BADANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO PRZY ZMINANCH NAPIĘCIA I CZĘSTOTLIWOŚCI ZASILANIA

 

 

 

 

Cel ćwiczenia:

 

         Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z właściwościami silnika indukcyjnego przy zasilaniu napięciem o wartości i częstotliwości różniących się od znamionowych. Szczególną uwagę zwrócono na pracę silnika indukcyjnego w takich warunkach zasilania, przy których wartości napięcia zasilania i częstotliwości odbiegają od znamionowych, lecz ich wzajemny stosunek pozostaje niezmienny.

         Omówione w ćwiczeniu badania dotyczą pracy silnika indukcyjnego zasilanego napięciem sinusoidalnym, praktycznie nie odkształconym, o nastawionej częstotliwości.

 

 

1.     Zapoznanie się z układem zasilania

 

         Do wykonania tego ćwiczenia konieczny jest silnik indukcyjny trójfazowy klatkowy oraz układ zasilający, który musi spełniać następujące warunki:

 

a)     Zapewnić możliwość nastawienia częstotliwości wyjściowej napięcia trójfazowego w granicach od około 5 do 50Hz;

b)    Zapewnić w przybliżeniu sinusoidalny przebieg napięcia w czasie z możliwością nastawienia wartości skutecznej proporcjonalnie do zmian częstotliwości;

c)     Zapewnić możliwie „sztywną” charakterystykę częstotliwości w funkcji jego prądu obciążenia;

 

        

Warunki takie muszą byś spełnione, gdy zastosuje się przetwornicę jednotwornikową lub też zespół, dwumaszynowy silnik obcowzbudny prądu stałego – prądnica synchroniczna.

 

 

 

 

2. Schemat układu sterowania do badania silnika indukcyjnego przy nastawionej częstotliwości napięcia zasilania.

 

 

 

        

 

          Nastawianie prędkości kątowej zespołu, a tym samym częstotliwości prądnicy synchronicznej zasilającego badany silnik indukcyjny będzie zapewnione przez zmianę zasilania twornika silnika napędowego obcowzbudnego prądu stałego. Nie należy stosować nastawienia prędkości przez włączenie szeregowe rezystancji do obwodu twornika silnika obcowzbudnego ze względu na dużą zmianę prędkości kątowej w miarę obciążania obwodu. Płynną zmianę napięcia zasilania silnika bocznikowego najłatwiej zapewnić przez zastosowanie trójfazowego prostownika półprzewodnikowego zasilanego z autotransformatora lub regulatora indukcyjnego. Dobre korekcje częstotliwości napięcia prądnicy synchronicznej takiego zespołu, których konieczność wynika w miarę zwiększania obciążenia, można również wykonać przez zmianę prądu wzbudzenia silnika obcowzbudnego.

         Zmianę wartości napięcia prądnicy synchronicznej o nastawionej częstotliwości uzyskać można przez nastawienie prądu wzbudzenia IwG prądnicy synchronicznej, przy czym należy zwrócić uwagę, że dla stałej wartości prądu wzbudzenia prądnicy synchronicznej nieobciążonej, przy zmianach częstotliwości, wartość napięcia prądnicy jest proporcjonalna do częstotliwości. W miarę obciążania obciążenia zespołu dwumaszynowego zwiększa się oddziaływanie twornika w prądnicy synchronicznej. Dlatego dla uzyskania stałej wartości napięcia prądnicy konieczna jest zmiana nastawienia prądu wzbudzenia prądnicy synchronicznej.

         Rozruch zespołu dwumaszynowego wykonuje się przez zwiększenie napięcia strony wtórnej autotransformatora od wartości US=0, aż do wartości, przy której zespół dwumaszynowy osiągnie wymaganą prędkość kątową, a częstotliwość napięcia prądnicy synchronicznej, wartość, przy której zespół mają być prowadzone pomiary.

         W czasie rozruchu wartość napięcia UwM i prądu wzbudzenia IwM silnika obcowzbudnego powinny być równe znamionowym. Moc znamionowa maszyn zespołu dwumaszynowego powinna być 2,3-krotnie większa od mocy znamionowej badanego silnika indukcyjnego, ze względu na możliwość wyznaczenia charakterystyk mechanicznych w szerokim zakresie.

         Należy jeszcze zwrócić uwagę na dobór przyrządów pomiarowych w obwodach o zmiennej częstotliwości. Użycie przyrządów elektromagnetycznych zapewnia poprawne Pomiary w zakresie 40…60Hz przyrządów magnetoelektrycznych z prostownikiem powyżej 20Hz, natomiast przyrządy termoelektryczne pracują niezależnie od częstotliwości przebiegu mierzonego.

 

 

3. Pomiary charakterystyk biegu jałowego silnika indukcyjnego dla częstotliwości napięcia zasilanego.

 

         Pomiary charakterystyk wykonuję się dla częstotliwości zasilania silnika indukcyjnego wynoszących f=50, 40, 30, 20, 10, 5Hz w układzie pomiarowym pokazanym na schemacie Nr1. Rozruch częstotliwościowy silnika indukcyjnego przeprowadza się w następujący sposób:

a)     Nastawia się prąd wzbudzenia silnika obcowzbudnego prądu stałego zespołu dwumaszynowego na wartość znamionową IwM = IwMn;

b)    Nastawia się wartość prądu wzbudzenia generatora synchronicznego, zbliżoną do wartości IwG0, przy której prądnica wirująca ze znamionową prędkością kątową ma przy biegu jałowym napięcie równe znamionowemu;

c)     Załącza się włącznik Q3, a następnie Q1, doprowadzając napięcie trójfazowe zasilające autotransformator;

d)    Napięcie wyjściowe autotransformatora nastawia się na wartość zbliżoną do zera i załącza włącznik Q2 zasilający prostownik;

e)     Powoli podwyższając napięcie wyjściowe autotransformatora doprowadza się układ do zasilania badanego silnika indukcyjnego napięciem przemiennym o żądanej częstotliwości;

f)      Korygując wartość prądu wzbudzenia prądnicy synchronicznej ustala się wartość skuteczną napięcia U0 zasilającego silnik.

 

 

 

Charakterystykę biegu jałowego mierzy się dla nieobciążonego silnika indukcyjnego rozpoczynając od napięcia o wartości  notując wartości napięcia , prądu biegu jałowego  oraz mocy pobieranej przy biegu jałowym

 

4. Tabela pomiarowa NR1

 

 

        

 

         Mierzyć należy następujące wielkości badanego silnika indukcyjnego: napięcie zasilania , częstotliwość napięcia zasilającego, prąd biegu jałowego , (wyznaczony jako wartość średnia z pomiarów prądów fazowych ,,) oraz moc pobieraną przy biegu jałowym (jako sumę wskazań watomierzy ,). Ponadto korzystając z tachometru bądź z prądnicy tachometrycznej umieszczonej na wale badanego silnika indukcyjnego należy zmierzyć jego prędkość kątową . Pomiary biegu jałowego dla danej częstotliwości zasilania kończy się przy takiej wartości napięcia zasilania, przy której następuje zmniejszenie prędkości kontowej wirowania (zwykle przy napięciu zasilania ). Wyniki należy zanotować w tabeli pomiarowej. W tabeli notuje się także moc strat jałowych  obliczoną z zależności , przy czym oznacza rezystancję uzwojenia fazowego stojana.

 

         Do pomiarów wielkości elektrycznych używa się przyrządów magnetoelektrycznych z prostownikiem, jednak przy częstotliwości, f=10Hz wskazówki tych mierników wykonują ruchy drgające, co uniemożliwia poprawny odczyt, oraz zmniejsza dokładność wskazań. Dla małych częstotliwości zaleca się stosowanie przyrządów termoelektrycznych, przy których należy pamiętać jednak o dłuższym czasie ustalania się wskazań.

        

        

         Na podstawie wyników pomiarowych umieszczonych w tabeli wykreślić bądź obliczeniowo wyznaczyć:

 

a) ; ;  - charakterystyka biegu jałowego przy zadanej częstotliwości; Rys. 1

 

 

c)  - rozdział strat jałowych na straty mechaniczne i straty w rdzeniu dla zadanych częstotliwości; Rys. 2

 

d)  - zależność strat mechanicznych od prędkości wirowania; Rys.3

 

 

                                               Rys. 1

                                               Rys. 2

 

 

 

 

                                              

 

Rys. 3

 

 

 

 

5. Wyznaczenie charakterystyk mechanicznych silnika indukcyjnego dla różnych wartości częstotliwości napięcia zasilania przy stałym stosunku U/f

        

Wyznaczenie charakterystyk mechanicznych badanego silnika indukcyjnego wykonuje się w układzie przedstawionym poniżej.

         Silnik badany M1 sprzęga się z hamownicą elektromaszynową M2 z możliwością pomiaru momentu elektromechanicznego.

 

 

 

 

 

 

         Napięcie wyjściowe przetwornicy częstotliwości ustala się na wartości  przy częstotliwości, przy której wykonuje się pomiary, zapewniając w ten sposób stałą wartość stosunku

         Układ hamownicy elektromaszynowej powinien umożliwiać obciążenie silnika momentem równym około silnika badanego, aby charakterystyki można było wyznaczyć w zakresie od momentu M=0 do wartości momentu krytycznego silnika.

         W czasie pomiarów należy mierzyć i notować w tabeli NR2 napięcie zasilania badanego silnika indukcyjnego U, częstotliwość napięcia zasilania f, prądy fazowe pobierane przez silnik , ,  oraz prąd średni , moc elektryczną pobieraną przez silnik  jako sumę wskazań watomierzy  i , prędkość kątową , moment obciążenia. Jeżeli przyrząd do pomiaru prędkości jest wyskalowany dla wielkości n (w obr/min), należy wyznaczyć prędkość kątową silnika jako

Ponadto należy wyznaczyć moc mechaniczną wydawaną przez silnik

Sprawność silnika , prędkość kątową pola wirującego dla danej częstotliwości napięcia zasilania i liczby par biegunów p silnika , poślizg , współczynnik mocy

        

         Pomiary należy wykonywać dla częstotliwości 50Hz, 40Hz, 30Hz, 20Hz, 10Hz, odpowiednio szybko dla stanu przeciążenia silnika  oraz małych częstotliwości zasilania, kiedy istnieje niebezpieczeństwo nadmiernego przegrzania silnika badanego.

 

6. Tabela pomiarowa NR2

 

 

 

 

 

7. Charakterystyki mechaniczne silnika indukcyjnego przy różnych częstotliwościach napięcia zasilania i stałym stosunku U/f:

         a) w podziałce poślizgu s Rys. 4

         b) w podziale prędkości kątowej  Rys. 5

 

 

 

 

Rys. 4

 

Rys. 5

 

 

 

 

 

8. Pomiary momentu rozruchowego silnika indukcyjnego w funkcji częstotliwości dla stałego stosunku U/f

 

         Pomiary te wykonuje się również w układzie przedstawionym na schemacie 2, z tym jednak, że wirnik hamownicy elektromaszynowej musi być sztywno i bezpiecznie unieruchomiony względem stojana hamownicy. Dla określonej częstotliwości zasilania moment rozruchowy MR mierzy się dla kilku wartości napięcia U=0, a kończąc, gdy prąd pobierany przez zatrzymany silnik indukcyjny osiągnie wartość znamionową. W tabeli 3 notuje się wyniki tego pomiaru, na podstawie, których należy wykonać wykresy.

 

 

 

 

9. Przykładowe wykresy charakterystyk momentu rozruchowego MR silnika indukcyjnego dla różnych wartości częstotliwości napięcia zasilania:

a) w funkcji napięcia zasilania Rys. 6

b) w funkcji częstotliwości napięcia zasilania przy stałym stosunku U/f Rys. 7

 

 

 

Rys. 6

 

 

 

Rys. 7