ĆWICZENIE 34

BADANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO WIELOBIEGOWEGO

• Program ćwiczenia

• Pomiar rezystancji uzwojeń i określenie schematu połączeń.

• Pomiar charakterystyk biegu jałowego.

• Pomiar momentu rozruchowego.

• Pomiar charakterystyk stanu zwarcia.

• Pomiar charakterystyk obciążenia.

• Cel pomiaru

Silnikami indukcyjnymi wielobiegowymi nazywa się maszyny, w których przez zmianę liczby par biegunów wirującego pola magnetycznego uzyskuje się kilka znamionowych prędkości obrotowych. Stosuje się je w napędach urządzeń, w których zmiana prędkości obrotowej może odbywać się skokowo. Zastosowanie silników wielobiegowych pozwala na zredukowanie zawodnych przekładni mechanicznych i ułatwia, dzięki prostocie przełączeń, automatyzację sterowania urządzeniem.

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy, zasady działania i obsługi silnika wielobiegowego. Wyniki przeprowadzonych pomiarów pozwalają na weryfikację parametrów znamionowych badanej maszyny, podanych przez wytwórcę na tabliczce znamionowej, oraz porównanie ich z parametrami typowych maszyn jednobiegowych. Otrzymane charakterystyki umożliwiają przeanalizowanie wpływu zmian parametrów maszyny przy zmianie liczby par biegunów na właściwości eksploatacyjne silników wielobiegowych.

• Omówienie programu ćwiczenia

1. Wprowadzenie

Prędkość obrotowa pola wirującego zależy od liczby par biegunów wytworzonych przez zasilane uzwojenie i częstotliwości napięcia zasilającego zgodnie z zależnością

(34.1)

Przy zasilaniu uzwojenia napięciem o stałej częstotliwości prędkość obrotowa silnika indukcyjnego określona wzorem

(34.2)

jest odwrotnie proporcjonalna do liczby par biegunów.

W silnikach dwubiegowych wymaganą zmianę liczby par biegunów uzyskuje się przez zmianę układu połączeń grup zezwojów jednego uzwojenia. Pozwala to na dość dobre wykorzystanie miedzi uzwojenia. Jeżeli wymagana liczba biegów silnika jest większa od 2, stosuje się więcej uzwojeń. Jednocześnie ze zmianą liczby par biegunów uzwojenia stojana identycznej zmianie musi ulec liczba par biegunów uzwojenia wirnika. W silnikach pierścieniowych spełnienie tego warunku wymaga wykonania skomplikowanego uzwojenia wirnika oraz wprowadzenia większej liczby pierścieni ślizgowych. Rozwiązanie takie jest mało technologiczne. Tej wady nie mają silniki klatkowe, w których liczba par biegunów uzwojenia wirnika automatycznie dopasowuje się do zmian połączeń uzwojenia stojana, gdyż klatka tworzy uzwojenie wielofazowe z jednym prętem na fazę. Z tego względu w silnikach wielobiegowych stosuje się wirniki klatkowe.

Rys. 34.1. Połączenia zezwojów przy przełączaniu liczby par biegunów

Sposób połączenia grup zezwojów uzwojenia stojana determinuje wymagany stosunek liczb par biegunów. Prosty i często stosowany jest sposób Dahlandera, który pozwala na zmianę prędkości obrotowej w stosunku 1:2. Układy połączeń zezwojów przedstawiono na rys. 34.1. Można je przełączać zachowując połączenie szeregowe (rys. 34.1b, e) lub równoległe (rys. 34.1c, f). Można również stosować połączenie kombinowane: z szeregowego na równoległe (rys. 34.1b, f) i odwrotnie (rys. 34.1c, e). Na rys. 34.2 przedstawiono układ połączeń oznaczony symbolem Δ/YY. Zezwoje połączone w trójkąt (rys. 34.2a) wytwarzają dwukrotnie większą liczbę par biegunów niż przy połączeniu ich w podwójną gwiazdę (rys. 34.2b).

Zmieniając liczbę par biegunów, zmieniamy nie tylko prędkość obrotową, lecz także parametry magnetyczne i elektryczne silnika. Zmieniają się:

1. rezystancje i reaktancje uzwojenia,

2. współczynnik uzwojenia i liczba zwojów połączonych w szereg w fazie, a więc przy tym samym napięciu zasilającym zmienia się indukcja magnetyczna,

3. liczba żłobków na biegun i fazę q, a więc zmianie ulega kształt pola i zawartość wyższych harmonicznych,

4. przewodność magnetyczna, mniejsza przy większej liczbie par biegunów; przy mniejszej liczbie par biegunów potrzebny jest mniejszy prąd magnesujący, przez co, przy założeniu stałej indukcji, poprawia się współczynnik mocy,

5. napięcie fazowe (przełączenie z trójkąta na gwiazdę),

6. następstwo faz (rys. 34.2), a więc przy nie zmienionym następstwie faz zasilania zmieni się kierunek wirowania silnika.

Wymienione zmiany mają wpływ na moc i moment obrotowy silnika.

Rys. 34.2. Schemat przełączenia uzwojenia Δ/YY

1. Pomiar rezystancji uzwojeń i określanie schematu połączeń

Przedmiotem badań jest indukcyjny silnik trójbiegowy klatkowy mający w stojanie dwa niezależne uzwojenia, z których jedno wykonane jest jako przełączalne. Ze względu na ograniczony czas trwania ćwiczenia należy zbadać parametry silnika tylko przy dwu różnych liczbach par biegunów uzyskanych przez zasilanie uzwojenia przełączalnego. Na tabliczce zaciskowej badanego silnika jest podany przez wytwórcę sposób przełączania zacisków uzwojenia dla odpowiednich prędkości obrotowych. Zaciski są oznaczone indeksami, w których cyfra odpowiada otrzymanej liczbie par biegunów.

Pomiar rezystancji uzwojeń należy przeprowadzić metodą techniczną, a otrzymane wyniki zestawić w tabeli 34.1.

Tabela 34.1

Lp.

p

Faza U

Faza V

Faza W

Rśr

R^*śr

Uwagi

U

I

Ru

U

I

Rv

U

I

Rw

V

A

Ω

V

A

Ω

V

A

Ω

Ω

4

2

Jeżeli uzwojenie silnika ma wyprowadzonych tylko 6 końcówek, to mierzy się rezystancję dwóch gałęzi równoległych złożonych z szeregowo połączonych rezystancji R zezwojów.

Przy uzwojeniu połączonym w trójkąt (rys. 34.2a) rezystancja między sąsiednimi wyprowadzeniami, po założeniu równości rezystancji R zezwojów, wynosi

(34.3)

Rys. 34.3. Układ połączeń silnika wielobiegowego do próby biegu jałowego, stanu zwarcia i obciążenia

Analogicznie, rezystancja między wyprowadzeniami obejmującymi dwie części uzwojenia (np. jedną z faz) wynosi

(34.4)

Rezystancja jednej fazy

(34.5)

Przy połączeniu uzwojenia w podwójną gwiazdę (rys. 34.2b) rezystancja jednej fazy

(34.6)

Aby sprawdzić symetrię uzwojeń, należy zmierzyć rezystancje wszystkich faz dla połączenia w trójkąt i podwójną gwiazdę.

Na podstawie otrzymanych wyników należy narysować układ połączeń uzwojenia dla obu liczb par biegunów.

2. Pomiar charakterystyk biegu jałowego

Charakterystyki biegu jałowego są to zależności współczynnika mocy, prądu i mocy pobieranych przez nieobciążony silnik od napięcia zasilającego o znamionowej częstotliwości (cosϕ₀, I₀, P₀ = f(U₀) przy f = f_n). Schemat układu pomiarowego przedstawiono na rys. 34.3. W celu usprawnienia połączeń przy zmianie prędkości należy użyć specjalnego przełącznika sześciobiegunowego Δ/YY pozwalającego na przełączenie uzwojeń w biegu, po przeprowadzeniu rozruchu przy połączeniu w Δ. Napięcie zasilające silnik należy zmniejszać za pomocą regulatora indukcyjnego od wartości równej 1,2·U_n do takiej wartości napięcia, przy której prąd biegu jałowego silnika zaczyna rosnąć (około 0,3·U_n). Wyniki przeprowadzonych pomiarów dla obu prędkości obrotowych zestawia się w tabeli 34.2.

Tabela 34.2

Lp.

p

U0

I0

P0

cosϕ0

ΔPob0

ΔP0

U0^2

Uwagi

UAB

UBC

UCA

Uśr

IA

IB

IC

Iśr

PI

PII

P0

V

A

W

-

W

V^2

4

2

W tabeli 34.2

• współczynnik mocy biegu jałowego

(34.7)

• straty obciążeniowe na biegu jałowym ΔP_ob0, przy połączeniu uzwojenia w trójkąt

(34.8)

oraz w podwójną gwiazdę

(34.9)

• straty jałowe

(34.10)

Orientacyjne charakterystyki biegu jałowego przedstawiono na rys. 34.4.

Rys. 34.4. Charakterystyki biegu jałowego

Znajomość mocy P₀ pobieranej przez silnik podczas biegu jałowego pozwala na wyznaczenie strat mechanicznych ΔP_m oraz strat w żelazie ΔP_Fe. Rozdział strat jałowych opisano w ćwiczeniu 33. Otrzymane dla obu zakresów prędkości obrotowych wyniki rozdziału strat przy napięciu znamionowym należy zestawić w tabeli 34.3.

Tabela 34.3

p	Pn	P0	ΔPob0	ΔP0	ΔPm	ΔPFen	Uwagi
		W
4							U = Un
2

1. Pomiar momentu rozruchowego i charakterystyk stanu zwarcia

Moment rozruchowy silnika jest momentem wytwarzanym przez silnik przy zatrzymanym wirniku (s = 1).

Charakterystyki stanu zwarcia są to zależności współczynnika mocy, prądu i mocy pobieranych przez silnik przy zatrzymanym wirniku od napięcia zasilającego o znamionowej częstotliwości (cosϕ_z, I_z, P_z = f(U_z) przy s = 1, f = f_n).

Moment rozruchowy i charakterystyki zwarcia należy wyznaczyć jednocześnie w układzie połączeń jak podczas biegu jałowego (rys. 34.3) z miernikami odpowiednio dobranymi do wielkości mierzonych przy zwarciu. Wirnik silnika należy unieruchomić, łącząc go z odpowiednio wyskalowanym dynamometrem umożliwiającym pomiar momentu rozruchowego. Wartość prądu zwarcia i początkowego momentu rozruchowego zależą od wzajemnego położenia wirnika i stojana, co należy sprawdzić przy obracaniu wirnika.

Pomiary w stanie zwarcia powinno się wykonać dla trzech położeń wirnika, przyjmując za dane do wykreślenia charakterystyk średnie arytmetyczne otrzymanych wyników. Wyjątkowo, ze względu na dużą liczbę innych pomiarów, w tym ćwiczeniu pomiar w stanie zwarcia przeprowadzić można tylko dla jednego położenia wirnika. Wirnik należy ustawić tak, aby mierzone wartości w przybliżeniu odpowiadały wartościom średnim. Ponieważ silnik nie jest chłodzony (n = 0), pomiary należy przeprowadzić możliwie szybko.

W zakresie zmian prądu zwarcia od I_z = 1,2·I_n do I_z = 0 wykonuje się pomiary dla obu biegów silnika, a otrzymane wyniki zestawia w tabeli 34.4.

Tabela 34.4

Lp.

p

Uz

Iz

Pz

Mr

cosϕz

Uwagi

UAB

UBC

UCA

Uśr

IA

IB

IC

Iśr

PI

PII

P

Fr

r

M

V

A

W

N

m

N·m

-

4

2

W tabeli 34.4

• moment rozruchowy

(34.11)

Na podstawie otrzymanych wyników pomiarów i obliczeń należy wykreślić, dla obu połączeń uzwojenia stojana, charakterystyki momentu rozruchowego i charakterystyki zwarcia; przykładowe ich przebiegi przedstawiono na rys. 34.5 i 34.6. Ponieważ w maszynie występuje moment strat spowodowany tarciem statycznym, krzywa M_r = f(U_z) przecina oś momentu poniżej zera.

Na podstawie wykresu I_z = f(U_z) należy obliczyć przybliżoną wartość znamionowego prądu zwarcia (prądu rozruchowego przy U = U_n)

(34.12)

Napięcie zwarcia U_zn jest to napięcie, przy którym prąd zwarcia jest równy prądowi znamionowemu zasilanego uzwojenia. Dla typowych maszyn indukcyjnych U_zn = (0,1÷0,3)·U_n. Sposób określania wartości U_zn i ΔU_z przedstawiono na rys. 33.4.

Przybliżoną wartość momentu rozruchowego przy znamionowym napięciu należy obliczyć z zależności

(34.13)

gdzie: M_r1 - moment rozruchowy przy I_z = I_n.

Rys. 34.5. Charakterystyki momentu rozruchowego

Rys. 34.6. Charakterystyki stanu zwarcia

W zależności (34.13) nie uwzględniono momentu tarcia, który ma wartość stałą, niezależną od prądu.

Na podstawie otrzymanych wyników oblicza się krotność prądu rozruchowego

(34.14)

oraz krotność momentu rozruchowego

(34.15)

Znamionową wartość prądu I_n należy wyznaczyć z charakterystyk obciążenia dla znamionowej mocy P₂, natomiast moment znamionowy wynosi

(34.16)

Obliczenia należy przeprowadzić dla obu zakresów prędkości obrotowych, a wyniki zestawić w tabeli 34.5.

Tabela 34.5

p	In	Mn	Uzn	ΔUz	Izn	Mrn	kIr	kMr	Uwagi
		A	N·m	V		A	N·m	-		-
4
2

1. Pomiar charakterystyk obciążenia

Charakterystyki obciążenia to zależności prądu obciążenia, współczynnika mocy, prędkości obrotowej i sprawności od mocy oddawanej przy znamionowych: napięciu i częstotliwości (I, cosϕ, n, η = f(P₂) przy U = U_n, f = f_n). Układ pomiarowy przedstawiono na rys. 34.3. Badany silnik obciążony jest maszyną hamulcową tak, iż istnieje możliwość pomiaru momentu obciążenia.

Pomiary należy rozpocząć od obciążenia maksymalnego, tj. takiego, przy którym prąd pobierany przez silnik I = 1,2·I_n (uwaga! prąd znamionowy dla poszczególnych prędkości obrotowych ma różną wartość). Zmniejszając obciążenie do biegu jałowego silnika, należy wykonać pomiary, a wyniki zestawić w tabeli 34.6.

Tabela 34.6

Lp.

p

Uśr

Iśr

P1

F

M

cosϕ

n

P2

η

Uwagi

V

A

W

N

N·m

-

obr/s

W

-

4

r =

2

r =

W tabeli 34.6:

• moc oddawana przez silnik

(34.17)

• sprawność silnika

(34.18)

Orientacyjne charakterystyki obciążenia badanego silnika przedstawiono na rys. 34.7 i 34.8.

Rys. 34.7. Charakterystyki obciążenia (sprawność, prędkość kątowa)

Rys. 34.8. Charakterystyki obciążenia (prąd i współczynnik mocy)

• Opracowanie wyników pomiarów

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• opracowane tabele pomiarowe i przykładowe obliczenia,

• obliczone rezystancje poszczególnych zezwojów i schematy połączeń dla obydwu liczb par biegunów,

• charakterystyki biegu jałowego: I₀, P₀, cosϕ₀ = f(U₀) przy f = f_n,

• przeprowadzenie rozdziału strat biegu jałowego,

• charakterystykę momentu rozruchowego M_r = f(U_z) przy n = 0, f = f_n,

• charakterystyki stanu zwarcia: I_z, P_z, cosϕ_z = f(U_z) przy n = 0, f = f_n,

• charakterystyki obciążenia I, cosϕ, n, η = f(P₂) przy U = U_n, f = f_n,

• obliczone krotności prądu rozruchowego k_Ir i momentu rozruchowego k_Mr,

• uwagi i wnioski.

• Pytania kontrolne

• Podać sposoby regulacji prędkości obrotowych silników indukcyjnych.

• Przedstawić budowę silników wielobiegowych.

• Podać najczęściej stosowane układy połączeń uzwojeń stojanów silników wielobiegowych.

• Opisać składowe strat jałowych silnika indukcyjnego i sposób ich rozdziału.

• Opisać wpływ zmiany liczby par biegunów na parametry silnika.

• Przeanalizować zalety i wady indukcyjnych silników wielobiegowych.

• Przedstawić sposoby wyznaczania znamionowego prądu zwarcia.

134

---