DWUBIEGOWY SILNIK SYNCHRONICZNY SYNCHRONIZOWANY NAPIĘCIEM ZMIENNYM

Transkrypt

1 Prace Naukowe Instytutu aszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 63 Politechniki Wrocławskiej Nr 63 Studia i ateriały Nr maszyny elektryczne, silniki synchroniczne, synchronizacja, obliczenia polowo-obwodowe PAWEŁ ZALAS *, JAN ZAWILAK* DWUBIEGOWY SILNIK SYNCHRONICZNY SYNCHRONIZOWANY NAPIĘCIE ZIENNY W pracy wykazano możliwości uzyskania efektu łagodnej synchronizacji przez zasilanie uzwojenia wzbudzenia silnika synchronicznego, w stanie pracy asynchronicznej, napięciem przemiennym z wykorzystaniem jednofazowego falownika napięcia. Przyjęta metoda synchronizacji została porównana z innymi proponowanymi metodami synchronizacji. Analizę procesów synchronizacji wykonano stosując opracowany polowo-obwodowy model dwubiegowego silnika synchronicznego dużej mocy typu GAe 1716/20t, pracującego w napędach wentylatorów głównych kopalni podziemnych. Wyniki obliczeń zamieszczono w postaci wykresów czasowych. 1. WSTĘP Znaczący wpływ na przebieg stanów przejściowych podczas procesu synchronizacji silnika synchronicznego o wzbudzeniu elektromagnetycznym ma chwila inicjacji procesu. Wzajemne położenie biegunów pola stojana i pola wirnika w chwili załączenia napięcia wzbudzenia ma niekiedy decydujący wpływ na skuteczność procesu [7]. a to szczególne znaczenie podczas synchronizacji silników synchronicznych dwubiegowych, w których dla jednej z prędkości obrotowych liczba biegunów magnetycznych jest inna niż liczba biegunów mechanicznych [12]. Ze względu na koszty, silniki tego typu buduje się przez modernizację, wykorzystując magnetowód i konstrukcję mechaniczną silników jednobiegowych. Takie silniki o mocach do 3150 kw pracują z powodzeniem od wielu lat w napędach wentylatorów kopalnianych kopalni głębinowych węgla i miedzi [1]. Obecnie najczęściej zwiększenie skuteczności synchronizacji, niezależnie od wartości kąta δ w chwili załączenia napięcia wzbudzenia, gdzie δ jest kątem między osią * Politechnika Wrocławska, Instytut aszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, Wrocław, pawel.zalas@pwr.wroc.pl, jan.zawilak@pwr.wroc.pl.

2 51 pola stojana o osią pola wirnika, uzyskuje się przez forsowanie prądu [11]. Jednak przypadkowa, często niewłaściwa, chwila rozpoczęcia procesu oraz duża, przekraczająca czasem nawet 2,5I wn, wartość prądu magneśnicy powodują wiele niekorzystnych zjawisk elektrycznych i mechanicznych [7, 11]. Inną metodą zwiększenia skuteczności procesu synchronizacji i skrócenia jego czasu, przy jednoczesnym złagodzeniu przebiegów dynamicznych, jest wybór korzystnej chwili załączenia napięcia stałego [11] oraz odpowiednie sterowanie wartością prądu wzbudzenia [7, 10] podczas procesu. Pewną i łagodną synchronizację silnika w dogodnej chwili czasowej, bez konieczności analizy wzajemnego położenia osi pola stojana względem osi pola wirnika w chwili inicjacji procesu oraz bez forsowania prądu zapewnia synchronizacja napięciem przemiennym [9]. Celem pracy jest wykazanie możliwości uzyskania efektu łagodnej synchronizacji napięciem przemiennym na przykładzie dwubiegowego silnika synchronicznego o niekonwencjonalnej konstrukcji typu GAe 1716/20t. Zaproponowaną metodę synchronizacji porównano z innymi metodami. 2. POLOWO-OBWODOWA ANALIZA PROCESU SYNCHRONIZACJI Analizę procesu synchronizacji przeprowadzono wykorzystując opracowany model polowo-obwodowy silnika typu GAe 1716/20t [7, 8]. Podstawowe parametry silnika zestawiono w tabeli 1. Silnik ma 16 biegunów wydatnych oraz klatkę rozruchową umieszczoną w nabiegunnikach wirnika. aszyny takie pracują w napędach wentylatorów głównych typu WPK 5.3 kopalni podziemnych. W celu weryfikacji modelu obliczeniowego wykonano pomiary badanego silnika zainstalowanego w stacji wentylatorowej zakładu górniczego. Na podstawie porównania wielkości obliczonych i pomierzonych stwierdzono, że opracowany model polowo-obwodowy dwubiegowego silnika synchronicznego jest poprawny [7]. 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

3 52 Na rysunkach 1 4 pokazano obliczone przebiegi czasowe prądu stojana I s, prądu wzbudzenia I w, napięcia U w na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, prędkości obrotowej oraz momentu elektromagnetycznego podczas procesów synchronizacji badanego silnika na mniejszej prędkości obrotowej, p = 10. Dla tej prędkości obrotowej silnika dwubiegowego liczba biegunów mechanicznych jest inna niż liczba biegunów magnetycznych (odpowiednio 16 i 20) [2]. Powoduje to wzrost elektromechanicznej stałej czasowej układu napędowego oraz duży poślizg silnika podczas biegu asynchronicznego [7], co ma znaczący wpływ na przebieg procesu synchronizacji. Jako pierwsze wykonano obliczenia procesu synchronizacji przez forsowanie prądu, załączając napięcia stałe o wartości 2,5 U wn do uzwojenia wzbudzenia dla kąta δ = -180º (rys. 1). Taki przebieg może mieć proces synchronizacji realizowany na obiekcie rzeczywistym w sytuacji, gdy wybór chwili załączenia napięcia wzbudzenia jest przypadkowy. W obliczeniach przyjęto moment obciążenia 0,45 n, co odpowiada obciążeniu, jakie na obiekcie rzeczywistym stanowi wentylator WPK 5.3 przy zamkniętych klapach aparatu kierowniczego [6], oraz uwzględniono wypadkowy moment bezwładności układu napędowego wentylatora J z kg m 2 [5]. I w [obr/min] n U w I s [Nm], k=0.005 k=200 N n [obr/min], k=1 Rys. 1. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla kąta δ = -180º i prądu wzbudzenia 2,5I wn, p = 10 Fig. 1. Waveforms of the quantities during motor synchronization started for angle δ = -180º and field current 2,5I wn, p = 10 Forsowanie prądu wzbudzenia, pomimo niekorzystnej chwili inicjacji procesu (kąt δ = 180º), pozwala na zwiększenie momentu synchronizującego, zapewniając skuteczną synchronizację silnika podczas pierwszej współfazowości pola twornika i magneśnicy. Wywołuje to jednak znaczne pulsacje prędkości (rys. 1) i udary prądów t [s]

4 53 stojana oraz duże amplitudy zmian wartości chwilowych momentu elektromagnetycznego. Duże oscylacje prędkości (rys. 1) wokół wartości synchronicznej powodują, że czas ustalenia się procesów przejściowych, a tym samym czas synchronizacji, ulega znacznemu wydłużeniu. Na rysunku 2 pokazano przebiegi czasowe odpowiednich wielkości podczas procesu synchronizacji badanego silnika dla przyjętych wcześniej warunków pracy oraz znamionowej wartości napięcia wzbudzenia. Proces został rozpoczęty dla wartości kąta δ = 45º (rys. 2). [obr/min] n I w U w I s [Nm], k=0.005 k=200 N n [obr/min], k=1 t [s] Rys. 2. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla kąta δ = 45º i znamionowej wartości napięcia wzbudzenia, p=10 Fig. 2. Waveforms of the quantities during motor synchronization started for angle δ = 45º and the rated field current, p = 10 Załączenie napięcia stałego dla wartości kąta δ = 45º, przy nabiegających biegunach pola stojana na odpowiadające im bieguny pola wirnika zwiększa szybkość ustalenia się przebiegu prądu płynącego w uzwojeniu magneśnicy na wartości znamionowej (rys. 2), co powoduje powstanie momentu dynamicznego o większej wartości. Dzięki temu następuje skuteczna synchronizacja o łagodnym przebiegu stanów przejściowych, bez konieczności forsowania prądu. Stała wartość napięcia załączonego do uzwojenia wzbudzenia, w trakcie całego procesu synchronizacji (rys. 2), powoduje jednak duże chwilowe nadwyżki momentu elektromagnetycznego nad momentem obciążenia. Wywołuje to pulsacje prędkości obrotowej oraz występowanie zmiennego momentu o dużej amplitudzie, co wydłuża czas ustalenia się przebiegów dynamicznych. Skrócenie stanów przejściowych podczas procesu synchronizacji można uzyskać przez zmianę wartości prądu wzbudzenia

5 54 z wykorzystaniem np. zamkniętego układu regulacji, sterowanego w funkcji prędkości obrotowej silnika. Układ, opisany szerzej w [7, 10] pracuje z dwoma pętlami zwrotnymi: od prędkości obrotowej oraz od prądu wzbudzenia. Załączenie układu następuje w chwili inicjacji procesu. Na rysunku 3 pokazano wyniki obliczeń odpowiednich wielkości podczas procesu synchronizacji badanego silnika, dla identycznych warunków pracy jak poprzednio, z zastosowaniem zamkniętego układu regulacji prądu wzbudzenia. Proces synchronizacji został rozpoczęty dla kąta δ = 0º (rys. 3), co dla przyjętych warunków zasilania oraz obciążenia silnika jest korzystną chwilą inicjacji procesu. [obr/min] n I w I s U w [Nm], k=0.005 N [Nm], [obr/min], k=200 k=1 n [obr/min], k=1 Rys. 3. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika i zamkniętego układu regulacji prądu wzbudzenia, p = 10 Fig. 3. Waveforms of the quantities during motor synchronization and close-loop field current control, p = 10 [s] t [s] Zastosowanie zamkniętego układu regulacji pozwoliło znacznie skrócić czas procesu synchronizacji silnika (rys. 3) w stosunku do metody forsowania prądu wzbudzenia (rys. 1). Znacząco zredukowano pulsacje momentu elektromagnetycznego ograniczając je do wartości dodatnich (rys. 3). W przebiegu czasowym prędkości wirnika praktycznie nie występują oscylacje, a prędkość synchroniczna ustala się po upływie ok. 3 sekund od chwili rozpoczęcia procesu. Zaproponowane metody synchronizacji: przez wybór korzystnej chwili załączenia napięcia stałego (rys. 2) oraz przez odpowiednie sterowanie wartością prądu wzbudzenia (rys. 3) zapewniają skuteczny i łagodny przebieg procesu dla znamionowej wartości napięcia wzbudzenia pod warunkiem, że inicjacja procesu następuje w stanie pracy asynchronicznej ustalonej, a poślizg silnika jest najmniejszy. W innym przy-

6 55 padku silnik mógłby utknąć w stanie pracy asynchronicznej wzbudzonej maszyny synchronicznej przy znaczących amplitudach prądów stojana oraz pulsacjach momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej [4]. Spełnienie powyższego warunku wymaga opóźnienia załączenia napięcia stałego do uzwojenia magneśnicy, po ustaleniu się prędkości biegu asynchronicznego o przynajmniej jeden pełny okres zmian wartości kąta δ od 180º do 180º (rys.1), co dodatkowo wydłuża czas procesu. etodą pozbawioną tej wady jest synchronizacja z wykorzystaniem przemiennego napięcia wzbudzenia. oże to być realizowane przez modyfikację już zainstalowanej wzbudnicy statycznej i zastosowanie w obwodzie zasilania uzwojenia magneśnicy jednofazowego falownika napięcia. Umożliwia to zasilanie uzwojenia wzbudzenia, w stanie pracy asynchronicznej, napięciem przemiennym o fazie i częstotliwości zgodnej z przebiegiem napięcia indukowanego w uzwojeniu magneśnicy. Na rysunku 4 pokazano wyniki obliczeń procesu synchronizacji dla identycznych warunków pracy jak poprzednio, uwzględniając w modelu silnika napięcie przemienne, o amplitudzie 180V, zasilające obwód magneśnicy. Po osiągnięciu przez silnik prędkości synchronicznej nastąpiło załączenie stałego napięcia wzbudzenia o wartości znamionowej. W celu zwiększenia czytelności pokazanych wyników obliczeń rzeczywisty przebieg napięcia na wyjściu falownika zastąpiono napięciem uśrednionym. [obr/min] U w n I s I w [Nm], k=0.005 N [Nm], [obr/min], k=200 k=1 n [obr/min], k=1 Rys. 4. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika napięciem zmiennym, p = 10 Fig. 4. Waveforms of the quantities during motor synchronization by AC voltage, p = 10 Zastosowanie zaproponowanej metody synchronizacji pozwoliło zmniejszyć amplitudy zmian wartości chwilowych momentu elektromagnetycznego oraz prędkości i udary prądów stojana w chwili osiągnięcia przez silnik prędkości synchronicznej [s] t [s]

7 56 (rys. 4). Załączenie napięcia przemiennego do uzwojenia wzbudzenia zapewniło, w stanie pracy podsynchronicznej, zwiększenie amplitudy prądu magneśnicy, a tym samym wypadkowego momentu asynchronicznego. Spowodowało to zmniejszenie poślizgu, stwarzając warunki, w których wartość momentu reluktancyjnego jest wystarczająca do skutecznej i łagodnej synchronizacji silnika (rys. 4). 3. WNIOSKI Zasilanie uzwojenia wzbudzenia dwubiegowego silnika synchronicznego w stanie pracy asynchronicznej odpowiednio dobranym napięciem przemiennym pozwala na stopniowe zwiększenie prędkości obrotowej, zapewniając łagodną synchronizację w najkrótszym możliwym czasie po dokonaniu przez silnik rozruchu i w dogodnej chwili czasowej. Najkrótszy czas ustalenia się przebiegów dynamicznych po osiągnięciu przez silnik prędkości synchronicznej zapewnia zastosowanie zamkniętego układ regulacji prądu wzbudzenia. LITERATURA [1] ANTAL L., ZAWILAK J., Badania dwubiegowego silnika synchronicznego o przełączalnych uzwojeniach twornika i wzbudzenia, Prace Nauk. IiNE. PWr. nr 56, Studia i at. nr 24, 2004, s [2] ANTAL L., ZAWILAK J., Pole magnetyczne synchronicznego silnika jawnobiegunowego o dwóch prędkościach obrotowych, Prace Nauk. INiPE. PWr. nr 44, Studia i at. nr 19, 1996, s [3] ANTAL L., ZAWILAK J., Wyniki badań dwubiegowego silnika synchronicznego, asz. Elektr. Zesz. Probl. BOBRE Komel, 2004, nr 68, s [4] PASZEK W., Dynamika maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Gliwice, Helion, [5] POWEN Jednostrumieniowy kopalniany wentylator główny, typ WPK 5.3, Karta informacyjna produktu, Zabrze. [6] Wyniki pomiarów, Wykonanie pomiarów charakterystyk wentylatorów głównych w stacjach przy szybach R-V, R-VII i R-X, U-102/NW/02, CBP CUPRU, Wrocław-Rudna [7] ZALAS P., Analiza procesu synchronizacji silników synchronicznych z rozruchem asynchronicznym, Rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław [8] ZALAS P., ZAWILAK J., Dwubiegowy silnik synchroniczny w ujęciu polowo-obwodowym, Prace Nauk. INiPE. PWr. nr 56, Studia i ateriały nr 23, 2003, s [9] ZALAS P., ZAWILAK J., Falownik napięcia w obwodzie wzbudzenia silnika synchronicznego dużej mocy, Przegląd Elektrotechniczny, 2008 R. 84, nr 12, s [10] ZALAS P., ZAWILAK J., Łagodzenie oraz skrócenie czasu procesu synchronizacji silników synchronicznych, SE 2006, Kraków, , [11] ZALAS P., ZAWILAK J., Wybór chwili załączenia napięcia wzbudzenia podczas synchronizacji silników synchronicznych, asz. Elektr. Zesz. Probl. BOBRE Komel, 2005, nr 71, s [12] ZAWILAK J., Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Prace Naukowe Instytutu Układów Elektromaszynowych Politechniki Wrocławskiej nr 37, onografie nr 6, Wrocław, 1986.

8 57 TWO SPEED SYNCHRONOUS OTOR SYNCHRONIZED BY AC VOLTAGE The work presents calculation results of synchronization process of two-speed, silent pole, high power synchronous motor type GAe 1716/20t. The calculations were based on examined and validated by measurements, field-circuit calculation model of the motor. The two-speed motor runs in the drive of a WPK 5.3 mine fan in deep mines. The influence of voltage inverter in excitation circuit on gentle synchronization process was studied. The influence of AC or DC field voltage on stator currents, field current, electromagnetic torque and rotational speed during synchronization process was compared. The calculation results are presented as diagrams over time.