ĆWICZENIE 35

BADANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO JEDNOFAZOWEGO

• Program ćwiczenia

• Pomiar rezystancji uzwojeń.

• Pomiar prędkości obrotowej wyłączenia uzwojenia rozruchowego.

• Wyznaczanie charakterystyk biegu jałowego.

• Pomiar charakterystyk stanu zwarcia.

• Pomiar momentu rozruchowego dla różnych impedancji włączonych w obwód uzwojenia pomocniczego.

• Wyznaczenie charakterystyk obciążenia.

• Cel pomiaru

Silniki jednofazowe są budowane na stosunkowo niewielkie moce. Do określenia właściwości eksploatacyjnych tych silników nie należy stosować metod pośrednich, gdyż łatwo można wykonać wszystkie próby przy obciążeniu bezpośrednim.

Celem ćwiczenia jest poznanie budowy i zasady działania silnika jednofazowego oraz przeprowadzenie podstawowych badań wymaganych przez normę dla tego typu silników.

Przeprowadzone pomiary pozwolą na zbadanie wpływu uzwojenia pomocniczego na pracę silnika oraz na porównanie otrzymanych parametrów ze znamionowymi, podanymi przez wytwórcę.

• Omówienie programu ćwiczenia

1. Wprowadzenie

Uzwojeniem głównym silnika indukcyjnego jednofazowego jest znajdujące się w stojanie uzwojenie jednofazowe. Wirnik silnika jest klatkowy.




Rys. 35.1. Przebieg podstawowej harmonicznej przestrzennej pola wytworzonego przez uzwojenie jednofazowe dla różnych chwil czasowych




Rys. 35.2. Przybliżony przebieg momentów silnika indukcyjnego jednofazowego

Zasilane prądem przemiennym uzwojenie stojana indukuje w szczelinie maszyny pole zmienne (rys. 35.1), które można rozłożyć na dwa pola wirujące w przeciwnych kierunkach. Na rys. 35.2 przedstawiono przebiegi momentów od obu pól wirujących (M_I, M_II) oraz moment wypadkowy (M) w zależności od prędkości obrotowej. Przy n = 0 silnik indukcyjny jednofazowy nie wytwarza momentu rozruchowego. Jeżeli jednak wirnikowi nada się pewną prędkość obrotową w dowolnym kierunku, to pojawia się różny od zera moment powodujący dalszy rozruch silnika.

Silnik jednofazowy może wytwarzać moment rozruchowy, jeżeli zmieni się rozkład indukcji w szczelinie. W tym celu w stojanie umieszcza się uzwojenie dodatkowe pracujące bądź tylko w chwili rozruchu (uzwojenie rozruchowe), bądź też w sposób ciągły (uzwojenie pomocnicze).




Rys. 35.3. Silnik z uzwojeniem pomocniczym zwartym: a) zasada budowy, b) wykres wskazowy, 1 - uzwojenie główne, 2 - uzwojenie pomocnicze

Małe silniki jednofazowe są często budowane z uzwojeniem pomocniczym zwartym (rys. 35.3). Mają one wirnik klatkowy i uzwojenie stojana skupione w postaci cewek (1) nałożonych na bieguny stojana. Na każdym biegunie znajduje się żłobek, który dzieli nabiegunnik na dwie nierówne części. Uzwojenie pomocnicze (2) stanowi zwój zwarty obejmujący mniejszą część nabiegunnika. Powstaje w ten sposób dodatkowy strumień Φ_d wywołany sumą przepływów Θ_g + Θ_p (Θ_g - przepływ uzwojenia głównego, Θ_p - przepływ uzwojenia pomocniczego). Przesunięte względem siebie w czasie i przestrzeni strumienie Φ_g i Φ_d tworzą wirujące pole eliptyczne powodujące powstanie niewielkiego momentu rozruchowego, wystarczającego do uruchomienia silnika. Wadą tego rozwiązania jest mała sprawność silników, duże straty stałe w zwoju zwartym i mały moment rozruchowy (ok. 0,25·M_n).













Rys. 35.4. Schemat połączeń i wykres momentów silnika jednofazowego: a) z uzwojeniem rozruchowym kondensatorowym, b) z uzwojeniem pomocniczym kondensatorowym, c) z uzwojeniem rozruchowym rezystancyjnym

Innym, lepszym, rozwiązaniem jest nawinięcie dodatkowego uzwojenia umieszczonego w stojanie w żłobkach nie wykorzystanych przez uzwojenie główne tak, aby osie obu uzwojeń były przesunięte względem siebie o kąt π/2. Jeżeli prądy płynące w uzwojeniu głównym i pomocniczym są przesunięte o kąt β = π/2, to przy jednakowych przepływach obu uzwojeń wytworzone pole wirujące jest kołowe, a więc moment rozruchowy jest największy.

Przesunięcie fazowe prądów uzyskuje się przez włączenie w szereg z uzwojeniem pomocniczym kondensatorów (rys. 35.4a, b) lub powiększenie rezystancji tego uzwojenia (rys. 35.4c). Uzwojenie wykorzystywane tylko podczas rozruchu wyłączane jest za pomocą wyłącznika odśrodkowego W, umieszczonego na wale silnika. Czasem stosuje się silniki z dwoma kondensatorami (rys. 35.4b), z których jeden jest załączony tylko na czas rozruchu, natomiast drugi pracuje ciągle. Rozwiązanie takie stosuje się po to, aby uzyskać pole jak najbardziej zbliżone do kołowego zarówno podczas rozruchu (większy moment rozruchowy), jak i podczas obciążenia (większy współczynnik mocy), kiedy to potrzebna pojemność kondensatora maleje kilkakrotnie. W celu uproszczenia konstrukcji często rezygnuje się ze zmiany pojemności i wówczas uzwojenie pomocnicze współpracuje z jednym, stale załączonym, kondensatorem.

Zwiększenie momentu rozruchowego przez zwiększenie rezystancji uzwojenia dodatkowego (rys. 35.4c) uzyskuje się najczęściej po nawinięciu tego uzwojenia przewodem o odpowiednio zmniejszonym przekroju.

Według PN-IEC 34-1:1997 minimalny moment rozruchowy M_rmin silników jednofazowych nie może być mniejszy od 0,3·M_n.

Jeżeli w sieci zasilającej silnik trójfazowy powstanie przerwa w jednej z faz, to silnik taki nie zatrzymuje się, lecz pracuje nadal jako silnik jednofazowy. Jego moc w takim przypadku maleje około dwukrotnie. Stosując odpowiedni układ połączeń faz silnika trójfazowego i odpowiednio dobranych elementów RLC można, przy zasilaniu go napięciem jednofazowym, uzyskać moc zbliżoną do jego mocy znamionowej.

Wadą silników jednofazowych jest ich mniejsza sprawność niż silników trójfazowych. Wynika to stąd, że strumień przeciwbieżny ma względem wirnika prędkość większą od synchronicznej i wywołuje w jego rdzeniu duże straty.

2. Pomiar rezystancji uzwojeń

Pomiar rezystancji uzwojenia głównego R_g i uzwojenia dodatkowego R_d należy przeprowadzić metodą techniczną, a wyniki zestawić w tabeli 35.1.

Tabela 35.1

Lp.	Uzwojenie główne				Uzwojenie rozruchowe				Uwagi
		U	I	Rg	R^*gśr	U	I	Rd		R^*dśr
		V	A	Ω		V	A	Ω

gdzie: R^*_śr - średnia rezystancja przeliczona na umowną temperaturę pracy.

3. Pomiar prędkości obrotowej wyłączania uzwojenia rozruchowego

Jeżeli badany silnik ma wyłącznik odśrodkowy, należy zmierzyć prędkość obrotową wyłączania uzwojenia rozruchowego (lub jednego z kondensatorów uzwojenia pomocniczego). Układ pomiarowy przedstawiono na rys. 35.5. Silnik jednofazowy jest napędzany maszyną bocznikową prądu stałego. Do zacisków wyłącznika odśrodkowego przyłączony jest obwód kontrolny, złożony ze źródła napięcia stałego i szeregowo włączonego woltomierza, pozwalający stwierdzić, czy wyłącznik W jest otwarty czy też zamknięty. Jeśli wyłącznik jest zamknięty, woltomierz wskazuje wartość napięcia zasilającego obwód kontrolny, natomiast jeśli otwarty, wskazuje zero.




Rys. 35.5. Układ połączeń do pomiaru prędkości obrotowej wyłączania uzwojenia rozruchowego

W celu zmierzenia prędkości obrotowej wyłączenia uzwojenia rozruchowego należy powoli zwiększać prędkość obrotową silnika napędowego SN tak, aby można było określić prędkość obrotową w chwili, kiedy woltomierz w obwodzie kontrolnym wskaże zero. Prędkość obrotową mierzy się stroboskopem. Aby zmniejszyć błąd pomiaru, należy wykonać trzy próby i obliczyć wartość średnią otrzymanych prędkości obrotowych wyłączenia uzwojenia rozruchowego. Zmierzona prędkość obrotowa powinna mieścić się w granicach 0,9÷1 prędkości odpowiadającej momentowi krytycznemu (jeśli normy przedmiotowe nie stanowią inaczej). Ponieważ w ćwiczeniu nie będzie wyznaczana prędkość n_kryt, jej wartość zostanie podana.

4. Pomiar charakterystyk biegu jałowego

Charakterystyki biegu jałowego są to zależności poślizgu, współczynnika mocy, natężenia prądu i mocy pobieranej przez nieobciążony silnik od napięcia zasilającego o znamionowej częstotliwości (s, cosϕ₀, I₀, P₀ = f(U₀) przy f = f_n).

Układ pomiarowy przedstawiono na rys. 35.6. Napięcie zasilające silnik należy zmniejszać od 1,2·U_n do takiego napięcia minimalnego, przy którym prąd I₀ zaczyna wzrastać (ok. 0,3·U_n). Poślizg wyznacza się metodą stroboskopową lub, jeśli jego wartości są większe, mierzy się stroboskopem prędkość obrotową, a wartość poślizgu oblicza z ogólnej zależności. Wyniki pomiarów i obliczeń należy zestawić w tabeli 35.2.

Tabela 35.2

Lp.	U0	I0	P0	n	cosϕ0	s	Uwagi
		V	A	W	obr/s	-		-

W tabeli 35.2


(35.1)

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów wykreśla się charakterystyki biegu jałowego, których orientacyjne przebiegi przedstawiono na rys. 35.7. Charakterystyki biegu jałowego umożliwiają, podobnie jak przy badaniu silnika trójfazowego, określenie strat jałowych i wyznaczenie przybliżonej wartości strat mechanicznych oraz pozwalają ocenić poprawność konstrukcji silnika, szczelinę maszyny itp.

Prąd biegu jałowego ma dwie składowe. Pierwsza odpowiadająca prądowi wirnika o częstotliwości s·f jest, podobnie jak w silniku trójfazowym, bardzo mała. Druga natomiast odpowiadająca prądowi wirnika o częstotliwości (2-s)·f ma znaczną wartość. Dlatego wypadkowy prąd biegu jałowego silnika jednofazowego może być znacznie większy (do 3 razy) niż prąd biegu jałowego odpowiadającego mu silnika trójfazowego.

Prąd biegu jałowego silników jednofazowych z kondensatorowym uzwojeniem pomocniczym jest mniejszy, ponieważ wytwarzane w tym silniku pole jest polem wirującym, toteż nie są indukowane w wirniku prądy o częstotliwości (2-s)f.




Rys. 35.6. Układ połączeń do próby biegu jałowego, stanu zwarcia i obciążenia




Rys. 35.7. Charakterystyki biegu jałowego

5. Pomiar charakterystyk stanu zwarcia

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

Pomiary wykonuje się w układzie połączeń przedstawionym na rys. 35.6. Przed przystąpieniem do pomiarów należy ustalić położenie wirnika odpowiadające najmniejszej wartości momentu rozruchowego. Określa się je przy obniżonym napięciu, obracając powoli wirnik w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola. Dla tego położenia, zmniejszając wartość napięcia zasilającego od wartości, przy której prąd zwarcia wynosi ok. 1,2·I_n do zera, należy zmierzyć moment rozruchowy, natężenie prądu i moc pobieraną przez silnik. Wyniki pomiarów należy zestawić w tabeli 35.3.

Tabela 35.3

Lp.

Uz

Iz

Pz

cosϕz

Uc

Mr

Uwagi

r

Fr

Mr

V

A

W

-

V

m

N

N·m

W tabeli 35.3


(35.2)

W przypadku silników z kondensatorem mierzy się również wartość napięcia na kondensatorze, które nie powinno przekroczyć wartości określonych przez normę (600V przy U_n=230V).

Na podstawie otrzymanych wyników należy wykreślić charakterystyki zwarcia, których przykładowe przebiegi przedstawiono na rys. 35.8.

Przybliżone wartości początkowego momentu rozruchowego i prądu rozruchowego przy znamionowym napięciu zasilania oblicza się z zależności


(35.3)


(35.4)

gdzie: I_z, M_r - wartości prądu zwarcia i momentu rozruchowego przy U = U_z,

U_n - napięcie znamionowe.

Wartość napięcia na kondensatorze przy znamionowym napięciu zasilania określona jest wzorem


(35.5)

gdzie: U_c - napięcie na kondensatorze przy U = U_z.

Otrzymane wyniki pomiarów i obliczeń należy porównać z wymaganiami stawianymi przez normę.




Rys. 35.8. Charakterystyki stanu zwarcia

6. Pomiar momentu rozruchowego dla różnych impedancji włączonych w obwód uzwojenia dodatkowego

Aby porównać momenty rozruchowe badanego silnika dla różnych impedancji, włącza się w obwód uzwojenia rozruchowego (pomocniczego) (zaciski D1, D2) kondensatory o pojemności różnej od podanej przez wytwórcę, a następnie w miejsce kondensatorów rezystancję regulowaną R. Badania przeprowadza się np. przez podłączenie do kondensatora stale współpracującego z uzwojeniem rozruchowym (pomocniczym) szeregowo lub równolegle dodatkowego kondensatora; wartość rezystancji dodatkowej włączonej w miejsce kondensatorów dobiera się doświadczalnie tak, aby przy obniżonym napięciu wytwarzany moment rozruchowy był największy.

Układ pomiarowy, przedstawiony na rys. 35.6, jest identyczny jak podczas pomiarów charakterystyk zwarcia. Pomiary przeprowadza się dla tego położenia wirnika, w którym podczas próby zwarcia moment rozruchowy był najmniejszy. Zmniejszając napięcie zasilania od wartości, przy której prąd zwarcia wynosi ok. 1,2·I_n do zera, mierzy się wartość momentu rozruchowego M_r. Podczas pomiarów kontroluje się wartość napięcia U_c i w razie konieczności ogranicza wartość napięcia zasilającego tak, aby nie przekroczyć na kondensatorze wartości dopuszczalnej. Otrzymane wyniki pomiarów należy zestawić w tabeli 35.4.

Tabela 35.4

Lp.

C1

C2

Rd

Uwagi

Uz

Iz

Mr

Uz

Iz

Mr

Uz

Iz

Mr

V

A

N·m

V

A

N·m

V

A

N·m

C1 = C2 = R =

Na podstawie otrzymanych wyników dla każdego z wariantów przelicza się wartości prądów i momentów na napięcie znamionowe oraz wykreśla zależności M_r = f(U_z) i I_z = f(U_z) dla wszystkich układów połączeń uzwojenia dodatkowego (łącznie z wynikami otrzymanymi podczas pomiarów stanu zwarcia).

7. Wyznaczanie charakterystyk obciążenia

Charakterystykami obciążenia są zależności natężenia prądu, prędkości obrotowej, mocy pobieranej, współczynnika mocy, momentu obrotowego i sprawności od mocy oddawanej na wale przy znamionowych wartościach napięcia i częstotliwości (I, n, P₁, cosϕ, M, η = f(P₂) przy U = U_n, f = f_n). Schemat pomiarowy przedstawiono na rys. 35.6, z tym, że badany silnik jest sprzęgnięty z prądnicą obciążającą. Pomiar charakterystyk obciążenia należy przeprowadzić dla silnika, w którym w obwód uzwojenia pomocniczego włączony jest kondensator o pojemności zalecanej przez wytwórcę.

Po przeprowadzeniu rozruchu, przy napięciu U = U_n, obciąża się badany silnik do takiej wartości momentu, przy której natężenie prądu pobieranego przez silnik wynosi ok. 1,2 I_n. Pomiary przeprowadza się podczas zmniejszania obciążenia do zera. Zmierzone wartości prądu pobieranego I, mocy pobieranej P₁ i prędkości obrotowej n zestawia się w tabeli 35.5.

Tabela 35.5

Lp.	U	I	P1	n	cosϕ	M	P2	η	Uwagi
		V	A	W	obr/s	-	N·m	W		-
									U = Un,

W tabeli 35.5

• współczynnik mocy


(35.6)

• moc oddawana przez silnik


(35.7)

• sprawność silnika


(35.8)

Na podstawie przeprowadzonych pomiarów i obliczeń należy wykreślić charakterystyki obciążenia, których przykładowe przebiegi przedstawiono na rys. 35.9.

Charakterystyki obciążenia pozwalają na analizę zachowania się silnika w czasie pracy. Wartości poszczególnych parametrów przy P₂ = P_n odczytane z charakterystyk obciążenia należy porównać z danymi znamionowymi podanymi przez wytwórcę. Tolerancje wartości podanych na tabliczce znamionowej określa PN-E-06810:1996.




Rys. 35.9. Charakterystyki obciążenia

• Opracowanie wyników pomiarów

Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:

• opracowane tabele pomiarowe i przykładowe obliczenia,

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

• charakterystyki stanu zwarcia (M_r, I_z, P_z, cosϕ_z = f(U_z) przy s = 1, f = f_n),

• wykresy momentu rozruchowego dla badanych impedancji włączonych w obwód uzwojenia dodatkowego (łącznie z impedancją „fabryczną”),

• charakterystyki obciążenia (I, P₁, n, η, M, cosϕ = f(P₂) przy U = U_n, f = f_n),

uwagi i wnioski z uwzględnieniem wymagań PN-E-06810:1996.

• Pytania kontrolne

• Uzasadnić brak momentu rozruchowego w silniku jednofazowym, gdy zasilane jest tylko uzwojenie główne.

• Podać warunki uzyskania w silniku jednofazowym pola kołowego.

• Omówić i porównać sposoby wykonania uzwojenia rozruchowego.

• Narysować wykres wektorowy silnika jednofazowego z pomocniczym uzwojeniem zwartym.

• Który z typów silników jednofazowych jest najbardziej ekonomiczny w eksploatacji i dlaczego?

• Dlaczego prąd biegu jałowego silników jednofazowych jest zwykle większy niż prąd biegu jałowego silników trójfazowych?

145

---