Analiza cieplna napędu z liniowymi silnikami indukcyjnymi o regulowanej częstotliwości

Transkrypt

1 VI ubuska Konferencja Naukowo-echniczna i-mie 010 iotr ZYMCZAK 1, Krystian CZYŻEWKI, Jarosław ROJEK Zachodnioomorski Uniwersytet echnologiczny, Instytut Elektrotechniki 1 Analiza cielna naędu z liniowymi silnikami indukcyjnymi o regulowanej częstotliwości treszczenie. W racy rzedstawiono analizę rocesów cielnych w silniku indukcyjnym liniowym o regulowanej częstotliwości z wykorzystaniem metody olowej i detalizowanych zastęczych schematów cielnych. okazano wybrane rezultaty badań cielnych w stanie ustalonym z magnetowodem klasycznym i roszkowym oraz rzytoczono krzywe nagrzewania odstawowych elementów konstrukcyjnych silnika liniowego. Abstract. he aer resents the thermal analysis of inverter-fed IM drive carried out on the base of a field method and detailed thermal equivalent circuits. he thermal field distribution icture of the IM has been determined for both constructions: the laminated and the owder structured rimary as well. In result of transient analysis the curves of temerature distribution in the main construction arts of IM have been lotted. he evidence showed a good conformity with the results of the theoretical analysis. hermal analysis of frequency controlled drive with the linear induction motor łowa kluczowe: silnik indukcyjny liniowy, detalizowane zastęcze schematy cielne, rozkład temeratury, analiza termiczna, Keywords: linear induction motor, detailed thermal equivalent circuit, thermal decomositions, thermal analysis, Wstę rojektowanie naędu elektrycznego wymaga analizy i oceny stonia sełnienia zadanych wymogów. Wśród nich szczególnie ważne są zagadnienia termiczne [1-8]. Analiza zjawisk cielnych ozwala na wyznaczenie rozkładu ola temeratury i rzyczynia się tym samym do leszego wykorzystania materiałów konstrukcyjnych silnika. Należy zauważyć, że w silnikach indukcyjnych liniowych I wystęują zjawiska osobliwe, które owodują inną secyfikę rocesu nagrzewania niż w analogicznych maszynach klasycznych, są to: niemożność samo wentylacji, zwłaszcza rzy niedużych rędkościach; wystęowanie dodatkowych strat wskutek niesymetrii rądów fazowych i efektów końcowych; niejednakowe warunki chłodzenia uzwojeń i odcinków rdzenia z owodu otwartego obwodu magnetycznego oraz stałe ouszczanie rzez część wtórną CzW aktywnego obszaru od induktorem [3, 4, 7, 9]. rojektant naędu z I w wielu rzyadkach owinien umieć ocenić wzajemny wływ arametrów konstrukcyjnych na rędkość narastania temeratury oszczególnych elementów I, a zwłaszcza CzW, uzwojeń oraz rdzenia. Natomiast rzy eksloatacji I należy szczególną uwagę zwrócić na rzyrosty temeratury w różnych stanach racy, aby nie douścić do rzekroczenia temeratur douszczalnych dla danej klasy izolacji. Celem racy jest analiza rocesów cielnych I w stanach ustalonych i rzejściowych. Metody analizy I W ierwszym etaie badań rocesów cielnych w stanach ustalonych I osłużono się metodą olową. Badania symulacyjne rocesów cielnych rowadzono w 409

2 410 środowisku QuickField. Obejmowały one wyznaczenie ól temeratury i rzebiegów temeratury silnika liniowego z magnetowodem klasycznym - wykonanym z blachy elektrotechnicznej oraz roszkowym tyu: X H1 MC firmy IMEX [10]. W drugim etaie, rzy badaniu rocesów cielnych rzejściowych wykorzystano metodę zastęczych schematów cielnych, wrowadzoną rzez R. oderberga w 1931 roku, i rozwiniętą dalej rzez zesół naukowy od kierunkiem rof. F.N. araułova [11]. Metoda ta nazywana w skrócie DZC ozwala uwzględnić osobliwości I i badać srzężone rocesy elektromechaniczne i cielne. Układ równań różniczkowych równowagi cielnej zaisujemy w ostaci [7, 11]: 1 = = = =,,,, 1 t dt d C t dt d C dt d C t dt d C v K s Dz D v Dz Z s D s Z l n M l l v l M gdzie, ojemności oszczególnych mas cielnych oisano: C M części ołączeń czołowych uzwojenia, C M uzwojeń w części żłobkowej, C rdzenia induktora, C aktywnej CzW; l,, s, odowiednio straty mocy w częściach ołączeń czołowych, uzwojeń w żłobkach, rdzeniu i CzW oraz t v temeratura owietrza. Rys. 1. Detalizowany zastęczy schemat cielny I do - 1τ

3 VI ubuska Konferencja Naukowo-echniczna i-mie 010 Rys.. Detalizowany zastęczy schemat cielny czterobiegunowego I rzy badaniach symulacyjnych niestacjonarnych stanów cielnych I niezwykle ważnym jest rzyjęcie odowiedniej detalizacji modelu [7, 11] rys. 1 i rys.. W wielu rzyadkach wystarcza zastosować owiększone schematy cielne. Ważne rzy oracowaniu modeli cielnych I jest rozstrzygnięcie czy uwzględniać wływ obszarów CzW wystających z lewej i rawej strony I oza granice induktora nazywanych wylotami. Ogólnie stoień detalizacji może być różny, z reguły dla schematów elektrycznych ogranicza się do sekcji i fazy, elektromagnetycznych do odziałki żłobkowej, a cielnych do odziałki żłobkowej t 1 lub odziałki biegunowej τ, wielu odziałek biegunowych a nawet całkowitej długości induktora. A zatem skala detalizacji odyktowana jest wymogami zadnia obliczeniowego. N. jeżeli rzy dużej rędkości CzW do obliczeń temeratury odcinków wystarcza detalizacja z krokiem o jedną lub wiele odziałek biegunowych, to rzy małej rędkości należy rozatrywać obszar z detalizacją do jednej odziałki żłobkowej. Wyniki badań w stanach ustalonych Regulacja częstotliwości owoduje zmiany strat w żelazie, zarówno histerezowych jak i wirowych. Korzystając z dostęnej literatury [1, 13] oszacowano dla warunków znamionowych straty w żelazie w odniesieniu do strat całkowitych Δ Fe% =3,4%, i strat w uzwojeniach γ n =3,5%. Nastęnie określono wielkość tych strat rzy wzroście częstotliwości, dla rzykładu rzy f=100 Hz straty te wynoszą odowiednio Δ Fe%,100 =7,8%, γ n,100 =8,4%. Na odstawie badań, wykonanych w rogramie QuickField, uzyskano rozkład ola temeratury - rys. 3. Jak widać, najwyższe temeratury zaobserwować można w ołowie wysokości cewek o dwa razy większej liczbie zezwojów rys. 3b. Można zauważyć, że wymiana cieła w I z magnetowodem klasycznym zblachowanym jest korzystniejsza. Mniejszy wsółczynnik rzewodności cielnej MC λ MC =0 W/ Km [10], w stosunku do magnetowodu klasycznego o λ Fe =43 W/ Km 411

4 owoduje utrudniony odływ cieła z uzwojeń. W wyniku tego temeratura najbardziej nagrzanych cewek środkowych 3,4 wzrasta od 105 C do 115 C rys. 3 i rys. 4. Rys. 3. Rozkład temeratury w I tyu -70 z magnetowodem klasycznym a, oraz wykonanym w technologii MC b. Rys. 4. Rozkład temeratury induktora I na wysokości środka żłobków w wykonaniu klasycznym z oznaczonymi unktami obliczeniowymi. 41 Rys.5. Rozkład temeratury na wysokości zębów induktora I w wykonaniu klasycznym

5 VI ubuska Konferencja Naukowo-echniczna i-mie 010 Wyniki badań symulacyjnych orównano z wynikami badań ekserymentalnych zamieszczonych w literaturze [14] tab. 1. twierdzono, wyjątkowo dobrą zbieżność uzyskanych wyników. abela 1. Zestawienie wyników badań symulacyjnych z wynikami ekserymentalnymi Wyniki ekserymentalne [14] Numery ermoar em. zmierzone ekserymentalnie Wyniki badań symulacyjnych Numer unktu em. unktu bli Błąd δ 4 107, ,0 4,0 5 10,0 104,5 -, , ,0, , ,0 3,5 8 97, ,5-7, , ,0 6,0 Wybrane wyniki badań I w stanach niestacjonarnych Dla zilustrowania wyników badań oartych o metodę DZC wybrano rzykłady okazujące niekorzystne zjawiska cielne. Należy odkreślić, że od względem budowy i zjawisk fizycznych silniki liniowe odróżniają się od silników wirujących skończoną długością obwodów magnetycznych w kierunku ruchu ola. Rys. 6. Rozkład ola magnetycznego w szczelinie owietrznej B=fx/τ dla CzW z aluminium o grubości d=mm Właśnie otwarty obwód magnetyczny owoduje owstawanie zjawisk z natury asożytniczych [3, 4, 9, 11, 15, 16], do których zalicza się m.in. nierównomierny, zależny od rędkości v x rozkład indukcji magnetycznej w szczelinie owietrznej rys. 6 oraz ojawienie się asożytniczych sił hamujących, zwłaszcza na ierwszej odziałce biegunowej i oza induktorem na wyjściowym fragmencie CzW rys

6 Rys. 7. Rozkład jednostkowej siły ciągu F wzdłuż wsółrzędnej x dla różnych oślizgów Na rys.8 rzedstawiono rozkład strat w nieruchomej CzW wzdłuż induktora I tyu , gdzie za jednostkę długości rzyjęto odcinek równy odziałce żłobkowej t 1. Całkowite straty w CzW określa się orzez zsumowanie strat na jego elementarnych odcinkach. Często wystarcza rzyjąć za odstawę całkowite straty, nie uwzględniając rzy tym nierównomierności ich rozkładu wzdłuż induktora. Rys. 8. Rozkład strat CzW wzdłuż induktora I tyu Na rys. 9 rzytoczono krzywe niestacjonarnego rocesu nagrzewania się elementów składowych I rzy nieruchomej CzW i temeraturze otoczenia t v = 35. Z rys. 8 wynika, że obszar CzW od induktorem o4 nagrzewa się do temeratury owyżej 700, uzwojenia w części żłobkowej i ołączeń czołowych o1 i o do 400 C, natomiast rdzeń o3 do 80 C. aka wartość maksymalna temeratury uzwojeń jest niedouszczalna nawet dla maszyny elektrycznej wykonanej w klasie izolacji H 195 C i konwencjonalnym układem chłodzenia. 414

7 VI ubuska Konferencja Naukowo-echniczna i-mie 010 Dokładniejsze wyniki badań otrzymujemy, gdy uwzględnimy wyloty CzW z lewej i rawej strony I oddające cieło do owietrza. Jak okazały wyniki badań, zamieszczone w racy [7, 11], krzywe nagrzewania zmieniają się i temeratura znacznie oada. Na rzykład, temeratura CzW zmniejsza się do 530 C, uzwojeń induktora w części żłobkowej i ołączeń czołowych do 80 C, a rdzenia induktora do 170 C. Wyjaśnić to można tym, że części wylotowe stanowią swego rodzaju rurki cielne odrowadzające cieło z aktywnej części bieżnika. rocesy cielne w liniowych maszynach elektrycznych rzadko są rzedmiotem badań i brak w literaturze rekomendacji do ich rojektowania i eksloatacji. tąd rzyadki wystęowania znaczących rzyrostów temeratur w różnych elementach konstrukcyjnych I, owodujących nadmierne narężenia mechaniczne, a niekiedy deformację CzW i w konsekwencji uszkodzenia układu naędowego. Rysunek 9. Krzywe rocesu nagrzewania się odstawowych elementów I: CzW o4, uzwojenia o1 i o i rdzenia o3. odsumowanie Do oceny stanu termicznego naędu z silnikami indukcyjnymi liniowymi można z owodzeniem stosować zarówno metody olowe, jak i detalizowanych zastęczych schematów cielnych, które wzajemnie się uzuełniają. Metoda olowa ozwala wyodrębnić najgorętsze unkty lub obszary oraz rozkłady temeratur. Natomiast metoda DZC umożliwia analizę rocesów w stanach ustalonych i rzejściowych, a także daje możliwość obliczania charakterystyk niestacjonarnego nagrzewania się części składowych I. orównując rezultaty badań magnetowodów klasycznych i roszkowych można stwierdzić, że w większym stoniu nagrzewają się uzwojenia w magnetowodzie roszkowym, co wyjaśnić można dwukrotnie mniejszą wartością wsółczynnika rzewodności cielnej materiału roszkowego λ smc =0 W/ Km rzy λ Fe =43 W/ Km. 415

8 IERAURA: [1] B u l a K. Analiza niestacjonarnych stanów termicznych silników liniowych łaskich metodą schematów cielnych. Arch. Elektrotechniki om XI, z. 1-4, s , 199. [] Bula K. Identyfikacja stałych arametrów termicznych w schemacie cielnym silnika liniowego łaskiego. Z. rob. olitechniki Rzeszowskiej, Nr 146, Elektrotechnika z , s [3] Gieras J.: ilniki indukcyjne liniowe. Wydawnictwo Naukowo echniczne, Warszawa, [4] Gieras J.F., inear Induction drives. Oxford University ress, Oxford 1994, [5] M u k osiej J., Z a a ś nik R., Badania cielne i wentylacyjne maszyn elektrycznych. WN, Warszawa, [6] yrhönen J., Jokinen., Hrabovcová V. Design of rotating electrical machines. John Wiley & ons td. 008 Chichester, United Kingdom [7] zymczak. Analiza stanów cielnych nieustalonych w silnikach indukcyjnych liniowych. rzegląd Elektrotechniczny. w druku [8] urowski J. odstawy mechatroniki. Wyd. Wyż. zk. Hum.-Ekon. W Łodzi. Łódź 008. [9] Afonin A. zymczak. Mechatronika, Wyd. Uczelniane olitechniki zczecińskiej, eria emus WE zczecin 001. [10] Yiing Dou, Youguang Gou, Jianguo Zhu, Investigation of motor toologies for MC alication. ICEM, Issue, , : [11] araulov F.N., araulov.f., zymczak. Matematiczeskie modeli lineijnych indukcionnych maszin na asnovie schem zamieszczenija, Izd., GOU VO UGU-UI, Jekaterinburg 005, [1] Jezierski E. ransformatory odstawy teoretyczne.wn Warszawa [13] urowski J. Wyd., Elektrodynamika techniczna, WN Warszawa 1993 [14] Graczyk M., Mrugała B. Chłodzenie silników liniowych łaskich tyu -5. Maszyny Elektryczne Z. rob. BOBRME, Katowice Nr 4, s [15] zymczak., Dinamiczeskaja model i strukturnaja schiema liniejnogo asynchronnogo dvigatiela. Elektriczestvo, 003 Nr 11, s [16] zymczak. Modeling and transient analysis of the linear induction motor by detailed structural schemes. rzeględ Elektrotechniczny 007, nr 11, s Autorzy: Zakład Maszyn i Naędów Elektrycznych Instytutu Elektrotechniki Zachodnioomorskiego Uniwersytetu echnologicznego w zczecinie, ul. ikorskiego 37, zczecin, iotr.szymczak@zut.edu.l Akademickie Koło E rzy Wydziale Elektrycznym Zachodnioomorskiego Uniwersytetu echnologicznego w zczecinie, ul. ikorskiego 37, zczecin, Krystian.czyzewski@gmail.com, ghostsmail@w.l 416