Badanie trójfazowego silnika indukcyjnego

Badanie silnika indukcyjnego
1) Próba biegu jałowego silnika indukcyjnego
Badania przeprowadza się w układzie połączeń pokazanych na Rys.1.
Rys.1. Schemat połączeń do próby biegu jałowego silnika indukcyjnego.
W pierwszej kolejności zgodnie ze schematem pokazanym na Rys.1 należy wykonać
połączenia torów prądowych o napięciowych pomiędzy odłącznikiem napięcia zasilającego,
układem przetworników pomiarowych MI I i badanym silnikiem indukcyjnym. Zestaw
przewodów pomiarowych należy pobrać u laboranta.
Następnie należy załączyć komputer PC oraz zasilanie stołu laboratoryjnego. Logujemy
się jako użytkownik „labmasz”. Po zainstalowaniu się systemu operacyjnego załączamy
przetwornik analogowo-cyfrowy NI USB 6251, który zgłasza się komunikatem:
Okno komunikatu należy skasować
(Cancel). Następnie z poziomu pulpitu
wywołujemy aplikację „Silnik indukcyjny”
(pojawia się okno wirtualnego przyrządu
pomiarowego):
Elementy wirtualnego przyrządu do badania stanu jałowego transformatora:
1 – Okno woltomierza – pomiar napięcia przewodowego,
2 – Okno amperomierza – pomiar prądu fazowego silnika indukcyjnego,
Okna zostały powiększone w celu ułatwienia obserwacji z większej odległości.
Po prawej stronie prezentowane są wartości mocy czynnej poszczególnych faz silnika
indukcyjnego (PA, PB, PC), mocy pozornej S czynnej pobieranej przez silnik indukcyjny,
mocy czynnej pobieranej przez silnik indukcyjny P, współczynnika mocy (cosφ), mocy
mechanicznej P2, momentu mechanicznego M, sprawności ρ silnika indukcyjnego i prędkości
obrotowej wału.
3 – Okno oscyloskopu (przebiegi wartości chwilowej napięć fazowych silnika indukcyjnego).
W zakładce prezentowane jest widmo amplitudowe napięcia fazy A. Powyżej okna
prezentowane są wartości skuteczne średniego napięcia przewodowego Uśr i napięć fazowych
silnika indukcyjnego (UfA, UfB, UfC).
4 – Okno oscyloskopu (przebiegi wartości chwilowej prądów fazowych silnika indukcyjnego).
W zakładce prezentowane jest widmo amplitudowe prądu fazy A. Powyżej okna
prezentowane są wartości skuteczne średniego prądu fazowego Iśr i prądów fazowych silnika
indukcyjnego (IA, IB, IC).
5, 6, 7, 8 – Okna służące do prezentacji charakterystyk pomiarowych:
- Iśr = f(Uśr),
- P = f(Uśr),
- cosφ = f(Uśr),
- s = f(Uśr),
9 – Panel sterowania zapisem danych pomiarowych do pliku.
przycisk „Wszystko” – kasowanie wszystkich pomiarów,
przycisk „Ostatni” – kasowanie ostatniego pomiaru,
przycisk „Zapisz” – zapisywanie danych pomiarowych do pliku,
przycisk „STOP” – zatrzymanie pomiarów.
Napięcie regulowane (w zakresie Umin ~ 25V - Umax ~ 430V) podawane jest z regulatora
indukcyjnego. Należy zwrócić szczególną uwagę, aby w chwili rozpoczęcia jakichkolwiek
pomiarów napięcie regulatora ustawione było na wartość minimalną. Do oceny napięcia
międzyprzewodowego występującego na zaciskach regulatora służy woltomierz kontrolny.
Następnie załączamy układ przetworników pomiarowych MI I, zasilanie przetwornika
momentu i uruchamiamy przyrząd wirtualny (kliknięcie myszką w strzałkę „start” na pasku
górnym).
W dalszej kolejności zamykamy odłącznik regulatora indukcyjnego i załączamy regulator.
Rozruchu silnika indukcyjnego dokonujemy przy załączonej maksymalnej wartości rezystora
rozruchowego stopniowo zwiększając napięcie podawane na silnik indukcyjny aż do
osiągnięcia napięcia znamionowego i zwieramy rezystor rozruchowy (Rrozruchu = 0).
Rozpoczynamy pomiary. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia
napięcia przewodowego Uśr, prąd Iśr , moc czynna P i moc pozorna S, prędkość obrotowa n,
moment mechaniczny M) biegu jałowego silnika indukcyjnego zapisywane są do pliku
„pom1-jal.txt”.
Opracowanie wyników pomiaru.
Po przeniesieniu danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego należy obliczyć
współczynnik mocy biegu jałowego cosφ0, prąd czynny biegu jałowego I0w, prąd magnesujący
If, straty w uzwojeniu stojana Pu0, straty czynne jałowe P0 (suma strat uzwojeniu stojana i
strat mechanicznych), poślizg s0 oraz straty mechaniczne Pm (poprzez rozdzielenie strat w
rdzeniu PEe i strat mechanicznych Pm).
Wyznaczenie strat mechanicznych
Podczas przeprowadzanego eksperymentu prędkość obrotowa wirnika nie ulega zmianie,
można więc przyjąć, że straty mechaniczne Pm są stałe. Natomiast straty w rdzeniu PFe są
proporcjonalne do kwadratu indukcji a tym samym do kwadratu napięcia zasilającego. W
rezultacie otrzymujemy:
P0
Pm
PFe
k1 k2U 2 .
(1)
W celu rozdzielenia strat jałowych na straty w rdzeniu PFe i straty mechaniczne Pm ()czyli
wyznaczenia parametrów k1 i k2) należy zlinearyzować równanie (1) przez dokonanie
podstawienia z = U2 :
P0
k1 k2 z ,
a następnie skorzystać z regresji liniowej:
(2)
N
( P0 n
k2
P0 )( zn
z)
n 1
, k1
N
( zn
z)
P0 a z .
(3)
2
n 1
gdzie: N – ilość pomiarów,
1 N
P0
P0 n – wartość średnia strat jałowych,
N n1
1 N
z
zn – wartość średnia kwadratu napięcia zasilającego.
N n1
Następnie należy nanieść na wykresie zależność wyliczonych na podstawie pomiarów strat
jałowych P0 od kwadratu napięcia zasilającego silnik i wykreślić charakterystykę uzyskaną
metodą regresji liniowej (Rys.2). Wartość start mechanicznych jest równa wyliczonemu
wcześniej parametrowi k1, gdyż:
P0 |U
0
k1 k2 0
k1 .
(4)
Rys.2. Rozkład strat jałowych silnika indukcyjnego na straty mechaniczne Pm i straty w rdzeniu PFe.
Następnie na podstawie przeprowadzonych obliczeń należy wykreślić charakterystyki:
- P10 = f(Uśr),
- P0 = f(Uśr),
- Pm = f(Uśr),
- cosφ0 = f(Uśr),
- s0 = f(Uśr),
- I0 = f(Uśr),
- I0w1 = f(Uśr),
- If = f(Uśr),
oraz uzasadnić ich przebieg.
2) Próba zwarcia oraz wyznaczanie początkowego momentu rozruchowego
Badania przeprowadza się w układzie połączeń pokazanych na Rys.1.
Układ pomiarowy należy zmodyfikować. Za pomocą odpowiedniej zwory blokujemy wał
badanego silnika indukcyjnego.
Uruchomienie wirtualnego przyrządu przebiega identycznie jak w wypadku próby stanu
jałowego silnika indukcyjnego. W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję „Próba
zwarcia oraz wyznaczenie początkowego momentu rozruchowego”.
Okno wirtualnego przyrządu jest nieco zmodyfikowane z uwagi na zablokowanie wału
maszyny (zniknęły okienka prezentujące moc mechaniczną P2, sprawności ρ silnika
indukcyjnego i prędkości obrotową wału).
W oknach 5, 6, 7, 8 prezentowane są charakterystyki pomiarowe:
- Izśr = f(Uzśr),
- Pz = f(Uzśr),
- cosφz = f(Uzśr),
- M = f(Uzśr),
Pomiaru dokonujemy dla trzech wartości rezystora rozruchowego 4,8 Ω, 1,7Ω oraz 0Ω
(opornik rozruchowy zwarty) – przed dokonaniem pomiarów wybieramy w oknie wirtualnego
przyrządu odpowiednią opcję.
Uwaga! Z powodu zablokowania wału silnika (prędkość obrotowa n = 0) nie
występuje chłodzenie silnika. Pobrana moc elektryczna wydziela się w uzwojeniach
stojana i rezystorze rozruchowym. Pomiaru należy dokonać w jak najkrótszym czasie.
Zamykamy odłącznik regulatora indukcyjnego i załączamy regulator. Pomiaru
dokonujemy zwiększając napięcie zasilania silnika aż do wartości, przy której osiągnięty
zostanie prąd znamionowy silnika. Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość
średnia napięcia przewodowego Uzśr, prąd Izśr , moc czynna Pz i moc pozorna Sz i moment
rozruchowy M) próby zwarcia silnika indukcyjnego zapisywane są odpowiednio do plików
„pom2_zw_r48.txt, pom2_zw_r17.txt, pom2_zw_r0.txt”.
Opracowanie wyników pomiaru.
Po przeniesieniu danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego należy obliczyć
współczynnik mocy przy zwarciu cosφz, Impedancję zwarcia Zz, Rezystancję zwarcia Rz i
reaktancję zwarcia Xz. Następnie na podstawie przeprowadzonych obliczeń należy wykreślić
charakterystyki:
- Pz = f(Uzśr),
- Izśr = f(Uzśr),
- cosφz = f(Uzśr),
a także charakterystyki początkowego momentu rozruchowego:
- MRr0 = f(Uzśr),
- MRr1,7 = f(Uzśr),
- MRr4,8 = f(Uzśr),
oraz uzasadnić ich przebieg.
3) Próba obciążenia silnika indukcyjnego
Badania przeprowadza się w układzie połączeń pokazanych na Rys.1.
Wał badanego silnika indukcyjnego należy odblokować. Podczas próby silnik należy zasilić
napięciem znamionowym. Rozruchu silnika dokonujemy tak jak w wypadku badania biegu
jałowego. Obciążenie silnika regulujemy za pomocą prądu wzbudzenia prądnicy prądu
stałego G. Należy zwrócić uwagę, aby za pomocą regulatora indukcyjnego utrzymać stałą
wartość napięcia zasilania transformatora.
Uruchomienie wirtualnego przyrządu przebiega identycznie jak w wypadku badania stanu
jałowego transformatora. W oknie wirtualnego przyrządu należy wybrać opcję „Próba
obciążenia”.
Okno wirtualnego przyrządu jest identyczne jak w wypadku próby biegu jałowego. W
oknach:
5, 6, 7, 8 – służących do prezentacji charakterystyk pomiarowych przedstawiane są
zależności:
- Iśr = f(P2),
- η = f(P2),
- cosφ = f(P2),
- s = f(P2),
Wyniki pomiarów (w następującej kolejności: wartość średnia napięcia przewodowego
Uśr, prąd Iśr , moc czynna P i moc pozorna S, prędkość obrotowa n, moment mechaniczny M)
próby obciążenia silnika indukcyjnego zapisywane są do pliku „pom3_obc.txt”.
Opracowanie wyników pomiaru.
Po przeniesieniu danych pomiarowych do arkusza kalkulacyjnego należy obliczyć
współczynnik mocy cosφ, poślizg s, moc oddaną P2, sprawność η. Następnie na podstawie
przeprowadzonych obliczeń należy wykreślić charakterystyki:
- I1śr = f(P2),
- η = f(P2),
- cosφ = f(P2),
- s = f(P2),
- n = f(P2),
oraz uzasadnić ich przebieg.
Informacje dodatkowe
Po zakończeniu sesji pomiarowej (pracy w laboratorium) należy wydrukować protokół z
danymi pomiarowymi. W tym celu korzystamy z przycisku „Drukuj” w panelu sterowania
zapisem danych pomiarowych.
Uwaga! Pliki z danymi pomiarowymi zostaną wydrukowane tylko wtedy, gdy
zarejestrowanych zostało co najmniej pięć punktów pomiarowych w danej sesji
pomiarowej.
Pojawia się okno:
które należy uzupełnić nazwiskami osób
wykonujących ćwiczenie. Po wypełnieniu
odpowiednich pól uruchamiamy drukowanie
przyciskiem „OK”. Pojawia się podgląd
wydruku do akceptacji. Wydrukowany
protokół pomiarów jest do odbioru u
laboranta.
Po wylogowaniu wszystkie pliki z danymi pomiarowymi są kasowane. Dlatego też przed
zamknięciem sesji pomiarowej należy je przenieść do bezpiecznej lokalizacji. Jest nią
dowolna skrzynka pocztowa. Dostęp do plików pomiarowych (tylko poprzez pocztę e-mail)
uzyskuje się uruchamiając aplikację „Silnik indukcyjny – wysyłanie plików”:
Po uruchomieniu aplikacji (kliknięcie
myszką w strzałkę „start” na pasku górnym)
pojawia się okno z listą utworzonych
podczas pracy w laboratorium plików
pomiarowych (wraz z ich rozmiarem), a
także ewentualnie plik arkusza
kalkulacyjnego (Open Office - Calc) z
opracowanymi danymi pomiarowymi.
Arkusz kalkulacyjny musi być umieszczony
w tym samym katalogu co pliki z danymi
pomiarowymi W polu adresat należy wpisać
własny adres e-mail.
Pomiary realizowane są za pomocą wirtualnego przyrządu w skład, którego wchodzą:
a) Układ czujników/przetworników I/U oraz U/U zapewniających separację galwaniczną
pomiędzy obwodem wejściowym (mierzonym prądem i napięciem) i wyjściowym
(sygnałem pomiarowym). Maksymalna amplituda sygnału pomiarowego została
dostosowana do zakresu napięciowego wejść przetwornika cyfrowo-analogowego.
Wymagania te spełniają przetworniki napięciowe i prądowe typu LEM. Schemat
przetwornika napięcie/napięcie typu LV 25-P o napięciu znamionowym 10V – 500V
został przedstawiony na Rys.3, a schemat przetwornika prąd/napięcie typu LA 100-P o
prądzie znamionowym 100 A został przedstawiony na Rys.4.
Rys.3. Woltomierz zrealizowany za pomocą przetwornika LV 25-P.
Iw – prąd strony wtórnej przetwornika.
Sygnałem pomiarowym jest spadek napięcia na oporniku Rp.
Rys.4. Amperomierz zrealizowany za pomocą przetwornika LA 100-P.
Iw – prąd strony wtórnej przetwornika.
Sygnałem pomiarowym jest spadek napięcia na oporniku Rp.
Trzy czujniki prądowe (o zmodyfikowanym zakresie 0 – 15A AC) i trzy czujniki
napięciowe (o zakresie podstawowym 10 – 400V AC) umieszczone są w jednej obudowie
wyposażonej w układy zasilania przetworników, zestaw zacisków prądowych i
napięciowych oraz zestaw gniazd wyjściowych BNC sygnału pomiarowego. Na Rys.5
przedstawione zostało rozmieszczenie zacisków prądowych i napięciowych oraz gniazd
sygnału pomiarowego. Zaznaczone zostały pary zacisków tworzące tor pomiarowy
odpowiednio prądowy i napięciowy skojarzony z właściwym gniazdem sygnału
pomiarowego.
Rys.5. Rozmieszczenie zacisków prądowych i napięciowych oraz gniazd sygnału pomiarowego
b) Przetwornik analogowo-cyfrowy. Do pomiarów zastosowano przetwornik NI USB 6251
wyposażony w kartę przetwornika A/C o następujących danych technicznych:
- magistrala przesyłu danych – USB,
- 16 wejść analogowych pojedynczych/8 wejść analogowych różnicowych,
- maksymalna częstotliwość próbkowania – 1,25·106 S/s,
- maksymalny zakres napięć wejściowych przetwornika A/C – ± 10 V,
- rozdzielczość – 16 bitów.
Sygnał pomiarowy z gniazd BNC przetworników I/U oraz U/U podawany jest za
pomocą kabli BNC na odpowiednie wejścia terminala BNC-211 współpracującego z
przetwornikiem NI USB 6251.
c) Prądniczka tachometryczna napięcia stałego do pomiar prędkości obrotowej o
następujących danych znamionowych:
- maksymalna prędkość obrotowa – 5000 obr/min,
- stała przetwarzania k = 2V/1000 obr/min.
d) Przetwornik siły (czujnik siły) KB52 z napięciowym wyjściem sygnałowym do pomiaru
momentu o następujących parametrach:
- zakres pomiarowy – 1 kN,
- nieliniowość – 0,08%,
- histereza 0,08%,
- błąd pełzania – 0,2%,
- uchyb temperaturowy – 0,05%/10oK,
- offset – 0,032 V,
- napięcie wyjściowe – 0 – 10 V,
- zasilanie 24 V.
e) Oprogramowanie pomiarowe nadzorujące pracę przetwornika analogowo-cyfrowego,
odpowiedzialne za akwizycję danych pomiarowych, przetwarzanie danych pomiarowych i
wizualizację pomiarów. Program pomiarowy (wirtualny przyrząd pomiarowy) został
zrealizowany za pomocą oprogramowania narzędziowego LabView firmy National
Instruments.
W układzie pomiarowym mierzone są chwilowe wartości prądu fazowego i napięcia
fazowego badanego silnika indukcyjnego. Na podstawie wartości chwilowych
zarejestrowanych w czasie 500 ms (a więc czasie trwania 25 okresów napięcia
zasilającego – z uwagi na zauważalne wahania w czasie mierzonych parametrów)
obliczana jest z definicji odpowiednio wartość skuteczna prądów i napięć fazowych
zgodnie z zależnością:
Xf
1
T
t0 T
x 2f (t )dt
t0
1
N
N
x 2f (n) .
(5)
n 1
gdzie: T – okres analizowanego sygnału,
xf(t) – wartość chwilowa sygnału pomiarowego,
N – ilość próbek sygnału,
xf(n) – zdyskretyzowany w czasie i amplitudzie sygnał pomiarowy.
Na podstawie wartości skutecznych prądów i napięć fazowych wyznaczana jest
średnia wartość napięcia i prądu fazowego:
Uf
If
śr
śr
U A U B UC
3
.
I A I B IC
3
(6)
Moc czynna pobierana przez silnik indukcyjny jest sumą mocy czynnych trzech faz:
P1
PA PB
PC ,
(7)
wyznaczanych zgodnie z zależnością:
T
T
1
1
1 N
p f (t )dt
u f (t )i f (t )dt
u f (n)i f (n) .
(8)
TtT
TtT
N n1
gdzie: uf, if – odpowiednio wartość chwilowa napięcia i prądu fazowego.
Pf
Moc pozorna wyznaczana jest z zależności:
S1
SA
SB
SC
U AI A U B I B UC IC
3(U f śr I f śr )
(9)
Instrukcja jest uzupełnieniem skryptu: Grzegorz Kamiński, Janusz Kosk, Włodzimierz Przyborowski
Laboratorium Maszyn Elektrycznych
Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej
Warszawa 2005
instrukcję opracował Adam Biernat, Warszawa, wrzesień 2010