JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O LICZBIE PAR BIEGUNÓW p=3

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 91 Maciej Gwoździewicz, Jan Zawilak Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej JEDNOFAZOWY SILNIK SYNCHRONICZNY Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O LICZBIE PAR BIEGUNÓW p=3 SINGLE-PHASE PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR WITH NUMBER OF POLE PAIRS p=3 Streszczenie: W artykule przedstawiono wyniki badań eksperymentalnych jednofazowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o liczbie biegunów 2p=6. Zbadano wpływ pojemności kondensatora pracy na właściwości eksploatacyjne silnika. Zbadano wpływ pojemności kondensatora rozruchowego oraz czas jego wyłączenia na właściwości rozruchowe badanego silnika. Abstract: The paper deals with results of experimental investigation of six-pole single-phase permanent magnet synchronous motor. Influence of the running capacitor capacitance on the motor running properties was investigated. Influence of the starting capacitor capacitance and its switch-off time on the motor starting properties was investigated. Słowa kluczowe: maszyna elektryczna, silnik synchroniczny, silnik jednofazowy, magnesy trwałe Keywords: single-phase motor, synchronous motor, permanent magnet 1. Wstęp W lipcu 2009 roku Komisja Europejska przyjęła Rozporządzenie nr 640/2009 w sprawie wdrażania Dyrektywy 2005/32/WE Parlamentu Europejskiego i Rady dotyczącej wymogów ekoprojektu dla silników elektrycznych. Oznacza to, że na terenie Unii Europejskiej wprowadzono usankcjonowane prawnie wymogi dotyczące efektywności energetycznej sprzedawanych na rynku unijnym silników indukcyjnych zgodnie z normą Międzynarodowej Komisji Elektrotechniki IEC część 30 opracowaną w 2008 roku. Norma IEC część 30 obejmuje trójfazowe jednobiegowe silniki indukcyjne, które: są zasilane bezpośrednio z sieci napięciem o wartości U n 1000 V i częstotliwości f n =50; 60 Hz, mają moc znamionową P n od 0,75 kw do 375 kw, mają liczbę biegunów 2p=2; 4; 6, są przeznaczone do pracy ciągłej S1 lub przerywanej S3 o cyklu pracy powyżej 80 %. Zarządzenia normy IEC część 30 obowiązują od 2011 roku. Wprowadzają one wymóg produkcji silników indukcyjnych o minimalnej wartości sprawności. Nowy projekt normy IEC część 30-1 rozszerza zakres obowiązującej normy IEC część 30 i obejmuje jednobiegowe silniki jednofazowe i wielofazowe, indukcyjne jak również synchroniczne z magnesami trwałymi o bezpośrednim rozruchu, bez względu na rodzaj ich montażu, w tym motoreduktory. Projekt tej normy obejmuje jednobiegowe silniki prądu przemiennego, które: mają moc znamionową P n od 120 W do 1000 kw, mają napięcie znamionowe U n od 50 do 1000 V, mają liczbę biegunów 2p=2; 4; 6; 8, są przeznaczone do pracy ciągłej S1 dla ich mocy znamionowej P n, są przeznaczone do pracy w temperaturze otoczenia od - 20 C do + 60 C, są przeznaczone do pracy na wysokości do 4000 m n.p.m. Jednobiegowe jednofazowe silniki prądu przemiennego dotychczas nie są ujęte wymaganiami obowiązującej normy IEC część 30. Producenci jednofazowych silników prądu przemiennego nie mają w swojej ofercie wersji wysokosprawnych tego typu silników. Na rysunku 1 pokazano, że jednofazowe silniki indukcyjne produkowane przez 4 różnych

2 92 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) producentów silników elektrycznych nie spełniają klasy sprawności IE3, która zacznie obowiązywać od 1 stycznia 2017 dla trójfazowych silników indukcyjnych o mocy P n 750 W. Od 1 stycznia 2017 roku jednobiegowe jednofazowe silniki indukcyjne o mocy znamionowej P n 120 W ogólnego przeznaczenia, obecnie produkowane przez producentów maszyn elektrycznych, nie będą mogłyby być produkowane, ponieważ nie spełniają klasy sprawności IE3. Jedynie jednofazowe silniki prądu przemiennego na stałe wbudowane w maszynę roboczą będą mogłyby być produkowane i instalowane w maszynach roboczych. Jest to jednak ominięcie wymagań normy IEC część 30 dotyczącej sprawności silników elektrycznych, czyli zmniejszenia zużycia energii elektrycznej i produkcji CO 2. zbudowano model fizyczny silnika. Wirnik silnika pokazano na rysunku 2. Rys. 2. Przekrój poprzeczny i widok wirnika silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B. Rys. 1. Porównanie krzywych klas sprawności silników elektrycznych o 2p=4 i f n =50 Hz na podstawie normy IEC i krzywych sprawności znamionowych jednofazowych silników indukcyjnych o 2p=4 i f n =50 Hz różnych producentów maszyn elektrycznych. W [1 8] opisano konstrukcje dwubiegunowych i czterobiegunowych jednofazowych silników synchronicznych z magnesami trwałymi. Konstrukcje sześciobiegunowe tego typu silników nie były opisane w literaturze. 2. Model badanego silnika W pakiecie Maxwell 2D Design zbudowano model polowo-obwodowy sześciobiegunowego jednofazowego PMSM SEhm 80-6B. Do wzbudzenia zastosowano magnesy neodymowe typu N38SH o indukcji remanencji B r =1,24 T i natężeniu koercji magnetycznej H cb =990 ka/m. Po wykonaniu serii badań symulacyjnych Do budowy jednofazowego PMSM SEhm 80-6B wykorzystano stojan czterobiegunowego jednofazowego silnika indukcyjnego SEh 80-4B seryjnej produkcji. W prezentowanym modelu silnika o 2p=6 zaprojektowano nowe uzwojenie stojana oraz wirnik, który pokazano na rysunku Właściwości eksploatacyjne badanego silnika W trakcie badań silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B określono wpływ pojemności kondensatora pracy C run na przebieg krzywej sprawności η oraz moment maksymalny M max. Wyniki badań pokazano na rysunkach 3 i 4. Na podstawie wyników badań można stwierdzić, że zwiększanie pojemności kondensatora pracy powoduje przesuwanie maksimum na wykresie sprawności w kierunku większych mocy obciążenia oraz wzrost momentu maksymalnego silnika. Ponadto, przy

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 93 zwiększaniu pojemności kondensatora pracy zwiększa się hałas silnika w stanie jałowym. Spowodowane to jest składową przeciwną wirującego pola magnetycznego. Pojemność kondensatora pracy o wartości C run =25 µf przyjęto jako znamionową, ponieważ wówczas silnik nie hałasuje w stanie jałowym oraz ma bardzo dobre właściwości eksploatacyjne. Moc znamionowa silnika P n jest ograniczona minimalną przeciążalnością jednofazowych silników prądu przemiennego M max /M n 1,3. Charakterystykę elektromechaniczną silnika dla tej wartości pojemności pokazano na rysunku 5, a jego dane znamionowe w tabeli 1. Rys. 3. Wpływ pojemności kondensatora pracy C run na przebieg krzywej sprawności silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B. Rys. 4. Wpływ pojemności kondensatora pracy C run na wartość momentu maksymalnego silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B. Rys. 5. Charakterystyka elektromechaniczna silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B dla pojemności kondensatora pracy C run =25 µf. Tab. 1. Dane znamionowe silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B. parametr jednostka wartość U n V 230 P n W 650 n n obr/min 1000 I n A 3,49 η n % 87,1 cosφ n - 0,93 M max /M n - 1,3 T uzwojenie K 30 T wirnik K 26 C run µf 25 C start µf 110 Maksimum sprawności silnika η max =89,1 % występuje dla obciążenia silnika mocą P 2 =520 W. Przyrost temperatury uzwojenia stojana silnika T uzwojenie wyznaczono metodą rezystancyjną. Przyrost temperatury wirnika silnika T wirnik wyznaczono przez pomiar SEM indukowanej od magnesów trwałych w stanach zimnym i cieplnie ustalonym silnika. Zmierzone przyrosty temperatur są znacznie mniejsze od dopuszczalnych dla klasy izolacji F zastosowanej w silniku. Krzywa prądu silnika I nie wykazuje minimum dla dolnego zakresu obciążenia, podobnie jak w trójfazowych silnikach synchronicznych z magnesami trwałymi.

4 94 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 4. Właściwości rozruchowe badanego silnika Zbadano wpływ pojemności kondensatora rozruchowego C start jednofazowego PMSM SEhm 80-6B na właściwości rozruchowe silnika. Kondensator rozruchowy wyłączano za pomocą wyłącznika czasowego z regulowanym czasem wyłączenia T wył. Silnik był obciążony momentem znamionowym M n w całym zakresie prędkości obrotowej. Moment bezwładności układu obciążenia silnika J load był dwukrotnie większy od momentu bezwładności wirnika silnika J rotor. Wyniki badań przedstawiono na rysunkach 6, 7, 8. Rys. 6. Wykres prądu, momentu i prędkości obrotowej w czasie nieudanego rozruchu silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B dla C start =100 µf, T wył =0,5 s i M obc =M n.

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) 95 Rys. 7. Wykres prądu, momentu i prędkości obrotowej w czasie rozruchu silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B dla C start =110 µf, T wył =0,5 s i M obc =M n. Rys. 8. Wykres prądu, momentu i prędkości obrotowej w czasie rozruchu silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B dla C start =150 µf, T wył =0,2 s i M obc =M n. Z badań właściwości rozruchowych jednofazowego silnika typu PMSM SEhm 80-6B wynika, że zwiększanie pojemności kondensatora rozruchowego C start poprawia jego właściwości rozruchowe. Pojemność kondensatora rozruchowego jest znacznie większa od pojemności kondensatora pracy C run. 5. Wnioski Z przeprowadzonych badań eksperymentalnych modelu jednofazowego PMSM SEhm 80-6B wynika, że silnik ten ma bardzo dobre właściwości eksploatacyjne. Jego właściwości rozruchowe są zadawalające. Silnik ten spełnia klasę sprawności IE3 wg. projektu normy IEC część Literatura [1]. Aliabad A.D., Mirsalim, M., Ershad, N.F., Line Start Permanent-Magnet Motors: Significant Improvements in Starting Torque, Synchronization, and Steady-State Performance, Magnetics, IEEE Transactions on, 2010 [2]. Fei W., Luk P.C.K., Ma J., Shen J.X., Yang G., A High-Performance Line-Start Permanent Magnet Synchronous Motor Amended From a Small Industrial Three-Phase Induction Motor, Magnetics, IEEE Transactions on, 2009 [3]. Fengbo Q.; Zhipeng L.; Shukang C.; Weili L., Calculation and simulation analysis on starting performance of the high-voltage line-start PMSM, Computer Application and System Modeling (ICCASM), 2010 International Conference

6 96 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 3/2014 (103) [4]. Gwoździewicz M., Zawilak J., Comparison of properties of single-phase line start permanent magnet synchronous motors with W and VV shape permanent magnet arrangements. Experimental results., Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne 2013 [5]. Kurihara K., Kubota T., Nitawaki D., Rotor Design for High Starting Performance of a Self- Starting Single-Phase Permanent-Magnet Motor, Przegląd Elektrotechniczny 7b/2012 [6]. Miller T. J. E., Popescu M., Cossar C., McGilp M., Strappazzon G., Trivillin N., Santarossa R., Line-Start Permanent Magnet Motor Single-Phase Steady-State Performance Analysis, IEEE Transactions on Industry [7]. Rahman M. A., Osheiba A. M., Kurihara K., Jabbar M. A., Hew Wooi Ping, Kai Wang, Zubayer H. M., Advances on Single-Phase Line-Start High Efficiency Interior Permanent Magnet Motors, IEEE Transactions on Industrial Electronics [8]. Zhao Q., Wang X.; Yu S., Zhang D., An Z.; Tang R., Study and design for large line-start permanent magnet synchronous motors, Electrical Machines and Systems, ICEMS 2003 Autorzy mgr inż. Maciej Gwoździewicz, maciej.gwozdziewicz@pwr.edu.pl prof. Jan Zawilak, jan.zawilak@pwr.edu.pl Informacje dodatkowe Artykuł opracowano w ramach projektu GRANT PLUS (Program Operacyjny Kapitał Ludzki, Priorytet VIII Regionalne Kadry Gospodarki, Działanie 8.2 Transfer Wiedzy, Poddziałania Regionalne Strategie Innowacji). Projekt współfinansowany przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego.