E17.doc

UNIWERSYTET TECHNOLOGICZNO-PRZYRODNICZY W BYDGOSZCZY

Wydział INŻYNIERII MECHANICZNEJ

INSTYTUT EKSPLOATACJI MASZYN I TRANSPORTU

Zakład Sterowania

Elektrotechnika i elektronika

Ćwiczenie: E17

Badanie indukcyjnego silnika klatkowego

Piotr Kolber, Daniel Perczyński

Bydgoszcz 2011

- 2 -

Badanie indukcyjnego silnika klatkowego

1.   Wprowadzenie

Najbardziej rozpowszechnionymi maszynami elektrycznymi są trójfazowe silniki indukcyjne zwane również asynchronicznymi. Charakteryzują się one prostą budową, łatwą obsługą i łatwą konserwacją, dużą pewnością ruchu i niskim kosztem budowy. Moc tych silników jest różna i wacha się w granicach od ułamka kilowata do tysięcy kilowatów.

2.   Budowa silników indukcyjnych

Głównymi częściami silnika indukcyjnego są:

- nieruchomy stojan w kształcie cylindra,

- ruchomy wirnik w kształcie walca.

Zarówno stojan jak i wirnik są wykonane z pakietu blach magnetycznych izolowanych i sprasowanych dla zmniejszenia strat mocy w stali.

W stojanie równolegle do osi obrotu silnika, znajdują się żłobki, w których rozłożone jest trójfazowe uzwojenie, składające się z trzech cewek - faz rozmieszczonych symetrycznie na obwodzie stojana. Końce każdej cewki (fazy), razem sześć końcówek, dołączone są do tabliczki zaciskowej znajdującej się na obwodzie silnika, co zostało przedstawione schematycznie na rysunku 1.

Rys. 1. Schemat tabliczki zaciskowej

Z przedstawionego na rysunku 1 schematu wynika, że chcąc połączyć uzwojenie stojana silnika indukcyjnego w trójkąt, należy wykonać połączenia zacisków na tabliczce zaciskowej wg schematu przedstawionego na rysunku 2a, a w przypadku połączenia w gwiazdę - wg rys. 2b

Rys. 2. Połączenie uzwojenia stojana silnika indukcyjnego na tabliczce zaciskowej:

a)w trójkąt   b)w gwiazdę.

  – początki faz uzwojenia stojana, – końce faz uzwojenia stojana.

Połączenie uzwojenia stojana silnika indukcyjnego w trójkąt lub w gwiazdę zależy od wartości napięć podanych na tabliczce znamionowej silnika indukcyjnego i od napięcia sieci. Napięcie zasilające silnik musi być tak dobrane, aby nie przekraczało napięcia, na jakie zbudowano uzwojenia fazowe.

Przykładowo, najczęściej stosowane oznaczenia na silnikach oraz odpowiadające napięcia pracy dla poszczególnych rodzajów połączeń przedstawiono tablicy 1.

Tablica 1

Przykład

Jeżeli na tabliczce znamionowej silnika indukcyjnego podane są dwa napięcia np. 230/400 V, to oznacza, że jedna faza uzwojenia stojana silnika indukcyjnego jest zaprojektowana na dolna wartość napięcia, czyli 230 V; mając w sieci napięcie 3 x 400 V trzeba silnik połączyć w gwiazdę, natomiast w przypadku napięcia w sieci 3 x 230 V trzeba silnik połączyć w trójkąt (cewka – faza uzwojenia tego silnika musi być zawsze pod napięciem 230 V).

Obracająca się część silnika indukcyjnego (wirnik) posiada uzwojenie, podobnie jak stojan w żłobkach.

Rozróżnia się następujące rodzaje silników indukcyjnych:

- silniki indukcyjne z wirnikiem fazowym (silniki pierścieniowe),

- silniki indukcyjne z wirnikiem zwartym (silniki klatkowe).

W silnikach klatkowych (zwartych) uzwojenie wirnika wykonane jest w postaci aluminiowych lub miedzianych prętów wypełniających żłobki. Wystające ze żłobków końce wszystkich prętów są połączone ze sobą (stąd wzięła się nazwa „silnik zwarty”). Jeśli takie uzwojenie zostałoby wydzielone z wirnika, to miałoby kształt klatki cylindrycznej (stąd pochodzi nazwa „silnik klatkowy”).

W zależności od konstrukcji klatki wirnika rozróżnia się następujące rodzaje silników:

- jednoklatkowe (zwykłe),

- głębokożłobkowe,

- dwuklatkowe.

Uzwojenie wirnika w silnikach indukcyjnych nie jest elektrycznie (galwanicznie) połączone z uzwojeniem stojana, a energia jest przenoszona przez pole magnetyczne za pomocą indukcji elektromagnetycznej (z tego powodu silniki te nazywa się „silnikami indukcyjnymi”). Jeżeli trójfazowe uzwojenie stojana silnika zostanie zasilone trójfazowym napięciem przemiennym o częstotliwości , to pod jego wpływem popłyną prądy przemienne w każdej fazie.

Każdy z tych prądów wytwarza pole magnetyczne pulsujące, zmienne w czasie lecz nieruchome w przestrzeni. W wyniku superpozycji tych pól powstaje wirujące pole magnetyczne mające zmienność czasową i przestrzenną. Prędkość obrotowa wirowania tego pola po obwodzie stojana zależy od częstotliwości napięcia zasilającego oraz liczby par biegunów silnika i określona jest poniższą zależnością:

lub prędkość kątowa:

Jest to tzw. prędkość synchroniczna

Wirujące pole magnetyczne „przecina” pręty wirnika i powoduje indukowanie w nich siły elektromotorycznej (SEM). Pod wpływem tej SEM w uzwojeniach wirnika płyną prądy. Na skutek oddziaływania pola wirującego na prądy w prętach wirnika powstają siły powodujące powstawanie momentu obrotowego i obrót wirnika, osadzonego w łożyskach, w kierunku wirowania pola. Prędkość wirowania wirnika jest zawsze mniejsza od prędkości wirowania pola . Gdy silnik osiągnął prędkość synchroniczną , to wtedy jego prędkość obrotowa względem wirującego z prędkością pola magnetycznego stojana byłaby równa zeru (pole wirujące stojana nie „przecinałoby” wówczas uzwojeń wirnika) i nie indukowałyby się w uzwojeniach wirnika SEM. Nie powstałby ani prąd w wirniku, ani moment obrotowy. Różnica między prędkości synchroniczną , a prędkością wirnika odniesiona do prędkości synchronicznej nazywa się poślizgiem wyrażonego zależnością:

Z powyższego wzoru wynika, ze jeśli wirnik silnika indukcyjnego jest zahamowany tzn. jeżeli jego prędkość obrotowa jest równa zeru (), to poślizg jest wówczas równy jedności (). Prędkość wirowania silnika zależy od jego obciążenia (momentu hamującego ). Prędkość obrotowa ustala się gdy następuje zrównanie wartości momentu napędowego oraz hamującego . Odpowiednie wykresy i , gdzie oznacza obroty silnika przedstawiono na rysunku 3.

Rys. 3. Charakterystyki momentu napędowego w funkcji prędkości obrotowej

oraz momentu hamującego w funkcji prędkości obrotowej

Należy zwrócić uwagę, że uruchomienie silnika jest możliwe jedynie w przypadku, gdy moment hamujący (obciążenia lub oporowy) , jest mniejszy od momentu rozruchowego, Zależność momentu od poślizgu nazywamy charakterystyką mechaniczną silnika (rys. 4).

Rys. 4. Charakterystyka mechaniczna silnika

3. Praca stateczna i niestateczna silnika indukcyjnego

Maksymalnej wartości momentu , zwanym również momentem krytycznym , odpowiada poślizg krytyczny . W każdym punkcie charakterystyki mechanicznej silnika indukcyjnego w zakresie poślizgu praca silnika indukcyjnego jest stateczna (stabilna). Polega to na tym, że moment obrotowy silnika indukcyjnego samorzutnie dopasowuje się do zmian wartości momentu hamującego obciążającego go.

Silnik indukcyjny obciążony momentem hamującym rozwija moment obrotowy równy co do wartości momentowi hamującemu przy poślizgu . Jeżeli teraz moment hamujący wzrośnie do wartości , to silnik zostanie przyhamowany i jego prędkość obrotowa zmniejszy się, a poślizg wzrośnie (). Ze względu na to, że siła elektromotoryczna indukowana w uzwojeniu wirnika jest proporcjonalna do poślizgu, więc jej wartość wzrośnie wraz ze wzrostem wartości poślizgu. To z kolei spowoduje wzrost wartości prądu w wirniku, co pociąga za sobą wzrost momentu obrotowego silnika indukcyjnego.

Równowaga między nowym momentem hamującym, a nowym momentem obrotowym ustali się samorzutnie, ale już przy większym poślizgu tzn. przy nieco mniejszej prędkości obrotowej.

W zakresie praca silnika jest niestateczna (niestabilna). Na tej części charakterystyki mechanicznej silnika indukcyjnego wzrost wartości momentu hamującego spowoduje wzrost poślizgu i zmniejszenie się momentu obrotowego silnika, co doprowadzi do zatrzymania się silnika.

4. Wpływ napięcia zasilania na pracę silnika

Moment obrotowy silnika indukcyjnego jest proporcjonalny do kwadratu napięcia zasilającego uzwojenie stojana.

gdzie:

- stała konstrukcyjna,

- napięcie przyłożone do jednej fazy uzwojenia stojana.

...