STANY DYNAMICZNE W PRACY SYNCHRONICZNEJ SILNIKÓW INDUKCYJNYCH PIERŚCIENIOWYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 1/213 (98) 143 Staisław Azarewicz, Adam Zalas, Paweł Zalas Politechika Wrocławska, Wrocław STANY DYNAMICZNE W PRACY SYNCHRONICZNEJ SILNIKÓW INDUKCYJNYCH PIERŚCIENIOWYCH TRANSIENT STATES DURING SYNCHRONOUS OPERATION OF SLIP-RING INDUCTION MOTORS Streszczeie: W artykule przedstawioo problemy związae z procesem sychroizacji, utraty sychroizacji oraz poowej sychroizacji typowych silików idukcyjych pierścieiowych pracujących w apędach różego typu. Przedstawioo metody pozwalające łagodzić iekorzyste stay dyamicze podczas utraty sychroizacji wywołaej przez chwilowe przeciążeie maszyy lub zmiejszeie wartości apięć zasilających stoja. Badaia obliczeiowe wykoao wykorzystując opracoway polowo-obwodowy model umeryczy dla wybraego typu silika pierścieiowego dużej mocy. Abstract: The paper presets the problems coected with the process of sychroizatio, loss of sychroizatio ad resychroizatio typical slip-rig iductio motors, workig i differet types of drives. The paper also presets the methods to atteuate the dyamic waveforms durig the sychroizatio loss caused by mometary overload the machie or reduce the value of the stator voltages. The computatioal studies were performed usig a specially developed field-circuit umerical model for the selected type of high-power slip-rig iductio motors. Słowa kluczowe: maszyy elektrycze, siliki pierścieiowe, sychroizacja, obliczeia MES Keywords: electrical machies, slip-rig iductio motors, sychroizatio, FEM calculatio 1. Wstęp Jedym z ajistotiejszych zagadień, któremu poświęca się obecie coraz większą uwagę, obok problemów rozwoju urządzeń eergii odawialej, jest zmiejszeie eergochłoości urządzeń elektryczych. Spośród wielu możliwości poprawy bilasu eergetyczego urządzeń jest poprawa współczyika mocy silików elektryczych stosowaych powszechie w przemyśle. Poprawiając współczyik mocy odbiorików zmiejszamy straty eergii elektryczej w wyiku zmiejszeia prądu pobieraego z sieci, a pozytywy efekt będzie tym większy im większej mocy jest silik oraz im miej jest obciążoy. Dotyczy to także strat mocy w samym siliku. Coraz powszechiejsze stosowaie przemieików częstotliwości do zasilaia silików idukcyjych klatkowych wyposażoych dodatkowo w filtry, w zaczym stopiu poprawiło sprawość eergetyczą tych apędów, wprowadzając jedakże straty dodatkowe i zakłóceia. W przemyśle adal stosowae są dość liczie siliki idukcyje pierścieiowe, zazwyczaj zaczej mocy [4, 5], pracujące w apędach o rozruchu ciężkim, zasilae bezpośredio z sieci. Napędy te zazwyczaj ie wymagają regulacji prędkości obroto- wej. Bardzo często siliki te w układach apędowych po dokoaiu rozruchu pracują w zaczym iedociążeiu, co skutkuje iskim współczyikiem mocy, a tym samym gorszą sprawością eergetyczą apędu. Celowym zatem jest poszukiwaie możliwości poprawy tego stau. Jedym z rozwiązań może być wprowadzaie tych silików w sta pracy sychroiczej po dokoaiu ich rozruchu. Realizacja sychroizacji wymaga jedak rozwiązaia pewych problemów techiczych, z których ajistotiejsze to wybór optymalej chwili załączeia prądu wzbudzeia do uzwojeia wirika [2, 7] oraz dobraie jego miimalej wartości tak, aby ograiczyć siły dyamicze występujące w procesie sychroizacji. W tym celu bardzo istotym jest właściwy wybór układu sterowaia rozruchem i zasilaia apięciem stałym uzwojeń wirika [1, 3, 7]. Niemiej istotym problemem jest także takie rozwiązaie układu sterowaia, aby zapewiał o sychroiczą pracę podczas chwilowych przeciążeń silika (automatycza regulacja wzbudzei oraz zapewiającą łagodą poową sychroizację po utracie sychroizmu w wyiku przeciążeia lub okresowego zmiejszeia wartości apięć zasilających stoja.

2 144 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 1/213 (98) W artykule przedstawioo wyiki badań symulacyjych apędu z silikiem idukcyjym pierścieiowym dużej mocy podczas ustaloej pracy sychroiczej oraz przebiegi dyamicze jakie występują podczas utraty sychroizmu i poowej sychroizacji silika. Pozaie powyższych problemów jest bardzo istote ze względu a iewielką przeciążalość silików asychroiczych pierścieiowych podczas pracy sychroiczej. W wyiku przeprowadzoej aalizy i badań symulacyjych zapropoowao algorytm sterowaia układem połączeń i zasilaia uzwojeia wirika, będącego wzbudicą silika, miimalizujący iekorzyste udary prądów oraz mometu w warukach pracy zakłóceiowej. Badaia obliczeiowe przeprowadzoo wykorzystując opracoway w tym celu polowo-obwodowy model silika, wykorzystując komercyje oprogramowaie Maxwell firmy Asys. W obliczeiach zastosowaa została metoda elemetów skończoych. Na rysuku 1 pokazao magetowód oraz uzwojeia badaego silika pierścieiowego. Na rysuku 2 pokazao fragmet magetowodu wraz z siatką elemetów skończoych, wykorzystywaego w części polowej opracowaego modelu obliczeiowego. 2. Aaliza procesu utraty sychroizacji silika pierścieiowego Badaiom symulacyjym poddao silik idukcyjy pierścieiowy typu SAUe-1512r o parametrach zestawioych w tabeli 1. Tabela 1. Dae zamioowe badaego silika pierścieiowego moc zamioowa kw 1 apięcie stojaa V 6 prąd stojaa A 124 prędkość obrotowa obr/mi 493 współczyik mocy -,82 id. sprawość - 94,6% prąd wirika A 41 Rys. 1. Magetowód modelowaego silika pierścieiowego Rys. 2. Fragmet magetowodu oraz siatki dyskretyzacyjej modelowaego silika Typowy silik idukcyjy pierścieiowy podczas pracy sychroiczej charakteryzuje się stosukowo małym mometem sychroiczym. W wyiku tego jest wrażliwy a chwilowe przeciążeia. Przechodzi wówczas do pracy asychroiczej trwającej do czasu, gdy wartość mometu obciążeia umożliwi poową sychroizację silika. W celu sprawdzeia wpływu układów zasilaia uzwojeia wirika apięciem stałym a przebieg procesu utraty sychroizacji i pracy asychroiczej w wyiku chwilowego przeciążeia maszyy oraz procesu poowej sychroizacji wykoao odpowiedie obliczeia. Przyjęto wypadkowy momet bezwładości J z = 12 kg m 2, co odpowiada pracy badaego silika w apędzie młya kulowego. Wartość apięcia stałego załączaego do uzwojeia wirika w chwili ii-

3 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 1/213 (98) 145 cjacji procesu sychroizacji ustaloo a poziomie zapewiającym w staie pracy sychroiczej ustaloej prąd wirika o wartości maksymalej 1,1I 2. Uwzględiając układ połączeń uzwojeń wirika podczas ich zasilaia prądem stałym, wartość tego prądu może być zwiększoa po wykoaiu sprawdzających obliczeń cieplych. Wyiki obliczeń dla układu zasilaia uzwojeia wirika [3] z diodą w jedej z faz (rys. 3 oraz bez diody (rys. 3 pokazao odpowiedio a rysukach 4 oraz 5. W chwili t=3s zamodelowao skokowy wzrost mometu obciążeia do wartości 1,5M, a w chwili t=12s obciążeie zostało skokowo zmiejszoe do wartości zamioowej. W obu przypadkach (rys. 4 i 5) od chwili iicjacji procesu sychroizacji utrzymywao stałą wartość apięcia zasilającego uzwojeie wirika. wzbudzeia, co wpływa korzystie a przebieg procesu [3, 6], zwiększając momet sychroizujący. prąd [A] ; apięcie [V] diody D1 k=,4; prąd stojaa [A] Is ID1 UD1 1,1 4,1 7,1 1,1 13, prędkość obrotowa [obr/mi] ,1 4,1 7,1 1,1 13,1 46 Rys. 4. Przebiegi czasowe podczas chwilowej utraty sychroizacji w wyiku przeciążeia - układ zasilaia wirika z diodą Rys. 3. Schemat ideowy układu zasilaia uzwojeia wirika prądem stałym: z diodą ( i bez diody ( Zastosowaie układu zasilaia z diodą w jedej z faz miało a celu uzyskaie prądu półokresowego, którego kieruek był zgody z prądem wzbudzeia wywołaym załączeiem apięcia stałego. Składowa przemiea prądu sumuje się podczas sychroizacji ze stałym prądem Zastosowaie układu zasilaia z diodą wywołało podczas pracy asychroiczej wzbudzoej maszyy zaczące pulsacje prędkości i udary prądów silika oraz duże amplitudy zmia wartości chwilowych mometu elektromagetyczego (rys. 4), co może powodować iekorzyste udary mechaicze a wale maszyy roboczej i staowić dodatkowe obciążeie łożysk. Proces poowej sychroizacji przebiega atomiast łagodie i w krótkim czasie (rys. 4) po zmiejszeiu mometu obciążeia. Zastosowaie układu zasilaia bez diody wpłyęło a zmiejszeie pulsacji prędkości silika oraz udarów prądów i mometu (rys. 5), ale przebiegi procesów dyamiczych ie moża uzać za łagode.

4 146 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 1/213 (98) prąd [A] wirika; apięcie [V] wirika k=,1; prąd stojaa [A] prąd [A] wirika; apięcie [V] wirika k=,1; prąd stojaa [A] ,1 4,1 7,1 1,1 13, ,1 4,1 7,1 1,1 13, Rys. 5. Przebiegi czasowe podczas chwilowej utraty sychroizacji w wyiku przeciążeia - układ zasilaia wirika bez diody Zaczie korzystiejszym rozwiązaiem jest zastosowaie dodatkowego układu sterowaia zapobiegającego pracy asychroiczej wzbudzoego silika pierścieiowego. Wyiki obliczeń dla takiego przypadku pokazao a rysuku 6. W obliczeiach w chwili utraty sychroizacji i wzrostu poślizgu silika apięcie stałe zostało wyłączoe (t=4,2s), a uzwojeia wirika połączoe w gwiazdę i zwarte przez rezystory ostatiego stopia rozruszika (rys. 3, wykorzystywae późiej (t=12,8s) w procesie sychroizacji. Zapropoowae rozwiązaie praktyczie całkowicie wyelimiowało udary mometu silika oraz prądów i zmiimalizowało pulsację prędkości (rys. 6). Załączeie apięcia stałego w warukach pracy asychroiczej ustaloej i wybraej, ie przypadkowej chwili czasowej [3] zapewiło poową łagodą sychroizację silika. prędkość obrotowa [obr/mi] ,1 4,1 7,1 1,1 13, ,1 4,1 7,1 1,1 13, Rys. 6. Przebiegi czasowe podczas chwilowej utraty sychroizacji w wyiku przeciążeia okresowe wyłączeia apięcia wzbudzeia Ią z przyczy mogących wystąpić zakłóceń w pracy sychroiczej silika pierścieiowego skutkującą utratą sychroizacji jest okresowe zmiejszeie wartości apięć zasilających wywołae pracą rówoległą (rozruch) iych maszy dużej mocy zasilaych z tego samego trasformatora. W celu aalizy przebiegów dyamiczych w staach przejściowych, które wystąpią podczas procesu utraty sychroizmu i poowej sychroizacji silika wykoao odpowiedie obliczeia, w których zamodelowao skokowe zmiejszeie wartości apięć zasilających stoja o 2%. W chwili t=12s wartość apięć zasilających została przywrócoa do wartości zamioowej. Podczas obliczeń założoo stałą wartość apięcia zasilającego uzwojeie wirika. Wyiki obliczeń dla układu zasilaia uzwojeń wirika bez diody pokazao a rysuku 7. prędkość obrotowa [obr/mi].

5 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 1/213 (98) 147 prąd [A] wirika; apięcie [V] wirika k=,1; prąd stojaa [A] ,1 4,1 7,1 1,1 13, ,1 4,1 7,1 1,1 13, Rys. 7. Przebiegi czasowe podczas chwilowej utraty sychroizacji w wyiku zmiejszeia wartości apięć zasilających stoja prędkość obrotowa [rpm].. Przebieg procesu utraty sychroizacji (rys. 7) wywołaego okresowym zmiejszeiem wartości apięć zasilających stoja jest zbliżoy do procesu wywołaego okresowym przeciążeiem silika (rys. 5). Rówież przebiegi dyamicze towarzyszące pracy asychroiczej wzbudzoej maszyy pierścieiowej oraz procesu poowej sychroizacji są w obu przypadkach zbliżoe. Rówież korzystym rozwiązaiem będzie zastosowaie dodatkowego układu sterowaia zapobiegającego pracy asychroiczej wzbudzoego silika. Wyiki obliczeń procesu z wykorzystaiem dodatkowego układu pokazao a rysuku 8. W obliczeiach w chwili utraty sychroizacji w wyiku okresowego zmiejszeia wartości apięć zasilających stoja apięcie stałe zasilające wzbudicę zostało wyłączoe (t=4s), a uzwojeia wirika połączoe w gwiazdę i zwarte przez rezystory ostatiego stopia rozruszika, wykorzystywae późiej (t=13,4s) w procesie poowej łagodej sychroizacji. prąd [A] wirika; apięcie [V] wirika k=,1; prąd stojaa [A] ,1 4,1 7,1 1,1 13,1-2 1,1 4,1 7,1 1,1 13, Rys. 8. Przebiegi czasowe podczas chwilowej utraty sychroizacji w wyiku zmiejszeia wartości apięć zasilających stoja okresowe wyłączeia apięcia wzbudzeia Przyjęty algorytm sterowaia układem połączeń uzwojeia wirika oraz apięciem wzbudzeia praktyczie całkowicie wyelimiował udary mometu silika oraz prądów i zmiimalizował pulsację prędkości, zapewiając przebiegi staów przejściowych zbliżoe do typowej pracy asychroiczej silika pierścieiowego przy okresowej zmiaie wartości apięć zasilających stoja (rys. 9). prędkość obrotowa [rpm]..

6 148 Zeszyty Problemowe Maszyy Elektrycze Nr 1/213 (98) prąd [A] wirika; apięcie [V] wirika k=,1; prąd stojaa [A] ,1 4,1 7,1 1,1 13,1 1,1 4,1 7,1 1,1 13, Rys. 9. Przebiegi czasowe podczas chwilowego zmiejszeia wartości apięć zasilających stoja praca asychroicza silika 3. Wioski Przeprowadzoa aaliza i badaia symulacyje zachowaia się silika idukcyjego pierścieiowego podczas pracy sychroiczej umożliwiły pozaie występujących staów dyamiczych i ich związków z budową układu zasilaia uzwojeń prądem stałym oraz algorytmu jego sterowaia. Kostrukcja układu zasilaia uzwojeia prądem stałym i algorytm jego sterowaia ma istoty wpływ a wielkość i czas trwaia staów dyamiczych, a tym samym arażeń silika. Zapropoowae rozwiązaie zapewia miimalizację staów dyamiczych w procesach przejściowych oraz poprawą pracę silika idukcyjego pierścieiowego podczas pracy sychroiczej. prędkość obrotowa [rpm].. 4. Literatura [1]. Azarewicz S., Zalas A., Zawilak J.: Tyrystorowy układ łagodej sychroizacji, Masz. Elektr. - Zesz. Probl. BOBRME KOMEL 1995, r 51, [2]. Azarewicz S., Zalas A., Zawilak J.: Łagody rozruch i łagoda sychroizacja silików sychroiczych, Ustroń , Katowice, BOBRME KOMEL 1996, [3]. Azarewicz S., Zalas A., Zawilak J.: Praca sychroicza silików idukcyjych pierścieiowych, Rytro , Katowice, BOBRME KOMEL 211, r 91, [4]. Glika T.: Zużycie eergii elektryczej w układach apędowych przeośików taśmowych, Katowice, BOBRME KOMEL 25, r 73, [5]. Przybylski J.: Napęd odwracaly w elektrowi szczytowo - pompowej, Katowice, BOBRME KOMEL 25, r 72, [6]. Paszek W.: Dyamika maszy elektryczych prądu przemieego. Wydawictwo Helio, Gliwice 1998r. [7]. Zalas P.: Aaliza procesu sychroizacji silików sychroiczych z rozruchem asychroiczym. Rozprawa doktorska, Politechika Wrocławska, Wrocław 27. Autorzy Politechika Wrocławska, Istytut Maszy, Napędów i Pomiarów Elektryczych ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław staislaw.azarewicz@pwr.wroc.pl adam.zalas@pwr.wroc pl pawel.zalas@pwr.wroc.pl