SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH PRZEZ STEROWANIE PRĄDEM WZBUDZENIA

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/ Paweł Zalas, Jan Zawilak Politechnika Wrocławska, Wrocław SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH PRZEZ STEROWANIE PRĄDEM WZBUDZENIA SYNCHRONIZATION PROCESS OF SYNCHRONOUS MOTORS - CONTROL OF EXCITATION CURRENT VALUE 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 analyzed two speed motor. The influence of the synchronization moment on stator currents, electromagnetic torque and shaft velocity, during synchronization process with nominal excitation voltage and high value of load torque, was examined. The influence of the excitation voltage value greater than nominal, during synchronization process with high value of load torque, on stator currents, electromagnetic torque and shaft velocity was analyzed. The influence of the method control of excitation current, during synchronization process witch high value of load torque was also investigated. Dynamic diagrams of stator currents, excitation current, excitation voltage, electromagnetic torque and shaft velocity during synchronization process as results of computer simulation are presented. 1. Wstęp Układy napędowe wentylatorów głównego przewietrzania kopalni podziemnych stanowią grupę największych odbiorników energii elektrycznej. Ze względu na ich liczbę i zainstalowaną moc napędy te zużywają średnio około 3% całkowitego zapotrzebowania na energię przez kopalnie podziemne. Racjonalne wykorzystanie ich wydajności pozwala na duże oszczędności i zmniejszenie sumarycznych kosztów wydobycia kopalni. Dostosowanie wydajności wentylatorów do dobowego zapotrzebowania na powietrze realizowane jest obecnie najczęściej przez zmianę liczby jednocześnie pracujących silników, dławienie przepływu powietrza oraz zmianę kąta natarcia łopat wentylatora. Ze względu na charakterystykę sprawności wentylatora wymienione metody nie prowadzą do istotnych oszczędności energii. Najbardziej korzystną metodą regulacji wydajności, pozwalającą na uzyskanie największych oszczędności, jest zmniejszenie prędkości obrotowej. Zastosowanie energoelektronicznych układów przekształtnikowych dużej mocy pozwala na regulację amplitudy oraz częstotliwości napięcia zasilającego, a tym samym na regulację prędkości obrotowej silnika. Związane jest to jednak z dużymi kosztami inwestycyjnymi. Inną metodą regulacji prędkości wirowania jest zmiana liczby biegunów pola magne- tycznego silnika. Ze względu na koszty przeprowadza się modernizację już pracujących silników jednobiegowych, polegającą na zastosowaniu przełączalnego uzwojenia stojana oraz przełączeniu uzwojenia wirnika (z zastosowaniem drugiej tulei pierścieniowej) [6]. W wyniku takiej modernizacji uzyskuje się zmianę liczy biegunów pola magnetycznego i tym samym dwie prędkości obrotowe. Modernizacja jest tańsza od zastosowania układów przekształtnikowych dużej mocy a skokowa zmiana prędkości zapewnia wystarczającą regulację wydajności wentylatora oraz pozwala na znaczące zmniejszenie mocy pobieranej przez wentylator [3]. Jednym z silników poddanych wyżej opisanej modernizacji jest dwubiegowy silnik synchroniczny typu GAe1716/2t. Podstawowe parametry silnika oraz parametry silnika jednobiegowego zestawiono w tabeli 1. Zmiana prędkości wirowania z 375 na 3 obr/min pozwala o ponad 5% zmniejszyć moc silnika a tym samym uzyskać w skali roku znaczne ograniczenie zużycia energii, co zrekompensuje poniesione koszty modernizacji silnika. Proces rozruchu tego typu silników, ze względu na dużą moc, jest jednym z ważniejszych zagadnień dotyczących ich eksploatacji. W końcowym etapie rozruchu asynchronicznego na-

2 144 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/25 stępuje załączenie napięcia stałego do uzwojenia wzbudzenia i synchronizacja silnika. Niewłaściwa chwila włączenia napięcia wzbudzenia może powodować występowanie zmiennego momentu elektromagnetycznego, przepięcia w obwodach uzwojenia twornika a nawet niezsynchronizowanie się silnika [8]. Tabela 1. Dane znamionowe dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe1716/2t oraz jednobiegowego typu GAe1716t Typ silnika GAe 1716t 1716/2t Moc znamionowa kw V Prąd stojana A Napięcie wzbudzenia wzbu- Prąd dzenia Napięcie stojana Prędkość obrotowa Współczynnik mocy V A obr/min ,9 poj.,9 poj.,77 ind. Sprawność % 96,5 95,5 81, W celu zwiększenia momentu synchronizującego a tym samym skuteczności synchronizacji stosuje się powszechnie forsowanie prądu wzbudzenia, często do wartości o 5 % większej od prądu znamionowego. Pozwala to na zwiększenie momentu synchronizującego, lecz powoduje również znaczne przeciążenia układu mechanicznego. Niekiedy jednak pomimo zastosowania forsowania prądu wzbudzenia proces synchronizacji nie kończy się wejściem silnika w synchronizm. Autorzy uważają, że przez odpowiedni dobór chwili rozpoczęcia procesu synchronizacji oraz dzięki sterowaniu wartością prądu wzbudzenia podczas tego procesu, dla przyjętych warunków obciążenia silnika, można zwiększyć skuteczność synchronizacji bez konieczności stosowania forsowania. Sterowanie prądem wzbudzenia pozwoli również na synchronizację silnika obciążonego większym momentem. 2. Model polowo-obwodowy silnika synchronicznego Analizę procesu synchronizacji przeprowadzono wykorzystując opracowany model polowo-obwodowy silnika typu GAe 1716/2t opisany w [7]. W części obwodowej modelu przyjęto symetryczny układ napięć zasilających, uzwojenie stojana oraz magneśnicy o zmiennej indukcyjności i stałej rezystancji części czynnych jak również stałych rezystancji i indukcyjności ich połączeń czołowych. Pokazane łączniki (rys.1) umożliwiają przełączanie uzwojeń warunkujące zmianę liczby biegunów i prędkości obrotowej silnika. Widoczny na rysunku 1 tyrystor TUŁS pozwala na załączenie napięcia stałego do obwodu wzbudzenia w określonej chwili czasowej. T1 T2 T3 K1 Lcz L1 Lcz' L2 Va Vb Vc TU S ~ ~ ~ R R' T4 T5 T6 Rys. 1. Część obwodowa modelu: uzwojenie wzbudzenia Wartość rezystancji RO zwierającej obwód wzbudzenia podczas rozruchu przyjęto równą 1-cio krotnej wartości rezystancji uzwojenia wzbudzenia. Część polowa modelu uwzględnia częstotliwość i wartość napięcia zasilającego, nieliniowość elementów obwodu magnetycznego oraz ruch wirnika odwzorowywany za pomocą ruchomej powierzchni ślizgowej. W modelu uwzględniono klatkę wirnika o zmiennych parametrach prętów i stałych wartościach

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/ rezystancji i indukcyjności pierścienia zwierającego. W celu weryfikacji modelu wykonano pomiary modelu fizycznego badanego silnika oraz odpowiadające im obliczenia. Porównanie wielkości obliczonych i pomierzonych pozwoliło stwierdzić, że opracowany model polowo-obwodowy dwubiegowego silnika synchronicznego jest poprawny [7, 8]. 3. Obliczenia procesu synchronizacji Proces synchronizacji omawianego silnika dwubiegowego dla większej prędkości obrotowej przebiega podobnie jak w silniku jednobiegowym. Istotna różnica występuje podczas synchronizacji silnika dla mniejszej prędkości obrotowej, ponieważ liczba biegunów mechanicznych wirnika jest inna niż liczba biegunów magnetycznych [2, 7]. W wyniku celowo wytworzonego odkształcenia pola wirnika poszczególne bieguny w danej chwili czasowej znajdują się w różnych warunkach magnetycznych, zatem ich udział w tworzeniu momentu jest różny [1]. Powoduje to zwiększenie wartości elektromechanicznej stałej czasowej układu napędowego i utrudnia skuteczną synchronizację. Najczęstszą jednak przyczyną występujących trudności z synchronizacją dla tej prędkości wirowania jest zbyt duży moment obciążenia silnika. Duża wartość momentu powoduje, że praca asynchroniczna silnika po rozruchu ustala się przy poślizgu, którego wartość jest znacznie większa od wartości poślizgu wpadu [4, 8]. W celu wyznaczenia wpływu zmiany wartości momentu obciążenia na przebieg procesu synchronizacji wykonano obliczenia wykorzystując wcześniej opisany model polowo-obwodowy. Obliczenia wykonano przyjmując wartości momentu obciążenia z zakresu od 4% do 7% momentu znamionowego omawianego silnika dla mniejszej prędkości wirowania. Uwzględniona w obliczeniach zastępcza bezwładność układu napędowego analizowanego silnika wraz z wentylatorem typu WPK 5,3 wynosi J z 4 kg m 2. Obliczenia wykonane dla momentu obciążenia wynoszącego,55m n wykazały, że skuteczny przebieg synchronizacji może zapewnić załączenie napięcia wzbudzenia gdy wartość kąta δ znajduje się w zakresie od (-9) do (-15) stopni, gdzie: δ - jest to kąt między osią przepływu stojana a osią przepływu wirnika. Na rysunku 2 pokazano obliczone przebiegi prądu fazy A twornika, prądu wzbudzenia oraz napięcia na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej podczas synchronizacji rozpoczętej dla wartości kąta δ bliskiej (-45) stopni. Linią przerywaną zaznaczono chwilę rozpoczęcia procesu synchronizacji silnika. Korzystna chwila inicjacji procesu zapewniła skuteczną synchronizację silnika podczas pierwszej, po załączeniu napięcia wzbudzenia, współfazowości pól stojana i wirnika. Na rysunku 3 pokazano obliczone przebiegi prądu fazy A twornika, prądu wzbudzenia oraz napięcia na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej podczas synchronizacji rozpoczętej dla wartości kąta δ bliskiej wartości 135 stopni. Załączenie napięcia wzbudzenia w chwili, gdy oś pola stojana wyprzedza oś pola wirnika spowodowało, że wartość prądu płynącego w uzwojeniu wzbudzenia jest za mała by wytworzyć odpowiednio dużą wartość momentu dynamicznego pozwalającego na wciągnięcie silnika w synchronizm. Wymuszona, przez załączenie napięcia stałego, dodatnia wartość prądu wzbudzenia powoduje, w zakresie ujemnej wartości kąta δ, wytworzenie momentu hamującego. W wyniku jego działania następuje zmniejszenie prędkości obrotowej silnika poniżej wartości prędkości biegu asynchronicznego. W wyniku dużego poślizgu silnik nie może osiągnąć prędkości synchronicznej i ustala się praca asynchroniczna wzbudzonej maszyny. Obliczenia procesu synchronizacji wykonane dla momentu obciążenia o wartości większej od,55m n wykazały, że niezależnie od wyboru chwili rozpoczęcia procesu, dla znamionowej wartości prądu wzbudzenia, silnik nie osiąga synchronizacji. W takich przypadka stosuje się powszechnie forsowanie prądu wzbudzenia w celu zwiększenia maksymalnej wartości momentu dynamicznego. Obliczenia procesu synchronizacji wykonane dla momentu obciążenia silnika o wartości,6m n wykazały, że pomimo zastosowania forsowania prądu wzbudzenia 1,5n proces nie kończy się skutecznym wejściem silnika w synchronizm. Dla przyjętych warunków obciążenia silnika skuteczną synchronizację zapewnia forsowanie prądem wzbudzenia o wartości przekraczającej 2,5n. Na rysunku 4 pokazano obliczone przebiegi

4 146 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/25 prądu fazy A twornika, prądu wzbudzenia oraz napięcia na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej podczas synchronizacji rozpoczętej dla wartości kąta δ bliskiej stopni i prądu wzbudzenia o wartości 2,5n. - 1,6 2,2 2,8 3,4 4, 4,6 5,2 5,8 6,4 7, 7,6 34 n[obr/min] ,6 2,2 2,8 3,4 4, 4,6 5,2 5,8 6,4 7, 7,6 15 M[kNm] ,6 2,2 2,8 3,4 4, 4,6 5,2 5,8 6,4 7, 7,6 Rys. 2. Synchronizacja silnika rozpoczęta dla wartości kąta δ bliskiej (-45) deg: prądy twornika, prąd wzbudzenia, napięcie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, prędkość obrotowa, moment elektromagnetyczny Duża wartość prądu wzbudzenia wywołuje pulsację momentu elektromagnetycznego o znaczącej amplitudzie a tym samym znaczące przeciążenia układu mechanicznego. Wpływa to niekorzystnie na bezawaryjną eksploatację układu napędowego. Duże oscylacje prędkości (rys.4 powodują, że czas ustalenia się procesów przejściowych a tym samym czas synchronizacji ulega znacznemu zwiększeniu. Uzyskanie tak dużej wartości prądu forsującego wymaga również zwiększenia mocy urządzeń zasilających obwód wzbudzenia. - 1,6 2,2 2,8 3,4 4, 4,6 5,2 5,8 6,4 7, 7,6 3 n[obr/min] 292 1,6 2,2 2,8 3,4 4, 4,6 5,2 5,8 6,4 7, 7,6 15 M[kNm] ,6 2,2 2,8 3,4 4, 4,6 5,2 5,8 6,4 7, 7,6 Rys. 3. Synchronizacja silnika rozpoczęta dla wartości kąta δ bliskiej 135 deg: prądy twornika, prąd wzbudzenia, napięcie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, prędkość obrotowa, moment elektromagnetyczny Inną metodą, pozwalającą zwiększyć skuteczność procesu synchronizacji, dla przyjętych wcześniej warunków obciążenia silnika, może być zastosowanie sterowania wartością prądu wzbudzenia. Celem regulacji prądu jest zminimalizowanie wartości momentu hamującego wytwarzanego przez silnik w zakresie ujemnych wartości kąta δ od (-18) do stopni oraz uzyskanie możliwie dużej wartości momentu dynamicznego w zakresie dodatnich wartości kąta δ od do 18 stopni..

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/ ,6 5,5 2,2 6,5 2,8 3,47,5 4, 8,5 4,6 5,2 9,5,8 6,4 1,57, 11,5 7,6 38 n[obr/min] ,6 5,5 2,2 6,52,8 3,47,5 4, 8,5 4,6 5,2 9,5,8 6,4 1,57, 11,5 7,6 15 M[kNm] ,5 6,5 7,5 8,5 9,5 1,5 11,5 Rys. 4. Synchronizacja silnika rozpoczęta dla wartości kąta δ bliskiej deg: prądy twornika, prąd wzbudzenia, napięcie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, prędkość obrotowa, moment elektromagnetyczny Można to uzyskać np.: przez okresowe wyłączenie napięcia stałego zasilającego obwód wzbudzenia a następnie ponowne załączenie tego napięcia w odpowiednio dobranej chwili czasowej. Wyniki obliczeń procesu synchronizacji badanego silnika wraz z układem regulacji prądu wzbudzenia przedstawiono na rysunku 5. Moment obciążenia został przyjęty jako,6m n a proces synchronizacji został zainicjowany dla wartości kata δ bliskiej stopni. Stała czasowa obwodu wzbudzenia badanego silnika wyznaczona metodą zanikania prądu [5] wynosi około 1,5 sekundy. Po upływie około trzech stałych czasowych przebieg prądu płynącego w uzwojeniu wzbudzenia ustala się na wartości wynikającej z przyłożonego napięcia wzbudzenia. - 1,6 5,5 2,26,5 2,8 7,53,4 4, 8,5 4,69,5 5,2 1,5 5,8 11,5 6,4 7, 12,57, n[obr/min] ,6 5,5 2,26,5 2,8 7,53,4 4, 8,5 4,69,5 5,2 1,5 5,8 11,5 6,4 7, 12,57, M[kNm] ,5 6,5 7,5 8,5 9,5 1,5 11,5 12,5 13 Rys. 5. Synchronizacja silnika rozpoczęta dla wartości kąta δ bliskiej deg: prądy twornika, prąd wzbudzenia, napięcie na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, prędkość obrotowa, moment elektromagnetyczny Podczas procesu synchronizacji w zakresie dodatniej wartości kąta δ do stałego napięcia wzbudzenia dodaje się składowa przemienna napięcia indukowanego w obwodzie wzbudzenia. Powoduje to, że czas narostu prądu do wartości znamionowej może być o ponad połowę mniejszy. Korzystny wpływ składowej przemiennej pozwala na powstanie momentu dynamicznego o większej wartości. Jednak ta sama dodatnia wartość składowej przemiennej utrudnia zmniejszenie wartości prądu płynącego w uzwojeniu wzbudzenia po wyłączeniu napięcia stałego. Dla poślizgu s=,16 na jakim ustala się praca asynchroniczna badanego silnika przy obciążeniu,6m n okres zmian kąta δ od wartości (-18) do 18 stopni wynosi około 1,2 sekundy. W wyniku narastania prądu wzbu-

6 148 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 73/25 dzenia powstaje moment dynamiczny, który powoduje zwiększenie prędkości obrotowej silnika. Wraz ze wzrostem prędkości silnika zwiększa się okres zmian kąta δ i dla prędkości obr/min wynosi on blisko 3 sekundy. Oznacza to, że w czasie 1/4 tego okresu, czyli w zakresie kąta δ od do 9 stopni, wartość prądu wzbudzenia może osiągnąć 2/3 wartości znamionowej n (rys.5. Wzrost prędkości silnika powoduje również zmniejszenie się amplitudy indukowanego napięcia przemiennego. Ułatwia to wykładniczy zanik prądu wzbudzenia po wyłączeniu napięcia stałego. Wyłączenie tego napięcia w chwili, gdy wartość kąta δ jest bliska 9 stopni pozwala na osiągnięcie w krótkim czasie przez prąd wartości bliskiej zeru. Mała wartość prądu w obwodzie wzbudzenia powoduje, że wartość powstającego momentu hamującego, w zakresie ujemnej wartości kąta δ, nie wpływa znacząco na zmniejszenie prędkości obrotowej silnika (rys.5b,. Czas potrzebny do całkowitego wyłączenia prostownika sterowanego przyjmuje się na około 1 ms. Czas ten jest znacznie mniejszy od stałej czasowej obwodu wzbudzenia i nie wpływa w istotny sposób na przebieg procesu. Ponowne załączenie napięcia stałego w chwili, gdy kąt δ osiąga wartość (-9) pozwala na wcześniejsze przeforsowanie ujemnej wartości składowej przemiennej i uzyskanie większej stromości narastania prądu oraz krótszego czasu ustalenia się na wartości znamionowej. Powstający w wyniku tego moment dynamiczny pozwala na uzyskanie znaczącego przyrostu prędkości obrotowej silnika. Sterowanie wartością prądu wzbudzenia w wyżej wymieniony sposób pozwala na skuteczną synchronizację silnika obciążonego momentem o wartości o 2% większej niż może mieć to miejsce w przypadku stosowania forsowania prądu wzbudzenia 1,5n. Przeprowadzone obliczenia wykazały, że najkorzystniejszym algorytmem sterowania, jest wyłączenie napięcia wzbudzenia dla wartości kąta δ bliskiej 16 stopni i ponowne załączenie dla wartości bliskiej (-75) stopni. na znaczne zmniejszenie pulsacji momentu elektromagnetycznego, prądów twornika oraz prędkości obrotowej w porównaniu z metodą forsowania prądu wzbudzenia. Zastosowanie sterowania prądu wzbudzenia pozwala zmniejszyć niekorzystne udary mechaniczne na wale układu napędowego. Umożliwia również zmniejszenie mocy urządzeń zainstalowanych w obwodzie zasilającym uzwojenie wzbudzenia. Literatura [1]. Antal L., Zawilak J.: Moment dwubiegowego silnika synchronicznego o przełączalnych uzwojeniach twornika i magneśnicy, SME 23, Gdańsk Jurata, 9 11 czerwca, 23. [2]. Antal L., Zawilak J.: Pole magnetyczne synchronicznego silnika jawnobiegunowego o dwóch prędkościach obrotowych, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 44, Studia i Mat. nr 19, [3]. Antal L., Zawilak J.: Wyniki badań dwubiegowego silnika synchronicznego, Masz. Elektr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 24, nr 68. [4]. Bielawski S.: Teoria napędu elektrycznego, WNT Warszawa [5]. Latek W.: Badanie maszyn elektrycznych w przemysłe, WNT Warszawa [6]. Zawilak J.: Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Prace Naukowe IMiNE. PWr [7]. Zalas P., Zawilak J.: Dwubiegowy silnik synchroniczny w ujęciu polowo-obwodowym, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 56, Studia i Materiały nr 23, 23. [8]. Zalas P., Zawilak J.: Wybór chwili załączenia napięcia wzbudzenia podczas synchronizacji silników synchronicznych, Masz. Elektr. Zesz. [9]. Probl. BOBRME Komel 25, nr 71. Adres Autorów: Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Wybrzeże Wyspiańskiego 27, Wrocław pawel.zalas@pwr.wroc.pl jan.zawilak@pwr.wroc.pl 4. Wnioski Wykonane obliczenia wykazały, że przez odpowiednie sterowanie wartością prądu wzbudzenia, podczas procesu synchronizacji, możliwe jest zwiększenie skuteczności tego procesu, w szczególności dla dużej wartości momentu obciążenia silnika. Pozwala to również