stycznik Ky1 a jego styk pomocniczy podtrzymuje napięcie w układzie do czasu wyłączenia układu przyciskiem „Sp”. Napięcie równocześnie podane jest na cewki styczników Kx1 i Kx2 (włączają się bezwarunkowo), które uruchamiają silnik wkładzie połączeń uzwojeń w trójkąt.

Poniżej przedstawiono oscylogramy Nr 11-21, na których można zaobserwować w początkowej fazie rozruchu silnik się nie obracał prędkość obrotowa byłą równa zeru ale w momencie rozpoczęcia komutacji tyrystorów i ich zwiększającej się częstotliwości, poskutkowało to rozruchem silnika i można zaobserwować przyrost wartości prędkości obrotowej wirnika. Końcowa faza wykresu oznacza osiągnięcie stanu ustalonego pracy silnika widać to na wykresie w postaci stabilnego wykresu prędkości obrotowej silnika oscylacje napięcia wróciły do stanu przed włączeniem układu Soft Start gdyż po ustaleniu się pracy stycznik K2 odcina działanie układu rozruchowego a niewidoczny tutaj wykres prądu był liniowy.

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Oscylogram Nr 11

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 12

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 13

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 14

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 15

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 16

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 17

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 18

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 19

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 20

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Oscylogram Nr 21

3. Wnioski.

Celem układów rozruchowych silników indukcyjnych klatkowych, które były tematem ćwiczenia jest ochrona nie tylko samego silnika ale również sieci, z której ten silnik jest zasilany.

Ochrona silnika polega na niedopuszczeniu do wystąpienia zbyt dużych prądów rozruchowych, które mogą spowodować przegrzanie silnika a zwłaszcza jego uzwojeń, łożysk i pozostałych elementów. Należy zauważyć, że wysoka temperatura bardzo niekorzystnie wpływa na układ izolacyjny silnika, niektóre materiały dielektryczne w wyższych temperaturach tracą swoje właściwości izolacyjne i stają się półprzewodnikami, co z kolei mogło by prowadzić do przebić i zwarć wewnątrz silnika. Wszystkie te czynniki mają wpływ na proces zużycia maszyny więc unikając takich zagrożeń jednocześnie przedłużamy ich żywotność.

Ochrona sieci z kolei polega na niedopuszczeniu do udarów spowodowanych dużymi prądami rozruchowymi powodującymi w efekcie duże spadki napięcia, które znacząco wpływają na jakość energii w sieci zasilającej.

Wszystkie ze wspomnianych układów rozruchowych są wyłączane z układu przez obejście stykami stycznika po osiągnięciu przez silnik zadanych parametrów pracy.

Przy przełączniku gwiazda-trójkąt prądy rozruchowe są doskonale ograniczane i jest to najpowszechniej stosowany układ rozruchowy jednak przy niewątpliwej zalecie tego układu jaką jest jego stosunkowo niska cena to wadą jest fakt, że taki układ nie chroni silnika przed udarami mechanicznymi. Udary takie mają miejsce choćby we wspomnianym rozruchu z przełącznikiem gwiazda- trójkąt w momencie przełączenia z gwiazdy w trójkąt zwłaszcza, jeżeli silnik, którego rozruch przeprowadzamy jest od razu obciążony i niema możliwości wysprzęglenia silnika przed rozruchem. Między przełączeniem stycznika gwiazdy na stycznik trójkąta następuje mikroprzerwa, podczas której prąd spada do zera po czym po włączeniu stycznika trójkąta prąd od razu uzyskuje wartość o $\sqrt{3}$ razy większą niż przed momentem i w tym momencie mamy udar mechaniczny. Jest do doskonale widoczne na oscylogramie nr 2.

Ten efekt doskonale likwiduje zastosowanie układu Soft Startu. W tej opcji mam ochronę silnika i sieci przed dużymi prądami rozruchowymi jak i udarami mechanicznymi i tym samym zapewniamy silnikowi dłuższą żywotność a tym samym oszczędność na kosztach eksploatacji silnika .

Zastosowanie falownika daje nam pełną ochronę silnika i sieci a dodatkowo zyskujemy pełną kontrolę nad regulacją parametrów pracy silnika. Koszty eksploatacji silnika w tym przypadku okupione są dużymi kosztami zastosowania takiego układu rozruchu i regulacji ale jest to ważne zwłaszcza w maszynach dużej mocy gdzie koszty utrzymani i ewentualnych napraw/remontów są bardzo wysokie.