Wyznaczanie strat w uzwojeniu bezrdzeniowych maszyn elektrycznych

Transkrypt

1 Wyznaczanie strat w uzwojeniu bezrdzeniowych maszyn elektrycznych Zakres ćwiczenia 1) Pomiar napięć indukowanych. 2) Pomiar ustalonej temperatury czół zezwojów. 3) Badania obciążeniowe. Badania należy przeprowadzić na grupie zezwojów wykonanych w taki sposób, aby metodą porównawczą można było oszacować wpływ struktury gałęzi równoległych na wielkość strat wywołanych prądami wirowymi. W tym celu przygotowane zostały wzorcowe zezwoje wykonane z miedzi o tych samych gabarytach i zbliżonym przekroju poprzecznym (4.1x3.4 mm) lecz o innej budowie. Zezwoje różniące się ilością (i jednocześnie przekrojem poprzecznym) gałęzi równoległych zwartych ze sobą na obu końcach: 1) Zezwój wykonany z czterech równoległych nieizolowanych prętów o wymiarach 3,9x0,8 mm, będący odpowiednikiem zezwoju litego. 2) Zezwól wykonany z trzech izolowanych prętów o wymiarach 4,1x1,1 mm. 3) Zezwój wykonany z 10 izolowanych drutów o średnicy 1,1 mm. 4) Zezwój wykonany z 40 izolowanych drutów o średnicy 0,5 mm Zestaw ten umożliwia zbadanie udziału lokalnych prądów wirowych w całkowitych stratach jałowych (zwarcie gałęzi równoległych na obu końcach umożliwia przepływ prądów wyrównawczych). Zezwoje różniące się ilością (i jednocześnie przekrojem poprzecznym) gałęzi równoległych rozwartych na obu końcach: 5) Zezwól wykonany z trzech izolowanych prętów o wymiarach 4,1x1,1 mm 6) Zezwój wykonany z 10 izolowanych drutów o średnicy 1,1 mm. 7) Zezwój wykonany z 40 izolowanych drutów o średnicy 0,5 mm Zestaw ten umożliwia zbadanie skuteczności ograniczenia lokalnych prądów wirowych przez zastąpienie litego przewodu izolowanymi gałęziami równoległymi. Zezwoje różniące się ilością (i jednocześnie przekrojem poprzecznym) gałęzi równoległych z przeplotem 540 o i zwartych ze sobą na obu końcach: 8) Zezwój wykonany z 10 izolowanych drutów miedzianych o średnicy 1,1 mm. 9) Zezwój wykonany z 40 izolowanych drutów o średnicy 0,5 mm 10) Zezwój wykonany z licy miedzianej przeplatanej w izolacji, średnica drutów 0,1 mm. Zestaw ten umożliwia zbadanie skuteczności ograniczenia lokalnych prądów wirowych i prądów wyrównawczych przez zastąpienie litego przewodu izolowanymi gałęziami równoległymi z przeplotem. Zaciski krańcowe wszystkich rodzajów zezwojów ze zwartymi na obu końcach gałęziami równoległymi zostały wyprowadzone za pomocą miedzianego przewodu giętkiego o średnicy 4 mm i identycznej długości, umożliwiającego wykonanie badań obciążeniowych. Wybrane zezwoje pokazane zostały na rysunku 1.

2 Rys.1. Wybrane zezwoje twornika bezszczotkowej maszyny prądu stałego z magnesami trwałymi. Cyframi oznaczono poszczególne zezwoje (opis w tekście) Stanowisko pomiarowe Specjalne stanowisko pomiarowe składa się z wirującego bębna o średnicy 30 cm (Rys.2) z rozmieszczone na powierzchni magnesami trwałymi tworzącymi 18 par biegunów. Poosiowa długość strefy aktywnej wynosi 100 mm. Ponad częścią bębna w odległości 15 mm od jego powierzchni umieszczony został stacjonarny rdzeń o wymiarach 190 mm (szerokość) x 50 mm(wysokość) x 115 mm (długość). Specjalna konstrukcja służy do pozycjonowania badanych zezwojów. Bęben jest napędzany silnikiem indukcyjnym STg 90-4S o mocy 1,1 kw, sprzężonym za pomocą przekładni pasowej. Zmianę prędkości wirowania bębna uzyskuje się dzięki sterowaniu obrotami silnika indukcyjnego zasilanego z falownika Rys.2. Bęben wirnik eksperymentalnego stanowiska do badane zezwojów twornika bezszczotkowej maszyny prądu stałego z magnesami trwałymi Podczas eksperymentu zezwoje umieszczane są w szczelinie pomiędzy stacjonarnym rdzeniem i wirującymi magnesami

3 1.2. Pomiar napięć indukowanych Pomiaru napięć indukowanych w zezwojach ze zwartymi gałęziami równoległymi należy dokonać dla szerokiego zakresu częstotliwości pola wzbudzonego magnesami trwałymi (od 50 Hz do 500 Hz, ze skokiem 50 Hz). Przykładowe wyniki pomiarów zostały przedstawione na rysunku 3. Różnice wartości napięcia indukowanego w poszczególnych zezwojach związane są ze spadkiem napięcia na rezystancji gałęzi równoległych wywołanym przepływem prądów wyrównawczych. Rys.3. Średnia amplituda napięcia indukowanego w badanych zezwojach w funkcji częstotliwości. Przykładowe przebiegi napięcia indukowanego w zezwoju wykonanego z 4 prętów miedzianych, nieizolowanych o częstotliwości 250 Hz przedstawiono odpowiednio na rysunku 4. Rys.4. Napięcie indukowane o częstotliwości 250 Hz w zezwoju złożonym z 4 prętów. Z uwagi na wahania maksymalnej amplitudy napięcia indukowanego związanego z rozrzutem tolerancji magnesów umieszczonych na cylindrze, pomiary zostały dokonane dla jednego pełnego obrotu cylindra.

4 1.3. Pomiar ustalonej temperatury czół zezwojów Podczas biegu jałowego należy także dokonać temperatura czół badanych zezwojów przy pomocy czujnika pomiarowego - termopary konstantan-miedź. Odczytu temperatury należy dokonać po jej ustaleniu się. W praktyce czas ten wynosi ok. 2 minut. Przykładowe wyniki pomiarów temperatury przedstawiono na rysunku 5. Duże różnice temperatury ustalonej pomiędzy zezwojami złożonymi z gałęzi równoległych o różnej średnicy. wskazują na występowanie strat jałowych wywołanych zarówno lokalnymi prądami wirowymi, jak też przepływem prąd wyrównawczego. Znaczne straty jałowe pojawiają się już od częstotliwości napięcia indukowanego wynoszącej 100 Hz. Rys.5. Temperatura ustalona w czołach zezwojów w stanie jałowym w funkcji częstotliwości napięcia indukowanego. Najlepsze rezultaty (praktycznie brak wzrostu temperatury zezwoju) uzyskano dla licy miedzianej przeplatanej w izolacji o średnicy drutów 0,1 mm Badania obciążeniowe Badania obciążeniowe pozwalają zaobserwować zjawisko naskórkowości. Badania obciążeniowe przeprowadzić należy zwierając zezwój. Pomiaru prądu w zwartym zezwoju należy dokonać za pomocą przetwornika prąd/napięcie typu LEM LA 100-P o zakresie prądowym 100 A i zakresie częstotliwościowym khz. Przykładowe wyniki pomiarów przedstawione zostały na rysunku 6.

5 Rys.6. Średnia amplituda prądu w zezwojach zwartych w funkcji częstotliwości napięcia indukowanego. Dla częstotliwości powyżej 300 Hz praktycznie dla wszystkich typów zezwojów wyraźnie widoczne jest malenie przyrostu prądu spowodowane wzrostem impedancji pętli zwarcia. Przykładowe przebiegi prądu w zwartym zezwoju wykonanym z 4 nieizolowanych prętów miedzianych, o częstości 500 Hz przedstawiono odpowiednio na rysunku 7. Rys.7. Prąd o częstotliwości 500 Hz w zwartym zezwoju złożonym z 4 prętów. Wyniki pomiarów temperatury ustalonej w czołach zezwojów obciążonych prądem zwarciowym (pomiar przy zmiennym obciążeniu) przedstawiono na rysunku 8. Pomiaru dokonano w taki sam sposób jak w stanie jałowym. Niemal dla wszystkich zezwojów przyrosty temperatur w funkcji częstotliwości napięcia indukowanego są takie same. Podobny przebieg temperatur ustalonych świadczy o tym, że podczas dokonywanych pomiarów zachowano te same warunki przeprowadzenia eksperymentu, uzyskując podobnie przebiegający proces oddawania ciepła przez zezwój do otoczenia.

6 Rys.8. Temperatura ustalona w czołach zezwojów w stanie obciążenia zwarciowego w funkcji częstotliwości napięcia indukowanego. Na rysunku 9. przedstawiono ustalony przyrost temperatury zezwojów pomiędzy stanem jałowym a stanem obciążenia zwarciowego. Pozwala on na porównanie wielkości strat jałowych i strat obciążeniowych. Im wyższy ustalony przyrost temperatury tym mniejszy poziom strat w stanie jałowym. Uzwojenie wykonane z prętów nie izolowanych (uzwojenie takie jest najbliższe definicji masywnego bryłowego przewodnika) praktycznie bez względu na stan obciążenia nagrzewa się do tej samej temperatury co oznacza, że straty jałowe praktycznie równają się stratom obciążeniowym. Rys.9. Ustalony przyrost temperatura w czołach zezwojów pomiędzy stanem jałowym a stanem obciążenia zwarciowego w funkcji częstotliwości napięcia indukowanego Wyznaczenie strat cieplnych zezwojów w stanie jałowym Badania należy wykonać w stanie jałowym dla zezwojów o zwartych i rozwartych gałęziach równoległych. Znajomość temperaturowej stałej czasowej zezwojów T c, ich masy m cu i ciepła właściwego c wcu oraz ustalonego przyrostu temperatury Δϑ umożliwia

7 wyznaczenie stratności danego typu zezwoju w tych samych warunkach, a tym samym porównanie stratności różnych zezwojów zgodnie z zależnością: P cu u cwcu c 0 wcu mcu t Tc. Należy założyć, że temperatura zezwoju ustali się po czasie wynoszącym od 3T c do 5T c. Wyniki pomiarów oraz wyniki obliczeń przy założeniu, że c wcu wynosi 380J/(kg* o K) należy wpisać do Tabeli1. Tabela 1 rodzaj uzwoje nia Masa [kg] stała czasowa temperaturowa T [s] z40z 0, z40o 0, z10z 0, z10o 0, z3o 0, z4z 0, lica - temperatura początkowa υ 0 [ o C] temperatura ustalona υ k [ o C] przyrost temperatury Δυ [ o K] Stratność P/m cu [W/kg] Moc cieplna [W] Porównanie stratności przewodu miedzianego w funkcji przekroju gałęzi równoległej dla przypadku zwartych i rozwartych na końcach gałęzi równoległych pozwala na ocenę udziału w stratach jałowych prądów wyrównawczych i prądów wirowych. Należy zdawać sobie sprawę, że w wypadku gałęzi otwartych dla dużych powierzchni przekroju gałęzi równoległej lokalne prądy wirowe występujące wewnątrz przewodnika zastępują prądy wyrównawcze. Instrukcję opracował Adam Biernat