Badanie trójfazowego silnika klatkowego

Badanie trójfazowego silnika klatkowego
1. Czynności wstępne
Przed przystąpieniem do pomiarów naleŜy zapoznać się z budową stanowiska oraz
danymi znamionowymi badanej maszyny klatkowej oraz przetwornika momentu
obrotowego. Ustalić na podstawie tabliczki znamionowej wartości napięć i prądów
znamionowych maszyny.
PN= ……kW, UN=….V
IN=.….A, cosϕ
ϕ=….., nN=…… obr/min
2. Schemat układu pomiarowego:
R
AR
Sterownik
napięcia
przemiennego
f=var
U/f=cons
S
W RS
AS
T
AT
W TS
U
X
V
Y
W
Z
Rys. 1. Schemat połączeń silnika
3. Wyznaczenie charakterystyk mechanicznych n(T) dla napięcia zasilania
U1=Un, U1=0.8Un U1=0.6Un oraz częstotliwość napięcia zasilającego f1= fn.
Silnik obciąŜać w zakresie do prądu znamionowego. Wyniki pomiarów zestawić w
tablicy 3.
Tablica 3. Wyniki pomiarów i obliczeń charakterystyk obciąŜenia
Lp.
U
V
Z pomiarów
n
T
IR
Is
obr/min Nm A
A
IT
A
PRS PTS
W W
Pel
W
Z obliczeń
cosϕ
ϕ Pmech
W
Na podstawie wyników wykreśla się charakterystyki: η, P, I, cosϕ, n = f(T)
η
%
Moc mechaniczną obliczamy z zaleŜności
Pmech = T ⋅
2⋅π⋅n
moc uŜyteczna
60
Pel = PRS + PTS
cos ϕ =
moc elektryczna
Pel
współczynnik mocy
3 ⋅ U N ⋅ I śr
n −n
poślizg
s= 1
n1
Pmech
100% sprawność
Pel
Wyniki przedstawiamy na wykresach, których przykładowe przebiegi przedstawiono na
rysunku 2.
η=
I , η , cos ϕ , T , s , n
n
η
cos ϕ
I
T
U = Un
f = fn
s
0
PN
P2
Rys.2. Charakterystyki obciąŜenia silnika indukcyjnego klatkowego
4. Wyznaczanie charakterystyk mechanicznych n(T) silnika dla kilku
częstotliwości napięcia zasilającego f1 przy U1 / f1 = const w zakresie
obciąŜeń, dla których prądu I nie przekracza wartości znamionowej In
Krótki opis energoelektronicznych układów sterowania.
W napędach urządzeń przemysłowych wykorzystuje się róŜnorakie odmiany układów
przekształtnikowych, umoŜliwiających regulację prędkości i momentu obrotowego oraz sterowanie
procesami rozruchu, hamowania i nawrotu silnika. Z najczęściej stosowanych rozwiązań moŜna
wymienić:
- tyrystorowe regulatory napięcia przemiennego;
- bezpośrednie przemienniki częstotliwości;
- tyrystorowe kaskady podsynchroniczne;
- przemienniki częstotliwości pośrednie z falownikami napięcia i prądu.
Tendencje rozwojowe w tej grupie układów polegają na wprowadzeniu przyrządów w pełni
wyłączalnych i zastosowaniu sterowania PWM (Pulse Width Modulation – modulacja szerokości
impulsów), co umoŜliwia zmniejszenie zniekształceń napięcia i prądu silnika, eliminacje
niekorzystnych harmonicznych niskiego rzędu w prądzie pobieranym z sieci oraz pracy układu przy
współczynniku mocy (cosϕ) bliskim jedności.
Napędy asynchroniczne z tyrystorowymi regulatorami napięcia (tzw. sterownikami tyrystorowymi)
ze względu na małą sprawność i duŜe zniekształcenia prądu są stosowane w ograniczonym zakresie
do regulacji silników, a znacznie częściej w układach rozruchowych napędów średniej i duŜej
mocy.
Układy z falownikami napięcia znajdują ostatnio coraz szersze zastosowanie zarówno w napędach
przemysłowych małej i średniej mocy (do 1000 kW), jak równieŜ w serwonapędach obrabiarek i
robotów przemysłowych zastępując często dotychczas wykorzystywane napędy z silnikami prądu
stałego. Rozwiązaniem dominującym w tej grupie układów są falowniki napięcia z modulacją
PWM, wyposaŜone w przyrządy półprzewodnikowe mocy w pełni wyłączalne. W przewaŜającej
liczbie układów są stosowane tranzystory BJT i IGBT, a tyrystory GTO tylko w układach
większych mocy. Coraz częściej w pośrednich przemiennikach częstotliwości z tymi falownikami
stosuje się na wejściu przekształtniki prądu przemiennego na prąd stały, równieŜ z modulacją
PWM. UmoŜliwiają one pracę przy współczynniku mocy cosϕ=1, pozwalają na dwukierunkowy
przepływ energii i ograniczają zawartość wyŜszych harmonicznych w prądzie pobieranym z sieci
zasilającej. Układy z falownikami prądu zarówno o komutacji wewnętrznej, jak i zewnętrznej (w
postaci tzw. silnika przekształtnikowego) mają dotychczas dość ograniczony zakres zastosowania.
„Miękki” rozruch silnika indukcyjnego.
JeŜeli rozruch silnika indukcyjnego jest przeprowadzany przez bezpośrednie przyłączenie do
napięcia sieci, to prąd rozruchu jest ograniczony tylko impedancją w stanie spoczynku i moŜe
osiągać bardzo duŜe wartości, większe niŜ 6-cio krotna wartość prądu znamionowego. W miarę
wzrostu prędkości obrotowej prąd maleje, ale niemal przez cały czas trwania rozruchu jest większy
od prądu znamionowego, co moŜe powodować zakłócenia sieci zasilającej i w innych
przyłączonych do niej odbiorników. Stosowane często urządzenia rozruchowe takie, jak
przełączniki gwiazda/trójkąt lub autotransformatory z zaczepami nie w pełni zadowalają, gdyŜ przy
przełączaniu występuje bardzo duŜy chwilowy wzrost prądu i momentu, powodując naraŜenia
mechaniczne przekładni zębatych, pasowych, wałów oraz innych elementów napędu, szczególnie
gdy załączenie odbywa się przy znamionowym obciąŜeniu. Najbardziej poŜądany jest układ
umoŜliwiający płynną regulację napięcia silnika, tzw. układ „miękkiego rozruchu”.
WyróŜniamy następujące metody ograniczenia prądu rozruchu:
- przełącznik gwiazda/trójkąt;
- załączenie dodatkowego rezystora rozruchowego;
- regulacja amplitudy napięcia zasilającego;
- rozruch częstotliwościowy.
Regulacja prędkości obrotowej silnika indukcyjnego.
Regulacje poślizgu, a więc takŜe regulację prędkości silnika moŜna zrealizować zarówno przez
zmianę napięcia stojana, jak równieŜ przez włączenie dodatkowych rezystancji w obwód wirnika
silnika pierścieniowego i zmianę poślizgu krytycznego. Oba sposoby są stosowane obecnie rzadko
ze względu na duŜe straty, proporcjonalne do poślizgu silnika.
Natomiast zastosowanie układów kaskadowych, umoŜliwiających zwrot energii poślizgu do
źródła zasilania, zapewnia dość korzystny sposób regulacji prędkości, ale w niezbyt szerokim
zakresie.
Najkorzystniejszą metodą regulacji prędkości obrotowej silnika indukcyjnego jest tzw. regulacja
częstotliwościowa, polegająca na zmianie częstotliwości napięcia zasilającego silnik przy
równoczesnej zmianie wartości skutecznej napięcia. Regulację taką umoŜliwiają urządzenia
energoelektroniczne – przemienniki częstotliwości bezpośrednie lub pośrednie z falownikami
napięcia i prądu.
Moment obrotowy silnika indukcyjnego wynika z poniŜej przedstawionego wzoru:
T = ϕ ⋅ i ⋅ sin β.
moment ten jest największy gdy wektory pola wirnika i stojana są przesunięte względem siebie o
kąt Π/2. Zapewnia to najkorzystniejsze warunki pracy silnika, tzn. najmniejsze moduły strumieni
stojana i wirnika, przy tym samym momencie obciąŜenia lub inaczej – najmniejszy poślizg przy
tym samym momencie obrotowym i strumieniu stojana. W celu umoŜliwienia pracy silnika w
takich warunkach stosuje się regulację zorientowaną polowo, którą realizują falowniki nowego
typu, np. SJ100.
Gdy prędkość silnika indukcyjnego jest większa od prędkości synchronicznej (ω=2*Π*f1) silnik
pracuje jako prądnica, przetwarza energię mechaniczną na elektryczną i moŜe ją oddawać do źródła
zasilania. W przypadku zasilania z falownika o regulowanej częstotliwości tę właściwość silnika
moŜna wykorzystać do jego hamowania aŜ do uzyskania prędkości obrotowej równej zeru.
Straty elektryczne w silniku indukcyjnym to straty w stojanie zaleŜne od kwadratu wartości
skutecznej prądu pobieranego ze źródła:
∆PCu1 = m1 ⋅ R1 ⋅ I12
oraz straty w wirniku proporcjonalne do poślizgu silnika. Przy niesinusoidalnych przebiegach
napięć i prądów, co zwykle występuje przy współpracy silników z przekształtnikami
energoelektrycznymi, występują straty dodatkowe spowodowane wyŜszymi harmonicznymi.
Tabela pomiarowa
Lp.
U
V
Z pomiarów
n
T
IR
Is
obr/min Nm A
A
IT
A
PRS PTS
W W
Pel
W
Z obliczeń
cosϕ Pmech
W
Wzory do obliczeń jak wyŜej:
Na podstawie wyników wykreśla się charakterystyki: η, P, I, cosϕ, n = f(T)
η
%