DWUBIEGOWY SILNIK INDUKCYJNY O STOSUNKU PRDKOCI OBROTOWYCH 1:3

Transkrypt

1 Tomsz Zwilk, Ludwik Antl Politechnik Wrocłwsk, Wrocłw DWUIEGOWY SILNIK INDUKYJNY O STOSUNKU PRDKOI OROTOWYH 1:3 POLE HANGING INDUION MOTOR WITH 1:3 SPEED RATIO Astrct: This pper descries new concept of using conventionl induction motor s two speed induction motor. y switching supply from three phse to single phse with ll windings connected in series it is possile to triple mgnetic pole numer. There re shown sic properties of such solution. Results of FEM clcultion including flux pttern nd norml component of flux density long n irgp re presented. Torque-speed nd current-speed chrcteristic of studied motor re lso presented. Some trnsients including torque, speed nd current versus time during strt up nd switching to single phse supply re shown. 1. Wstp W npdch przystosownych do ezporedniego zsilni z sieci zdecydown wikszo stnowi silniki indukcyjne kltkowe. Njprostsz metod regulcji prdkoci orotowej w tkich npdch jest zmin liczy iegunów pol mgnetycznego. Uzwojenie twornik tkich mszyn skłd si d z dwóch niezlenych uzwoje d z jednego uzwojeni przełczlnego. W ou przypdkch silnik dwuiegowy m gorsze prmetry ni silnik jednoiegowy klsycznej udowy. W rozwizniu z dwom niezlenymi uzwojenimi wykorzystywne jest tylko jedno z uzwoje, mszyn m wiksze łoki i rednic zewntrzn. W silnikch z uzwojeniem przełczlnym wykorzystnie mteriłu czynnego stojn jest zncznie lepsze, jednk współczynniki uzwojeni dl ou prdkoci s mniejsze ni w mszynch jednoiegowych. Dodtkowo w drugim rozwizniu uzwojenie jest dwuwrstwowe co uniemoliwi zstosownie procesu utomtycznego zwojeni stojn, to z stnowi utrudnienie przy seryjnej produkcji. elem prcy jest wykznie moliwoci uzyskni dwóch prdkoci orotowych w silniku indukcyjnym o klsycznym jednoiegowym uzwojeniu stojn. 2. Koncepcj Koncepcj połcze dwuiegowego silnik indukcyjnego pokzno n przykłdzie klsycznego silnik z uzwojeniem jednowrstwowym ułoonym w 48 łokch. Owodowy rozkłd zezwojów tego uzwojeni pokzno n rysunku 1. Uzwojenie tkie zsilne trójfzowo wytwrz pole wirujce kołowe o czterech iegunch mgnetycznych. Owodowy rozkłd siły mgnetomotorycznej tego uzwojeni, dl wyrnej chwili czsowej, przedstwiono n rysunku 1. Z klsycznej nlizy hrmonicznej wynik, e o ile podstwow hrmoniczn czteroiegunow indukuje w rozptrywnym uzwojeniu ukłd npi trójfzowych wirujcych, to trzeci hrmoniczn indukuje w poszczególnych psmch fzowych ukłd npi współfzowych A A A A A A A A A 26 A 27 A A A A A A A A Rys. 1. Owodowy rozkłd uzwojeni orz siły mgnetomotorycznej dl zsilni trójfzowego () orz jednofzowego z wszystkimi fzmi połczonymi szeregowo ()

2 Zsiljc jednofzowo w odpowiedni sposó połczone, trdycyjne uzwojenie trójfzowe, mon wymusi powstnie 3. hrmonicznej siły mgnetomotorycznej o mplitudzie wikszej od mplitud wszystkich pozostłych hrmonicznych. Schemt połczeni i zsilni uzwojeni pokzno n rysunku 2. Trojfzowe zsilnie przewidzino moliwo zsilni jednofzowego wszystkich fz połczonych szeregowo. W modelu polowo-owodowym wykorzystno konstrukcj i mgnetowód seryjnego silnik indukcyjnego opisnego w [2]. Dne znmionowe tego silnik zestwiono w teli 1. Przekrój poprzeczny orz frgment sitki dyskretyzcyjnej przedstwiono n rysunku 3. Tel 1. Prmetry znmionowe dnego silnik w wykonniu frycznym Fz A Fz Fz zsilnie jednofzowe R Rys. 2. Schemt połczeni i zsilni uzwojeni Zsilenie npiciem jednofzowym szeregowo połczonych psm fzowych powoduje przepływ prdu współfzowego we wszystkich fzch. Owodowy rozkłd siły mgnetomotorycznej sporzdzony przy złoeniu, e we wszystkich fzch płynie ten sm prd, przedstwiono n rysunku 1. Wynik std, e uzwojenie trójfzowe przy zsilniu jednofzowym wszystkich fz połczonych szeregowo, wytwrz pole mgnetyczne o 3 krotnie wikszej liczie pr iegunów w stosunku do zsilni trójfzowego. Wytwrzne pole mgnetyczne jest polem pulsujcym co jest nturln konsekwencj zsilni jednofzowego. Wystpownie, przy specjlnym połczeniu uzwoje, pol o innej liczie pr iegunów, stwrz moliwo wykorzystni silnik o trdycyjnym uzwojeniu do prcy przy dwóch prdkocich orotowych. Zsilny trójfzowo silnik posid prmetry klsycznego silnik indukcyjnego, trójfzowego ntomist przy zsilniu jednofzowym z wszystkimi fzmi połczonymi szeregowo zchowuje si jk silnik jednofzowy o trzykrotnie wikszej liczie pr iegunów. 3. Polowo-owodowy model dnego silnik Dl zdni włciwoci silnik indukcyjnego prcujcego zgodnie z przedstwion koncepcj wykonno dwuwymirowy polowo-owodowy model oliczeniowy. Model ten nie róni si znczco od innych modeli silników indukcyjnych znnych z litertury. Rónice dotycz tylko czci owodowej modelu, w której Fz A Fz Fz Moc znmionow P n 18,5 kw Prdko orotow znmionow n n 145 or/min Znmionowy moment orotowy M n 121 Nm Npicie znmionowe U n 38 V Prd znmionowy I n 37 A Znmionowy współczynnik mocy cosϕ n,91 4. Wyniki olicze Wykorzystujc oprcowny model polowo-owodowy dnego silnik wykonno oliczeni pol mgnetycznego i wyznczono jego prmetry. N rysunku 4 pokzno rozkłd linii pol mgnetycznego w stnie nieocionym silnik przy zsilniu trójfzowym. Ntomist n rysunku 4 pokzno podony rozkłd linii pol dl zsilni psm fzowych połczonych szeregowo. Z rysunku wynik jednozncznie, e zmin zsilni trójfzowego n jednofzowe powoduje zmin liczy iegunów pol mgnetycznego z czterech n dwncie. N podstwie uzysknych wyników olicze pol wyznczono owodowy rozkłd skłdowej normlnej indukcji w szczelinie powietrznej (rys 5.) dl ou ukłdów połcze uzwojeni: trójfzowego (), jednofzowego zsilnego npiciem fzowym () orz jednofzowego zsilnego npiciem midzyfzowym (c). Z wykresów tych wynik, e przy jednofzowym zsilniu uzwojeni npiciem midzyfzowym mksymln wrto indukcji w szczelinie powietrznej jest porównywln z wrtoci indukcji przy trdycyjnym zsilniu trójfzowym.

3 ) ) ) ) Rys. 3. Frgment sitki dyskretyzcyjnej silnik modelownego Z olicze modelu polowo-owodowego wyznczono chrkterystyki sttyczne dnego silnik. hrkterystyk momentu orz prdu w funkcji prdkoci orotowej oliczono przy złoeniu stłej (prmetrycznie zmiennej) prdkoci orotowej silnik. redni wrto momentu orz skuteczn wrto prdu poiernego ze ródł wyznczono dl stnu ustlonego. Przeiegi tych chrkterystyk pokzno n rysunku 6. Z przeprowdzonych olicze wynik, e dny silnik przy zsilniu jednofzowym m zncznie mniejszy moment orotowy ni przy zsilniu trójfzowym. Rys. 4. Rozkłd linii sił pol mgnetycznego przy zsilniu trójfzowym () orz jednofzowym () Mksymln wrto momentu przy zsilniu jednofzowym npiciem midzyprzewodowym (38 V) stnowi 23% momentu znmionowego, przy zsilniu npiciem fzowym (22 V) zledwie 8% momentu znmionowego silnik trójfzowego. Jedn z przyczyn młej ocilnoci jest pulsujcy chrkter pol przy zsilniu jednofzowym. Podonie jk w jednofzowych silnikch indukcyjnych wystpuje skłdow przeciwien pol, której efektem s dodtkowe strty mocy orz wikszy prd iegu jłowego. W rozptrywnym przypdku prd mgnesujcy moe y nwet wikszy ni w innych silnikch jednofzowych ze wzgldu n mły współczynnik uzwojeni dl połczeni jednofzowego wynoszcy k u =,67.

4 Indukcj [T] Indukcj [T] Indukcj [T] 1,5 1,5 -,5-1 -1,5 1,5 1,5 -,5-1 -1,5 Kt [1 ] ,5 1,5 -,5-1 -1,5 Kt [1 ] c Kt [1 ] Rys. 5. Owodowy rozkłd skłdowej normlnej indukcji w szczelinie powietrznej dl zsilni trójfzowego () orz jednofzowego: npiciem midzyfzowym () npiciem fzowym (c) M,I [N*m, A] M, I [N*m, A] Moment Prd n [or/min] Prd 22V Prd 38V Moment 22V Moment 38V n [or/min] Rys. 6. hrkterystyk momentu orz prdu uzwojeni twornik w funkcji prdkoci orotowej dl zsilni trójfzowego () orz jednofzowego () M [N*m] c n [or/min] Rys. 7. hrkterystyk mechniczn silnik dl zsilni trójfzowego (), jednofzowego npiciem midzyprzewodowym () jednofzowego npiciem fzowym (c) orz chrkterystyk ocieni (d) Wynik std wniosek, e przedstwione rozwiznie moe mie zstosownie w npdch, w których moment ocieni jest silnie zleny od prdkoci orotowej np. w npdch wentyltorów. W koplni podziemnej istniej strefy szczególnego zgroeni, wymgjce intensywnej loklnej wentylcji podczs prcy górników [1, 3]. Loklny przepływ powietrz wymuszny jest wentyltormi przodkowymi z silnikmi o mocy od 1 do 6 kw. zs prcy górników w przodku wynosi w okresie zminy 4-5 godzin. W pozostłym czsie, równie w dnich wolnych od prcy, prc wentyltorów przodkowych jest zdn. Nie mon ich jednk wyłcz ze wzgldu n moliwo zwilgoceni izolcji silników orz osdznie pyłów (cementownie pyłu) n łoptkch wentyltor. Podone zjwisko wystpuje w wentyltorch zinstlownych w chłodnich, które ze wzgldu n technologi mog y ztrzymywne w okresie zimowym. Wystpuje jednk nieezpieczestwo olodzeni łoptek wentyltor utrudnijce ponowny rozruch. d

5 M [N*m] ,1,2,3,4,5,6,7 Zsilnie jednofzowe czs [s] n [or/min] Zsilnie jednofzowe 3 czs [s],1,2,3,4,5,6,7 I [A] c Zsilnie jednofzowe -3-4 czs [s],1,2,3,4,5,6,7 Rys. 8. Przeieg momentu elektromgnetycznego (), prdkoci orotowej () orz prdu sieciowego (c) w symulownych stnch prcy N rysunku 7 przedstwiono chrkterystyki mechniczne silnik dl ou ukłdów połcze: trójfzowego i jednofzowego orz chrkterystyk ocieni (wentyltor). Jk wynik z wykresu, chrkterystyk momentu dl połczeni jednofzowego i zsilni npiciem fzowym ley poniej chrkterystyki ocieni. Ozncz to, e wrunkiem stilnej prcy silnik n mniejszej prdkoci orotowej jest zsi- lenie go npiciem midzyfzowym. Wykorzystujc model polowo-owodowy przeprowdzono symulcje rozruchu i zminy prdkoci orotowej nlizownego silnik w npdzie o wentyltorowej chrkterystyce ocieni. N rysunku 8 pokzno przeiegi prdu, momentu elektromgnetycznego orz prdkoci orotowej silnik dl złoonego cyklu prcy. Rozruch i prc przy ustlonym ocieniu silnik n wikszej prdkoci orotowej trw

6 ,4 s. Wyznczone dl stnu ustlonego prmetry silnik nie róni si wicej ni 5 % od dnych podwnych przez producent (tel 1). Nstpny etp prcy pokzny n wykresie to przełczenie uzwoje stojn i zmin prdkoci orotowej z 145 do 485 or/min. 5. Podsumownie Wykonne oliczeni polowo-owodowe potwierdzj moliwo zudowni dwuiegowego silnik indukcyjnego kltkowego, który dl wikszej prdkoci orotowej m identyczne prmetry jk klsyczny silnik jednoiegowy, jego drug, mniejsz prdko orotow uzyskuje si przez szeregowe zsilenie psm fzowych npiciem jednofzowym. Silnik ten chrkteryzuje si stłym stosunkiem prdkoci, który wynosi 1:3 i ze wzgldu n wytwrzny moment elektromgnetyczny moe y wykorzystywny do npdów o wentyltorowej chrkterystyce mechnicznej. 7. Litertur [1]. Antl L., Zwilk J.: Oszczdno energii elektrycznej w npdch wentyltorów kopl podziemnych. Efektywno energetyczn npdów z silnikmi elektrycznymi. EENSE. Zeszyty Prolemowe Mszyny Elektryczne nr 67/23, wyd. ORME Komel, s [2]. edrt, End winding chrcteristion with Flux3d, July 22, [3]. Kowlski S., ymlski A., Zwilk J.: Silniki wieloiegowe w npdch o wentyltorowej chrkterystyce mechnicznej. Mech. Autom. Gór. 1996R. 34 nr 6/7 s Autorzy Inst. Mszyn, Npdów i Pomirów Elektr. Politechnik Wrocłwsk Wyrzee Wyspiskiego Wrocłw ludwik.ntl@pwr.wroc.pl tomsz.zwilk@pwr.wroc.pl Prc nukow finnsown ze rodków Komitetu d Nukowych w ltch jko projekt dwczy Nr 3 T1A 5 26.