MODEL DO OBLICZEŃ SPRAWNOŚCI SILNIKA ELEKTRYCZNEGO GÓRNICZEGO

Transkrypt

1 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Prblemwe Nr 1/019 (11) 7 Rman Krk Plitechnika Śląska, liwice MODEL DO OBLICZEŃ SPRAWNOŚCI SILNIKA ELEKTRYCZNEO ÓRNICZEO MODEL FOR CALCULATIN EFFICIENCY OF MINE ELECTRIC MOTOR Streszczenie: W artykule przedstawin mdel silnika elektryczneg górniczeg chłdzneg wdą d bliczeń sprawnści energetycznej. D jeg pracwania wykrzystan autrską metdę zmdyfikwanych sieci cieplnych. W elementach knstrukcyjnych silnika elektryczneg dużej mcy chłdzneg wdą występuje bardz duża nierównmiernść rzkładu temperatury ptwierdzna zarówn pmiarami, jak i bliczeniami. W utwrznym mdelu silnika indukcyjneg straty mcy w uzwjeniu stjana raz w klatce wirnika bliczne są przy uwzględnieniu występująceg w nich rzkładu temperatury. Przy sprządzaniu bilansu mcy czynnej i strat uwzględnin również straty mcy w pakietwanym rdzeniu stjana raz straty w łżyskach i straty wentylacyjne. Za pmcą mdelu mżna bliczyć sprawnść energetyczną silnika elektryczneg w warunkach panujących w pdziemiach kpalń przy zadanej temperaturze wltwej wdy i temperaturze tczenia raz zadanym wydatku wdy chłdzącej. Przykładwe bliczenia sprawnści energetycznej raz pla temperatury wyknan dla silnika elektryczneg górniczeg mcy 400 kw i napięciu znaminwym 00 V. Wyknany na pdstawie mdelu prgram kmputerwy mże być wykrzystany w systemach kmputerweg wspmagania prjektwania nwych energszczędnych silników elektrycznych górniczych. Abstract: Mdel f water-cled mine electric mtr is presented in the paper. This mdel has been created n the basis f authr s wn methd f mdified thermal netwrks in rder t calculate pwer efficiency. When cnstructinal elements f high pwer water-cled electric mtr are investigated, we bserve high nn-unifrmity f temperature distributin, this is verified by calculatins and eperiments bth. In the presented inductin mtr mdel, the pwer lsses in statr winding and rtr cage are calculated taking int accunt the actual temperature distributin. In the pwer balance (active pwer/pwer lsses) the pwer lsses in the laminated statr cre, bearing lsses and windage lsses have als been cnsidered. With the help f this mdel it is pssible t calculate pwer efficiency f electric mtr under the cnditins ccurring dwn the cal mine at a given temperature f inlet water and ambient temperature and at a given clant flw rate. The calculatin eamples f pwer efficiency and temperature field have been cnducted fr mine electric mtr rated at 400 kw and 00 V. The cmputer sftware develped n the basis f the mdel may be used in cmputer-assisted design f new energy-saving mine electric mtrs. Słwa kluczwe: sprawnść silnika elektryczneg, schemat cieplny, wspmaganie prjektwania maszyn elektrycznych Keywrds: electric mtr efficiency, thermal diagram, cmputer-assisted design f electrical machines 1. Wstęp W nwczesnych silnikach elektrycznych stsuje się innwacyjne rzwiązania umżliwiające znaczną pprawę sprawnści energetycznej pprzez zmniejszenie strat mcy. Prace prjektwe nad nwymi rzwiązaniami knstrukcyjnymi wymagają pracwania dkładnych mdeli d bliczeń sprawnści silnika. Wyznaczenie strat mcy w elementach silnika elektryczneg górniczeg jest szczególnie trudne. Straty mcy w uzwjeniach zależą d ich temperatury, zaś różnica pmiędzy maksymalną i minimalną temperaturą w uzwjeniach wynsi kilkanaście, a czasami nawet kilkadziesiąt C. Mdele silników elektrycznych górniczych sprządzne na bazie autrskiej metdy zmdyfikwanych sieci cieplnych [1, ] umżliwiają bliczenie strat mcy w pszczególnych elementach w pwiązaniu z plem temperatury. W ten spsób uzyskan dużą dkładnść bliczeń sprawnści energetycznej silnika. Metda sieci cieplnych w ujęciu klasycznym [3, 4, 5] umżliwia jedynie szacwanie średniej temperatury elementów silnika, c w przypadku dużych silników elektrycznych górniczych nie zapewnia uzyskania dużej dkładnści bliczeń strat mcy raz sprawnści.

2 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Prblemwe Nr 1/019 (11). Metda zmdyfikwanych sieci cieplnych W celu utwrzenia zmdyfikwanej sieci cieplnej dla stanu ustalneg elementy silnika elektryczneg (przewdy uzwjenia stjana, pręty klatki wirnika, pakietwany rdzeń, kadłub itd.) dzieli się na bszary różnicwe (rys. 1), a następnie każdemu z nich zstaje przyprządkwany węzeł cieplny. Węzły sieci cieplnej płączne są przewdnściami cieplnymi. i-1 i i+1 (i) P (i) (i+1) P(i+1) Rys. 1. Fragment zmdyfikwanej sieci cieplnej dla elementu silnika elektryczneg Przewdnść dla strumienia ciepła przepływająceg na skutek przewdzenia pmiędzy sąsiadującymi bszarami różnicwymi wyznaczn z zależnści: F Δ, (1) gdzie: przewdnść cieplna właściwa materiału, z któreg wyknany jest element w kierunku si, F ple pwierzchni ścianki ddzielającej sąsiadujące bszary. Przewdnść dla strumienia ciepła dprwadzaneg z pwierzchni ścianki bszaru różnicweg d mywająceg ją medium chłdząceg wyznaczn z zależnści: k k F, () gdzie: k współczynnik dprwadzania ciepła, F ple pwierzchni ścianki bszaru, z której ciepł jest dprwadzane d mywająceg ją medium chłdząceg. W węzłach reprezentujących bszary różnicwe wydzielne wewnątrz przewdów uzwjenia występują straty mcy zależne d temperatury: P ( 1( )), P kd j V, (3) ( i) P i gdzie: P straty mcy w wydzielnych bszarach w temperaturze dniesienia (przyjęt temperaturę dniesienia 0C), temperaturwy F współczynnik zmiany rezystancji materiału, z któreg wyknane jest uzwjenie; (i) średnia temperatura i- teg bszaru, k d współczynnik strat ddatkwych, j średnia gęstść prądu w uzwjeniu, ρ rezystywnść materiału, z któreg wyknane jest uzwjenie w temperaturze dniesienia; V bjętść wydzielnych bszarów różnicwych. Ddatkw zstała pracwana ryginalna sieć cieplna dla strugi cieczy lub gazu przepływająceg w kanałach chłdzących silnika elektryczneg. Występują w niej umwne siły prądmtryczne (rys. ), wydatkach równych mcm cieplnym unsznym przez strugę medium chłdząceg przepływająceg w kanale: P m( i) mc, (4) p m( i) gdzie: m strumień masy medium chłdząceg, c p ciepł właściwe medium przy stałym ciśnieniu, m( i) średnia temperatura medium w i- tym bszarze różnicwym wydzielnym wewnątrz kanału. Rys.. Fragment zmdyfikwanej sieci cieplnej dla strugi medium chłdząceg przepływająceg w kanale 3. Budwa silnika mcy 400 kw Obliczenia przeprwadzn dla silnika klatkweg mcy 400 kw ze spiralnym kanałem wdnym w kadłubie (rys. 3). Wda wpływa d kadłuba p strnie napędwej, zaś wypływa p strnie przeciwnapędwej. Obszar wewnątrz kadłuba, w którym przepływa wda graniczny jest dwiema rurami, zaś przepływ wdy

3 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Prblemwe Nr 1/019 (11) 9 p trze spiralnym dbywa się dzięki przegrdm przyspawanym d rury wewnętrznej. przegrdy przyspawane d rury wewnętrznej wlt wdy wylt wdy rura zewnętrzna kierynek przepływu wdy rura wewnętrzna Rys. 3. Schemat przepływu wdy w kadłubie silnika elektryczneg W rzpatrywanym silniku występuje wewnętrzna cyrkulacja pwietrza. Na rysunku 4 strzałkami znaczn kierunki przepływu pwietrza wymuszneg przez prmieniwy wentylatr sadzny na wale p strnie przeciwnapędwej. Pwietrze chłdzi się przepływając kanałami psiwymi w kadłubie raz nagrzewa się przepływając kanałami psiwymi w rdzeniu wirnika. Elementy silnika elektryczneg birące udział w wymianie ciepła pnumerwan: słna gniszczelna (budwa silnika) - 1, siwe pwietrzne kanały wentylacyjne w kadłubie, rura zewnętrzna w chłdnicy wdnej w kadłubie 3, spiralny kanał wdny w kadłubie 4, rura wewnętrzna w chłdnicy wdnej w kadłubie 5, rdzeń stjana 6, część żłbkwa uzwjenia stjana 7, pręty klatki wirnika, rdzeń wirnika 9, siwe pwietrzne kanały wentylacyjne w rdzeniu wirnika, wał 11, tarcze łżyskwe 1, pwietrze wewnątrz silnika 13, czła uzwjenia stjana 14, pierścienie zwierające klatkę wirnika 15. numeracja bszarów różnicwych w kierunku siwym k-1 k k (N) (P) Rys. 4. Przekrój silnika elektryczneg mcy 400 kw z kadłubem chłdznym wdą 4. Sieć cieplna dla silnika mcy 400 kw Zmdyfikwana sieć cieplna utwrzna dla rzpatrywaneg silnika elektryczneg (rys. 5) zawiera 15 węzłów. Pwstała na w wyniku galwaniczneg płączenia elementarnych zastępczych schematów cieplnych przyprządkwanych bszarm wydzielnym wewnątrz ele-

4 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Prblemwe Nr 1/019 (11) mentów knstrukcyjnych (rys. 1) raz wewnątrz kanałów chłdzących (rys. ). W wyniku zastswania metdy ptencjałów węzłwych (tutaj temperatur węzłwych) d rzwiązania sieci cieplnej trzyman układ równań algebraicznych, pisujący ple temperatury w silniku elektrycznym. pdział elementów silnika na bszary w kierunku siwym k-1 k -szy bszar -ty bszar numer elementu pdzielneg na bszary Rys. 5. Zmdyfikwana sieć cieplna dla silnika elektryczneg mcy 400 kw Obliczenie sprawnści silnika Sprawnść energetyczna silnika: Pu % 0%, (5) P P u gdzie: P u - mc użyteczna, P - całkwite straty mcy w silniku. Całkwite straty mcy wyznaczn ze wzru: PPu1 Pu PFe Ps Pw, (6) gdzie: P u 1, P u 1 - straty mcy dpwiedni w uzwjeniu stjana i wirnika, PFe - straty mcy w rdzeniu, Ps - straty mcy w łżyskach, Pw - straty wentylacyjne. Straty mcy w uzwjeniu stjana i klatce wirnika zależne d temperatury wyznaczn sumując straty w węzłach sieci cieplnej bliczne z zależnści (3). Strat mcy w rdzeniu, w łżyskach raz wentylacyjne bliczn na pdstawie zależnści pdanych w pracy [6]. 6. Wyniki bliczeń silnika mcy 400 kw Badania silnika elektryczneg wyknan zakładając znaminwe warunki zasilania i bciążenia. Temperatura wdy chłdzącej wpływającej d kadłuba wynsi 5C, zaś temperatura tczenia wynsi 30C. Wydatek wdy w chłdnicy wdnej w kadłubie jest równy 15 litrów/min. Na rysunku 6 przedstawin bliczny rzkład temperatury w przewdach uzwjenia stjana silnika elektryczneg. Najwyższa temperatura występuje w śrdku czół uzwjenia stjana p strnie przeciwnapędwej i wynsi 6,5C. Różnica pmiędzy maksymalną i minimalną temperaturą w uzwjeniu stjana silnika wynsi 14,9C.

5 Maszyny Elektryczne - Zeszyty Prblemwe Nr 1/019 (11) 11 temperatura, C czła uzwjenia p strnie napędwej Rys. 6. Rzkład temperatury w uzwjeniu stjana silnika elektryczneg w znaminwym stanie pracy W labratrium wyknan pmiary cieplne dwóch silników elektrycznych przy różnych bciążeniach. Największa różnica pmiędzy maksymalną temperaturą czół uzwjenia stjana silnika zmierzną czujnikiem raz uzyskaną z bliczeń wynsi 1,3C. Całkwite straty mcy w silniku elektrycznym w znaminwym stanie pracy wynszą 14,4 kw, czemu dpwiada sprawnść energetyczna silnika elektryczneg 96,4%. 7. Pdsumwanie część żłbkwa uzwjenia czła uzwjenia p strnie przeciwnapędwej numer bszaru różnicweg Obecnie prwadzne są intensywne prace badawcze mające na celu pracwanie nwych serii wysksprawnych silników elektrycznych. Wymaga t pracwania prgramów kmputerwych d wyznaczania z dużą dkładnścią sprawnści energetycznej różnych typów silników elektrycznych. Obliczenie sprawnści dużych silników elektrycznych górniczych jest szczególnie trudne. Prblemem jest bardz skmplikwana knstrukcja silnika raz duża nierównmiernść rzkładu temperatury, którą należy dwzrwać w celu dkładneg kreślenia strat mcy. Prgramy kmputerwe d bliczeń sprawnści silników elektrycznych z chłdnicami wdnymi w kadłubie bazujące na autrskiej metdzie zmdyfikwanych sieci cieplnych umżliwiają bliczenie sprawnści przy wykrzystaniu dwzrwaneg z dużą dkładnścią pla temperatury. Mżna je wykrzystać w systemach kmputerweg wspmagania prjektwania nwych energszczędnych silników elektrycznych chłdznych wdą przeznacznych d pracy w pdziemiach kpalń.. Literatura [1]. R. Krk "Sieci cieplne w mdelwaniu pla temperatury w maszynach elektrycznych prądu przemienneg", Mngrafia habilitacyjna, Wydawnictw Plitechniki Śląskiej, liwice, 0. []. R. Krk "Electric mine mtr thermal mdels aiding and setting thermal prtectins", Bulletin f the Plish Academy f Sciences, Technical Sciences, Vl. 60, N. 1, s. 3-1, 01. [3]. J. Muksiej "Universal prgram fr thermal calculatin f electric machines by the methd f equivalent thermal netwrks (ETN)", Prceedings f ICEM 96, Vig (Spain), s , [4].. Swift, T. S. Mlinski, W. Lehn "A fundamental apprach t transfrmer thermal mdeling Part I: Thery and equivalent circuit", IEEE Transactins n Pwer Delivery, N 16, s , 001. [5]. R. Krk "Badanie wpływu temperatury tczenia na sprawnść silnika indukcyjneg", Maszyny Elektryczne - Zeszyty Prblemwe, nr 11, str. 19-, 01. [6]. M. Dąbrwski "Prjektwanie maszyn elektrycznych", WNT, Warszawa, Autr dr hab. inż. Rman Krk, prf. PŚ Instytut Elektrtechniki i Infrmatyki Plitechniki Śląskiej, ul. Akademicka, 44-0 liwice, rman.krk@plsl.pl