ANALIZA PORÓWNAWCZA SILNIKÓW LSPMSM TYPU U ORAZ W.

Transkrypt

1 XLIII SESJA STUDENCKICH KÓŁ NAUKOWYCH ANALIZA PORÓWNAWCZA SILNIKÓW LSPMSM TYPU U ORAZ W. Wykonał student V roku Elektrotechniki na AGH, członek koła naukowego Magnesik : Marcin Bajek Opiekun naukowy referatu: dr hab. inż. Wiesław Jażdżyński, prof. nz. AGH

2 1. WSTĘP. Silnik indukcyjny synchronizowany LSPMSM to nowoczesna konstrukcja, która może stać się poważną konkurencją dla stosowanego powszechnie silnika indukcyjnego. Obydwie konstrukcje posiadają możliwość rozruchu bezpośredniego, poprzez podłączenie do sieci, z tym, że silnik synchronizowany ma lepsze właściwości przy pracy z ustaloną prędkością. Pracuje on wówczas jak maszyna synchroniczna, wiruje z prędkością synchroniczną. W stanie tym nie indukują się prądy w klatce, dzięki czemu wzrasta sprawność urządzenia. Wadą konstrukcji silnika LSPMSM jest nieco większa cena, wynikająca z umieszczenia w wirniku magnesów trwałych i mniejsza przeciążalność. Nie ma to jednak większego znaczenia w sytuacjach, gdy liczy się sprawność maszyny (np. przy wypompowywaniu ciepła z kopalni na dużą wysokość ). Rozpowszechnianie się maszyn LSPMSM jest uwarunkowane w dużym stopniu rozwojem materiałów magnetycznych twardych. Współczesne spieki ziem rzadkich charakteryzują się coraz lepszą energią magnetyczną oraz remanentem B r, dzięki czemu dla uzyskania pewnych właściwości w stanie ustalonym potrzeba mniejszej ilości magnesu, co pociąga za sobą mniejszy koszt maszyny. Energia materiałów magnetycznych trwałych rośnie z każdą dekadą dwukrotnie, co stwarza duże perspektywy dla maszyn z magnesami trwałymi. Rys.1 Zwiększanie się energii magnesów od początku XX wieku. Analiza konstrukcji silnika indukcyjnego synchronizowanego wymaga zbadania właściwości w dwóch stanach: pracy: z ustaloną prędkością oraz rozruchu. 2. MODELE. Przy pomocy programu do obliczeń polowych metodą elementów skończonych Flux 2D zostało zamodelowanych kilka struktur, wzorowanych na rzeczywistym silniku indukcyjnym o mocy 1.5 [kw] i momencie znamionowym 10 [Nm]. W wirniku maszyn znajdują się magnesy o różnych kształtach oraz różnym kierunku ich namagnesowania. We wszystkich badanych strukturach została założona taka sama objętość magnesu SmCo, dzięki czemu możliwe jest ich wiarygodne porównanie.

3 Analizowane modele miały następujące kształty: Rys.2 Geometria analizowanych modeli silnika LSPMSM. W modelu U1 zostały wycięte pręty klatki, znajdujące się nad magnesami głównymi, przez co ich liczba w wirniku zmniejszyła się do 24. Dzięki temu możliwe było dosunięcie czoła magnesu głównego blisko szczeliny powietrznej. W ten sposób strumień wytwarzany przez magnesy zorientowane wzdłużnie wnika przez szczelinę bezpośrednio do żelaza stojana. Magnesy główne i boczne tworzą tutaj literę U. W modelu U2 znajduje się 28 żłobków rozmieszczonych równomiernie na obwodzie wirnika. Zostały one przesunięte o pół podziałki żłobkowej w taki sposób, aby magnes główny znalazł się pomiędzy dwoma prętami. Magnesy główne uległy skróceniu i poszerzeniu ( podobnie jak boczne, dla zachowania stałej objętości magnesu ). Założona jest tutaj orientacja poprzeczna magnesów. Różnice pomiędzy orientacją poprzeczną i wzdłużną można zobrazować w następujący sposób: Rys.3 Porównanie orientacji magnesów: a) poprzecznej i b) wzdłużnej. Jak widać, przy namagnesowaniu poprzecznym ( rys. a ) bieguny magnetyczne N i S układają się pomiędzy magnesami głównymi, natomiast przy wzdłużnym ( rys. b ) na przedłużeniu magnesów głównych. Dla modelu W została wykorzystana orientacja poprzeczna, podobnie jak dla U2. Magnesy główne i boczne tworzą tutaj kształt litery W. Model ten posiada 28 prętów klatki, rozmieszczonych w wirniku podobnie jak dla U2 oraz taką samą powierzchnię magnesów.

4 We wszystkich modelach został użyty ten sam stojan, jak również szereg parametrów umożliwiających łatwą zmianę kształtu badanych struktur. Dla modelu z magnesami typu W zostały użyte następujące parametry: - szerokość i wysokość magnesu głównego - odległość magnesu głównego i miejsca zetknięcia magnesów bocznych od środka wału - szerokość szczeliny powietrznej - średnica prętów klatki i ich odległość od szczeliny powietrznej - kąt obrotu wirnika α oraz stojana β - wysokość żłobka i szerokość zęba stojana Modele zostały wykonane na płaszczyźnie dwuwymiarowej, stąd aby uzględnić ich trójwymiarowość konieczne było dołączenie obwodów elektrycznych reprezentujących uzwojenia stojana, klatkę oraz połączenia czołowe uzwojeń. Zostały zdefiniowane 2 obwody elektryczne. Dla modelu z niesymetrycznie rozmieszczonymi prętami klatki w wirniku konieczne było zastosowanie bardziej złożonego obwodu: Rys.4 Obwód elektryczny dla modelu z 24 prętami klatki - U1. W przypadku żłobków rozmieszczonych symetrycznie możliwe było zastosowanie jednego bloku squirrel-cage, dostępnego w bibliotekach programu Flux 2D: Rys.5 Obwód elektryczny dla modeli z 28 prętami klatki - U2 oraz W.

5 Wspólną częścią dla obydwu obwodów jest fragment odpowiadający za trójfazowe uzwojenie stojana. Obwody reprezentujące klatkę oraz uzwojenie twornika muszą być połączone galwanicznie, dla poprawnej interpretacji przez program Flux 2D. Flux 2D umożliwia wprowadzanie własnych materiałów poprzez zadanie charakterystyki magnesowania B(H). Użyte materiały to blacha prądnicowa EP20 na żelazo wirnika i stojana oraz stal węglowa ST3 na wał maszyny. 2,5 2 1,5 1 0,5 EP20 ST Rys.6 Charakterystyka magnesowania wprowadzonych materiałów. Dzięki wprowadzeniu powyższych charakterystyk udało się uwzględnić w modelu efekt nasycenia żelaza. 3. STAN PRACY USTALONEJ Podczas pracy z ustaloną prędkością synchroniczną silnik LSPMSM zachowuje się jak klasyczna maszyna synchroniczna. Najważniejszą własnością w takim przypadku jest moment elektryczny, a konkretnie jego wartość maksymalna. Decyduje ona o przeciążalności silnika. Obliczenia dla stanu ustalonego były wykonywane przy pomocy modułu Magnetostatyka, służącym do analizy pól stałych. Ze względu na brak możliwości uzależnienia kierunku namagnesowania magnesów od kąta obrotu wirnika, konieczne było zastosowanie zasady względności ruchu obrotowego. W wyniku obliczeń programu Flux 2D zostały uzyskane m. innymi zależności momentu elektrycznego od kąta obrotu stojana względem wirnika oraz przebieg składowej normalnej indukcji w szczelinie na obwodzie wirnika. Moment [Nm] Moment w stanie pracy 20 U1 U2 W BETA [stopni] Bn [T] Indukcja B w szczelinie U1 W długość [mm]

6 Rys.7 Moment elektryczny w funkcji kąta obrotu oraz składowa normalna indukcji w szczelinie. Jak wynika z przebiegu momentu, najsłabszą konstrukcją jest model U1 z 24 żłobkami i namagnesowaniem wzdłużnym. Modele U2 oraz W z 28 żłobkami i namagnesowaniem poprzecznym mają podobny kształt momentu. Wartości maksymalne momentu - U1: 11.3 [Nm], U2: 18 [Nm], W: 16.9 [Nm]. Dla modeli U2 oraz W są to stosunkowo duże wartości, mając na uwadze, że moment znamionowy rzczywistego silnika indukcyjnego wynosił 10 [Nm]. Amplituda pierwszej harmonicznej składowej normalnej indukcji B n w szczelinie ma dla badanych modeli wartość około 1 [T], co świadczy o dobrym (dużym) wykorzystaniu obwodów magnetycznych analizowanych struktur. Odpowiednia wartość tego parametru jest konieczna do prawidłowego zaprojektowaniu maszyn metodami obwodowymi. 4. STAN ROZRUCHU. Jedną z korzystnych cech maszyn indukcyjnych synchronizowanych z magnesami trwałymi jest możliwość bezpośredniego rozruchu przez przyłączenie do sieci zasilającej. W związku z tym, moment elektryczny wytwarzany przez maszynę musi być odpowiednio duży, tak, aby silnik ruszył nawet przy pewnym obciążeniu. Dla zbadania własności badanych modeli w stanie zwarcia został użyty moduł Transient do analizy stanów nieustalonych. Przy jego pomocy zostały wyznaczone następujące charakterystyki: I [A] Porównanie prądu f azy A 35 U1 U2 W ,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 czas [s] Moment [Nm] Porównanie momentu rozruchowego U1 U2 W ,00 0,02 0,04 0,06 0,08 0,10 czas [s] Rys.8 Charakterystyki czasowe prądu fazy oraz momentu dla stanu rozruchu. Otrzymane zostały przebiegi przejściowe, stąd w ocenie stanu ustalonego interesujący jest tylko ostatni okres. Z przebiegu prądu jednej z faz można wnioskować, że najmniejszy moment będzie wytwarzany przez model U1, który okazał się najsłabszy również w stanie pracy ustalonej. Potwierdza to wykres momentu. Prąd w modelach U2 i W ma podobny kształt, przy czym nieco lepszy moment uzyskał model z magnesami w kształcie U2.

7 Wartości skuteczne prądu i średnie momentu rozruchowego - U1: 11.7 [A], 8.1 [Nm], U2: 16.8 [A], 18 [Nm], W: 20.1 [A], 18.8 [Nm]. Program Flux 2D umożliwia wykreślenie kształtu linii sił pola w analizowanym modelu, co przedstawia poniższy rysunek. Został on uzyskany dla stanu rozruchu maszyny. Rys.9 Kształt linii sił pola przy rozruchu. Dzięki graficznemu przedstawieniu rozpływu strumienia magnetycznego, zostało dokonane potwierdzenie prostopadłego namagnesowania magnesów przy orientacji poprzecznej. Widoczny jest również duży wpływ pola wytwarzanego przez magnesy na kształt strumienia przy rozruchu. 5. WNIOSKI. Silnik indukcyjny synchronizowany z magnesami trwałymi to maszyna przyszłościowa o dużej sprawności, prostej obsłudze (nie posiada szczotek, pierścieni ślizgowych, nie potrzebuje dodatkowego źródła wzbudzenia ) oraz obiecująca ze względu na ciągły rozwój materiałów na magnesy. Istnieje szerokie pole manewru przy poprawie własności maszyny ze względu na możliwość dowolnego kształtowania i orientowania magnesów. Z obliczeń przeprowadzonych przeze mnie dla modeli U oraz W wynika, że lepszy pod względem pracy ustalonej jest kształt U, przy rozruchu natomiast typ W. Korzystniejsze własności w tego typu strukturach wykazuje orientacja magnesów poprzeczna, przy której moment rozruchowy wyniósł 2 razy więcej, natomiast moment ustalony o połowę więcej, niż przy modelu z namagnesowaniem wzdłużnym.