Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

Maszyny Asynchroniczne (Indukcyjne) Zadanie 2

Dany jest silnik asynchroniczny o następujących danych znamionowych: moc

znamionowa

P = 100 kW,

N

napięcie znamionowe

U

= 380 V,

sN

układ połączeń trójkąt (Δ),

częstotliwość znamionowa

f = 50 Hz,

N

znamionowy

współczynnik mocy

cos ϕ =

89

,

0

,

N

znamionowa

sprawność

η =

8

,

93 %,

N

prędkość obrotowa, znamionowa n = 985 obr/min,

N

znamionowa

przeciążalność momentem

m

= 1

,

2 .

bN

Obliczyć:

Dla znamionowych warunków zasilania i obciążenia: 1. moce pobierane z sieci: czynną, pozorną i bierną; 2. prąd pobierany z sieci oraz prąd fazowy uzwojenia stojana; 3. poślizg krytyczny i moment krytyczny, 4. moment

rozruchowy.

Dla znamionowych warunków zasilania i uzwojeń skojarzonych w gwiazdę (Y): 5. poślizg krytyczny, moment krytyczny i moment rozruchowy.

Moment krytyczny, poślizg krytyczny, moment rozruchowy oraz prędkość obrotową dla następujących warunków zasilania i obciążenia: 6. U = U , f = f , M = 5

,

0 ⋅ M ;

s

sN

N

N

7. U = U , f = 8

,

0 ⋅ f , M = M ;

s

sN

N

N

8. U = 8

,

0 ⋅ U , f = f , M = M ; s

sN

N

N

9. U = 8

,

0 ⋅ U , f =

8

,

0 ⋅ f , M = M .

s

sN

N

N

Przy zasilaniu napięciem U = U z częstotliwością f = 2 ⋅ f s

sN

N

10. moment obrotowy jakim można maksymalnie obciążyć silnik, przeciążalność momentem oraz prędkość obrotową.

Uwaga: w obliczeniach pominąć rezystancję uzwojenia stojana, współczynnik Heyland’a oraz straty mechaniczne

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 1

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

Rozwiązanie:

Ad. 1 U = U , f = f , M = M

s

sN

N

N

moc czynna pobierana z sieci

P

100 ⋅103

P

N

=

=

=

6

,

106 kW

inN

η

938

,

0

N

moc pozorna pobierana z sieci P

6

,

106 ⋅103

S

inN

=

=

=

8

,

119 kVA

N

cos ϕ

89

,

0

N

moc bierna pobierana z sieci

2

2

Q

= S2 − P2 =

⋅

−

⋅

=

kvar

inN

N

inN

( 8,

119

103 )

( 6,

106

103 )

67

,

54

Ad. 2 U = U , f = f , M = M

s

sN

N

N

prąd pobierany z sieci

S

8

,

119 ⋅103

I

N

=

=

= 182 A

sN

3 ⋅ U

3 ⋅ 380

sN

prąd fazowy uzwojenia stojana I

182

I

sN

=

=

=105 A

sphN

3

3

Ad. 3 U = U , f = f , M = M

s

sN

N

N

poślizg znamionowy

n − n

1000 − 985

s

s

N

=

=

= ,

0 015

N

n

1000

s

poślizg krytyczny

s

= s ⋅

+

− =

⋅

+

− =

bN

N

(m m2 1

bN

bN

) 015

,

0

( 1,2 1,22 1) 0592

,

0

moment znamionowy

P

P ⋅ 60

100 ⋅103 ⋅ 60

M

N

N

=

=

=

=

5

,

969 Nm

N

ω

2 ⋅ π ⋅ n

2 ⋅ π ⋅ 985

N

N

moment krytyczny (maksymalny, utyku) M

= M ⋅m =

5

,

969 ⋅ 1

,

2 = 2036 Nm

bN

n

bN

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 2

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

Ad. 4 U = U , f = f , M = M

s

sN

N

N

moment rozruchowy

2 ⋅ M

2 ⋅ 2036

M

bN

=

=

=

,

240 2 Nm

1N

1

1

+ s

+ ,

0 0592

s

bN

,

0 0592

bN

Ad. 5 U = U , f = f , uzwojenia skojarzone w gwiazdę (Y) s

sN

N

napięcie fazowe uzwojenia stojana U

380

U

sN

=

=

sph

3

3

poślizg krytyczny

R rs

s =

b

X

+ X

s

σ

rs

σ

nie zależy od napięcia, stąd

s = s

= 0592

,

0

b

bN

moment krytyczny

m

1

s

2

M =

⋅ U ⋅

b

sph

2 ⋅ π ⋅ n

2 ⋅ X

+ X

s

( sσ

rs

σ )

zależy w kwadracie od napięcia fazowego, stąd 2

M

⎛ U

⎞

sph

b

= ⎜

⎟

M

⎜ U

⎟

bN

⎝ sphN ⎠

więc:

2

2

⎛ U

⎞

⎛

⎞

sph

U

M

2036

M = M

⋅⎜

⎟ = M

sN

bN

⋅⎜

⎟ =

=

=

,

678 7 Nm

b

bN

⎜

⎟

⎜

⎟

U

bN

⋅

⎝ sphN

3 U

3

3

⎠

⎝

sN ⎠

moment rozruchowy

2 ⋅ Mb

M =

1

1 + sb

sb

zależy w kwadracie od napięcia fazowego, podobnie jak moment krytyczny, stąd 2

M

⎛ U

⎞

sph

1

= ⎜

⎟

M

⎜ U

⎟

1N

⎝ sphN ⎠

więc:

2

2

⎛ U

⎞

⎛

⎞

sph

U

M

,

240 2

M = M

⋅⎜

⎟ = M

sN

1N

⋅⎜

⎟ =

=

= ,

80 07 Nm

1

1N

⎜

⎟

⎜

⎟

U

1N

⋅

⎝ sphN

3 U

3

3

⎠

⎝

sN ⎠

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 3

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

Ad. 6 U = U , f = f , M = 5

,

0 ⋅ M

s

sN

N

N

moment krytyczny

M = M

= 2036 Nm

b

bN

poślizg krytyczny

s = s

= 0592

,

0

b

bN

moment rozruchowy

M = M

=

,

240 2 Nm

1

1N

ze względu na inny moment obciążenia ulegnie zmianie przeciążalności momentem M

M

m

1

,

2

m

b

bN

bN

=

=

=

=

= ,

4 2

M

5

,

0 ⋅ M

5

,

0

5

,

0

N

stąd poślizg przy obciążeniu momentem M = 5

,

0 ⋅ M

N

2

⎛

⎞

⎜

⎛

⎞

⎟

s = s ⋅

−

− =

⋅

− ⎜

⎟ −

=

⋅

−

− =

b

(m m2 1)

m

m

s

bN

bN

1

0592

,

0

bN

( ,42 ,422 1) 00715

,

0

⎜⎜ 5

,

0

⎝ 5

,

0

⎠

⎟⎟

⎝

⎠

prędkość obrotowa

n = n ⋅

− =

⋅ −

=

obr/min

s

(1 s) 1000 (1

)

00715

,

0

9

,

992

Ad. 7 U = U , f = 8

,

0 ⋅ f , M = M

s

sN

N

N

moment krytyczny

m

1

s

2

M =

⋅ U ⋅

b

sph

2 ⋅ π ⋅ n

2 ⋅ X

+ X

s

( sσ

rs

σ )

zależy odwrotnie w kwadracie od częstotliwości, stąd 2

M

⎛ f ⎞

b

N

= ⎜

⎟

M

⎝ f ⎠

bN

więc:

2

2

⎛ f ⎞

⎛ f

⎞

M

2036

M = M

N

⋅⎜ ⎟ = M

N

bN

⋅

=

=

= 3181 Nm

b

bN

⎜⎜

⎟⎟

⎝ f

bN

⎠

8

,

0 ⋅ f

8

,

0 2

64

,

0

⎝

N ⎠

poślizg krytyczny

R rs

s =

b

X

+ X

s

σ

rs

σ

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 4

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

zależy odwrotnie proporcjonalnie od częstotliwości, stąd s

f

b

N

=

s

f

bN

więc:

f

f

s

0592

,

0

s = s

N

⋅

= s

N

bN

⋅

=

=

= 074

,

0

b

bN

f

bN

8

,

0 ⋅ f

8

,

0

8

,

0

N

moment rozruchowy

2 ⋅ M

2 ⋅ 3181

M

b

=

=

=

,

468 2 Nm

1

1

1

+ s

+ ,

0 074

s

b

,

0 074

b

przeciążalności momentem

M

3181

m

b

=

=

= ,

3 28

M

5

,

969

N

stąd poślizg

s = s ⋅

−

− =

⋅

−

− =

b

(m m2 1) 074

,

0

( ,328 ,3282 1) 01156

,

0

prędkość synchroniczna

f ⋅ 60

8

,

0 ⋅ f ⋅ 60

8

,

0 ⋅ 50 ⋅ 60

n

N

=

=

=

= 800 obr/s

s

p

p

3

stąd prędkość obrotowa

n = n ⋅

− =

⋅ −

=

obr/min

s

(1 s) 800 (1 01156

,

0

)

8

,

790

Ad. 8 U = 8

,

0 ⋅ U , f = f , M = M

s

sN

N

N

moment krytyczny

2

2

⎛ U

⎞

⎛

⋅

⎞

sph

8

,

0

U

M = M

⋅⎜

⎟ = M

sN

⋅

= M ⋅ 8

,

0 2 = 2036 ⋅ ,

0 64 = 1303 Nm

b

bN

⎜

⎟

⎜⎜

⎟⎟

U

bN

U

bN

⎝ sphN ⎠

⎝

sN

⎠

poślizg krytyczny nie zależy od napięcia, stąd s = s

= 0592

,

0

b

bN

moment rozruchowy

2

2

⎛ U

⎞

⎛

⋅

⎞

sph

8

,

0

U

M = M

⋅⎜

⎟ = M

sN

⋅

= M ⋅ 8

,

0 2 =

,

240 2 ⋅ ,

0 64 =

,

153 7 Nm

1

1N

⎜

⎟

⎜⎜

⎟⎟

U

1N

U

1N

⎝ sphN ⎠

⎝

sN

⎠

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 5

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

przeciążalności momentem

M

1303

m

b

=

=

= 344

,

1

M

5

,

969

N

stąd poślizg

s = s ⋅

−

− =

⋅

−

− =

b

(m m2 1) ,00592 ( 344

,

1

344

,

1

2

1)

,

0 0264

prędkość obrotowa

n = n ⋅

− =

⋅ −

=

obr/min

s

(1 s) 1000 (1 0264

,

0

)

6

,

973

Ad. 9 U = 8

,

0 ⋅ U , f = 8

,

0 ⋅ f , M = M

s

sN

N

N

moment krytyczny

2

2

⎛ U

2

⎞ ⎛ ⎞

⎛

⋅

⎞

sph

f

8

,

0

U

f

M = M

N

⋅⎜

⎟ ⋅⎜ ⎟ = M

sN

N

⋅

⋅

= M = 2036 Nm

b

bN

⎜

⎟

⎜⎜

⎟⎟

U

⎝ f

bN

⎠

U

8

,

0 ⋅ f

bN

⎝ sphN ⎠

⎝

sN

N ⎠

poślizg krytyczny

f

f

s

0592

,

0

s = s

N

⋅

= s

N

bN

⋅

=

=

= 074

,

0

b

bN

f

bN

8

,

0 ⋅ f

8

,

0

8

,

0

N

moment rozruchowy

2 ⋅ M

2 ⋅ 2036

M

bN

=

=

=

7

,

299

Nm

1

1

1

+ s

+ 074

,

0

s

b

074

,

0

b

przeciążalności momentem

M

m

bN

=

= m = 1

,

2

M

bN

N

poślizg

s = s ⋅

−

− =

⋅

−

− =

b

(m

m2

1

bN

bN

) ,0074 ( 1,2 1,22 1) ,00188

prędkość synchroniczna

f ⋅ 60

8

,

0 ⋅ f ⋅ 60

8

,

0 ⋅ 50 ⋅ 60

n

N

=

=

=

= 800 obr/s

s

p

p

3

stąd prędkość obrotowa

n = n ⋅

− =

⋅ −

=

obr/min

s

(1 s) 800 (1

)

0188

,

0

785

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 6

Instytut Mechatroniki i Systemów Informatycznych do użytku wewnętrznego

Ad. 10 regulacja obciążenia dla częstotliwości większych od częstotliwości znamionowej, przy stałym napięciu U = U , przebiega przy zachowaniu stałej mocy.

s

sN

Przyjmując, że

f

n ≈ n ⋅

N

fN

maksymalny moment obciążenia

P ⋅ 60

P ⋅ 60

f

f

M

N

N

N

=

=

⋅

= M

N

⋅

max

2 ⋅ π ⋅ n

2 ⋅ π ⋅ n

f

N

f

N

stąd dla f = 2 ⋅ f maksymalny moment obciążenia: N

f

f

M

5

,

969

M

= M

N

⋅

= M

N

N

⋅

=

=

=

7

,

484 Nm

max

N

f

N

2 ⋅ f

2

2

N

moment krytyczny

2

2

⎛ f ⎞

⎛ f

⎞

M

2036

M = M

N

⋅⎜

⎟ = M

N

bN

⋅

=

=

= 509 Nm

b

bN

⎜⎜

⎟⎟

⎝ f

bN

⎠

2 ⋅ f

22

4

⎝

N ⎠

poślizg krytyczny

f

f

s

0592

,

0

s = s

N

⋅

= s

N

bN

⋅

=

=

= 0296

,

0

b

bN

f

bN

2 ⋅ f

2

2

N

przeciążalności momentem

M

509

m

b

=

=

= 05

,

1

M

7

,

484

poślizg

s = s ⋅

−

− =

⋅

−

− =

b

(m m2 1) ,00296 (,105 05,

1

2

1)

,

0 0216

prędkość synchroniczna

f ⋅ 60

2 ⋅ f ⋅ 60

2 ⋅ 50 ⋅ 60

n

N

=

=

=

= 2000 obr/s

s

p

p

3

prędkość obrotowa

n = n ⋅

− =

⋅ −

=

obr/min

s

(1 s) 2000 (1 0216

,

0

) 1957

Zredagował dr inż. Witold Kubiak - na podstawie materiałów własnych Instytutu 7