Katedra obecné elektrotechniky Fakulta elektrotechniky a informatiky, VŠB - TU Ostrava
MĚŘENÍ NA TŘÍFÁZOVÉM ASYNCHRONNÍM MOTORU S KOTVOU NAKRÁTKO (AM) Návody do měření
1. Měření statické mechanické charakteristiky AM 2. Stanovení jmenovité účinnosti AM 3. Měření průběhu rozběhového proudu AM pomocí měřicího počítače
Určeno pro posluchače všech bakalářských studijních programů FS
Ing. Václav Kolář, Ph.D., Ing. Vítězslav Stýskala, Ph.D. únor 2008
Cíl měření: Seznámení se s vlastnostmi trojfázového asynchronního motoru, změření mechanické charakteristiky, určení jeho jmenovité účinnosti a změření průběhu rozběhového proudu. Pomůcky: Disketa 3,5´´ nebo USB flash disk. Důležité upozornění: dávejte pozor na možný úraz od rotujících částí motoru. K rotujícím částem se nepřibližujte s volnými dlouhými vlasy, nebo volnými částmi oděvu ! Zadání: Nejprve si zapište důležité údaje o měřeném AM (ze štítku motoru) a údaje o měřících přístrojích. Jednotlivá měření: 1) Proveďte měření mechanické charakteristiky AM (měří se moment, proud a otáčky n= f (M) ), a to postupně: - ve stavu naprázdno (s vypnutým dynamometrem), při jmenovitém napájecím napětí, - při zatížení při sníženém napájecím napětí motoru U1,red = 22 V, - ve stavu nakrátko (motor je mechanicky zabrzděn) při sníženém napájecím napětí U1,red = 22 V. 2) Proveďte měření při jmenovitých hodnotách motoru (jmenovité napětí a moment). Vypočítejte jmenovitou účinnost z naměřených hodnot a také teoretickou jmenovitou účinnost ze štítkových údajů motoru. Výsledky srovnejte ve zhodnocení měření. 3) Změřte průběh rozběhového proudu pomocí měřicího počítače při jmenovitém napětí motoru. - s připojeným nenabuzeným dynamometrem - s připojeným dynamometrem nabuzeným tak, aby moment v ustáleném stavu odpovídal jmenovitému momentu motoru. Do protokolu uveďte do společného grafu naměřené závislosti Mred = f (n) a M = f (n) a do druhého společného grafu průběhy rozběhového proudu I1 = f (t) pro nenabuzený a nabuzený dynamometr. Z hodnot naměřených při rozběhu určete poměrný záběrný proud, a dobu rozběhu – uveďte je ve zhodnocení měření. Teoretický rozbor: Točivý moment M vytvářený 3f AM na hřídeli, nelze v různých pracovních bodech určit přímo ze štítkových hodnot AM, neboť jeho hodnota se mění v závislosti na otáčkách (skluzu) motoru podle charakteristické nelineární závislosti, tzv. mechanické (momentové) charakteristiky AM. Mezi točivým momentem, výkonem a mechanickou úhlovou rychlostí platí vztah: P M = 2 Ω
Ω n
(Nm; W; rad/s),
kde
Ω=
2 ⋅π ⋅ n 60
P P (Nm, W, min -1 ) , nebo M = 9550 ⋅ 2 (Nm, kW, min -1 ) M = 9,55 ⋅ 2 n n je mechanická úhlová rychlost a jsou otáčky ( min.-1 ) v této jednotce jsou zpravidla uváděny na štítku motorů
Točivý moment 3f AM je při konstantních otáčkách úměrný druhé mocnině napájecího napětí. M ∼ U 12 Této skutečnosti využijeme při přepočtu hodnot momentů pro mechanickou charakteristiku n = f (M), protože měření této charakteristiky se zpravidla neprovádí při jmenovité hodnotě napětí U1N, ale při napětí sníženém U1,red < U1N a to z toho důvodu, aby se zabránilo nadměrnému přehřátí motoru vlivem ztrát při měření, při kterém by se mohla poškodit izolace motoru. Přepočet momentů se provede z dynamometrem naměřené hodnoty Mred na hodnotu M při jmenovitém, napětí podle vztahu:
2
Měření na asynchronním motoru FS – bakalářské studium
U M = M red ⋅ 1N U 1,red
2
Dynamometr je elektrický stroj určený k zatěžování motorů a měření točivého momentu. V podstatě je to upravený stejnosměrný cize buzený generátor (starším názvem bylo dynamo). Má rotor spojen spojkou s rotorem měřeného motoru a stator dynamometru je uložen výkyvně a spojen s ukazatelem momentu. Na spodní straně statoru dynamometru je umístěno protizávaží, které při vychylování vytváří direktní moment proti momentu motoru. Velikost závaží (uvedeno na závaží) spolu s počtem dílků stupnice určuje konstantu dynamometru kdyn. Výchylka mechanismu statoru je úměrná točivému momentu, hodnota momentu se určí vynásobením výchylky konstantou kdyn . Ve vinutí kotvy (rotoru) dynamometru se otáčením indukuje elektrické napětí. K vinutí kotvy je připojen rezistor Rext., v němž se elektrická energie mění na teplo. Brzdný moment vyvolaný dynamometrem je dán obecným vztahem Mdyn = c·Φ ·Iag ,
kde výraz c·Φ je konstantou stejnosměrného stroje, přímo závislou na budícím proudu Ibg; proud Iag je proud kotvou dynamometru a v případě zatěžování 3f AM je to proud i externím rezistorem Rext. Zatěžování motorů dynamometrem lze tedy provádět dvěma způsoby: I. změnou velikosti externího zatěžovacího odporu dynamometru Rext. II. změnou budicího napětí dynama Ubg, (to vyvolá změnu Ibg a následně Φ ). Při měření budeme brzdný (zátěžný) moment měnit pouze změnou proudu Ibg a to ze zdroje budícího proudu dynamometru ovladačem 67 (Rext = konst.). Měření velikosti záběrného momentu Ml , kdy takovémuto stavu říkáme stav nakrátko (tj. když rotor napájeného motoru se neotáčí), se provádí zpravidla při sníženém napětí. Rotoru je mechanicky zamezeno otáčet se, jak bude vysvětleno dále. Záběrný moment a záběrný proud můžeme zjistit výpočtem (z katalogových hodnot motoru), nebo měřením. Pro výpočet hodnoty záběrného momentu ML je možné použít údaj λL zvaného poměrný záběrný moment. Ten není uveden na štítku motoru, ale najdete ho např. v katalogu, nebo v protokolu o zkoušce motoru, apod. λL =ML /MN Poměr proudů λIL = I1,L /I1L , nazvaný poměrný záběrný proud, umožní obdobně určit záběrný proud I1,L pomocí ze štítku zjištěného jmenovitého proudu I1N. λIL bývá uveden v katalogu motoru. Výkonová účinnost motoru je definována ČSN EN 60034-2 jako poměr výkonu (mechanického na hřídeli) k jeho příkonu (elektrickému) dle vztahu P η= 2 , P1 kde výkon je dán součinem příslušné hodnoty momentu a úhlové rychlosti dle vztahu 2 ⋅π ⋅ n P2 = M ⋅ Ω = M ⋅ , 60 za předpokladu, že otáčky jsou v min.-1. Elektrický příkon trojfázového AM P1 lze změřit wattmetrem, nebo vypočítat z měřených hodnot napětí a proudu a cos φ .
P1 = 3 ⋅ U1(S) ⋅ I1(S) ⋅ cos ϕ . 3
Měření na asynchronním motoru FS – bakalářské studium
Jmenovitou účinnost lze potom určit podle vztahu
ηN =
P2 N M N ⋅ ΩN = P1N 3 ⋅ U1(S)N ⋅ I1(S)N ⋅ cos ϕ N
( - ; W, W; N.m, rad·s-1, V, A, -).
Pro vlastní výpočet jmenovité účinnosti lze použít jmenovité hodnoty štítku motoru. Při rozběhu jsou proudy ve statoru i rotoru motoru větší než jmenovité. Největší proudu je v okamžiku spuštění – záběru, pak v průběhu rozběhu klesá, po dosažení ustálených otáček se ustálí i proud motoru. Doba tohoto děje je u motorů malých a středních výkonů velmi krátká a děj je proto běžnými měřicími přístroji neměřitelný. Časový průběh rozběhového proudu lze změřit I1 = f(t) pomocí nějakého záznamového měřicího přístroje, např. paměťového osciloskopu, nebo pomocí počítače s vhodným měřicím převodníkem – jako v tomto měření.
Přehledové schéma měřicího stanoviště:
3 + PEN, 50 Hz, 400 V / TN-C zap.
buzení dynamometru
napájení AM
vyp.
ovladače 5a6
ovladač 67
M
~ = dynamometr
ovladač 8 48 V
400 V
0
panelový ampérmetr
V
A
A
ovladač 12
3
M
G
3~
panelový
TD
n otáčkoměr
měřený motor počítač
optický otáčkoměr
Rext
Postup měření: (Pozn.1: body 3-10 se týkají měření číslo 1, body 11-12 měření číslo 2, body 13-14 měření číslo3. Pozn.2: na měřicím pracovišti jsou jednotlivé ovládací prvky očíslovány.) Pokud váš vyučující neurčí jinak, tak při měření postupujte takto: 1. Zapište si štítkové hodnoty měřeného motoru a použité měřicí přístroje. 2. Před začátkem měření proveďte vizuální kontrolu pracoviště měřené úlohy - svítit mohou pouze bílé signálky, nebo může být vypnutý hlavní jistič laboratoře (nesvítí žádná signálka). Přepínače 8 a 12 jsou v poloze 0. Ovladače autotransformátorů musí být staženy na minimum (levá krajní poloha). Zkontrolujte rukou, zda je hřídel motoru odbrzděná, musí se volně otáčet. 3. Po svolení vyučujícího zapněte pracoviště zeleným tlačítkem 5, pak přepněte přepínač 8 do polohy 0-50V a přepínač 11 na střídavé napětí. 4. Ovladačem autotransformátoru 12 nastavte podle voltmetru napájecí napětí na hodnotu zadanou tabulkou.
4
Měření na asynchronním motoru FS – bakalářské studium
3
5. Proveďte měření naprázdno, odečtěte z přístrojů proud a napětí, i zbytkový moment dynamometru (pasivní odpory ložisek). Otáčky změřte buď pomocí tachodynama nainstalovaným voltmetrem, nebo bezkontaktním optickým otáčkoměrem, podle pokynů vyučujícího. 6. Snižte napájecí napětí AM na hodnotu podle tabulky a ovladačem autotransformátoru 67 zapněte buzení dynamometru. 7. Proveďte měření při zatížení. Ovladačem autotransformátoru 67 nastavujte budicí proudy dynamometru podle tabulky a odečítejte ostatní veličiny. Měření je potřeba provádět rychle, motor se při něm nadměrně zahřívá. 8. Po ukončení měření urychleně stáhněte budicí proud, a ovladačem 67 vypněte buzení dynamometru. Ovladačem autotransformátoru 12 snižte napájecí napětí motoru na nulu. Po zastavení motoru provede vyučující mechanické zabrzdění dynamometru. 9. Proveďte měření nakrátko, ovladačem 12 nastavte napětí AM na hodnotu uvedenou v tabulce a odečtěte moment a proud. Měření je potřeba provádět velmi rychle. Poté snižte napětí na nulu. 10. Vyučující provede odbrzdění dynamometru. 11. Vypočítejte jmenovitý moment motoru (z jmenovitých - štítkových hodnot). 12. Nastavte napájecí napětí motoru na jmenovitou hodnotu 42V a poté nastavte budící proud dynamometru takový, aby moment byl roven přesně jmenovitému momentu. Odměřte a zapište do tabulky požadované veličiny (činný výkon odečítejte z počítače). Stáhněte buzení dynamometru a poté i napájecí napětí motoru na nulu. 13. Proveďte měření rozběhového proudu v nezatíženém stavu (dynamometr je vypnut ovladačem 67). Nastavte napájecí napětí motoru na 42V. Pak motor vypněte ovladačem 11 a počkejte až se zastaví. Pak motor opět zapněte ovladačem 11 a na obrazovce sledujte průběh rozběhového proudu. Po ukončení rozběhu data uložte jako obrázek, i jako data - textová tabulka (pozor, ukládá se jen část mezi kurzory). 14. Proveďte měření rozběhového proudu v zatíženém stavu. Ovladačem 67 nastavte budicí proud dynamometru na stejnou hodnotu jako v bodě 12 (odpovídá jmenovitému momentu motoru). Opakujte měření podle bodu 14. Dynamometr se při tomto měření velmi rozkýve, přitlumte jeho stator rukou, ale vždy pod vedením učitele, aby se předešlo úrazu. Pak dynamometr opět vypněte ovladačem 67. 15. Podle pokynů vyučujícího buď vypněte celé pracoviště, nebo nechte motor kvůli rychlejšímu chlazení běžet naprázdno při sníženém napětí. (AM má ventilátor na hřídeli, proto se při chodu naprázdno ochlazuje lépe než v klidu).
Tabulky naměřených a jinak zjištěných hodnot: Údaje o motoru Typ motoru: P2N (W) = nN (min-1) = krytí IP :
U1N (Y/D)* (V) = I1N (Y/D)* (A) = f (Hz) = cos ϕΝ (-) =
* UN a IN se udává jako dvě hodnoty, většinou oddělené lomítkem. První platí jestliže je motor zapojen do hvězdy, druhá pro zapojení do trojúhelníka. Vizuální kontrolou svorkovnice zjistěte skutečné zapojení motoru (Y nebo ∆) a příslušné údaje UN a IN podtrhněte.
5
Měření na asynchronním motoru FS – bakalářské studium
Tabulka k měření č. 1 – měření statických momentových charakteristik U1N = 42 V, km = 0,5 N·m/díl, M = Mred ·(U1N/U1red)2 motor U1 U1red (V) naprázdno 42
dynamometr
otáčkoměr
I1
Ibg
Mred
n
(U1N/U1red)2
(A)
(A) 0,0
(N·m)
(min-1)
(-) 1,000
př i zatížení
22 22 22 22 22 22 22 22
0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0
nakrátko
22
––
0
použité vztahy:
P2 =
I (A)
P1 (W) M ⋅n 9,55
cos(ϕ ) =
(při 42V)
(N·m)
3,645
⋅ 9,55 =
Ibg (A)
3 ⋅U ⋅ I
(Nm;W,min-1)
vypočteno z jmenovitých hodnot
ηΝ
(%)
η=
(W; Nm, min-1)
P1
Nm
vypočteno z naměřených hodnot P2 ηΝ cos (ϕ) (W) (%) (-)
naměřené hodnoty
n (min-1)
M
3,645 3,645 3,645 3,645 3,645 3,645 3,645 3,645
Měření č. 2 – měření při jmenovitých hodnotách: P Výpočet jmenovitého momentu: M N = N ⋅ 9,55 = nN nastavené hodnoty U1=U1N M=MN (V) (Nm) 42
přepočet momentu
P2 ⋅ 100 (%; W, W) P1
( – ; W, V, A)
Tabulka k měření č. 3 – měření rozběhového proudu
rozběh naprázdno rozběh při zatížení
dynamomet r Ibg (A) 0
odečteno z počítače I1,L (A)
I1 ustálené (A)
doba rozběhu (s)
vypočteno
λIL (-)
Použitý vztah: λIL = I1,L /I1N
6
Měření na asynchronním motoru FS – bakalářské studium
