Rozkład indukcji magnetycznej w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego wielofazowego

Transkrypt

1 Proceedings of XL International Syposiu on Electrical Machines SME 2004, June, Hajnowka, Poland STRESZCZENIE Rozkład indukcji agnetycznej w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego wielofazowego Ada ROGALSKI *, Andrzej POCHANKE **, Krzysztof BIEŃKOWSKI *** Politechnika Warszawska, Zakład Maszyn Elektrycznych ul. Nowowiejska 20 A, Warszawa, * E-ail: A.Rogalski@ie.pw.edu.pl, ** E-ail: A.Pochanke@ie.pw.edu.pl, *** E-ail: K.Bienkowski@ie.pw.edu.pl W ostatnich latach wzrosło zainteresowanie aszynai o liczbie pas fazowych większej od trzech w napędach falownikowych, z powodu potencjalnych korzyści, jakie daje zwiększenie liczby pas fazowych. Większa liczba pas fazowych silnika uożliwia zredukowanie aplitudy i zwiększenie częstotliwości pulsacji oentu elektroagnetycznego, zredukowanie aplitudy wyższych haronicznych, zredukowanie prądu fazowego bez zwiększenia napięcia fazowego, zniejszenie pulsacji prądu źródła, większą niezawodność i wzrost ocy aszyny w tej saej objętości. Silniki wielofazowe ogą znaleźć zastosowanie w pojazdach elektrycznych i hybrydowych, lotnictwie, napędach statków i w napędach dużej ocy wyagających podwyższonej niezawodności. W artykule przedstawiono: porównanie rozkładu indukcji agnetycznej w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego (o liczbie pas fazowych =2, 3 i 6) obliczonej w prograie polowy (MES) i zierzonej w odelu fizyczny. Słowa kluczowe: Silniki indukcyjne wielofazowe. 1 WSTĘP Coraz częściej, we współczesnych zastosowaniach przeysłowych spotyka się silniki indukcyjne z regulacją częstotliwościową. Wykazują się one wyższą sprawnością i większą niezawodnością od aszyn koutatorowych dużych i średnich ocy, przy niższych kosztach wytwarzania oraz posiadają dobre charakterystyki eksploatacyjne w cały zakresie prędkości obrotowej. Jednakże w wyniku odkształcenia krzywej napięcia zasilającego przez falownik powiększają się straty dodatkowe i pojawiają się pulsacje oentu przy niskich prędkościach obrotowych, co skutkuje nasilenie niekorzystnych zjawisk wibroakustycznych. Niekorzystne cechy napędów falownikowych ożna znacznie ograniczyć poprzez zastosowanie silników z wielopasowyi uzwojeniai stojana. Skoro silnik indukcyjny nie jest podłączony bezpośrednio do sieci trójfazowej projektanci nie są już ograniczeni ty paraetre i ogą wybrać najodpowiedniejszą liczbę pas fazowych do danego napędu. Zadanie uzwojenia stojana aszyn indukcyjnych jest wytworzenie wirującego struienia agnetycznego w szczelinie powietrznej o rozkładzie sinusoidalny. Zrealizowanie tego zadania nie jest jednak łatwe dyskretne rozłożenie przewodów w żłobkach wprowadza wyższe haroniczne przestrzenne do krzywej przepływu a nieliniowość ateriałów powoduje dalsze odkształcenie struienia agnetycznego. Zasilanie z falownika dodatkowo wprowadza wyższe haroniczne czasowe. W artykule przedstawiono fragent wyników badań przebiegu indukcji w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego wielofazowego prowadzonych w Zakładzie Maszyn Elektrycznych PW. 2 POMIARY FIZYCZNE 2.1 Stanowisko poiarowe Poiar rozkładu indukcji agnetycznej, w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego wielofazowego został wykonany, w warunkach agnetostatycznych, na zaadaptowany do tego celu, stanowisku do odelowania uzwojeń stojana silnika indukcyjnego 3-fazowego. Na stanowisku jest uieszczony silnik indukcyjny dwuklatkowy z uzwojenie typu Grae a. W każdy żłobku znajdują się dwie cewki, reprezentujące dwie warstwy uzwojenia. Początki i końce cewek ze wszystkich żłobków są wyprowadzone na tablicę zaciskową, dzięki czeu istnieje ożliwość połączenia uzwojeń jedno i dwu warstwowych o różnych paraetrach. W szczelinie silnika, w połowie szerokości pakietu blach, jest uieszczona, na ruchoy raieniu sonda hallotronowa. Raię oże zieniać płynnie swoje położenie w zakresie Dane konstrukcyjne silnika: liczba żłobków stojana Q s = 72; liczba żłobków wirnika Q r = 58; szczelina powietrzna δ = 1,5; średnica wewnętrzna stojana d s = 0,39; średnica zewnętrzna stojana d se = 0,53.

2 Proceedings of XL International Syposiu on Electrical Machines SME 2004, June, Hajnowka, Poland 2.2 Warunki i wyniki poiarów Na rysunkach 1, 2, 3 przedstawiono część odelowanego uzwojenia, odpowiadającą p = 1. Modelowane były następujące uzwojenia średnicowe jednowarstwowe: - Uzwojenie dwufazowe: = 2; p = 2 (1) Q 72 q = = = 9 2p (2) Rys. 2. Połowa uzwojenia o danych: Q s = 72, = 3, p = 2, y = τ = 18, u = 1. Fig. 2 Half of winding with paraeters: Q s = 72, = 3, p = 2, y = τ = 18, u = 1. Przykładowo dla ωt = 30 oraz I = 10A prądy przyją wartości: i 1 = 5A; i 2 = -10A; i 3 = 5A rozkład zienności indukcji w szczelinie dla prądów i 1, i 2 i i 3 przestawiono na rysunku 5. - Uzwojenie sześciofazowe: Rys. 1. Połowa uzwojenia o danych: Q s = 72, = 2, p = 2, y = τ = 18, u = 1. Fig. 1 Half of winding with paraeters: Q s = 72, = 2, p = 2, y = τ = 18, u = 1. Prądy płynące w uzwojeniu ożna zapisać wzore: ( ωt) i1 sin π i2 2 Przykładowo dla ωt = 45 oraz I = 10A prądy przyją wartości: i 1 = 7,07A; i 2 = -7,07A rozkład zienności indukcji w szczelinie dla prądów i 1 i i 2 przestawiono na rysunku 4. - Uzwojenie trójfazowe: (3) = 3; p = 2 (4) Q 72 q = = = 6 2p (5) Prądy płynące w uzwojeniu ożna zapisać wzore: i1 sin( ωt) 2π i2 3 4π i3 3 (6) = 6; p = 2 (7) Q 72 q = = = 3 2p (8) Prądy płynące w uzwojeniu ożna zapisać wzore: ( ωt) i1 sin π i2 6 2π i3 3 2π π i π i5 3 4π π i6 3 6 Rys. 3. Połowa uzwojenia o danych: Q s = 72, = 6, p = 2, y = τ = 18, u = 1. Fig. 3 Half of winding with paraeters: Q s = 72, = 6, p = 2, y = τ = 18, u = 1. (9)

3 Proceedings of XL International Syposiu on Electrical Machines SME 2004, June, Hajnowka, Poland Przykładowo dla ωt = 15 oraz I = 10A prądy przyją wartości: i 1 = 2,59A; i 2 = -2,59A; i 3 = -9,66A; i 4 = -7,07A; i 5 = 7,07A; i 6 = 9,66A rozkład zienności indukcji w szczelinie dla prądów i 1, i 2, i 3, i 4, i 5 oraz i 6 przestawiono na rysunku 6. Indukcja agnetyczna Położenie hallotronu Rys. 4. Przebieg indukcji oraz przepływu [1, 2] w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego z uzwojenie z rys. 1, dla prądów podanych w punkcie 2.2. Fig. 4. Distribution of the agnetic flux density and the MMF in the air-gap of induction achine, with windings fro fig. 1 (currents as point 2.2). Indukcja agnetyczna Położenie hallotronu Rys. 5. Przebieg indukcji oraz przepływu [1, 2] w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego z uzwojenie z rys. 2, dla prądów podanych w punkcie 2.2. Fig. 5. Distribution of the agnetic flux density and the MMF in the air-gap of induction achine, with windings fro fig. 2 (currents as point 2.2).

4 Proceedings of XL International Syposiu on Electrical Machines SME 2004, June, Hajnowka, Poland Indukcja agnetyczna Położenie hallotronu Rys. 6. Przebieg indukcji oraz przepływu [1, 2] w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego z uzwojenie z rys. 3, dla prądów podanych w punkcie 2.2. Fig. 6. Distribution of the agnetic flux density and the MMF in the air-gap of induction achine, with windings fro fig. 3 (currents as point 2.2). 3 OBLICZENIA W PROGRAMIE POLOWYM Na rysunkach 7, 8, 9 zaprezentowane są rozkłady indukcji w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego wielofazowego otrzyane z prograu polowego. Modelowany był silnik znajdujący się na stanowisku do odelowania uzwojeń stojana silnika indukcyjnego 3 fazowego z uzwojeniai przedstawionyi na rysunkach 1, 2 oraz 3. Indukcja agnetyczna 1,0 0,0 - -1,0 Kąt na obwodzie szczeliny powietrznej Rys. 7. Obliczony rozkład indukcji w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego z uzwojenie z rys. 1, dla prądów podanych w punkcie 2.2. Fig. 7. Calculated distribution of the agnetic flux density in the air-gap of induction achine, with windings fro fig. 1 (currents as point 2.2).

5 Proceedings of XL International Syposiu on Electrical Machines SME 2004, June, Hajnowka, Poland Indukcja agnetyczna 1,0 0,0 - -1,0 Kąt na obwodzie szczeliny powietrznej Rys. 8. Obliczony przebieg indukcji w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego z uzwojenie z rys. 2, dla prądów podanych w punkcie 2.2. Fig. 8. Calculated distribution of the agnetic flux density in the air-gap of induction achine, with windings fro fig. 2 (currents as point 2.2). Indukcja agnetyczna 1,0 0,0 - -1,0 Kąt na obwodzie szczeliny powietrznej Rys. 9. Obliczony przebieg indukcji w szczelinie powietrznej silnika indukcyjnego z uzwojenie z rys. 3, dla prądów podanych w punkcie 2.2. Fig. 8. Calculated distribution of the agnetic flux density in the air-gap of induction achine, with windings fro fig. 3 (currents as point 2.2). 3 PODSUMOWANIE Wyniki obliczeń rozkładu indukcji otrzyane z prograu polowego, w porównaniu z wynikai zebranych badań odelu fizycznego nie wykazują znacznych różnic, zarówno ilościowych jak i jakościowych. Przebiegi przepływu uzwojeń wielofazowych, zaprezentowane na rysunkach 4, 5 oraz 6 potwierdzają wyniki badań przedstawione w [1] i [2] Na rysunkach 4 9, ożna zaobserwować, że wraz ze wzroste liczby pas fazowych przebieg indukcji w szczelnie powietrznej silnika zbliża się coraz bardziej do sinusoidy. Uzyskuje się zniejszenie aplitud wyższych haronicznych, dzięki czeu następuje redukcja niekorzystnych zjawisk występujących w aszynach indukcyjnych i synchronicznych zasilanych z falowników napięcia.

6 Proceedings of XL International Syposiu on Electrical Machines SME 2004, June, Hajnowka, Poland LITERATURA [1] Rogalski A. Bieńkowski K. Wielofazowe uzwojenia silników indukcyjnych, XXXIX Miedzynarodowe Sypozju Maszyn Elektrycznych 9-11 czerwca Gdańsk-Jurata. [2] Rogalski A. Bieńkowski K. Czy silniki indukcyjne uszą być trójfazowe?, II Międzynarodowe Foru "Efektywność Energetyczna Napędów z Silnikai Elektrycznyi" Zeszyty Probleowe Branżowego Ośrodka Badawczo-Rozwojowego Maszyn Elektrycznych KOMEL Nr 67/2003. Spała. Distribution of the agnetic flux density in the air-gap of ulti-phase induction achine SUMMARY The flux density distribution in the air gap of ultiphase induction achine with nuber of phases = 2, 3 and 6, derived in field progra (FEM) and verified on the physical odel was presented in this paper. Drawings 1 3 present the fragent of windings which are odeled in the FEM odel and physical odel. Drawings 4 6 represent the distribution of the agnetic flux density easured in physical odel. Drawings 7 9 present calculated flux density distribution in progra coputable field (FEM). Tt is possible to observe, that together with growth of nuber phase the agnetic flux density in air-gap achines approaches ore and ore to the sinusoidal. That causing decreasing of the higher haronic aplitudes, reduction of unfavorable phenoena perfor in induction achines and synchronic supply fro converter of voltage. Key words: Multi-phase induction achine.