MAGNETOELEKTRYCZNY SILNIK MAŁEJ MOCY Z KOMPAKTOWYM WIRNIKIEM HYBRYDOWYM I Z ROZRUCHEM SYNCHRONICZNYM

Transkrypt

1 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /1 (1) 1 Ludwik Antal, Paweł Zalas Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, Politechnika Wrocławska, Wrocław MAGNETOELEKTRYCZNY SILNIK MAŁEJ MOCY Z KOMPAKTOWYM WIRNIKIEM HYBRYDOWYM I Z ROZRUCHEM SYNCHRONICZNYM LOW POWER MAGNETOELECTRIC MOTOR WITH COMPACT HYBRID ROTOR DESIGNED TO SYNCHRONOUS STARTING Streszczenie: Przedstawiono wybraną konstrukcję silnika synchronicznego małej mocy z kompaktowym wirnikiem hybrydowym wykonanym w technologii metalurgii proszków, przeznaczonego do rozruchu synchronicznego i pracy w napędach pomp i wentylatorów górniczych. Zbadano wpływ początkowej wartości napięcia stojana (przy f=hz), początkowego położenia wirnika, wartości całkowitego momentu bezwładności układu napędowego oraz charakterystyki momentu obciążenia na rozruchowe przebiegi podstawowych wielkości elektromechanicznych. Obliczenia wykonano przy pomocy dwuwymiarowego polowo-obwodowego modelu maszyny, wykorzystując metodę elementów skończonych. Abstract: The paper presents the construction and realization technology of the compact hybrid rotor for use in low power permanent magnet synchronous motor, designed to synchronous starting and dedicated to pump drives and fans. The influence of initial value of the stator voltage (f=hz), initial rotor position, the resultant moment of inertia of the drive system and the characteristics of the load torque on waveforms of the basic quantities during starting has been investigated. The calculations were performed using a two-dimensional field-circuit model of the machine, using the finite-element method. Słowa kluczowe: maszyny elektryczne, magnesy trwałe, rozruch, synchronizacja, obliczenia MES Keywords: electrical machines, permanent magnet, starting, synchronization, FEM calculation 1. Wstęp Jednobiegowe silniki synchroniczne o rozruchu bezpośrednim (LSPMSM) podłączane są podczas procesu rozruchu do sieci zasilającej przy nieruchomym wirniku, co powoduje powstanie, tak jak w silniku indukcyjnym, momentu napędowego od klatki rozruchowej. Stały strumień magnesów trwałych wywołuje jednak moment hamujący [5] skierowany przeciwnie do momentu napędowego, utrudniający rozruch układu napędowego. Przebieg wypadkowego momentu rozruchowego silników o tej konstrukcji, szczególnie w dolnym zakresie prędkości obrotowych, ogranicza ich zastosowanie do napędu maszyn o wentylatorowej charakterystyce momentu obciążenia. Poprawa właściwości rozruchowych tych maszyn i zdolności do synchronizacji, przy jednoczesnym osiągnięciu dobrych właściwości eksploatacyjnych stanu ustalonego, są głównymi zadaniami do rozwiązania w projekcie silnika [,, 6]. Właściwości rozruchowe silników typu LSPMSM można polepszyć przez zastosowanie rozwiązań wykorzystujących zjawisko wypiera- nia prądu [7]. Innym rozwiązaniem problemu jest użycie przełączalnego, dwubiegowego uzwojenia stojana. Rozruch do prędkości większej od docelowej prędkości synchronicznej [1, 3] oraz synchronizacja z prędkości nadsynchronicznej ułatwiają zarówno rozruch, jak i synchronizację. W artykule zaprezentowano konstrukcję silnika PMSM o kompaktowym wirniku hybrydowym, wykonanym w technologii metalurgii proszków, przeznaczonego do rozruchu częstotliwościowego i pracy z regulowaną prędkością obrotową w napędach pomp i wentylatorów górniczych. Przedstawiono krótki opis konstrukcji wykonania silnika oraz wyniki obliczeń procesów rozruchu dla różnych warunków pracy. Zaproponowano również algorytm łagodnego i synchronicznego rozruchu silnika przez wstępne pozycjonowanie wirnika polem stałym w początkowej fazie procesu. Obliczenia wykonano metodą elementów skończonych FEM wykorzystując opracowany polowo-obwodowy model obliczeniowy badanej konstrukcji silnika.

2 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /1 (1). Konstrukcja kompaktowego wirnika hybrydowego silnika PMSM małej mocy Silnik synchroniczny z kompaktowym wirnikiem hybrydowym został zaprojektowany z uwzględnieniem ograniczeń technologicznych wykonawcy wirnika tego silnika - Instytutu Tele - i Radiotechnicznego z Warszawy. Technologiczne ograniczenie maksymalnej średnicy wirnika spowodowało przyjęcie silnika indukcyjnego Sh 71B za konstrukcję bazową. Zachowany został stojan tego silnika, a jego wirnik zastąpił wirnik kompaktowy. Somaloy 7, a magnesy to dielektromagnesy wykonane z proszku z szybko chłodzonej taśmy ze stopów Nd-Fe-B typu: MQP-A 85% 316 LF15%. Jako uzwojenie rozruchowo-tłumiące będące jednocześnie elementem konstrukcyjnym, zapewniającym uzyskanie precyzyjnie rozmieszczonych przestrzeni na magnesy, przewidziano lity kształtownik miedziany. Strukturę kompaktowego wirnika hybrydowego pokazano na rysunku 1. Badania symulacyjne rozruchu i synchronizacji silnika PMSM, z wirnikiem z materiałów kompozytowych wykonano przy pomocy opracowanych parametrycznych modeli polowo-obwodowych (rys. ). A B Rys. 1. Struktura kompaktowego wirnika hybrydowego: 1 rdzeń wirnika Somaloy 7; materiał przewodzący Cu; 3 materiał magnetycznie twardy MQP-A 85% 316 LF15%; wał silnika stal C5-E (1.1191) Wirnik hybrydowy silnika synchronicznego (rys. 1) wykonany jest głównie z materiałów proszkowych. Jako rdzeń magnetyczny wirnika przewidziano zastosowanie dielektromagnetyka, AB Rys.. Model polowy silnika z wirnikiem kompozytowym Zbadano obliczeniowo właściwości rozruchowe silnika z wirnikiem z materiałów kompozytowych wykonanym w technologii hybrydowej z aktywną klatką rozruchową. W obliczeniach przyjęto różne wartości momentu bezwładności rozpatrywanego układu napędowego, stanowiące wielokrotności momentu bezwładności wirnika hybrydowego silnika synchronicznego (J w =,93 kg m ). Przyjęte wartości momentu bezwładności układu to 5, 1 i J w. Wszystkie badane przypadki rozruchu policzono dla różnych początkowych położeń wirnika w przedziale 36 deg elektrycznych. Sposób określania geometrycznego położenia wirnika, specyficzny dla zastosowanej aplikacji FEM (Maxwell, Ansys), pokazuje rysunek 3. Przedstawiona na rysunku oś pola wzbudzenia pokrywa się z osią wirującego pola twornika, jeżeli w pokazanym na rysunku położeniu wirnika w chwili początkowej (t = ) prąd fazy A ma wartość chwilową równą zeru. Można za-

3 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /1 (1) 3 tem od tego położenia mierzyć kąt obciążenia maszyny synchronicznej. Badania symulacyjne wykonano dla dwóch różnych rodzajów momentu obciążenia, a mianowicie momentu stałego o wartości znamionowej T n =,598 N m, oraz momentu wentylatorowego o tej samej wartości znamionowej przy prędkości synchronicznej 15 1/min. napięcie [V] ua ub uc,,5,5,75 1, 1,5 1,5 Rys.. Przebiegi napięć sinusoidalnych odwzorowujących zasilanie z falownika przy opóźnieniu t =, s Rys. 3. Wirnik w położeniu początkowym α = (-3) deg Silnik zasilany jest z falownika PWM i uruchamiany synchronicznie przez zmianę częstotliwości i wartości skutecznej napięcia, przy zachowaniu warunku U/f = const. Po ustaleniu, że zastąpienie w obliczeniach sygnału napięciowego PWM sygnałem sinusoidalnym jest dopuszczalne, zastosowano algorytm narastania napięcia podczas rozruchu silnika przedstawiony na rysunku, z opóźnionym wzrostem napięcia i częstotliwości. W początkowej fazie rozruchu o długości t =, s, wirnik ustawiany jest polem stałym w kierunku osi tego pola. Dla założonej chwili i fazy początkowej oś pola stałego leży w płaszczyźnie uzwojenia fazowego o zerowym prądzie. Wobec przyjętego sposobu wstępnego pozycjonowania wirnika, uzyskane wyniki obliczeń dla różnych początkowych położeń wykazują różnice jedynie w strefie pozycjonowania (rys. 5 7). Dlatego w dalszej prezentacji wyników procesów rozruchu pokazano jedynie przebiegi dla położenia początkowego -3 deg, czyli najkorzystniejszego położenia, do którego zmierza wirnik przed rozpoczęciem rozruchu. predkosc obrotowa [1/min] Rys. 5. Przebiegi prędkości obrotowej podczas momentem wentylatorowym dla różnych położeń początkowych wirnika moment [Nm] Rys. 6. Przebiegi momentu elektromagnetycznego podczas rozruchu i synchronizacji silnika obciążonego momentem wentylatorowym dla różnych położeń początkowych wirnika

4 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /1 (1) prad [A] moment [Nm] Jx Jx Rys. 7. Przebiegi prądu jednej z faz podczas momentem wentylatorowym dla różnych położeń początkowych wirnika 3. Wyniki badań rozruchu i synchronizacji silnika Wyniki obliczeń przebiegów rozruchowych silnika z wirnikiem hybrydowym i klatką rozruchową,, obciążonego stałym momentem znamionowym T n =,598 N m i przy różnych momentach bezwładności układu napędowego oraz początkowego położenia wirnika -3 deg przedstawiono na rysunkach 8 1. predkosc obrotowa [1/min] Jx1 Jx Rys. 8. Przebieg prędkości obrotowej podczas stałym momentem znamionowym Rys. 9. Przebieg momentu elektromagnetycznego podczas rozruchu i synchronizacji silnika obciążonego stałym momentem znamionowym prad [A] 6 - Faza A Jx Faza A Jx1 Faza A Rys. 1. Przebieg prądu jednej z faz podczas stałym momentem znamionowym prad klatki [A] Jx Jx Rys. 11. Przebieg prądu klatki podczas rozruchu i synchronizacji silnika obciążonego stałym momentem znamionowym

5 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /1 (1) 5 moc pobierana [W] Jx Jx1 p1_porownanie Sh_71_b_HYB15 ANSOFT moment [Nm] 6 - Jx Jx Rys. 1. Przebieg mocy pobieranej podczas rozruchu i synchronizacji silnika obciążonego stałym momentem znamionowym Możliwości rozruchowe rozpatrywanej konstrukcji silnika z wirnikiem hybrydowym obciążonego momentem stałym są ograniczone. Moment rozruchowy jest mały, a ponadto słabo tłumione są pulsacje momentu i prędkości po zakończeniu rozruchu. Wyniki obliczeń przebiegów rozruchowych silnika z wirnikiem hybrydowym i klatką rozruchową, obciążonego wentylatorowym momentem znamionowym T n =,598 N m przy prędkości synchronicznej 15 1/min i przy różnych momentach bezwładności układu napędowego oraz początkowego położenia wirnika -3 deg przedstawiono na rysunkach predkosc obrotowa [1/min] Jx1 Jx Rys. 13. Przebieg prędkości obrotowej podczas momentem wentylatorowym Rys. 1. Przebieg momentu elektromagnetycznego podczas rozruchu i synchronizacji silnika obciążonego momentem wentylatorowym prad [A] Faza A Jx Faza A Jx1 Faza A Rys. 15. Przebieg prądu jednej z faz podczas momentem wentylatorowym prad klatki [A] Jx Jx Rys. 16. Przebieg prądu klatki podczas rozruchu i synchronizacji silnika obciążonego momentem wentylatorowym

6 6 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr /1 (1) moc pobierana [W] p1_porownanie Sh_71_b_HYB ANSOFT Jx Jx1 Rys. 17. Przebieg mocy pobieranej podczas rozruchu i synchronizacji silnika obciążonego momentem wentylatorowym Proces rozruchu synchronicznego rozpatrywanej konstrukcji silnika synchronicznego z kompaktowym wirnikiem hybrydowym obciążonego momentem o charakterystyce wentylatorowej i korzystnej dla dalszego rozruchu pozycji początkowej wirnika -3 deg przebiega łagodnie i skutecznie dla przyjętych wartości momentu bezwładności układu napędowego.. Wnioski Zastosowanie technologii proszkowej do wykonania rdzenia magnetycznego oraz magnesów, umożliwia swobodne kształtowania geometrii wirnika. Ponadto zmniejsza liczbę procesów technologicznych związanych z wytworzeniem gotowego wirnika, a tym samym obniża sumaryczny koszt produkcji maszyny. Technologia wykonania stojanów silników PMSM małej mocy z kompaktowym wirnikiem hybrydowym jest analogiczna jak w klasycznych silnikach indukcyjnych produkowanych wieloseryjnie. Właściwości rozruchowe rozpatrywanego silnika z wirnikiem hybrydowym obciążonego momentem stałym są ograniczone. Zastosowany element przewodzący pełniący rolę konstrukcyjną oraz klatki rozruchowej nieznacznie wpływa na ich poprawę. Zaproponowany algorytm rozruchu synchronicznego ze wstępnym pozycjonowaniem wirnika polem stałym w pierwszej fazie rozruchu zapewnia skuteczny i łagodny przebieg procesu dla przyjętych warunków pracy i wentylatorowego charakteru momentu obciążenia. Rozruch synchroniczny jest łagodniejszy niż rozruch asynchroniczny w silnikach LSPMSM o bezpośrednim rozruchu. Proces jest bardziej płynny i przebiega przy mniejszych wartościach pulsacji momentu, prędkości obrotowej i prądu. 5. 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, IEEE Transactions on Magnetics, Volume: 6, Issue: 1, 1, s []. Bernatt J., T., Glinka T.: Problemy konstrukcji maszyn elektrycznych w aktualnych pracach BOBRME Komel. Problemy eksploatacji maszyn i napędów elektrycznych. PEMINE, Rytro, 9. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne. BOBRME Komel nr 83, 9, s. 13. [3]. Cistelecan M.V., Popescu M., Melcescu L., Tudorache T., Three phase line start claw poles permanent magnet motor with pole changing winding, Power Electronics, Electrical Drives, SPEEDAM 8. International Symposium on Automation and Motion, 8, s []. Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane magnesami trwałymi. Wydawnictwo Pol. Śląskiej, Gliwice. [5]. Kisielewski P., Antal M., Gierak D., Zalas P.: Zastosowanie magnesów trwałych w silnikach elektrycznych dużej mocy. SME 11, Szczecin, 19- czerwca 11, Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne BOBRME Komel nr 9, s [6]. Rossa R.: Zastosowanie metody polowo obwodowej do obliczania parametrów silników synchronicznych z magnesami trwałymi przy pracy synchronicznej. Zeszyty Problemowe - Maszyny Elektryczne BOBRME Komel nr 7, 5, s [7]. Zawilak T.: Wykorzystanie efektu wypierania prądu w rozruchu bezpośrednim maszyn wzbudzanych magnesami trwałymi. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Studia i Materiały, 66 (1), n.3,s Autorzy dr hab. inż. Ludwik Antal prof. PWr dr inż. Paweł Zalas Politechnika Wrocławska Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych ul. Smoluchowskiego Wrocław Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 1-13 jako projekt badawczy POIG /9