LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI I NAPĘDÓW	Rok akad. 2013/2014
		Rodzaj studiów: MT_SI
Temat ćwiczenia: Trójfazowy silnik asynchroniczny
Skład sekcji: 1. Kołkowski Bartosz 2. Ciołczyk Wojciech 3. Pluta Bogusław 4. Stefaniak Dariusz 5. Śpiewak Radosław 6. Wilk Szymon 7. Gołaś Wojciech	Kierunek: MiBM Semestr: V Grupa: 4 Sekcja: 2
	Prowadzący: dr inż.Krzysztof Sztymelski
Data wykonania: 10.12.2013r.	Data oddania: 16.12.2013r.	Ocena:

I. Cel ćwiczenia:

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, działania i własności ruchowych silnika indukcyjnego klatkowego.

II. Wstęp teoretyczny:

1.Trójfazowy silnik asynchroniczny z wirnikiem pierścieniowym:

a) Konstrukcja:

Silnik asynchroniczny posiada obwód magnetyczny wykonany z cienkich lach stalowych izolowanych od siebie w celu zmniejszenia strat od prądów wirowych. Blachy te są odpowiednio wykrojone tworząc żłobki, w których mieszczą się uzwojenia trójfazowe.

W żłobkach stojana uzwojenia przesunięte są jedno względem drugiego o kąt 120°. Przeważnie wszystkich sześć końców trzech faz wprowadza się tak, że maszynę można łączyć w trójkąt lub w gwiazdę.

Wirnik ma również uzwojenie trójfazowe - prętowe lub zwojnicowe o końcach przyłączonych do trzech pierścieni ślizgowych umożliwiających przyłączenie obwodu zewnętrznego przy rozruchu, hamowaniu i regulacji prędkości obrotowej. Trójfazowe uzwojenia wirnika zazwyczaj jest połączone w gwiazdę.

Często wirnik posiada urządzenie do podnoszenia szczotek umożliwiające zwieranie pierścieni po zakończeniu rozruchu, przy czym szczotki pozostają w stanie podniesienia, a maszyna pracuje jak silnik z wirnikiem klatkowym.

b) Zasada działania:

Jeżeli układ trzech cewek rozmieszczonych w przestrzeni jedno względem drugiego o kąt 120° zasili sie prądem trójfazowym symetrycznym, tzn. przesuniętym w czasie o kąt 120°, to pomijając nieliniowość spowodowaną nasyceniem, uzwojenia te wytworzą strumienie magnetyczne sinusoidalne. W czasie są one przesunięte względem siebie o kąt 120°.

W przestrzeni strumienie te zajmują położenie niezmienne w stosunku do nieruchomych odpowiadających im cewek, a względem siebie przesunięte są tak jak cewki o kąt 120°. W każdej chwili dają one w przestrzeni strumień wypadkowy równy sumie wektorowej strumieni składowych.

W miarę upływu czasu wartości chwilowe prądów w poszczególnych fazach nieustannie sie zmieniają. Zmieniają się zatem wartości współrzędnych wypadkowego wektora strumienia magnetycznego - zmienia sie położenie tego wektora na płaszczyźnie xy. Pole magnetyczne obraca się wykonując jeden obrót o kąt 360° w ciągu jednego okresu T. Zatem ilość obrotów na sekundę jest liczbowo równa częstotliwości prądu, a prędkość kątowa wirowania pola jest równa pulsacji prądu. Wynika stąd wniosek:

"Pole magnetyczne wypadkowe układu trzech cewek jest zatem polem wirującym kołowym, którego wektor wiruje z prędkością kątową"

Wirujące pole magnetyczne indukuje w uzwojeniu wirnika siłę elektromotoryczną, która powoduje przepływ prądu w wirniku. Wskutek wzajemnego oddziaływania miedzy tym prądem a wirującym polem magnetycznym powstaje siła mechaniczna. Na każdą parę przewodów z prądem działa para sił, tworząca moment obrotowy, starający się obrócić wirnik w kierunku wirowania pola magnetycznego. Moment ten jest różny od zera aż do chwili, w której prędkość obrotowa wirnika zrówna się z prędkością synchroniczną. Wtedy prędkość względna równa się zero i przestają płynąć prądy indukowane w uzwojeniu wirnika. Aby zatem na wirnik działał moment obrotowy, musi on obracać się z prędkością mniejszą od synchronicznej, czyli asynchronicznie.

Różnica między prędkością obrotową pola wirującego a prędkością wirnika, odniesiona do prędkości synchronicznej nazywa się poślizgiem silnika asynchronicznego.

2.Trójfazowy silnik asynchroniczny z wirnikiem klatkowym:

a) Konstrukcja:

Stojan maszyny ma uzwojenie trójfazowe osadzone w żłobkach. Uzwojenia przesunięte są jedno względem drugiego o kąt 120°. Przeważnie wszystkich sześć końców trzech faz wprowadza się tak, że maszynę można łączyć w gwiazdę lub w trójkąt.

Uzwojenie wirnika silnika klatkowego jest odlane z aluminium wtopione w pakiet wykrojów blach wirnika. W silnikach większej mocy w żłobkach wirnika umieszcza się gołe pręty miedziane lub mosiężne i łączy się je po obu stronach za pośrednictwem pierścieni czołowych.

Uzwojenie i pakiet blach tworzą przez to jedną mocną całość, wytrzymującą duże naprężenia mechaniczne i termiczne. do mocy większych stosuje się wirniki głęboko żłobkowe lub dwuklatkowe.

Oprócz zwykłych rodzajów konstrukcji silników trójfazowych klatkowych spotyka się pewną liczbę konstrukcji specjalnych, z których najbardziej rozpowszechnione to:

- silniki samotokowe z zewnętrznym wirnikiem, używane do napędu samotoków i przenośników taśmowych.

- silniki liniowe, używane do napędu młynów kulowych, przenośników i innych mechanizmów o powolnym ruchu jak również postaci pomp elektromagnetycznych do płynnych metali.

b) Zasada działania:

Zasada działania silników klatkowych jest zasadniczo taka sama jak pierścieniowych. Uzwojenie klatkowe mozna rozpatrywać jak uzwojenie wielofazowe, o liczbie faz równej liczbie prętów klatki wirnika. Liczba biegunów jest zawsze taka sama jak w stojanie.

Własności ruchowe tych silników zależą w znacznej mierze od stopnia występowania zjawiska wypierania prądu w prętach wirnika. Przy znikomym wypieraniu prądu własności silników klatkowych są podobne do silników pierścieniowych ze zwartym obwodem wirnika.

Sposobami regulacji prędkości obrotowej silnika są zmiana liczby par biegunów, sterowanie częstotliwościowe oraz zmiana napięcia zasilającego.

III. Wyniki pomiarów:

Znajdują się na dołączonych do sprawozdania kartach zapisanych podczas przeprowadzania ćwiczeń.

IV. Obliczenia i wykresy:

1. Dane odczytane z tabliczki znamionowej silnika potrzebne do dalszych obliczeń:

a) P_n - znamionowa moc czynna ( na wale silnika) w kW:

P_n = 1, 5kW

b) U_n - napięcie znamionowe (przewodowe) stojana w V:

- w układzie gwiazdy:

U_n = 380V

- w układzie trójkąta:

U_n = 220V

c) I_n - prąd znamionowy (przewodowy) stojana w A:

- w układzie gwiazdy:

I_n = 3, 8A

- w układzie trójkąta:

I_n = 6, 5A

d) n_n - znamionowa prędkość obrotowa w obr/min:

$$n_{n} = 930\frac{\text{obr}}{\min\ }$$

e) cosφ_n - znamionowy współczynnik mocy

cosφ_n = 0, 74

f) f_n - częstotliwość znamionowa napięcia zasilania w Hz:

f_n = 50Hz

2. Znamionowa moc pozorna pobierana z sieci:

$$\left| S_{n} \right| = \ \sqrt{3\ }{\bullet U}_{n} \bullet I_{n}$$

a) w układzie gwiazdy:

$$\left| S_{n} \right| = \ \sqrt{3\ } \bullet 380V \bullet 3,8A$$

|S_n| =  2501, 08 V • A

b) w układzie trójkąta:

$$\left| S_{n} \right| = \ \sqrt{3\ } \bullet 220V \bullet 6,5A$$

|S_n| =  2476, 83 V • A

3. Znamionowa moc czynna pobierana z sieci:

$$P_{1n} = \ \sqrt{3\ }{\bullet U}_{n} \bullet I_{n} \bullet \cos\varphi_{n}$$

a) w układzie gwiazdy:

$$P_{1n} = \ \sqrt{3\ } \bullet 380V \bullet 3,8A \bullet 0,74$$

P_1n =  1850, 80 W

b) w układzie trójkąta:

$$P_{1n} = \ \sqrt{3\ } \bullet 220V \bullet 6,5A \bullet 0,74$$

P_1n =  1832, 86 W

4. Znamionowa moc bierna pobierana z sieci:

$$Q_{1n} = \ \sqrt{3\ } \bullet U_{n} \bullet I_{n} \bullet \sin\varphi_{n}$$

a) w układzie gwiazdy:

$$Q_{1n} = \ \sqrt{3\ } \bullet 380V \bullet 3,8A \bullet 0,67$$

Q_1n =  1675, 72 var

b) w układzie trójkąta:

$$Q_{1n} = \ \sqrt{3\ } \bullet 220V \bullet 6,5A \bullet 0,67$$

Q_1n =  1659, 48 var

5. Poślizg znamionowy:

$$s_{n} = \frac{n_{s} - n_{n}}{n_{s}}$$

$$s_{n} = \frac{\frac{60 \bullet f}{p} - \ n_{n}}{\frac{60 \bullet f}{p}} = \frac{\frac{60 \bullet 50\text{Hz}}{3} - \ 930\frac{\text{obr}}{\min}}{\frac{60 \bullet 50\text{Hz}}{3}}$$

s_n = 0, 07

6. Moment znamionowy:

$$M_{n} = \ 9,55 \bullet \frac{P_{n}}{n_{n}}$$

$$M_{n} = \ 9,55 \bullet \frac{1,5\text{kW}}{930\frac{\text{obr}}{\min}} = 9,55 \bullet \frac{1500\frac{N \bullet m}{s}}{15,5\frac{\text{obr}}{s}}$$

M_n =  924, 19 Nm

7. Sprawność znamionowa:

$$\eta_{n} = \frac{P_{n}}{P_{1n}}$$

a) w układzie gwiazdy:

$$\eta_{n} = \frac{1500\ W}{1850,80\ W}$$

η_n = 0, 81

b) w układzie trójkąta:

$$\eta_{n} = \frac{1500\ W}{1832,86\ W}$$

η_n = 0, 82

8. Wykresy |I|=f(P_w):

a) I₁=f(P_w):

b) I₂=f(P_w):

c) I₃=f(P_w):

11. Wykres n= f(P_w):

12. Wykres s= f(P_w):

13. Wykres M= f(P_w):

14. Wykresy n=f(|I|):

a) wykres n=f(I₁):

b) wykres n=f(I₂):

c) wykres n=f(I₃):

15. Wykres n=f(M):

16. Wykres s=f(M):

V.

1.Metody rozruchu silników indukcyjnych:

a) Rozruch bezpośredni:

Rozruch bezpośredni polega na załączeniu silnika ze zwartym uzwojeniem wirnika bezpośrednio do sieci na napięcie znamionowe przy częstotliwości znamionowej. W początkowej fazie rozruchu wirnik jest nieruchomy (poślizg silnika s=1). Pobierany jest wówczas duży prąd rozruchowy, kilkukrotnie (4 - 10) większy od prądu znamionowego silnika, zaś początkowy moment rozruchowy może być mniejszy od momentu znamionowego. Duży początkowy prąd rozruchowy silnika jest niepożądany, dla samego silnika i sieci zasilającej, powodując grzanie uzwojeń silnika duże spadki napięcia w sieci zasilającej, objawiające się np. przygasaniem żarówek.

b) Rozruch za pomocą autotransformatora:

Transformatory stosowane do tego celu mają stałą lub nastawialną (płynnie lub skokowo) przekładnie napięciową. Napięcie sieci zasilającej powinno być równe napięciu znamionowemu stojana. Rozruch silnika rozpoczyna się przy nastawieniu wartości napięcia odpowiadającej przyjętemu nieprzekraczalnemu prądowi rozruchowemu. Następnie, jeżeli transformator ma regulowaną przekładnię, stopniowo powiększa się napięcie zasilające silnik do wartości znamionowej.

c) Rozruch za pomocą rozrusznika:

Ten sposób rozruchu można stosować tylko dla silników pierścieniowych. Polega on na włączeniu w obwód uzwojenia wirnika nastawianej (płynnie lub skokowo) rezystancji dodatkowej, nazywanej rozrusznikiem. Silnik przyłącza się do sieci zasilającej z włączonym w obwód wirnika rozrusznikiem nastawionym na największą rezystancje. Po osiągnięciu odpowiedniej prędkości obrotowej należy przełączyć rozrusznik na następny stopień i kolejno aż do zwarcia rozrusznika. Przełączenia powinny następować w takiej chwili, aby nie pojawił się prąd większy niż początkowy prąd rozruchowy. Przy przedwczesnym przełączeniu z jednego stopnia na drugi nastąpiłoby niepożądane, nadmierne „uderzenie prądu" i nagłe zwiększenie momentu obrotowego. Byłoby to przyczyną gwałtownych przyspieszeń i niespokojnej pracy maszyny. Zbyt późne przełączenie z jednego stopnia na drugi powoduje wydłużenie czasu rozruchu.

d) Rozruch za pomocą rezystancji włączonej w obwód stojana:

Ten sposób rozruchu jest stosowany tylko w przypadku silników małej mocy, ponieważ uzyskuje się tu ograniczenie prądu rozruchowego, ale jednocześnie bardzo znaczne zmniejszenie momentu rozruchowego.

e) Rozruch za pomocą przełącznika gwiazda – trójkąt:

Przełącznik gwiazda-trójkąt może być używany do rozruchu tylko takich silników indukcyjnych, które mają wyprowadzone na tabliczkę zaciskową sześć końcówek uzwojenia stojana. Napięcie sieci zasilającej powinno być równe napięciu znamionowemu uzwojenia stojana połączonemu w trójkąt. Silnik załącza się do sieci przy ustawieniu przełącznika „rozruch" w takim położeniu, przy którym uzwojenie stojana jest połączone w gwiazdę. Wirnik silnika zaczyna wirować. W chwili, gdy ustali się prędkość obrotowa wirnika, przełącznik należy przełączyć w położenie, przy którym uzwojenie stojana zostanie połączone w trójkąt.

VI. Wnioski:

Z powyższych wykresów można wywnioskować, że wraz ze wzrostem obciążenia rosną takie parametry jak natężenie prądu, znamionowy współczynnik mocy, poślizg, moment oraz do pewnego momentu sprawność. Natomiast parametr, który maleje to obroty. Natężenie rośnie ponieważ silnik aby utrzymać obroty potrzebuje więcej prądu. Zwiększenie poślizgu jest spowodowane trudnością w utrzymaniu obrotów. Wzrost momentu wywołuje obciążenie silnika, natomiast sprawność rośnie ponieważ silnik ma najwyższą sprawność przy odpowiednim obciążeniu, które jest charakterystyczne dla danego silnika.

Przy zmienionym oporze, większość parametrów gwałtownie się zmienia przy mocy około 450W, lub osiągają najwyższe wartości przy innej mocy. Najmniejszej zmianie ulega znamionowy współczynnik mocy, który prawie pokrywa się z wykresem utworzonym bez opornika.