AsynchronnyMotor0

Prepis

1 5. MERANE NA ASYNCHRÓNNOM MOTORE A SMLÁCA JE- HO PREVÁDZKOVÝCH STAVOV Cie merania Cieom meraní je oboznámi sa so základnými vlastnosami asynchrónneho motora. Pomocou meraní v dvoch stavoch asynchrónneho motora získame základné parametre stroja, pomocou ktorého nasimulujeme tzv. kružnicový diagram, ktorý nám poskytne obraz o vlastnostiach asynchrónnych strojov. Teoretické poznatky Asynchrónne (indukné) motory patria medzi najpoužívanejšie toivé elektrické stroje. Na vrchol rebríka ich vyniesli zaujímavé vlastnosti: jednoduchá konštrukcia, nenároná údržba, vysoký hmotný výkon, a robustnos. Samozrejme, že tento stroj má aj svoje nevýhody. Jednou z nich je zložité a technicky nároné riadenie ich rýchlosti pri maximálnom využití stroja. Tento nedostatok sa však postupne odstrauje prudkým rozvojom polovodiovej a mikropoítaovej techniky. Asynchrónny motor sa po konštruknej stránke skladá z dvoch astí statora a rotora, ktoré sú navzájom prepojené pomocou ložísk umožujúcich ich vzájomný relatívny pohyb. Stator je zložený zo zväzku vzájomne izolovaných plechov v tvare medzikružia, drážkovaných z vnútornej strany. V drážkach je uložené trojfázové rozložené vinutie. Rotor je tiež tvorený zo zväzku izolovaných plechov v tvare medzikružia, v strede s otvorom pre hriade. Plechy sú drážkované z vonkajšej strany. V drážkach sa nachádza vinutie rotora, ktoré môže by dvojakého typu vinutá alebo klietková kotva (kotva nakrátko). Ak je vinutie statora napájané -fázovou súmernou sústavou prúdov, vzájomne asovo posunutých o 10, tak sa vo vzduchovej medzere vytvára toivé pole, ktorého rýchlos závisí od frekvencie napájacej siete f a potu pólových dvojíc stroja p. Toto toivé pole pretína vodie rotorového vinutia, ktoré musí by uzavreté, a tým sa indukuje v kotve napätie, ktoré ou pretláa prúd vytvárajúci pole rotora. Vzájomná interakcia polí statora a rotora zapríiní, že sa rotor zane otáa v smere toivého magnetického poa a bude sa ho snaži dobehnú. Jeho rýchlos však nikdy nemôže dosiahnu, pretože by sa v rotore prestalo indukova napätie, netiekol by ním žiadny prúd a stroj by nevyvíjal moment. Základné vlastnosti asynchrónneho motora sa urujú pomocou meraní v stave naprázdno a nakrátko. Stav naprázdno (alebo chod naprázdno) je taký stav motora, pri ktorom na rotor nie je pripojená mechanická záaž a stator je napájaný menovitým napätím s menovitou frekvenciou. Rotorové vinutie je spojené nakrátko rotor sa preto otáa takmer synchrónnymi otákami. Úelom merania naprázdno je uri prúd, príkon a úinník naprázdno, ktoré sú potrebné pre urenie prvkov náhradnej schémy usporiadané v prienej vetve (obr. 5.7) a k iastonému ureniu energetickej bilancii asynchrónneho motora (5.0). Pomocou vekosti statorového prúdu naprázdno hodnotíme ako je efektívne stroj navrhnutý. Hodnota tohoto prúdu pri menovitom napätí býva v tolerancii (0,5 až 0,4). SN. Po rozbehu motor odoberá zo siete len malý príkon P 0, ktorý je potrebný na krytie strát v železe statora 1 P FeS, strát 1 Sú dané sútom strát vírivími prúdmi a hysteréznych strát. vzduchová medzera príkon zo siete výkon na hriadeli P js P Fe P jr P mech Obr. 5.0 Energetická bilancia asynchrónneho motora

2 vo vinutí statora P js a mechanických strát P mech. Straty v železe rotora môžeme pri takmer synchrónnych otákach (otákach naprázdno) zanedba z titulu malej frekvencie prúdu v rotorovom obvode. Pre dodávaný príkon v stave naprázdno preto platí (obr. 5.1) P 0 = P FeS + P js + P mech (5.4) P 0 cos ϕ 0 0 [A] [W] cos ϕ 0 0 P k cos ϕ k k [A] [W] P k k P 0 P js P Fe + P mech cos ϕ k P Fe P mech SN 0 [V] k [V] Obr. 5.1 Grafické závislosti asynchrónneho motora v stave naprázdno Obr. 5. Grafické závislosti asynchrónneho motora v stave nakrátko Stav nakrátko asynchrónneho motora je taký stav, pri ktorom je rotor stroja mechanicky zabrzdený nemôže sa otáa. Pri menovitom napájacom napätí, by vinutiami tiekli skratové prúdy, ktorými by sa motor mohol poškodi. Ak chceme v takomto stave uri experimentálne niektoré parametre motora robíme tzv. pokus nakrátko, pri ktorom je síce rotor stroja zabrzdený, ale jeho vinutiami teú dovolené nominálne prúdy N. Meranie uskutoníme pri zníženom napájacom napätí. V stave nakrátko urujeme, podobne ako pri stave naprázdno, prúd, príkon a úinník nakrátko (obr. 5.), ktoré sú potrebné pre urenie prvkov náhradnej schémy usporiadané v pozdžnej vetve (obr. 5.7) a pri urení najdôležitejších prevádzkových stavov asynchrónneho motora (obr kruhový diagram) Meranie na asynchrónnom motore Úloha merania 1. Meraním urite odpory vinutí stroja.. skutonite meranie naprázdno. skutonite meranie nakrátko. 4. vedené merania spracujte do grafických závislostí a z nameraných hodnôt urite prvky a prúdy náhradnej schémy asynchrónneho motora. Pracovný postup Pre správnos celého merania je potrebné si zapísa dôležité štítkové (menovité) údaje o meranom asynchrónnom motore: menovitý výkon P N =... kw, poet menovitých otáok n N =... min -1, menovité napätie statora SN =... /...V (hviezda/trojuholník), menovitý statorový prúd SN =... /... A (hviezda/trojuholník), frekvencia f =... Hz. Sú to straty trením v ložiskách a ventilané straty.

3 1. Meranie odporov vinutí Odpory vinutí statora meriame na svorkách stroja. V praxi sa meranie odporúa vykonáva Ohmovou metódou pomocou jednosmerného zdroja. Statorové vinutia sú zapojené bu do hviezdy alebo do trojuholníka spojením jednotlivých svoriek poda obr. 5.. Schéma zapojenia obvodu pri meraní odporov vinutí je uvedená na obr Namerané hodnoty odporov zapíšeme do tab a vyhodnotíme poda nasledovných vzahov. A = V W0 V W V W0 V W Obr. 5. Zapojenie statorových vinutia asynchrónneho motora do hviezdy a do trojuholníka + SZ = reg - V = AM Obr. 5.4 Schéma zapojenia pri meraní inných odporov statorového vinutia asynchrónneho motora ohmovou metódou W V Odpor R AV uríme ako aritmetickú strednú hodnotu odporov meraných medzi svorkami -V, V- W a W- AV ( R + R R ) 1 R = + V VW W (5.5) Predpokladajme, že jednotlivé fázy majú rovnaký odpor. Potom odpor jednej fázy pri zapojení do hviezdy bude 1 R = (5.6) f R AV a pri zapojení do trojuholníka R = f R AV (5.7) Ak má asynchrónny motor krúžkovú kotvu, odpor rotorového vinutia uríme obdobne ako u statorového vinutia. Tab Vinutie Stator Merané medzi -V V-W W- = [V] = [A] R [Ω] R f [Ω]. Meranie v stave naprázdno Pokia meriame elektromechanickými meracími prístrojmi (EMP), obvod zapájame poda obr. 5.5 a pri použití trojfázového íslicového wattmetra (W) použijeme schému zapojenia poda obr Meranie v stave naprázdno uskutoníme tak, že motor spustíme pripojením na sie prostredníctvom regulaného autotransformátora RAT. Pri meraní meníme napájacie napätie v rozsahu od 10 % menovitého napätia statora SN až do približne 0 % SN. Pri alšom znižovaní napätia by došlo k výraznejšiemu poklesu otáok, a tým aj k zmene mechanických strát. Pri meraní naprázdno predpokladáme práve konštantnú hodnotu mechanických strát.

4 RAT A W 1 V W A V A W V W AM N Obr. 5.5 Schéma zapojenia pri meraní na asynchrónnom motore pomocou EMP Pomocou EMP poda obr. 5.5 meriame prúdy v jednotlivých fázach, V, W, napätie 0 a trojfázový príkon stroja pomocou dvoch wattmetrov v Aronovom zapojení. Z nameraných hodnôt uríme: strednú hodnotu prúdu naprázdno ( + ) = V W (5.8) príkon naprázdno úinník naprázdno cos P = + (5.9) 0 P1 P P 0 ϕ 0 = (5.40) 0 0 Pre praktické použitie zanedbáme spotrebu EMP a napäovú sústavu budeme považova za súmernú (použijeme len jeden voltmeter). Pri meraní pomocou W s pripojením na meracie transformátory prúdu (MTP) poda obr. 5.6, musíme výkon a prúdy naprázdno zobrazené na íselníku W násobi prúdovým prevodom K i. RAT MTP 1 1 V AM W N N N N V-A-W OT OT Obr. 5.6 Schéma zapojenia pri meraní na asynchrónnom motore pomocou trojfázového W (V-A-W) s pripojením na meracie transformátory prúdu (MTP)

5 Tab V W 0 P 1 5 P P 0 cos 0 P js P Fe + P mech V A A A A W W W W W Z nameraných hodnôt prúdu a príkonu naprázdno stanovíme straty vo vinutí statora nasledovne P P js = 0 R f - pre stator zapojený do hviezdy (5.41) 0 js = R f - pre stator zapojený do trojuholníka (5.4) Ak od príkonu v stave naprázdno odítame straty vo vinutí dostaneme straty v železe a straty mechanické P + P = P0 P (5.4) Fe mech js Namerané a vypoítané hodnoty pomocou EMP alebo W zaznamenáme do tab. 5.15, ktoré spracujeme graficky poda obr Meranie v stave nakrátko Pri meraní nakrátko je schéma zapojenia obvodu pre EMP alebo W rovnaká ako pri predchádzajúcom meraní. Pred pripojením meraného motora na sie zabrzdíme mechanicky jeho rotorovú as. Zabrzdenie rotora zabezpeíme napr. železnou tyou, prestrenou medzi ramená remenice. Pred zabrzdením je nutné presne zisti smer toenia hriadea, aby pri chybnom zabrzdení nestrhol motor brzdiace zariadenie, resp. nespôsobil úraz personálu. Pri skúške nakrátko neodoberáme ani nedodávame žiadnu mechanickú energiu, takže inný príkon odoberaný zo siete sa spotrebuje na krytie strát vo vinutí, ktoré sa v stroji premieajú na teplo. Meranie nakrátko je obtiažne tým, že pri spojení menovitého napätia na svorky statora, spotrebuje motor niekokonásobný prúd oproti menovitému. Celá energia sa mení na teplo, ktoré vemi rýchlo zvyšuje teplotu statorového i rotorového vinutia, o predstavuje veké nebezpeie spálenia izolácie stroja.- Z toho dôvodu sa skúška nakrátko nerobí pri menovitom napätí, ale pri takom, aby prúd nakrátko neprevýšil hodnotu 10 % menovitého statorového prúdu SN. Meranie musíme uskutoni pomerne rýchlo, aby sa motor zbytone vekým prúdom neoteplil. Strednú hodnotu prúdu nakrátko k, výkon nakrátko P k a úinník nakrátko cos k urujeme obdobným spôsobom ako pri meraní naprázdno pomocou EMP alebo W. Namerané a vypoítané hodnoty zaznamenáme do tab. 5.16, ktoré spracujeme graficky poda obr. 5.. Hodnoty zapisujeme len v prípade merania pomocou EMP poda obr. 5.5.

6 Tab V W k k P 1 P P k cos k A A A A V W W W 4. renie parametrov náhradnej schémy motora a) Z grafu merania naprázdno výrazne vyznaíme hodnoty pre menovité primárne napätie SN poda obr.5.1: straty mechanické P mech =... W (konštantné v celom meraní), straty v železe P Fe =... W, straty v statorovom vinutí P js =... W, menovitý prúd naprázdno 0N =... A, menovitý úinník naprázdno cos 0N =.... R S jx σs jx σr S S 0 Fe µ R Fe jx µ R R R s i Obr. 5.7 Náhradná schéma asynchrónneho motora Z vekosti menovitého prúdu a úinníka naprázdno stanovíme priene parametre asynchrónneho motora poda obr. 5.7: Prúd v železe poítame priamo zo strát v železe (eliminujeme tak straty mechanické): P Magnetizaný prúd jalová zložka prúdu naprázdno: Fe Fe = (5.44) SN (5.45) µ = 0N sinϕ 0N Magnetizaná reaktancia: X µ f = (5.46) µ inný odpor reprezentujúci straty v železe:

7 f R Fe = (5.47) Fe kde SN f = (5.48) b) Z grafu merania nakrátko (obr.5.) je potrebné zisti menovitý prúd kn a príkon nakrátko P kn pre menovité napájacie napätie SN. Pretože závislosti sme museli vykreslova iba v malom napäovom rozsahu, namerané závislosti môžeme extrapolova k uvedenému menovitému napätiu. Pokia je závislos prúdu nakrátko od napätia lineárna, môžeme uri menovitý prúd nakrátko nasledovne SN kn = k =... A (5.49) k kde k a k sú najvyššie namerané hodnoty prúdu a napätia. Menovitý príkon nakrátko môžeme prepoíta na menovité napätie so štvorcom prúdu nasledovne kn P = kn Pk =... W (5.50) k kde P k a k sú najvyššie namerané hodnoty z merania nakrátko. Z týchto hodnôt stanovíme pozdžne parametre asynchrónneho motora poda obr. 5.7: Celkový inný odpor asynchrónneho motora R R S + R = R = P kn kn Celková rozptylová reaktancia asynchrónneho motora: (5.51) X + X σ = X σs σr = f kn R (5.5) kde f je fázová hodnota menovitého napätia statora poda vzahu (5.48). Súpis prístrojov a zariadení Tab Oznaenie Popis 1 SZ - jednosmer. stabil. zdroj RAT - regul. autotransformátor A, A V, A W - ampérmetre 4 V 1, V - voltmetre 6 W 1, W - wattmetre 6 MTP - meracie transf. prúdu 7 V-A-W - íslicový wattmeter 8 A = - jednosm. ampérmeter 9 V = - jednosm. voltmeter

8 5.. Simulácia prevádzkových stavov asynchrónneho motora z kruhového diagramu Teoretický poznatky Priebeh najdôležitejších prevádzkových veliín, ako je príkon, výkon, moment, prúd, otáky, sklz, úinník a úinnos, môžeme zisti priamym meraním na asynchrónnom motore. Tam, kde nie je možnos zisti uvedené veliiny experimentálne, zisujeme ich z kruhového diagramu. V súasnosti je možné takýto kruhový diagram nasimulova pomocou vhodného softwarovho programu, ktorý prehadne urí niektoré parametre asynchrónneho stroja v jeho rôznych pracovných stavoch (obr. 5.8). Takýto program predpokladá, že napájacie napätie na statore SN, jeho frekvencia f SN a celková reaktancie stroja sú stále a nemenia sa. 1 S 0 stupnica sklzu H G priamka výkonov S A P max M max K A k R priamka momentov A 0 ϕ A 0 0 µ Fe E B C D S F R 1 x Obr. 5.8 Kruhový diagram asynchrónneho motora Zo známej zadanej vekosti a smeru prúdu naprázdno a prúdu nakrátko si softwarový program vynáša body A 0 a A k. Hodnoty týchto prúdov si uríme experimentálne z merania motora pri chode naprázdno a nakrátko. Stred hadanej kružnice kruhového diagramu bude leža v bode, kde sa pretnú rovnobežka s osou x vedená bodom A 0 a symetrála bodov A 0 a A k. Dá sa dokáza, že táto kružnica je geometrickým miestom koncového bodu fázora statorového prúdu S, ktorého vekos sa mení so za- ažením motora. Pre ubovoný pracovný bod na kružnici platí: vzdialenos od osi x zodpovedá príkonu stroja P P, napr. pre bod A je to úsek AE, úsek DE je úmerný stratovému výkonu naprázdno, úsek CD odpovedá stratám vo vinutí statora P js, úsek BC odpovedá stratám vo vinutí rotora P jr, úsek AB je úmerný užitonému výkonu stroja na jeho hriadeli. Spojnica bodov A 0 Ak je tzv. priamka výkonov. Priamka momentov je spojnica bodov A v pomere odporov statora R S k prepoítanému odporu ro- Bod A je urený rozdelením úseky FAK tora R R. Tým je vytvorený pomocný bod K, ktorého spojnica s A 0 vytína na kružnici bod A 0. A.

9 Stupnica sklzu leží na priamke vedenej rovnobežne (v ubovonej vzdialenosti) s momentovou priamkou. Poiatok stupnice sklzu (bod 0) vymedzuje rovnobežka s osou napätia vedená z bodu A 0. Koniec stupnice sklzu uruje prieseník priamky výkonov s priamkov sklzu (bod 1). Maximálny moment M max uruje kolmica zo stredu S kružnice k priamke momentov svojím prieseníkom s kružnicou (bod G). Keby bol motor zaažený väším momentom ako M max, zastavil by sa. Celý priebeh momentov od chodu naprázdno do chodu nakrátko vyjadruje momentová charakteristika. Maximálny výkon P max je urený kolmicou zo stredu S na priamku výkonov svojim prieseníkom s kružnicou (bod H). Úinnos η pre ubovolný prevádzkový stav je daná pomerom úseiek výkonu a príkonu. Úloha merania Pomocou simulaného programu urite z kruhového diagramu základné prevádzkové stavy meraného motora. Pracovný postup 1. Zo štítku asynchrónneho motora zadajte jeho menovité údaje: menovitý výkon P N =... kw, poet menovitých otáok n N =... min -1, menovité napätie statora SN =... /...V (hviezda/trojuholník), menovitý statorový prúd SN =... /... A (hviezda/trojuholník), frekvencia f =... Hz.. Z merania naprázdno, nakrátko a odporov na asynchrónnom motore zadajte nasledovné vstupné údaje: straty mechanické P mech =... W, straty v železe P Fe =... W, straty v statorovom vinutí P js =... W, menovitý prúd naprázdno 0N =... A, menovitý úinník naprázdno cos 0N =..., menovitý prúd nakrátko kn =... A, menovitý úinník nakrátko 4 cos kn =..., odpor jednej fázy statora R f =... Ω.. Z kruhového diagramu možno zisti: stupnicu sklzu a následne otáok, maximálny moment M max, maximálny výkon P max, úinnos η, poda alších možností softwaru. Obr. 5.9 Rez asynchrónnym motorom 4 Berieme poslednú nameranú hodnotu, pretože alšia zmena úinníka cos K s napätím je nepatrná.