SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH. WYBÓR CHWILI ZAŁĄCZENIA PRĄDU WZBUDZENIA

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 54 Politechniki Wrocławskiej Nr 54 Studia i Materiały Nr PAWEŁ ZALAS *, JAN ZAWILAK * elektrotechnika, maszyny elektryczne, silniki synchroniczne, łagodna synchronizacja, symulacja SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH. WYBÓR CHWILI ZAŁĄCZENIA PRĄDU WZBUDZENIA Przedstawiono obliczenia symulacyjne przebiegów dynamicznych prądów, momentów elektromagnetycznych i prędkości obrotowej podczas synchronizacji silnika synchronicznego dużej mocy. Określono wpływ chwili inicjacji procesu synchronizacji na te przebiegi. Określono strefę łagodnej synchronizacji dla wybranego zakresu zmian momentu obciążenia i momentu bezwładności układu napędowego. 1. WSTĘP Rozruch silników prądu przemiennego jest jednym z ważniejszych zagadnień dotyczących ich eksploatacji [7,11]. Problem ten jest szczególnie ważny dla silników dużych mocy (rzędu powyżej kilkuset kilowatów). Dla silników synchronicznych proces rozruchu kończy się z chwilą załączenia prądu stałego do obwodu wzbudzenia i synchronizacji silnika [3,10]. Niewłaściwa chwila włączenia prądu wzbudzenia może powodować występowanie zmiennego momentu elektromagnetycznego, przepięcia w obwodach uzwojenia twornika a nawet niezsynchronizowanie się silnika. Z tego powodu zastosowanie forsowania prądu wzbudzenia, często do wartości o 50 % większej od prądu znamionowego, zwiększa moment synchronizujący i prawdopodobieństwo synchronizacji silnika. W takich przypadkach zwiększa się również maksymalny moment dynamiczny oraz przeciążenie układu mechanicznego. Zagadnienie to jest szczególnie istotne w napędach o dużym momencie bezwładności, jakim są wentylatory głównego przewietrzania kopalń podziemnych, których średnica * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław, PL

2 zewnętrzna wynosi ok. 9 metrów a moment bezwładności jest ok. dziesięć razy większy od momentu bezwładności wirnika silnika napędowego. Obecnie do wzbudzenia silników synchronicznych stosuje się prostowniki tyrystorowe, których zasilanie dopasowuje się za pomocą transformatora pośredniczącego [1]. Moc tego transformatora wynika z maksymalnych wartości napięcia i prądu strony wtórnej. Dlatego zastosowanie forsowania prądu wymaga większej mocy transformatora niż wynikałoby to z parametrów znamionowych wzbudzenia silnika. Celem niniejszej pracy jest określenie wpływu chwili włączenia prądu wzbudzenia na przebiegi elektromagnetyczne podczas synchronizacji silnika synchronicznego. Efektem poszukiwań jest określenie warunków zaistnienia łagodnej synchronizacji. W pracy przyjęto liniowość magnetowodu oraz monoharmoniczny, obwodowy rozkład pola magnetycznego twornika i magneśnicy. 2. ŁAGODNA SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Po rozruchu asynchronicznym silnika, w stanie ustalonym, pole magnetyczne twornika i magneśnicy wirują względem siebie z prędkością proporcjonalną do poślizgu [2,6,9] a współfazowość jednakoimiennych biegunów obu pól powtarza się cyklicznie z prędkością obrotową wyrażoną zależnością: n c = 1 p s (1) przy czym: p liczba par biegunów, s poślizg silnika. Przykład: dla maszyny o liczbie par biegunów p=8, przy poślizgu s = 0,05 współfazowość biegunów jednakoimiennych pola twornika i magneśnicy będzie następowała co 2,5 obrotu wirnika. Jako łagodną synchronizację silników synchronicznych przyjęto taki jej przebieg, że po załączeniu prądu do uzwojenia wzbudzenia następuje synchronizacja przy pierwszej współfazowości pól twornika i magneśnicy. Łagodna synchronizacja odbywa się w najkrótszym czasie i przy minimalnych wahaniach prądów oraz momentu dynamicznego [8]. Wzajemne położenie osi pola magnetycznego twornika i osi podłużnej wzbudzenia można opisać kątem δ. Dla bardzo małych wartości poślizgu można przyjąć, że

3 reaktancja obwodu wzbudzenia, zwartego rezystorem rozruchowym, jest pomijalnie mała. Napięcie indukowane w uzwojeniu wzbudzenia od pola twornika jest funkcją kąta δ i równoważone jest przez napięcie występujące na oporniku rozruchowym R o (rys. 1). u Ro = - U Romax sin δ (2) Pomiar wartości chwilowej tego napięcia umożliwia określenie wzajemnego położenia pól twornika i magneśnicy a zastosowany tyrystor T UŁS załączenie prądu stałego do obwodu wzbudzenia w określonej chwili czasowej [1]. Zadziałanie łączników K1 oraz K2 następuje po zakończeniu procesu synchronizacji. Rys. 1. Schemat zasilania uzwojenia magneśnicy podczas synchronizacji. Fig. 1. Diagram of supplying the field magnet circuit during synchronization process. 3. BADANIA SYMULACYJNE PROCESU SYNCHRONIZACJI Badania symulacyjne wykonano dla silnika typu GAe 1716t o następujących danych znamionowych: moc znamionowa P = 3150 kw, napięcie zasilania U = 6000 V, prędkość obrotowa n n = 375 obr/min, moment obrotowy M n = 80 kn. m,

4 moment bezwładności J s = kgm 2. Silnik ten napędza wentylator o momencie bezwładności J w = kgm 2, głównego przewietrzania kopalni podziemnej. Wykorzystując program Simplorer wykonano obliczenia stanu rozruchu i synchronizacji badanego silnika. W symulacjach wykorzystano klasyczny model matematyczny silnika synchronicznego opisanego we współrzędnych d-q [4]. Parametry badanego silnika do modelu matematycznego wyznaczono na podstawie wzorów konstrukcyjnych [5] u producenta tej maszyny. Wykorzystując komercyjny program do obliczeń polowych Quick-Field zweryfikowano obliczenia indukcyjności rozproszenia żłobkowego oraz reaktancji oddziaływania twornika, które okazały się dostatecznie zbieżne z uzyskanymi od producenta maszyny. Wyniki obliczonych przebiegów czasowych końcowego etapu stanu asynchronicznego i procesu synchronizacji silnika pokazano na rysunku 2.

5 Rys. 2. Przebiegi dynamiczne procesu synchronizacji rozpoczętego w strefie łagodnej synchronizacji: a) prąd twornika, prąd wzbudzenia, kąt δ, b) prędkość obrotowa, c) moment elektromagnetyczny, moment obciążenia. Fig. 2. Dynamic diagram of: a) armature current, excitation current and δ angle, b) shaft velocity, c) electromagnetic torque and load torque during synchronization process, that starts in softsynchronization range. Proces synchronizacji został zainicjowany w chwili odpowiadającej kątowi δ = - 45deg, w której załączono skokowo prąd stały o wartości znamionowej. Dla wybranej chwili inicjacji synchronizacji prąd wzbudnicy współdziała z prądem przemiennym w obwodzie magneśnicy (rys. 3). Jak widać na rysunku 2 synchronizacja silnika nastąpiła w pierwszej współfazowości pól twornika oraz magneśnicy i można ją uznać jako łagodną. Rys. 3. Wykres napięcia U Ro na rezystorze rozruchowym oraz prądu w uzwojeniu magneśnicy w chwili synchronizacji badanego silnika dla kąta δ = -45deg (synchronizacja łagodna). Fig. 3 Diagram of starting resistor voltage U Ro and current in field magnet winding during synchronization of synchronous motor for δ= -45deg (soft synchronization). Na rysunku 4 pokazano przebiegi czasowe końcowego etapu stanu asynchronicznego badanego silnika dla przyjętego kąta inicjacji synchronizacji

6 δ = - 175deg i takich samych wartości momentu obciążenia i bezwładności. Rys. 4. Przebiegi dynamiczne procesu synchronizacji rozpoczętego poza strefą łagodnej synchronizacji: a) prąd twornika, prąd wzbudzenia, kąt δ, b) prędkość obrotowa, c) moment elektromagnetyczny, moment obciążenia. Fig. 4. Dynamic diagram of: a) armature current, excitation current and δ angle, b) shaft velocity, c) electromagnetic torque and load torque during synchronization process, that starts out softsynchronization range.

7 Dla wybranej chwili inicjacji synchronizacji załączony prąd stały nie współdziała z prądem przemiennym w obwodzie magneśnicy (rys. 5). Rys. 5. Wykres napięcia U Ro na rezystorze rozruchowym oraz prądu w uzwojeniu magneśnicy w chwili synchronizacji badanego silnika dla kąta δ = -175deg. Fig. 5. Diagram of starting resistor voltage U Ro and current in field magnet winding during synchronization of synchronous motor for δ= -175deg. Na podstawie przedstawionych wykresów można stwierdzić, że synchronizacja silnika następuje podczas drugiej współfazowości pól twornika i magneśnicy (synchronizacja nie może być uznana jako łagodna). 4. STREFA ŁAGODNEJ SYNCHRONIZACJI Łagodna synchronizacja silników synchronicznych może być dokonywana w pewnym zakresie kąta δ i zależy od wartości momentu obciążenia oraz momentu bezwładności układu napędowego. Wykorzystując program obliczeniowy wykonano symulacje rozruchu badanego silnika dla różnych wartości momentów obciążenia i bezwładności. Na rysunku 6 pokazano wyniki obliczeń szerokości strefy łagodnej synchronizacji badanego silnika dla momentu obciążenia zmieniającego się od 0,4 do 0,55 momentu znamionowego i stałej bezwładności układu napędowego. Na rysunku 7 pokazano wyniki obliczeń szerokości strefy łagodnej synchronizacji dla momentu bezwładności układu napędowego zmieniającego się od 10 do 20 krotnej wartości momentu bezwładności wirnika silnika badanego przy stałym momencie obciążenia.

8 ,4 0,42 0,44 0,46 0,48 0,5 0,52 0, δ [deg] M/M n Rys. 6. Wpływ momentu obciążenia na szerokość strefy łagodnej synchronizacji badanego silnika Fig. 6. The influence of load torque on width of soft-synchronization range δ [deg] J/J S Rys. 7. Wpływ momentu bezwładności układu napędowego na szerokość strefy łagodnej synchronizacji. Fig. 7. The influence of moment of inertia on width of soft-synchronization range. Należy podkreślić, że obliczenia wykonano przy założeniu, że prąd wzbudzenia ma wartość znamionową. Zgodnie z ogólną teorią maszyn elektrycznych zwiększenie prądu wzbudzenia powoduje wzrost momentu synchronizująceg i powiększenie strefy łagodnej synchronizacji silnika. 5. WNIOSKI Na podstawie wykonanych obliczeń można stwierdzić, że wybór właściwej chwili inicjacji synchronizacji łagodzi procesy dynamiczne podczas rozruchu silnika synchronicznego. Łagodna synchronizacja dokonana może być bez potrzeby forsowania prądu wzbudzenia, co umożliwia zmniejszenie mocy urządzeń zasilających.

9 LITERATURA [1] AZAREWICZ S., ZALAS A., ZAWILAK J., Łagodny rozruch i łagodna synchronizacja silników synchronicznych, Eksploatacja napędów górniczych. III Seminarium techniczne. Ustroń, 7-8 listopad [2] BIELAWSKI S., Teoria napędu elektrycznego, WNT, Warszawa,1978. [3] BISZTYGA K., Sterowanie i regulacja silników elektrycznych, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, Warszawa [4] KACZMAREK T., ZAWIRSKI K., Układy napędowe z silnikiem synchronicznym, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, [5] LATEK W., Turbogeneratory, WNT, Warszawa [6] PASZEK W., Dynamika maszyn prądu przemiennego, Wydawnictwo HELION, Gliwice, [7] PAWLUK K., BEDNAREK S., Rozruch i stany asynchroniczne silników synchronicznych, WNT, Warszawa, [8] SOBCZYK T., Łagodna synchronizacja silników synchronicznych dużej mocy z asynchronicznego stanu pracy, XX Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Maszyny synchroniczne, Kazimierz Dolny, Maj [9] STAATS G. W., Maximum permissible slip for synchronizing salient-pole synchronous motors, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol.EC-2, nr 3, [10] SZULC Z., PRZYBYLSKI J., Układy łagodnego rozruchu do silników prądu przemiennego dużej mocy i średniego napięcia, Napędy i Sterowanie nr7/ [11] WAJS K., Zagadnienia synchronizacji, Przegląd Elektrotechniczny, V47, nr1, SYNCHRONIZATION PROCESS IN SYNCHRONOUS MOTOR SELECTION OF EXCITATION START-UP MOMENT. Dynamic diagram of currents, electromagnetic torques and shaft velocity during synchronization process as results of computer simulation are presented. Synchronous motor of huge power as the object of examinations. The influence of the synchronization moment on currents, electromagnetic torque and velocity were examined. Soft-synchronization range for selected range of load torque and moment of inertia was obtained.