WYBÓR CHWILI ZAŁCZENIA NAPICIA WZBUDZENIA PODCZAS SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/25 59 Pawel Zalas, Jan Zawilak Politechnika Wrocławska, Wrocław WYBÓR CHWILI ZAŁCZENIA NAPICIA WZBUDZENIA PODCZAS SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH SELECTION OF EXCITATION START-UP MOMENT DURING SYNCHRONIZATION PROCESS IN SYNCHRONOUS MOTORS Abstract: The work presents calculation results of synchronization process of a two speed, silent pole, high power synchronous motor. The calculations were based on the examined two dimensional, field-circuit model for the high power motor, type GAe 1716/2p with switchable configuration connection of armature winding and field magnet. The motor characteristics make it suitable for drives of fan type machines. The work presents description of computable model and general parameters of analyze two speed motor. The analytical relations that describe the asynchronous motor state in the moment of the beginning synchronization process and the torque-angle characteristic as result numerical analysis were present. The influence of the synchronization moment, during synchronization process witch nominal excitation voltage and greater then nominal value, on stator currents, electromagnetic torque and shaft velocity were examined. Dynamic diagram of stator currents, excitation current, excitation voltage, electromagnetic torques and shaft velocity during synchronization process as results of computer simulation are presented. 1. Wstp W układach napdowych wentylatorów głównego przewietrzania kopalni powszechnie stosuje si silniki synchroniczne, których dodatkowym zadaniem jest regulacja mocy biernej. Sporód wszystkich sposobów regulacji wydajnoci urzdze o wentylatorowej charakterystyce mechanicznej najbardziej ekonomicznym jest zmiana prdkoci obrotowej silników napdowych. Do napdu tych urzdze zaproponowano dwubiegowe silniki synchroniczne, w których skokow regulacj prdkoci obrotowej uzyskano przez zmian liczby biegunów pola magnetycznego. Zmian liczby biegunów pola magnetycznego uzyskuje si przez przełczenie uzwojenia twornika o odpowiednim obwodowym rozkładzie grup fazowych oraz zmian biegunowoci odpowiednich biegunów magne- nicy. Rozwizanie to umoliwia regulacj wydajnoci oraz zmniejszenie mocy pobieranej przez wentylator i jest tasze od zastosowania układów przekształtnikowych. [3, 7]. Poniewa maszyny te maj w wirniku bieguny wydatne to dla jednej prdkoci obrotowej liczba biegunów mechanicznych jest inna ni liczba biegunów magnetycznych (np. odpowiednio 16 i 2) [2]. Rozruch tego typu silników, ze wzgldu na du moc, jest jednym z waniejszych zagadnie dotyczcych ich eksploatacji. Dla silników synchronicznych proces rozruchu koczy si synchronizacj. Niewłaciwa chwila włczenia prdu wzbudzenia moe powodowa wystpo- wanie zmiennego momentu elektromagnetycznego, przepicia w obwodach uzwojenia twornika a nawet niezsynchronizowanie si silnika. Z tego powodu zastosowanie forsowania prdu wzbudzenia, czsto o 5 % wikszego od prdu znamionowego, zwiksza moment synchronizujcy i prawdopodobiestwo synchronizacji silnika. W takich przypadkach zwiksza si równie maksymalny moment dynamiczny oraz przecienie układu mechanicznego. Zagadnienie to jest szczególnie istotne w napdach o du- ych momentach bezwładnoci. Do takich napdów zalicza si wentylatory głównego przewietrzania kopal podziemnych, których rednica zewntrzna wynosi ok. 9 metrów a moment bezwładnoci jest ok. dziesi razy wikszy od momentu bezwładnoci wirnika silnika napdowego. Obliczenia i analiz procesu synchronizacji wykonano dla dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/2t pracujcego w napdzie wentylatora kopalnianego typu WPK 5,3. Podstawowe parametry silnika przedstawiono w tabeli 1. Proces synchronizacji na wikszej prdkoci obrotowej przebiega podobnie jak w silniku jednobiegowym. Istotna rónica wystpuje podczas synchronizacji silnika na mniejszej prdkoci obrotowej, poniewa liczba biegunów mechanicznych wirnika jest inna ni liczba biegunów magnetycznych [5].

2 6 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/25 Tabela 1. Dane znamionowe dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/2t. Moc znamionowa kw Napicie stojana V 6 YY 6 Y Prd stojana A Napicie wzbudzenia V 1 78 Prd wzbudzenia A Prdko obrotowa obr/min Współczynnik mocy -,9 poj.,77 ind. Sprawno % 95,5 81, Trudnoci z synchronizacj na mniejszej prdkoci wynikaj w znacznym stopniu z: - duego polizgu wpadu, przy którym ustala si praca asynchroniczna maszyny; - duej wartoci elektromechanicznej stałej czasowej układu napdowego; - duej stałej czasowej obwodu wzbudzenia. Celem niniejszej pracy jest pokazanie, e wyborem chwili załczenia prdu wzbudzenia mona łagodzi procesy dynamiczne podczas synchronizacji. Synchronizacja zainicjowana w chwili, gdy biegun pola wirnika nabiega na odpowiadajcy mu biegun pola magnenicy zwiksza pewno i łagodzi przebieg tego procesu. 2. Model polowo-obwodowy silnika synchronicznego Analiz procesu synchronizacji przeprowadzono wykorzystujc opracowany model polowy-obwodowo silnika typu GAe 1716/2t [8], którego geometri magnetowodu przedstawiono na rysunku 1. W modelu tym przyjto nastpujce załoenia: - sinusoidalny przebieg napi zasilajcych V A, V B, V C, - równomiern gsto prdu w przekroju poprzecznym uzwojenia twornika, - długo obliczeniow maszyny równ długo- ci stojana, - rzeczywiste, nieliniowe charakterystyki magnesowania magnetowodu. W modelu matematycznym badanego silnika wykorzystano równania pola elektromagnetycznego, równania napiciowe opisujce trójfazowe ródło zasilania oraz równanie ruchu. Równania pola elektromagnetycznego s rozwizywane w dwóch układach współrzdnych: nieruchomym zwizanym ze stojanem i ruchomym zwizanym z wirnikiem. W czci polowej modelu wykorzystywana jest metoda elementów skoczonych [6]. Model silnika podzielono na obszary o rónej gstoci siatki elementów skoczonych. Najwiksz gsto tej siatki przyjto w strefach decydujcych o rozkładzie pola magnetycznego, tzn. szczelinie powietrznej, zbach i nabiegunnikach Rys. 1. Schemat magnetowodu silnika typu GAe 1716/2t; 1 wirnik, 2 wał, 3 uzwojenie rozruchowe (klatkowe), 4 stojan, 5 uzwojenie twornika, 6 - uzwojenie wzbudzenia W obliczeniach modelu polowego przyjto 4 wzłów. Dalsze zagszczanie siatki nie wpływało na dokładno odwzorowania analizowanych wielkoci natomiast znaczco wydłuało czas oblicze. Uzwojenia maszyny odwzorowano za pomoc odpowiednich wartoci rezystancji i indukcyjnoci (rys. 2 i 3). Dla uzwoje twornika i magnenicy przyjto stałe wartoci rezystancji R 1 oraz indukcyjnoci połcze czołowych L cz. Natomiast indukcyjnoci czci uzwoje umieszczonych w strefie łobkowej, twornika L A1, L B1, L C1, L A2, L B2, L C2 (rys. 3) oraz magne- nicy L 1, L 2 (rys.2) wyznaczane s w kadym kroku obliczenia polowego. Podobnie dla uzwojenia rozruchowego klatkowego parametry strefy połcze czołowych wyznaczono metod tradycyjn na podstawie wymiarów geometrycznych natomiast dla prtów w strefie łobkowej wyznaczane s z oblicze polowych. Warto rezystancji, zwierajcej obwód wzbudzenia podczas rozruchu, przyjto równ 1-cio 4 5 6

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/25 61 krotnej wartoci rezystancji uzwojenia wzbudzenia. T1 T2 T3 Lcz L1 Lcz' L2 Va Vb Vc R R' T4 T5 T6 Rys. 2. Cz obwodowa modelu: uzwojenie wzbudzenia Va Ll1 Vb Ll2 Vc Ll3 W modelu obwodowym umieszczono łczniki umoliwiajce przełczanie uzwoje warunkujce zmian liczby biegunów i prdkoci obrotowej silnika. W celu weryfikacji modelu obliczeniowego wykonano pomiary modelu fizycznego badanego silnika. Pomiary wykonano podczas rozruchu silnika, zmiany prdkoci obrotowej, synchronizacji oraz pracy ustalonej dla dwóch stanów obcienia: M obc =,4M n oraz M obc =,8M n. Wykorzystujc opracowany model polowo-obwodowy wykonano obliczenia dla takich samych stanów pracy badanego silnika. Porównanie wielkoci obliczonych i pomierzonych pozwala stwierdzi, e opracowany model polowo-obwodowy dwubiegowego silnika synchronicznego jest poprawny [8]. 3. Obliczenia synchronizacji Maksymaln warto polizgu s p, przy którym nastpuje pewna i szybka synchronizacja, dla dowolnej wartoci kta δ okrela zaleno [4]: s p <,564 (1/T m ) 1/2 (1) w której: T m - to elektromechaniczna stała czasowa układu napdowego, δ - kt midzy osi przepływu stojana a osi przepływu wirnika. Stała elektromechaniczna okrelana jest wzorem: T m = (J z n)/(3 M max ) (2) R1 LA1 Lcz1 R4 LA2 Lcz R2 LB1 Lcz2 R5 LB2 Lcz5 R3 LC1 Lcz3 R6 LC2 Lcz6 w którym: J z - to zastpczy moment bezwładno- ci, M max maksymalny moment synchroniczny przy danym prdzie wzbudzenia, n - prdko synchroniczna silnika. Zastpcza bezwładno układu napdowego analizowanego silnika wraz z wentylatorem typu WPK 5,3 wynosi J z 4 kg m 2. Obliczenia maksymalnego momentu synchronicznego M max wykonano wykorzystujc komercyjne oprogramowanie Quick Field. Dla przyjtej wartoci prdu wzbudzenia =n wyznaczona maksymalna warto tego momentu wynosi M max 5 knm. Obliczone wykresy wypadkowego momentu synchronicznego oraz momentu reluktancyjnego w funkcji połoenia wirnika przedstawiono na rysunku 4. Rys. 3. Cz obwodowa modelu: uzwojenie twornika

4 62 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/25 moment [Nm] Momet reluktancyjny Moment wypadkowy - inicjacji synchronizacji silnika w chwili, gdy warto napicia indukowanego na zaciskach uzwojenia wzbudzenia jest dodatnia a kta δ osiga warto blisk (-45) stopni (rys. 5), - inicjacji synchronizacji silnika w chwili, gdy warto napicia indukowanego na zaciskach uzwojenia wzbudzenia zmienia si z ujemnej na dodatni, co odpowiada ktowi δ (-18) stopni (rys. 6) kt połoenia wirnika [deg] Rys. 4. Zaleno wypadkowego momentu synchronicznego oraz momentu reluktancyjnego od połoenia wirnika dla p=1 Obliczona na postawie zalenoci (1) warto polizgu dla analizowanego silnika wynosi s p =,113. Natomiast wyznaczony na podstawie pomiarów modelu fizycznego polizg wpadu, przy którym ustala si praca asynchroniczna silnika, przy M obc =,4M n, wynosi s w =,133. Stała czasowa obwodu wzbudzenia wyznaczona obliczeniowo wynosi 2,5 sek. Tak długi czas narastania prdu wzbudzenia powoduje, e warto powstajcego momentu dynamicznego moe by zbyt mała by przyspieszy wirnik do prdkoci synchronicznej zanim kt mocy osignie warto krytyczn. Obliczona z rozwizania magnetostatycznego w programie QuickField, warto krytycznego kta mocy wynosi dla tej prdkoci wirowania silnika 75 stopni. Wykorzystujc opracowany model polowo-obwodowy wykonano obliczenia procesu synchronizacji badanego silnika dwubiegowego. W symulacjach załoono znamionow warto napicia zasilania, znamionow warto napicia wzbudzenia =n oraz warto momentu obcienia równ M obc =,4M n. Na rysunkach 5 i 6 pokazano obliczone przebiegi prdu fazy A twornika, prdu wzbudzenia oraz napicia na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego i prdkoci obrotowej podczas synchronizacji silnika przy mniejszej prdkoci obrotowej. Lini przerywan zaznaczono chwil rozpoczcia procesu synchronizacji silnika. Na rysunkach pokazano dwa przypadki synchronizacji dla: Rys. 5. Synchronizacja silnika rozpoczta dla wartoci kta δ bliskiej(-45) deg: prd fazy A twornika, prd wzbudzenia, napicie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, prdko obrotowa, moment elektromagnetyczny

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/ Rys. 6. Synchronizacja silnika w chwili zmiany napicia uzwojenia wzbudzenia z wartoci ujemnej na dodatni, kt δ (-18) deg : prd fazy A twornika, prd wzbudzenia, napicie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia,, prdko obrotowa moment elektromagnetyczny Na podstawie wyników oblicze mona stwierdzi, e rozpoczcie synchronizacji w zakresie ujemnej wartoci kta δ, od (-18) do stopni, zwiksza pewno synchronizacji i łagodzi jej przebieg. Pulsacje momentu elektromagnetycznego oraz prdów stojana s mniejsze i mniejszy jest równie czas synchronizacji. Dla przejtego w symulacjach momentu obcienia M obc =,4M n, (wystpujcego w rzeczywistym układzie napdowym wentylator, mona zrezygnowa z forsowania prdu wzbudzenia a tym samym zmniejszy moc urzdze zasilajcych uzwojenie wzbudzenia. Dla wikszego momentu obcienia M obc >,4M n, naley zwikszy napicie wzbudzenia powyej znamionowego n. Na rysunku 7 pokazano obliczone przebiegi prdu fazy A twornika, prdu wzbudzenia oraz napicia na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego i prdko- ci obrotowej podczas synchronizacji rozpocztej dla wartoci kta δ bliskiej (-18) stopni i napicia zasilania uzwojenia wzbudzenia =18 V Rys. 7. Synchronizacja silnika w chwili zmiany napicia uzwojenia wzbudzenia z wartoci ujemnej na dodatni, kt δ(-18) deg : prd fazy A twornika, prd wzbudzenia, napicie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia,, prdko obrotowa moment elektromagnetyczny Wiksza warto napicia stałego zasilajcego uzwojenie wzbudzenia pozwala przeforsowa indukowane napicie przemienne i wymusi odpowiedni przepływ prdu wzbudzenia. Zał-

6 64 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 71/25 czenie takiego napicia przy duym ujemnym kcie δ wytwarza moment hamujcy o znaczcej wartoci w stosunku do wypadkowego momentu asynchronicznego silnika, powiksza po- lizg a synchronizacja odbywa si przy duych pulsacjach momentu elektromagnetycznego. Ma to niekorzystny wpływ na eksploatacj układu napdowego ze wzgldu na wystpowanie udarów mechanicznych na wale Rys. 8. Synchronizacja silnika rozpoczta dla wartoci kta δ bliskiej(-45) deg: prd fazy A twornika, prd wzbudzenia, napicie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, prdko obrotowa, moment elektromagnetyczny Na rysunku 8 pokazano obliczone przebiegi prdu fazy A twornika, prdu wzbudzenia oraz napicia na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego i prdkoci obrotowej podczas synchronizacji rozpocztej dla wartoci kta δ bliskiej (-45) stopni i napiciu wzbudzenia U W =18 V. Rozpoczcie synchronizacji w przyjtej chwili pozwala przeforsowa napicie przemienne a warto powstajcego momentu hamujcego nie ma istotnego wpływu na przebieg procesu. Wystpujcy wzrost momentu dynamicznego zapewnia skuteczn synchronizacj. 4. Wnioski Na podstawie wykonanych oblicze polowoobwodowych pokazano, e doborem odpowiedniej chwili załczenia napicia wzbudzenia rozpoczynajcej proces synchronizacji mona łagodzi przebiegi dynamiczne, zapewni skuteczn synchronizacj silnika bez forsowania napicia wzbudzenia. Zwikszenie wartoci napicia wzbudzenia umoliwia synchronizacj silnika niezalenie od pocztkowej chwili inicjacji tego procesu, ale powstaj wówczas wiksze pulsacje momentu elektromagnetycznego, prdów stojana i prdkoci chwilowej oraz zwiksza si czas trwania tego procesu. 5. Literatura [1]. Antal L., Zawilak J.:Moment dwubiegowego silnika synchronicznego o przełczalnych uzwojeniach twornika i magnenicy, SME 23, Gdask Jurata, June 9 11, 23, s. 8. [2]. Antal L., Zawilak J.: Pole magnetyczne synchronicznego silnika jawnobiegunowego o dwóch prdkociach obrotowych, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 44, Studia i Mat. nr 19, [3]. Antal L., Zawilak J.: Wyniki bada dwubiegowego silnika synchronicznego, Masz. Elektr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 24, nr 68. [4]. Bielawski S., Teoria napdu elektrycznego, WNT Warszawa [5]. Paszek W.: Dynamika maszyn elektrycznych prdu przemiennego, Wydawnictwo Helion, Gliwice 1998r. [6]. Terra Analysis Company, QuickField Finite Element Analysis System v.5.1, User s Guide, 24 [7]. Zawilak J.: Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prdu przemiennego., Prace Naukowe IMiNE. PWr [8]. Zalas P., Zawilak J.: Synchronizacja silników synchronicznych. Wybór chwili załczenia prdu wzbudzenia, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 54, Studia i Materiały nr 23, 23. Autorzy Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napdów i Pomiarów Elektrycznych Wybrzee Wyspiaskiego 27, Wrocław pawel.zalas@pwr.wroc.pl jan.zawilak@pwr.wroc.pl