NAPDY ELEKTRYCZNE WIELOBIEGOWE

Transkrypt

1 Tadeusz Glinka, Mieczysław Jakubiec BOBRME Komel, Katowice NAPDY ELEKTRYCZNE WIELOBIEGOWE MULTI-SPEED ELECTRIC DRIVES Abstract: Multi-speed electric drives are usually used in these cases, where work cycle of a given drive requires two or more different rotational speeds. Examples of such drives are pumps, fans, centrifuges, lifts etc. Another reason for using multi-speed drives is decreasing the energy consumption. Low energy consumption is ecological and economical criterion of the drive. If energy is not spent unnecessarily, then it need not be generated. About 98 of electrical energy in Poland is produced by burning coal and therefore, if less coal is burnt, the emission of carbon dioxide, sulphur dioxide and nitrogen oxides goes down. Lower speed of the drive causes diminished wear of driven mechanical devices and decreases generated noise; a good instance of such drive is belt conveyor. Energy-saving drive is the type of drive drawing minimum energy from the network necessary from the viewpoint of the engineering process Fig.1. Energy required for engineering process during time t (e.g. day, month, year) is equal to. The driven mechanical system imposes load torque T ob and angular speed ω m on the motor. Equation (1) shows that the minimum energy consumption is achieved, when the drive operates at minimum allowable angular speed (ω m min ). Usually the load torque is also minimum under such conditions. This type of working cycle algorithm in modern electric drives can be obtained by using cage induction motor supplied from power electronics converter (inverter). If we assume that, for a chosen drive, e.g. belt conveyor, the energy consumption per time unit (e.g. t = 24 h): - is equal to 100 per cent, when angular speed is kept constant (ω m = const) - drops down to 50 per cent in accordance with ω m min criterion (for a belt conveyor this speed corresponds to 100 per cent loading of the belt), then when two-speed drive is used, the energy consumption will go down to c. 70 percent, and with threespeed drive to c. 60 per cent. Two-or three-speed drive is cheaper and as easy to design as one-speed drive. Multi-speed drives can utilize the following motors: - multi-speed cage induction motors, - system of two induction slip-ring motors, supplied either individually or as a cascade system, - synchronous motors of special design, stator winding with switchable number of poles, - induction or synchronous motors supplied either from the network or from power-generator set (lower frequency, also lower voltage). Wstp Silniki elektryczne dwubiegowe s zwykle stosowane do napdu urzdze mechanicznych, których program pracy wymaga dwóch rónych prdkoci obrotowych. Do urzdze tych nale: wirówki, wentylatory, pompy, dwigi osobowe i inne. Drugim powodem stosowania napdów wielobiegowych jest energooszczdno. Energooszczdno napdu to pojcie w równym stopniu ekonomiczne jak i ekologiczne. Jeli energii elektrycznej nie zuywa si niepotrzebnie, to tej energii nie ma potrzeby wytwarza. W Polsce około 98% energii elektrycznej uzyskuje si w wyniku spalania wgla, a zatem jeli mniej spali si wgla to zmniejszy si emisj gazów CO 2, SO 2, NO x. Praca napdu z nisz prdkoci obrotow zmniejsza take zuycie napdzanych urzdze mechanicznych i obnia generowany przez nie hałas, przykładem s przenoniki tamowe. W napdach urzdze mechanicznych stosowanych w kopalniach zastosowanie silników wielobiegowych jest dyktowane przede wszystkim wzgldami energooszczdnoci. Definicja napdu energooszczdnego Napd energooszczdny jest to taki napd, który pobiera z sieci elektroenergetycznej minimum energii potrzebnej do realizacji procesu technologicznego. Energia potrzebna do realizacji procesu technologicznego w okrelonym czasie t np. dzie, miesic, rok wynosi: W t t 2 Tob ω mdt. (1) = P 2 dt = 0 Napdzane urzdzenie mechaniczne narzuca silnikowi prdko ktow ω m i moment obci- enia T ob. Jak wynika z zalenoci (1) mini- 0

2 malne zuycie energii W 2min uzyskuje si wówczas, gdy napd pracuje z minimaln lecz dopuszczaln prdkoci ktow (ω m min ). Wówczas i moment obcienia T ob jest zwykle najmniejszy. Przykładem s wentylatory, pompy, a take przenoniki tamowe. Realizacja algorytmu pracy napdu z minimaln prdkoci ktow ω m min daje najwiksze oszczdnoci energii. Taki algorytm, pracy we współczesnych napdach elektrycznych moe by realizowany np. przy pomocy silnika indukcyjnego klatkowego zasilanego z przemiennika (falownika) energoelektronicznego (rys. 1). Rys. 1. Układ napdowy o regulowanej prdko- ci obrotowej Jeli załoy, dla wybranego urzdzenia (np. przenonika tamowego), e zuycie energii w jednostce czasu (np. t = 24 godz.): przy pracy ze stał prdkoci ktow ω m = const. wynosi 100 %, a przy pracy według kryterium ω m min wynosi 50 % (np. dla przenonika tamowego jest to prdko przy której wystpuje pełne obcienie tamy), to po zastosowaniu napdu dwubiegowego zu- ycie energii obniy si przykładowo do około 65 %, a przy napdzie trójbiegowym nawet do około 55 %. Napd dwu bd trójbiegowy jest tani i prosty w realizacji, podobnie jak napd jednobiegowy, gdy nie wymaga stosowania przekształtników energoelektronicznych, wystarcz silniki dwu- bd trój- biegowe i dodatkowe łczniki. Napdy wielobiegowe mog by realizowane przy pomocy: wielobiegowych silników indukcyjnych klatkowych, układu dwóch silników indukcyjnych pier- cieniowych przełczanych z zasilania indywidualnego w układ kaskadowy, silników synchronicznych o konstrukcji specjalnej z uzwojeniem stojana o przełczalnej liczbie biegunów, silników indukcyjnych bd synchronicznych zasilany alternatywnie z sieci elektroenergetycznej bd obnion czstotliwoci (take obnionym napiciem) z przetwornicy elektromaszynowej. Wielobiegowe silniki indukcyjne klatkowe Fundamentaln zasad działania kadej maszyny elektrycznej jest równo iloci biegunów siły magnetomotorycznej uzwojenia stojana i wirnika, gdy tylko wówczas maszyna generuje moment elektromagnetyczny róny od zera. Właciwoci silników indukcyjnych klatkowych jest, e liczba biegunów uzwojenia wirnika dopasowuje si do liczby biegunów uzwojenia stojana. Właciwo ta jest wykorzystywana do konstrukcji silników wielobiegowych. Silniki wielobiegowe konstruuje si z: jednym uzwojeniem o przełczalnej liczbie biegunów (silniki dwubiegowe), o dwóch uzwojeniach (silniki dwu - trój i cztero-biegowe). Rys. 2. Uzwojenie o przełczalnej liczbie par biegunów Sposób uzyskania, przy pomocy tego samego uzwojenia, dwóch rónych iloci biegunów zilustrowano na rys.2. Jak wida z rys.2 jedno przełczenie zacisków (2,3,4) zmienia liczb biegunów uzwojenia z 2p I = 2 na 2p II = 4. Podobnie mona zrealizowa uzwojenia o innej liczbie biegunów (2p I = 4,6,...) zachowujc stosunek par biegunów p I : p II = 1:2. Teoretycznie

3 mona wykona take uzwojenie o przełczalnej liczbie biegunów przy stosunku p I : p II = 1:3 oraz p I : p II = 4. Uzwojenia takiego w praktyce nie wykonuje si, gdy nie mona uzyska dla obydwóch przypadków (p I, p II ), zblionych wartoci indukcji magnetycznej w szczelinie silnika. Moment elektromagnetyczny silnika zaley od kwadratu indukcji. Dla jednej z tych biegunowoci (p I lub p II ) moment ten byłby mały i silnik nie wypełniałby swojej funkcji. Wykonanie silnika z dwoma uzwojeniami stojana daje jednak dodatkowe moliwoci, gdy jedno z tych uzwoje mona wykona o przełczalnej liczbie biegunów, uzyskuje si wówczas silnik trójbiegowy. Mona take obydwa uzwojenia wykona o przełczalnej liczbie biegunów, co daje silnik czterobiegowy. Na rysunku 3 przedstawiono schematy uzwoje i opis skrzynek przyłczeniowych silników wielobiegowych firm: BESEL, INDUKTA, CELMA i EMIT, które wchodz w skład Grupy CANTONI Motor. Rys. 3. Schematy uzwoje i opis skrzynek przyłczeniowych silników wielobiegowych firmy Cantoni Motor [1] Z tego wzgldu silniki o stosunku par biegunów p I : p II 1: 2 wykonuje si z dwoma niezalenymi uzwojeniami. Jedno uzwojenie ma liczb par biegunów p I, a drugie p II. Wykonanie silnika z dwoma uzwojeniami stojana wymaga powikszenia łobków, co powiksza objto i mas silnika o objto jednego uzwojenia. Mona jeszcze postawi pytanie, jakimi parametrami róni si silniki wielobiegowe od silników jednobiegowych?. Na pytanie to mona odpowiedzie porównujc ich katalogowe dane znamionowe i parametry [1]. W tabeli 1 zestawiono w formie przykładu parametry silników wielkoci mechanicznej 280.

4 Tabela 1 Parametr Silnik jednobiegowy Silnik dwubiegowy Liczba biegunów Wznios osi wału (wielko mechaniczna) [mm] Moc znamionowa [kw] Napicie znamionowe [V] Prd znamionowy [A] Prdko znamionowa [ob./min] Moment znamionowy [N m] Sprawno znamionowa 94, cos ϕ N 0,91 0,91 0,95 0,91 Krotno momentu 2 2 1,3 1,8 rozruchowego Krotno prdu 7 6,6 6,3 6,8 rozruchowego Krotno momentu maksymalnego 3,2 2,6 1,9 1,9 Masa silnika [kg] Jak wida z tego zestawienia rónice dotyczce: sprawnoci, cos ϕ, prdu rozruchowego s niewielkie, Wiksze rónice dotycz momentu rozruchowego i momentu maksymalnego. Silnik dwubiegowy ma take wiksz mas. Elektromaszynowa kaskada asynchroniczna Elektromaszynow kaskad asynchroniczn mona zbudowa w oparciu o dwa silniki indukcyjne piercieniowe o identycznych parametrach. Układ napdowy z dwoma silnikami indukcyjnymi piercieniowymi, napdzajcymi jeden wał mechaniczny, mona połczy w układ elektromaszynowej kaskady asynchronicznej [2]. Układ kaskadowy otrzymuje si, gdy silnik (rys.4) jest zasilany z sieci, uzwojenia wirnika silników i M2 s połczone w szereg, a uzwojenie stojana silnika M2 jest zwarte. Sekwencja faz wirnika silnika M2 musi by taka, aby momenty elektromagnetyczne silników i M2 w zakresie prdkoci ktowych 0 ω m 0,5ω mn współdziałały ze sob. W układzie kaskadowym prdko obrotowa wału jest dwukrotnie mniejsza od prdkoci znamionowej silników przy indywidualnym zasilaniu z sieci. Rys. 4. Praca indywidualna (a) i w układzie elektromaszynowej kaskady asynchronicznych (b)silników indukcyjnych piercieniowych i M2 Tak wic układ ten mona wykorzysta do skokowej zmiany prdkoci obrotowej napdu. Nie jest on jednak w praktyce powszechnie stosowany z uwagi na to, e przecialno momentem układu kaskadowego jest znacznie mniejsza od przecialnoci momentem jednego silnika, a prd biegu jałowego jest o około 50 % wikszy od prdu biegu jałowego jednego silnika [3]. Do zwikszenia przecialnoci momentem i obnienia prdu biegu jałowego mona doprowadzi kompensujc moc biern silnika M2 za pomoc baterii kondensatorów C włczonych równolegle w obwód wirników [4]. Tego typu skompensowana kaskada asynchroniczna (rys.5) ma korzystny przebieg charakterystyk elektromechanicznych i jest stosowana w kopalniach wgla brunatnego, eksploatujcych przenoniki tamowe. Zastpienie w przenonikach dotychczasowego napdu kaskad nie wymaga duych inwestycji, gdy kady przenonik o duej wydajnoci jest napdzany dwoma lub czterema silnikami. Rys. 5. Układ elektromaszynowej skompensowanej kaskady asynchronicznej z rezystorami rozruchowymi Pojemno baterii kondensatorów powinna by dobrana optymalnie. Gdy pojemno jest za

5 mała, uzyskuje si mniejsz przecialno momentem układu kaskadowego, natomiast gdy jest zbyt dua, to prdy w obwodach wirników i M2, przy obcieniu kaskady momentem równym podwójnemu momentowi znamionowemu jednego silnika (T ob = 2T N ) przekraczaj warto znamionow, co stwarza zagroenie przecienia termicznego uzwoje wirników. Optymaln warto pojemno baterii kondensatorów okrelaj prdy wirników silnika i M2 przy ich znamionowym momencie obcienia. Pojemno baterii kondensatorów, przy której uzyskuje si: ( I 2 ) = I 2N i I I I ( I 2 ) 2N lub ( I 2 ) = 2N i ( I 2 ) 2N M 2 M 2 jest pojemnoci optymaln. Na rysunku 6 podano przykładowe charakterystyki mechaniczne T = f ( n) : silnika SZUr 126 t, 400 kw, 6000 V, 47 A, 980 obr/min, parametry wirnika 675 V, 370 A i układu kaskadowego dla dwóch rónych wartoci pojemnoci w obwodzie wirnika. kn*m T C2 C1 +M2 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 Rys. 6. Charakterystyki mechaniczne silnika () oraz układu kaskadowego (+M2) przy C 1 =0; C 2 = µf n/n1 Zbudowanie układu uniwersalnego umoliwiajcego przełczanie silników podczas ruchu z układu indywidualnego w układ kaskadowy wymaga stosowania wielu wyłczników, ponadto wyłczniki naley bocznikowa układami tłumicymi przepicia. Wzgldy technologiczne i eksploatacyjne przenoników tamowych najczciej nie wymagaj szybkich przełcze silników z zasilania indywidualnego w układ kaskadowy. Przełczenia takie mona realizowa zwykle podczas postoju przenonika za pomoc połcze stałych. Układ taki minimalizuje liczb wyłczników oraz nie generuje dodatkowych przepi łczeniowych. W tym przypadku rozruch przenonika tamowego musi by prowadzony w układzie kaskadowym. Dostosowanie napdu przenonika pracujcego w układzie skompensowanej kaskady asynchronicznej do rozruchu polega na wprowadzeniu do kaskady odpowiednio dobranych elementów R i C. Formuj one charakterystyki mechaniczne kaskady T = f ( n) tak, by moment rozruchowy był wyranie wikszy od momentu rozruchowego, wynikajcego z przebiegu charakterystyki naturalnej kaskady i był zbliony do wartoci, któr uzyskuje si przy indywidualnym zasilaniu silników i M2 z włczonymi rezystorami rozruchowymi. Istnieje moliwo włczenia w obwód elektromaszynowej kaskady asynchronicznej trzech rezystorów rozruchowych R r, R s i R d rys.5. Jak wykazały badania eksperymentalne mona ograniczy si do dwóch rezystorów R r i R s przyjmujc R d = 0, co w przypadku napdów przenoników tamowych, umoliwia wykorzystanie istniejcych rezystorów rozruchowych. Na rys.7 przedstawiono charakterystyki momentu rozruchowego (silnika SZUr 126 t) przy n = 0 w zalenoci od rezystorów R s i R r. k N * m T r 0 0,3 0,6 0,9 R r= 0,2 Ω 0,4 0,6 1,0 2,0 1,2 1,5 1,8 2,1 2,4 Rys. 7. Moment rozruchowy układu kaskadowego złoonego z silników SZU r 126 t w zalenoci od wartoci rezystancji R s i R r przy R d = 0; C = 890 µf Badania przeprowadzone na przenoniku ta- mowym w KWB Turów [3], napdzanym dwoma silnikami 320 kw pracujcym przy 50 % wydajnoci, wykazały, e moc pobierana wynosiła: przy znamionowej prdkoci tamy 388 kw, a przy prdkoci tamy o połow mniejszej 164 kw. Zmniejszenie poboru mocy wynosi zatem 58 %. Dwubiegowe silniki synchroniczne Napdy wentylatorów w kopalinach poziemnych najczciej s rozwizywane przy pomocy silników synchronicznych, gdy dodatkowo wykorzystuje si je do kompensacji mocy bier- R S Ω

6 nej innych odbiorników energii pracujcych w kopalni. Maszyny synchroniczne maj, przez bieguny wzbudzenia, konstrukcyjnie narzucan biegunowo i nie s zatem przystosowane do tego, aby by maszynami dwubiegowymi. Na Politechnice Wrocławskiej rozwizano jednak ten problem [4]. Uzwojenie stojana wykonuje si jako dwubiegowe: podstawowa liczba par biegunów uzwojenia (p I ) jest mniejsza i wynika z konstrukcji wirnika, wiksza liczba par biegunów p II = p I + 1 lub p II = p I + 2. Maszyny synchroniczne napdzajce wentylatory s wielobiegunowe (2 p I 10). konstrukcja uzwojenia przełczalnego o liczbie par biegunów p I 5 i p II p I + 1 nie jest spraw łatw. Uzwojenia takiego nie da si zoptymalizowa dla dwóch zblionych do siebie prdkoci obrotowych. Maszyn uzyskuje si w pełni symetryczn dla podstawowej liczby par biegunów p I, natomiast dla liczby par biegunów p II mona uzyska symetri elektryczn uzwojenia stojana lecz nie da si uzyska symetrii magnetycznej. Jeszcze wiksze problemy wystpuj z uzyskaniem w wirniku zmniejszenia liczby biegunów (2 p II ). Zmniejsza si liczb biegunów magnetycznych poprzez połczenie cewek wzbudzenia dwóch ssiednich biegunów tak, aby tworzyły jeden biegun lub wyłcza si cewki niektórych biegunów. Tak przełczone uzwojenie wzbudzenia wytwarza niesymetryczny rozkład siły magnetomotorycznej (SMM) w szczelinie. W tabeli 2 dla maszyny o prdkociach synchronicznych 375 obr/min (p 1 =8) i 300 obr/min (p 2 =10), zestawiono kolejne harmoniczne SMM wirnika [4]. Kolejna harmoniczna przestrzenna Liczba par biegunów na obwodzie Amplituda SMM w % p 1 = 8 p 2 = Tabela Podane wartoci procentowe amplitudy poszczególnych harmonicznych odniesione zostały do 1-wszej harmonicznej przestrzennej natenia pola magnetycznego wzbudzenia przy p 1 = 8; H 1 = 8800 A/m = 100 %. Jak wida z tabeli 2 silnik synchroniczny na drugim biegu (300 obr/min; p 2 = 10) jest wzbudzany drug harmoniczn pola o liczbie par biegunów 10 której amplituda natenia pola wynosi 62 %. Jednak w polu magnetycznym wzbudzenia wystpuje całe spektrum harmonicznych, a ich wartoci s znaczne, Harmoniczne te oddziaływaj na prac silnika i jego właciwoci Silnik ma jednak cenn zalet, e jest dwubiegowy (375 obr/min i 300 obr/min), ma te wady przy pracy na drugim biegu (300 obr/min): - mniejsza (o ok.40%) przecialnoci momentem, - niewielka moliwo regulacji cos ϕ, - generacja wyszych harmonicznych do sieci elektroenergetycznej, - zwikszone drgania i głono pracy (hałas). Alternatywnym rozwizaniem napdów wentylatorów w kopalniach podziemnych moe by zastosowanie dwóch silników synchronicznych o rónej liczbie par biegunów (np. p I = 8 i p II = 10) sprzgnitych ze sob i tworzcych wspólny wał mechaniczny (rys. 8). Silnik o wikszej liczbie par biegunów (p II = 10) moe mie odpowiednio mniejsz moc znamionow. Rozwizanie to wymaga jednak wikszego fundamentu oraz na jednym z silników dwóch kocówek napdowych wału. Jeli wystpuj ograniczenia, które uniemoliwiaj instalacj dwóch silników obok siebie, to mona zainstalowa dodatkow elektromaszynow przetwornic czstotliwoci - rys.9. Przetwornica czstotliwoci składa si z dwóch maszyn synchronicznych: - silnika M2 o liczbie par biegunów p II - generatora G o liczbie par biegunów p III <p II. S4 U S1 M3 W Rys.8. Napd wentylatora dwoma silnikami synchronicznymi o liczbie par biegunów p I i M3 o liczbie par biegunów p II

7 U S2 S3 S1 M2 G Rys. 9. Silnik napdzajcy wentylator jest zasilany z dwóch ródeł napicia Pierwszy stopie prdkoci obrotowej (wyszy) wentylatora uzyskuje si przy zasilaniu silnika z sieci elektroenergetycznej U. Prdko obrotowa wentylatora n = I p (2) gdzie: p 1 oznacza liczb par biegunów silnika. W tym stanie pracy przetwornica elektromaszynowa ( G) nie pracuje. Drugi stopie prdkoci obrotowej (niszy) uzyskuje si zasilajc silnik z generatora G. Prdko obrotowa silnika wówczas wynosi: n n1 p Moment i moc obcienia silnika napdzajcego wentylator W przy prdkoci n 2 s mniejsze ni przy prdkoci n 1, std moce znamionowe i gabaryty maszyn (M2 G) s odpowiednio mniejsze od mocy znamionowej i gabarytu silnika. Układy napdowe wentylatora zaprezentowane na rys.8 i rys.9 rozwizuj problem energooszczdnej pracy napdu, s kompatybilne z sieci elektroenergetyczn, gdy nie generuj wyszych harmonicznych, rozwizuj problem kompensacji mocy biernej kopalni na obydwóch stopniach prdkoci obrotowej wentylatora (silnikiem przy n 1 i silnikiem M2 przy n 2 ) i nie powikszaj drga i hałasu silnika. Wnioski p II = 2 III (3) W Najwiksze oszczdnoci energii pobieranej przez układ napdowy uzyskuje si poprzez obnienie prdkoci obrotowej do wartoci dopuszczalnej z technologicznego punktu widzenia. Prostym rozwizaniem energooszczdnego napdu urzdze elektromechanicznych pracujcych w kopalniach jest napd dwustopniowy. Dwa stopnie prdkoci obrotowej mona uzyska przy pomocy: dwubiegowego silnika indukcyjnego klatkowego, elektromaszynowej kaskady złoonej z dwóch silników indukcyjnych piercieniowych oraz silników synchronicznych z uzwojeniami o przełczalnej liczbie biegunów. Godny uwagi jest take układ napdowy z dwoma silnikami synchronicznymi (rys.8) oraz układ napdowy z elektromaszynow przetwornic czstotliwoci (rys.9), które z punktu widzenia: kompensacji mocy biernej, kompatybilnoci elektromagnetycznej, drga i hałasu stanowi rozwizanie najbardziej korzystne. Literatura [1]. Katalog silników elektrycznych firmy Cantoni Motor. [2]. Glinka T., Lisowski J.: Zuycie energii przez przenoniki tamowe i moliwoci jego zmniejszenia. Przegld Elektrotechniczny 1989, z.1, s [3]. Glinka T., Kulesz B., Lechowicz K., Lisowski J.: Skompensowana kaskada asynchroniczna i jej zastosowanie w napdach przenoników tamowych. Przegld Elektrotechniczny 1992, z. 8, s [4]. Antal L., Zawilak J.: Kształtowanie pola magnetycznego dwubiegowego silnika synchronicznego. Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne BOBRME 2003, nr 65, s