I. Cel ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zapoznanie się z zasadą działania, budową oraz właściwościami trójfazowych silników asynchronicznych, a także wyznaczenie charakterystyk pracy i obserwacja zmian jakie wywoła zmiana oporu dodatkowego.

II. Podstawy teoretyczne.

Silniki trójfazowe prądu przemiennego asynchroniczne można podzielić na: silniki klatkowe i silniki pierścieniowe. Silnik asynchroniczny pierścieniowy posiada obwód magnetyczny wykonany z cienkich blach stalowych, izolowanych od siebie w celu zmniejszenia strat związanych z występowaniem prądów wirowych. W żłobkach stojana uzwojenia przesunięte są względem siebie o 120 stopni. Końca uzwojeń wyprowadzone są na zewnątrz tak by można było maszynę połączyć w gwiazdę lub w trójkąt.

Rys.1. Uzwojenie stojana: a) rozmieszczenie uzwojenia, b) tabliczka zaciskowa przy połączeniu w ,

c) tabliczka zaciskowa przy połączeniu w Δ

Wirnik posiada także uzwojenie trójfazowe - prętowe lub zwojnicowe o końcach podłączonych do pierścieni ślizgowych, które poprzez szczotki umożliwiają przyłączenie zewnętrznego obwodu dla rozruchu, hamowania a także regulacji prędkości. Uzwojenia wirników połączone są najczęściej w gwiazdę. Często wirnik posiada urządzenie podnoszące szczotki i zwierające pierścienie po zakończeniu rozruchu - uzyskuje się wtedy silnik pierścieniowy pracujący jak klatkowy.

Jeżeli układ trzech cewek w przestrzeni jedno względem drugiego zasilany jest prądem trójfazowym symetrycznym, czyli przesuniętym fazowo co 120 stopni, to pomijając nieliniowość spowodowaną nasycaniem układu uzyskamy strumienie magnetyczne sinusoidalne przesunięte względem siebie w czasie tak jak fazy zasilające. Na rys.3. przedstawiono powstawanie strumieni magnetycznych w silniku pierścieniowym.

Rys.3. Pole magnetyczne wirujące w stojanie silnika trójfazowego: a) trzy cewki w układzie symetrycznym zasilane symetrycznym prądem trójfazowym, b) wykres wektorowy indukcji pola magnetycznego

.

Składowe skalarne x oraz y tego wektora wypadkowego są następujące:

Zatem w każdej chwili czasu t współrzędne wektora wypadkowego indukcji magnetycznej spełniają równanie okręgu :

Wypadkowe pole magnetyczne układu trzech cewek, rozmieszczonych w przestrzeni jedna względem drugiej o kąt 120⁰ i zasilanych symetrycznym prądem trójfazowym, jest polem wirującym kołowym, którego wektor indukcji o amplitudzie wiruje z prędkością kątową ω.

Prędkość obrotowa pola wirującego, tzw. prędkość synchroniczna, zależy zatem od częstotliwości prądu w stojanie f₁ i liczby par biegunów uzwojenia stojana p :

Wirujące pole magnetyczne indukuje w uzwojeniu wirnika siłę elektromotoryczną E₂ = B l v
(v jest względną prędkością ruchu przewodu względem strumienia magnetycznego), która powoduje przepływ prądu w wirniku. Wskutek wzajemnego oddziaływania między tym prądem a wirującym polem magnetycznym powstaje siła mechaniczna F = B l I₂. Na każdą parę przewodów z prądem działa para sił F, tworząca moment obrotowy, starający się obrócić wirnik w kierunku wirowania pola magnetycznego. Moment ten jest różny od zera aż do chwili, w której prędkość obrotowa wirnika zrówna się z prędkością synchroniczną. Wtedy prędkość względna v=0 i przestają płynąć prądy indukowane w uzwojeniu wirnika. Aby zatem na wirnik działał moment obrotowy, musi się on obracać z prędkością mniejszą od synchronicznej, czyli asynchronicznie.

Różnicę między prędkością obrotową pola wirującego a prędkością n wirnika, odniesioną do prędkości synchronicznej n_s, nazywa się poślizgiem silnika asynchronicznego

Rys.4. Zakresy pracy maszyny asynchronicznej

Dla zatrzymanego wirnika (n=0) częstotliwość f₂ = f₁ =>
=>
.

Moment obrotowy wyrażany jest wzorem :

gdzie :

Dla pewnej wartości poślizgu zwanego poślizgiem krytycznym moment ma wartość maksymalną. Rozwiązując równanie
otrzymuje się
. Wtedy moment krytyczny wynosi :

Przy poślizgu s=1 (n=0) silnik rozwija moment rozruchowy :
.

Po przekształceniu otrzymuje się zależność zwaną wzorem Klossa :

Rys.6. Zależność M = f(n) maszyny asynchronicznej

Współczynnik
nazywany jest przeciążalnością mechaniczną (w praktyce od 1,7 * 3).

Właściwości silnika asynchronicznego określa się na podstawie tzw. charakterystyk roboczych otrzymywanych doświadczalnie z pomiarów w czasie prób obciążenia silnika. Są to zależności prędkości obrotowej n, prądu I₁,cosϕ₁, sprawności η oraz poślizgu s od użytecznej mocy mechanicznej oddawanej na wale silnika.

Rozruch silnika asynchronicznego pierścieniowego

Na rysunku 9 przestawiono charakterystyki rozruchowe :

Rys.9.Rozruch silnika asynchronicznego: a) schemat połączeń, b) zmiany momentu obrotowego, c) zmiany prądu wirnika

Regulacja prędkości obrotowej silnika asynchronicznego pierścieniowego

Sterowanie poprzez zmianę liczby par biegunów

Różne liczby par biegunów otrzymuje się przez przełączanie jednego uzwojenia lub przez zastosowanie kilku uzwojeń. W praktyce, ze względu na skomplikowaną konstrukcję maszyny, sposób ten stosowany jest stosunkowo rzadko.

Sterowanie częstotliwościowe (rys.10)

Sterowanie poprzez zmianę poślizgu

Prędkość wirowania pola magnetycznego nie ulega zmianie, zmienia się jedynie poślizg wirnika względem pola magnetycznego. Zmianę poślizgu uzyskuje się dwoma sposobami: zmieniając napięcie zasilające stojan oraz zmieniając rezystancję lub reaktancję w obwodzie wirnika.

3.5.3. Hamowanie silnika asynchronicznego pierścieniowego

Hamowanie nadsynchroniczne (prądnicowe)

Pracę prądnicową silnika można uzyskać przez zmniejszenie częstotliwości zasilania przy potencjalnym momencie obciążenia oraz przez przełączenie liczby biegunów na większą ich liczbę.

Hamowanie przeciwprądowe (rys.11)

IV. Układ pomiarowy i dane znamionowe

Wykorzystany układ pomiarowy do badania silników asynchronicznych składa się z prądnicy prądu stałego obcowzbudnej, która jest połączona poprzez sprzęgło z badanym silnikiem trójfazowym asynchronicznym (prądu przemiennego). Prędkość obrotowa wałów silnika i prądnicy jest mierzona za pośrednictwem prądnicy tachometrycznej sprzężonej z miernikiem wyskalowanym w obr/min. Mierzone są wartości prądu wzbudzenia, prądu prądnicy, napięcia wzbudnika, napięcia prądnicy, a także moce i prądy każdego z uzwojeń stojana silnika pierścieniowego. Moc silnika jest równa mocy użytecznej prądnicy (P=PG=IG*UG).

DANE ZNAMIONOWE :

SILNIK : PRĄDNICA :

U1 = 220/380 V Pn = 2,2 kW

I1 = 6,5/3,8 A In = 24,6 A

cos I = 0,74 Un = 110 V

P = 1,5 kW n = 1450 obr.min

n = 930 obr/min

U2 = 10-60 V

I2 = 1-16 A

R1 = 3,12 Ohma

X1 = 14,3 Ohma

R2 = 1,0 Ohma

X2 = 2,7 Ohma

V. Obliczenia wartości znamionowych / stałych

Prędkość synchroniczna :

założenia : p - ilość biegunów równa 3 , f1 - częstotliwość zasilania (techniczna) równa 50 Hz

Poślizg znamionowy :

Moc pozorna pobierana z sieci :

Znamionowa moc czynna :

Przesunięcie fazowe :

Znamionowa moc bierna :

Moment znamionowy :

Sprawność znamionowa :

Analiza układu bez rezystora dodatkowego w obwodach wirnika

Wyniki pomiarów przy zmiennej wartości oporu (mocy prądnicy) :

PA [W]	PB [W]	PC [W]	IA [A]	IB [A]	IC [A]	n [obr/min]	IG [A]	UG [A]	IW [A]	UW [V]
99	97	98	3,2	3,1	3,05	820	17,5	50	0,84	94
97	94,5	96	3,2	3,1	3,05	840	17,5	48,5	0,81	92
88,5	86,5	88	3	2,97	2,95	860	17	47	0,7	81
79	77	78	2,82	2,82	2,8	880	16	44	0,6	70
67	65	65,5	2,62	2,62	2,6	865	14,75	41	0,50	58
52	50	50	2,25	2,23	2,2	920	12,75	35	0,38	44
37	34	34,5	2,25	2,15	2,12	945	10	27,5	0,27	31
20	17,5	18,5	2,12	2,10	2,08	980	6	15	0,12	15,5
14	12	13	2,12	2,09	2,07	995	4,5	7	0,04	6
13	10	12	2,12	2,09	2,07	995	1,5	1,5	0,00	0

Moc oddana (moc użyteczna) :
/i-nr pomiaru i=1:10 PWi=PGi

Obliczanie :
(rozkład niesymetryczny mocy uzwojeń)

Sprawność :

Moment :

Poślizg :

WNIOSKI

Silniki asynchroniczne prądu przemiennego ze względu na łatwość sterowania są jednym z podstawowych napędów stosowanych w budowie maszyn i urządzeń. Sterowanie to może odbywać się poprzez zmianę poślizgu, zmianę częstotliwości zasilania a także przez zmianę oporu dodatkowego w obwodach wirnika.

Zmniejszając opór dodatkowy w obwodach wirnika silników asynchronicznych pierścieniowych polepszamy ich charakterystyki robocze i mechaniczne. Uważać należy jednak na wartość prądu rozruchowego, która rośnie wraz ze zmniejszaniem oporu uzwojeń wirnika. Należy wiedzieć bowiem, że prądy rozruchowe są kilka razy większe od prądów znamionowych. Nadmierny wzrost prądu wiąże się z możliwością uszkodzenia instalacji zasilającej (gdy nie będzie przystosowana do przenoszenia dużych prądów - technicznie przyjmuje się 1 mm² przewodu na 2A prądu przepływającego) a także z możliwością uszkodzenia przyrządów pomiarowych rejestrujących pobór mocy silnika podczas rozruchu.

Podczas ćwiczenia porównywano ze sobą charakterystyki silnika pierścieniowego z podwójnym oporem dodatkowym w obwodach wirnika, z pojedynczym oporem i bez oporu - podniesienie szczotek i zwarcie uzwojeń. Gdy rezystancja obwodu wirnika wynika tylko z impedancji uzwojeń (brak oporu dodatkowego) przy zwartych uzwojeniach uzyskujemy pracę silnika pierścieniowego taką jak dla silników klatkowych zwartych.

Prędkość obrotowa biegu jałowego silnika bez dodatkowego oporu w obwodzie wirnika jest równa prędkości synchronicznej - poślizg równy 0. Przy dołożeniu oporu dodatkowego poślizg biegu jałowego wzrasta do 0,02 - prędkość maleje. Wykres zależności poślizgu w funkcji poboru mocy PW pokazuje iż zmniejszenie oporu dodatkowego uzwojeń wirnika zwiększa prędkość obrotową przy tym samym wydatku energetycznym, a tym samym zmniejsza poślizg. Dla PW = 400 W poślizg silnika z podwójnym oporem jest blisko 7 razy większy niż przy zwarciu uzwojeń bez oporu dodatkowego.

Przy zmianie oporu dodatkowego uzyskujemy także zmianę stromości charakterystyki momentu w funkcji obrotów. Przy pracy silnika bez oporu dodatkowego Uzyskujemy o wiele większy moment niż przy pracy z podwójnym oporem dodatkowym dla tych samych obrotów. Uzyskany wykres M=f(n) jest częścią stateczną pracy silnikowej maszyny asynchronicznej.

Zmniejszenie rezystancji obwodów wirnika zwiększa także sprawność silnika przy tym samym wydatku mocy. Jest to związane ze zwiększeniem cosinusa fi wraz ze zmniejszaniem oporu uzwojeń wirnika. Zwiększenie cos fi powoduje zmianę charakterystyki odbiornika w kierunku tylko rezystancyjnej. Wiąże się to z mniejszym poborem prądu, a co za tym idzie ze zmniejszeniem strat mocy, strat przesyłowych oraz z możliwością zmniejszenia przekrojów przewodów zasilających.

Jak widać charakter wzrostu sprawności w funkcji poboru mocy ma charakter paraboliczny. Wynika z tego, że ważne jest przy doborze napędu, aby silnik pracował przy obciążeniu bliskim nominalnemu, gdyż uzyskuje wtedy największą sprawność.

Zmniejszenie oporu uzwojeń wirników silników prądu przemiennego asynchronicznych, pierścieniowych pozwala uzyskać także inne korzyści. Przede wszystkim identyczny współczynnik mocy cos fi uzyskujemy dla większych prędkości obrotowych, co pozwala na uzyskanie identycznego momentu dla większego poboru mocy (PW) , co pozwala na większe obciążanie silnika , gdyż uzyskujemy większą rezerwę mocy

Rys.2. Uzwojenie wirnika

Rys.5. Charakterystyka momentu elektromagnetycznego maszyny asynchronicznej w funkcji poślizgu

Rys.7. Charakterystyki robocze trójfazowego silnika asynchronicznego

Moment rozruchowy osiąga wartość maksymalną M_r = M_k, gdy s_k = 1, tzn. gdy R₂ + R_d = X₂₀ + X_d. Zachodzi to oczywiście przy prądzie maksymalnym I_2k (dla silników pierścieniowych I_2k/I₂₀ = 7 ÷ 8). Zadaniem rozrusznika jest ograniczenie tego prądu.

Rys.8.Układ rozrusznika oporowego

Rys.10. Charakterystyki mechaniczne przy zespolonym sterowaniu częstotliwością i napięciem

Rys.11. Charakterystyki hamowania przeciwprądowego silnika asynchronicznego

---