Wydział Elektryczny Politechniki Poznańskiej Instytut Elektrotechniki Przemysłowej Zakład Maszyn Elektrycznych
Laboratorium Podstaw Elektrotechniki Ćwiczenie nr 8 Temat: Badanie 3 - fazowego silnika indukcyjnego pierścieniowego
Rok akademicki: 2006 / 2007 Wydział Elektryczny kierunek Elektrotechnika Specjalność: elen	Wykonawcy: Paweł Nowaczyk Lidia Szymczak Marta Budych	Data
				Wykonania ćwiczenia	Oddania sprawozdania
				Ocena:
Uwagi:

1. Wiadomości teoretyczne

Silnik pierścieniowy jest to konstrukcja silnika asynchronicznego, w którym końce uzwojeń wirnika wyprowadzone są na zewnątrz za pomocą pierścieni ślizgowych. Dzięki temu w uzwojenia wirnika można włączać dodatkowe rezystancje, które zmieniają jego charakterystykę (zwiększają w pewnym zakresie moment rozruchowy). Silniki takie stosowano do układów o ciężkim rozruchu (np. silniki wyciągowe dźwigów).

Dominująca większość maszyn asynchronicznych pracuje jako silniki. Nierzadko jednak wykorzystujemy możliwość hamowania i generowania energii elektrycznej przez maszyny asynchroniczne. Ta sama maszyna może pracować jako silnik, hamulec lub generator asynchroniczny.

Po przyłączeniu obwodu stojana do sieci, niezahamowany wirnik zaczyna wirować w kierunku wirowania pola i po pewnym czasie osiąga ustaloną prędkość obrotową n, której wartość zależy od wartości momentu obciążenia. Maszyna pracuje jako silnik; pobierana z sieci moc elektryczna zamienia się w moc mechaniczną, wydawaną na wale. W maszynie powstają straty, z których główne to straty w uzwojeniach stojana i wirnika oraz straty w rdzeniu stojana. Chcąc uzyskać prędkość synchroniczną maszyny asynchronicznej należy napędzić ją z zewnątrz za pomocą silnika, który pokona moment oporów tarcia i wentylacji. Gdyby opory te nie występowały, wówczas wirnik doprowadzony do prędkości synchronicznej utrzymałby się samoistnie w tym stanie, zwanym idealnym biegiem jałowym

Napędzając wirnik nadal w tym samym kierunku z prędkością większą niż

prędkość synchroniczna powodujemy zmianę kierunku ruchu wirnika względem pola w porównaniu z kierunkiem ruchu przy pracy silni­kowej. Zmianie tej towarzyszy zmiana kierunku działania momentu elektromagnetycznego, co przy niezmienionym kierunku wirowania świadczy o pracy prądnicowej maszyny. Moc mechaniczna prowadzaną przez silnik napędzający zamienia się teraz w moc elektryczną, wydawaną przez maszynę asynchroniczną do sieci. Pracę w tym stanie można wykorzystać zarówno do celów wytwarzania energii elektrycznej, jak i do hamowania. Zależnie od tego jakim celom służy maszyna w tym stanie nazywamy ją prądnicą lub hamulcem.

W przypadku napędzania wirnika w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola kierunek ruchu pola względem wirnika jest taki, jak przy pracy silnikowej.

Powstający w tych warunkach moment elektromagnetyczny ma kie­runek przeciwny do kierunku ruchu wirnika. Zjawisko to wskazuje na hamulcowy charakter pracy maszyny asynchronicznej.

Przy biegu jałowym maszyny asynchronicznej wirnik wiruje z prędkością niemal synchroniczną. Poślizg jest znikomo mały, w przybliżeniu s = 0,001.

Prąd jałowy maszyn asynchronicznych przy zasilaniu napięciem znamionowym wynosi około I₀≈(0,25…0,5)I_N. Na podstawie próby biegu jałowego można wyznaczyć parametry poprzeczne schematu zastępczego R_Fe, oraz X_G.

Stanem zwarcia maszyny asynchronicznej pierścieniowej nazywamy stan, który powstaje przy zasilaniu uzwojenia stojana napięciem przy unieruchomionym wirniku i jednocześnie zwartych pierścieniach. Pobierana przez ma­szynę w stanie zwarcia moc elektryczna w całości zamienia się w ciepło. Moc me­chaniczna nie jest wydawana, ponieważ wirnik nie obraca się.

Napięcie zwarcia U_z jest to napięcie, jakie należy do­prowadzić do uzwojenia stojana, aby przy unieruchomionym wirniku i zwartych pierścieniach popłynął prąd znamionowy. Napięcie zwarcia typowych maszyn asynchronicznych wynosi 10%... 25% U_N. Jeżeli maszynę asynchroniczną zasilamy w stanie zwarcia napięciem zna­mionowym, to pobiera ona prąd zwarciowy, który w typowych maszynach stanowi 4...10I_N. Na podstawie próby zwarcia wyznacza się parametry podłużne schematu zastępczego R₁, R₁', oraz X_r1, X_r2'.

Rozruch silników pierścieniowych przeprowadza się za pomocą rozrusznika Rd włączonego w obwód wirnika. Zmiana rezystancji Rd wpływa na zmianę momentu i prądu przy rozruchu. Wzrost rezystancji Rd powoduje prze­suwanie się maksimum momentu w kierunku rosnących poślizgów przy równocze­snym zmniejszaniu się wartości prądu rozruchowego. Po przyłączeniu silnika do sieci zasilającej silnik rusza, pracując w warun­kach odpowiadających przebiegowi charakterystyk na danym stopniu rozrusznika. Po osiągnięciu odpowiedniej prędkości obrotowej należy przełączyć rozrusznik na następny stopień Przełączenie powinno następować w takiej chwili, aby nic pojawił się prąd większy niż początkowy prąd rozruchu. Im większa jest liczba stopni rozrusznika tym płynniejszy. Po zakończeniu rozruchu rozrusznik należy zewrzeć.

2.  Oględziny silnika, hamownicy oraz zapoznanie się z danymi znamionowymi badanej maszyny

Dane znamionowe maszyny indukcyjnej pierścieniowej:

P_N=3,3kW

I_s=9,5A

I_w=25A

cosφ=0,654

U_s=380V~/Δ

U_w=95V

n_N=940obr/min

3. Pomiar rezystancji uzwojeń

Rezystancja stojana Rs[Ω]	Rezystancja wirnika Rw[Ω]
2,7	0,11

4. Schemat układu pomiarowego

5. Próba zwarcia pomiarowego silnika

Pomiary:

l.p	U	I	Pα	Pβ	P	Q	cosφ
	[V]	[A]	[W]	[W]	[W]	[var]	[-]
1	42	2	-40	60	20	144,11	0,137
2	82	4	-80	260	180	538,84	0,317
3	116	6	-160	540	380	1144,05	0,315
4	148	8	-240	980	740	1912,58	0,361
5	170	9,5	-320	1300	980	2619,98	0,350

Przykładowe obliczenia:

U_z=116V

Prąd zwarciowy przy znamionowym napięciu zasilania

Wykresy:

6. Próba idealnego biegu jałowego

l.p	U	I	Pα	Pβ	P	Q	cosφ
	[V]	[A]	[W]	[W]	[W]	[var]	[-]
1	150	1,5	-120	120	0	389,71	0,000
2	200	2,1	-200	220	20	727,19	0,027
3	250	2,8	-300	360	60	1210,95	0,049
4	300	3,6	-460	540	80	1868,90	0,043
5	350	4,9	-720	900	180	2965,01	0,061
6	380	6	-960	1220	260	3940,51	0,066

Przykładowe obliczenia:

Moc bierna

Wykresy:

7.      Wyznaczanie przekładni napięciowej oraz międzyuzwojeniowej.

przekładnia napięciowa

przekładnia międzyuzwojeniowa

8 .     Wyznaczenie i zestawienie parametrów schematu zastępczego sprowadzonego do napięcia na jednej fazie uzwojenia stojana

Schemat zastępczy badanego silnika

10 . Wyznaczanie charakterystyki mechanicznej dla R_dw=0 oraz R_dw≠0 dla napięcia zasilania równego napięciu zwarcia przy wymuszaniu prędkości wirowania od -n_s do +1,3·_ns

U=U_z, R­_d=0 Ω

l.p.	n	I	Pα	Pβ	P	T	T
	obr/min	A	W	W	W	kpm	Nm
1	1325	8	-1140	80	-1060	-1,42	-13,93
2	1222	6,8	-1000	-80	-1080	-1,35	-13,24
3	1125	4,2	-700	-160	-860	-0,77	-7,55
4	1033	1,9	-140	60	-80	-0,26	-2,55
5	915	3,1	160	480	640	0,45	4,41
6	815	5,3	240	840	1080	0,77	7,55
7	714	6,8	200	1000	1200	0,83	8,14
8	603	7,7	100	1100	1200	0,78	7,65
9	512	8,2	40	1140	1180	0,72	7,06
10	413	8,5	-80	1160	1080	0,65	6,37
11	292	8,9	-140	1180	1040	0,58	5,69
12	195	9,1	-200	1180	980	0,54	5,30
13	106	9,2	-220	1180	960	0,54	5,30
14	-50	9,4	-260	1180	920	0,6	5,88
15	-134	9,45	-280	1160	880	0,62	6,08
16	-223	9,5	-300	1160	860	0,6	5,88
17	-301	9,6	-320	1140	820	0,59	5,79
18	-406	9,6	-340	1140	800	0,58	5,69

Z rezystancja dodatkową

U=U_z, R­_d=1,5Ω.

l.p.	n	I	Pα	Pβ	P	T	T
	obr/min	A	W	W	W	kpm	Nm
1	1331	6,9	-1000	-40	-1040	-1,09	-10,69
2	1200	4,75	-750	-140	-890	-0,75	-7,35
3	1123	2,05	-300	30	-270	-0,47	-4,61
4	1026	2,4	70	360	430	-0,11	-1,08
5	920	4,8	215	740	955	0,019	0,19
6	801	6,6	180	980	1160	0,49	4,81
7	690	7,7	80	1100	1180	0,67	6,57
8	605	8,3	0	1140	1140	0,75	7,35
9	518	8,6	-70	1160	1090	0,8	7,85
10	377	8,9	-130	1160	1030	0,82	8,04
11	284	9,1	-175	1170	995	0,82	8,04
12	170	9,2	-210	1160	950	0,81	7,94
13	69	9,6	-190	1120	930	0,61	5,98
14	-50	9,45	-270	1160	890	0,9	8,83
15	-118	9,55	-300	1160	860	0,89	8,73
16	-189	9,6	-315	1150	835	0,88	8,63
17	-280	9,55	-330	1140	810	0,88	8,63
18	-352	9,55	-360	1100	740	0,86	8,43

1 kpm = 9,80665 N · m.

Wykresy:

11.  Wnioski

Celem naszego ćwiczenia było badanie silnika pierścieniowego oraz wyznaczenie parametrów schematu zastępczego. Z próby biegu jałowego wyznaczyliśmy elementy gałęzi poprzecznej schematu zastępczego oraz cosၪ. Przy idealnym biegu jałowym straty mechaniczne można pominąć ze względu na ich małą wartość.

Przekładnię wyznaczaliśmy przy rozwartym wirniku zasilając stojan. W obliczeniach należało uwzględnić współczynnik
ze względu na sposób połączenia wirnika i stojana.

W próbie obciążenia zmienialiśmy moment obciążenia obserwując prędkość obrotową. Charakter obciążenia przedstawia całą charakterystykę pracy maszyny. Stan, kiedy wirnik nie wiruje nazywamy stanem zwarcia. W stanie pracy, kiedy wirnik wirował zgodnie z kierunkiem wirowania pola magnetycznego, ale nie szybciej niż prędkość znamionowa, maszyna pracowała jako silnik osiągając maksymalny moment przy dochodzeniu do prędkości znamionowej. Gdy wirnik wiruje z prędkością znamionową, mówimy że pracuje na biegu jałowym. Po przekroczeniu jej, ale przed osiągnięciem prędkości synchronicznej, moment elektromagnetyczny gwałtownie spada, jest to różnica prędkości wynikająca ze strat mechanicznych. Gdy silnik przekracza prędkość znamionową to znaczy, że moc jest dostarczana na wał, a gdy przekracza prędkość synchroniczną to maszyna pracuje jako generator.

Gdy silnik zaczął kręcić się w przeciwną stronę była to praca hamulcowa silnika.

Na charakterystyce mechanicznej T = f(n) można zauważyć, że włączenie dodatkowej rezystancji w obwodzie wirnika (R_d) spowodowało nieznaczne różnice co do wartości momentu. Włączenie rezystancji spowodowało w czasie rozruchu zmniejszenie prądu i zwiększenie momentu

Praca silnikowa

Praca

prądnicowa

Praca hamulcowa

---