Badanie trójfazowego silnika indukcyjnego
Transkrypt
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