BADANIA EKSPERYMENTALNE ROZRUCHU SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WZBUDZANEGO MAGNESAMI TRWAŁYMI

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 93/ Ludwik Antal, Maciej Gwoździewicz Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej BADANIA EKSPERYMENTALNE ROZRUCHU SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WZBUDZANEGO MAGNESAMI TRWAŁYMI EXPERIMENTAL TESTS OF PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR START UP Abstract: Results of small power (P n = 2kW) permanent magnet synchronous motor start-up experimental tests were presented. Motor was supplied directly from the power grid. To determine the maximum start-up torque motor was loaded with different values of constant load torque. During starts-up voltages, currents, torque and rotational speed were measured. The same measurements were done for the induction motor (P n = 1,5 kw) which is base construction for the investigated permanent magnet synchronous motor. Comparison of the obtained results of basic electrical and mechanical quantities enabled to starting properties of the line start permanent magnet synchronous motor and its synchronization ability. 1. Wstęp Silnik synchroniczny o bezpośrednim rozruchu wzbudzany magnesami trwałymi (LSPMSM) jest alternatywnym rozwiązaniem zwiększenia sprawności i współczynnika mocy silników indukcyjnych. Jednakże silniki z magnesami trwałymi mają mały moment początkowy i małą zdolność synchronizacji. Zwiększenie momentu początkowego i zdolności synchronizacji oraz jednoczesne osiągnięcie dobrych właściwości eksploatacyjnych stanu ustalonego jest bardzo trudne. Poprawa właściwości eksploatacyjnych (sprawności, współczynnika mocy i momentu synchronicznego) przez powiększanie natężenia koercji magnesu powiększa moment hamujący i tym samym zmniejsza wartość momentu rozruchowego. Również zwiększając moment indukcyjny dla prędkości bliskich prędkości synchronicznej (w celu powiększenia zdolność synchronizacji) przez zmniejszenie rezystancji klatki, zmniejsza się moment rozruchowy. Niezbyt dobre właściwości rozruchowe silników LSPM ograniczają ich zastosowanie do napędu maszyn o charakterystyce wentylatorowej wymagających małego momentu rozruchowego w początkowej fazie rozruchu. Najskuteczniejszym rozwiązaniem problemu rozruchu silnika synchronicznego z magnesami trwałymi wydaje się być użycie przełączalnego dwubiegowego uzwojenia stojana [1, 2]. Uzyskiwane dzięki przełączeniu uzwojenia wzbudzenia dwie prędkości obrotowe umożliwiają przeprowadzenie rozruchu do prędkości większej od docelowej prędkości synchronicznej. Liczba biegunów pola magnetycznego uzwojenia stojana jest wówczas mniejsza od liczby biegunów wirnika utworzonych przez magnesy trwałe. Taka sytuacja oznacza brak współdziałania pól stojana i wirnika o różnych biegunowościach, a więc brak momentu hamującego od magnesów. Rozruch przebiega, więc podobnie jak dla silnika indukcyjnego, a wartość początkowego momentu rozruchowego zależy przede wszystkim od parametrów klatki rozruchowej. Po przekroczeniu docelowej prędkości synchronicznej uzwojenie stojana jest odłączane i przełączane do biegunowości zgodnej z liczbą biegunów wirnika odpowiadającej mniejszej prędkości synchronicznej. Wówczas następuje synchronizacja do tej prędkości w dogodniejszych dla maszyny warunkach (przy obniżaniu prędkości). Takie bądź podobne rozwiązania będą prawdopodobnie nieodzowne w odniesieniu do maszyn dużej i średniej mocy [4, 9, 1, 11]. Dla maszyn małej mocy uzasadniony ekonomicznie może być rozruch bezpośredni przez pokonanie momentu hamującego magnesów. Odpowiednia konstrukcja klatki rozruchowej może zapewnić wystarczającą wartość początkowego momentu rozruchowego, szczególnie dla napędów o charakterystyce wentylatorowej lub liniowej. Napędami o takim charakterze są niewątpliwie napędy pomp i wentylatorów używanych w górnictwie podziemnym. Stosowane obecnie w tych maszynach silniki indukcyjne muszą spełniać wymagania normy [8], dotyczące właściwości rozruchowych silników indukcyjnych. Wymagania takie (tabela 1) trzeba też przenieść na silniki LSPMSM, gdyby miały zastąpić w napędach kopalnianych silniki indukcyjne.

2 132 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 93/211 Tabela 1. Wymagane przez normę [8] wartości momentów i prądu rozruchowego silników indukcyjnych napędzających maszyny górnicze Silnik do napędu: pomp odwadniania wentylatorów lutniowych M I /M n,6-1,1,5-1, M r / M n >,6 >,6 M b / M n 2,3-2,8 2,-3,1 I K /I n <7,8 <7,1 W tabeli 1: M I i I K - moment i prąd przy zahamowanym wirniku, M b i M r - moment krytyczny oraz minimalny moment rozruchowy, M n i I n - moment oraz prąd dla znamionowej pracy ciągłej. Opisane w pracy badania miały na celu sprawdzenie możliwości wykorzystania silników małej mocy do napędu maszyn kopalnianych, ze szczególnym uwzględnieniem procesów rozruchu i synchronizacji. 2. Przedmiot i sposób badań Przedmiotem badań jest silnik synchroniczny o rozruchu bezpośrednim wzbudzany magnesami trwałymi, ale również porównawczy silnik indukcyjny, którego inny egzemplarz posłużył do budowy silnika synchronicznego [12]. Budowanie modeli maszyn LSPMSM na bazie silników indukcyjnych jest stosowane w wielu zespołach badawczych [3, 5]. Rys. 1. Przekroje poprzeczne silnika indukcyjnego (a) i silnika synchronicznego z magnesami trwałymi (b) Wielkość mechaniczna obu badanych maszyn jest, więc identyczna i ona jest bazą porównania dwóch typów maszyn. Przekroje obu silników pokazuje rysunek 1, a dane znamionowe tabela 2. Klatka rozruchowa silnika synchronicznego ma mniejszą powierzchnię przekroju poprzecznego niż klatka silnika indukcyjnego. Wynika to z konieczności ulokowania w wirniku maszyny synchronicznej magnesów trwałych tworzących bieguny. W konsekwencji składnik indukcyjny momentu rozruchowego silnika LSPMSM jest mniejszy niż silnika indukcyjnego. Tabela 2. Dane znamionowe porównywanych silników: indukcyjnego (IM) i synchronicznego z magnesami trwałymi (LSPMSM) Parametr IM LSPMSM moc [kw] 1,5 2, napięcie [V] prąd [A] 3,5 3,541 sprawność [ ],78,872 współczynnik mocy [ ],79,935 prędkość obrotowa [1/min] ,16 12,74 moment rozruchowy M r /M n [ ] 2,5 1,16 prąd rozruchowy I r /I n [ ] 5,3 5,1 Chociaż wymiary obu maszyn są identyczne to ze względu na odmienną zasadę działania w wirniku maszyny synchronicznej z magnesami trwałymi występują mniejsze straty mocy, co powoduje, że temperatura tego elementu jest znacznie niższa niż w silniku indukcyjnym. Ponieważ wirnik maszyny indukcyjnej nagrzewa się bardziej (~1 C w temperaturze otoczenia 2 C) niż stojan (~8 C), więc to on limituje moc silnika indukcyjnego (1,5 kw), a stojan jest termicznie niewykorzystany. Ze względu na słabo nagrzany wirnik silnika synchronicznego (~55 C) można znacznie zwiększyć moc znamionową maszyny synchronicznej bez ryzyka przegrzania uzwojenia stojana. Wnioski płynące z badań cieplnych [7], pozwalałyby przyjąć moc znamionową silnika synchronicznego, jako 2,15 kw. Jednakże inne wskaźniki eksploatacyjne sugerują moc znamionową równą 2 kw, dla której temperatura uzwojenia stojana osiąga 75 C, a temperatura wirnika 7 C. Badania silników przeprowadzono na stanowisku pomiarowym, którego głównym elementem umożliwiającym płynną regulację momentu obciążenia jest hamownica magnetyczno-cierna o liniowym i niemal stałym momencie obciążenia. Moment obciążenia wytwarzany przez hamownicę regulowany jest poprzez zmianę prą-

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 93/ du magnesującego pobieranego z zewnętrznego zasilacza prądu stałego. Chwilowe wartości napięć, prądów, prędkości oraz momentu rejestrowane są przez kartę pomiarową współpracującą z przetwornikami i komputerem. Pomiar prędkości obrotowej i momentu zapewniał zamontowany między silnikiem a hamownicą przetwornik momentu i prędkości [7]. Wszystkie wykonane próby zrealizowano przy bezpośrednim zasilaniu badanych silników napięciem sieciowym ~ V i przy zadanej wartości stałego momentu obciążenia. 3. Wyniki pomiarów Przykładowe przebiegi czasowe podstawowych wielkości elektrycznych i mechanicznych w czasie rozruchu i synchronizacji silnika LSPMSM obciążonego znamionowo przedstawiono na rysunkach 2 4. napięcie [V] ,2,4,6,8 1 1,2 Rys. 2. Napięcia fazowe podczas rozruchu silnika LSPMSM obciążonego znamionowo Przebiegi czasowe prądów fazowych uzwojenia stojana podczas rozruchu i synchronizacji silnika LSPMSM pokazuje rysunek 3, a przebiegi momentu i prędkości obrotowej rysunek ,2,4,6,8 1 Rys. 3. Prądy stojana podczas rozruchu silnika LSPMSM obciążonego znamionowo W pierwszej chwili rozruchu bezpośredniego silnika LSPMSM napięcie minimalnie (5,4 %) obniża się (rys. 2) prędkość obrotowa moment ,2,4,6,8 1 Rys. 4. Moment i prędkość obrotowa podczas rozruchu silnika LSPMSM obciążonego znamionowo Na rysunkach 5 7 porównano rozruchy i synchronizację silnika LSPMSM dla różnych wartości momentu obciążenia. Zbadano rozruch z obciążeniem bliskim znamionowemu, z połową takiego obciążenia i z obciążeniem stratami mechanicznymi układu. Zestawione przebiegi czasowe momentu pokazuje rysunek ,9 M 2 n 1,4 M n -1,54 M -2 n ,,2,4,6,8 Rys. 5. Porównanie przebiegów momentu podczas rozruchu LSPMSM dla różnych wartości momentu obciążenia 18 16,4 M n 1 1,54 M n ,9 M n -,,2,4,6,8 Rys. 6. Porównanie przebiegów prędkości obrotowej podczas rozruchu LSPMSM dla różnych wartości momentu obciążenia Rysunek 6 pokazuje różnice w narastaniu prędkości podczas rozruch silnika synchronicznego z niejednakowym obciążeniem.

4 134 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 93/211 Przebiegi czasowe prądu jednej z faz uzwojenia stojana podczas rozruchu przedstawia wykres na rysunku 7, a kształt ustalonego prądu po synchronizacji, wykres na rysunku 8. prąd fazy [A] 4 3 1,9 Mn,54 Mn,4 Mn ,,2,4,6,8 Rys. 7. Porównanie przebiegów prądów jednej z faz podczas rozruchu LSPMSM dla różnych wartości momentu obciążenia ,54 Mn,4 Mn 1,9 Mn -6,7,72,74,76,78,8 Rys. 8. Porównanie kształtu prądów jednej z faz podczas rozruchu LSPMSM dla różnych wartości momentu obciążenia Przebiegi czasowe momentu i prędkości obrotowej podczas rozruchu silnika indukcyjnego pokazują rysunki 9 i 1, a przebiegi prądów wybranego fazowego uzwojenia stojana, rysunek , M n 1 5,49 M n,6 Mn -5,,2,4,6,8 Rys. 9. Porównanie przebiegów momentu podczas rozruchu silnika indukcyjnego dla różnych wartości momentu obciążenia , M n,49 M n,6m n -,,2,4,6,8 Rys. 1. Porównanie przebiegów prędkości obrotowej podczas rozruchu silnika indukcyjnego dla różnych wartości momentu obciążenia , Mn,49 Mn,6 Mn -4,,2,4,6,8 Rys. 11. Porównanie przebiegów prądów jednej z faz podczas rozruchu silnika indukcyjnego dla różnych wartości momentu obciążenia , M n,6m n -4,49 M n -6,7,72,74,76,78,8 Rys. 12. Porównanie kształtu prądów jednej z faz podczas rozruchu silnika indukcyjnego dla różnych wartości momentu obciążenia Kształt ustalonego prądu po zakończeniu rozruchu obciążonego w różnym stopniu silnika indukcyjnego przedstawia rysunek 12. Czas rozruchu i synchronizacji silnika LSPMSM (,16,28 s) zależy od obciążenia i trwa dłużej niż rozruch silnika indukcyjnego (,11,14 s). Maksymalne wartości chwilowe momentu LSPMSM zmieniają się z obciążeniem (3

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 93/ N m) i są większe od odpowiedniej wartości momentu silnika indukcyjnego (29 N m). Maksymalna wartość tego momentu dla silnika indukcyjnego nie zależy od obciążenia. Maksymalne wartości chwilowe prądów również nie zależą od obciążenia, chociaż ze względu na różnicę mocy znamionowych są większe podczas rozruchu silnika synchronicznego. Ustalone wartości średnie momentu, prędkości i wartości skutecznej prądu stojana obu silników dla różnych wartości momentu obciążenia zestawiono w tabeli 3. Tabela 3. Średnie ustalone wartości momentu, prędkości obrotowej i prądu fazowego po dokonaniu rozruchu w różnym stopniu obciążonych silników: synchronicznego (LSPMSM) i indukcyjnego (IM) Silnik LSPMSM IM M śr N śr M śr /M n [N m] [1/min] I a [A] 1,9 13, ,24,54 6, ,19,4, ,52 1, 1, ,78,49 5, ,81,6, ,67 Zwiększanie obciążenia silnika LSPMSM ponad moment znamionowy prowadzi do sytuacji opisanej przez wykresy na rysunkach 13 i 14. Przy obciążeniu 1,17 M n rośnie wartość momentu maksymalnego (przekracza zakres pomiarowy momentomierza 5 N m), a silnik próbuje utknąć przy prędkości bliskiej 1 min -1. Rusza jednak dalej i synchronizuje się po czasie,7 s. Maksymalne wartości chwilowe prądów stojana są podobne jak przy obciążeniach mniejszych, ale w fazie utykania (nieudanej synchronizacji) osiągają duże wartości (18,5 A) prędkość moment ,2,4,6,8 1 1,2 Rys. 13. Moment i prędkość obrotowa podczas rozruchu silnika LSPMSM obciążonego momentem 1,17 M n ,2,4,6,8 1 Rys. 14. Prądy stojana podczas rozruchu silnika LSPMSM obciążonego momentem 1,17 M n Dalsze zwiększanie momentu ponad 1,17 M n powoduje stan braku synchronizacji przedstawiony na rysunkach 15 i 16. Dla momentu obciążenia 1,24 M n silnik utyka przy prędkości nieco niższej od 1 min -1 lecz nieustannie próbuje zsynchronizować się na prędkości 15 min -1. Podczas tych nieudanych prób prądy stojana osiągają wartości chwilowe niemal 2 A, a moment pulsuje w przedziale 9,5 37 N m prędkość moment ,,5 1, 1,5 2, Rys. 15. Moment i prędkość obrotowa podczas rozruchu silnika LSPMSM obciążonego momentem 1,24 M n (n = 1294,6 1/min) ,2,4,6,8 1 Rys. 16. Prądy stojana podczas rozruchu silnika LSPMSM obciążonego momentem 1,24 M n (n = 1294,6 1/min)

6 136 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 93/ Podsumowanie Wykonane badania wykazały, że silnik synchroniczny małej mocy o bezpośrednim rozruchu i wzbudzany magnesami trwałymi (LSPMSM) może osiągnąć moment rozruchowy równy 1,16 momentu znamionowego. Oznacza to, że spełnia wymagania normy dla napędu maszyn górniczych w kopalniach podziemnych. Może, więc być zastosowany np. w wentylatorach lutniowych lub zatapialnych pompach odwadniania. Proces rozruchu bezpośredniego i synchronizacji silników LSPMSM jest trudniejszy od takiegoż rozruchu silników indukcyjnych, lecz zysk z poprawy parametrów eksploatacyjnych (sprawności, współczynnika mocy i gęstości mocy) z nawiązką kompensuje te utrudnienia. 7. Literatura [1] Aliabad, A.D.; Mirsalim, M.; Ershad, N.F.; Line-Start Permanent-Magnet Motors: Significant Improvements in Starting Torque, Synchronization, and Steady-State Performance, IEEE Transactions on Magnetics, Volume: 46, Issue: 12, 21, p [2] Cistelecan, M.V.; Popescu, M.; Melcescu, L.; Tudorache, T.; Three phase line start claw poles permanent magnet motor with pole changing winding, Power Electronics, Electrical Drives, 8. SPEEDAM 8. International Symposium on Automation and Motion, 8, p [3] FEI W., LUK P., MA J., SHEN J.X., YANG G., A High-Performance Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor Amended From a Small Industrial Three-Phase Induction Motor, IEEE Transaction on Magnetics, Volume 45, Issue 1, 9 p [4] Feng, X.; Liu, L.; Kang, J.; Zhang, Y.; Super premium efficient line start-up permanent magnet synchronous motor, 21 XIX International Conference on Electrical Machines (ICEM), Rome, Italy, 6-8 September 21, p. 1 6 [5] Guang Yang; Jun Ma; Jian-Xin Shen; Yu Wang, Optimal design and experimental verification of a line-start permanent magnet synchronous motor, 8. ICEMS 8. International Conference on Electrical Machines and Systems, 8, p [6] Gwoździewicz M., Antal L., Investigation of line start permanent magnet synchronous motor and induction motor properties, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 64, Studia i Materiały, 21, nr 3, s [7] Gwoździewicz M., Investigation of properties and comparison of Permanent Magnet Synchronous Motor and Induction Motor, Master s Thesis, Wroclaw University of technology, Faculty of Electrical Engineering, Wrocław 21 [8] PN-G-381:1997 Ochrona pracy w górnictwie. Silniki indukcyjne trójfazowe klatkowe do maszyn górniczych. Wymagania i badania. [9] Qin Fen Lu; Yun Yue Ye, Design and Analysis of Large Capacity Line-Start Permanent-Magnet Motor; IEEE Transactions on Magnetics, Volume: 44, Issue: 11, Part: 2, 8, p [1] Qing Zhao; Xiulian Wang; Shenbo Yu; Dong Zhang; Zhongliang An; Renyuan Tang, Study and design for large line-start permanent magnet synchronous motors, Sixth International Conference on Electrical Machines and Systems, 3. ICEMS 3, Volume: 1, 3, p vol.1 [11] Qu Fengbo; Li Zhipeng; Cheng Shukang; Li Weili; Calculation and simulation analysis on starting performance of the high-voltage line-start PMSM, (ICCASM), 21 International Conference on Computer Application and System Modeling, Volume: 3, 21, p. V V3-22 [12] Zawilak T., Antal L.: Porównanie silnika indukcyjnego oraz synchronicznego z magnesami trwałymi i rozruchem bezpośrednim - badania eksperymentalne. Maszyny Elektryczne. Zeszyty Problemowe, 7, nr 77, s Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy POIG /9 Autorzy Dr hab. inż. Ludwik Antal, prof. PWr, ludwik.antal@pwr.wroc.pl Mgr inż. Maciej Gwoździewicz, maciej.gwozdziewicz@pwr.wroc.pl, Politechnika Wrocławska Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Wroclaw, ul. Smoluchowskiego 19 Recenzent Prof. dr hab. inż. Grzegorz Kamiński