POLITECHNIKA POZNAŃSKA LABORATORIUM MASZYN ELEKTRYCZNYCH	Paweł Wojtalewicz
	WYDZIAŁ
	Elektryczny
PROWADZĄCY	ROK STUDIÓW
mgr inż. P. Łukaszewicz	II
Ćwiczenie odrobiono dnia:	Sprawozdanie oddano dnia:
28.11.2013r.	03.02.2014r.
NR	TEMAT ĆWICZENIA:
4.	Badanie 3-fazowego silnika indukcyjnego klatkowego.

1. Dane znamionowe badanego 3-fazowego silnika indukcyjnego klatkowego :

	Trójkąt Δ	Gwiazda Y
Un [V]	220	380
In [A]	4,9	2,8
Pn [kW]	1,1
cosφn	0,77
nn [obr./min]	1390
n1 [obr./min]	1500

II Schemat elektryczny:

Modyfikacje w kolejnych punktach przebiegu ćwiczenia:

1. Brak obciążenia momentem wału wirnika.

3. Przewody z wyjścia autotransformatora wchodzą na falownik, a z niego dopiero na uzwojenie stojana. Brak obciążenia momentem wału wirnika.

III Przebieg ćwiczenia:

1. Wyznaczanie wartości początkowych momentów i prądów rozruchowych przy bezpośrednich rozruchach w układach gwiazdy i trójkąta oraz przy zastosowaniu przełącznika Y/Δ (na podstawie prób zwarcia przy obniżonym napięciu sieci):

	U [V]	I [A]	M [Nm]
Δ	60	4,9	0,8
Y	60	1,6	0,2
Y	220	2,8	1,3

• Połączenie w Δ:

I_rpΔ - prąd rozruchowy (przewodowy) pobierany przez silnik połączony w trójkąt przy zasilaniu napięciem obniżonym:

I_rpΔ = 4,9A

I_rpΔn - prąd rozruchowy (przewodowy) pobierany przez silnik połączony w trójkąt przy zasilaniu napięciem nominalnym:

$I_{\text{rpΔn}} = I_{\text{rp}\Delta}\ \frac{U_{n}}{U_{\text{rp}\Delta}} = 4,9 \times \frac{220}{60} = 18\ \lbrack A\rbrack$

M_rΔ - moment rozruchowy silnika połączonego w trójkąt przy zasilaniu napięciem obniżonym:

M_rΔ = 0,8 Nm

M_rΔn - prąd rozruchowy (przewodowy) pobierany przez silnik połączony w trójkąt przy zasilaniu napięciem nominalnym:

$M_{\text{rpΔn}} = M_{r\Delta}\ \left( \frac{U_{n}}{U_{\text{rp}\Delta}} \right)^{2} = 0,8 \times \left( \frac{220}{60} \right)^{2} = 10,8\ \lbrack Nm\rbrack$

• Połączenie w Y:

I_pY - prąd rozruchowy (przewodowy) pobierany przez silnik połączony w trójkąt przy zasilaniu napięciem obniżonym:

I_rpY = 1,6 A

I_rpYn - prąd rozruchowy (przewodowy) pobierany przez silnik połączony w gwiazdę przy zasilaniu napięciem nominalnym:

$$I_{\text{rpYn}} = I_{\text{rpY}}\ \frac{U_{n}}{U_{\text{rp}Y}} = 1,6 \times \frac{380}{60} = 10,1\ \lbrack A\rbrack$$

M_rY - moment rozruchowy silnika połączonego w trójkąt

M_rY = 0,2 Nm

M_rYn - moment rozruchowy pobierany przez silnik połączony w gwiazdę przy zasilaniu napięciem nominalnym:

$M_{\text{rYn}} = M_{rY}\ \left( \frac{U_{n}}{U_{\text{rp}Y}} \right)^{2} = 0,2 \times \left( \frac{380}{60} \right)^{2} = 8\ \lbrack Nm\rbrack$

• Przełączenie Y w Δ:

I_pY = 2,8 A

U_pY = 220 V

M_Y = 1,3 Nm

1. Badanie wpływu ustawienia przełącznika Y/Δ na właściwości eksploatacyjne silnika. Wyznaczenie charakterystyk cosφ, ŋ, I, P_el, s = f(T).

Tabela z wynikami pomiarów i obliczeń:

Kolor ciemnoszary – pomiary, jasnoszary – wartości obliczone.

P1 [W]	P2 [W]	Pel [W]	I [A]	U [V]	cosϕ [-]	ϕ [°]	T [Nm]	n [obr/min]	Puż [W]	η [%]	s [%]
POŁĄCZENIE STOJANA W GWIAZDĘ
60	-60	0	0,8	220	0	90	0,5	1495	12,8	-	0,33
110	10	120	1	220	0,32	71,6	1,7	1455	42,3	35,2	3
170	85	255	1,4	220	0,48	61,4	2,6	1415	62,9	24,7	5,67
230	150	380	1,9	220	0,52	58,3	3,5	1380	82,6	21,7	8
300	225	525	2,5	220	0,55	56,6	4,4	1310	98,5	18,8	12,67
340	250	590	2,8	220	0,55	56,4	4,7	1280	102,8	17,4	14,67
POŁĄCZENIE STOJANA W TRÓJKĄT
250	-280	-30	3,3	220	-0,02	91,3	0,5	1495	12,8	-42,6	0,33
290	-180	110	3,3	220	0,09	85	1,7	1480	43	39,1	1,33
330	-90	240	3,4	220	0,19	79,3	2,7	1470	67,8	28,3	2
470	-20	450	3,6	220	0,33	70,9	3,5	1460	87,4	19,4	2,67
410	40	450	3,8	220	0,31	71,9	4,4	1450	109,1	24,2	3,33
430	70	500	3,9	220	0,34	70,3	4,9	1445	121	24,2	3,67
460	120	580	4	220	0,38	67,6	5,3	1440	130,4	22,5	4
525	220	745	4,5	220	0,43	64,2	6,5	1425	158,3	21,3	5
560	260	820	4,8	220	0,45	63,4	7	1415	169,3	20,6	5,67
590	290	880	4,9	220	0,47	61,9	7,5	1405	180,1	20,5	6,33

Wzory wykorzystane w obliczeniach i przykładowe obliczenie:

• Moc elektryczna:

P_el = P₁ + P₂

P_el = 590 + 290 = 880 [W]

• Moc użyteczna (mechaniczna):

$$P_{uz} = \frac{\text{Mn}}{0,975 \times 60}$$

$$P_{uz} = \frac{7,5 \times 1405}{0,975 \times 60} = 180,1\ \lbrack W\rbrack$$

• Sprawność:

$$= \frac{P_{uz}}{P_{\text{el}}}$$

$$= \frac{180,1}{880} = 0,205 = 20,5\ \lbrack\%\rbrack$$

• Poślizg:

$$s = \frac{n_{1} - n}{n_{1}}$$

$$s = \frac{1500 - 1405}{1500} = 0,0633 = 6,33\ \lbrack\%\rbrack$$

• Współczynnik mocy:

$$\cos = \frac{P_{\text{el}}}{\text{UI}\sqrt{3}}$$

$$\cos = \frac{880}{220 \times 4,9\sqrt{3}} = 0,47$$

Wykresy:

• I(T) – prąd przewodowy stojana w funkcji momentu obrotowego

• P_el(T) – moc elektryczna w funkcji momentu obrotowego

• cosφ(T) - współczynnik mocy w funkcji momentu obrotowego

• η(T) – sprawność w funkcji momentu obrotowego

• s(T) – poślizg w funkcji momentu obrotowego

1. Badanie podstawowych właściwości regulacji prędkości silnika przy zasilaniu napięciem o regulowanej częstotliwości.

Regulacji prędkości obrotowej silnika posłużył falownik, za pomocą którego można zmieniać częstotliwość napięcia prądu zasilającego uzwojenie stojana. Malejąca częstotliwość skutkuje proporcjonalnym spadkiem prędkości synchronicznej, zgodnie z zależnością:

$n_{1} = \frac{60f}{p}$.

Jednocześnie maleje też aktualna prędkość wirnika. Z tego względu, że maszyna elektryczna pracuje najkorzystniej przy znamionowym strumieniu magnetycznym, regulacji częstotliwościowej powinna towarzyszyć też zmiana napięcia, zgodnie z zależnością:

$$\frac{U}{f} = const.$$

A zatem w parze z malejącą częstotliwością idzie spadek napięcia prądu zasilającego stojan. Napięcie jest regulowane poprzez zmianę szerokości impulsów prostokątnych. Stały stosunek U/f powoduje, iż moment elektromagnetyczny również nie ulega zmianie:

$M = c\left( \frac{U}{f} \right)^{2}$.

Przy małych częstotliwościach zwiększa się rola rezystancji w stosunku do reaktancji, czyli zwiększa się rola spadków napięcia na rezystancji uzwojenia stojana. Oznacza to, że spadkowi częstotliwości i wartości napięcia zasilającego proporcjonalnej do częstotliwości, odpowiada malejący moment elektromagnetyczny.

Przebieg regulacji:

Uzwojenie stojana zostało połączone w gwiazdę. Rozpoczęto od napięcia znamionowego równego 380V i częstotliwości sieci energetycznej, czyli 50Hz. Wartość prądu ustaliła się szybko, natomiast napięcia – powoli. Następnie zmniejszono częstotliwość do 40Hz. Zaobserwowano zmniejszoną wartość napięcia oraz prędkości obrotowej wirnika. Moment pozostał jednak stały. Kolejnym krokiem było zmniejszenie częstotliwości do 20Hz – napięcie znowu spadło, prąd był zbliżony do prądu biegu jałowego. Przy 1Hz moment osiągnął wartość zerową.

IV Wnioski:

(1) Przełącznik Y/Δ służy redukcji prądu stojana, który podczas rozruchu 3-fazowego silnika indukcyjnego klatkowego osiąga duże wartości i może powodować powstanie dużych spadków napięć w sieci zasilającej. Zjawisko to ma niewątpliwie szkodliwy wpływ na pracę innych odbiorników włączonych do tej samej sieci. W pierwszym etapie rozruchu uzwojenie stojana jest połączone w gwiazdę, ustalona praca silnika odbywa się natomiast przy połączeniu w trójkąt. Prąd rozruchowy oraz moment rozruchowy są 3 razy mniejsze przy połączeniu w gwiazdę niż przy połączeniu w trójkąt.

W ćwiczeniu zmierzono trzykrotnie mniejszy prąd rozruchowy:

$$\frac{I_{\text{rpY}\ }}{I_{\text{rp}\Delta}} = \frac{4,9}{1,6} = 3,1$$

oraz czterokrotnie mniejszy moment rozruchowy:

$$\frac{M_{\text{rY}\ }}{M_{r\Delta}} = \frac{0,8}{0,2} = 4$$

dla połączenia w Y aniżeli w Δ. Po przeliczeniu na wartości znamionowe danych z próby zwarcia przy napięciu obniżonym okazało się, że prąd zwarciowy (przy zasilaniu napięciem nominalnym) dla Δ wynosiłby 18A, natomiast dla Y – 10,1A. Momenty rozruchowe wynosiłyby odpowiednio 10,8 oraz 8 Nm. Przełączenia Y w Δ dokonano w chwili, gdy silnik osiągnął obroty bliskie znamionowym. Zmierzone wartości dla Y wyniosły: napięcia międzyfazowego - 220V oraz prądu przewodowego - 2,8A. Była to odpowiednia chwila na przełączenie uzwojenia stojana w trójkąt, dla obrotów dużo mniejszych od znamionowych bowiem nastąpiłoby gwałtowniejsze uderzenie pobieranego prądu.

Mniejsze wartości prądów i momentów rozruchowych powodują, że przełącznikiem gwiazda-trójkąt można jedynie uruchamiać silniki klatkowe nieobciążone lub obciążone częściowo momentem nie przekraczającym 30% momentu znamionowego. Podczas wykonywania ćwiczenia wał wirnika nie był obciążony.

(2) Na podstawie wyznaczonych charakterystyk przy obciążeniu stwierdzam, iż dla niewielkich momentów obciążających wał wirnika korzystniejszą opcją jest połączenie uzwojenia stojana w gwiazdę. Oprócz mniejszych prądów przewodowych (istotnych podczas rozruchu) argumentem na plus jest również większa wartość współczynnika mocy dla takich samych momentów obciążających. Zwiększony cosφ powoduje, iż wzrasta udział mocy czynnej w mocy pozornej. Moc bierna nie jest natomiast w stanie przełożyć się na pracę mechaniczną. Charakterystyka mocy elektrycznej (czynnej) w funkcji rosnącego momentu mechanicznego P_el(T) jest zbliżona dla połączenia w trójkąt oraz gwiazdę z lekka przewagą dla Y. Jest to rezultat skompensowania mniejszych prądów przewodowych (przy stałym napięciu 220V) większą wartością współczynnika mocy. Połączenie w gwiazdę nie jest jednak pozbawione wad. Charakteryzuje się ono bowiem mniejszą sprawnością ze względu na mniejsze wartości prędkości wirnika w stosunku do Δ dla takich samych wartości obciążeń. Poślizg dla Y rośnie dużo szybciej niż dla Δ w funkcji momentu obciążającego.

(3) Regulacja częstotliwościowa prędkości obrotowej silnika za pomocą falownika wykazała, iż kontrola stałego stosunku U/f, implikującego stałą wartość strumienia magnetycznego, wiążącą się z najkorzystniejszym stanem pracy maszyny, jest utrudniona w zakresie niewielkich częstotliwości. Wzrost znaczenia rezystancji stojana przy proporcjonalnych zmianach napięcia pociąga za sobą rozwijanie niewielkich momentów, nie wystarczających do efektywnej pracy silnika. Przy 1Hz silnik przestał zupełnie rozwijać moment. Dlatego też przy małych częstotliwościach zadaje się napięcia większe niż wynikałoby to z jej liniowej zmienności.