Nr ćwiczenia: 4

Temat ćwiczenia: Badanie silnika indukcyjnego, jednofazowego.

1. Cel ćwiczenia.

Celem tego ćwiczenia jest zapoznanie się z budową i zasadami działania silników indukcyjnych jednofazowych, a także wyznaczenie jego podstawowych parametrów i wykreślenie jego charakterystyk ruchowych.

Samo ćwiczenie można było podzielić na kilka etapów:

• oględziny silnika;

• pomiar rezystancji uzwojeń;

• charakterystykę biegu jałowego;

• charakterystykę stanu zwarcia;

• charakterystyki elektromechaniczne;

2. Dane znamionowe.

Typ silnika SEMg 71-2b

Napięcie znamionowe U_N = 220 V

Prąd znamionowy I_N = 2,9 A

Moc znamionowa P_N = 0,37 kW

Współczynnik mocy cosϕ = 0,88

Częstotliwość napięcia zasilania f = 50Hz

Prędkość obrotowa n = 2820 obr/min

3. Pomiar rezystancji uzwojeń silnika.

I_NZ = 0,24A U_NZ = 5,5V R_Z = 22,92Ω

I_NU = 0,8A U_NU = 5,5V R_U = 6,875Ω

4. Pomiar charakterystyk biegu jałowego.

4.1. Schemat pomiarowy.

Rys. 1. Schemat układu do pomiaru przy biegu jałowym silników indukcyjnych jednofazowych z pomocniczą fazą kondensatorową.

4.2. Tabela nr1.

U [V]	IUO [A]	IZO [A]	IO [A]	PUO [W]	PZO [W]	UCO [V]	n	PO [W]	cos ϕ
228	3,8	1,75	3	-5	315	440	2980	310	0,453
200	2	1,55	1,5	-80	265	400	2979	185	0,617
180	1,2	1,45	1,0	-80	230	370	2977	150	0,833
160	0,6	1,25	0,8	-60	185	340	2972	125	0,977
140	0,3	1,1	0,8	-40	145	290	2965	105	0,937
120	0,12	0,95	0,8	-15	105	250	2956	90	0,937
100	0,1	0,75	0,8	0	75	200	2941	75	0,937
80	0,19	0,6	0,8	0	45	150	2913	45	0,703

4.3. Wykres fazowy prądów biegu jałowego silnika indukcyjnego jednofazowego z pomocniczą fazą kondensatorową.

By móc narysować powyższy wykres fazowy niezbędne jest wyliczenie składowych czynnych i biernych prądów biegu jałowego uzwojenia głównego I_U0ac, I_U0re oraz uzwojenia pomocniczego I_Z0ac, I_Z0re z zależności:

Prąd I₀ jest sumą geometryczną prądów I_U0 i I_Z0

4.4. Charakterystyki biegu jałowego:

5. Pomiar parametrów przy stanie zwarcia.

5.1. Schemat pomiarowy.

Rys. 2. Schemat układu do pomiaru w stanie zwarcia silników indukcyjnych jednofazowych z kondensatorową fazą rozruchową.

5.2. Tabela nr2.

U[V]	IUK­ [A]	IZK [A]	IS [A]	PUK [W]	PZK [W]	UCK [V]	PK [W]	cos ϕ
84	3,5	0,5	3,25	240	7,5	90	247,5	0,907
76	3	1	2,8	180	7,5	80	187,5	0,881
64	2,5	1	2,35	130	5	60	135	0,898
52	2	0	1,9	85	5	57	90	0,911
40	1,5	0	1,4	50	2,5	43	52,5	0,937
24	1	0	1,35	20	2,5	27	22,5	0,694
10	0,5	0	0,75	5	2,5	13	7,5	1

5.3. Wykres fazowy prądów stanu zwarcia silnika indukcyjnego jednofazowego z pomocniczą fazą kondensatorową.

By móc narysować powyższy wykres fazowy niezbędne jest wyliczenie składowych czynnych i biernych prądów uzwojenia głównego I_Ukac, I_Ukre oraz uzwojenia pomocniczego I_Zkac, I_Zkre z zależności:

Prąd I_k jest sumą geometryczną prądów I_Uk i I_Zk

5.4. Charakterystyki stanu zwarcia:

6. Pomiar parametrów przy próbie obciążenia.

6.1. Schemat pomiarowy.

Rys. 3. Schemat układu do wykonania próby obciążenia silnika indukcyjnego jednofazowego z pomocniczą fazą kondensatorową.

6.2. Tabela nr3.

U [V]	[A]	[A]	[A]	[W]	[W]	[V]	[W]	cos ϕ	α	M [Nm]	rd/s	[W]	η [%]	S [%]
220	2,5	1,5	3,1	330	280	380	610	0,894	72°	0,261	294,4	76,83	12,60	-87,5
220	2,5	1,5	3	305	280	380	585	0,886	69°	0,256	295,8	75,71	12,94	-88,4
220	2,5	1,5	2,9	270	280	400	550	0,862	60°	0,238	297,3	70,76	12,87	-89,4
220	2,5	1,6	2,8	220	290	410	510	0,828	45°	0,194	300,1	58,23	11,42	-91,1
220	2,5	1,6	2,9	180	290	415	470	0,737	39°	0,173	301,8	52,21	11,11	-92,2
220	2,5	1,6	2,55	115	290	425	405	0,722	27°	0,125	304,8	38,10	9,41	-94,1
220	2,8	1,65	2,55	50	295	430	345	0,615	15°	0,071	307,9	21,86	6,34	-96,1
220	3,2	1,65	2,55	0	300	430	300	0,535	5°	0,024	310,6	7,45	2,49	-97,8
220	3,3	1,7	2,65	0	300	430	300	0,515	3°	0,014	311,4	4,36	1,45	-98,3

*

**

*Moment liczymy ze wzoru
, gdzie: masa - 0,2kg; długość - 0,14m;

**Pulsacja stojana jest liczona ze wzoru ω_s = 2πf, gdzie: liczba par biegunów p = 2;

6. Pomiar parametrów przy próbie obciążenia.

6.1. Schemat pomiarowy.

Rys. 3. Schemat układu do wykonania próby obciążenia silnika indukcyjnego jednofazowego z pomocniczą fazą kondensatorową.

6.2. Tabela nr3.

U [V]	[A]	[A]	[A]	[W]	[W]	[V]	[W]	cos ϕ	α	M [Nm]	rd/s	[W]	η [%]	S [%]
220	2,5	1,5	3,1	330	280	380	610	0,894	72°	0,261	294,4	76,83	12,60	6,3
220	2,5	1,5	3	305	280	380	585	0,886	69°	0,256	295,8	75,71	12,94	5,8
220	2,5	1,5	2,9	270	280	400	550	0,862	60°	0,238	297,3	70,76	12,87	5,4
220	2,5	1,6	2,8	220	290	410	510	0,828	45°	0,194	300,1	58,23	11,42	4,5
220	2,5	1,6	2,9	180	290	415	470	0,737	39°	0,173	301,8	52,21	11,11	3,9
220	2,5	1,6	2,55	115	290	425	405	0,722	27°	0,125	304,8	38,10	9,41	3
220	2,8	1,65	2,55	50	295	430	345	0,615	15°	0,071	307,9	21,86	6,34	2
220	3,2	1,65	2,55	0	300	430	300	0,535	5°	0,024	310,6	7,45	2,49	1,1
220	3,3	1,7	2,65	0	300	430	300	0,515	3°	0,014	311,4	4,36	1,45	0,9

*

**

*Moment liczymy ze wzoru
, gdzie: masa - 0,2kg; długość - 0,14m;

**Pulsacja stojana jest liczona ze wzoru ω_s = 2πf, gdzie: liczba par biegunów p = 1;

6.3. Wykres fazowy prądów obciążenia silnika indukcyjnego jednofazowego z pomocniczą fazą kondensatorową.

By móc narysować powyższy wykres fazowy niezbędne jest wyliczenie składowych czynnych i biernych prądów uzwojenia głównego I_Uac, I_Ure oraz uzwojenia pomocniczego I_Zac, I_Zre z zależności:

Prąd I_S jest sumą geometryczną prądów I_U i I_Z

6.4. Charakterystyki obciążenia silnika indukcyjnego 1-fazowego z pomocniczą fazą kondensatorową:

7. Porównanie wartości katalogowych silnika indukcyjnego z wartościami pomiarowymi:

Wymagania dotyczące sprawności współczynnika mocy i poślizgu silnika indukcyjnego jednofazowego zawarte są w normie PN-88/E-06701 i określają dopuszczalne odchyłki gwarantowanych przez producenta wartości sprawności współczynnika mocy i poślizgu. Najmniejsza dopuszczalna wartość sprawności przy obciążeniu znamionowym

Najmniejsza dopuszczalna wartość współczynnika mocy przy obciążeniu znamionowym

7. Porównanie wartości katalogowych silnika indukcyjnego z wartościami pomiarowymi:

Wymagania dotyczące sprawności współczynnika mocy i poślizgu silnika indukcyjnego jednofazowego zawarte są w normie PN-88/E-06701 i określają dopuszczalne odchyłki gwarantowanych przez producenta wartości sprawności współczynnika mocy i poślizgu. Najmniejsza dopuszczalna wartość sprawności przy obciążeniu znamionowym

Najmniejsza dopuszczalna wartość współczynnika mocy przy obciążeniu znamionowym

8. Wnioski

Silnik indukcyjny jednofazowy posiada wirnik o uzwojeniu klatkowym, oraz stojan o uzwojeniu jednofazowym. Prąd pomiarowy przepływający przez uzwojenia stojana wytwarza pole oscylujące, które charakteryzuje się tym, że jest rozłożone na obwodzie w przybliżeniu sinusoidalnie oraz że zmienia się sinusoidalnie w czasie.

Wirnik znajduje się pod działaniem dwóch pól, z których każde wytwarza własny moment obrotowy. Przy prędkości n pole współbieżne daje moment napędzającym, a pole przeciwbieżne moment hamujący. Z przebiegu momentu wypadkowego wynika, że początkowy moment rozruchowy jest równy zeru, silnik więc nie dokona rozruchu w stanie jałowym.

Brak początkowego momentu rozruchowego jest podstawową wadą silnika jednofazowego. Dla wytworzenia takiego momentu rozruchowego konieczne jest, aby przy rozruchu pole nie było polem pulsującym, lecz wirującym. Pole eliptyczne, a w szczególnym przypadku kołowe, można wytworzyć przez odpowiednie zasilanie prądem uzwojenia rozruchowego umieszczonego w żłobku stojana, ale przesuniętego względem uzwojenia głównego o kąt π/2. Po dokonaniu rozruchu należy uzwojenie rozruchowe rozewrzeć, gdyż z reguły jest ono obliczone na krótkotrwałe obciążenie. Zwykle przerywanie obwodu fazy rozruchowej wykonuje się osadzonym na wale silnika wyłącznikiem odśrodkowym. Dla uzyskania większej wartości momentu obrotowego w obwód uzwojenia rozruchowego włącza się kondensator, co daje większe przesunięcie fazowe między prądami obu uzwojeń. W ćwiczeniu uzwojenie pomocnicze z włączonym szeregowo kondensatorem jest załączone tak jak uzwojenie główne zarówno przy rozruchu jak i podczas pracy.

Badany silnik ma dość niską sprawność wynikającą z przebiegu momentu wypadkowego. Początkowy moment rozruchowy jest równy zeru, silnik więc nie dokona rozruchu nawet w stanie jałowym, gdy jednak nada się silnikowi pewną początkową prędkość w dowolnym kierunku, to osiągnie on prędkość podsynchroniczną, jeżeli tylko przy tej początkowej prędkości moment silnika jest większy od momentu obciążenia. Przy prędkości bliskiej synchronicznej pole przeciwbieżne indukuje napięcie i prąd o częstotliwości napięcia zasilającego. Skutkiem tego powstają zmienne straty w uzwojeniach i w rdzeniu wirnika, silnik ma więc niską sprawność.

Przy obliczaniu rezystancji uzwojeń wykorzystana została metoda techniczna, która nie jest metodą dokładną, ale daje pewne przybliżone pojęcie o wartości rezystancji.

Wraz ze wzrostem obciążenia wzrasta prąd w uzwojeniu głównym. Rośnie także znacznie moc pobierana przez uzwojenie główne silnika, maleje zaś napięcie na kondensatorze w fazie pomocniczej.

W kwestii obliczeń problem stanowił poślizg. Jednak po porównaniu w literaturą (Plamitzer, Maszyny Elektryczne) i po przeprowadzeniu kilku obliczeń na podstawie wzorów (
), doszedłem do wniosków że moje obliczenia są całkowicie poprawne (kwestia matematyczna).

WYKAZ LITERATURY

[1] Jerzy Hickiewicz i inni: Laboratowium Maszyn Elektrycznych. Opole, 1997.

[2] Plamitzer.: Maszyny Elektryczne.

---