Overview
출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.
이 실험의 목적은 변압기 특성화에 사용되는 것과 유사한 위상 동등한 회로 및 테스트를 사용하여 3상 유도 모터의 동등한 회로 매개 변수를 찾는 것입니다. 전기 공학에서, 상기 회로(또는 이론회로)는 주어진 시스템에 대해 결정될 수 있다. 동등한 회로는 원래 시스템의 모든 특성을 유지하며 계산을 단순화하는 모델로 사용됩니다. 또 다른 목적은 선형 토크 속도 영역에서 모터를 작동하는 것입니다.
Principles
3상 유도 모터는 3상 전압 또는 전류로 공급되어 3개의 자기장을 유도합니다. 이 필드는 누적 자기장을 합산하여 일정한 진폭으로 공간에서 회전하며 고정자 자기장이라고 합니다. 자기장은 금속 로터 바 또는 코일에서 전류를 유도하여 자신의 자기장을 유도하여 로터 자기장이라고 합니다. 로터는 스테이터 내부에 걸려 있고 로터 자기장은 회전하는 스테이터 자기장에 고정하여 로터가 회전합니다. 로터는 일반적으로 "다람쥐 케이지"라고 불리는 것을 형성하는 끝 고리로 묶인 로터 바로 만들어집니다.
상별 등가회로모델은 각각 고정기 및 로터측 권선 저항 R1 및 R2를모델링하며, 로터와 스테이터 간의 유출 유동으로 인한 누설 유도(L1은 고정자 누설 유도제, L2는 로터 누설 유도제), 상호 자화 인덕스(Lm 또는 반응성 Xm)및 코어 손실및 코어 손실.. 이들은 변압기의 동등한 회로 모델과 유사하지만, 미끄러라고 하는 고정자 뒤에 로터 자기장 지연의 효과를 포함한다.
모터의 동등한 회로 모델을 찾기 위해 여러 테스트(로드 없음, 잠긴 로터, DC 및 부하 테스트)를 수행해야 합니다. 이러한 테스트는 모터 등급에 대한 지식이 필요합니다. 60Hz에서 208 V의 정격 전압의 경우 등급 출력(마력 및 W, 1마력 = 746W), 정격 전류(A), 정격 속도(RPM 및 래드/s)와 같은 명판에서 아래를 기록해야 합니다. 이러한 등급에서, 정격 토크(N·m)는 명판에 표시되지 않는 라드/s(1RPM = 2π/60 rad/s)의 정격 속도보다 와트의 정격 전력을 분할하여 찾을 수 있다.
유도 기계 샤프트를 로드하기 위해 DC 발전기(동력계 설정)가 기계적으로 샤프트에 결합됩니다. 유도 모터는 발전기의 주요 무버 역할을 합니다. 발전기의 전기 부하가 증가함에 따라 유도 모터에서 기계 전력이 증가하여 유도 모터 샤프트의 하중이 증가합니다.
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Procedure
1. DC 테스트
다람쥐 케이지 유도 기계에는 고정기 터미널만 액세스할 수 있습니다.
- 저전력 DC 전원 공급 장치를 켜고 전류를 1.8A로 제한합니다.
- 공급을 끕니다.
- 유도 모터 터미널(라벨이 붙은 A, B 및 C)의 두 가지 에 걸쳐 공급 단자를 연결합니다.
- 공급을 켜고 출력 전압과 전류를 기록합니다.
- 두 개의 다른 위상 조합에 대해 반복합니다.
- 측정된 저항은 2단계 연속이므로 위상별 저항은 절반의 측정입니다.
2. 로드 없음 테스트
이 테스트의 경우, 부하 동력계에 전원이 공급되지 않고 부하를 지원하지 않는 모든 단자 연결이 끊어졌는지 확인하여 위상별 자화 분기 매개변수 Xm 및 RC.를 찾기 위해 부하가 없는 유도 기계를 테스트합니다.
- 3단계 소스가 꺼져 있는지 확인합니다.
- VARIAC가 0%에 있는지 확인한 다음 VARIAC를 3상 콘센트에 연결하고 설정(도 1)을 연결합니다.
- 회로 연결이 도 1에 표시된 대로 다시 확인한 다음 3상 소스를 켭니다.
- 각 디지털 파워 미터가 208V 경에 판독될 때까지 VARIAC 출력을 빠르게 늘립니다.
- 두 미터에서 전력, 전압 및 전류 판독값을 기록합니다.
- 스트로브 라이트를 사용하여 속도를 측정하고 스트로브 라이트를 합리적인 속도로 조정하고 측정값을 ωo로레이블을 지정합니다.
- N·m 또는 lb·ft에서 토크 판독값을 기록하고 토크 트랜스듀서 또는 토크 측정 장치가 잘 보정되지 않은 경우를 대비하여 측정값을 To로 레이블을 지정합니다. 이것은 로드가 없는 토크입니다.
- VARIAC를 다시 0%로 설정한 다음 3상 소스를 끕니다. 회로의 나머지 부분을 그대로 둡니다.
그림 1: 부하 없음 테스트를 위한 전기 설정입니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 잠긴 로터 테스트
변압기의 단락 테스트와 유사한 방식으로 잠긴 로터로 유도 기계를 테스트합니다. 이 테스트를 사용하여 위상별 계열 저항 및 누설 유도를 찾습니다. 이 테스트의 경우 부하 동력계에 모든 터미널연결이 끊어졌는지 확인합니다.
- 3단계 소스가 꺼져 있는지 확인합니다.
- VARIAC가 0%에 있는지 확인합니다.
- 동력계가 디지털 방식으로 제어되는 경우 기계식 클램프 또는 제로 토크 설정을 사용하여 동력계 측의 로터를 잠급니다.
- 설정은 잠긴 로터를 제외하고 도 1의 설정과 여전히 유사합니다.
- 도 2에 도시된 회로 연결이 있는지 다시 확인합니다.
- 3상 소스와 유도 기계 스위치를 켭니다.
- 디지털 파워 미터 중 하나 또는 둘 다에서 정격 전류에 도달할 때까지 VARIAC를 천천히 조심스럽게 늘립니다.
- 두 미터에서 전력, 전압 및 전류 판독값을 기록합니다.
- VARIAC를 다시 0%로 설정한 다음 3상 소스를 끕니다. 회로의 나머지 부분을 그대로 둡니다.
그림 2: 부하 테스트를 위한 설정입니다.
4. 로드 테스트
이 테스트를 사용하여 유도 기계의 선형 토크 속도 특성을 추적합니다. 이 테스트의 경우 션트 필드가 있는 동력계를 생성기로 사용합니다(이 작동 조건에 대한 자세한 내용은 DC 컴퓨터 비디오에서 나중에 제공되지만 아마추어는 발전기 출력 포트입니다).
- 3상 소스 및 유도 기계 스위치가 꺼져 있는지 확인합니다.
- VARIAC가 0%에 있는지 확인합니다.
- 로터 샤프트에서 잠금 클램프를 제거합니다.
- 회로를 연결합니다(그림 2). RL=300Ω을 사용하지만 SD를 유지합니다.
- 계열 필드를 사용하지 마십시오.
- 회로를 확인한 다음 3상 소스와 유도 기계 스위치를 켭니다.
- 각 디지털 파워 미터가 208V 경에 판독될 때까지 VARIAC 출력을 빠르게 늘립니다.
- 두 미터에서 전력, 전압 및 전류 판독값을 기록합니다.
- 속도를 측정하고 ω1로레이블을 지정합니다. 속도를 측정하려면 스트로브 라이트의 "거친" 주파수 노브를 조정하여 샤프트가 거의 고정된 것처럼 보일 때까지 조정한 다음 "Fine" 노브를 사용하여 주파수 설정을 미세 조정합니다.
- 토크 판독값을 기록하고 T1로레이블을 지정합니다.
- 필드 권선이 또한 아마추어와 병렬로 부하 역할을하기 때문에 이 작동 점(ω1,T1)은부하가 없는 것과 같지 않습니다. SD가 나중에 전환되고 RL이 감소함에 따라 RL이 감소함에 따라 부하 전류가 증가하므로 부하가 증가합니다.
- SD를켭니다. 속도를 측정하고 ω2로레이블을 지정합니다.
- 토크 판독값을 기록하고 T2로레이블을 지정합니다.
- SD를끕니다. RL을 Ω 200으로 변경한 다음 SD를켭니다.
- 속도를 측정하고 ω3로레이블을 지정합니다.
- 토크 판독값을 기록하고 T3로레이블을 지정합니다.
- SD를켭니다. RL을 100 Ω 변경합니다. SD를켭니다.
- 속도를 측정하고 ω4로레이블을 지정합니다.
- 토크 판독값을 기록하고 T4로레이블을 지정합니다.
- VARIAC를 0으로 설정하여 3상 소스를 끄고 회로를 분해합니다.
AC 유도 모터는 간단하고 견고하며 신뢰할 수 있기 때문에 현대 산업의 주력 업체입니다. 유도 모터에는 두 개의 주요 부품만 있습니다. 첫 번째는 캐비티 주변의 고정 코일로 구성된 고정 된 부분인 stator입니다. 캐비티에 매달린 로터는 바의 원통형 배열을 캡핑하는 엔드 링 한 쌍입니다. 이것은 종종 다람쥐 케이지라고합니다. 이 두 구성 요소의 전기 파라미터는 모터의 효율성과 토크와 속도 간의 관계에 대한 정보를 제공합니다. 이는 응용 제품에 가장 적합한 모터 크기와 유형을 결정하는 데 필수적입니다. 이 비디오는 유도 모터 작동의 기초를 소개하고 3상 유도 모터에 대해 동등한 회로 모델을 결정하는 방법을 보여줍니다.
3상 AC 유도 모터는 각 위상이 별도의 고정관 코일에 연결된 3상 전력을 사용합니다. 코일은 공급된 전력의 각 단계에 대해 하나의 자기장을 생성하는 패턴으로 배열됩니다. 통계자 자기장이라고 불리는 결과 그물 자기장은 일정한 각도 속도로 회전합니다. 회전하는 자기 플럭스는 변압기가 기본 코일에서 보조 코일로 전력을 전달하는 방식과 유사하게 로터내의 전류를 유도합니다. 다람쥐 케이지의 막대를 통해 전류는 유도 된 로터 자기장이라고 불리는 자체 자기장을 만듭니다. 이 두 필드 간의 상호 작용은 로터에 힘을 생성하며, 이는 고정자 자기장을 따르는 것입니다. 그 주위에 자석을 따라 철 바처럼. 로터가 이 막대와 같이 자기장을 정확히 따르는 경우 모터는 동기입니다. 그러나 유도 모터에서 로터는 스테이터 자기장 뒤에 지연됩니다. 슬립이라고 불리는 이 지연은 유도 모터를 비동기로 유발합니다. 따라서 유도 모터는 항상 동기 속도보다 더 느리게 변합니다. 토크는 미끄러짐감소로 증가하거나 모터 속도가 동기에서 고장 토크라고 하는 특정 지점까지 감소합니다. 하중이 추가되면 미끄러짐이 증가함에 따라 회전 속도가 감소하여 토크가 줄어듭니다. 다음 실험에서는 동등한 회로 모델을 사용하여 모터를 설명하기 위해 유도 모터의 다양한 전기 파라미터를 측정하는 방법을 보여 준다.
다음 각 테스트에는 모터의 이름 판에 인쇄된 로터 등급에 대한 지식이 필요합니다. 60 헤르츠에서 208 볼트의 정격 전압의 경우 마력과 와트 모두에서 정격 전력을 기록합니다. 또한 암프의 정격 전류와 분당 회전과 초당 라디언 모두에서 정격 속도를 기록합니다. 정격 토크는 계산할 수 있으며 정격 속도에 따라 나눈 정격 전력과 동일합니다. 여기서 유도 모터 샤프트는 DC 발전기를 구동합니다. DC 발전기의 전기 하중은 기계적 전력과 직접 관련이 있습니다. 그리고 차례로 유도 모터의 기계적 부하 역할을합니다. 먼저 DC 전원 공급 장치 전류 제한을 1.8 amps로 설정한 다음 끕니다. 이 DC 테스트는 다람쥐 케이지 유도 모터에 대한 고정기 단자만 액세스할 수 있기 때문에 스테이터 권선단지의 저항을 측정합니다. Stator 단자 A 및 B. 전원 공급 장치를 켜고 출력 전압과 전류를 기록합니다. 다른 2상 조합 B와 C, C 및 A에 대해 이 절차를 반복합니다. 각 상 조합에 대해 출력 전압을 출력 전류로 나누어 저항을 계산합니다. 결과 시리즈의 두 단계에 대 한 경우, 그래서 단계 저항, R1, 절반이 값입니다. 스테이터 권선 저항은 모터 파워 등급에 따라 다르며 이 모터의 경우 6개의 옴입니다.
추가 계산에 필요한 측정을 얻기 위해 부하가 없는 유도 모터를 테스트합니다. 첫째, DC 발전기 또는 동력계의 모든 단자를 분리하여 전력을 생성하지 않으며 유도 모터에 기계적 부하를 제공하지 않습니다. 3상 전원을 끄면 장치를 조립합니다. 바리악을 0% 출력으로 설정하고 3상 콘센트에 연결합니다. 3단계 전력을 켜고 각 디지털 파워 미터가 약 208볼트를 판독할 때까지 바리악 출력을 빠르게 늘립니다. 두 미터의 전력, 전압 및 전류 측정값을 기록합니다. 두 디지털 파워 미터로 측정되는 전력의 합은 함께 작용하는 세 단계에 의해 소비되는 전력입니다. 이 중 1/3은 한 단계의 힘입니다. 모터 토크를 기록하고 무부하 토크인 t-0을 지정합니다. 토크 측정 장치가 잘 보정되지 않으면 t-0이 반드시 0과 같지 않을 수 있습니다. 다음으로 스트로브 라이트를 사용하여 1,800 RPM의 동기 속도에 가까운 무부하로 모터의 회전 속도를 측정합니다. 코스를 조정하고 샤프트가 고정될 때까지 주파수 노브를 찾습니다. 모터 속도는 일반적으로 이름 판의 정격 속도와 동기 속도 사이입니다. 스트로브 광 주파수를 RM에서 무부하 각도 회전 속도인 오메가 제로로 변환합니다. 바리악을 다시 0% 출력으로 설정한 다음 3상 전원을 끕니다. 나머지 장치를 그대로 둡니다.
잠긴 로터 테스트는 모터가 고정되어 회전할 수 없을 때 전기 파라미터를 측정합니다. 이 상태에서 로터필드와 고정자 필드 간의 모션에서 가장 큰 차이가 발생합니다. 이 테스트의 경우 로드 없음 테스트 의 설정을 사용하고 DC 발전기 또는 동력계의 모든 터미널을 분리합니다. 3상 전원이 꺼지고 0% 출력의 바리악을 통해 DC 모터 측의 로터를 기계식 클램프로 잠급니다. 잠긴 로터를 제외하고, 장치는 노로드 테스트와 동일합니다. 3상 동력과 유도 모터를 켭니다. 디지털 파워 미터의 정격 전류로 바락 출력을 천천히 증가시면 됩니다. 두 미터 모두에서 전력, 전압 및 전류를 기록합니다. 완료하려면 바리악을 다시 0%로 설정한 다음 3상 전원을 끕니다.
효과적으로, 스테이터 권선은 변압기의 기본 코일과 동일한 기능을 수행하고, 로터는 보조 권선과 동일합니다. 따라서 모터는 변압기와 유사한 동등한 회로를 사용하여 모델링할 수 있습니다. 그러나, 회로는 이상적인 변압기 부분을 제거하기 위해 단순화되고 고정자의 반사로서 로터 성분을 지칭한다. 위상별 등가 회로에는 DC 테스트에서 계산된 stator 권선 저항, R1이 포함됩니다. 또한 스테이터는 반응 X1이라고 불리는 전류 및 전압의 변화에 반대합니다. 로터 파라미터는 반사저항, R2 프라임 및 로터 반사 반응, X2 프라임을 포함한 stator에서 반사된다. 상호 자화 반응, XM 파라미터는 로터와 스테이터 사이의 공기 갭에서 자기 플럭스에 해당한다. 마지막으로, 동력의 손실은 스테이터와 로터 사이에 발생하고, 코어 손실 동등한 저항, RC로 모델링된다. 이러한 모든 값은 설명된 테스트에서 계산할 수 있으며 테스트 프로토콜에 자세히 설명되어 있습니다.
AC 유도 모터는 단순성, 견고성 및 신뢰성으로 인해 다양한 응용 분야에서 널리 사용됩니다. 유도 모터는 변화하는 기계적 부하 하에서 선형 토크 속도에 따라 선택되는 경우가 많습니다. 부하 테스트는 기계적 하중이 변경됨에 따라 선형 토크 속도 특성을 추적합니다. 이 테스트의 경우 DC 발전기 또는 동력계가 유도 모터에 연결되어 로터에 제어된 부하를 제공합니다. 장치는 300, 200 또는 100 옴의 하중 저항, R-L로 조립된다. 전력, 전압 및 전류 측정은 연결된 미터에서 기록됩니다. 그런 다음 토크 판독 및 회전 속도를 부하 저항 없이 측정합니다. 유도 모터 토크 속도 특성의 플롯은 NEMA 모터의 네 클래스에 대한 이러한 곡선과 같을 것입니다. 전자 현미경은 샘플을 포함하기 위해 대피 챔버를 필요로하고 작은 유도 모터가있을 수있는 진공 펌프를 사용합니다. 챔버내의 진공은 샘플에 전자의 전송을 가능하게하고, 샘플에서 이미징 장치로. 마지막으로, 선반 및 기타 기계 공장 장비는 더 강력한 3 상 유도 모터를 사용할 수 있습니다. 단순성과 기계적 변함이 없기 때문에 유도 모터는 고장 가능성이 감소하여 무거운 사용을 견딜 수 있습니다. 이 견고함은 금속 부품을 제작할 때 분명한 이점입니다.
당신은 방금 조브가 AC 유도 모터에 도입되는 것을 지켜보았습니다. 이제 작동기본 원칙과 해당 회로 매개 변수를 결정하기 위해 테스트를 수행하는 방법을 이해해야 합니다.
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Results
유도 기계의 동등한 회로 매개 변수를 찾는 일반적인 실수는 위상별 등가 회로의 계산에 3상 측정 전력을 사용하는 반면, 전력의 3분의 1은 측정된 전력을 소비하므로 전력의 3분의 1이 한 단계에 있습니다.
동등한 회로 매개 변수의 계산은 변압기의 계산과 유사하지만 기계의 NEMA 프레임당 X1 및 X2'를 분할하는 것이 일반적입니다. 예를 들어, 모터가 NEMA 프레임 A 또는 D인 경우 X1 및 X2'는 동일하게 가정되고, 모터가 NEMA 프레임 B인 경우 X1 및 X2'는 각각 Xeq의40% 및 60%로 분할되고 모터가 NEMA 프레임 C인 경우 X1과 X 2'는 각각 30% 및 X 2%로 분할됩니다. X1과 X2'는 Xm,R 1 및 R 2의 1-10%가 모터 전력 등급에 따라 여러 Ω mΩ 순서에 있고 R C는 R1 및 R2보다큰 크기의 수주이기 때문에 수십~수백 개의 Ω 순서로 있을 것으로 예상된다.
유도 모터 토크 속도 곡선의 선형 영역은 부하 테스트를 사용하여 발견되며 부하 가없는 조건에서 전체 또는 속도 부하 조건으로 추정될 수 있습니다. 전형적인 토크 속도 곡선은 여러 NEMA 프레임에 대해 도 3에 나타내며 선형 영역은 90-100% 속도에 가까운 가장 올바른 영역이다.
그림 3:다양한 NEMA 프레임에 대한 일반적인 토크 속도 곡선.
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Applications and Summary
3단계 유도 기계, 특히 유도 모터는 현대 산업의 주력 기계입니다. 유도 모터를 적절하게 특성화하면 엔지니어와 기술자에게 모터의 효율성과 토크 속도 특성에 대한 정보를 제공합니다. 이는 응용 분야에 가장 적합한 모터 크기와 프레임을 결정하는 데 필수적입니다. 모터가 특징지어지고 토크 속도 곡선이 설명된 테스트를 사용하여 동등한 회로 매개변수로부터 알려지면, 다른 NEMA 프레임은 곡선 모양이 다릅니다. 예를 들어, 엘리베이터 응용 프로그램에는 고시작 토크가 필요합니다. 따라서 NEMA 프레임 D와 같은 프레임은 A 또는 B보다 더 적합합니다. 모터의 동등한 회로 매개 변수를 알면 상당한 양의에너지(예:냉각기)를 소비하는 대형 시스템의 유도 모터의 일체형 부품을 다룰 때 모터의 효율성과 더 큰 시스템에서 에너지 소비에 대한 기여도를 양호한 추정치로 제공할 수 있습니다.
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