14 Měření základních parametrů třífázového asynchronního motoru s kotvou nakrátko 14.1 Zadání a) změřte izolační odpor třífázového asynchronního motoru s kotvou nakrátko, b) změřte ohmický odpor jednotlivých fází statorového vinutí a ověřte symetrii cívek statoru, c) změřte odebíraný proud, fázový činný výkon, fázové napětí a otáčky při běhu motoru naprázdno v zapojení statoru do hvězdy, d) změřte odebíraný proud, fázový činný výkon, fázové napětí a otáčky při běhu motoru naprázdno v zapojení statoru do trojúhelníka, e) změřte odebíraný proud, fázový činný výkon, fázové napětí při stavu nakrátko v zapojení do hvězdy, f) změřte odebíraný proud, fázový činný výkon, fázové napětí při stavu nakrátko v zapojení do trojúhelníka, g) z naměřených hodnot spočítejte základní parametry motoru, h) sestrojte kruhový diagram a popište jej, i) proveďte zhodnocení a závěr měření. 14.2 Teoretická část 14.2.1 Zapojení statoru Aby na rotor působilo magnetické pole, je třeba zajistit průtok proudu statorovým vinutím. Statorové vinutí přesněji řečeno soustava statorového vinutí sestává ze tří cívek, které lze ve třífázové napájecí soustavě zapojit dvojím způsobem tzv. do trojúhelníku a do hvězdy. Systém statorového vinutí je vyveden na svorkovnici motoru, která je tvořena šesti šrouby, na které jsou vyvedeny jednotlivé statorové cívky (obr.14.1). Šrouby (svorky) příslušející jednotlivým cívkám jsou označeny stejným písmenem (často U,V,W) a jsou odlišeny začátky a konce cívek (např. konce cívek U, V, W ). Jednotlivé způsoby zapojení vinutí se mezi sebou liší především proudovým odběrem, který je u zapojení do trojúhelníka třikrát větší, než u zapojení do hvězdy. Obr. 14.1: Svorkovnice trojfázového motoru a nejčastější způsob vyvedení svorek jednotlivých cívek 14.2.1.1 Zapojení statoru do hvězdy Začátky cívek jsou zde připojeny na jednotlivé fázové vodiče a konce cívek jsou navzájem spojeny. Takového zapojení statorových cívek zajistíme propojením konců cívek na svorkovnici propojovacími destičkami, popřípadě kabelovými vodiči (obr. 14.2). Obr. 14.2: Propojení svorkovnicových vývodů při zapojení motoru do hvězdy
14.2.1.2 Zapojení statoru do trojúhelníka V tomto případě je konec vinutí první fáze spojen se začátkem vinutí pro druhou fázi. Konec druhé cívky je spojen se začátkem třetí cívky (obr. 14.3). Konec vinutí třetí fáze navazuje na začátek vinutí první fáze. Každá cívka je zde připojena na sdružené napětí, z čehož vyplývá již zmíněný trojnásobný síťový proud oproti zapojení do hvězdy. Obr. 14.3: Propojení svorkovnicových vývodů při zapojení motoru do trojúhelníka 14.2.2 Izolační odpor třífázového motoru Jedním z nejdůležitějších provozních parametrů motoru je hodnota izolačního odporu a elektrické pevnosti izolace. U třífázového motoru jde o izolaci mezi cívkami statoru a statorovými plechy a vzájemná izolace mezi statorovými cívkami. Izolace mezi statorovým vinutím a statorovými plechy je nejčastěji realizována izolačním papírem vloženým do statorové drážky (je napuštěn transformátorovým olejem pro zlepšení izolačních vlastností) a dále vrstvy smaltu z výroby. Vzájemnou izolaci mezi cívkami zajišťuje vkládaný transformátorový izolační papír, který je při výrobě také napuštěn transformátorovým olejem, a vrstva smaltu. K porušení těchto izolací může dojít vniknutím malých částic s ostrými hranami (železné piliny, prach), kterými se narušuje povrchová vrstva smaltu, popřípadě vnějším mechanickým poškozením. Zmenšení izolačních vlastní způsobuje také velká okolní vlhkost, která snižuje elektroizolační vlastnosti papírové izolace. K degradaci smaltové vrstvy na povrchu vodičů dochází také tepelným působením při přetížení a zkratu. 14.2.2.1 Měření izolačního odporu Pro posouzení kvality izolace zařízení se používá hodnota naměřeného izolačního odporu. Nejčastěji používanými parametry popisující stav izolace stroje jsou izolační odpor naměřený při minutové zkoušce R IZ60 popřípadě odpor naměřený při desetiminutové zkoušce R IZ600. Pro měření lze použít analogový i digitální měřící přístroj. Z normy vyplývá, že izolační odpor mezi výše zmíněnými částmi stroje by neměl klesnout pod hodnotu 0,5 MΩ. Při měření izolačního odporu mezi cívkami statorového vinutí je třeba stator rozpojit, motor tedy není zapojen ani do hvězdy, ani do trojúhelníku! 14.2.3 Měření ohmického odporu vinutí Tímto měřením lze odhalit nesymetrie statorového vinutí vzniklé např.mezizávitovými zkraty. Vinutí s mezizávitovými zkraty má menší ohmický odpor, protože proud prochází menším počtem závitů. Tím se samozřejmě zvyšují Jouleovy ztráty ve vodičích a cívka se oproti ostatním více zahřívá. Pro samotné měření lze použít několik metod, nejrozšířenější a nejrychlejší je použití přímoukazujících přístrojů můstky (přesné), multimetry (multimetr jen pro informativní měření). Méně rozšířené a časově náročnější je ohmova metoda měření odporu. Při ní připojujeme cívky na zdroj stejnosměrného napětí, na proud v obvodu má potom vliv pouze činný odpor cívky, reaktance cívky se díky nulové frekvenci neprojeví. Touto metodou jsme schopni dosáhnout hodnotu odporu s dobrou přesností, která je omezena přesností voltmetru a ampérmetru. 14.2.4 Měření parametrů naprázdno Připojíme-li motor k napájecí síti a necháme jej běžet bez zatížení (bez brzdění hřídele), naměřené hodnoty proudu, výkonu a otáček jsou charakteristickými parametry tohoto stroje. Proud naprázdno budeme potřebovat i pro konstrukci kruhového diagramu. 14.2.5 Měření parametrů nakrátko a při zatížení
Zjištění parametrů nakrátko provádíme při zabrzděné hřídeli stroje (pomocí speciálního přípravku). Měření probíhá při sníženém napětí, abychom nepřekročili maximální bezpečné hodnoty proudu nakrátko. Proud nakrátko odpovídající jmenovitému napětí dopočítáme nebo určíme graficky z kruhového diagramu. Parametry při zatížení závisí na míře zatížení motoru (skluzu). 14.2.6 Kruhový diagram Jde o grafické vyjádření vzájemných závislostí momentu, výkonu, proudu, skluzu a účiníku motoru. Z tohoto diagramu lze odhadnout chování stroje (hodnot výše uvedených veličin) prakticky při všech stavech motoru. Pro konstrukci diagramu potřebujeme znát fázory proudu naprázdno a nakrátko. Používáme hodnoty naměřené při zapojení motoru do hvězdy. 14.2.6.1 Konstrukce kruhového diagramu (viz obr. 14.4) a) Zvolíme vhodné měřítko proudu m I [A/mm] b) V měřítku nakreslíme fázory proudů I 0 a I kn. c) Zkonstruujeme úsečku spojující konce fázorů proudů I 0 a I kn a v jejím středu zkonstruujeme kolmici. Na této kolmici pak bude ležet střed kružnice. Dále nakreslete rovnoběžku s Re osou procházející koncovým bodem fázoru I 0. Průsečík této rovnoběžky je označen jako bod A. Středem takto vzniklé úsečky pak vedeme rovnoběžku s Im osou. Průsečík této rovnoběžky s výše zmíněnou kolmicí je střed kružnice. Nyní již lze zkonstruovat kružnici. d) Dále potřebujeme nalézt bod I, který odpovídá fázoru statorového proudu při skluzu s = ±. Pod tímto skluzem si představíme případ, kdy hřídel stroje roztočíme nějakým cizím motorem na nekonečně vysoké otáčky. Koncovým bodem fázoru I 0 vedeme rovnoběžku s Im osou a koncovým bodem fázoru I kn vedeme rovnoběžku s Re osou. Průsečík těchto rovnoběžek je označen bodem B. Vzniklou úsečku rozdělíme v poměru R 1 a k 2 R 2 a takto vzniknuvší bod označme písmenem G. Polopřímka vedená z I 0 bodem G pak vytne na kružnici bod I. e) Přímka výkonů je spojnice koncových bodů fázorů I 0 a I kn. f) Sestrojíme stupnici skluzu. V koncovém bodě fázoru I 0 se vede tečna ke kružnici. V libovolné vzdálenosti od bodu dotyku tečny s kružnicí nakreslíme rovnoběžku s přímkou momentů. Průsečíkem s tečnou a prodlouženou přímkou výkonů vznikají skluzy 0 a 100 %. Stupnice je lineární. g) Vypočteme měřítko výkonu a momentu mp mp = 3UsmI mm = ns 2π 60 Obr. 14.4: Konstrukce kruhového diagramu
14.2.6.2 Čtení z kruhového diagramu (obr. 14.5) Na kružnici zvolíme bod I 1, který představuje libovolné zatížení daného stroje. Velikost proudu je velikost úsečky 0I 1.m I. Účiník proudu se určí z úhlu, který svírá fázor proudu I 1 s Re osou. Příkon je dán I 1 C.m p. Moment je dán I 1 E.m m. Výkon přenesený přes vzduchovou mezeru je I 1 E.m p. Výkon je dán I 1 F.m p. Ztráty naprázdno jsou dány CD.m p. Joulovy ztráty rotoru jsou DE.m p. Joulovy ztráty rotoru jsou EF.m p. Skluz se určí pomocí prodloužené spojnice I 1 I 0, která tak protne přímku skluzu. Skluz se pak odečítá na lineární stupnici skluzu. Maximální výkon P max se nalezne na průsečíku kružnice a kolmice k přímce výkonů. Maximální moment M max se nalezne obdobně, na kolmici k přímce momentů. 0br. 14.5 Čtení z kruhového diagramu 14.3 Tabulky naměřených a vypočítaných hodnot Měření izolačního odporu R L1-PE [MΩ] R L2-PE [MΩ] R L3-PE [MΩ] R L1-L2 [MΩ] R L1-L3 [MΩ] R L2-L3 [MΩ]
Měření ohmického odporu jednotlivých fázových vinutí R 1 [Ω] R 2 [Ω] R 3 [Ω] Měření motoru naprázdno zapojení do hvězdy n 0Y [min -1 ] U 0Y [V] I 0Y [A] P 0Y [W] Měření motoru naprázdno zapojení do trojúhelníka n 0D [min -1 ] U 0D [V] I 0D [A] P 0D [W] Měření motoru nakrátko zapojení do hvězdy U ky [V] I ky [A] P ky [W] Měření motoru nakrátko zapojení do trojúhelníka U kd [V] I kd [A] P kd [W] Vysvětlivky k tabulkám: R L1-PE izolační odpor mezi cívkou první fáze a kostrou R 1 ohmický odpor cívky první fáze U 0Y napětí naprázdno při zapojení do hvězdy P 0Y činný výkon naprázdno při zapojení do hvězdy U 0D napětí naprázdno při zapojení do trojúhelníka P 0D činný výkon naprázdno při zapojení do trojúhelníka I ky - proud nakrátko při zapojení do hvězdy U kd - napětí nakrátko při zapojení do trojúhelníka P kd činný výkon nakrátko při zapojení do trojúhelníka 14.4 Schéma zapojení R L1-L2 idol. odpor mezi cívkou první a druhé fáze n 0Y otáčky naprázdno při zapojení do hvězdy I 0Y proud naprázdno při zapojení do hvězdy n 0D otáčky naprázdno při zapoj. do trojúhelníka I 0D proud naprázdno při zapojení do trojúhelníka U ky - napětí nakrátko při zapojení do hvězdy P ky činný výkon nakrátko při zapojení do hvězdy I kd - proud nakrátko při zapojení do trojúhelníka Pozn: Regulační autotransformátoru se zapojuje jen při měření nakrátko
14.5 Postup měření a) megmetem změřte izolační odpor motoru, b) přímo ukazujícím přístrojem nebo pomocí ohmovy metody změřte ohmické odpory jednotlivých fází, c) zapojte obvod podle schématu bez regulačního autotransformátoru a nechte jej zkontrolovat vyučujícím, d) nechte motor rozběhnout a změřte otáčky (optickým otáčkoměrem), napětí, proud a výkon motoru, e) pro další měření (nakrátko) zapojte motor dle schématu i s regulačním autotransformátorem, f) pomocí přípravku zabrzděte motor a autotransformátorem zvyšujte napětí na vstupu až do chvíle, kdy motor odebírá jmenovitý proud, g) dle 14.2.6.1 zkonstruujte kruhový diagram, h) odpovězte na otázky a v závěru zanalyzujte naměřené hodnoty. 14.6 Kruhový diagram Zde sestrojte kruhový diagram. 14.7 Otázky k úloze a) Popište výhody asynchronního motoru s kotvou nakrátko oproti jiným elektromotorům. b) Popište největší nevýhody tohoto stroje a případná opatření pro jejich zmírnění. 14.8 Závěr měření Datum vypracování: Připomínky k protokolu: Podpis studenta: Hodnocení - LABORATOŘ: CELKOVÉ HODNOCENÍ: