WPŁYW UKŁADU STEROWANIA PRĄDEM WZBUDZENIA NA PROCES SYNCHRONIZACJI SILNIKA SYNCHRONICZNEGO

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/26 83 Paweł Zalas, Jan Zawilak Politechnika Wrocławska, Wrocław WPŁYW UKŁADU STEROWANIA PRĄDEM WZBUDZENIA NA PROCES SYNCHRONIZACJI SILNIKA SYNCHRONICZNEGO INFLUENCE OF SYSTEM CONTROL OF EXCITATION CURRENT VALUE ON SYNCHRONIZACTION PROCES IN SYNCHRONOUS MOTORS Abstract: The work presents calculation results of synchronization process of a two speed, silent pole, high power synchronous motor. The calculations were based on the examined two-dimensional, field-circuit model for the high power motor, type GAe 1716/2p with switchable configuration connection of armature winding and field magnet. The influence of the synchronization moment on stator currents, electromagnetic torque and shaft velocity, during synchronization process with nominal excitation voltage and high value of load torque, was examined. The influence of the excitation voltage value greater than nominal, during synchronization process with high value of load torque, on stator currents, electromagnetic torque and shaft velocity was analyzed. The influence of the method control of excitation current, during synchronization process witch high value of load torque was also investigated. Dynamic diagrams of stator currents, excitation current, excitation voltage, electromagnetic torque and shaft velocity during synchronization process as results of computer simulation are presented. 1. Wstęp Zastosowanie dwubiegowych silników synchronicznych w napędzie wentylatorów głównego przewietrzania kopalni głębinowych zapewnia wymaganą regulację wydajności oraz pozwala na istotne oszczędności energii elektrycznej [2]. Newralgicznym etapem rozruchu tych silników jest synchronizacja. Ze względu na dużą wartość momentu obciążenia silnika oraz dużą wartość wypadkowego momentu bezwładności układu napędowego, proces ten nie zawsze kończy się wejściem silnika w synchronizm. W celu zwiększenia skuteczności synchronizacji stosuje się powszechnie forsowanie prądu wzbudzenia zwiększając, na określony czas, wartość napięcia wzbudzenia. Powoduje to wzrost wartości momentu dynamicznego oraz momentu synchronizującego, a tym samym zwiększa pewność synchronizacji. Ma to niekorzystny wpływ na eksploatację układu napędowego, gdyż wywołuje udary mechaniczne na wale maszyny roboczej. Zwiększenie skuteczności procesu synchronizacji, bez stosowania forsowania wzbudzenia, można uzyskać przez odpowiedni wybór chwili rozpoczęcia tego procesu. Wzajemne położenie osi pola stojana względem osi pola wirnika, w chwili załączenia napięcia wzbudzenia, ma istotny wpływ na przebiegi dynamiczne podczas tego procesu. Inną metodą, pozwalającą zwiększyć skuteczność procesu synchronizacji jest zasto- sowanie sterowania wartością prądu wzbudzenia [7]. Regulacją wartości prądu zmniejsza się wartość momentu hamującego powstającego podczas niekorzystnego położenia biegunów pola stojana i wirnika. Celem pracy jest wykazanie wpływu regulacji prądu wzbudzenia na przebieg procesu synchronizacji na przykładzie dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe1716/2t. Przedstawiono również schemat układu regulacji wzbudzenia oraz wyniki obliczeń wskazujące najkorzystniejszy algorytm sterowania. 2. Obliczenia procesu synchronizacji Analizę procesu synchronizacji przeprowadzono wykorzystując opracowany model polowo-obwodowy silnika typu GAe 1716/2t [6,7]. Schemat połączenia uzwojenia wzbudzenia o- mawianego silnika przedstawiono na rysunku 1. Pokazane łączniki (rys.1) umożliwiają przełączanie uzwojenia magneśnicy warunkujące zmianę liczby biegunów i prędkości obrotowej silnika [1, 5]. Tyrystor TUŁS (rys. 1) umożliwia załączenie napięcia stałego do obwodu wzbudzenia w określonej chwili czasowej. W celu weryfikacji modelu obliczeniowego wykonano pomiary badanego silnika zainstalowanego w stacji wentylatorowej zakładu górniczego. Na podstawie porównania wielkości obliczonych i pomierzonych można stwierdzić, że

2 84 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/26 opracowany model polowo-obwodowy dwubiegowego silnika synchronicznego jest poprawny [6]. T1 T2 T3 K1 Lcz L1 Va Vb Vc TU S ~ ~ ~ R T4 T5 T6 synchronizacji rozpoczętej dla kąta δ równego stopni, momentu obciążenia,6m n oraz momentu bezwładności o wartości J z 4 kg m ,6 5,5 2,2 6,52,8 3,47,5 4, 4,6 8,5 5,2 9,5,8 6,4 1,57, 11,5 7,6 38 n[obr/min] 34 3 Lcz' L2 R' Rys.1. Schemat połączenia uzwojenia wzbudzenia Proces synchronizacji omawianego silnika dwubiegowego na większej prędkości obrotowej przebiega podobnie jak w silniku jednobiegowym. Istotna różnica występuje podczas synchronizacji silnika na mniejszej prędkości obrotowej, ponieważ liczba biegunów mechanicznych wirnika jest inna niż liczba biegunów magnetycznych [1, 5]. Zbyt duży moment obciążenia powoduje, że praca asynchroniczna silnika ustala się przy poślizgu większym od wartości poślizgu wpadu. Na podstawie obliczeń [7] wykazano, że dla momentu obciążenia większego od,55m n na tej prędkości wirowania, niezależnie od wyboru chwili rozpoczęcia procesu, dla znamionowej wartości prądu wzbudzenia, silnik nie synchronizuje się. W takich przypadkach zwiększenie skuteczności synchronizacji uzyskuje się przez zwiększenie wartości prądu wzbudzenia. Obliczenia procesu synchronizacji wykonane dla obciążenia silnika momentem o wartości,6m n wykazały, że nawet zastosowanie forsowania prądu wzbudzenia 1,5n nie zapewnia skutecznego wejścia silnika w synchronizm. Na rysunku 2 pokazano obliczone przebiegi prądu fazy A twornika, prądu wzbudzenia oraz napięcia na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej podczas ,6 5,5 2,2 6,52,8 3,47,5 4, 4,6 8,5 5,2 9,5,8 6,4 1,57, 11,5 7,6 2 M[kNm] ,5 6,5 7,5 8,5 9,5 1,5 11,5 Rys. 2. Czasowe przebiegi: prądów twornika, prądu wzbudzenia, napięcia wzbudzenia, prędkości obrotowej, momentu elektromagnetycznego: dla wartości kąta δ = deg i prądu wzbudzenia 1,5n Pomimo zwiększenia napięcia wzbudzenia do wartości 1,5n powstający moment dynamiczny nie zapewnia skutecznej synchronizacji silnika. Wymuszona, przez załączenie napięcia stałego, dodatnia wartość prądu wzbudzenia powoduje, w zakresie ujemnej wartości kąta δ, wytworzenie momentu hamującego. W wyniku jego działania następuje zmniejszenie prędkości obrotowej silnika (rys.2. Duża wartość poślizgu powoduje, że silnik nie może osiągnąć prędkości synchronicznej i ustala się praca

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/26 85 asynchroniczna przy dużych udarach momentu elektromagnetycznego i dużych wahaniach prędkości obrotowej. Dla przyjętych warunków obciążenia silnika skuteczną synchronizację zapewnia forsowanie prądu wzbudzenia do wartości przekraczającej 2,5n. Duża wartość prądu wzbudzenia wywołuje jednak pulsację momentu elektromagnetycznego o znaczącej amplitudzie a tym samym znaczące przeciążenia układu mechanicznego, co zwiększa awaryjność układu napędowego. Duże oscylacje prędkości obrotowej powodują zwiększenie czasu ustalenia się procesów przejściowych oraz czasu synchronizacji. Uzyskanie tak dużej wartości prądu forsującego wymaga również zwiększenia mocy urządzeń zasilających obwód wzbudzenia. Inną metodą zwiększającą skuteczność procesu synchronizacji jest sterowanie wartością prądu wzbudzenia. Celem regulacji prądu jest zminimalizowanie wartości momentu hamującego wytwarzanego przez silnik w zakresie ujemnych wartości kąta δ od (-18) do stopni oraz uzyskanie możliwie dużej wartości momentu dynamicznego w zakresie dodatnich wartości kąta δ od do 18 stopni. Można to uzyskać przez odpowiednie okresowe impulsowanie napięcia stałego zasilającego obwód wzbudzenia. Na rysunku 3 pokazano wyniki obliczeń odpowiednich wielkości podczas synchronizacji badanego silnika z impulsowaniem napięcia zasilającego uzwojenie wzbudzenia. W obliczeniach tych przyjęto moment obciążenia,6m n a proces synchronizacji został zainicjowany dla wartości kąta δ bliskiej stopni. W chwili, gdy kąt δ osiągał wartość 9 stopni, następowało wyłączenie napięcia, natomiast ponowne załączenie następowało przy kącie δ =(-9) stopni. (rys. 3. Wyłączenie napięcia wzbudzenia w chwili, gdy wartość kąta δ jest bliska 9 stopni pozwala uzyskać dużą stromość zanikania prądu i skraca czas odwzbudzenia silnika. W wyniku tego wartość powstającego momentu hamującego, w zakresie ujemnej wartości kąta δ, nie wpływa znacząco na przebieg prędkości obrotowej silnika (rys.3b,. Ponowne załączenie napięcia stałego w chwili, gdy kąt δ osiąga wartość (-9) pozwala na uzyskanie znaczącej wartości momentu dynamicznego podczas kolejnej współfazowości pola twornika i magneśnicy ,6 5,5 2,26,5 2,8 7,53,4 4, 8,5 4,69,5 5,2 1,5 5,8 11,5 6,4 7, 12,57,6 38 n[obr/min] ,6 5,5 2,26,5 2,8 7,53,4 4, 8,5 4,69,5 5,2 1,5 5,8 11,5 6,4 7, 12,57,6 15 M[kNm] ,5 6,5 7,5 8,5 9,5 1,5 11,5 12,5 Rys.3. Czasowe przebiegi: prądów twornika, prądu wzbudzenia, napięcia wzbudzenia, prędkości obrotowej, momentu elektromagnetycznego: dla wartości kąta δ = deg i sterowania prądu wzbudzenia, przez impulsowanie napięcia stałego Przyjęty algorytm sterowania prądem wzbudzenia zminimalizował moment hamujący i poprawił proces synchronizacji bez konieczności zwiększania wartości tego prądu. Przeprowadzone obliczenia, dla przyjętego algorytmu sterowania przebiegiem prądu, wykazały, że największą skuteczność procesu synchronizacji można uzyskać poprzez wyłączenie napięcia wzbudzenia dla wartości kąta δ równej 125 stopni i ponowne załączenie dla wartości równej (-75) stopni. Pozwala to na skuteczną synchronizację silnika obciążonego momentem o 2% większym w porównaniu z forsowaniem prądu wzbudzenia 1,5n. Realizacja fizyczna opisanego układu sterowania przebiegiem prądu

4 86 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/26 wzbudzenia nie wiąże się z dużymi kosztami inwestycyjnymi i ogranicza się do ingerencji w część niskoprądową wzbudnicy. Może być realizowana przez zastosowanie okresowej blokady impulsów sterujących pracą tyrystorów prostownika wzbudnicy statycznej. Większą skuteczność regulacji prądu wzbudzenia, podczas procesu synchronizacji, można uzyskać przez sterowanie wartością kąta wysterowania tyrystorów pracujących w prostowniku zasilającym uzwojenie magneśnicy. Zmiana kąta wysterowania tyrystorów i przejście do pracy falownikowej, w odpowiednio wybranej chwili czasowej, pozwala istotnie zwiększyć szybkość zanikania prądu wzbudzenia. Dzięki temu można w znacznie krótszym czasie dokonać odwzbudzenia silnika i uzyskać małą wartość prądu magneśnicy w chwili zmiany wartości kąta δ z dodatniej na ujemną. Po osiągnięciu przez prąd wzbudzenia wartości mniejszej od minimalnego prądu tyrystorów, nastąpi samoczynne wyłączenie prostownika. Napięcie indukowane w uzwojeniu wzbudzenia, w zakresie kąta δ od (-18) do stopni, może wymusić przeciwny kierunek przepływu prądu. Pozwali to na zminimalizowanie wartości momentu hamującego. Na rysunku 4 pokazano wyniki obliczeń odpowiednich wielkości podczas synchronizacji badanego silnika z regulacją prądu wzbudzenia poprzez okresową zmianę kąta wysterowania tyrystorów prostownika wzbudnicy. W obliczeniach przyjęto obciążenie równe,6m n, początkową chwilę dla kąta δ = stopni oraz identyczne parametry algorytmu sterowania prądem jak podczas impulsowania napięcia stałego (rys.3. Przejście do pracy falownikowej i odwzbudzenie silnika było realizowane, gdy kąt δ osiągał wartość 9 stopni, a ponowne wysterowanie tyrystorów prostownika wzbudnicy i uzyskanie znamionowego napięcia stałego następowało dla kąta δ =(-9) (rys.4. Przeprowadzone obliczenia wykazały również, że najkorzystniejszymi parametrami algorytmu sterowania jest przejście prostownika do pracy falownikowej realizowane dla wartości kąta δ równej 15 stopni oraz ponowne załączenie znamionowej wartości napięcia dla wartości kąta δ równej (-7) stopni. Realizacja fizyczna opisanego układu sterowania wartością prądu wzbudzenia, podobnie jak dla sterowania poprzez impulsowanie napięcia wzbudzenia, nie wiąże się z dużymi kosztami inwestycyjnymi i ogranicza się do zmiany sterowania prostownikiem wzbudnicy ,6 5,5 2,26,5 2,8 7,5 3,4 4, 8,5 4,69,5 5,2 1,5 5,8 11,5 6,4 7, 12,57,6 38 n[obr/min] ,6 5,5 2,26,5 2,8 7,5 3,4 4, 8,5 4,69,5 5,2 1,5 5,8 11,5 6,4 7, 12,57,6 15 M[kNm] ,5 6,5 7,5 8,5 9,5 1,5 11,5 12,5 Rys.4. Czasowe przebiegi: prądów twornika, prądu wzbudzenia, napięcia wzbudzenia, prędkości obrotowej, momentu elektromagnetycznego: dla wartości kąta δ = deg przez wysterowanie tyrystorów prostownika wzbudnicy (sterowania prądu wzbudzeni Regulacja przebiegu prądu magneśnicy silnika synchronicznego, podczas procesu synchronizacji, może być realizowana poprzez okresową zmianę polaryzacji napięcia stałego zasilającego obwód wzbudzenia [3,7]. Pozwala to na określoną zmianę kierunku prądu płynącego w uzwojeniu wzbudzenia dla odpowiednio dobranej chwili czasowej, a przez to zmniejsza moment hamujący w czasie tego procesu. Zmianę polaryzacji napięcia stałego zasilającego obwód wzbudzenia można uzyskać poprzez zastosowanie prostownika nawrotnego o sterowaniu symetrycznym [4]. Schemat połą-

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/26 87 czenia prostownika nawrotnego w obwodzie wzbudzenia dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe1716/2t przedstawiono na rysunku 5. Podstawową zaletą wymienionego prostownika, w stosunku do innych układów pozwalających na zmianę polaryzacji napięcia stałego, jest możliwość bezprzerwowej zmiany przepływu energii i prądu przez uzwojenie magneśnicy silnika. T1 T4 T2 T5 T3 T6 ~ ~ ~ Va Vb Vc T7 T1 T8 T11 T9 T12 stopni a ponowna zmiana polaryzacji tego napięcia następowała dla wartości kąta δ równej (-9) stopni ,6 5,5 2,26,5 2,8 7,5 3,4 4, 8,5 4,69,5 5,2 1,5 5,8 11,5 6,4 7, 12,57,6 38 n[obr/min] D3 D4 D2 D K1 Lcz L1 TU S R 294 1,6 5,5 2,26,5 2,8 7,53,4 4, 8,5 4,69,5 5,2 1,5 5,8 11,5 6,4 7, 12,57,6 15 M[kNm] 1 5 Lcz' L2 Rys.5. Schemat połączenia uzwojenia wzbudzenia z prostownikiem nawrotnym i dławikami wyrównawczymi R' Zmiana kierunku prądu wzbudzenia odbywa się nie przez przełączenie zacisków uzwojenia, jak ma to miejsce w łącznikach pracujących w układzie H [7], ale przez załączenie odpowiednich tyrystorów w obu prostownikach mostkowych. Dzięki temu praktycznie nie powstają przepięcia łączeniowe, tak niebezpieczne dla izolacji zasilanego uzwojenia [7]. Na rysunku 6 pokazano wyniki obliczeń odpowiednich wielkości podczas synchronizacji badanego silnika z zastosowanym układem zmiany polaryzacji napięcia. Moment obciążenia przyjęto równy,6m n a proces synchronizacji został rozpoczęty dla wartości kąta δ równej stopni. W przedstawionych (rys.6) obliczeniach jako chwilę zmiany polaryzacji napięcia wzbudzenia przyjęto wartość kąta δ równą ,5 6,5 7,5 8,5 9,5 1,5 11,5 12,5 Rys.6. Czasowe przebiegi: prądów twornika, prądu wzbudzenia, napięcia wzbudzenia, prędkości obrotowej, momentu elektromagnetycznego: dla wartości kąta δ = deg, przez zmianę polaryzacji napięcia stałego (sterowania prądu wzbudzeni Załączenie ujemnej wartości napięcia wzbudzenia w chwili, gdy kąt δ osiąga wartość 9 stopni pozwala wymusić zmianę kierunku prądu płynącego w uzwojeniu wzbudzenia. Powoduje to powstanie momentu dynamicznego o dodatniej wartości i wzrost prędkości wirowania silnika w zakresie kąta δ od (-18) do stopni (rys.6. Ponowna zmiana polaryzacji napięcia wzbudzenia w chwili, gdy kąt δ osiąga wartość (-9) stopni pozwala zminimalizować wpływ momentu hamującego. Wartość momentu hamującego powstającego w okresie przejściowym,

6 88 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 75/26 podczas zmiany kierunku prądu, nie powoduje znaczącego zmniejszenia prędkości wirowania (rys. 6. Pozwala to na osiągnięcie przez silnik prędkości synchronicznej i skuteczną synchronizację (rys. 6. Podczas ciężkich rozruchów opisana zmiana kierunku prądu magneśnicy musi następować kilkukrotnie zanim silnik zostanie wciągnięty w synchronizm. Zastosowanie opisanej metody regulacji przebiegu prądu wzbudzenia pozwala na skuteczną synchronizację silnika obciążonego momentem o wartości o 3 % większej niż przy forsowaniu prądem 1,5n. Czas trwania procesu jest znacznie krótszy niż podczas regulacji prądu przez impulsowanie napięcia stałego. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że największą skuteczność procesu synchronizacji badanego silnika dwubiegowego można uzyskać poprzez zmianę kierunku prądu wzbudzenia dla wartości kąta δ równej 16 oraz (-55) stopni. Wybór odpowiedniej chwili zmiany polaryzacji napięcia zasilającego zależy w dużym stopniu od wartości stałej czasowej obwodu wzbudzenia. [6]. Zalas P., Zawilak J.: Dwubiegowy silnik synchroniczny w ujęciu polowo-obwodowym, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 56, Studia i Materiały nr 23, 23. [7]. Zalas P., Zawilak J.: Synchronizacja silników synchronicznych przez sterowanie prądem wzbudzenia, Masz. Elektr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 25, nr 71. Autorzy mgr inż. Paweł Zalas prof. dr hab. inż. Jan Zawilak Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław pawel.zalas@pwr.wroc.pl jan.zawilak@pwr.wroc.pl 3. Wnioski Na podstawie wyników obliczeń polowo-obwodowych dwubiegowego silnika synchronicznego można stwierdzić, że sterowanie wartością prądu wzbudzenia przez impulsowanie napięcia stałego oraz okresową zmianę kąta wysterowania tyrystorów wzbudnicy umożliwia zwiększenie skuteczności procesu synchronizacji szczególnie dla dużej wartości momentu obciążenia silnika. Sterowanie kierunkiem prądu wzbudzenia podczas procesu synchronizacji umożliwia wytworzenie dodatniego momentu dynamicznego zarówno w zakresie dodatnich jak i ujemnych wartości kąta δ, znaczne skrócenie czasu tego procesu oraz łagodzenie przebiegów dynamicznych. Literatura [1]. Antal L., Zawilak J.: Pole magnetyczne synchronicznego silnika jawnobiegunowego o dwóch prędkościach obrotowych, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 44, Studia i Mat. nr 19, [2]. Antal L., Zawilak J.: Wyniki badań dwubiegowe-go silnika synchronicznego, Masz. Elektr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 24, nr 68. [3]. Szklarski L., Zarudzki J.: Elektryczne maszyny wyciągowe, PWN Warszawa-Kraków [4]. Barlik R., Nowak M.: Technika tyrystorowa, WNT Warszawa [5]. Zawilak J.: Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Prace Naukowe IMiNE. PWr