STRATY MOCY PRZEŁĄCZALNEGO SILNIKA RELUKTANCYJNEGO

Transkrypt

1 asyny Elektrycne - Zesyty Problemowe Nr /7 () 55 irosław Wciślik, Karol Suchenia Politechnika Świętokryska, Kielce STATY OCY PZEŁĄCZANEGO SNKA EKTANCYJNEGO POWE OSSES O SWTCHED ECTANCE OTO Strescenie: W pracy preprowadono analię modelu strat mocy w prełącalnym silniku reluktancyjnym (S). W tym celu budowano stanowisko wykorystujące system do badania godności CTS Profline. Pomiary preprowadono dla silnika jednofaowego jedną parą biegunów stojana i wirnika ora dla silnika trójfaowego wykorystującego stojan silnika indukcyjnego i wirnika jedną parą biegunów. Na podstawie pomiarów preprowadono analię modelu strat w żelaie jako funkcji kąta obrotu wirnika. Pryjęto, że straty w żelaie modelowane są jako straty w dodatkowym uwojeniu. Preprowadono analię relacji międy indukcyjnością i reystancją astępcą silnika, mieroną dla pryjętego modelu. Badania jednofaowego S preprowadono dla wirników wykonanych blach ora litej stali. Badania trójfaowego S preprowadono dla wirników wykonanych kompoytów, blach elektrotechnicnych, ferrytu i litej stali miękkiej. Predstawiono i porównano otrymane charakterystyki indukcyjności i strat w funkcji kąta obrotu dla danych materiałów. Zależność reystancji i indukcyjności silnika wynacano eksperymentalnie asilając uwojenia napięciem premiennym 5H. Abstract: The paper deals with the analysis of the power losses in the switched reluctance motor (S). To identify the parameters the test bench containing the compliance testing system CTS Profline was used. or a single-phase motor with one pair of stator and rotor poles, as well as for three-phase motor using the stator of the induction motor and the rotor with one pair of poles of the measurements were carried out. Based on measurements, analysis of the iron losses was performed. These losses depend on the rotation angle of the rotor. odel of iron losses taken as losses in the additional winding. Analysis of the relationship between the equivalent inductance and resistance of the motor measured and specified for the model was carried out. The study of single-phase S for rotors made of magnetic steel sheets and solid steel was carried out. The threephase S was studied for rotors made of composites, magnetic steel sheets, solid steel and ferrite. The dependence of inductance and losses in function of the rotation angle for these materials are presented and compared. The identification of the motor electric parameters as a function of the rotation angle of the rotor was carried out using AC 5 H voltage source. Słowa klucowe: prełącalny silnik reluktancyjny, straty w żelaie, identyfikacja Keywords: switched reluctance motor, iron losses, identification. Wstęp Silniki elektrycne wykorystują 7% energii elektrycnej używanej pre premysł []. W całej gospodarce używają one prawie połowę energii elektrycnej wytworonej pre elektrownie. Cynnikiem decydującym o użyciu energii pre silnik są m.in. straty, które rutują na wysokość rachunków płaconych pre użytkowników. Straty energii w silniku dielą się na straty mocy: w miedi, w rdeniu ora mechanicne. W [-] wprowadono również straty dodatkowe, które wiąane są e jawiskiem naskórkowości ora wysoką cęstotliwością. ają one jednak małe nacenie podcas eksploatacji silnika elektrycnego, a ich osacowanie jest trudne na podstawie bepośrednich pomiarów lub obliceń. W więksości prypadków straty w miedi są najcęściej dominującym cynnikiem spadku sprawności silnika elektrycnego. Straty w miedi opisuje moc tracona pry prepływie prądu pre uwojenie silnika. Straty magnetycne interpretowane są jako suma strat prądów wirowych (straty wiroprądowe) i strat histerey. Dla silników wysokoobrotowych, straty wiroprądowe są dominujące. Pierwse próby opisu strat magnetycnych koncentrowały się na formułowaniu opisu matematycnego strat mocy w rdeniu. etodę oblicania tych strat aproponował Steinmet już w 89 roku [4]. W celu dokładniejsego określenia strat magnetycnych na prestreni lat powstawały ależności opisujące straty w rdeniu, które były modyfikacją równań

2 56 asyny Elektrycne - Zesyty Problemowe Nr /7 () Steinmeta [5-6]. ównania te powalały na oblicenie strat mocy w silniku, jako ależnych od indukcji magnetycnej. nne metody skupiały sie na rowoju nowych procedur testowania materiałów, które ułatwiały dokładny opis właściwości materiału magnetycnego do wyrażenia strat rdenia w równaniach ruchu [6]. Jednak dokładne wynacanie strat w rdeniu poostaje trudne wielu powodów np. pre wpływ odkstałceń i naprężeń mechanicnych arówno wewnątr materiału i na jego powierchni [6]. Dlatego preprowadono analię eksperymentalną strat mocy w prełącalnym silniku reluktancyjnym jednofaowym i trójfaowym.. dentyfikacja parametrów elektrycnych silnika reluktancyjnego W celu określenia parametrów elektrycnych modelu prełącalnego silnika reluktancyjnego w ależności od kąta obrotu preprowadono pomiary w stanie statycnym (). Badania preprowadono wykorystując karty pomiarowe National nstruments ora programy abview i atlab Simulink. ierono prąd i napięcie uwojenia silnika w funkcji kąta obrotu. Do identyfikacji parametrów budowano stanowisko badawce awierające jednofaowy S o jednej pare biegunów stojana i wirnika - rysunek ora trójfaowy S wykorystujący stojan silnika indukcyjnego o trech utajonych biegunach stojana i dwóch wydatnych biegunach wirnika - rysunek. ys.. Schemat poglądowy analiowanego silnika reluktancyjnego / Wartości napięcia, prądu i kąta obrotu prełącalnego silnika reluktancyjnego odcytywano jednoceśnie korystając kart pomiarowych N 95 i N 66 firmy National nstruments. Karty obsługiwane były pre aplikacje programu abview. Wyniki pomiarów apisywano w pliku tekstowym. Następnie, pliki danymi wcytywano do programu atlab i pretwarano a pomocą filtru Golaya - Savitky'ego w celu wynacenia pochodnych prądu i wyeliminowania akłóceń [7]. ys.. Schemat blokowy układu pomiaru parametrów silnika reluktancyjnego Wykorystując metodą najmniejsych kwadratów oblicono parametry schematu astępcego silnika reluktancyjnego. ierąc, co 5 stopni prąd i napięcie na uwojeniu silnika ora określając pochodną prądu po casie, wynacono charakterystyki indukcyjności w funkcji kąta obrotu rysunek 4 ora charakterystyki reystancji w funkcji kąta obrotu rysunek 5 dla jednofaowego S. ys.. Schemat poglądowy analiowanego silnika reluktancyjnego / Dla sprawdenia, jak mienia się indukcyjność i reystancja stojana w ależności od kąta obrotu wirnika jednofaowego silnika reluktancyjnego preprowadono identyfikację tych parametrów w funkcji kąta obrotu wirnika asilając uwojenia napięciem premiennym o cęstotliwości 5H. Schemat blokowy układu do wynacenia parametrów silnika predstawiono na rysunku. ys. 4. Zależność indukcyjności w funkcji kąta obrotu dla prądu stojana dla wirnika wykonanego blach i litej stali

3 asyny Elektrycne - Zesyty Problemowe Nr /7 () 57 ys. 5. Zależność reystancji w funkcji kąta obrotu dla prądu stojana dla wirnika wykonanego blach i litej stali Na rysunku i rysunku 4 linią ciągłą predstawiono charakterystykę indukcyjności i reystancji dla wirnika wykonanego blach, a linią prerywaną charakterystykę indukcyjności i reystancji dla wirnika wykonanego litej stali. Zmiana indukcyjności wględem kąta obrotu wynika e mieniającej się reluktancji. Dominujący wpływ na reluktancję ma serokość nachodenia bieguna stojana i wirnika. m więksa jest serokość nachodenia międy biegunem stojana i biegunem wirnika tym więksa jest indukcyjność. Wpływ na indukcyjność ma także materiał i wykonanie silnika. Amplituda indukcyjności silnika jest około dwukrotnie więksa dla silnika wykorystaniem wirnika blach od silnika użyciem wirnika litej stali rysunek 4. Na podstawie rysunku 5 można stwierdić, że reystancja stojana mienia swoją wartość wra kątem obrotu, podobnie jak indukcyjność. Zwiąane jest to kątem nachodenia biegunów stojana i wirnika. Pryjmowanie, że reystancja jest stała stanowi bytnie uproscenie. eystancja uwojenia silnika dla prądu stałego wynosi,4 Ω. Natomiast pry asilaniu napięciem premiennym 5 H na aciskach uwojenia widiana jest wartość około dwukrotnie więksa dla wirnika wykonanego blach. Dla silnika wirnikiem litej stali reystancja ta jest ponad pięciokrotnie więksa. Tak duża miana reystancji może być spowodowana pre wrost prądów wirowych płynących w wirniku. Wykorystując procedurę pomiarową dla S trójfaowego jak dla jednofaowego wykonano pomiary dla wirników wykonanych : blachy elektrotechnicnej o grubości. mm, kompoytu magnetycnie miękkiego typu somaloy 5 klejonego skłem, rdenia ferrytowego typu sendust ora litej stali miękkiej. Dla każdego rodaju wirnika pomiary były wykonane dla tego samego napięcia asilającego. Każdy wirnik posiadał takie same parametry konstrukcyjne o serokości bieguna 4 stopni. Na rysunkach 6 i 7 predstawiono odpowiednio charakterystyki indukcyjności astępcej w funkcji kąta obrotu i charakterystyki reystancji astępcej w funkcji kąta obrotu dla asilonego jednego uwojenia. ys. 6. ndukcyjność astępca jednej fay Na podstawie rysunku 6 można stwierdić, że najkorystniejsy prebieg indukcyjności występuje dla wirnika wykonanego kompoytu magnetycnie miękkiego. Niewiele się on różni od prebiegu dla wirnika wykonanego blach elektrotechnicnych. óżnica indukcyjności międy tymi wirnikami wynosi około %. Najwięksą różnicę prebiegu indukcyjności wynosącą około 5% można aobserwować pomiędy wirnikiem wykonanym kompoytu magnetycnie miękkiego i wirnikiem wykonanym ferrytu. ys. 7. eystancja astępca jednej fay Z rysunku 7 wynika, że najwięksą reystancję strat ma wirnik wykonany litej stali. Straty te mają wiąek występowaniem dużych prądów wirowych w rdeniu. Najmniejsymi stratami charakteryuje się wirnik wykonany ferrytu. Niestety dość duże straty posiada wirnik wykonany kompoytu magnetycnie miękkiego. Są one więkse od strat w wirniku wykonanym blach elektrotechnicnych nawet o 5%. Dla-

4 58 asyny Elektrycne - Zesyty Problemowe Nr /7 () tego też e wględu na sprawność silnika należałoby wykonać wirnik bardo cienkich blach elektrotechnicnych. Następnie połącono dwa uwojenia seregowo i wykonano pomiary i oblicenia w identycny sposób jak dla asilonego pojedyncego uwojenia. Na rysunkach 8 i 9 predstawiono odpowiednio charakterystyki indukcyjności astępcej w funkcji kąta obrotu i charakterystyki reystancji astępcej w funkcji kąta obrotu dla asilonych dwóch uwojeń. ys. 8. ndukcyjność astępca dwóch uwojeń połąconych seregowo Podobnie jak dla wynaconej indukcyjności astępcej dla jednego uwojenia rysunku 6 tak i dla dwóch uwojeń połąconych seregowo rysunku 8 najlepse właściwości magnetycne ma wirnik wykonany kompoytu magnetycnie miękkiego. Jednak różnica amplitudy międy wirnikiem wykonanym blach elektrotechnicnych wynosi tylko 8%. Natomiast różnica międy reystancją astępcą dla tych wirników rysunku 9 wynosi około %. Wynika tego, że wra e wrostem indukcyjności korystniejse jest wykorystywanie bardo cienkich blach elektrotechnicnych nie tylko e wględu na mniejse straty, ale także e wględu na kosty produkcji. jest proporcjonalna do indukcyjności astępcej.. odelowanie strat prełącalnego silnika reluktancyjnego Stalowy rdeń magnetycny silnika reluktancyjnego cechuje prewodenie prądu w prekroju prostopadłym do wektora indukcji. Dlatego wra e mianą casową strumienia magnetycnego powstają w rdeniu prądy wirowe. deń magnetycny silnika elektrycnego budowany litego żelaa achowuje się jak warty wój i płyną duże prądy wirowe. Gdy indukcja jest stała w całym prekroju prądy te płyną pry powierchni bocnej rdenia. Zamiana litego rdenia na rdeń składający się iolowanych blach powoduje więksenie drogi prepływu prądów, cyli więksenie reystancji. W efekcie następuje mniejsenie prądów ora strat w rdeniu. Dla równomiernego rokładu strumienia po powierchni rdenia prądy wirowe występujące w rdeniu łożonym iolowanych blach będą występować tylko na krawędiach blach pakietu. W wyniku wrasta reystancja i następuje redukowanie się wpływu prądów na bregach blach rdenia. odele matematycne silników elektrycnych składają się równań opisujących obwody elektrycne ora układ mechanicny. ównania spotykane w literature, opisujące prełącalny silnik reluktancyjny nie uwględniają jawnie strat w modelu matematycnym. Są one ukryte w reystancji obwodu. W [8] można spotkać obwód astępcy uwględniający straty prądów wirowych rysunek. ys.. odel analitycny strat prądów wirowych [8] ys. 9. eystancja astępca dwóch uwojeń połąconych seregowo Na podstawie predstawionych charakterystyk indukcyjności i reystancji na rysunkach od 4 do 9 można stwierdić, że reystancja astępca odel predstawiony na rysunku predstawia uwojenie silnika reluktancyjnego o reystancji i indukcyjności o licbie wojów po stronie pierwotnej, a po stronie wtórnej występuje uwojenie repreentujące straty w żelaie, posiadający reystancję i indukcyjność.

5 asyny Elektrycne - Zesyty Problemowe Nr /7 () 59 Pryjęto, że uwojenie repreentujące prądy wirowe jest pojedyncym wojem. wojenie strat w żelaie jest sprężone magnetycnie indukcyjnością uwojenia silnika. wojenie strat w żelaie obciążone jest reystancją ależną od budowy rdenia i własności materiału, którego jest on wykonany. ównania opisujące model jednofaowego silnika reluktancyjnego są w postaci: () gdie: indukcyjność własna silnika,, indukcyjność wajemna uwojenia repreentującego straty mocy w wirniku, reystancja odworowująca straty mocy w wirniku, napięcie asilające uwojenia silnika Dla trójfaowego silnika reluktancyjnego o reystancjach uwojenia nn i indukcyjnościach nn o licbie wojów po stronie pierwotnej, gdie uwojenie strat w żelaie jest sprężone magnetycnie indukcyjnościami trech fa stojana, postać macierowa opisująca model predstawiony na rysunku 9 jest w postaci: () gdie: nn indukcyjności własne uwojeń silnika w funkcji kąta obrotu, nm indukcyjności wajemne stojana w funkcji kąta obrotu, n indukcyjności wajemne strat w funkcji kąta obrotu, nn reystancja uwojeń silnika w funkcji kąta obrotu, n,m,,. Prądy,, płynące pre uwojenia silnika są prądami, które w łatwy sposób można mieryć. Niemożliwy jest natomiast pomiar prądu płynącego w rdeniu silnika. Dla tak pryjętego modelu matematycnego prąd ten będie występował w równaniach opisujących każdą faę silnika. Dla asilonej jedynie pierwsej fay silnika równania są w postaci: () Korystając transformaty ouriera ora eliminując równań opisujących uwojenie stojana prąd rdenia, wynacono astępce równania opisujące silnik: j (4) j (5) j (6) gdie jest napięciem na asilanym uwojeniu, i napięciem indukowanym na uwojeniach nieasilonych. Na podstawie równania (4) wynacono astępcą indukcyjność własną i astępcą reystancję asilanego obwodu w postaci: (7) (8) Z powyżsych ależności wynika, że indukcyjność astępca w odniesieniu do uwojenia silnika jest pomniejsona o straty w rdeniu, natomiast reystancja astępca wynacona na podstawie pomiarów jest więksona o straty w rdeniu. ndukcyjności astępce wajemne i ora reystancje dodatkowe i mierone na aciskach uwojeń nieasilonych są w postaci: (9) ()

6 6 asyny Elektrycne - Zesyty Problemowe Nr /7 () Należy auważyć, że na aciskach uwojeń nieasilonych widocna jest reystancja, powstała na skutek prepływającego prądu w rdeniu silnika. Predstawiony model strat w S, w którym mierone parametry astępce silnika są funkcją kąta obrotu wirnika. Na podstawie równań 7- parametrem decydującym o stratach w żelaie dla const. jest reystancja żelaa. m jest ona więksa tym mniejse są straty w rdeniu. Podcas pomiarów mierona reystancja astępca jest sumą strat w miedi i strat w żelaie. 4. Wnioski W prełącalnym silniku reluktancyjnym na sprawność najwięksy wpływ mają straty w rdeniu. Dopiero na drugim miejscu są straty miedi. Na straty w rdeniu decydujący wpływ ma reystancja materiału, którego wykonany jest wirnik silnika. Z preprowadonych badań wynika, że najmniejse straty posiada wirnik wykonany ferrytu, jednak charakteryuje się on najmniejsą indukcyjnością. Na podstawie porównania amplitudy indukcyjności astępcych ora reystancji astępcych dla mieronych wirników, najlepsym rowiąaniem jest użycie wirnika wykonanego cienkich blach elektrotechnicnych. Jest to rowiąanie lepse oa tańse. Straty magnetycne w rdeniu widocne są w prebiegach napięć indukowanych na nieasilonych uwojeniach. 5. iteratura []. Broa-Breina K.: Elektrycne silniki energooscędne aspekty ekonomicne stosowania, Krajowa Agencja Posanowania Energii S.A, 8. []. aulin V., adun A., Husain E.: odeling of osses in Switched eluctance achines, EEE Transactions on ndustry Applications, VO. 4, NO. 6, 4. []. Jianing in: External rotor 6/ switched reluctance motor for an electric bicycle, Hamilton, Ontario, Canada,. [4]. Wichert T.: Design and Construction odifications of Switched eluctance achines, Warsaw, 8. [5]. Diewoński E.: Poradnik materiałonawstwa elektrycnego, rodiał X, Pomiary magnetycne, J. Kuryłowic, Warsawa 959. [6]. Hanselman D. Brushless Permanent agnet otor Design, agma Physics Publishing, SA, 6. [7].. Wciślik, K. Suchenia, Core losses model of switched reluctance motor, Selected Problems of Electrical Engineering and Electronics (WZEE), 5. [8]. shikawa H., raji., Naitoh H., A New Current Control for Eddy Current oss eduction of Switched eluctance otors, COPE. Autory irosław Wciślik, Karol Suchenia Politechnika Świętokryska Zakład rądeń i Systemów Automatyki al. Tysiąclecia Państwa Polskiego Kielce mwcislik@tu.kielce.pl ksuchenia@tu.kielce.pl nformacje dodatkowe Autory składają wyray podiękowania Pani Profesor Barbare Ślusarek a umożliwienie preprowadenia badań dla wirników wykonanych kompoytowych materiałów magnetycnych.