Overview
Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.
Gli obiettivi di questo esperimento sono di trovare i parametri di circuito equivalenti di un motore a induzione trifase utilizzando il circuito equivalente per fase e test simili a quelli utilizzati nella caratterizzazione del trasformatore. Nell'ingegneria elettrica, un circuito equivalente (o circuito teorico) può essere determinato per un dato sistema. Il circuito equivalente conserva tutte le caratteristiche del sistema originale e viene utilizzato come modello per semplificare i calcoli. Un altro obiettivo è quello di azionare il motore nella regione lineare della velocità di coppia.
Principles
Il motore a induzione trifase è alimentato da tensioni o correnti trifase che inducono tre campi magnetici. Questi campi si sommano a un campo magnetico cumulativo, che ruota nello spazio ad ampiezza costante ed è chiamato campo magnetico dello statore. Il campo magnetico induce corrente nelle barre o bobine metalliche del rotore, che a loro volta inducono il proprio campo magnetico, chiamato campo magnetico del rotore. Il rotore si blocca all'interno dello statore e il campo magnetico del rotore cerca di bloccarsi al campo magnetico dello statore rotante, causando la rotazione del rotore. Il rotore è tipicamente costituito da barre del rotore legate con anelli terminali, formando quella che è comunemente nota come "gabbia di scoiattolo".
Il circuito equivalente per fase modella la resistenza all'avvolgimento lato statore e rotore R1 e R2, rispettivamente, l'induttanza di perdita dovuta al flusso di perdita tra il rotore e lo statore(L1 è l'induttanza di perdita dello statore e L2 è l'induttanza di perdita del rotore), l'induttanza di magnetizzazione reciproca(Lm o reattanza Xm)e le perdite del nucleo nella resistenza equivalente alla perdita del nucleo RC . Questi sono simili al modello di circuito equivalente del trasformatore, ma includono l'effetto del ritardo del campo magnetico del rotore dietro lo statore, che è chiamato slittamento.
Per trovare il modello di circuito equivalente del motore, è necessario eseguire diversi test (test a vuoto, rotore bloccato, CC e carico). Questi test richiedono la conoscenza delle classificazioni del motore. Per la tensione nominale di 208 V a 60 Hz, dalla targhetta è necessario annotare quanto segue: potenza nominale (HP e W, dove 1 HP = 746 W), corrente nominale (A) e velocità nominale (RPM e rad/s). Da queste valutazioni, la coppia nominale (N·m) può essere trovata dividendo la potenza nominale in Watt rispetto alla velocità nominale in rad / s (1 RPM = 2π / 60 rad / s), che non è mostrata sulla targhetta.
Per caricare l'albero della macchina a induzione, un generatore DC (configurazione del dinamometro) è accoppiato meccanicamente all'albero. Il motore a induzione funge da motore principale del generatore. All'aumentare del carico elettrico sul generatore, la potenza meccanica aumenta nel generatore e fuori dal motore a induzione, aumentando così il carico sull'albero motore a induzione.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. Test DC
Si noti che una macchina a induzione a gabbia di scoiattolo ha solo terminali statori accessibili.
- Accendere l'alimentatore CC a bassa potenza e limitare la corrente a 1,8 A.
- Disattivare l'alimentazione.
- Collegare i terminali di alimentazione attraverso due dei terminali del motore a induzione (etichettati A, B e C).
- Accendere l'alimentazione e registrare la tensione e la corrente di uscita.
- Ripetere l'operazione per le altre due combinazioni di fasi.
- Si noti che la resistenza misurata è per due fasi in serie, quindi la resistenza per fase è la metà della misurazione.
2. Test a vuoto
Testare la macchina a induzione senza carico per trovare i parametri di diramazione di magnetizzazione per fase Xm e RC. Per questo test, assicurarsi che il dinamometro di carico abbia tutti i suoi terminali scollegati, dove non genera energia e non supporta alcun carico.
- Assicurarsi che la sorgente trifase sia disattivata.
- Verificare che il VARIAC sia allo 0%, quindi collegare il VARIAC alla presa trifase e collegare il setup (Fig. 1).
- Verificare che le connessioni del circuito siano come mostrato in Fig. 1, quindi accendere la sorgente trifase.
- Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando ciascuno dei misuratori di potenza digitali legge circa 208 V.
- Registrare le letture di potenza, tensione e corrente da entrambi i contatori.
- Misurare la velocità utilizzando la luce stroboscopica (regolare la luce stroboscopica a una velocità ragionevole) ed etichettare la misurazione come ωo.
- Registrare la lettura della coppia in N·m o lb·ft ed etichettare la misurazione come To nel caso in cui il torsiometro o l'apparato di misurazione della coppia non sia ben calibrato. Questa è la coppia a vuoto.
- Impostare il VARIAC su 0%, quindi spegnere la sorgente trifase. Lascia intatto il resto del circuito.
Figura 1: Configurazione elettrica per test a vuoto. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Test del rotore bloccato
Testare la macchina a induzione con un rotore bloccato in modo simile al test di cortocircuito di un trasformatore. Utilizzare questo test per trovare le resistenze della serie per fase e le induttanze di perdita. Per questo test, assicurarsi che il dinamometro di carico abbia tutti i suoi terminali scollegati.
- Assicurarsi che la sorgente trifase sia disattivata.
- Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
- Bloccare il rotore sul lato del dinamometro utilizzando un morsetto meccanico o un'impostazione di coppia zero, se il dinamometro è controllato digitalmente.
- Si noti che la configurazione è ancora simile a quella della Fig. 1, tranne che con un rotore bloccato.
- Verificare che i collegamenti del circuito siano come mostrato in Fig. 2.
- Accendere la sorgente trifase e l'interruttore della macchina a induzione.
- Aumentare lentamente e con attenzione il VARIAC fino a raggiungere la corrente nominale su uno o entrambi i misuratori di potenza digitali.
- Registrare le letture di potenza, tensione e corrente da entrambi i contatori.
- Impostare il VARIAC su 0%, quindi spegnere la sorgente trifase. Lascia intatto il resto del circuito.
Figura 2: Configurazione per il test di carico.
4. Prova di carico
Utilizzare questo test per tracciare la caratteristica lineare coppia-velocità della macchina a induzione. Per questo test, utilizzare il dinamometro con un campo di shunt come generatore (maggiori informazioni su questa condizione operativa sono fornite più avanti nel video delle macchine CC, ma l'armatura è la porta di uscita del generatore).
- Assicurarsi che la sorgente trifase e l'interruttore della macchina a induzione siano spenti.
- Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
- Rimuovere il morsetto di bloccaggio dall'albero del rotore.
- Collegare il circuito (Fig. 2). Utilizzare RL= 300Ω ma tenere SD spento.
- Non utilizzare il campo serie.
- Controllare il circuito, quindi accendere la sorgente trifase e l'interruttore della macchina a induzione.
- Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando ciascuno dei misuratori di potenza digitali legge circa 208 V.
- Registrare le letture di potenza, tensione e corrente da entrambi i contatori.
- Misurare la velocità ed etichettarla come ω1. Per misurare la velocità, regolare la manopola di frequenza "Grossolana" sulla luce stroboscopica fino a quando l'albero sembra quasi fermo, quindi regolare l'impostazione della frequenza utilizzando la manopola "Fine".
- Registrare la lettura della coppia ed etichettarla come T1.
- Si noti che questo punto operativo (ω1, T1) non è lo stesso di nessun carico, perché l'avvolgimento del campo agisce anche come un carico in parallelo con l'armatura. Quando SD viene girato più tardi e RL viene diminuito, il carico aumenta poiché la corrente di carico aumenta man mano che RL diminuisce.
- Accendere SD. Misurare la velocità ed etichettarla come ω2.
- Registrare la lettura della coppia ed etichettarla come T2.
- Spegnere SD. Cambiare RL in 200 Ω, quindi accendere SD.
- Misurare la velocità ed etichettarla come ω3.
- Registrare la lettura della coppia ed etichettarla come T3.
- Accendere SD. Cambiare RL a 100 Ω. Accendere SD.
- Misurare la velocità ed etichettarla come ω4.
- Registrare la lettura della coppia ed etichettarla come T4.
- Impostare variaC su 0%, spegnere la sorgente trifase e smontare il circuito.
I motori a induzione AC sono i cavalli di battaglia dell'industria moderna, in quanto sono semplici, robusti e affidabili. Un motore a induzione ha solo due parti principali. Il primo è la parte stazionaria chiamata statore, che consiste in bobine stazionarie attorno a una cavità. Sospeso nella cavità è il rotore, che è una coppia di anelli terminali che tappano una disposizione cilindrica di barre. Questo è spesso chiamato la gabbia dello scoiattolo. I parametri elettrici di questi due componenti forniscono informazioni sull'efficienza del motore e sul rapporto tra coppia e velocità. Questo è essenziale per determinare le dimensioni e il tipo di motore migliori per un'applicazione. Questo video introdurrà le basi del funzionamento del motore a induzione e dimostrerà come determinare un modello di circuito equivalente per un motore a induzione trifase.
Un motore a induzione CA trifase utilizza l'alimentazione trifase con ogni fase collegata al proprio set separato di bobine dello statore. Le bobine sono disposte in uno schema che genera un campo magnetico per ogni fase della potenza fornita. Il campo magnetico netto risultante, chiamato campo magnetico dello statore, ruota con velocità angolare costante. Il flusso magnetico rotante induce corrente nel rotore, in modo simile al modo in cui un trasformatore trasferisce energia dalla bobina primaria a quella secondaria. La corrente attraverso le barre della gabbia dello scoiattolo a sua volta crea il proprio campo magnetico, chiamato campo magnetico del rotore indotto. L'interazione tra questi due campi produce una forza sul rotore, che fa sì che segua il campo magnetico dello statore. Come una barra di ferro che segue i magneti che la circondano. Se il rotore segue esattamente il campo magnetico, come questa barra, allora il motore è sincrono. Tuttavia, in un motore a induzione, il rotore è in ritardo rispetto al campo magnetico dello statore. Questo ritardo, chiamato slittamento, fa sì che i motori a induzione siano asincroni. Pertanto, il motore a induzione girerà sempre più lentamente della velocità sincrona. La coppia aumenta con la diminuzione dello slittamento o quando la velocità del motore diminuisce da sincrona fino a un certo punto chiamato coppia di rottura. Con l'aggiunta di un carico, la velocità di rotazione diminuisce all'aumentare dello slittamento, con conseguente diminuzione della coppia. I seguenti esperimenti mostreranno come misurare vari parametri elettrici del motore a induzione al fine di descrivere il motore utilizzando un modello di circuito equivalente.
Ciascuno dei seguenti test richiede la conoscenza delle classificazioni del rotore, che sono stampate sulla targhetta del motore. Per la tensione nominale di 208 volt a 60 hertz, registrare la potenza nominale sia in cavalli che in watt. Registra anche la corrente nominale in ampere e la velocità nominale in entrambi i giri al minuto e radianti al secondo. La coppia nominale può essere calcolata ed è uguale alla potenza nominale divisa per la velocità nominale. Qui l'albero motore a induzione aziona un generatore DC. Il carico elettrico sul generatore DC è direttamente correlato alla potenza meccanica in esso contenuta. E a sua volta, funge da carico meccanico sul motore a induzione. Innanzitutto, imposta il limite di corrente di alimentazione CC su 1,8 ampere, quindi spegnilo. Questo test DC misura la resistenza del solo avvolgimento dello statore poiché solo i terminali dello statore sono accessibili per un motore a induzione a gabbia di scoiattolo. Collegare l'uscita dell'alimentatore tra i terminali dello statore A e B. Accendere l'alimentatore e registrarne la tensione e la corrente di uscita. Ripetere questa procedura per le altre combinazioni bifase B e C e C e A. Per ciascuna delle combinazioni di fasi, calcolare la resistenza dividendo la tensione di uscita per la corrente di uscita. Il risultato è se per due fasi in serie, quindi la resistenza per fase, R1, è la metà di questo valore. La resistenza all'avvolgimento dello statore dipende dalla potenza nominale del motore ed è di sei ohm per questo motore.
Testare il motore a induzione senza carico per ottenere le misure necessarie per ulteriori calcoli. Innanzitutto, scollegare tutti i terminali del generatore DC o del dinamometro, in modo che non generi energia e non fornisca alcun carico meccanico al motore a induzione. Con la fonte di alimentazione trifase spenta, assemblare l'apparecchio. Impostare la variac su 0% di uscita e collegarla alla presa trifase. Accendere l'alimentazione trifase e aumentare rapidamente l'uscita variac fino a quando ciascuno dei misuratori di potenza digitali legge circa 208 volt. Registrare le misurazioni di potenza, tensione e corrente da entrambi i contatori. La somma della potenza misurata dai due misuratori di potenza digitali è la potenza consumata dalle tre fasi che agiscono insieme. 1/3 di questo è il potere in una fase. Registrare la coppia del motore e designarla t-zero, la coppia a vuoto. Se l'apparecchio di misurazione della coppia non è ben calibrato, t-zero potrebbe non essere necessariamente uguale a zero. Quindi, utilizzare una luce stroboscopica per misurare la velocità di rotazione del motore senza carico, che è vicina alla sua velocità sincrona di 1.800 giri / min. Regola la rotta e trova le manopole di frequenza fino a quando l'albero non sembra fermo. La velocità del motore è in genere compresa tra la velocità nominale sulla targhetta e la velocità sincrona. Converti la frequenza della luce stroboscopica dagli RPM alla velocità di rotazione angolare a vuoto, omega zero. Impostare la variac su 0% di uscita, quindi spegnere l'alimentazione trifase. Lasciare intatto il resto dell'apparecchio.
Il test del rotore bloccato misura i parametri elettrici quando il motore è fisso e non è in grado di ruotare. In questo stato, si verifica la più grande differenza di movimento tra il rotore e il campo dello statore. Per questo test, utilizzare l'impostazione della prova a vuoto e scollegare tutti i terminali del generatore DC o del dinamometro. Con la potenza trifase spenta e la variac allo 0% di uscita, bloccare il rotore sul lato motore DC con il morsetto meccanico. Ad eccezione del rotore bloccato, l'apparecchio è lo stesso della prova a vuoto. Accendere l'alimentazione trifase e il motore a induzione. Aumentare lentamente l'uscita variac alla corrente nominale sui misuratori di potenza digitali. Registrare la potenza, la tensione e la corrente da entrambi i contatori. Per finire, impostare la variac su 0%, quindi spegnere l'alimentazione trifase.
In effetti, l'avvolgimento dello statore svolge la stessa funzione della bobina primaria di un trasformatore e il rotore è equivalente all'avvolgimento secondario. Il motore può quindi essere modellato utilizzando un circuito equivalente simile a quello di un trasformatore. Tuttavia, il circuito è semplificato per rimuovere la porzione ideale del trasformatore e si riferisce ai componenti del rotore come riflesso dello statore. Il circuito equivalente per fase include la resistenza all'avvolgimento dello statore, R1, calcolata dal test DC. Lo statore mostra anche opposizione ai cambiamenti di corrente e tensione chiamati reattanza X1. I parametri del rotore vengono riflessi dallo statore, compresa la resistenza riflessa, R2 prime, e la reattanza riflessa del rotore, X2 prime. La reattanza magnetizzante reciproca, il parametro XM è un equivalente per il flusso magnetico nello spazio d'aria tra il rotore e lo statore. Infine, si verifica una perdita di potenza tra lo statore e il rotore ed è modellata come la resistenza equivalente alla perdita del nucleo, RC. Tutti questi valori possono essere calcolati dai test dimostrati e sono dettagliati nel protocollo dei test.
I motori a induzione AC sono ampiamente utilizzati in una varietà di applicazioni, grazie alla loro semplicità, robustezza e affidabilità. Un motore a induzione viene spesso selezionato in base alla sua velocità di coppia lineare sotto un carico meccanico mutevole. Il test di carico traccia la caratteristica della velocità di coppia lineare al cambio del carico meccanico. Per questo test, un generatore DC, o dinamometro, è collegato al motore a induzione in modo che fornisca un carico controllato sul rotore. L'apparecchio è assemblato con una resistenza di carico, R-L, di 300, 200 o 100 ohm. Le misurazioni di potenza, tensione e corrente vengono registrate dai contatori collegati. Quindi, la lettura della coppia e la velocità di rotazione vengono misurate con e senza la resistenza al carico. Un grafico delle caratteristiche di velocità della coppia del motore a induzione sarà simile a queste curve per le quattro classi di motori NEMA. Un microscopio elettronico richiede una camera evacuata per contenere il campione e utilizza una pompa per vuoto che può avere un piccolo motore a induzione. Il vuoto nella camera consente la trasmissione di elettroni al campione e dal campione all'apparato di imaging. Infine, i torni e altre attrezzature per officina meccanica possono utilizzare motori a induzione trifase più potenti. A causa della loro semplicità e mancanza di commutazione meccanica, i motori a induzione possono sopportare un uso intenso con ridotta probabilità di guasto. Questa robustezza è un chiaro vantaggio quando si fabbricano parti metalliche.
Hai appena visto l'introduzione di Jove ai motori a induzione AC. Ora dovresti capire il principio di base del funzionamento e come eseguire i test per determinare i loro parametri di circuito equivalenti.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
Un errore comune nel trovare i parametri di circuito equivalenti delle macchine a induzione è quello di utilizzare la potenza misurata trifase nei calcoli del circuito equivalente per fase, mentre un terzo della potenza dovrebbe essere utilizzato: tre fasi consumano la potenza misurata e, quindi, un terzo della potenza è in una fase.
I calcoli dei parametri del circuito equivalente sono simili a quelli dei trasformatori, ma è comune dividere X1 e X2' per il telaio NEMA della macchina. Ad esempio, se il motore è del telaio NEMA A o D, allora X1 e X2' sono considerati uguali, mentre se il motore è del telaio NEMA B, allora X 1 e X2' sono divisi come 40% e 60% di X eq, rispettivamente, e se il motore è di telaio NEMA C, quindi X1 e X2' sono divisi rispettivamente come 30% e 70% di Xeq. Ci si aspetta di scoprire che X1 e X2' sono l'1-10% di X m, R1 e R2' sono dell'ordine di mΩ a diversi Ω a seconda della potenza nominale del motore, e R C sarebbe dell'ordine di decine a centinaia di Ω, in quanto è di diversi ordini di grandezza più grande di R1 e R2'.
La regione lineare della curva coppia-velocità del motore a induzione si trova utilizzando la prova di carico e può essere estrapolata da condizioni di carico a vuoto a pieno carico o a carico. Una tipica curva coppia-velocità è mostrata in Fig. 3 per diversi fotogrammi NEMA e la regione lineare è la regione più a destra vicina alla velocità del 90-100%.
Figura 3: Curve torque-speed tipiche per vari telai NEMA.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
Le macchine a induzione trifase, in particolare i motori a induzione, sono i cavalli di battaglia dell'industria moderna. Caratterizzare in modo appropriato un motore a induzione fornisce a ingegneri e tecnici informazioni sull'efficienza del motore e sulle caratteristiche di coppia-velocità. Questi sono essenziali per determinare quale dimensione del motore e telaio si adatta meglio a un'applicazione. Una volta che un motore è caratterizzato e la curva coppia-velocità è conosciuta da parametri di circuito equivalenti utilizzando i test descritti, diversi telai NEMA hanno forme di curva diverse. Ad esempio, un'applicazione per ascensori richiede una coppia di avviamento elevata; pertanto, i fotogrammi, come il telaio NEMA D, sono più adatti di A o B. Quando si ha a che fare con le parti integranti del motore a induzione di sistemi più grandi che consumano notevoli quantità di energia(ad esempio,refrigeratori), conoscere i parametri del circuito equivalenti di un motore può fornire buone stime dell'efficienza del motore e del suo contributo al consumo di energia in quel sistema più grande.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
