Cw 3b_Silnik

Ćwiczenie 3
BADANIE MASZYN I URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH
Wersja B
Temat: Silniki asynchroniczne jednofazowe
1. Wprowadzenie teoretyczne
Silniki asynchroniczne 1-fazowe buduje się na moce nie przekraczające 2kW.
Uzwojenie główne stojana zasilane jest z sieci jednofazowej. Uzwojenie główne zajmuje 2/3
liczby żłobków, a w pozostałej części żłobków umieszcza się dodatkowe, tzw. pomocnicze
uzwojenie niezbędne dla dokonania rozruchu. Po rozruchu uzwojenie pomocnicze
(rozruchowe) odłączane jest od sieci zasilającej za pomocą wyłącznika odśrodkowego.
Początki i końce uzwojenia głównego oraz
pomocniczego (z szeregowo połączonym
wyłącznikiem odśrodkowym) wyprowadzone są do tabliczki zaciskowej. Małe silniki
indukcyjne wykonuje się z fazą rozruchową podłączoną na stałe. Budowa wirników silników
asynchronicznych
jednofazowych
jest
analogiczna
jak
w
przypadku
silników
asynchronicznych trójfazowych.
Po włączeniu silnika do sieci jednofazowej prądu zmiennego w uzwojeniu głównym
stojana wytwarzane
pulsujące
pole magnetyczne. Pulsujący strumień magnetyczny
   m sin t jest nieruchomy w przestrzeni i zmienia się w czasie od wartości  m do  m .
Strumień ten można uważać za superpozycję dwóch jednakowych strumieni o stałych
wartościach wirujących w strony przeciwne z prędkością np, zatem prąd sinusoidalny płynący
w uzwojeniu jednofazowym wytwarza nieruchome w przestrzeni, oscylujące w czasie pole
magnetyczne o amplitudzie m., które można uważać za superpozycję dwóch pól
magnetycznych o strumieniach
1
I = II = (1/2) m. wirujących w przeciwne strony z prędkością obrotową np.


np
np
I
 II
ωt  0
   m sin(0 )  0
np
np
I

np
np
 I  II
 II
np
np
I
 II
1
ωt  π
4
1
ωt  π
2
2
ωt  π
3
1
   m sin π  φ I 2
4
1
   msin π  2φ I
2
2
   m sin π  φ I 3
3
Rys.1 Rozkład strumienia pulsującego  na dwa strumienie wirujące I, I.
Rozkład strumienia pulsującego na dwa strumienie wirujące pokazany jest na rys.1. Gdy
wirnik silnika jest nieruchomy, obydwa pola wirujące indukują w uzwojeniach jednakowe
prądy.
M
MI
M
-n s
0
ns
n
M II
Rys.2. Przebieg momentów składowych i wypadkowych
Wskutek wzajemnego oddziaływania pól wirujących z indukowanymi w wirniku prądami
wytwarzają się w silniku elektromagnetyczne momenty napędowe MI i MII działające w
kierunkach przeciwnych
n
MI+MII
np
M1
n1
M1
M
MII
-np
Rys. 3.Charakterystyka mechaniczna silnika indukcyjnego jednofazowego
Moment wypadkowy M jest równy sumie dwóch momentów M. = MI + MII z
uwzględnieniem ich znaków. Z otrzymanej charakterystyki M(n) widać, że moment
rozruchowy silnika nieruchomego (n = 0) jest równy zero. Silnik indukcyjny bez
dodatkowych urządzeń charakteryzuje się brakiem momentu rozruchowego. Wystarczy
jednak nadać wirnikowi impuls mechaniczny w dowolnym kierunku (prędkość n1 na rys.13),
aby zapoczątkować rozruch i pracę silnika pod wpływem momentu napędowego M1
działającego w kierunku zgodnym z kierunkiem impulsu mechanicznego.
Silnik indukcyjny przyjmuje w pracy kierunek obrotów zgodny z kierunkiem nadanego mu
impulsu początkowego.
Brak momentu początkowego silnika indukcyjnego jednofazowego jest wadą tego
silnika. W celu uzyskania potrzebnego momentu rozruchowego stosuje się w tych silnikach
dodatkowe uzwojenia. Zwykle stosuje się dodatkowe uzwojenie (tzw. uzwojenie
pomocnicze - rozruchowe) umieszczone na stojanie tak, że jego strumień jest przesunięty w
przestrzeni o kąt 90 względem strumienia . W silniku dwubiegunowym oznacza to
przesunięcie uzwojenia rozruchowego na obwodzie o kąt 90 względem uzwojenia głównego,
zwanego uzwojeniem roboczym. Oprócz tego dodatkowo w uzwojenie rozruchowe włączana
jest pojemność zapewniająca przesunięcie fazowe bliskie 90 między prądami I1 i I2 w
uzwojeniu odpowiednio roboczym i rozruchowym.
U
C
I2
I1
n
2
1
Rys. 4. Silnik indukcyjny z uzwojeniem rozruchowym:1 - uzwojenie robocze, 2 - uzwojenie
rozruchowe
Można łatwo wykazać, że dwa pola oscylujące przesunięte względem siebie w
przestrzeni o 90, w których prądy, wytwarzające te pola, są przesunięte o ćwierć okresu,
wytwarzają również wirujące pole magnetyczne. Pole to wytwarza wystarczający moment
rozruchowy. Uzwojenie dodatkowe może spełniać tylko rolę uzwojenia rozruchowego i
wówczas jest wyłączane z chwilą zakończenia rozruchu, bądź może spełniać rolę drugiego
uzwojenia roboczego. Silnik z włączonym trwale uzwojeniem rozruchowym charakteryzuje
się większym momentem krytycznym i większym współczynnikiem mocy cos.
Charakterystykę M=f(s) dla silnika z kondensatorem rozruchowym przedstawia rysunek:
Włączanie i wyłączanie uzwojenia rozruchowego odbywa się za pomocą wyłącznika
odśrodkowego umieszczonego w silniku. Wyłączanie odbywa się zanim silnik osiągnie
poślizg krytyczny. Na ogół wyłączanie odbywa się przy prędkości około 0,75n1 ± 10%.
Charakterystyki mechaniczne silnika M=f(n) zależą od wartości R2 i X2s wpływ zmian tych
parametrów obrazują rysunki:
Z punktu widzenia zasady działania maszyn elektrycznych podstawowe znaczenie ma rozkład
pola magnetycznego w szczelinie głównej, gdyż pod wpływem tego pola znajduje się
twornik, w którym indukują się napięcia na które działają siły elektrodynamiczne. Wyróżnia
się pola stałe tzn. pola których kierunki i wartości są stałe, pola przemienne, których osie
względem pewnego punktu odniesienia są stałe, a zmienia się amplituda, wreszcie pola
wirujące względem pewnego punktu odniesienia. W tym przypadku amplituda pola może być
stała (pole kołowe) lub zmienna (pole eliptyczne).
Tylko pole wirujące jest w stanie wytworzyć moment rozruchowy.
Silnik jednofazowy posiada jedynie jedną fazę główną wytwarzającą tylko pole przemienne,
które nie jest w stanie wytworzyć momentu rozruchowego. W celu wytworzenia momentu
rozruchowego należy wprowadzić drugie pole w stojanie, aby powstało wypadkowe pole
wirujące. Źródłem drugiego pola magnetycznego stojana w silniku jednofazowym jest
uzwojenie rozruchowe włączone tylko na czas rozruchu. Najkorzystniejsze warunki rozruchu

wystąpią gdy osie magnetyczne uzwojenia głównego i rozruchowego tworzą kąt
i
2

jednocześnie prądy w tych uzwojeniach są przesunięte o kąt .
2
Jednym ze sposobów wprowadzenia fazy rozruchowej jest dobór właściwego kondensatora ,
który przy określonej częstotliwości sieci zasilającej będzie reprezentował odpowiednią
reaktancję pojemnościową.
Pojemność kondensatora jest tak dobrana aby uzyskać przesunięcie fazowe β = π/2.
Pojemność można wyliczyć ze wzoru:
Ib
C
cos  b
 2 f1U 1
Uwaga !!!
W czasie rozruchu na kondensatorze może wystąpić napięcie większe od napięcia zasilania
wyrażone wzorem:
U c  U 1 (1   2 ) ...
Ze względu na bezpieczeństwo PN zakazują produkcji silników, w których Uc jest większe od
600 [V].
Dzięki zastosowaniu kondensatora rozruchowego można osiągnąć Mr/Mn = 1,67÷2 przy
Ir/In=2.5÷5.
Na rysunku przedstawiono 3-warianty realizacji fazy rozruchowej silnika indukcyjnego 1fazowego / kolejno, faza rezystancyjna, pojemnościowa, indukcyjna./
2. KARTA
POMIAROWA
Układ do badania silnika indukcyjnego 1-fazowego.
Lp.
U
[V]
I
[A]
P
[W]
S
[VA]
cosφ
[-]
n
[obr/min]
Tabela pomiarowa dla biegu jałowego silnika.
Lp.
U
[V]
I
[A]
P
[W]
S
[VA]
cosφ
[-]
Tabela pomiarowa dla silnika obciążonego momentem oporowym
M0
n
[Nm] [obr/min]
3. Zadania pomiarowe:
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Zapoznać się z budową i parametrami badanych silników indukcyjnych.
Przeprowadzić badania silnika na biegu jałowym.
Przeprowadzić badania silnika obciążonego.
Zbadać parametry rozruchowe silnika.
Przeprowadzić badania z punktu 4 przy zmienionym kierunku obrotów.
Zbadać parametry silnika przy odchyleniach od napięcia znamionowego
4. Sprawozdanie z ćwiczenia powinno zawierać:
1.Wypełnioną stronę tytułową wg. podanego wzoru.
2.Spis przyrządów.
3.Schematy laboratoryjne badanych obwodów elektrycznych.
4.Tabele pomiarowe z wartościami wyliczonymi wg. odpowiednich wzorów.
Do tabel należy bezwzględnie dołączyć potwierdzoną przez prowadzącego
kartę pomiarową z ćw.
5.Przykładowe obliczenia zastosowane do wypełnienia tabel.
6.Wykresy charakterystyk, wykonane ręcznie na papierze milimetrowym lub
elektronicznie. Charakterystyki należy opatrzyć komentarzem co do wyboru
skali oraz sposobu interpretacji błędów.
7.Uwagi i wnioski z ćwiczenia.