Instytut Elektroenergetyki Wydział Geoinżynierii, Górnictwa i Geologii		SKŁAD GRUPY: Serwik Justyna Grzegórska Katarzyna Kołodziej Monika	Rok studiów III Studia dzienne Rok akademicki: 2003/2004
LABORATORIUM ELEKTROTECHNIKI
Grupa laboratoryjna 2		Temat: Badanie silnika indukcyjnego klatkowego	Ocena:
Data wykonania: 7.04.2004r.

1) Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia jest praktyczne zapoznanie się z budową, zasadą działania i właściwościami ruchowymi 3-fazowego silnika indukcyjnego klatkowego oraz wyznaczenie podstawowych jego charakterystyk.

2) Wstęp teoretyczny.

Stojan trójfazowego silnika asynchronicznego ma trzy niezależne uzwojenia, których osie magnetyczne są przesunięte względem siebie o kąt 120^°. Po zasileniu prądem trójfazowym wytwarzają one wirujące pole magnetyczne przemieszczające się z prędkością synchroniczną:

gdzie:

f - częstotliwość prądu stojanu

p - liczba par biegunów

W tym wirującym polu znajduje się wirnik, który w przypadku silnika klatkowego tworzy charakterystyczną klatkę. Wirujące pole, w chwili rozruchu, przecina nieruchome uzwojenia wirnika i wytwarza w nim siłę elektromotoryczną:

E=B l n_s

Wówczas następuje przepływ prądu w prętach wirnika, na które działa siła F:

F=B l I_w

Siła F powoduje powstanie momentu elektromagnetycznego M, który dla prędkości wirnika n=0 jest momentem rozruchowym M_r. W pierwszej chwili rozruchu prąd pobrany przez silnik jest bardzo duży (osiąga 4-6-krotną wartość prądu znamionowego), mimo tego moment rozruchowy M_r jest niewielki (wpływ na jego wartość ma współczynnik mocy silnika, który w chwili rozruchu jest mały).

Po obciążeniu silnika momentem hamującym, równym np. momentowi znamionowemu, prędkość obrotowa wirnika ustali się na wartości n_n < n_s. Miarą różnicy prędkości między polem wirującym a wirnikiem jest poślizg (s):

Znamionowa wartość poślizgu silników klatkowych wynosi 1-6%.

3) Przebieg ćwiczenia

Dokonujemy połączenia zgodnie ze schematem:

Silnik M zasilamy napięciem trójfazowym i obciążamy przez obciążenie prądnicy G żarówkami. Na zaciskach prądnicy utrzymujemy przez cały czas stałą wartość napięcia U_p=220V. Silnik obciążamy przez obciążanie napędzanej przez niego prądnicy prądu stałego żarówkami. Na podstawie wielkości zmierzonych i obliczonych wykreślono charakterystykę mechaniczną n = f(M) oraz charakterystyki η_s = f(P'_s) i cos ϕ = f(P'_s) silnika. Wykresy te zostały dołączone na końcu sprawozdania.

4) Wykaz użytych przyrządów pomiarowych

Amperomierz - LE - 3P 120 50 34.75

Amperomierz - LM - 38 12 155.80

Woltomierz - LM - 3 23 05 094 1972

Woltomierz - LE - 3 21 06 109.74

Watomierz - LW 1 21 04 125 1969

Odbiornik rezystancyjny

Zestaw silnik indukcyjny klatkowy - prądnica prądu stałego:

1) Silnik 3- fazowy

Typ Stg 80-4A 2,52/1,74 0,55 kW

1400 obr./min cos ϕ 0,77 220/380V

2) Prądnica prądu stałego

Typ PZ8b 32a NN 3014/3 1982

0,6 kW 230V 2,6A 1450 obr./min

Wzbudzenie B 0,22A

5) Wyniki pomiarów

L.P.	Liczba żarówek	Us [V]	Is [A]	Pa [W]	Up [V]	Ip [A]	n [obr./min]
1	0	230	1,15	42	220	0,000	1492
2	1	230	1,15	60	220	0,250	1482
3	2	230	1,20	75	220	0,425	1477
4	3	230	1,20	90	220	0,680	1470
5	4	230	1,25	110	220	0,870	1460
6	5	230	1,25	135	220	1,125	1447
7	6	230	1,26	150	220	1,290	1440
8	7	230	1,40	160	220	1,550	1426
9	8	230	1,45	200	220	1,700	1418
10	9	230	1,50	230	220	1,950	1400
11	10	230	1,60	260	220	2,150	1384

6) Wyniki obliczeń

1. Obliczenie mocy pobieranej przez silnik z sieci

P_s= 3*P_A

L.P.	Pa [W]	Ps [W]
1	42	126
2	60	180
3	75	225
4	90	270
5	110	330
6	135	405
7	150	450
8	160	480
9	200	600
10	230	690
11	260	780

2. Obliczenie mocy oddawanej przez prądnicę:

P_p= U_p I_p

L.P.	Up [V]	Ip [A]	Pp [W]
1	220	0,000	0,0
2	220	0,250	55,0
3	220	0,425	93,5
4	220	0,680	149,6
5	220	0,870	191,4
6	220	1,125	247,5
7	220	1,290	283,8
8	220	1,550	341,0
9	220	1,700	374,0
10	220	1,950	429,0
11	220	2,150	473,0

3. Obliczenie współczynnika mocy silnika:

L.P.	Us [v]	Is [A]	Ps [W]	cosφ
1	230	1,15	126	0,16
2	230	1,15	180	0,23
3	230	1,20	225	0,27
4	230	1,20	270	0,33
5	230	1,25	330	0,38
6	230	1,25	405	0,47
7	230	1,26	450	0,52
8	230	1,40	480	0,50
9	230	1,45	600	0,60
10	230	1,50	690	0,67
11	230	1,60	780	0,71

4. Obliczenie sprawności układu silnik - prądnica:

L.P.	Pp [W]	Ps [W]	η
1	0,0	126	0,000
2	55,0	180	0,306
3	93,5	225	0,416
4	149,6	270	0,554
5	191,4	330	0,580
6	247,5	405	0,611
7	283,8	450	0,631
8	341,0	480	0,710
9	374,0	600	0,623
10	429,0	690	0,622
11	473,0	780	0,606

5. Obliczenie sprawności silnika:

L.P.	η	η s
1	0,000	0,000
2	0,306	0,553
3	0,416	0,645
4	0,554	0,744
5	0,580	0,762
6	0,611	0,782
7	0,631	0,794
8	0,710	0,843
9	0,623	0,790
10	0,622	0,789
11	0,606	0,779

6. Obliczenie mocy oddawanej przez silnik:

P'_s = P_s η_s

L.P.	Ps [W]	ηs	P's [W]
1	126	0,000	0,00
2	180	0,553	99,50
3	225	0,645	145,04
4	270	0,744	200,98
5	330	0,762	251,32
6	405	0,782	316,60
7	450	0,794	357,37
8	480	0,843	404,57
9	600	0,790	473,71
10	690	0,789	544,07
11	780	0,779	607,40

7. Obliczenie momentu silnika:

L.P.	P's [W]	n [obr./min]	M [N*m]
1	0,0	1492	0,00
2	55,0	1482	0,64
3	93,5	1477	0,94
4	149,6	1470	1,31
5	191,4	1460	1,64
6	247,5	1447	2,09
7	283,8	1440	2,37
8	341,0	1426	2,71
9	374,0	1418	3,19
10	429,0	1400	3,71
11	473,0	1384	4,19

7) Uwagi i wnioski

Jak można zaobserwować na podstawie tabel moc oddawana przez prądnicę wpływa na prędkość obrotową silnika napędzającego (badany silnik). Prędkość ta spada wraz ze wzrostem obciążenia. Efekt ten można zauważyć także przy silniku spalinowym samochodu, który napędza alternator (rodzaj prądnicy, lecz o większej efektywności): przy jałowych obrotach silnika po włączeniu dodatkowych obciążeń jak żarówki, radio, zapalniczka i inne, zauważalne jest nawet na słuch spowolnienie pracy silnika. Jest to efekt obciążenia alternatora a tym samym stawia on większy opór silnikowi (wymaga przyłożenia większej obrotowej siły mechanicznej). Ponadto zastosowana w ćwiczeniu prądnica może być nazywana alternatorem, gdyż typowa prądnica jako źródło wirującego pola magnetycznego posiada obracający się magnes trwały, tak jak np. dynamo rowerowe. Alternator natomiast jako źródło wirującego pola magnetycznego posiada tzw. twornik (rodzaj wirnika) charakteryzujący się tym iż nie posiada on komutatora jak silnik komutatorowy, lecz zwykłe styki ślizgowe, które pozwalają na dostarczenie prądu do niego w taki sposób, aby wytwarzane pole magnetyczne było polem wirującym (tak jakby w ruch obrotowy wprowadzany był magnes stały). W alternatorze stabilizacja prądu twornika odpowiada za stabilizację napięcia wyjściowego stojana przy obciążeniu. Alternator podobnie jak i prądnica nie powinien pracować bez obciążenia. Przy czym nie jest jednoznaczne to z tym, że jeżeli prąd twornika będzie stały to napięcie wyjściowe także. Jest to też zależne od obciążenia alternatora.

Ponadto sprawność układu silnik - prądnica jest słaba. Związek ma to z przekładaniem siły elektromotorycznej na mechaniczną, przekaz mechaniczny (pasek klinowy lub zębaty, łańcuch, przekładnia zębata itp.) i odwrotne przetworzenie siły mechanicznej na elektromotoryczną. W układzie zamkniętym (jak ma to miejsce w samochodzie) układ silnik - alternator zawiera akumulator (źródło zasilania twornika alternatora) w celu pobudzenia go do generacji. Gdy alternator „rozpędzi się” akumulator zaczyna być ładowany robiąc za kondensator (układ prostownika zawarty jest zwykle w alternatorze), a układ alternatora jest conajmniej samowystarczalny aby pobudzać samego siebie do generacji i zasilać inne urządzenia. Alternator jest urządzeniem, które poniżej pewnych obrotów nie jest samowystarczalne. Dlatego też akumulator jest niezbędny nie tylko do rozruchu silnika spalinowego, ale także podtrzymywania dostarczania prądu do zasilanych urządzeń (światła, układ zapłonowy, panel kontrolny, deska rozdzielcza itp.).

Ponadto wraz ze wzrostem obciążenia prądnicy silnik napędowy wykazuje wzrost współczynnika mocy. Współczynnik mocy charakteryzuje jaką częścią mocy pozornej jest moc czynna. Jedynie moc czynna wskazywana jest przez mechaniczne (tradycyjne) liczniki energii elektrycznej. Dlatego też dąży się aby współczynnik ten był jak najbliższy jedności. W tym celu dla dużych silników podłącza się na uzwojeniach „baterie” kondensatorów, które mają za zadanie wprowadzić takie przesunięcie fazowe między prądem a napięciem danej fazy, aby moc czynna pobierana przez silnik była niewiele mniejsza od całkowitej (pozornej) lub spełniała normy energetyczne dla silników elektrycznych danej mocy. Jak wynika z tabel im mniejsze obciążenie silnika tym mniejsza moc czynna (mniejszy współczynnik mocy). Można zaobserwować to zjawisko na przykładzie każdego silnika elektrycznego: w momencie obciążenia licznik energii elektrycznej zaczyna obracać się szybciej (licznik ten podobnie jak watomierz mierzy tylko moc czynną).

Jak wynika z wykresu η_s = f(P'_s) oraz tabel (8 pozycja pomiarowa) sprawność silnika jest największa dla 1426 rpm. Fakt ten można wyjaśnić na podstawie danych silnika (220/380V, 1400rpm) oraz faktem, że silnik ten był zasilany z obecnej sieci energetycznej 3x230V co dopowiada parametrom 230/395V). Obroty silników zależą także od wielkości przyłożonego do ich zasilania napięcia, dlatego też dla takiego napięcia zasilania można wprowadzić prosty przelicznik (zakładając liniowość zależności obrotów od napięcia zasilania dla małego przedziału zmian) 220V / 1400rpm = 230V / X rpm. Jak można wyliczyć, że X=1463rpm. Jednakże są to urządzenia indukcyjne, które są liczone dla danych warunków pracy. Zmiana liniowa tych warunków nie powoduje liniowej zmiany efektów działania, dlatego też można by przyjąć, że są to obroty znamionowe dla nowych warunków pracy. Ponadto prądnica nie osiągnęła kresu swych możliwości z powodu niewystarczającej mocy mechanicznej silnika (pobierana przez niego moc przekraczała moc znamionową na skutek obciążenia prądnicą i małej sprawności układu). Z tego też powodu nie został prawdopodobnie osiągnięty znamionowy współczynnik mocy. Jednak warunki te umożliwiły lepsze zaobserwowanie opisanych wcześniej faktów. Można by też stwierdzić przeciwnie do wcześniejszego postulatu, że sprawność układu była niska ze względu na mniejszą moc silnika w stosunku do możliwości i wymagań prądnicy.

---