WPŁYW PODHARMONICZNYCH NA OBCIĄŻENIE CIEPLNE SILNIKA INDUKCYJNEGO

Transkrypt

1 97 Piotr Gnaciński, Marcin Pepliński, Mariusz Szweda Akademia Morska, Gdynia WPŁYW PODHARMONICZNYCH NA OBCIĄŻENIE CIEPLNE SILNIKA INDUKCYJNEGO INFLUENCE OF SUBHARMONICS ON THERMAL LOADS OF AN INDUCTION MACHINE Abstract: One of most important energy receivers is an induction cage machine. It can work properly provided that it is supplied with balanced, sinusoidal voltage of appropriate frequency and rms value. Presence of any power quality disturbances leads to additional power losses and to an increase in windings temperature. Higher temperature of windings means faster aging of insulation system. Consequently, power disturbances may cause premature destruction of a machine. One of power quality disturbances that may result in machine overheating, are subharmonics. Their thermal impact on an induction cage machine was usually investigated with simulation method that has been not verified in the previous works. In this paper results of thermal calculations were compared with results of measurements. It was pointed out that the method used in previous works for calculations of thermal impact of subharmonics, causes underestimation of windings temperature. 1. Wstęp Jednym z najważniejszych odbiorników energii elektrycznej jest silnik indukcyjny klatkowy. Szacuje się, że silniki indukcyjne klatkowe zużywają ok. 2/3 wyprodukowanej na świecie energii elektrycznej. Ze względu na powszechne wykorzystanie silników klatkowych, ich trwałość i niezawodność ma ogromne znaczenie w różnego rodzaju procesach przemysłowych. Wprawdzie silnik asynchroniczny klatkowy charakteryzuje się dużą trwałością i niezawodnością, niemniej, warunkiem jego poprawnej pracy jest odpowiednia jakość napięcia zasilającego. W praktyce, silnik powinien być zasilany symetrycznym, sinusoidalnym napięciem o odpowiedniej częstotliwości i wartości skutecznej. Pojawienie się jakichkolwiek zaburzeń w sieci zasilającej odchylenia częstotliwości lub wartości skutecznej napięcia zasilania, asymetrii oraz odkształcenia krzywej przebiegu czasowego od przebiegu sinusoidalnego prowadzi do wzrostu strat w maszynie, i w efekcie do wzrostu temperatury uzwojeń [6, 7, 8, 9, 14]. Wyższa temperatura uzwojeń powoduje szybsze starzenie się układu izolacyjnego silnika. Należy podkreślić, że dla większości materiałów izolacyjnych wzrost temperatury uzwojeń o każde 8-11oK podwaja szybkość starzenia się cieplnego układu izolacyjnego [14]. W konsekwencji, zasilanie napięciem o zaniżonej jakości może prowadzić do znaczącego zmniejszenia trwałości, niezawodności i obciążalności maszyny [6, 8, 9, 14]. Jednym z zaburzeń jakości napięcia, powodujących znaczący wzrost temperatury uzwojeń, są subharmoniczne. Ich obecność w napięciu zasilającym wiąże się z pracą takich urządzeń, jak [3]: - pieców łukowych, - generatorów napędzanych wiatrakami, - automatycznych linii spawalniczych, - silników pracujących z obciążeniem okresowo-zmiennym, - niektórych urządzeń energoelektronicznych. W niektórych systemach elektroenergetycznych może występować znaczący poziom subharmonicznych. Przykładowo, w pracy Barrosa et al [17] odnotowano znaczące poziomy subharmonicznych w budynku z dużą liczbą odbiorników nieliniowych, zlokalizowanym w pobliżu stalowni. Maksymalna wartość pierwiastka z sumy kwadratów subharmonicznych o częstotliwości 5, 10, Hz wynosiła 1,67% amplitudy podstawowej harmonicznej (przy 10-minutowym czasie agregacji), a wartość średnia 0,48% (w tygodniowym horyzoncie czasowym). Należy podkreślić, że dominowała składowa o częstotliwości 45 Hz. 2. Stan wiedzy Wpływ subharmonicznych na straty mocy, prądy, momenty pasożytnicze oraz strumień w silniku indukcyjnym analizowano w pracach [3, 5, 10, 11, 13, 15, 16]. Między innymi, w pracy [10] wykazano doświadczalnie, że subharmo-

2 98 niczne mają znacznie mniejszy wpływ na wzrost strumienia w maszynie niż wynikający z dotychczasowych analiz teoretycznych [2]. Wpływ subharmonicznych na temperaturę uzwojeń silnika indukcyjnego oraz starzenie cieplne układu izolacyjnego przedstawiono w pracach [1, 2, 4, 7]. W pracy [5] zamieszczono zmierzone przyrosty temperatury dla subharmonicznych o częstotliwości % fn. Z kolei w pracy autorów tego artykułu, przedstawiono wyniki pomiarów dla subharmonicznej o częstotliwości 5 Hz. W pracach Abreu i Emanuela [1, 3] przedstawiono wstępne wyniki obliczeń dotyczące wpływu subharmonicznych na obciążenia cieplne układu izolacyjnego silnika. W literaturze przedmiotu, najbardziej kompletną analizę wpływu subharmonicznych na obciążenia cieplne silnika indukcyjnego zamieszczono w pracy de Abreu i Emanuela [2]. Przedstawiono wyniki obliczeń dotyczące starzenia cieplnego układu izolacyjnego różnych silników o mocy od 1,5 do 75 kw, przy czym badania dotyczące subharmonicznych ograniczono do częstotliwości wynoszącej 50% fn i 10% fn. Stwierdzono, że obecność subharmonicznych w napięciu zasilającym może w przypadku niektórych silników (szczególnie większej mocy) prowadzić do bardzo drastycznego zmniejszenia czasu życia maszyny. Wg [2] subharmoniczna rzędu h = 0,1, o amplitudzie równej 1% podstawowej harmonicznej napięcia, może spowodować 10-krotne skrócenie czasu życia przykładowego silnika o mocy 75 kw. Należy jednak zauważyć, że de Abreu et al nie przedstawili weryfikacji eksperymentalnej wykorzystanego modelu silnika. Co więcej, w pracy [2] nie zamieszczono nawet samego modelu silnika dla subharmonicznych (zamieszczono jedynie model dla harmonicznych i asymetrii napięć), można jedynie domniemać, że posłużono się modelem z wcześniejszej pracy de Abreu et al [3]. W danym modelu, dodatkowe straty mocy w uzwojeniach stojana Ps, spowodowane przez subharmoniczne napięcia, wyznacza się jako równe [3]: Ps 3Rs K sh I h2 (1) gdzie: Rs rezystancja fazowa uzwojeń stojana, Ksh współczynnik wzrostu rezystancji uzwojeń w wyniku wypierania prądu (dla subharmonicznych Ksh 1,0), Ih prąd h-tej subharmonicznej. Z kolei prądy subharmoniczne oblicza się z zależności słusznych dla schematu zastępczego przedstawionego na rysunku 1. rsh uh x sh x rh x mh rrh/s h Rys. 1. Schemat zastępczy wykorzystywany przy analizie prądów harmonicznych i subharmonicznych w silniku asynchronicznym [4] Analogiczne zależności [4, 5] wykorzystano w pracy [5] w celu obliczenia strat spowodowanych przez subharmoniczne. Należy zauważyć, że w rozważanym modelu pominięto wpływ subharmonicznych na wahania prędkości obrotowej wału, wzrost prądu magnesującego podstawowej harmonicznej, a także wpływ momentów pasożytniczych na prądy i straty mocy w maszynie. Wpływ subharmonicznych na wahania prędkości obrotowej wału, prąd magnesujący oraz moment obrotowy silnika uwzględniono w artykułach Tennakoona et al [15]. Należy zauważyć, że w pracach Tennakoona et al [15, 16] ograniczono się do analizy wpływu subharmonicznych i interharmonicznych na prądy oraz nie dokonano weryfikacji eksperymentalnej modelu silnika. Należy również podkreślić, że wg obliczeń Tennakoona et al. [15] subharmoniczne o kolejności zgodnej i częstotliwości zbliżonej do częstotliwości podstawowej harmonicznej napięcia, mogą powodować przepływ znaczących prądów subharmonicznych oraz prądów interharmonicznych. Przepływ prądów interharmonicznych w silniku zasilanym napięciem zawierającym subharmoniczne wynika z wahań prędkości obrotowej wału. Natomiast wg obliczeń w oparciu o modele prezentowane w pracach de Abreu i Fusch et al [3, 4, 5], prądy o częstotliwości subharmonicznej i spowodowane przez nie dodatkowe straty mocy, przyjmują stosunkowo niewielkie wartości dla subharmonicznych o kolejności zgodnej i częstotliwości większej niż ok. 80% fn. Porównanie wyników obliczeń wykonanych w oparciu o modele de Abreu i Fuchs et al [3, 4, 5] oraz przedstawionych w pracach Tennakoona et al. [15, 16] stawia pod znakiem zapytania wiary-

3 99 godność badań symulacyjnych przedstawionych w pracach de Abreu et al [1, 2, 3], a tym samym dotychczasowy stan wiedzy dotyczący wpływu subharmonicznych na obciążenia cieplne silników indukcyjnych. 3. Wyniki badań eksperymentalnych W celu oceny przydatności modelu przedstawionego w pracach de Abreu, Fuchs et al [3, 4, 5], wykonano odpowiednie badania eksperymentalne. Do badań tych użyto 4-biegunowego silnika indukcyjnego budowy zamkniętej typu mszje34a o mocy 3 kw obciążonego prądnicą prądu stałego. Silnik ten posiada wbudowane termopary rozlokowane w różnych jego częściach: w czołach i w części żłobkowej uzwojeń stojana, w rdzeniu stojana w zębie i jarzmie oraz na obudowie. Rozlokowanie termopar w badanym silniku przedstawiono na rysunku 2, a opis ich umiejscowienia zebrano w tabeli 1. Parametry badanej maszyny prezentowano w pracy [7]. Badany silnik może być zasilany z wielomaszynowego układu do generowania subharmonicznych. W jego skład wchodzą dwie prądnice synchroniczne jawnobiegunowe, połączone jak na rysunku 3 (układ połączeń zaczerpnięto z pracy [12]). W celu generowania subharmonicznych, jedną prądnicę synchroniczną należy napędzać z prędkością odpowiadającą częstotliwości podstawowej harmonicznej, a drugą z prędkością odpowiadającą częstotliwości składowej subharmonicznej. Podstawową wadą prezentowanego układu z prądnicami jawnobiegunowymi jest relatywnie wysoki poziom subharmonicznych, nawet przy całkowitym odwzbudzeniu i rozmagnesowaniu jednej z maszyn. W efekcie, niektóre próby należało przerwać przed osiągnięciem stanu równowagi cieplnej z powodu przegrzania badanego silnika. Pomiaru zawartości subharmonicznych, w przebiegu napięcia zasilającego badany silnik, dokonano za pomocą komputerowego analizatora jakości energii, opracowanego w Katedrze Elektroenergetyki Okrętowej Akademii Morskiej w Gdyni. Schemat stanowiska pomiarowego przedstawiono na rysunku 3. układ wielomaszynowy do generowania podharmonicznych komputerowy analizator jakości energii elektrycznej Rys. 2. Rozmieszczenie termopar w badanym silniku indukcyjnym mszje34a Tabela 1. Rozlokowanie termopar w badanym silniku indukcyjnym typu mszje34a numer termopary umiejscowienie czoła uzwojeń stojana (strona napędowa) czoła uzwojeń stojana (strona przeciwnapędowa) uzwojenia stojana część żłobkowa zęby stojana jarzmo stojana łożyska obudowa powietrze wewnątrz maszyny napięcie zasilające R silnik mszje4a Rys. 3. Schemat stanowiska pomiarowego W celu zbadania wpływu subharmonicznych na badany silnik indukcyjny wykonano dwie próby cieplne: przy zasilaniu go napięciem zawierającym podharmoniczne oraz przy zasilaniu napięciem znamionowym (test referencyjny). W pierwszym teście maszyna była zasilana napięciem zawierającym podharmoniczną o kolejności zgodnej o częstotliwości 40 Hz (80% częstotliwości znamionowej) i amplitudzie wynoszącej 9,6% amplitudy podstawowej harmonicznej napięcia. W obydwu testach maszyna

4 100 była badana przy znamionowej wartości harmonicznej podstawowej napięcia, znamionowej częstotliwości i znamionowym momencie obciążenia. Ponadto należy nadmienić, że obie próby zostały przeprowadzone w tych samych warunkach, przy tym samym ciśnieniu atmosferycznym i temperaturze otoczenia. Uzyskane rozkłady przyrostów temperatury badanego silnika indukcyjnego przy zasilaniu napięciem znamionowym i napięciem zawierającym badaną podharmoniczną pokazano na rysunkach 4 i 5. Rys. 4. Rozkład temperatur silnika indukcyjnego typu mszje34a zmierzony podczas próby przy zasilaniu napięciem znamionowym Rys. 5. Rozkład temperatur silnika indukcyjnego typu mszje34a zmierzony przy zasilaniu napięciem zawierającym subharmoniczną (f1 = fn =50 Hz, U1 = Ur = 380 V, M = Mr) Dla uzwojeń stojana obecność subharmonicznej w napięciu zasilającym spowodowała dodatkowy przyrost temperatury, równy ok oK. Z kolei w rdzeniu stojana przyrosty temperatur są większe od 12-24oK niż przy zasilaniu znamionowym. Natomiast dodatkowy przyrost temperatury czół uzwojeń, oszacowany na podstawie obliczeń opartych o model przedstawiony w pracy de Abreu et al [3] oraz metody obliczeń cieplnych prezentowanej w [7], wynosi ok. 15oK (przy uwzględnieniu momentu pasożytniczego). Biorąc pod uwagę porównanie wyników pomiarów i obliczeń, należy uznać subharmoniczne za znacznie bardziej niebezpieczne niż wynikało to z dotychczasowych rozważań teoretycznych [1, 2, 3] oraz bardzo ograniczonych badań eksperymentalnych [5, 11]. 4. Wnioski Przeprowadzone przez autorów badania eksperymentalne oraz obliczenia cieplne wykazały, że stosowane w poprzednich pracach metody analizy silnika indukcyjnego zasilanego napięciem zawierającym subharmoniczne prowadzą do znaczącego niedoszacowania temperatury uzwojeń. Jednocześnie istnieje uzasadniona potrzeba prowadzenia dalszych pogłębionych analiz dotyczących wpływu subharmonicznych na obciążenia cieplne silnika indukcyjnego. Przewiduje się wykonanie badań doświadczalnych oraz badań symulacyjnych w oparciu o odpowiedni model maszyny. 5. Literatura [1] de Abreu J. P. G., Emanuel A. E.: Induction motor loss of life due to voltage imbalance and harmonics: a preliminary study. in Proc. of 9th International Conference on Harmonics and Quality of Power, Orlando, USA, Florida, 1-4 Oct. 2000, vol. 1, pp [2] de Abreu J. P. G., Emanuel A. E.: Induction motor thermal aging caused by voltage distortion and imbalance: loss of useful life and its estimated costs. IEEE Trans. on Industry Applications, vol. 38, pp , Jan./Febr [3] de Abreu J. P. G., Emanuel A. E.:The need to limit subharmonics injection. in Proc. of 9th International Conference on Harmonics and Quality of Power, Orlando, USA, Florida, 1-4 Oct. 2000, vol. 1, pp [4] Fuchs E. F., Roesler D. J., Kvacs K. P.: Aging of electrical appliances due to harmonics of the power system voltage: IEEE Trans. on Power Delivery, vol. PWRD-1, no. 3, Jul. 1986, pp [5] Fuchs E. F., Roesler D. J., Masoum M. A. S.: Are harmonics recommendations according to IEEE and IEC too restrictive? IEEE Trans. on Power Delivery 2004; 19(4): [6] Gnaciński P.: Effect of unbalanced voltage on windings temperature, operational life and load carrying capacity of induction machine. Energy Conversion and Management, vol. 49, no 4, pp , Apr. 2008, doi / j.enconman

5 [7] Gnaciński P: Prediction of windings temperature rise in induction motors supplied with distorted voltage. Energy Conversion and Management, vol. 49, no 4, pp , Apr. 2008, doi / j.enconman [8] Gnacinski P.: Windings temperature and loss of life of an induction machine under voltage unbalance combined with over or undervoltages. IEEE Trans. on Energy Conversion, vol. 23, no. 2, June 2008, pp , DOI /TEC [9] Gnaciński P., Mindykowski J., Tarasiuk T.: A new concept of the power quality temperature factor and its experimental verification. IEEE Trans. on Instrumentation and Measurement, vol. 57 no. 8, Aug. 2008, pp.: [10] Gnaciński P., Pepliński M., Szweda M.: The effect of subharmonics on the flux in an induction cage machine, proc. of 5th International Workshop Compatibility in Power Electronics CPE 07 GdanskJelitkowo, 29 May - 1 June 2007 (CD-ROM) [11] Gnaciński P., Pepliński M., Szweda M.: The effect of subharmonics on induction machine heating, EPE-PEMC 08 Poznań, 5 September 2008 [12]. Ho S.L., Fu W.N.: Analysis of indirect temperature-rise tests of induction machines using time stepping finite element method. IEEE Transaction on Energy Conversion, vol.16, No. 1, March 2001 [13] Lazim M. T., Shepherd W. Analysis of induction motors subjected to nonsinusoidal voltage containing subharmonics. IEEE Trans. on Industry Applications, vol. IA-21, no 4, Jul/Aug 1985, pp.: [14] Pillay P., Manyage M.: Loss of life in induction machines operating with unbalanced supplies. IEEE 101 Transaction on Energy Conversion vol. 42, pp , Dec. 2006, doi: /TEC [15] Tennakoon S.; Perera S.; Robinson D.: Flicker attenuation Part I: Response of three-phase induction motors to regular voltage fluctuations, IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 23, no. 2, April 2008, pp [16]. S. Tennakoon; S. Perera; D. Robinson: Flicker attenuation Part II: Transfer coefficients for regular voltage fluctuations in radial power system with induction motor loads. IEEE Transactions on Power Delivery, vol. 23, no. 2, April 2008, pp.: [17] Barros J., de Apraiz M.: Measurement of subharmonics in power voltage. Proc. of 2007 IEEE Power Tech, Lausanne, Switzerland, 1-5 July 2007, pp Praca naukowa sfinansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy N N Autorzy Dr inż. Piotr Gnaciński, piotrg@am.gdynia.pl Mgr inż. Marcin Pepliński, marcinpe@atol.am.gdynia.pl Mgr inż. Mariusz Szweda, szweda@atol.wsm.gdynia.pl Akademia Morska Katedra Elektroenergetyki Okrętowej ul. Morska 81-87, Gdynia tel. (058)