ŁAGODNA SYNCHRONIZACJA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY Z PRĘDKOŚCI NADSYNCHRONICZNEJ

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 64 Politechniki Wrocławskiej Nr 64 Studia i Materiały Nr 3 21 Paweł ZALAS*, Jan ZAWILAK* maszyny elektryczne, silniki synchroniczne, forsowanie prądu, synchronizacja, obliczenia polowo-obwodowe ŁAGODNA SYNCHRONIZACJA SILNIKA SYNCHRONICZNEGO DUŻEJ MOCY Z PRĘDKOŚCI NADSYNCHRONICZNEJ W artykule przedstawiono analizę przebiegu procesu synchronizacji silnika synchronicznego dużej mocy z prędkości nadsynchronicznej. Zaproponowano metodę zwiększającą skuteczność tego procesu dzięki zastosowaniu układu zmiany polaryzacji napięcia wzbudzenia. Przyjętą metodę synchronizacji porównano z innymi metodami. Analizę procesów synchronizacji wykonano stosując opracowany i zweryfikowany pomiarowo polowo-obwodowy model dwubiegowego silnika synchronicznego dużej mocy, pracującego w napędach wentylatorów głównych kopalni podziemnych. 1. WSTĘP Proces synchronizacji dwubiegowych silników synchronicznych do obu prędkości znamionowych przebiega najczęściej ze stanu podsynchronicznego ustalonego [7]. Podczas zmiany prędkości wirowania silnika dwubiegowego z większej na mniejszą istnieje również możliwość synchronizacji silnika ze stanu nadsynchronicznego [6]. Dla procesów, w których silnik jest obciążony szczególnie dużą wartością momentu, może to być jedyna metoda zapewniająca uzyskanie skutecznego przebiegu procesu. Jednak rozpoczęcie procesu z prędkości nadsynchronicznej oraz forsowanie prądu wzbudzenia nie są wystarczającymi warunkami zapewniającymi skuteczną synchronizację [6]. W artykule zaproponowano metodę zwiększającą prawdopodobieństwo skutecznej i łagodnej synchronizacji dwubiegowego silnika synchronicznego z prędkości nadsynchronicznej. Skuteczny przebieg procesu uzyskano dla znamionowej wartości napięcia wzbudzenia, bez forsowania prądu. * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław, pawel.zalas@pwr.wroc.pl, jan.zawilak@pwr.wroc.pl.

2 48 2. POLOWO-OBWODOWA ANALIZA PROCESU SYNCHRONIZACJI W celu sprawdzenia wpływu zaproponowanej metody na przebieg i skuteczność procesu synchronizacji w porównaniu z innymi metodami, wykonano obliczenia wykorzystując opracowany i zweryfikowany na podstawie pomiarów rzeczywistego silnika polowo-obwodowy model silnika synchronicznego typu GAe 1716/2t [5]. Silniki takie pracują w napędach wentylatorów głównych typu WPK 5.3 kopalni podziemnych [1, 5, 6]. Na rysunkach 1 5 pokazano obliczone przebiegi czasowe wielkości podczas procesów synchronizacji badanego silnika do mniejszej prędkości obrotowej, p = 1. W obliczeniach przyjęto moment obciążenia,8m n, co odpowiada obciążeniu, jakie stanowi wentylator typu WPK 5.3 bez dławienia przepływu powietrza, oraz uwzględniono wypadkowy moment bezwładności układu napędowego wentylatora J z 4 kg m 2 [5, 6]. m om ent elektrom ag. [N m ], k=2 p rą d [A ] ; nap ię cie [V ] wzbudzenia p rę dkość obrotow a [obr/m in] Rys. 1. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla prędkości n 292 obr/min Fig. 1. Time curves values during synchronization process of the motor, started when the r. s. n 292 rpm Na rysunku 1 pokazano wyniki obliczeń procesu synchronizacji realizowanego metodą klasyczną, przez załączenie napięcia stałego o wartości 2,5U wn dla kąta δ =, gdzie δ jest kątem między osią pola stojana a osią pola wirnika. Pomimo inicjacji procesu w korzystnej chwili czasowej (rys. 1) oraz forsowania prądu wzbudzenia proces nie kończy się skuteczną synchronizacją. Analiza wyników obliczeń wykazała, że dla przyjętych warunków pracy silnika, niezależnie od wyboru

3 49 chwili załączenia napięcia wzbudzenia, proces synchronizacji ze stanu podsynchronicznego ustalonego przebiega nieskutecznie. Na rysunku 2 pokazano wyniki obliczeń procesu synchronizacji, w którym napięcie wzbudzenia o wartości 2,5U wn załączono w stanie pracy nadsynchronicznej, dla prędkości n 37 obr/min. m om ent elektrom ag. [N m ], k=2 p rą d [A ] ; nap ię cie [V ] wzbudzenia p r ę dkość obrotowa [obr/m in] Rys. 2. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla prędkości n 37 obr/min Fig. 2. Time curves values during synchronization process of the motor, started when the r. s. n 37 rpm Przypadkowa chwila załączenia napięcia wzbudzenia, pomimo inicjacji procesu w stanie pracy nadsynchronicznej oraz forsowania prądu wzbudzenia, spowodowała nieskuteczny przebieg synchronizacji (rys. 2). Załączenie napięcia wzbudzenia dla tak dużej wartości prędkości nadsynchronicznej wywołuje również niekorzystne udary prądów stojana (rys. 2) oraz znaczące pulsacje momentu silnika. Na rysunku 3 pokazano wyniki obliczeń procesu synchronizacji zainicjowanego w chwili pierwszej współfazowości pola stojana i wirnika [2, 3] po osiągnięciu przez silnik prędkości mniejszej od synchronicznej. Taki proces może być zrealizowany na obiekcie rzeczywistym z wykorzystaniem już zainstalowanego układu łagodnej synchronizacji [1]. Jak widać na rysunku 3 przyjęta metoda nie zapewnia jednak skutecznego przebiegu procesu. Pomimo załączenia napięcia wzbudzenia w korzystnej chwili czasowej (δ = ) poślizg silnika jest już zbyt duży [4] by możliwa była skuteczna synchronizacja.

4 5 m om ent elektrom ag. [N m ], k=2 p r ą d [A ] ; nap ię cie [V ] wzbudzenia p r ę dkość obrotowa [obr/m in] Rys. 3. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla prędkości n 294 obr/min Fig. 3. Time curves values during synchronization process of the motor, started when the r. s. n 294 rpm Brak ustalonego stanu pracy w warunkach nadsynchronicznych, podczas zmiany prędkości wirowania silnika dwubiegowego z większej na mniejszą, utrudnia określenie korzystnej chwili inicjacji procesu, zapewniającej każdorazowo jego skuteczny przebieg. Charakterystycznym punktem pracy silnika, którego wyznaczenie nie stanowi trudności, jest zmiana wartości prędkości obrotowej z nadsynchronicznej na podsynchroniczną. Jednak w zależności od wzajemnego położenia biegunów twornika oraz magneśnicy, w chwili osiągnięcia prędkości równej synchronicznej, załączenie stałego napięcia wzbudzenia może powodować przyspieszenie wirnika lub jego przyhamowanie. W wyniku tego przebieg procesu synchronizacji i jego skuteczność będzie mieć charakter przypadkowy [6]. Korzystnym rozwiązaniem, znacznie zwiększającym prawdopodobieństwo uzyskania skutecznej i łagodnej synchronizacji silnika z prędkości nadsynchronicznej jest zastosowanie w obwodzie wzbudzenia łącznika tranzystorowego, popularnie zwanego układem H, pozwalającego na odpowiednią zmianę polaryzacji napięcia stałego zasilającego uzwojenie magneśnicy [5]. Wykorzystując zmodyfikowany model obliczeniowy, w którym uwzględniono układ zmiany polaryzacji napięcia stałego, wykonano obliczenia procesu synchronizacji dla identycznych warunków pracy jak poprzednio. W obliczeniach załączenie napięcia wzbudzenia o wartości znamionowej realizowano w chwili osiągnięcia przez silnik prędkości synchronicznej. Wyniki obliczeń pokazano na rysunku 4. Analiza wyników wykonanych obliczeń wykazała, że skuteczny przebieg procesu synchronizacji zapewnia załączenie napięcia stałego o polaryzacji zgodnej z przebie-

5 51 giem napięcia indukowanego w uzwojeniu wzbudzenia w ostatnim półokresie przed osiągnięciem prędkości synchronicznej (rys. 4). Do składowej stałej prądu wzbudzenia dodaje się wówczas odpowiednia wartość prądu przemiennego, wywołanego składową przemienną napięcia indukowanego w uzwojeniu magneśnicy [2] po osiągnięciu prędkości mniejszej od synchronicznej (rys. 4), co zwiększa wypadkową wartość prądu wzbudzenia, a tym samym zwiększa moment synchronizujący. m om ent elektrom ag. [N m ], k=2 p r ą d [A ] ; nap ię cie [V ] wzbudzenia p r ę dkość obrotowa [obr/m in] Rys. 4. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla prędkości n obr/min Fig. 4. Time curves values during synchronization process of the motor, started when the r. s. n rpm prędkość obrotowa [rpm] Rys. 5. Czasowe przebiegi prędkości obrotowej podczas procesów synchronizacji silnika Fig. 5. Time curves of rotational speed during synchronization processes of the motor

6 52 W celu sprawdzenia skuteczności zaproponowanej metody synchronizacji z prędkości nadsynchronicznej wykonano obliczenia dla identycznych warunków pracy jak poprzednio i 8 różnych początkowych położeń wirnika, przesuniętych względem siebie o kąt 45 elektrycznych. W każdym przypadku znamionowa wartość napięcia stałego, o odpowiedniej polaryzacji, została załączona do uzwojenia wzbudzenia w chwili osiągnięcia przez silnik prędkości synchronicznej. Wyniki obliczeń w postaci przebiegów wartości chwilowej prędkości obrotowej pokazano na rysunku WNIOSKI Zaproponowana metoda synchronizacji z prędkości nadsynchronicznej, polegająca na załączeniu napięcia wzbudzenia o odpowiednio dobranej polaryzacji w chwili osiągnięcia przez silnik prędkości równej synchronicznej, zapewnia skuteczny i łagodny przebieg tego procesu (rys. 5) bez konieczności forsowania prądu wzbudzenia. Przyjęta metoda umożliwia skuteczną synchronizację silnika obciążonego momentem większym niż przy metodzie klasycznej i forsowaniu prądu 2,5I wn. LITERATURA [1] AZAREWICZ S., ZALAS A., ZAWILAK J., Tyrystorowy układ łagodnej synchronizacji, Masz. Elektr. Zesz. Probl. BOBRME Komel, 1995, nr 51, [2] PASZEK W., Dynamika maszyn prądu przemiennego, Wydawnictwo HELION, Gliwice [3] SOBCZYK T., Łagodna synchronizacja silników synchronicznych dużej mocy z asynchronicznego stanu pracy, XX SME, Maszyny synchroniczne, Kazimierz Dolny, Maj [4] STAATS G.W., Maximum permissible slip for synchronizing salient-pole synchronous motors, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. EC-2, No. 3, [5] ZALAS P., Analiza procesu synchronizacji silników synchronicznych z rozruchem asynchronicznym. Rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 27. [6] ZALAS P., ZAWILAK J., Synchronizacja dwubiegowego silnika synchronicznego dużej mocy z prędkości nadsynchronicznej, SME 21, Ustroń, , [7] ZAWILAK J., Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Prace Naukowe IMiNE PWr., GENTLE SYNCHRONIZATION OF HIGH POWER SYNCHRONOUS MOTOR FROM OVER SYNCHRONOUS SPEED The paper presents the results of synchronization calculations from over synchronous speed. The new method of synchronization was compared with different methods. The synchronization calculations were performed using a specially developed, and validated by measurements, field-circuit calculation model of the two-speed high power synchronous motor. The motor is used for driving the main fans in deep underground mines.