ELEKTROMECHANICZNA PRZETWORNICA CZĘSTOTLIWOŚCI

Transkrypt

1 Zeszyty Probleowe Maszyy Eletrycze Nr 2/214 (12) 63 Paweł Pistelo, Toasz Czaja Istytut Napędów i Maszy Eletryczych KOMEL, Katowice ELEKTROMECHANICZNA PRZETWORNICA CZĘSTOTLIWOŚCI ELECTROMECHANICAL FREQUENCY CONVERTER Streszczeie: W artyule przedstawioo ocepcję obwodu eletroagetyczego geeratora z agesai trwałyi zaotowayi a powierzchi wiria, przezaczoego do pracy jedofazowej. Poazao odel obliczeiowy obwodu pola eletroagetyczego oraz przedstawioo wido czasowego przebiegu apięcia podczas pracy a biegu jałowy. Zaprezetowao graficzie w przeroju rozład iducji agetyczej w poszczególych częściach obwodu eletroagetyczego, a taże przebieg apięcia dla ocy zaioowej przy zaioowy oecie obciążeia. Dooao aalizy wyiów badań laboratoryjych i poiarów charaterysty obciążeia geeratora. Abstract: The cocept of a electroagetic circuit geerator with peraet agets outed o the rotor core' surface, desiged for sigle phase wor is preseted i the article. Coputatio field-circuit odel was show. The spectru of tie course of voltages i the idle wor was preseted. The cross sectio with graphically presetatio of agetic iductio i particular parts of electroagetic circuits was preseted. Distributio of agetic iductio at the rated load poit was show. The tie course of voltages for rated power were displayed. A aalysis of laboratory results ad easureet of load characteristics of the geerator was discussed. Słowa luczowe: geerator z agesai trwałyi, geerator do pracy jedofazowej, przetworica częstotliwości Keywords: peraet agets geerator, sigle phase geerator, frequecy coverter 1. Wstęp Maszyy eletrycze, zwłaszcza asychroicze są szeroo wyorzystywae w przeyśle. Do groa tego oża dopisać aszyy wzbudzae agesai trwałyi tóre zysują coraz szersze zastosowaie. Jedy z przyładowych zastosowań tego typu aszy są eletroechaicze przetworice częstotliwości. Przetworice te są wyorzystywae do zasilaia staowis poiarowych i testowych przeładiów apięciowych lub prądowych. W przetworicach tych ajczęściej zajduje się aszya apędzająca w postaci silia iducyjego sprzęgiętego a stałe z geeratore p. wzbudzay agesai trwałyi. Geeratory te w porówaiu do iych aszy, charateryzują się ajwyższą sprawością oraz ajwięszą gęstością ocy uzysiwaej z jedosti objętości [1,2,3]. Maszyy te są powszechie stosowae do specyficzych waruów pracy [4]. Jedy z taich zastosowań oże być trójfazowy geerator sychroiczy przezaczoy do pracy jedofazowej, tóry został przedstawioy w iiejszy artyule. W pracy zaprezetowao odel obliczeiowy, wyii syulacji oraz wyii badań laboratoryjych wyoaego geeratora. 2. Założeia projetowe Najistotiejszy założeie projetowy zaprojetowaej i wyoaej eletroechaiczej przetworicy częstotliwości była ożliwość jedofazowej pracy. W celu opracowaia geeratora do tego typu pracy wyorzystao ożliwość pracy trójfazowego geeratora sychroiczego wzbudzaego agesai trwałyi przy obciążeiu jedofazowy. Jedofazowa praca geeratora trójfazowego została uzysaa poprzez podłączeie uzwojeń ażdej z faz w uład szeregowy (rys. 1 i 2). Rys. 1. Trójfazowy uład uzwojeń geeratora a) pracującego w reżiie pracy trójfazowej, b) pracującego w reżiie pracy jedofazowej W wyiu podłączeia trójfazowego uzwojeia geeratora wg scheatu a rysuu 1b) uzysao geerator jedofazowy, w tóry wystę-

2 64 Zeszyty Probleowe Maszyy Eletrycze Nr 2/214 (12) puje astępująca zależość poiędzy apięcie fazowy U f w uładzie trójfazowy, a apięcie wypadowy U w w uładzie podłączeia jedofazowego: gdzie: U w = 2U f (1) U f = U a =U b =U c (2) Powyższy zależościo odpowiada uład wetorowy apięć po trasforacji z uładu trójfazowego w uład jedofazowy, tóry zaprezetowao a rysuu 2. Poprzez odpowiedie połączeie trzech faz geeratora (rys. 1b), uład wetorowy apięć w taiej ofiguracji przyjuje postać z rysuu 2b. podłączoe obciążeie w postaci uładu poiarowego wyorzystywaego do badaia przeładiów. Poglądowy scheat ostrucji aszyowej przetworicy częstotliwości przedstawioo a rysuu 3. Rys. 3. Scheat poglądowy uładu ostrucji eletroechaiczej przetworicy częstotliwości W celu zaprojetowaia geeratora do pracy w eletroechaiczej przetworicy częstotliwości opracowao odel polowy aszyy i wyorzystao algoryt do projetowaia trójfazowych aszy wzbudzaych agesai trwałyi [1,2,3,4,6]. Na rysuu 4 zaprezetowao opracoway odel polowy z aiesioą siatą eleetów sończoych. Rys. 2. Wyres wetorowy apięć a) trójfazowy, b) po trasforacji z uładu trójfazowego w uład jedofazowy Po podłączeiu trójfazowego uzwojeia geeratora w uład jedofazowy (rys.1b) i uruchoieiu przetworicy, a zacisach geeratora wyiduuje się apięcie o wartości zgodej z wzore (1). Moc eletrycza pobieraa z geeratora w jedofazowy uładzie połączeń uzwojeia stojaa jest oreśloa zależością [5]: P 1f =.58 P 3f (3) Gdzie: P 1f oc eletrycza pobieraa z geeratora w uładzie jedofazowy; P 3f oc eletrycza pobieraa z geeratora w uładzie trójfazowy Eletroechaicza przetworica częstotliwości słada się z iducyjego silia apędowego oraz trójfazowego geeratora wzbudzaego agesai trwałyi pracującego w reżiie pracy jedofazowej. Zadaie przetworicy jest geerowaie apięcia jedofazowego o wartości 23 V i częstotliwości 6 Hz. Sili iducyjy M zasilay z falowia (dopuszczale jest rówież zasilaie z sieci) jest a stałe sprzęgięty z wałe geeratora G poprzez sprzęgło S (rys.3). Do zacisów geeratora jest Rys. 4. Wycie odelu polowego oawiaego geeratora z aiesioą siatą eleetów sończoych Na podstawie opracowaego odelu polowego przeprowadzoo obliczeia projetowe. Liie struieia agetyczego w przeroju poprzeczy rdzeia geeratora wraz z prezetacją asyceń w poszczególych częściach obwodu agetyczego poazao a rysuu 5.

3 Zeszyty Probleowe Maszyy Eletrycze Nr 2/214 (12) 65 Ja widać z rysuu 7 wartość pierwszej haroiczej iducji w szczeliie oawiaego geeratora wyiosła.94 T. Rys. 5. Liie struieia agetyczego z graficzą prezetacją asyceń w wyciu przeroju poprzeczego geeratora a biegu jałowy Po przeprowadzeiu obliczeń, a rysuu 6 poazao obwodowy rozład iducji agetyczej wzdłuż szczeliy powietrzej geeratora w połowie jej grubości spod jedej pary bieguów w staie biegu jałowego aszyy. Rys. 6. Obwodowy rozład iducji agetyczej w szczeliie geeratora w połowie jej grubości w staie biegu jałowego Na podstawie obwodowego rozładu iducji w szczeliie geeratora, przeprowadzoo aalizę Fouriera tego przebiegu (rys.6). Wyii w postaci wida haroiczych poazao a rysuu 7. Rys. 8. Charaterystya apięcia wyjściowego w fucji ocy obciążeia geeratora pracującego w reżiie pracy jedofazowej Na rysuu 8 zaprezetowao obliczeiową charaterystyę apięcia wyjściowego w fucji ocy obciążeia geeratora. Zgodie z założeiai projetowyi zaioowa oc oawiaego geeratora wyiosła 14 W przy współczyiu ocy obciążeia rówy.8 o charaterze iducyjy. 3. Kostrucja zespołu aszyowego Ze względu a specjaly rodzaj pracy aszyowej przetworicy częstotliwości w wysoi zaresie prędości obrotowej (3 obr/i) oieczy było zaprojetowaie staowisa badawczego uożliwiającego specjale wyoaie ocowaia dla sprzęgięcia i połączeia obu aszy oraz doboru sposobu posadowieia całego zespołu. Wizualizację gotowego zespołu aszyowego przedstawioo a rysuu 9. Rys. 7. Aplitudy poszczególych haroiczych () obwodowego rozładu iducji agetyczej w szczeliie geeratora w staie biegu jałowego Rys. 9. Wizualizacja opletego zespołu aszyowego złożoego z silia asychroiczego i geeratora wzbudzaego agesai trwałyi

4 66 Zeszyty Probleowe Maszyy Eletrycze Nr 2/214 (12) Możliwość taiego połączeia osiągięto poprzez zaprojetowaie odpowiediego eleetu łączącego (rys. 1) obydwie aszyy. Jest to wspóla cecha wszystich eleetów wirujących, zarówo wałów i eleetów aszy wiriowych. Niewyrówoważeie dzieliy a statycze i dyaicze [7,8,9]. W pratyce jeda podział te jest bardziej szczegółowy (statycze, quasi-statycze, oetowe i dyaicze). Rys. 1. Eleet otażowy łączący obydwie aszyy w zespole aszyowy Taie rozwiązaie połączeia zapewia współosiowość zesprzęgloych wałów oraz uożliwia iializację itesywości drgań całego zespołu aszyowego. Jedy z ajważiejszych waruów długoteriowej i bezawaryjej pracy projetowaego zespołu aszyowego było optyale ich ustawieie, zwłaszcza iż aszyy te iały róże wziosy echaicze (rys. 11). Rys. 11. Wizualizacja zespołu aszyowego sładającego się z dwóch aszy o różych wziosach echaiczych Ustawieie to polegało iedzy iyi a doładej regulacji położeia wałów tych aszy w celu ich współosiowego ustawieia, aby siły działające a wiri ie przeraczały dopuszczalych graic. W celu zapewieia odpowiediego połączeia aszy o róży wziosie echaiczy 132 (geerator) i 16 (sili apędowy), łączi został wyoay z ateriału o ożliwie isiej asie własej, lecz zapewiający odpowiedią sztywość ostrucji. Taie rozwiązaie uożliwia odpowiedi rozład as całego zespołu w stosuu do zastosowaego rozwiązaia posadowieia wyoaego a wibroizolatorach. Istoty problee procesu projetowego było opracowaie ostrucji staowisa zapewiającego ożliwie ajiejsze drgaia. W zespole aszyowy o taiej ostrucji istote jest obliczeiowe oraz poiarowe wyzaczeie eleetarych drgań aszy. Najczęstszą przyczyą drgań isoczęstotliwościowych aszy jest iewyrówoważeie ich części wirujących. Rys. 12. Wiri iewyrówoważoy statyczie, jego geoetria as oraz reacje W aalizie drgań uwzględia się a ogół jedyie iewyrówoważeie statycze. Istotę tego iewyrówoważeia wyjaśia rysue 12, z tórego wyia, że siła bezwładości z tytułu iewyrówoważeia oże być obliczoa a dwa sposoby: gdzie: B= r ( eω (4) 2 ω = + w) 2 2 2π ω = 2πf = (5) 6 gdzie r - to odległość asy iewyrówoważeia od osi obrotu, w - asa wiria, e - odległość główej osi bezwładości wiria od osi obrotu, zwaa rówież iośrode. Z zależości (4) łatwo wyzaczyć iewyrówoważeie właściwe będące przediote ustaleń orowych: e r =, w + w w r >> (6) W orach tych iewyrówoważeie właściwe e związae jest z prędością ruchu środa asy v c wyiającej z wirowaia ω a iośrodzie e tz.: v c =eω (rys.12). Według lasy dopuszczalego iewyrówoważeia wirujących eleetów aszy wg wartości prędości ruchu środa asy v C, wartości sił wzbudzających drgaia od iewyrówoważeia ogą zieiać się poad tysiącrotie w zależości od przezaczeia aszyy [9]. Zając lasę aszyy (wg tabeli [9]), tórej drgaia as iteresują oraz posługując się wyrese orowy (wg ISO-194) oża wyzaczyć

5 Zeszyty Probleowe Maszyy Eletrycze Nr 2/214 (12) 67 iewyrówoważeie właściwe e, astępie obliczyć wartość siły wyuszającej drgaia B, (4) ataującej poprzez łożysa orpus aszyy. Za poocą daych orowych oprócz obliczeń sił wyuszających (4) oża oszacować aplitudy drgań orpusu aszyy. Jeśli założyy, że dla częstości obrotowej f uład echaiczy aszyy ożey tratować jao połączeie dwu brył sztywych, to rówaie rówowagi sił bezwładości wiria ( w ) i reacji łożys a orpusie ( ) oża (po zaotowaiu w jedą całość ) zapisać: eω ) a (7) w 2 = ( w+ gdzie a - przyśpieszeie, - asa orpusu. Poieważ v c = eω oraz a = ω ; v = ω 2 x, więc ożey obliczyć prędość drgań orpusu aszyy v i przeieszczeie x zając orową wartość v c daego typu aszyy i jej rozład as: v v w c w =, x e + w+ = (8) Przyładowo, jeśli asa orpusu jest rzędu jede do trzech as wiria, = (1 3) w, to zgodie z (8) ay: v 1 1 = 2 4 v c 1 1, x = e 2 4 (9) Na zaprojetoway i wyoay staowisu zostały przeprowadzoe badaia wyzaczające itesywość drgań zespołu aszyowego. Scheat rozieszczeia putów poiarowych (1-5) zobrazowao a rysuu 13. Tabela 1. Wyii poiarów drgań własych Ozaczeie putu poiarowego Sutecza prędość drgań Ve [/s] 1,48 2,28 3,47 4,5 5,49 Ja wyia z tabeli 1 prędość drgań własych zespołu ie przeroczyła wartości,5 /s. 4. Wyii badań laboratoryjych W celu weryfiacji zaprojetowaego geeratora przezaczoego do pracy w aszyowej przetworicy częstotliwości a rysuu 14 poazao charaterystyi poiaru apięcia biegu jałowego w trójfazowy uładzie połączeń dla gwiazdy oraz dla jedofazowego uładu połączeń. Rys. 14. Poiar apięcia biegu jałowego geeratora dla trójfazowego i jedofazowego uładu połączeń Dla połączeia trójfazowego przeprowadzoo poiar zawartości wyższych haroiczych w apięciu iędzyfazowy i fazowy w staie biegu jałowego geeratora przy połączeiu w gwiazdę (rys. 1a). Przebiegi czasowe tych apięć poazao a rysuu 15. Rys. 13. Miejsca poiaru drgań (1-5) zespołu aszyowego w staie biegu jałowego przy prędości obrotowej 3 obr./i. Wartości zierzoych drgań własych zespołu zaieszczoo w tabeli 1. Rys. 15. Przebieg apięcia fazowego w trójfazowy uładzie połączeń w gwiazdę oawiaego geeratora Wartość współczyia zawartości wyższych haroiczych (THD) w apięciu fazowy dla trójfazowego uładu połączeń w gwiazdę wyiósł 3.86%. Na rysuu 16 zaprezetowao

6 68 Zeszyty Probleowe Maszyy Eletrycze Nr 2/214 (12) przebieg apięcia iędzyfazowego w trójfazowy uładzie połączeń w gwiazdę (rys. 1a) w staie biegu jałowego oawiaego geeratora. laboratoryjych pratyczie poryła się z obliczeiową charaterystyą zewętrzą oawiaej w artyule aszyy. Na rysuu 19 zaprezetowao zdjęcie wyoaej, eletroechaiczej przetworicy częstotliwości. Rys. 16. Przebieg apięcia iędzyfazowego w trójfazowy uładzie połączeń w gwiazdę oawiaego geeratora Wartość współczyia zawartości wyższych haroiczych (THD) w apięciu fazowy dla trójfazowego uładu połączeń w gwiazdę wyiósł 3.76%. Na rysuu 17 zaprezetowao przebieg apięcia wyjściowego geeratora dla połączeia jedofazowego (rys. 1b) uzwojeń geeratora. Rys. 17. Przebieg apięcia wyjściowego geeratora w jedofazowy uładzie połączeń Wartość współczyia zawartości wyższych haroiczych w przypadu połączeia jedofazowego wyiosła 3.8%. Na rysuu 18 zaprezetowao charaterystyi apięcia wyjściowego w fucji ocy obciążeia dla obliczeń i wyiów poiarów. Rys. 18. Charaterystyi apięcia wyjściowego w fucji ocy obciążeia geeratora Ja widać a rysuu 15 charaterystya zewętrza geeratora zierzoa podczas badań Rys. 19. Zdjęcie wyoaej, aszyowej przetworicy częstotliwości 5. Podsuowaie i wiosi ońcowe W artyule zaprezetowao geerator wzbudzay agesai trwałyi przezaczoy do pracy jedofazowej z wyorzystaie odpowiediego uładu połączeń (rys. 1b i 2b) trójfazowego uzwojeia stojaa aszyy. Na podstawie opracowaego odelu polowego aszyy zaprojetowao geerator przezaczoy do pracy w aszyowej przetworicy częstotliwości pracującej przy prędości obrotowej 3 obr./i, częstotliwości apięcia wyjściowego 2 Hz i wartości 23 V. W zależości od prędości obrotowej i uładu zasilaia (falowi lub sieć) asychroiczego silia apędowego, częstotliwość ta oże być regulowaa w zależości od wyagań. Zawartość wyższych haroiczych w geeroway przebiegu apięcia wyjściowego w jedofazowy uładzie połączeń geeratora ie przeroczyła wartości 4% (rys. 16). Przedstawioe w artyule wyii badań laboratoryjych (rys.14-18) świadczą o poprawy zaprojetowaiu trójfazowego geeratora przezaczoego do pracy jedofazowej poprzez specjalą ofigurację połączeń uzwojeia aszyy. W zależości od potrzeb oża odpowiedio dobrać częstotliwość pracy geeratora (przetworicy), co staowi dobre rozwiązaie zasilaia uładów badawczych lub staowis służących aalizie zjawis zachodzących w aszyach wzbudzaych agesai trwałyi. Literatura [1]. Glia T.: Maszyy eletrycze wzbudzae agesai trwałyi. Wydawictwo Politechii Śląsiej, Gliwice 22.

7 Zeszyty Probleowe Maszyy Eletrycze Nr 2/214 (12) 69 [2]. Beratt J.: Obwody eletrycze i agetycze aszy eletryczych wzbudzaych agesai trwałyi. Wydawictwo BOBRME KOMEL, Katowice 21. [3]. Beratt J.: Wyorzystaie prądic sychroiczych do budowy ałych eletrowi wiatrowych. Zeszyty Probleowe - Maszyy Eletrycze. Nr 68/24, Wydawictwo BOBRME KOMEL, Katowice 24. [4]. Rossa R., Król E.: Moder electric achies with peraet aget. Przegląd Eletrotechiczy r 12/28. [5]. Węglarz J.: Maszyy eletrycze. Wydawictwo Nauowo Techicze, Warszawa [6]. Rossa R., Pistelo P.: Trójfazowy geerator z agesai trwałyi w reżiie pracy jedofazowej. Zeszyty Probleowe - Maszyy Eletrycze. Nr 2/212 (95),Wydawictwo BOBRME KOMEL, Katowice 212. [7]. Kozeszi J., Dyaia aszy, WNT, Warszawa [8]. Kozeszi J. Dyaia aszy, WNT, Warszawa [9]. Eglel Z., (red.) Zagrożeie hałase i wibracjai w Polsce ñ Raport, Koitet Austyi PAN, Autorzy gr iż. Paweł Pistelo e-ail: p.pistelo@oel.atowice.pl gr iż. Toasz Czaja e-ail: t.czaja@oel.atowice.pl Istytut Napędów i Maszy Eletryczych KOMEL, 4-23 Katowice al. Roździeńsiego 188