MINIMALIZACJA PULSACJI PRĘDKOŚCI PODCZAS SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 59 Politechniki Wrocławskiej Nr 59 Studia i Materiały Nr maszyny elektryczne, silniki synchroniczne dwubiegowe, synchronizacja, obliczenia polowo-obwodowe Paweł ZALASF F, Jan ZAWILAK * MINIMALIZACJA PULSACJI PRĘDKOŚCI PODCZAS SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH W pracy wykazano możliwości skrócenia czasu procesu synchronizacji oraz łagodzenia przebiegów dynamicznych po osiągnięciu przez silnik prędkości synchronicznej dla wybranego modelu dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/20t. Zaproponowano układy regulacji prądu wzbudzenia sterowane w funkcji wartości chwilowej prędkości obrotowej silnika. Zamieszczono wyniki obliczeń procesu synchronizacji, w których wartość prądu wzbudzenia była sterowana przez okresową zmianę napięcia wzbudzenia, okresową zmianę polaryzacji napięcia, zastosowanie zamkniętego układu regulacji. Zbadano wpływ przyjętych układów regulacji prądu magneśnicy na przebiegi tego procesu. Wykorzystując polowo-obwodowego model badanego silnika dwubiegowego wykonano obliczenia dla wybranej metody regulacji prądu wzbudzenia. Wyniki obliczeń zamieszczono w postaci wykresów czasowych. 1. WSTĘP Układy napędowe wentylatorów głównego przewietrzania stanowią grupę największych odbiorców energii elektrycznej kopalni głębinowych. W napędach tych stosowane są powszechnie silniki synchroniczne dużej mocy. Proces synchronizacji tych silników ma istotny wpływ na bezawaryjny przebieg eksploatacji układu napędowego [6]. W celu zwiększenia skuteczności tego procesu stosuje się powszechnie forsowanie prądu wzbudzenia, często powyżej 1,5I wn. Pozwala to na zwiększenie wartości momentu synchronizującego, ale wywołuje również przeciążenia układu mechanicznego [14]. Przypadkowa chwila rozpoczęcia procesu oraz duża wartość napięcia wzbudzenia powodują powstanie zmiennego momentu elektromagnetycznego o zna- Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław, HUpaweł.zalas@pwr.wroc.plUH, HUjan.zawilak@pwr.wroc.plUH.

2 czącej amplitudzie oraz wywołuje pulsacje prędkości obrotowej. Wzajemne położenie osi pola stojana względem osi pola wirnika, w chwili inicjacji procesu synchronizacji, ma istotny wpływ na przebiegi dynamiczne [17]. Wybór korzystnej chwili załączenia napięcia wzbudzenia, pozwalającej na łagodzenie stanów przejściowych i zwiększenie pewności synchronizacji, jest uzależniony od wartości momentu obciążenia silnika, momentu bezwładności układu napędowego oraz od wartości stałej czasowej obwodu wzbudzenia [17]. Inną metodą zwiększenia skuteczności procesu może być zastosowanie sterowania wartością prądu wzbudzenia w celu zminimalizowania niekorzystnego wpływu momentu hamującego [15,16]. Duża wartość wypadkowego momentu bezwładności układu napędowego oraz stała, znamionowa wartość prądu wzbudzenia powodują, że proces synchronizacji nie kończy się z chwilą osiągnięcia przez silnik prędkości synchronicznej. Sprężyste, wzajemne oddziaływanie momentu synchronicznego i momentu mechanicznego oraz momentu bezwładności powodują znaczące oscylacje prędkości wokół wartości ustalonej. Wywołuje to znaczące pulsacje momentu elektromagnetycznego i kilkukrotne wydłużenie czasu procesu. Ma to niekorzystny wpływ na układ napędowy i może powodować przedwczesne zużycie łożysk. Celem pracy jest wykazanie możliwości minimalizowania pulsacji prędkości obrotowej podczas procesu synchronizacji na przykładzie dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/20t. Zaproponowano układy regulacji prądu wzbudzenia sterowane w funkcji wartości chwilowej prędkości obrotowej silnika, pozwalające na skrócenie czasu procesu synchronizacji oraz łagodzenie przebiegów dynamicznych. 2. OBLICZENIA OBWODOWE PROCESU SYNCHRONIZACJI W celu zbadania wpływu układu regulacji prądu wzbudzenia na przebieg procesu synchronizacji wykonano obliczenia wykorzystując opracowany obwodowy model dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/20t na większej prędkości obrotowej. Zastosowanie modelu obwodowego pozwala na znaczne skrócenie czasu obliczeń oraz umożliwia analizę przyjętych metod regulacji prądu wzbudzenia i ich wpływu na przebieg procesu synchronizacji [7]. Pozwala również na dobranie najkorzystniejszych parametrów algorytmu sterowania napięciem wzbudzenia oraz wykonanie rozbudowanych układów zamkniętej regulacji. Podstawowe parametry badanego silnika zestawiono w tabeli 1. Silniki takie pracują w napędach wentylatorów głównych typu WPK 5,3 kopalni podziemnych i charakteryzują się bardzo dużymi momentami bezwładności. W tabeli 2 zestawiono podstawowe parametry wentylatora. Do obliczeń badanego silnika wykorzystano komercyjny program Simplorer, w którym silnik synchroniczny opisany jest we współrzędnych d-q [5]. Parametry do modelu matematycznego badanego silnika wyznaczono na podstawie ogólnie znanych

3 wzorów. Ze względu na niekonwencjonalny rozkład zezwojów w pasmach fazowych uzwojenia dwubiegowego (o zmienianych liczbach biegunów pola magnetycznego) [18], indukcyjności rozproszenia oraz reaktancji oddziaływania twornika wyznaczono obliczeniami polowymi wykorzystując komercyjny program Quick-Field. Tabela 1. Dane znamionowe dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/20t. Table 1. Rating of two-speed synchronous motor type GAe 1716/20t moc znamionowa kw napięcie stojana V prąd stojana A napięcie wzbudzenia V prąd wzbudzenia A prędkość obrotowa obr/min współczynnik mocy - 0,9 poj. 0,77 ind. sprawność % 95,5 81,0 Tabela 2. Nominalne parametry wentylatora typu WPK 5,3 Table. 2. Rated performance parameters for fan type WPK 5,3 wydajność nominalna m 3 /s 366,6/458,3 sprawność maksymalna - 0,885 masa kg bezwładność kgm Na rysunkach 1-7 pokazano obliczone przebiegi czasowe prądu stojana I s, wartości chwilowej kąta δ, prądu wzbudzenia I w, napięcia U w na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego oraz prędkości obrotowej podczas synchronizacji mniejszej liczby biegunów 2p=16 badanego silnika dwubiegowego dla różnych sposobów regulacji napięcia i prądu wzbudzenia. W obliczeniach tych przyjęto moment obciążenia 0,5M n a proces synchronizacji został zainicjowany dla wartości kąta δ=(-45) stopni, gdzie δ jest kątem między osią przepływu stojana a osią przepływu wirnika. W obliczeniach uwzględniono wypadkową wartość momentu bezwładności układu napędowego wentylatora J z kgm 2. Na rysunku 1 pokazano wyniki obliczeń odpowiednich wielkości podczas synchronizacji badanego silnika dla znamionowej, stałej wartości napięcia wzbudzenia. Widoczne na rysunku 1a pulsacje prądu I w są wynikiem oddziaływania składowej przemiennej napięcia indukowanego w uzwojeniu magneśnicy podczas zmian prędkości obrotowej i kąta δ. Znamionowa wartość prądu wzbudzenia pozwala na skuteczną synchronizację silnika, lecz jest powodem dużych pulsacji prędkości i momentu elektromagnetycznego (rys.1b). Ma to niekorzystny wpływ na przebieg eksploatacji ukła-

4 du napędowego wywołując przeciążenia mechaniczne na wale maszyny roboczej oraz powodując powstanie sił dynamicznych w uzwojeniach stojana. W wyniku dużej nadwyżki momentu elektromagnetycznego nad momentem obciążenia kąt δ osiąga wartości ujemne (rys.1a). Powoduje to powstanie momentu hamującego, który zwiększa pulsacje momentu elektromagnetycznego oraz pulsacje prędkości obrotowej. Czas ustalenia się przebiegów dynamicznych wynosi blisko 7 sekund. I s [A], k=10 I w [A], k=2 U w [V], k=1 Kąt δ [deg], k=1 [obr/min] [knm] n [obr/min], k= 1 M [knm ], k= 1 Rys. 1. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika dla stałej wartości napięcia wzbudzenia równego U wn Fig. 1. Time curves values during synchronization process of the motor for constant value of an excitation voltage U wn Jedną z metod regulacji prądu wzbudzenia, podczas procesu synchronizacji, może być sterowanie wartością napięcia wzbudzenia realizowane przez zmianę kąta wyste-

5 rowania tyrystorów prostownika wzbudnicy silnika. Na rysunku 2 pokazano wyniki obliczeń odpowiednich wielkości podczas synchronizacji badanego silnika z układem regulacji prądu wzbudzenia przez zmianę napięcia stałego. I s [A], k=10 I w [A], k=2 U w [V], k=1 Kąt δ [deg], k=1 [obr/min] [knm] n [obr/min], k= 1 M [knm ], k= 1 Rys. 2. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika dla określonej zmiany wartości napięcia wzbudzenia Fig. 2. Time curves values during synchronization process of the motor for particular change value of an excitation voltage W wykonanych obliczeniach regulacja prądu wzbudzenia odbywała się w funkcji wartości chwilowej prędkości obrotowej silnika. Po osiągnięciu przez silnik prędkości synchronicznej następowała zmiana kąta wysterowania tyrystorów wzbudnicy w celu uzyskania minimalnej wartości napięcia wyprostowanego (rys.2a). Ponowna zmiana

6 wartości napięcia wzbudzenia następowała, gdy prędkość silnika uległa zmniejszeniu poniżej synchronicznej (rys.2b). Opisany sposób regulacji prądu znacznie skraca czas ustalenia się prędkości oraz zmniejsza amplitudę zmian momentu elektromagnetycznego. Istotnie zmniejszają się również pulsacje wartości chwilowej kąta δ, co skraca czas trwania procesu synchronizacji. I s [A], k=10 I w [A], k=2 U w [V], k=1 Kąt δ [deg], k=1 [obr/min] [knm] n [obr/min], k= 1 M [knm ], k= 1 Rys. 3. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika dla określonej zmiany wartości napięcia wzbudzenia. Fig. 3. Time curves values during synchronization process of the motor for particular change value of an excitation voltage Wykorzystując opracowany model obwodowy silnika dwubiegowego dla większej prędkości obrotowej wykonano obliczenia procesu synchronizacji z zastosowaniem

7 rozbudowanego algorytmu sterowania prądem wzbudzenia. Na rysunku 3 pokazano wyniki obliczeń procesu synchronizacji dla tego przypadku. Zastosowane dwukrotne powtórzenia algorytmu sterowania prądem wzbudzenia przez zmianę kąta wysterowania tyrystorów prostownika wzbudnicy silnika w funkcji prędkości obrotowej pozwala na znaczące zmniejszenie pulsacji prędkości oraz momentu elektromagnetycznego (rys.3b). Czas trwania procesu wynosi blisko 5 sekund. Obliczenia wykazały, że rozbudowa algorytmu sterowania prądem wzbudzenia przez wielokrotne impulsowanie napięcia wzbudzenia w funkcji prędkości obrotowej silnika nie wpłynęła znacząco na skrócenie czasu procesu oraz zwiększenie tłumienia pulsacji prędkości i momentu silnika. Zwiększenie szybkości działania opisanego układu regulacji prądu wzbudzenia można uzyskać przez zastosowanie łącznika tranzystorowego pracującego w układzie H [1,8,9,10,11]. Pozwala to na określoną zmianę polaryzacji napięcia zasilającego obwód wzbudzenia, w chwili osiągnięcia przez silnik prędkości nadsynchronicznej, oraz ponowną zmianę polaryzacji w chwili, gdy prędkość silnika zmniejsza się poniżej synchronicznej. Na rysunku 4 pokazano wyniki obliczeń przebiegów czasowych odpowiednich wielkości podczas synchronizacji badanego silnika z zastosowaniem rozbudowanego algorytmu sterowania prądu wzbudzenia oraz układu zmiany polaryzacji napięcia U w. I s [A], k=10 I w [A], k=2 U w [V], k=1 Kąt δ [deg], k=1

8 [obr/min] [knm] n [obr/min], k= 1 M [knm ], k= 1 Rys. 4. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika dla określonej zmiany polaryzacji napięcia wzbudzenia. Fig. 4. Time curves values during synchronization process of the motor for particular change polarization of an excitation voltage Określona zmiana polaryzacji napięcia wzbudzenia zwiększa stromość zmian przebiegu prądu magneśnicy, co pozwala zminimalizować wahania prędkości oraz momentu elektromagnetycznego po osiągnięciu przez silnik prędkości synchronicznej (rys.4). Duża dynamika układu sterowania powoduje jednak, że kąt δ utrzymywany jest na większej wartości niż wynika to z równowagi momentu mechanicznego i elektromagnetycznego (rys. 4a). Powoduje to powstanie pulsacji momentu silnika oraz prędkości obrotowej po wyłączeniu układu regulacji prądu wzbudzenia (rys. 4b). Zwiększenie dynamiki sterowania prądem wzbudzenia utrudnia łagodzenie przebiegów dynamicznych podczas procesu synchronizacji. Sterowanie prądem magneśnicy przez wielokrotną zmianę polaryzacji napięcia wzbudzenia pozwala na stabilizację prędkości obrotowej wirnika, lecz utrudnia ustalenie się położenia osi pola stojana względem osi pola wirnika. W wyniku tego czas trwania procesu ulega wydłużeniu. Bardziej zaawansowaną metodą sterowania wartością prądu wzbudzenia, mającą na celu łagodzenie przebiegu procesu synchronizacji po osiągnięciu przez silnik prędkości synchronicznej, jest zastosowanie zamkniętego układu regulacji. Jednym z rozwiązań jest układ z szeregowym połączeniem regulatorów typu P i PI [2,3,12]. Schemat blokowy zawierający strukturę takiego układu pokazano na rysunku 5, gdzie: n 0 wartość prędkości synchronicznej, n 1 chwilowa wartość prędkości obrotowej, u s sygnał sterujący wartością napięcia na wyjściu wzbudnicy statycznej, u f napięcie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, i fs wartość prądu sterującego,

9 i fz zadana wartość prądu wzbudzenia, i f mierzona wartość chwilowa prądu magneśnicy. n n 1 P ifz ifs + + PI u s - - if uf Rys. 5. Schemat zamkniętego układu regulacji prądu wzbudzenia Fig. 5. Diagram of close loop-excitation of the control system Pokazany układ regulacji prądu wzbudzenia ma strukturę hierarchiczną, w której nadrzędnym jest człon stabilizacji prędkości obrotowej [4]. Układ pracuje z dwoma pętlami zwrotnymi: od prędkości obrotowej n 1 oraz od prądu wzbudzenia i f. Załączenie układu następuje w chwili, gdy prędkość obrotowa silnika przekroczy o 0,25% prędkość synchroniczną (odpowiednio 301 lub 376 obr/min). Zapewnia to wymaganą w regulatorze pętlę histerezy i zapobiega zbyt wczesnemu zmniejszeniu prądu wzbudzenia, co mogłoby spowodować wypadnięcie silnika z synchronizmu. Przed osiągnięciem wymaganej prędkości sterowanie wartością napięcia wzbudzenia odbywa się z wykorzystaniem układu zmiany polaryzacji, zwanym układem H [15] lub jest załączona znamionowa wartość napięcia stałego. Zaproponowany układ sterowania składa się z dwóch regulatorów: odpowiednio P oraz PI. Na wejście regulatora P podawana jest jako sygnał różnica prędkości synchronicznej, odpowiedniej dla danej prędkości silnika dwubiegowego, oraz prędkości chwilowej silnika. Sygnałem wyjściowym z regulatora P jest wartość prądu sterującego i fs. Wartość ta podawana jest na sumator, do którego jest wprowadzana zadana wartość prądu wzbudzenia i fz oraz wartość chwilowa prądu mierzonego w uzwojeniu wzbudzenia silnika, stanowiąca ujemną pętlę zwrotną prądu. Z sumatora sygnał sterujący podawany jest do regulatora typu PI, którego zadaniem jest stopniowe doregulowanie wartości prądu wzbudzenia do wartości ustalonej, zależnej od wymaganego współczynnika mocy cos φ. Na wyjściu regulatora PI znajduje się ograniczenie, które pozwala na regulacje napięcia wzbudzenia tylko w zakresie od 0V do wartości znamionowej, zależnej od parametrów wzbudnicy statycznej zastosowanej w obwodzie wzbudzenia modelu rzeczywistego badanego silnika. W symulacjach wartość ta została ograniczona do 85,76V. Pozwala na uzyskanie prądu wzbudzenia o wartości 337A, co stanowi wartość znamionową prądu wzbudzenia badanego silnika dwubiegowego na większej prędkości obrotowej. Wzmocnienie regulatorów zostało dobrane doświadczalnie ze względu na uzyskanie odpowiedniej dyna-

10 miki sterowania, łagodzenie przebiegów dynamicznych i skrócenie czasu procesu synchronizacji. Kryterium przy doborze nastaw było minimalizowanie udarów momentu elektromagnetycznego oraz pulsacji prędkości obrotowej i przebiegu wartości chwilowej kąta δ oraz skrócenie czasu trwania procesu i łagodne ustalenie się prądu wzbudzenia na wymaganej wartości w zależności od oczekiwanej wartości współczynnika mocy cosφ. Kryterium doboru nastaw regulatorów było również zminimalizowanie w najkrótszym czasie pulsacji prędkości silnika, ale nie powodując przy tym znaczących pulsacji przebiegu momentu silnika. Jako zadanie drugorzędne było dobranie tak nastaw regulatora proporcjonalnego, aby wartość prądu wzbudzenia w stanie ustalonym synchronicznym zapewniła uzyskanie wymaganej wartości współczynnika mocy cos φ. Duża wartość wzmocnienia regulatora P powoduje zwiększenie pulsacji momentu elektromagnetycznego oraz utrudnia ustalenie się przebiegu kąta mocy na wartości wynikającej z równoważni momentów. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że najkorzystniejsze są nastawy K R =250 regulatora typu P oraz K R =20 i T I =1 regulatora typu PI. Zapewniają one złagodzenie przebiegów dynamicznych przy jednoczesnym skróceniu czasu procesu. Jednak ustalenie się wymaganej wartości prądu wzbudzenia po zakończeniu procesu synchronizacji trwa długo. Uniemożliwia to zwiększenie momentu obciążenia w krótkim czasie po zakończeniu procesu synchronizacji. Na rysunku 6 pokazano wyniki obliczeń odpowiednich wielkości podczas synchronizacji badanego silnika z zastosowaniem zamkniętego układu regulacji prądu wzbudzenia dla przyjętych najkorzystniejszych nastaw regulatorów typu P i PI. Proces został rozpoczęty dla wartości kąta δ równej (-45) stopni, momentu obciążenia 0,5M n i znamionowej wartości napięcia zasilania silnika. W obliczeniach uwzględniono wypadkową wartość momentu bezwładności układu napędowego wentylatora J z kgm 2. I s [A], k=10 I w [A], k=2 U w [V], k=1 Kąt δ [deg], k=1

11 [obr/min] [knm] n [obr/min], k= 1 M [knm ], k= 1 Rys. 6. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika dla wzbudnicy z zamkniętym układem regulacji prądu Fig. 6. Time curves values during synchronization process of the motor for exciter with close loop-excitation current of the control system Zastosowanie zamkniętego układu regulacji pozwoliło skrócić czas procesu synchronizacji silnika w stosunku do sterowania okresowym wyłączeniem napięcia wzbudzenia (rys. 2). Znacznie zmniejszono pulsacje momentu elektromagnetycznego ograniczając je do wartości dodatnich (rys. 6b). W przebiegu czasowym prędkości wirnika praktycznie nie występują oscylacje a prędkość synchroniczna ustala się po upływie ok. 4 sekund od chwili rozpoczęcia procesu (rys. 6b) Przyjęte w obliczeniach ograniczenie napięcia na wyjściu regulatora PI zapewnia regulację prądu wzbudzenia w zakresie od 0 do wartości znamionowej. Pozwala to na uzyskanie wystarczającej szybkości układu regulacji bez konieczności zastosowania układu zmiany polaryzacji napięcia stałego. 3. OBLICZENIA POLOWO-OBWODOWE PROCESU SYNCHRONIZACJI W celu wyznaczenia możliwości minimalizacji pulsacji prędkości podczas procesu synchronizacji dwubiegowego silnika synchronicznego dla obu prędkości synchronicznych wykonano odpowiednie obliczenia z wykorzystaniem opracowanego modelu polowo-obwodowego [13]. Model obliczeniowy został zweryfikowany na podstawie pomiarów badanego silnika. Porównanie wielkości obliczonych i pomierzonych pozwoliło stwierdzić, że opracowany model polowo-obwodowy dwubiegowego silnika typu GAe 1716/20t jest poprawny [13]. W wykonanych obliczeniach przyjęto znamionową wartość napięcia zasilania silnika oraz znamionową wartość prądu wzbu-

12 dzenia, odpowiednio dla obu prędkości obrotowych silnika. Moment obciążenia został przyjęty jako 0,4M n dla poszczególnych konfiguracji połączeń uzwojeń silnika oraz uwzględniono wypadkową wartość momentu bezwładności układu napędowego wentylatora J z kgm 2. Na rysunku 7 i 9 pokazano obliczone przebiegi prądu fazy A twornika I s, prądu wzbudzenia I w oraz napięcia U w na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej podczas synchronizacji rozpoczętej dla wartości kąta δ bliskiej 0 stopni i regulacji prądu wzbudzenia po osiągnięciu przez silnik prędkości synchronicznej. Sterowanie prądem wzbudzenia było realizowane prze okresową zmianę wartości napicia wzbudzenia [16]. Dla porównania na rysunkach 8 i 10 pokazano obliczone przebiegi prądu fazy A twornika I s, prądu wzbudzenia I w oraz napięcia U w na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej podczas synchronizacji rozpoczętej dla wartości kąta δ bliskiej 0 stopni i forsowania prądu wzbudzenia 2,5I wn. [obr/min] Rys. 7. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika i sterowania wartością prądu wzbudzenia, p=10 Fig. 7. Time curves values during synchronization process of the motor with a control of excitation current value, p=10 I s I [A], s [A], k=1 k=1 I w I w [A], [A], k=1 UU w[v], k=1 M [Nm], k=200 k=0.005 N N [obr/min], k=1 t [s]

13 [obr/min] Rys. 8. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika i prądu wzbudzenia o wartości 2,5I wn, p=10 Fig. 8. Time curves values during synchronization process of the motor for excitation current value 2,5I wn, p=10 I s [A], k=1 I s [A], k=1 I w I [A], w [A], k=1 k=1 UU w[v], w[v], k=1 k=1 M [Nm], k=200 k=0.005 N N [obr/min], k=1 t [s] [obr/min] I s [A], k=2 s [A], k=0.5 I w [A], k=1 I w [A], k=1 U w[v], k=1 w[v], k=1 M [Nm], [Nm], k=0.005 k=200 N [obr/min], k=1 k=1 Rys. 9. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika i sterowania wartością prądu wzbudzenia, p=8 Fig. 9. Time curves values during synchronization process of the motor with a control of excitation current value, p=8 t [s]

14 [obr/min] Rys. 10. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika i prądu wzbudzenia o wartości 2,5I wn, p=8 Fig. 10. Time curves values during synchronization process of the motor for excitation current value 2,5I wn, p=8 I s [A], k=2 s [A], k=0.5 I w [A], k=1 k=1 U w[v], k=1 M [Nm], k=0.005 k=200 N [obr/min], k=1 Forsowanie prądu wzbudzenia zapewnia zwiększenie skuteczności procesu synchronizacji, ale powoduje znaczne wydłużenie się jego czasu (rys. 8, 10). Duża wartość powstającego momentu dynamicznego oraz duża bezwładność układu napędowego powodują powstanie znaczących pulsacji prędkości silnika oraz momentu elektromagnetycznego. Ma to istotny, niekorzystny wpływ na przebieg bezawaryjnej eksploatacji układu napędowego. Czas ustalenia się przebiegów dynamicznych wynosi w tym przypadku ponad 6 sekund (rys. 8, 10). Zastosowanie układu regulacji prądu wzbudzenia pozwala na uzyskanie odpowiednio dużej wartości momentu dynamicznego podczas procesu synchronizacji. Zapewnia to osiągnięcie przez silnik prędkości synchronicznej w zbliżonym czasie jak miało to miejsce podczas forsowania prądu wzbudzenia (rys. 7, 9). Zastosowanie regulacji prądu po osiągnięciu przez silnik prędkości synchronicznej zapewnia minimalizację pulsacji prędkości i momentu elektromagnetycznego. Czas ustalenia się przebiegów dynamicznych jest w tym przypadku znacznie krótszy i wynosi około 1 sekundy (rys. 7, 9). Sześciokrotne skrócenie czasu trwania procesu oraz znaczne zmniejszenie amplitudy pulsacji momentu silnika oraz prędkości obrotowej pozwala minimalizować niekorzystne udary mechaniczne na wale maszyny roboczej. Sterowanie wartością prądu wzbudzenia w celu stabilizacji prędkości silnika podczas procesu synchronizacji pozwala na łagodzenie stanów przejściowych zapewniając jednocześnie wymaganą przeciążalność statyczną i dynamiczną silnika. t [s]

15 4. WNIOSKI Sterowanie wartością prądu wzbudzenia podczas procesu synchronizacji, od chwili osiągnięcia przez silnik prędkości nadsynchronicznej, pozwala zminimalizować pulsacje prędkości oraz zmniejszyć amplitudę zmian momentu silnika. Zapewnia to łagodzenie stanów przejściowych i sześciokrotne skrócenie czasu procesu. Zastosowanie zamkniętego układu regulacji prądu wzbudzenia zapewnia dużą szybkość ustalenia się przebiegów dynamicznych oraz statyczną i dynamiczną przeciążalność silnika. LITERATURA [1] HBARLIK R.,NOWAKH M., HTechnikaH tyrystorowa, WNT Warszawa [2] DAS J.C., CASEY J., Effects of excitation controls on operation of synchronous motors, Industrial and Commercial Power Systems Technical Conference, 2-6 May 1999, 5 pp. [3] JUN W., ZHANG G., The adaptive PID controller based on neural network for the synchronous generator excitation system, The 4 th International Power Electronics and Motion Control Conference, Volume 2, Aug. 2004, [4] KACZMAREK T., ZAWIRSKI K., Układy napędowe z silnikiem synchronicznym, Poznań, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, [5] PAWLUK K., BEDNAREK S., Rozruch i stany asynchroniczne silników synchronicznych, Warszawa, WNT, [6] SOBCZYK T., Łagodna synchronizacja silników synchronicznych dużych mocy z asynchronicznego stanu pracy, XX Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Maszyny synchroniczne, Kazimierz Dolny, , [7] SOBCZYK T., Obwodowe modele matematyczne maszyn elektrycznych - stan aktualny i perspektywy, Zeszyty naukowe Politechniki Śląskiej, Seria: ELEKTRYKA, 2001, z. 176, [8] SZKLARSKI L., ZARUDZKI J., Elektryczne maszyny wyciągowe, PWN Warszawa-Kraków [9] TUNIA H., KAZIMIERKOWSKI M., Automatyka napędu przekształtnikowego, Wyd.1,1987. [10] TUNIA H., WINIARSKI B., Podstawy energoelektroniki, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo- Techniczne, [11] TUNIA H., SMIRNOW A., NOWAK M., BARLIK R., Układy energoelektroniczne, obliczenia, modelowanie, projektowanie, Warszawa, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, [12] WISZNIEWSKI A., praca zbiorowa, Teoria sterowania, Ćwiczenia laboratoryjne, Wrocław, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, [13] ZALAS P., ZAWILAK J.: Dwubiegowy silnik synchroniczny w ujęciu polowo-obwodowym, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 56, Studia i Materiały nr 25, 2004, [14] ZALAS P., ZAWILAK J., Synchronizacja silników synchronicznych przez sterowanie prądem wzbudzenia, Efektywność energetyczna napędów z silnikami elektrycznymi, EENSE, Podlesice, , Katowice: BOBRME "Komel", 2005, Zeszyty Problemowe nr 73, [15] ZALAS P., ZAWILAK J., Synchronizacja silników synchronicznych przez zmianę kierunku przepływu prądu wzbudzenia, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 58, Studia i Materiały nr 25, 2005,

16 [16] ZALAS P., ZAWILAK J., Wpływ układu sterowania prądem wzbudzenia na proces synchronizacji silnika synchronicznego, Problemy eksploatacji maszyn i napędów elektrycznych, PEMINE, Ustroń, , Katowice: BOBRME "Komel", 2006, Zeszyty Problemowe nr 75, [17] ZALAS P., ZAWILAK J., Wybór chwili załączania napięcia wzbudzenia podczas synchronizacji silników synchronicznych, Problemy eksploatacji maszyn i napędów elektrycznych, PEMINE, Ustroń, , Katowice: BOBRME "Komel", 2005, Zeszyty Problemowe nr 71, [18] ZAWILAK J., Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Prace Nauk. IMiNE. PWr., REDUCTION OF SPEED PULSATION DURING SYNCHRONIZATION PROCESS IN SYNCHRONOUS MOTORS The work presents calculation results of synchronization process of a two speed, silent pole, high power synchronous motor. The calculations were based on circuit model for motor type GAe 1716/20p with switchable configuration connection of armature winding and field magnet. The influence of control of excitation current value on stator currents, electromagnetic torque and shaft velocity during synchronization process has been investigated. The work presents calculation results of synchronization process for: particular change value of excitation voltage, particular change polarization excitation voltage and exciter with close loop-excitation current control system. The calculations results of synchronization process for selected control method of an excitation current value based on field-circuit model for motor type GAe1716/20t has been investigated. The results of calculations were presented as time curves of state variables.