PORÓWNANIE NAPĘDÓW Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM DWUFAZOWYM I TRÓJFAZOWYM Z LITYM RDZENIEM WIRNIKA

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 8/ 9 Maciej Bogumił Instytut Elektrotechniki, Warszawa PORÓWNANIE NAPĘDÓW Z SILNIKIEM INDUKCYJNYM DWUFAZOWYM I TRÓJFAZOWYM Z LITYM RDZENIEM WIRNIKA COMPARISON OF DRIVES WITH TWO-PHASE AND THREE-PHASE INDUCTION MOTORS WITH SOLID ROTOR CORE Abstract: The article presents researches results of one-phase drivers equipped with two- and three-phase induction cage motors with solid rotor core. The motors have been constructed on the base of typical three-phase induction cage motor with two-poles and shaft height 9 mm. Typical sliced core was removed from shaft and replaced with solid core. The solid rotor was tested in twoand three-phase stators of experimental motors powered from electronic inverter. There are presented comparative researches results of drivers at continuous work with decreased load due to highest temperature growth and torques characteristics at different frequency. All comparisons were preformed for several air gap value.. Wstęp Silniki indukcyjne klatkowe są najbardziej rozpowszechnionym rodzajem maszyn elektrycznych zarówno w przemyśle, jak i w gospodarstwach domowych. Wynika to z małej awaryjności tych silników, stosunkowo prostej konstrukcji i mało kosztownej eksploatacji. Główne wady tych maszyn to duŝy prąd rozruchowy oraz pakietowanie rdzeni stojana i wirnika w celu zmniejszenia strat mocy. Zastąpienie pakietowanego rdzenia wirnika wraz z klatką, rdzeniem wykonanym z litej stali eliminuje te wady. Ponadto zastosowanie litego wirnika zwiększa niezawodność, trwałość i wytrzymałość mechaniczną, umoŝliwia łatwe zmniejszenie poziomu drgań i hałasu oraz polepszenie stabilności pracy w całym zakresie prędkości obrotowej []. Silnik z litym wirnikiem w porównaniu do silnika klatkowego o tych samych wymiarach ma mniejszą moc, sprawność, współczynnik mocy oraz większy poślizg i moment bezwładności wirnika []. Jest to głównie spowodowane duŝą impedancją wirnika oraz znacznie większym oddziaływaniem wyŝszych harmonicznych niŝ w silniku klatkowym. W literaturze [] moŝna spotkać zalecenia, aby wady te częściowo eliminować przez odpowiednią konstrukcję, np.: wykonanie wirnika z materiału ferromagnetycznego o duŝej przewodności elektrycznej (stal) lub utworzenia struktury warstwowej. Najprostsze i najczęściej spotykane konstrukcje wirników litych przedstawiono na rys... a) b) c) d) Rys... Konstrukcje wirników litych a) walec pełny, b) walec z pierścieniami z miedzi; c) walec pokryty na powierzchni przyszczelinowej miedzią, a następnie warstwą stali, d) walec pokryty miedzią na powierzchni przyszczelinowej lub na wszystkich powierzchniach

2 9 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 8/ Odpowiednią strukturę wirnika moŝna zastosować znając rozkład pola elektromagnetycznego w silniku o danej konstrukcji. Z punktu widzenia przewodności elektrycznej oraz przenikalności magnetycznej materiałów, w silniku występuje środowisko liniowe przewodzące (miedź) i nie przewodzące (powietrze) oraz nieliniowe środowisko przewodzące (stalowy rdzeń wirnika). Rozkład pola elektromagnetycznego w takiej strukturze opisują równania Maxwella []: roth = J (.) B rote = (.) t divb = (.) ponadto naleŝy uwzględnić zaleŝności materiałowe w postaci równań: B = µh (.) J = γe (.) Dla uproszczenia modelu przyjmuje się: εe = (.) t dive = (.7) Dokładna analiza rozkładu pola elektromagnetycznego w przedstawionych strukturach jest dość trudna ze względu na duŝą złoŝoność zaleŝności parametrów materiałowo-polowych. W tej pracy przedstawiono badania porównawcze napędów z silnikiem dwu- i trójfazowym ze stalowym rdzeniem wirnika, opartych na tej samej konstrukcji bazowej i przy róŝnej grubości. Wykorzystanie silników indukcyjnych z litym wirnikiem moŝna upatrywać do pracy wykonawczej przy obracaniu zaworów hydraulicznych, przesuwaniu cięŝkich zasuw, itp. tam, gdzie jest konieczny duŝy moment przy małej prędkości obrotowej, a po chwilowej pracy następuje stygnięcie. Badania słuŝą określeniu, który napęd (- czy - fazowy) lepiej spełnia wymagania stawiane silnikom wykonawczym w omawianym trybie pracy i jaki wpływ na parametry silników ma grubość.. Badania silników Badania przeprowadzono na dwóch silnikach indukcyjnych z litym rdzeniem wirnika, wzniosie wału 9 mm i jednej parze biegunów. Jeden z silników miał uzwojenie stojana dwufazowe symetryczne na napięcie fazowe U f = V, zaś drugi silnik miał uzwojenie trójfazowe na napięcie przewodowe U p = V, przy skojarzeniu uzwojenia w gwiazdę. Konstrukcja maszyn opierała się na typowym silniku indukcyjnym klatkowym Sh9S- o mocy W i trójfazowym zasilaniu. Średnica wewnętrzna rdzenia stojana wynosiła = 9 mm. W silnikach eksperymentalnych pakiet blach wirnika wraz z klatką zastąpiono litym rdzeniem metalowym o tej samej długości. Średnicę rdzenia zmieniano przez obróbkę skrawaniem. Wykonano jeden wirnik, który współpracował z jednym lub drugim stojanem. Takie rozwiązanie zapewniało jednakową szczelinę powietrzną w obu stojanach (tab..). Tabela... Średnica rdzenia badanych wirników oraz grubości średnica zewnętrzna rdzenia wirnika [mm] grubość [mm] 8, 8, 7,98 7,,7,7,,7 Silniki zasilano odpowiednio z falownika dwufazowego lub trójfazowego, zaś falownik był zasilany z sieci jednofazowej U f = V. Zastosowanie przekształtników elektronicznych zasilanych jednofazowo znacznie upraszcza obsługę napędów i umoŝliwia ich stosowanie przy braku sieci trójfazowej. Program badań obejmował próbę biegu jałowego, obciąŝenia oraz charakterystyki nagrzewania i momentów obrotowych przy róŝnych częstotliwościach. Wszystkie pomiary wykonano przy kilku grubościach.. Wyniki badań.. Bieg jałowy Podczas próby biegu jałowego silnik -fazowy pobierał z falownika większy prąd, ale mniejszą moc niŝ silnik -fazowy (rys..). Wynika to głównie z róŝnych współczynników mocy. 8 8 Straty P [W] P.Fe.f P.Fe.f P.Cu.f P.Cu.f,,,,,,7,8 Rys... Straty mocy w rdzeniu P Fe i w uzwojeniu stojana P Cu w zaleŝności od grubości szczeliny powietrznej

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 8/ 97 W obu silnikach prąd w uzwojeniu stojana narastał wraz ze wzrostem. Podobnie zachowywały się straty w uzwojeniu stojana. Natomiast straty w rdzeniu były większe w silniku -fazowym ale zmniejszały się wraz ze wzrostem... ObciąŜenie W stanie obciąŝenia napęd -fazowy pobierał większą moc niŝ -fazowy. Najmniejszą moc napęd -fazowy pobierał przy szczelinie powietrznej około, mm (rys..), zaś moc pobierana przez napęd -fazowy zmniejszała się wraz ze wzrostem grubości (rys..) P [W] P.fal P.sil P.sil,,,,,,7,8 Rys... Moc falownika i silnika -fazowego w zaleŝności od grubości P.fal moc pobierana przez falownik z sieci P.sil moc pobierana przez silnik z falownika P.sil moc mechaniczna na wale silnika P [W],,,,,,7,8 P.fal P.sil P.sil Rys... Moc falownika i silnika -fazowego w zaleŝności od grubości Napęd -fazowy miał większy poślizg oraz pobierał z sieci większy prąd niŝ napęd -fazowy (rys...). W obu napędach przy obciąŝeniu, wraz ze wzrostem grubości szczeliny powietrznej prąd zmieniał się w niewielkich granicach (około,7 A) zaś poślizg zmniejszał się o pkt. procentowych (-fazowy) oraz o pkt. procentowe (-fazowy). 8 8 I [A] s [%],,,,,,7,8 s I.fal I Rys... Prąd falownika oraz prąd i poślizg silnika -fazowego w zaleŝności od grubości I fal prąd pobierany przez falownik z sieci I prąd pobierany przez silnik z falownika s poślizg silnika 8 I [A] s [%],,,,,,7,8 s I.fal I Rys... Prąd falownika oraz prąd i poślizg silnika -fazowego w zaleŝności od grubości Straty mocy w wirniku silnika -fazowego były większe niŝ w wirniku silnika -fazowego i zmniejszały się w obu silnikach wraz ze wzrostem, podobnie jak straty w rdzeniu stojana (rys...7). Straty P [W] suma.p P.Fe P.Cu P.wir,,,,,,7,8 Rys... Straty mocy w silniku -fazowym w zaleŝności od grubości P Fe straty mocy w rdzeniu silnika P Cu straty mocy w uzwojeniu stojana P wir straty mocy w wirniku suma P suma strat mocy: P Fe +P Cu +P wir

4 98 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 8/ Straty w uzwojeniu stojana silnika -fazowego były większe, niŝ w uzwojeniu silnika -fazowego i rosły wraz z grubością szczeliny powietrznej. Suma strat w Ŝelazie, rdzeniu stojana i w wirniku silnika -fazowego była większa niŝ silnika -fazowego. Minimalną wartość osiągnęła przy szczelinie powietrznej o grubości, mm. Straty P [W] suma.p P.Fe,,,,,,7,8 P.Cu P.wir Rys..7. Straty mocy w silniku -fazowym w zaleŝności od grubości Obydwa silniki obciąŝone momentem, Nm osiągnęły dopuszczalny przyrost temperatury uzwojenia stojana zaledwie w kilka minut. Z tego powodu próby obciąŝenia wykonano przy momencie obrotowym w zakresie,9-, Nm napęd -fazowy (rys..8) oraz -, Nm napęd -fazowy (rys..9) tak, aby nie przekroczyć dopuszczalnego przyrostu temperatury uzwojenia stojana. Napęd -fazowy mo- Ŝna było obciąŝyć bardziej niŝ napęd -fazowy, który przy obciąŝeniu powyŝej, Nm utykał.,,,,, I [A] cos ϕ spr x [%] I spr M cos 8 8 P [W] Rys..8. Charakterystyki obciąŝenia silnika - fazowego I prąd silnika; spr sprawność silnika Współczynniki mocy obu napędów miały zbli- Ŝone wartości oraz minimum przy szczelinie powietrznej o grubości, mm. Sprawność napędu -fazowego była mniejsza niŝ -fazowego i osiągnęła maksimum przy szczelinie powietrznej o grubości, mm.,,,,,, I [A] cos ϕ spr x [%] P [W] I spr M cos Rys..9.Charakterystyki obciąŝenia silnika - fazowego Sprawności obu napędów w głównej mierze zaleŝały od sprawności silników (rys..8.9). Sprawność falownika -fazowego wynosiła 88, %, zaś -fazowego 88 %... Nagrzewanie Ze względu na wytrzymałość termiczną izolacji uzwojenia stojana charakterystyka nagrzewania silników (rys..) zostały wykonane przy obciąŝeniu, które pozwala silnikom osiągnąć stan ustalony termicznie poniŝej dopuszczalnego przyrostu temperatury uzwojenia klasy izolacji F. Przyrost temperatury silnika -fazowego był większy niŝ silnika -fazowego mimo mniejszego obciąŝenia napędu -fazowego, który w czasie prób obciąŝano momentem M =, Nm, zaś silnik -fazowy obciąŝano momentem M = Nm. Takie wartości obciąŝenia ustalono na podstawie wcześniejszych kilku prób nagrzewania T.Cu [st.c] dt.f dt.f,,,,,,7,8 Rys... Przyrost temperatury uzwojenia stojana silników w zaleŝność od grubości szczeliny powietrznej dt f przyrost temperatury silnika -fazowego dt f przyrost temperatury silnika -fazowego

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 8/.. Charakterystyki momentów obrotowych Charakterystyki momentów obrotowych wykonano z dodatkowym kołem stalowym zwiększającym moment bezwładności wirnika. Moment bezwładności wirnika wynosił,9 - kgm zaś całej masy wirującej wraz ze sprzęgłem, - kgm. Zwiększenie inercji badanego układu było konieczne, aby zmniejszyć szybkość rozruchu i umoŝliwić zarejestrowanie charakterystyk momentu. Porównanie dotyczy maksymalnych wartości momentów obrotowych, poniewaŝ kształty charakterystyk momentu obrotowego znacznie się róŝnią (rys...). 8 7 Hz Hz Hz wym zmieniały się o około,7 Nm (w zakresie,9, Nm; rys..). Mogło to wynikać to ze sposobu sterowania falowników. Silnik fazowy miał większy moment maksymalny, niŝ silnik -fazowy przy częstotliwości zasilania powyŝej Hz. Przy niŝszych częstotliwościach większy moment rozwijał silnik fazowy. Przy wyznaczaniu charakterystyki momentu obrotowego silnika nie było moŝliwości zarejestrowania momentu początkowego. Podczas próby rewersu silnika pojawiało się przepięcie w obwodzie pośredniczącym falownika, co skutkowało przeskokiem ładunku elektrycznego między zaciskami kondensatora filtrującego. Przebiegi momentów obrotowych na wale silnika rejestrowano więc od chwili załączenia napięcia z falownika do momentu osiągnięcia pełnej prędkości obrotowej wału silnika. Taki sposób został podyktowany moŝliwościami technicznymi falowników. Hz 99 Nm 7 Hz,,,,,,7,8 Hz Rys... Moment obrotowy maksymalny silnika -fazowego w zaleŝności od grubości Hz Hz Hz W silniku -fazowym wraz ze wzrostem moment obrotowy zwiększał się w granicach, Nm w zaleŝności od częstotliwości (rys..), zaś silnik -fazowy utrzymywał moment obrotowy zmieniający się w zakresie,, Nm (rys..).,8 Hz, Hz obr min Rys... Charakterystyki momentów obrotowych silnika -fazowego ze szczeliną powietrzną δ=,7 mm Nm Hz, Hz Hz, Hz,8, obr min,,,,,,,,7,8 Rys... Moment obrotowy maksymalny silnika -fazowego w zaleŝności od grubości Momenty obrotowe badane przy róŝnych częstotliwościach ( Hz) w silniku -fazowym zmieniały się o około, Nm (w zakresie,,8 Nm; rys..), zaś w silniku -fazo- Rys... Charakterystyki momentów obrotowych silnika -fazowego ze szczeliną powietrzną δ=,7 mm

6 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 8/ Nm,,,,8,,, Hz Hz Hz Hz Hz Hz obr min Rys... Charakterystyki momentów obrotowych silnika -fazowego ze szczeliną powietrzną δ=,7 mm, przy sterowaniu prądowym falownika Zmiana sterowania falownika -fazowego w taki sposób, aby utrzymywał prąd na stałym poziomie (sterowanie prądowe) spowodowała zmianę kształtu charakterystyki momentu (rys..) na bardziej zbliŝony do charakterystyki napędu -fazowego (rys..) przy tej samej częstotliwości zasilania, ale znacznie zmniejszyła moment początkowy.. Podsumowanie Porównanie badanych silników przy pracy z ciągłym obciąŝeniem wykazało, Ŝe lepsze parametry ma napęd -fazowy. Jednak silniki z litym wirnikiem nie powinny pracować w sposób ciągły ze względu na niekorzystne parametry eksploatacyjne: duŝy poślizg (9- %), duŝe straty (- % P N ) oraz małą sprawność (- %). Takie parametry są wynikiem przeprowadzonych badań. Napęd -fazowy miał taki kształt charakterystyki momentu obrotowego, Ŝe największe wartości momentu występowały przy bardzo małej prędkości obrotowej rzędu obr/min (rys..). Natomiast napęd -fazowy kształtował charakterystykę momentu obrotowego zmieniającą się nieznacznie (,9-, Nm) w zakresie prędkości obrotowej od zera do około / prędkości znamionowej, a przy większych prędkościach szybko opadającą (rys..). Maksymalny moment silnika -fazowego jest znacznie mniejszy niŝ silnika -fazowego. Przy prędkości obrotowej około obr/min (s=9%) silnik -fazowy ma moment ponad - krotnie większy od silnika -fazowego. Na podstawie dotychczasowych doświadczeń przy pomiarach momentów obrotowych moŝna przyjąć, Ŝe stosunek momentu rozruchowego napędu -fazowego do -fazowego będzie kształtował się podobnie jak stosunek zarejestrowanych momentów M f /M f =,, przy małej prędkości obrotowej ( obr/min). Badania silników zasilanych z przekształtników energoelektronicznych są ograniczone moŝliwościami technicznymi zasilaczy oraz moŝliwościami aparatury pomiarowej. Falowniki nie umoŝliwiają regulacji napięcia zasilania silników przy stałej częstotliwości prądu dlatego próby biegu jałowego moŝna wykonać tylko przy znamionowym napięciu zasilania silników, przy częstotliwości Hz. Ten pomiar umoŝliwia wyznaczenie strat w rdzeniu stojana o ile znane są straty mechaniczne, które trzeba wyznaczać zasilając silnik z regulowanego źródła napięcia przy stałej częstotliwości. Straty mechaniczne wyznaczono zasilając silnik z regulatora indukcyjnego: P mf =, W, P mf =87, W. Przy małych prędkościach obrotowych silnika chłodzenie jest znacznie zmniejszone, następuje wówczas wzrost temperatury litego wirnika powodując zmianę jego impedancji, a w efekcie zmianę momentu obrotowego oraz poślizgu. Z tego powodu charakterystyki momentu obrotowego silników wykonywano w moŝliwie krótkim czasie, aby temperatura silnika nie zmieniała się znacząco. Ze względu na kształty charakterystyk i wartości momentów obrotowych przy duŝym poślizgu (s=9 %) silnik -fazowy znacznie bardziej niŝ silnik -fazowy odpowiada wymaganiom stawianym silnikom wykonawczym pracującym dorywczo z duŝym momentem początkowym.. Literatura []. Dąbrowski M., Gieras J.: Maszyny indukcyjne o wirniku masywnym. PWN, Warszawa - Poznań 977 r. []. Fleszar J.: Analiza pracy silnika indukcyjnego z masywnym wirnikiem, Z. N. Politechniki Świętokrzyskiej Elektryka nr, 98, str. -. []. Kołodziej J.: Modelowanie i analiza pracy silnika indukcyjnego z wirnikiem masywnym. Materiały konferencyjne X International PhD Workshop OWD 8 r.