ROZRUCH SILNIKA GŁĘBOKOśŁOBKOWEGO W UKŁADZIE ŁAGODNEGO ROZRUCHU ASPEKT ENERGETYCZNY

Transkrypt

1 Zezyy Polemowe Mazyny Elekyczne N 81/9 17 Jan Móz Poliechnika Rzezowka, Rzezów ROZRUCH ILNIKA GŁĘBOKOśŁOBKOEGO UKŁAZIE ŁAGONEGO ROZRUCHU APEKT ENERGETYCZNY TART-UP OF THE EEP-BAR MOTOR ITH THE UE OF THE OFT TART-UP- AN ENERGETITIC FACE Aac: uing he of a-up of he inducion moo, vaiou negaive phenomena conneced wih conideale hea emiion in he moo winding ae oeved. They may, paiculaly in he cae of he polonged a-up, eul in a damage o he quiel cage winding. ha i moe, oque impule may e hamful o he elemen of he diving yem. The aicle dicue he ue of he of a-up and indicae ha i help o minimize only ome of he negaive phenomena. Thee ae cae in which he of a up pove o e an addiional ik o he moo. The diiuion of he enegy emied in paicula elemen of he moo winding ha een calculaed, oh duing he a-up wih he ue of he of a-up and duing he diec on-line a-up, in he deep-a 3 k moo. Thee ae giving laoaoy e: ime-cuen, peed, oque and empeaue ie of he oo a in he low-powe inducion moo duing a-up. 1. ęp Rozuch ilnika indukcyjnego klakowego pzez ezpośednie załączenie znamionowego napięcia je częo oowany, jednak naaŝenia uzwojenia klakowego winika wywołane działaniem emicznym i elekodynamicznym pądów ozuchowych ą uaj najwiękze [6]. zczególnego znaczenia naieają e zjawika w czaie długowałego ozuchu [1]. ydzielenie ię w uzwojeniu winika nadmienej ilości enegii w czaie ozuchu moŝe dopowadzić do uzkodzenia konukcji klaki na kuek pzekoczenia dopuzczalnych napęŝeń mechanicznych pochodzenia cieplnego. uŝy pąd ozuchowy moŝe akŝe wywołać zakłócenia w ieci zailającej. Uday momenu mogą yć goźne dla elemenów układu napędowego. Oganiczenie niekóych z wymienionych, niekozynych zjawik, je moŝliwe pzez zaoowanie układu łagodnego ozuchu. niniejzej pacy ozpazono enegeyczne apeky ozuchu ilnika indukcyjnego klakowego w układzie łagodnego ozuchu oaz pzy ozuchu ezpośednim.. Układ łagodnego ozuchu Na yunku 1 pzedawiono ilnik indukcyjny zailany w układzie umoŝliwiającym łagodny ozuch (ofa), zealizowanym za pomocą łącznika yyoowego. Napięcie międzyfazowe zailania ilnika je egulowane w poó ciągły pzez zmianę kąa wyeowania yyoów. Układ ego ypu moŝe ealizować naępujące funkcje: łącznika ezykowego: do załączenia ilnika, ozuznika: do łagodnego ozuchu, egulaoa napięcia podcza pacy ualonej ilnika: woec ionych wad [5, 7] (poó mocy ienej pzeunięcia fazowego i mocy defomacji, zmniejzenie wpółczynnika mocy ze wzoem kąa załączenia, nieymeia pądów i napięć zailania ilnika) a funkcja w pzedawionym układzie łącznika ma małą pzydaność pakyczną. Ry. 1. ilnik indukcyjny zailany w układzie łącznika yyoowego Uwzględniając ylko podawową hamoniczną napięcia pzyjęo, Ŝe w układzie łagodnego ozuchu kueczna waość napięcia zailającego w czaie ozuchu wyaŝa ię zaleŝnością: U U( ) = N U ( 1 k ) N zu nu + k zu dla dla > nu nu (1)

2 18 Zezyy Polemowe Mazyny Elekyczne N 81/9 gdzie: k zu wpółczynnik zmniejzenia napięcia, nu cza naaania napięcia. 3. Enegia w uzwojeniu winika w czaie ozuchu w układzie łagodnego ozuchu celu jakościowego pześledzenia zaleŝności enegeycznych w uzwojeniu winika chwilowo pzyjmuje ię załoŝenie, Ŝe poce ozuchu ma chaake quai-ualony. edy, enegia wydzielona w uzwojeniu winika podcza ozuchu wyaŝa ię zaleŝnością: = R R P = P i = R ω Te p () gdzie: R cza ozuchu, poślizg, P, P i moc wydzielona w uzwojeniu winika, moc pola wiującego, T e momen, ω pulacja pola ojana, p licza pa iegunów. Uwzględniając w zaleŝności (): dω T e + m = J T (3) gdzie: T momen ociąŝenia, J momen ezwładności, Ω m mechaniczna pędkość kąowa winika, ozymuje ię: 1 ω ω = J ( 1 ) + T ( Ωm ) p p R (4) gdzie: 1 poślizg począkowy ( 1 = 1), poślizg w anie ualonym. Gdy w czaie ozuchu wyąpi yuacja, w kóej momen ocią- Ŝenia nie odgywa oli (T = ) oaz, enegia wydzielona w uzwojeniu winika, na podawie zaleŝności (4), wynoi: 1 ω = J (5) p Je ona ówna enegii kineycznej ma wiujących z pędkością kąową ynchoniczną ω /p. NiezaleŜnie więc od ego, czy ozuch odywa ię pzez ezpośednie załączenie na pełne napięcie czy w układzie łagodnego ozuchu, enegia wydzielona w winiku mui yć aka ama. efekcie pole empeauy ilnika po zakończeniu ozuchu w ou wypadkach mui yć podone. Gdy ozuch odywa ię z duŝym momenem ociąŝenia, dugi kładnik w zaleŝności (4) ma więkzą waość pzy ozuchu w układzie łagodnego ozuchu, gdyŝ ozuch wa u znacznie dłuŝej ydzieli ię w ym wypadku więcej enegii w winiku niŝ pzy ozuchu ezpośednim. NaleŜy ię podziewać aczej więkzej empeauy uzwojeń. 4. Okeślenie pądów w uzwojeniach ilnika w czaie ozuchu Rozuch ilnika je nieualonym anem elekomechanicznym i w celu okeślenia ilościowych zaleŝności enegeycznych w uzwojeniu winika zoały pzepowadzone oliczenia z uwzględnieniem ego faku. Rozpaywany ędzie ilnik indukcyjny głęokoŝłokowy z pookąnym pzekojem pęa klaki. Upozczenie opiu ozkładu pola elekomagneycznego i ozkładu gęości pądu w pzekoju pęa moŝliwe je popzez podział pęa wzdłuŝ jego wyokości na pzewody elemenane. Tanfomując układ ównań opiujących nieualony an elekomechaniczny ilnika ze wpółzędnych naualnych do układu dwufazowego wiującego z pędkością ω x ozymujemy [4]: d U = Ψ + ΩΨ + R I (6) Ψ = LI (7) T gdzie: U = [,,...,, U,, ] T (1), I (),..., I ( n), ] I = [ I I T (1), Ψ (),..., Ψ ( n), ] Ψ = [ Ψ Ψ, ( ω ω ), j( ω ω ),..., j( ω ω ), jω ] Ω = diag[j x x x x, R, L macieze ezyancji, indukcyjności [4]. Indek doyczy ojana, indek winika. Równanie momenów ma poać: ( jψ I ) T ( ω) J 1 dω = p Re p +, (8) a ównanie kąa pzemiezczenia winika: dϑ = ω x ω (9) Po wyznaczeniu wekoa I z układu ównań (6), (7), (8), (9) moŝna oliczyć zeczywie pzeiegi pądów płynących w uzwojeniach ilnika [4]. Ich znajomość pozwoli na oliczenie enegii wydzielanej w uzwojeniach w czaie ozuchu. 5. Okeślenie enegii wydzielonej w uzwojeniach ilnika Enegia wydzielona w uzwojeniach ojana: R = 3 R i ( ) (1)

3 Zezyy Polemowe Mazyny Elekyczne N 81/9 19 R ezyancja fazowa uzwojenia ojana, i pąd ojana. Enegia wydzielona we wzykich pęach klaki winika: R = N R i ( ) (11) R ezyancja pęa klaki, i pąd pęa klaki. Enegia pęa wydzielona w wawie i: R = R n i ( ) (1) (i) i (i) pąd w i-ej wawie pęa, n ilość pzewodów elemenanych w pęcie. Całkowia enegia wydzielona w uzwojeniu winika ilnika w czaie ozuchu: = + e (13) gdzie e enegia w pieścieniach zwieających. PowyŜze zaleŝności na enegię wydzielaną w pozczególnych uzwojeniach i ich elemenach ą łuzne pzy pominięciu wpływu empeauy na ezyancję uzwojenia. 6. yniki oliczeń pakyce ione naaŝenia ilnika w czaie ozuchu mają miejce, gdy: w układzie napędowym wyępuje jedynie duŝy momen ezwładności (momen ociąŝenia nie ma ionego wpływu na pzeieg ozuchu), w układzie napędowym wyępuje duŝy momen ezwładności oaz duŝy momen ociąŝenia, naępuje póa ozuchu z awayjnie zalokowanym winikiem. Oliczenie enegii wydzielonej w uzwojeniach ilnika dla powyŝzych pzypadków doyczą ilnika indukcyjnego głęokoŝłokowego o danych: P N =3 k, U N =6 V pzy połączeniu w gwiazdę, p=3. Zaówno pęy klaki jak i pieścienie zwieające wykonane ą z miedzi. ymiay pęa klaki: =.5 m, h=,6 m. śłoek ojana pookąny oway. Uzwojenie ojana dwuwawowe o liczie zwojów na fazę z =4. Licza Ŝłoków ojana N =7, licza Ŝłoków winika N =58. Idealna długość ilnika l i =,56 m. Oznaczając pzez całkowią enegię wydzieloną w uzwojeniach winika w czaie ozuchu w układzie łagodnego ozuchu oaz pzez -pzy ozuchu ezpośednim, w pzypadku ozuchu ez momenu ociąŝenia, ozymujemy: (i) T = =,97 Podonie, dla uzwojenia ojana: T = =,97 oaz dla ou uzwojeń ilnika: T = =,971 idać, Ŝe zgodnie z (5) w pzypadku ozuchu ez momenu ociąŝenia enegia całkowia wydzielona w uzwojeniach ilnika nie zaleŝy od poou ozuchu. NaleŜy ię więc podziewać podonych waości empeauy uzwojeń. RóŜnice ędą wynikać z waunków wymiany ciepła zmienionych óŝnymi czaami ozuchów. pzypadku ozuch z momenem ociąŝenia mamy: T = 1,677; = 1,571 T = 1,64 T Tuaj enegia wydzielona w uzwojeniach winika ilnika w czaie ozuchu w układzie łagodnego ozuchu je znacznie więkza (o około 68 %) niŝ w czaie ozuchu ezpośedniego. pzypadku póy ozuchu z awayjnie zalokowanym winikiem mamy: =,58; =,583 Blok Blok =,58 Blok Enegia wydzielona w uzwojeniach ilnika pzy póie ozuchu z zalokowanym winikiem je znacznie mniejza ( o około 4 %), gdy a póa odywa ię w układzie łagodnego ozuchu. yniki oliczeń enegii wydzielonej w pozczególnych pzewodach elemenanych pęa klaki pzedawia yunek dla pzypadku ozuchu z momenem ociąŝenia (u góy) i ez momenu ociąŝenia (u dołu), gdzie wyniki dla ozuchu w układzie łagodnego ozuchu, wyniki dla ozuchu ezpośedniego.

4 Zezyy Polemowe Mazyny Elekyczne N 81/9 Ry.. Enegia wydzielona w pozczególnych pzewodach elemenanych pęa klaki pzy ozuchu z momenem ociąŝenia (u góy) i ez momenu ociąŝenia, ozuch ezpośedni, ozuch w układzie łagodnego ozuchu Z yunku wynika, Ŝe pzy ozuchu ez momenu ociąŝenia poó ozuchu nie ma pakycznie wpływu ani na ilość wydzielonej w winiku enegii, ani na jej ozkład w pęcie uzwojenia klakowego. ou pzypadkach ozuchu najwięcej enegii wydzieli ię w gónych wawach pęa. Jednak w pzypadku ozuchu w układzie łagodnego ozuchu z momenem ociąŝenia wydzieli ię ej enegii znacznie więcej niŝ pzy ozuchu ezpośednim, a óŝnice enegii ą ounkowo duŝe, zczególnie w gónych wawach pęa. MoŜe o yć pzyczyną nadmienego wzou empeauy ych miejc i powania zkodliwych napęŝeń mechanicznych mogących yć pzyczyną uzkodzenia uzwojenia klakowego. yniki oliczeń enegii wydzielonej w pozczególnych pzewodach elemenanych pęa klaki dla póy ozuchu z awayjnie zalokowanym winikiem pzedawia yunek 3. Tuaj, odwonie niŝ popzednio, w gónych wawach pęa wydzieli ię mniej enegii pzy póie ozuchu w układzie łagodnego ozuchu, gdyŝ począkowe napięcie zailania ilnika je znacznie mniejze i w uzwojeniach płyną pądy o mniejzym naęŝeniu. Ry. 3. Enegia wydzielona w pozczególnych pzewodach elemenanych pęa klaki pzy póie ozuchu z awayjnie zalokowanym winikiem, ozuch ezpośedni, ozuch w układzie łagodnego ozuchu Pzepowadzenie pomiaów empeauy uzwojenia klakowego w czaie ozuchu ilnika duŝej mocy nie je moŝliwe w waunkach laoaoyjnych. laego, w celu powiedzenia jakościowego (a nie ilościowego) chaakeu wyników oliczeń, wykonano laoaoyjne adania ozuchu ilnika indukcyjnego jednoklakowego małej mocy. Pzedmioem adań ył ilnik Typ g11m4 o mocy 4 k i pędkości /min. Rozuch ezpośedni pzepowadzono popzez załączenie ilnika ezpośednio do ieci zailającej mieząc empeauę pęa klaki. Rozuch łagodny pzepowadzono zailając ilnik z układu łagodnego ozuchu ELVOTART AO 4/4. ilnik ociąŝony ył pądnicą pądu ałego, kóej enegia pzekazywana je popzez falownik do ieci zailającej ilnik. Na wale pądnicy zamocowano dodakowy momen ezwładności J=89 J N, gdzie J N - naualny momen ezwładności ilnika. o pomiau momenu zaoowano czujnik momenu Mi 1 wpółpacujący z mienikiem momenu ALFA 16 fimy ENOR AT. Tempeauę pęa klaki winika miezono pzy pomocy emoelemenu CuKo zagniecionego w maeiale pęa w efie pakieowej klaki w pzyzczelinowej części Ŝłoka. Miezone ygnały ejeowano kaą pomiaową AX51 fimy AXIOM wpółpacującą z opogamowaniem NOTEBOOK PRO fimy LABTECH. Rozuch ezpośedni pzepowadzono popzez załączenie ilnika ezpośednio do ieci zailającej mieząc pąd ojana, momen, pędkość i empeauę pęa klaki. Rozuch łagodny pzepowadzono zailając

5 Zezyy Polemowe Mazyny Elekyczne N 81/9 1 ilnik z układu łagodnego ozuchu ELVOTART AO 4/4. Na yunku 4 pzedawiono zmiezony pzeieg pądu ojana ilnika w czaie ozuchu ezpośedniego (u góy), łagodnego (u dołu) idać, Ŝe popzez zaoowanie układu łagodnego ozuchu znacznie oganicza ię niekozyne działanie pądu ozuchowego na ieć zailającą oaz zmniejza naaŝenia mazyny związane z elekodynamicznym oddziaływaniem pądu w uzwojeniach. yniki pomiaów pzedawionych na yunku 5 wykazują, Ŝe zaoowanie ozuchu łagodnego znacząco oganicza uday momenu na począku ozuchu, kóe mogą yć zkodliwe dla układu napędowego. Pakycznie nie pogaza ię pzeciąŝalność ilnika. ochodzi jednak do znacznego zmniejzenia począkowego momenu ozuchowego, co znacząco wydłuŝa cza ozuchu w poównaniu do ozuchu ezpośedniego. Ry. 4. Zmiezony pzeieg pądu ojana podcza ozuchu adanego ilnika: ozuch ezpośedni (u góy), ozuch w układzie łagodnego ozuchu (u dołu) Ry. 6. Oliczony na podawie zmiezonej pędkości pzeieg częoliwości pądu winika w czaie ozuchu adanego ilnika ( ozuch ezpośedni, ozuch w układzie łagodnego ozuchu) Z yunku 6 wynika, Ŝe w czaie ozuchu w układzie łagodnego ozuchu pzez długi oke ozuchu uzymuje ię w winiku duŝa waość częoliwości (wolno naaa pędkość w poównaniu z ozuchem ezpośednim) i pąd pęa mui yć ilnie wypieany do gónych waw co powadzi do ich ilnego nagzania. efekcie pole empeauy w pzekoju pęa klaki ędzie u adziej nieównomiene. yąpią więkze odkzałcenia i napęŝenia. Ry. 5. Zmiezony pzeieg momenu w czaie ozuchu adanego ilnika: ozuch ezpośedni (u góy), ozuch w układzie łagodnego ozuchu (u dołu) Ry. 7. Zmiezona empeaua pęa klaki winika w czaie ozuchu adanego ilnika ( ozuch ezpośedni, ozuch w układzie łagodnego ozuchu)

6 Zezyy Polemowe Mazyny Elekyczne N 81/9 Na yunku 7 pzedawiono nagzewanie pęa klaki ilnika w czaie pooów ozuchu. iękza empeaua pęów klaki ilnika wyępuje w układzie łagodnego ozuchu. pzypadku ilników duŝej mocy óŝnice empeauy ędą znacznie więkze zwłazcza dla pzyzczelinowych waw pęa, gdyŝ wkuek ilnego wypieania pądu wydzieli ię am najwięcej enegii. 7. nioki o oliczenia enegii wydzielanej w uzwojeniach ilnika w czaie ozuchu w układzie łagodnego ozuchu uwzględniono ylko podawową hamoniczną napięcia. Zaoowanie układu łagodnego ozuchu znacznie zmniejza naaŝenie mazyny związane z elekodynamicznym oddziaływaniem pądu ozuchowego. NaleŜy jednak podkeślić, Ŝe podcza ozuchu ze aycznym momenem ociąŝenia w układzie łagodnego ozuchu w klakowym uzwojeniu winika wydzieli ię znacznie więcej enegii niŝ podcza ozuchu ezpośedniego (empeaua pęa klaki ędzie znacznie wyŝza). Układ łagodnego ozuchu nie powoduje więc zmniejzenia efeków emicznych zachodzących w ilniku podcza ozuchu z momenem ociąŝenia, kóe mają decydujący wpływ na wałość klaki ilnika. TakŜe w czaie ozuchu ez momenu ociąŝenia układ łagodnego ozuchu nie choni ilnika pzed naaŝeniami emicznymi, gdyŝ wkuek wydzielenia ię w winiku akiej amej ilości enegii empeaua uzwojenia klaki je pawie aka jak podcza ozuchu ezpośedniego. Gdy ozuch nie je moŝliwy wkuek zalokowania winika, ilość enegii w winiku zaleŝy od napięcia zailania, kóe w układzie łagodnego ozuchu je na począku ozuchu znacznie mniejze niŝ pzy ozuchu ezpośednim. Oznacza o, Ŝe w uzwojeniu winika ilnika z zalokowanym winikiem, zailanego w układzie łagodnego ozuchu, wydzieli ię w ym amym czaie mniej ciepła. Zaoowanie układu łagodnego ozuchu je oganiczone znacznym zmniejzeniem począkowego momenu ozuchowego. wypadku napędów z duŝymi momenami ezwładności dochodzi do znacznego wydłuŝenia czau ozuchu. Ione znaczenie ma więc oowanie konukcji klaek winików zapewniających duŝy począkowy momen ozuchowy ilników dwuklakowych i głęoko- Ŝłokowych, gdzie zjawika dylaacji emicznych ą zczególnie goźne. ilniki pacujące w układzie łagodnego ozuchu muzą yć ak pojekowane, ay yły odpone na emiczne działania pądów ozuchowych nie mniej niŝ ilniki pzeznaczone do ezpośedniego ozuchu [, 3]. Uzykane ezulay wkazują na zczególną pozeę analizy zaoewowanych zjawik w odnieieniu do ilników więkzej mocy w waunkach długowałego ozuchu powadzonego óŝnymi meodami gdzie efeky emiczne owazyzące ozuchowi mają duŝe znaczenie. 8. Lieaua [1]. Chan C.C., Lieong Yan, Pizhang Chen, Zezong ang, Chau K. T.: Analyi of elecomagneic and hemal field fo inducion moo duing aing. IEEE Tanacion on Enegy Conveion, EC-9(1), 1994, []. Móz J.: Temiczne uwaunkowania nowoczenych meod ozuchu ilników indukcyjnych klakowych. Zezyy Polemowe Mazyny Elekyczne, BOBRME KOMEL, n 61,, [3]. Móz J., Ru R., cha R.: pływ óŝnych pooów ozuchu ilnika indukcyjnego na waunki pacy uzwojenia klakowego. Pzegląd Elekoechniczny, n 5,, [4]. Pazek.: any nieualone mazyn elekycznych pądu pzemiennego. NT, azawa [5]. Piechoa P.: OFTTARTY układy łagodnego ozuchu dla aynchonicznych ilników klakowych AC cz. II. Napędy i eowanie, n 1,, [6]. Ru R.: an napęŝeń i pzemiezczeń głęokoŝłokowego pookąnego pęa uzwojenia winika indukcyjnego ilnika klakowego wywołany działaniem cieplnym kładowej ualonej pądu zwacia. Achiwum Elekoechniki, z. 1-4, 1989, [7]. Tunia H., iniaki B.: Enegoelekonika. NT, azawa Auo d inŝ. Jan Móz jamoz@pz.zezow.pl Poliechnika Rzezowka, ydział Elekoechniki i Infomayki, Kaeda Elekodynamiki i Układów Elekomazynowych