Laboratorium Elektrotechniki i Elektroniki Okrętowej

Akademia Morska w Gdyni

Wydział Mechaniczny

Ćwiczenie nr 3

Sposoby Rozruchu Silników Asynchronicznych Klatkowych

Imię i nazwisko:

Adam Chwałek

1. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z różnymi sposobami rozruchu silników asynchronicznych klatkowych:

1. bezpośrednim,

2. z rozrusznikiem gwiazda – trójkąt,

3. z autotransformatorem rozruchowym,

4. z rozrusznikiem typu „Soft Start”.

2. Parametry maszyn i aparatury rozruchowej

Prądnica prądu stałego	Silnik asynchroniczny
Producent: KOMEL	Producent: PITESTI
Typ: PZBb 54	Typ: Ni 32 S4
PN = 3.5 [kW]	PN = 5.5 [kW]
IN = 15.5 [A]	nN = 1440 [obr/min]
IfN = 0.79 [A]	UN = 380 [V]
UN = 230 [V]	IN = 11.5 [A]
nN = 1450 [obr/min]	fN = 50 [Hz]
CN = 1.76 [Vs]	cos φ = 0.85

Rozrusznik „Soft-start” typu ABB PSE18-600-70 firmy ABB

Podstawowe parametry:

• Napięcie zasilania znamionowe: 208 ÷ 600 V, 50 – 60 Hz,

• Znamionowe napięcie sterowania: 100÷250 V, 50 – 60 Hz,

• Tolerancja napięcia: -15% do +10%,

• Tolerancja częstotliwości: +/- 5%,

• Napięcie probiercze: 6 kV – obwody główne, 4 kV – obwody sterowania,

• Liczba faz sterowanych: 2,

• Wejścia: Start, Stop, Reset,

• Wyjście analogowe: 4-20 mA,

• Protokoły komunikacyjne: DeviceNet, Profibus, Modbus, CANopen,

Funkcje dodatkowe:

• Wbudowany stycznik obejściowy (By-Pass),

• Wyświetlacz i klawiatura,

• Kontrola momentu,

• Funkcja ograniczenia prądu z regulacją,

• Zabezpieczenie elektroniczne przed przeciążeniem silnika,

• Zabezpieczenie przed blokadą wirnika,

• Zabezpieczenie termiczne tyrystorów,

• Zabezpieczenie przed niedociążeniem,

• Wyjście analogowe 4-20 mA,

Zakresy programowania parametrów:

• Prąd znamionowy silnika (IN),

• Czas narastania napięcia podczas rozruchu: (1 – 30) sekund,

• Czas opadania napięcia podczas zatrzymania: (1 – 30) sekund,

• Napięcie początkowe/końcowe: (30 ÷70) % napięcia znamionowego,

• Ograniczenie prądu rozruchowego: (1,5 ÷ 7) x IN,

3. Obliczenia

1. Bezpośredni start:

- bez obciążenia:

2U_N = 3,6 [cm] , 2I_R = 3,9 [cm], t_R =0,2 [cm], I_N =11,5 [A].

$$U_{N} = \frac{3,6\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = \ 636,4\lbrack V\rbrack\ $$

$$\frac{I_{R}}{I_{N}} = \frac{3,9\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 5,99$$

$$t_{R} = 0,2\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 0,4\ \lbrack s\rbrack$$

- z obciążeniem:

2U_N =3,4 [cm] , 2I_R = 3,9 [cm], t_R = 0,2 [cm], I_G =10 A, I_N =11,5 [A].

$$U_{N} = \frac{3,4\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 601,04\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$\frac{I_{R}}{I_{N}} = \frac{3,9\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 5,99$$

$$t_{R} = 0,2\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 0,4\ \lbrack s\rbrack$$

2. Soft Start:

- bez obciążenia:

2U_R1 =1,1 [cm] , 2U_N =3,3 [cm], 2I_R1 = 2,3 [cm], 2I_R2 = 3,1 [cm], t_R = 0,4 [cm] , I_N =11,5 [A].

$$U_{R1} = \frac{1,1\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = \ 194,45\lbrack V\rbrack\ $$

$$U_{N} = \frac{3,3\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = \ 583,36\lbrack V\rbrack\ $$

$$\frac{I_{R1}}{I_{N}} = \frac{2,3\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 3,60$$

$$\frac{I_{R2}}{I_{N}} = \frac{3,1\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 4,77$$

$$t_{R} = 0,4\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 0,8\ \lbrack s\rbrack$$

- z obciążeniem:

2U_R1 =1,1 [cm] , 2U_N =3,4 [cm], 2I_R1 = 2,2 [cm], 2I_R2 = 3,6 [cm], t_R = 0,4 [cm], I_G =10 A, I_N =11,5 [A].

$$U_{R1} = \frac{1,1\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 194,45\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$U_{N} = \frac{3,4\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 601,04\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$\frac{I_{R1}}{I_{N}} = \frac{2,2\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 3,38$$

$$\frac{I_{R2}}{I_{N}} = \frac{3,6\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 5,53$$

$$t_{R} = 0,4\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 0,8\ \lbrack s\rbrack$$

3. Autotransformator:

- bez obciążenia:

2U_R1 =1,6 [cm] , 2U_N =3,1 [cm], 2I_R1 = 1,9 [cm], 2I_R2 = 1,4 [cm], t_R1 = 0,6 [cm], t_Kr = 1,3 [cm] , I_N =11,5 [A].

$$U_{R1} = \frac{1,6\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 282,8\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$U_{N} = \frac{3,1\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 548,0\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$\frac{I_{R1}}{I_{N}} = \frac{1,9\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 2,9$$

$$\frac{I_{R2}}{I_{N}} = \frac{1,4\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 2,15$$

$$t_{R1} = 0,6\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 1,2\ \lbrack s\rbrack$$

$$t_{\text{Kr}} = 1,3\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 2,6\ \lbrack s\rbrack$$

- z obciążeniem:

2U_R1 =1,4 [cm] , 2U_N =3,2 [cm], 2I_R1 = 1,4 [cm], 2I_R2 = 1,6 [cm], t_R1 = 0,6 [cm], t_Kr = 1,4 [cm], I_G =10 A, I_N =11,5 [A].

$$U_{R1} = \frac{1,4\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 247,5\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$U_{N} = \frac{3,2\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 565,7\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$\frac{I_{R1}}{I_{N}} = \frac{1,4\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 2,15$$

$$\frac{I_{R2}}{I_{N}} = \frac{1,6\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 2,46$$

$$t_{R1} = 0,6\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 1,2\ \lbrack s\rbrack$$

$$t_{\text{Kr}} = 1,4\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 2,8\ \lbrack s\rbrack$$

4. Start gwiazda – trójkąt:

- bez obciążenia:

2U_R1 =1,9 [cm] , 2U_N =3,2 [cm], 2I_R1 = 2,1 [cm], 2I_R2 = 1,7 [cm], t_R1 = 0,3 [cm], t_Kr = 0,6 [cm] , I_N =11,5 [A].

$$U_{R1} = \frac{1,9\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 335,9\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$U_{N} = \frac{3,2\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 618\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$\frac{I_{R1}}{I_{N}} = \frac{2,1\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 3,22$$

$$\frac{I_{R2}}{I_{N}} = \frac{1,7\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 2,61$$

$$t_{R1} = 0,3\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 0,6\ \lbrack s\rbrack$$

$$t_{\text{Kr}} = 0,6\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 1,2\ \lbrack s\rbrack$$

- z obciążeniem:

2U_R1 =2,1 [cm] , 2U_N =3,4 [cm], 2I_R1 = 1,9 [cm], 2I_R2 = 1,4 [cm], t_R1 = 0,5 [cm], t_Kr = 0,7 [cm], I_G =10 A, I_N =11,5 [A].

$$U_{R1} = \frac{2,1\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 371,2\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$U_{N} = \frac{3,4\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{V}{cm\rbrack}}{2 \bullet \sqrt{2}} = 601,0\ \lbrack V\rbrack\ $$

$$\frac{I_{R1}}{I_{N}} = \frac{1,9\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 2,92$$

$$\frac{I_{R2}}{I_{N}} = \frac{1,4\lbrack cm\rbrack \bullet 500\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack}{2 \bullet 10\lbrack\frac{\text{mV}}{A}\rbrack \bullet \sqrt{2} \bullet 11,5\lbrack A\rbrack} = 2,31$$

$$t_{R1} = 0,5\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 1,0\ \lbrack s\rbrack$$

$$t_{\text{Kr}} = 0,7\left\lbrack \text{cm} \right\rbrack \bullet 2\left\lbrack \frac{s}{\text{cm}} \right\rbrack = 1,4\ \lbrack s\rbrack$$

5. Spostrzeżenia i wnioski:

Jak wynika z charakterystyki wykresów najmniej korzystnym rodzajem rozruchu silników elektrycznych jest rozruch bezpośredni, w którym pełne napięcie zasilania doprowadzone jest bezpośrednio do stojana silnika. Może to doprowadzić do dostarczenia czterokrotnie większego prądu. To rozwiązanie jest najmniej korzystne oraz najrzadziej wykorzystywane.

W układzie Δ/Y rozruch można podzielić na dwie fazy. Kiedy układ działa w połączeniu Y napięcie rozruchowe jest mniejsze o $\sqrt{\mathbf{3}}$ w stosunku do układu połączonego w Δ. Na przebiegu charakterystyk można zaobserwować stopniowy spadek prądu do znamionowego. W powyższym przypadku prąd rozruchowy jest znacznie mniejszy niż przy podaniu pełnego napięcia do części stojana.

Przy starcie typu „Soft – start” mamy do czynienia z układem sześciu tyrystorów, które tworzą sterownik prądu przemiennego. Dzięki temu możliwa jest kontrola wielu parametrów tj.: napięcie rozruchowe, prąd znamionowy, czas narastania napięcia podczas rozruchu oraz ograniczenie prądu. Tego typu możliwości pozwalają na ustawienie dogodnych parametrów do prawidłowego kontrolowania charakterystyk rozruchowych silnika podczas startu.

Analizując załącznone wykresy i wyliczone z nich wartosci można stwierdzić że:

-obciążenie silnika ma bezpośredni wpływ na czas ustalenia predkości obrotowej

- rozruch typu „soft-start” jest najbardziej optymalnym i bezpiecznym rodzajem rozruchu silnika

-przy rozruchu bezpośrednim silnika mamy doczynienia z dużą wartoscia natężenia prądu, co może mieć negatywny wpływ uzwojenia obwodu

-najdłuższy czas rozruchu możemy zaobserwować przy metodzie soft-start

-metoda trójkat-gwiazda jest najczęściejstosowana metodą rozruchową w okrętownictwie