Prace Naukowe Instytutu Maszyn i Napędów Elektrycznych Nr 44 Politechniki Wrocławskiej Nr 44

Transkrypt

1 Prace aukowe Instytutu Maszyn i apędów Elektrycznych r 44 Politechniki Wrocławskiej r 44 tudia i Materiały r Ludwik ATAL*, Jan ZAWILAK* elektrotechnika, maszyny elektryczne, silniki synchroniczne, dwubiegowe, uzwojenia przełączalne POLE MAGETYCZE YCHROICZEGO ILIKA JAWOBIEGUOWEGO O DWÓCH PRĘDKOŚCIACH OBROTOWYCH Przedstawiono budowę dwubiegowego silnika synchronicznego dużej mocy z wirnikiem jawnobiegunowym i przełączalnym uzwojeniem twornika oraz magneśnicy do napędu maszyn roboczych o wentylatorowej charakterystyce mechanicznej. Za pomocą programu QuickField, wykorzystującego metodę elementów skończonych, przeprowadzono obliczenia i analizę pól magnetycznych wytwarzanych przez uzwojenia twornika, magneśnicy i pola wypadkowego oraz dokonano ich analizy harmonicznej. Zamieszczono wyniki badań wykonanych na silniku typu GAe 1716/20 t o mocy znamionowej 3150 kw. 1. WTĘP Zbudowanie dwubiegowego silnika synchronicznego z wirnikiem o biegunach jawnych, w którym zmianę prędkości obrotowej uzyskuje się przez przełączenie uzwojeń twornika i magneśnicy, stało się faktem dokonanym. Przebieg prac prowadzonych nad tym zagadnieniem był opisywany w materiałach konferencyjnych kolejnych ympozjów Maszyn Elektrycznych [l, 2]. Ostateczna konstrukcja tworzona była etapami, gdyż przedsięwzięcie wymagało znacznych nakładów finansowych. Ze względu na jawnobiegunowy wirnik o dużej liczbie biegunów było nieopłacalne budowanie modelu fizycznego o małych gabarytach. Rozwiązaniem tego problemu zainteresowani byli również inżynierowie z Kombinatu Górniczo Hutniczego Miedzi, a szczególnie Zakładów Górniczych RUDA. W pierwszym zbudowanym modelu wykorzystano konstrukcję silnika typu Gye 154 t. Celem tego rozwiązania było złagodzenie procesów rozruchowych polegające na zmniejszeniu prądów rozruchowych przez zastosowanie przełączalnego uzwojenia twornika. Lite nabiegunniki wirnika tego silnika, z klatką rozruchowo tłumiącą zwartą pierścieniami, umożliwiały rozruch dla obu prędkości obrotowych. Po dokonanym rozruchu silnik był synchronizowany dla większej prędkości obrotowej (n =1500 obr/min). *Instytut Maszyn i apędów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław

2 12 Uzyskano efekt polegający na około dwukrotnym zmniejszeniu prądów rozruchowych [1]. Drugi model wykonano na bazie silnika GAe 1716 t, w którym przełączenie uzwojenia stojana (twornika) zmienia liczbę biegunów pola magnetycznego, przełączenie zaś uzwojenia wirnika (magneśnicy) zmienia biegunowość jawnych biegunów. ilnik zaprojektowano w taki sposób, by, w przypadku niepowodzenia, można go było wykorzystać jako jednobiegowy. Z tego powodu uzwojenie twornika dobrano w taki sposób, że dla większej prędkości obrotowej (odpowiadającej p = 8) miało ono rozkład zezwojów i parametry jak silnik fabryczny (przed przezwojeniem) [2, 3]. Uzyskane parametry silnika dla mniejszej prędkości obrotowej (odpowiadającej p = 10) nie pozwalały zrównoważyć zapotrzebowania mocy wentylatora głównego przewietrzania kopalni. Po około jednej godzinie pracy następował wzrost temperatury do wartości dopuszczalnej i silnik należało przełączyć na większą prędkość obrotową lub wyłączyć. Cenna były informacja, że silnik może pracować poprawnie przy mniejszej prędkości obrotowej nie wykazuje nadmiernych drgań, nie powoduje odkształcenia napięcia sieci itp. Ponieważ dla większej prędkości obrotowej silnik posiadał zapas mocy, istniała możliwość poprawy parametrów dla mniejszej prędkości obrotowej (kosztem parametrów dla prędkości większej). 2. OPI BADAEGO ILIKA Przedmiotem analizy jest silnik typu GAe 1716 t o mocy znamionowej P = 3150 kw, napięciu U = 6000 V (produkcji DOLMEL), który ma wirnik o 16 biegunach jawnych wykonanych z wykrojów blachowych. a rysunku 1 pokazano schemat rozmieszczenia biegunów wirnika oraz biegunowość smm dla mniejszej (a) oraz większej (b) prędkości obrotowej. a b Rys. 1. chemat uzwojenia wzbudzenia maszyny: a 16 biegunowej; b 20 biegunowej Fig. 1. Field pole distribution; a for higher speed; b for lower speed

3 13 W nabiegunnikach jest umieszczone uzwojenie rozruchowo tłumiące wykonane z prętów zwartych pierścieniami. Uzwojenie wzbudzenia składa się z cewek skupionych o 36,5 zwojach i przekrojach przewodów odpowiadających prądowi znamionowemu I f = 300 A. ilnik ma następujące wymiary podstawowe (w milimetrach): średnica zewnętrzna stojana 2100 szczelina powietrzna maksymalna 8,97 szerokość nabiegunnika 0,7τ p długość rdzenia stojana 720 liczba żłobków stojana 156 wymiary żłobka stojana: szerokość 14,9 średnica wewnętrzna stojana 1780 szczelina powietrzna minimalna 6,50 długość idealna 692 wysokość 70,2 gdzie τ p podziałka biegunowa. W stojanie umieszczono trójfazowe uzwojenie przełączalne, skonstruowane wg zasad opisanych w [4], o podstawowych liczbach biegunów pola magnetycznego 2p p = 16 oraz 2p k = 20. Zezwoje w pasmach fazowych są połączone szeregowo dla większej liczby biegunów oraz w dwóch obwodach równoległych dla mniejszej liczby biegunów. W obu przypadkach pasma fazowe są skojarzone w gwiazdę. W tabeli 1 zestawiono podstawowe parametry uzwojenia (wersja II) i porównano je z rozwiązaniem opisanym w pracy [3] (wersja I). Tabela 1 Podstawowe parametry uzwojenia dwubiegowego silnika synchronicznego Parametr Wersja I Wersja II Lp. 2p P[MW] 3,15 0,90 2,75 1,15 2 k d 0,953 0,675 0,882 0,809 3 y k w 0,916 0,674 0,847 0, k w 113,6 134,9 110,1 210,1 W kolumnie 1 tabeli 1 kolejne wielkości to: 1 moc znamionowa 2 współczynnik grupy 3 rozpiętość zezwojów 4 współczynnik uzwojenia 5 liczba zwojów szeregowych pasma fazowego 6 liczba zwojów efektywnych pasma fazowego W tabeli 2 zestawiono wartości współczynników uzwojenia dla harmonicznych pola magnetycznego o największych amplitudach dla wersji I oraz II. Tabela 2

4 14 Współczynniki uzwojeń (wersji I i II) dla harmonicznych pól magnetycznych o największych amplitudach Harmoniczna liczba biegunów Większa prędkość obrotowa 2p = 16 Współczynnik uzwojenia 2pν Wersja I Wersja II 8 0,0370 0, ,1310 0, ,9158 0, ,1260 0, ,0850 0, ,0090 0, ,0280 0, ,1540 0,0020 mniejsza prędkość obrotowa 2p = ,0240 0, ,4370 0, ,6744 0, ,0850 0, ,4620 0, ,0030 0, OBLICZEIA POLA MAGETYCZEGO Posługując się pakietem QuickField (Tera Analysis), metodą elementów skończonych, wyznaczono rozkłady pól magnetycznych w przekroju poprzecznym badanego, dwubiegowego silnika synchronicznego dla obu prędkości obrotowych w następujących przypadkach: pole wytwarzane przez uzwojenie twornika, pole wytwarzane przez magneśnicę, pole wypadkowe wytwarzane przez przepływ twornika i magneśnicy (z uwzględnieniem nasycenia) dla stanu jałowego (kąt przesunięcia przepływu twornika i magneśnicy ϑj 8 = ϑj 10 = 0) oraz obciążenia znamionowego (ϑ ob16 = ϑ ob20 = 36 0 ). Przykładowe wyniki obliczeń w postaci rozkładu linii sił pola magnetycznego dla większej liczby biegunów (2p = 20) pokazano na rysunkach 2, 3, 4 i dla mniejszej liczby biegunów (2p = 16) na rysunku 5.

5 15 Rys. 2. Obraz pola magnetycznego wywołanego przez magneśnicę dla 2p = 20 Fig pole excitation magnetic field plot Rys. 3. Obraz pola magnetycznego wywołanego przez uzwojenie twornika dla 2p = 20 Fig pole armature magnetic field plot

6 16 Rys. 4. Obraz wypadkowego pola magnetycznego dla obciążenia znamionowego ϑ ob20 = 36 0 (2p = 20) Fig pole resultant magnetic field at rated load (ϑ ob20 = 36 0 ) Rys. 5. Obraz wypadkowego pola magnetycznego dla obciążenia znamionowego ϑ ob16 = 36 0 (2p = 16) Fig pole resultant magnetic field at rated load (ϑ ob16 = 36 0 )

7 17 4. AALIZA WYIKÓW OBLICZEŃ Z obliczonych rozkładów pól magnetycznych dla poszczególnych konfiguracji uzwojeń silnika, odpowiadających obu prędkościom obrotowym, wyznaczono harmoniczne składowej promieniowej indukcji magnetycznej na średnim promieniu szczeliny (r = 0,866 m) wzdłuż obwodu maszyny. a rysunkach 6, 7, 8 pokazano wyniki obliczeń amplitud harmonicznych indukcji pól magnetycznych p ν wytwarzanych odpowiednio przez uzwojenie wzbudzenia (rys.6) oraz uzwojenie twornika (rys.7). a rysunku 8 przedstawiono harmoniczne indukcji wypadkowego pola magnetycznego wytwarzanego przez smm uzwojenia twornika i magneśnicy dla kąta przesunięcia miedzy nimi odpowiadającego obciążeniu znamionowemu maszyny ϑ ob16 = 36 0, ϑ ob20 = a rysunkach tych wykresy ciemne ilustrują mniejszą prędkość obrotową (o podstawowej liczbie biegunów 2p = 20), natomiast wykresy jasne dotyczą większej prędkości obrotowej (2p = 16). 1,0 amplitydy harmonicznych [T] 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 p = 8 p = p ν Rys. 6. Amplitudy harmonicznych pól magnetycznych magneśnicy dla obu prędkości obrotowych (2p = 20 oraz 2p = 16) Fig. 6. Harmonic amplitudes of the excitation field for 2p = 20 and 2p = 16 0,25 amplitydy harmonicznych [T] 0,20 0,15 0,10 0,05 0,00 p = 8 p = p ν Rys. 7. Amplitudy harmonicznych pól magnetycznych od smm uzwojenia twornika dla obu prędkości obrotowych (2p = 20 oraz 2p = 16) Fig. 7. Harmonic amplitudes of the armature field for 2p = 20 and 2p = 16

8 18 amplitydy harmonicznych [T] 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 p = 8 p = p ν Rys. 8. Amplitudy harmonicznych pola wypadkowego od smm twornika i magneśnicy dla stanu obciążenia ϑ ob16 = ϑ ob20 = 36 0 Fig.8. Harmonic amplitudes of the resultant field at rated load for ϑ ob16 =ϑ ob20 = ,8 amplitydy harmonicznych [T] 0,6 0,4 0,2 0,0 wzbudzenie twornik p ν Rys. 9. Amplitudy harmonicznych pól magnetycznych twornika i magneśnicy dla mniejszej prędkości obrotowej (2p = 20) Fig. 9. Harmonic amplitudes of the armature and excitation magnetic field for the lower speed 1,0 amplitydy harmonicznych [T] 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 wzbudzenie twornik p ν Rys. 10. Amplitudy harmonicznych pól magnetycznych twornika i magneśnicy dla większej prędkości obrotowej (2p = 16) Fig. 10. Harmonic amplitudes of the armature and excitation magnetic field for the lower speed

9 19 a rysunkach 9 i 10 zestawiono amplitudy harmonicznych pól wytwarzanych przez smm uzwojenia twornika i magneśnicy odpowiednio dla mniejszej (rys. 8) i większej prędkości obrotowej (rys. 10). a podstawie przedstawionych wyników obliczeń można stwierdzić iż dla większej prędkości obrotowej pole magnetyczne ma podobną zawartość harmonicznych indukcji jak w silniku konwencjonalnej budowy. 5. WYIKI POMIARÓW a rysunku 11 pokazano wyniki pomiarów prądu rozruchowego, napięcia zasilającego (na zaciskach silnika), prądu wzbudzenia i prędkości obrotowej podczas rozruchu, synchronizacji i pracy silnika synchronicznego dwubiegowego napędzającego wentylator głównego Rys. 11. Przebieg rozruchu i synchronizacji dwubiegowego silnika synchronicznego napędzającego wentylator głównego przewietrzania kopalni Fig. 11. tarting and synchronization of 2 speed synchronous motor driving the mining fan przewietrzania kopalni. ilnik ten był synchronizowany i obciążany mocami znamionowymi dla obu prędkości obrotowych. Podczas eksploatacji nie wykazywał nadmiernych drgań ani hałasów, a przyrosty temperatur były niższe od dopuszczalnych.

10 20 6. WIOKI a podstawie przedstawionych obliczeń oraz wyników pomiarów można stwierdzić iż możliwa jest przebudowa silnika synchronicznego z wirnikiem jawnobiegunowym na dwubiegowy o mocach znamionowych przystosowanych do napędu wentylatora. Przez zastosowanie uzwojenia przełączalnego możliwe jest znaczne zmniejszenie prądów rozruchowych (rys. 11) prowadzące do złagodzenia procesów podczas rozruchu układu napędowego. LITERATURA [1] Kowalski. Zawilak J., Dwubiegowe silniki synchroniczne dużej mocy z wirnikami jawnobiegunowymi mat. konf. XXIX ymp. Maszyn Elektr. Wrocław zklarska Poręba 1993 [2] Antal L. Kowalski. Zawilak J., Rozruch układów napędowych dużej mocy z silnikami dwubiegowymi mat. konf. XXX ymp. Maszyn Elektr. Kazimierz 1994 [3] Antal L. Zawilak J., Pole magnetyczne dwubiegowego silnika synchronicznego z wirnikiem o biegunach jawnych mat. konf. XXX ymp. Maszyn Elektr. Kazimierz 1994 [4] Zawilak J., Uzwojenia zmienno biegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego. Pr. auk. Inst. Układów Elektromaszynowych PWr. nr 37 seria M nr 7 Wrocław 1986 MAGETIC FIELD OF THE ALIET POLE 2 PEED YCHROOU MOTOR Construction of a salient pole 2 speed large synchronous motor with change pole windings has been presented. The motor is used to drive fan type machines. Calculation and analysis of excitation and armature magnetic fields has been done using QuickField program (FEM). The results of GAe 1716/20 t 315kW motor testing are discussed.