Wpływ zapadów napięcia na pracę silnika synchronicznego dużej mocy z regulatorem mocy biernej

Transkrypt

1 MARIAN HYLA Wpływ zpdów npięi n prę silnik synhroniznego dużej moy z regultorem moy iernej W rtykule przedstwiono wpływ zpdów npięi n prę silnik synhroniznego w stnie synhronizmu. Wyznzono hrkterystyki sttyzne kąt moy w zleżnośi od npięi zsilni orz prądu wzudzeni dl silnik dużej moy typu GAe-1716t/1. Zprezentowno wyniki dń symulyjnyh stnów dynmiznyh. Rozptrzono zsdność forsowni prądu wzudzeni podzs zpdów npięi w elu utrzymni silnik w stnie pry synhroniznej. Słow kluzowe: silnik synhronizny, kompensj moy iernej, zpd npięi 1. WSTĘP W przemyśle górnizym silniki synhronizne dużej moy wykorzystuje się przewżnie do npędzni wentyltorów głównyh przewietrzni dołu koplni. Zzwyzj silniki te zsilne są ezpośrednio z szyn rozdzielni 6 kv, hoiż orz zęśiej spotyk się ukłdy zsilne z pośrednitwem flowników. Przy zsilniu ezpośrednim, jko silniki npędowe wykorzystuje się silniki z iegunmi jwnymi ze względu n możliwość rozruhu synhroniznego. W stnie ustlonym silnik pruje z prędkośią synhronizną wynikjąą z zęstotliwośi npięi zsiljąego, regulję wydjnośi wentylji relizuje się poprzez odpowiednie ustwienie klp ukłdu kierownizego. Przerw w pry wentyltor trwją o njmniej 2 minut skutkuje wstrzymniem roót i wyprowdzeniem złogi w kierunku szyów wdehowyh lu n powierzhnię [8]. Wżne jest wię, y system wentylji dziłł niezwodnie, zego kluzowym elementem jest poprwn pr silnik npędzjąego wentyltor. Jednym ze zjwisk mogąyh przyzynić się do nieprwidłowej pry wentyltor jest zpd npięi zsiljąego silnik npędowy. Tego typu zjwisko może doprowdzić do wypdnięi silnik z pry synhroniznej i w konsekwenji wyłązeni wryjnego wentyltor. Niedoiążone silniki synhronizne zęsto wykorzystuje się jko regulowne kompenstory moy iernej, zrówno loklnie, jk i w ukłdh z ndrzędnym zdwniem moy iernej [3, 4]. Regulj moy iernej odyw się poprzez zminę prądu w uzwojeniu wzudzeni silnik. Celem przeprowdzonyh dń ył nliz wpływu zpdu npięi n prę npędu przy relizji proedur kompensji moy iernej orz oen możliwośi utrzymni silnik w synhronizmie poprzez forsowni prądu wzudzeni. W dnih rozptrzone zostły tylko zpdy symetryzne. 2. PRACA SYNCHRONICZNA SILNIKA JAWNOBIEGUNOWEGO W silnikh synhroniznyh z iegunmi jwnymi uzwojenie wzudzeni nwinięte jest n iegunh wirnik (mgneśniy). Rdzeń wirnik zwier lite elementy owodu mgnetyznego (niegunniki) i jest symetryzny względem osi iegunów jwnyh oznznej jko oś d orz względem osi podłużnej oznznej jko oś q, prostopdłej do osi d. Rektnj synhronizn w ou osih m różne wrtośi, o pozwl n uzysknie momentu rozruhowego przy rozruhu ezpośrednim z siei zsiljąej. W stnie pry synhroniznej przy oiążeniu silnik momentem hmująym (moą zynną) oś wirnik nie pokryw się z osią pol wirująego wytwrznego przez uzwojeni stojn (twornik), lez

2 56 Mining Informtis, Automtion nd Eletril Engineering jest przesunięt o kąt ϑ zwny kątem moy lu kątem oiążeni. Siły dziłjąe pomiędzy iegunmi wywołują moment mehnizny, który przeiwstwi się momentowi hmująemu. Zminy oiążeni nie powodują zmin prędkośi orotowej wirnik, jedynie zminę opóźnieni wirnik względem pol wirująego wytwrznego przez stojn mszyny. Po przekrozeniu mksymlnej dopuszzlnej wrtośi kąt moy silnik wypd z synhronizmu [1, 2, 5, 6, 7]. N rys. 1. przedstwiono wykres wskzowy silnik synhroniznego z iegunmi jwnymi w ukłdzie współrzędnyh dq z pominięiem strt w uzwojeniu stojn. j I X q j I d X d E W Mo zynn poiern przez silnik w stnie pry synhroniznej opisn jest zleżnośią U f Ew P = m ( ) sinϑ + U f sin 2ϑ, (2) X d 2 X q X d m liz fz, U f npięie fzowe, ϑ kąt moy, E w sił elektromotoryzn indukown w uzwojeniu twornik. Sił elektromotoryzn indukown w uzwojeniu twornik wyrżon jest zleżnośią w E w =, (3) kw I w prąd wzudzeni, k w stł związn z konstrukją silnik. I U f j I q X q Moment M rozwijny przez silnik możn wyznzyć n podstwie zleżnośi P M =, (4) ω 1 w której ω 1 w stnie pry synhroniznej jest równ prędkośi kątowej ω N wyrżonej wzorem I d I f ϑ Rys. 1. Wykres wskzowy silnik synhroniznego z iegunmi jwnymi [opr. wł.] Znmionowy kąt moy ϑ Ν możn wyznzyć n podstwie zleżnośi [2, 7] I N X q osϕ N ϑ N = rsin (1) 2 U + 2 U fn I N X q sinϕ N + I X q 2 fn I N znmionowy prąd stojn, U fn znmionowe npięie fzowe, osϕ N znmionowy współzynnik moy, X d rektnj rozproszeni w osi d, X q rektnj rozproszeni w osi q. I q 2 N f N 2p ωn =, (5) p f N zęstotliwość znmionow npięi zsiljąego, p liz pr iegunów mgneśniy. Z zleżnośi (2) (3) orz (4) wynik, że n kąt moy wpływ m oiążenie silnik moą zynną (proporjonlną do momentu oiążeni), tkże wrtość npięi zsilni orz wrtość prądu wzudzeni. Bezpiezn pr silnik w stnie synhronizmu możliw jest tylko w ogrnizonym zkresie kąt moy. Produeni silników zleją, y prowły one z kątem moy niewiększym od wrtośi znmionowej. Pr z większym kątem moy może prowdzić do niestilnego dziłni silnik, szzególnie w stnh nieustlonyh. W prktye silniki synhronizne posidją pewien zps kąt moy umożliwijąy stilną prę synhronizną. Mo ierną wytwrzną lu poierną przez silnik możn wyznzyć n podstwie zleżnośi

3 Nr 2(526) U f I I P, dl ϑ < ϑ Q = (6) 2 2 3U f I I P, dl ϑ ϑ I prąd stojn, I P prąd zynny, ϑ kąt moy przy pry z osϕ=1. Prąd zynny I P opisny jest zleżnośią ntomist prąd stojn I zleżnośią I P P =, (7) 3U f I + I d prąd w osi d w posti I q prąd w osi q w posti I d 2 2 = I d I q, (8) Ew U f osϑ =, (9) X d I q U f sinϑ =. (1) X q N podstwie (6) (9) orz (1) możn zuwżyć, że ndążn kompensj moy iernej z wykorzystniem silnik synhroniznego może prowdzić do zmin kąt moy przy niezmienionym momenie oiążeni. Wykorzystnie silnik jko sterownego kompenstor moy iernej możliwe jest tylko w przypdku, gdy jest on oiążony momentem mniejszym od wrtośi znmionowej. W wielu npędh przemysłowyh silniki synhronizne prują z momentem oiążeni znznie mniejszym od znmionowego. Typowe oiążenie silnik npędzjąego wentyltor przewietrzni dołu koplni z reguły nie przekrz 6% jego moy znmionowej. Tkie oiążenie pozostwi niezędny mrgines ezpiezeństw kąt moy podzs zpdów npięi zsiljąego. Niedoiążone silniki synhronizne wykorzystywne jko kompenstory moy iernej wyposżone są w ukłdy regulji prądu w owodzie wzudzeni [4]. Oniżenie prądu wzudzeni skutkuje zwiększeniem wrtośi kąt moy, o podzs zpdu npięi może doprowdzić do wypdnięi silnik z synhronizmu. Częstą prktyką podzs zpdów npięi jest relizj proedury forsowni prądu wzudzeni w elu zmniejszeni kąt moy. Forsownie przeprowdzne jest do zsu powrotu npięi zsilni do złożonej wrtośi, mksymlnie przez kilk sekund. Ze względu n strty w uzwojeniu wzudzeni podzs przepływu prądu o wrtośi większej od znmionowej nie stosuje się dłuższyh zsów forsowni. Po przekrozeniu dopuszzlnego zsu forsowni wzudzeni silnik jest wyłązny wryjnie. 3. OBIEKT BADAŃ Oiektem dń ył silnik synhronizny jwnoiegunowy typu GAe-1716t/1 o dnyh znmionowyh przedstwionyh w t. 1. N podstwie zleżnośi (1) wyznzono znmionowy kąt moy ϑ Ν = 22,9º. N rys przedstwiono hrkterystyki sttyzne kąt moy w zleżnośi od oiążeni moą zynną, npięi zsilni i prądu wzudzeni, wyznzone nlityznie. Bdny zkres prądu wzudzeni zostł zwiększony do wrtośi 1,2 I wn ze względu n złożoną możliwość forsowni prądu wzudzeni podzs zpdu npięi zsiljąego stojn silnik. Linią przerywną oznzono znmionowy prąd wzudzeni i znmionowy kąt moy Rys. 2. Zleżność kąt moy ϑ od prądu wzudzeni I w dl U=U N : ) P=,9P N, ) P=,6P N, ) P=,15P N Rys. 3. Zleżność kąt moy ϑ od prądu wzudzeni I w dl U=,8U N : ) P=,9P N, ) P=,6P N, ) P=,15P N

4 58 Mining Informtis, Automtion nd Eletril Engineering Rys. 4. Zleżność kąt moy ϑ od prądu wzudzeni I w dl U=,6U N : ) P=,9P N, ) P=,6P N, ) P=,15P N Rys. 5. Zleżność kąt moy ϑ od prądu wzudzeni I w dl P=,9P N : ) U=U N, ) U=,8U N, ) U=,6U N Rys. 6. Zleżność kąt moy ϑ od prądu wzudzeni I w dl P=,6P N : ) U=U N, ) U=,8U N, ) U=,6U N Rys. 7. Zleżność kąt moy ϑ od prądu wzudzeni I w dl P=,15P N : ) U=U N, ) U=,8U N, ) U=,6U N Dne znmionowe silnik GAe-1716t/1 Tel 1. Mo znmionow (mehnizn) P mn 315 kw Mo zynn P N 3274 kw Npięie stojn U N (Y) 6 V Prąd stojn I N 35 A Npięie wzudzeni U wn 9 V Prąd wzudzeni I wn 313 A Współzynnik moy osϕ N,9 poj. Prędkość orotow n N 375 or/min Częstotliwość f N 5 Hz Zkłdją prę npędu przy oiążeniu,6 P N orz ogrnizenie kąt moy do wrtośi znmionowej, n podstwie hrkterystyk sttyznyh wyznzono zkres regulji prądu wzudzeni od wrtośi,51 I wn (16 A) do wrtośi I wn (313 A). 4. STANY DYNAMICZNE PODCZAS ZAPADU NAPIĘCIA W elu określeni zhowni silnik w stnh dynmiznyh przeprowdzono dni symulyjne w progrmie Mtl-Simulink. Model symulyjny przedstwiono n rys. 8. Uwzględniono w nim powiększony moment ezwłdnośi odpowidjąy ukłdowi npędowemu wentyltor WPK-5.3, wynosząy 4 kgm 2. N rys przedstwiono wyniki dń symulyjnyh stnów dynmiznyh przy skokowej zminie npięi zsilni do wrtośi,8 U N w trkie pry synhroniznej dl krńowyh wrtośi wyznzonego zkresu regulji prądu wzudzeni.

5 Nr 2(526) Rys. 8. Model symulyjny progrmu Mtl-Simulink Rys. 9. Zmin npięi od wrtośi U N do wrtośi,8 U N w zsie t=1 s dl P=,6 P N orz I w =I wn : ) kąt moy ϑ, ) odhyłk prędkośi ω, ) prąd wzudzeni I w, d) prąd stojn I Przy zminie wrunków pry kąt moy jest wielkośią zmienijąą się w pierwszej kolejnośi, dopiero w konsekwenji stnu nieustlonego mehniznego powstje stn przejśiowy elektromgnetyzny [5]. Oydw proesy oddziłują n sieie wzjemnie, prowdzą do stnu nieustlonego elektromehniznego.

6 6 Mining Informtis, Automtion nd Eletril Engineering Rys. 1. Zmin npięi od wrtośi U N do wrtośi,8 U N w zsie t=1 s dl P=,6 P N orz I w =,51 I wn : ) kąt moy ϑ, ) odhyłk prędkośi ω, ) prąd wzudzeni I w, d) prąd stojn I Rys. 11. Zmin npięi od wrtośi U N do wrtośi,6 U N w zsie t=1 s dl P=,6 P N orz I w =I wn : ) kąt moy ϑ, ) odhyłk prędkośi ω, ) prąd wzudzeni I w, d) prąd stojn I Duży moment ezwłdnośi stilizuje prędkość orotową, le niekorzystnie wpływ n dynmikę zmin kąt położeni włu silnik względem osi pol wirująego wytwrznego przez uzwojeni stojn. Zjwisko to prowdzi do zwiększeni przeregulowni kąt moy w stnh dynmiznyh i może spowodowć wypdnięie silnik z synhronizmu [1, 6], pomimo nieprzekrozeni dopuszzlnej wrtośi wyznzonej dl stnu sttyznego nowyh wrunków pry. N rys przedstwiono wyniki dń symulyjnyh stnów dynmiznyh przy skokowej zminie npięi zsilni do wrtośi,6 U N w trkie pry synhroniznej dl krńowyh wrtośi wyznzonego zkresu regulji prądu wzudzeni. W przypdku zpdu npięi do wrtośi,6 U N przy oniżonym prądzie wzudzeni nstąpiło wypdnieie silnik z pry synhroniznej. W tej sytuji silnik powinien zostć wyłązony wryjnie przez ukłd zezpiezeń.

7 Nr 2(526) Rys. 12. Zmin npięi od wrtośi U N do wrtośi,6 U N w zsie t=1 s dl P=,6 P N orz I w =,51 I wn : ) kąt moy ϑ, ) odhyłk prędkośi ω, ) prąd wzudzeni I w, d) prąd stojn I Często podejmownym dziłniem w tkim przypdku jest utomtyzne wymuszenie forsowni prądu wzudzeni w zsie zpdu npięi zsiljąego. N rys przedstwiono wyniki dń symulyjnyh przy zstosowniu proedury forsowni wzudzeni dl dwóh skrjnyh rozptrywnyh przypdków: spdku npięi zsilni do wrtośi,8 U N przy prądzie wzudzeni I wn orz spdku npięi do wrtośi,6 U N przy prądzie wzudzeni o wrtośi,51 I wn. Dl przypdku przedstwionego n rys. 13., w porównniu z wynikmi z rys. 9., forsownie prądu wzudzeni nie jest koniezne, prowdzi do niepotrzenego wzrostu prądu wzudzeni i prądu stojn. Dl przypdku przedstwionego n rys. 14., w porównniu z wynikmi z rys. 12., forsownie prądu wzudzeni pozwoliło utrzymć silnik w stnie pry synhroniznej. Rys. 13. Zmin npięi od wrtośi U N do wrtośi,8 U N w zsie t=1s dl P=,6 P N orz forsowni prądu wzudzeni od wrtośi I w =I wn do wrtośi 1,2 I wn w zsie 1,2 s: ) kąt moy ϑ, ) odhyłk prędkośi ω, ) prąd wzudzeni I w, d) prąd stojn I

8 62 Mining Informtis, Automtion nd Eletril Engineering Rys. 14. Zmin npięi od wrtośi U N do wrtośi,6 U N w zsie t=1 s dl P=,6 P N orz forsowni prądu wzudzeni od wrtośi I w =,51 I wn do wrtośi 1,2I wn w zsie 1,2 s: ) kąt moy ϑ, ) odhyłk prędkośi ω, ) prąd wzudzeni I w, d) prąd stojn I N podstwie hrkterystyk sttyznyh możn wyznzyć wrtość npięi zsilni, dl której powinno odywć się forsownie prądu wzudzeni. W mikroproesorowym loku zsilni wzudzeni silników synhroniznyh [4] wrtość t ustwin jest prmetryznie. Czs forsowni wzudzeni nie przekrz zzwyzj kilku sekund, o jest związne ze zwiększonymi strtmi moy w uzwojenih stojn i wzudzeni przy prądzie wzudzeni większym od znmionowego. Jeżeli w tym zsie npięie zsilni nie powrói do keptowlnej wrtośi, ukłd npędowy powinien zostć wyłązony wryjnie od momentu przekrozeni zsu n forsownie prądu wzudzeni. Osonyh dń wymg określenie zsu trwni zpdu npięi, po którym powinno nstąpić forsownie prądu wzudzeni. Przy krótkotrwłyh spdkh npięi znzny moment ezwłdnośi może pomó w utrzymniu silnik w pry synhroniznej, nwet, w przypdku wypdnięi silni z synhronizmu, spowodowć ponowne przejśie do pry synhroniznej. Rys. 15. Zmin npięi od wrtośi U N do wrtośi,6 U N w zsie t=1s orz do wrtośi U N w zsie t=2 s dl P=,6 P N orz I w =,51 I wn : ) kąt moy ϑ, ) odhyłk prędkośi ω, ) prąd wzudzeni I w, d) prąd stojn I

9 Nr 2(526) Rys. 16. Zmin npięi od wrtośi U N do wrtośi,6 U N w zsie t=1s orz do wrtośi U N w zsie t=6 s dl P=,6 P N orz I w =,51 I wn : ) kąt moy ϑ, ) odhyłk prędkośi ω, ) prąd wzudzeni I w, d) prąd stojn I N rys przedstwiono wyniki dń symulyjnyh stnów dynmiznyh przy spdku npięi do wrtośi,6 U N trwjąym 1 s i 5 s orz prądzie wzudzeni o wrtośi,51 I wn ez proedur forsowni. Dl wrunków z rys. 16. nstąpiło krótkotrwłe wypdnięie silnik z pry synhroniznej. W rozptrywnym przypdku proedur forsowni prądu wzudzeni powinn yć zinijown przed upływem 2 s (kąt moy o wrtośi około 9º) od rozpozęi zpdu npięi. W rozwiąznih prktyznyh forsownie prądu wzudzeni rozpozyn się ntyhmist po przekrozeniu ustwionego poziomu npięi zsilni ze względu n duże stłe zsowe owodu wzudzeni, dohodząe do 2-3 sekund, mogąe spowodowć zyt późną zminę prądu wzudzeni do wrtośi pozwljąej utrzymć silnik w stnie pry synhroniznej. Często, y zwiększyć dynmikę zmin prądu w owodzie wzudzeni, w pozątkowym okresie proedury forsowni wymusz się npięie większe od npięi forsowni, po uzyskniu przez prąd wzudzeni odpowiedniej wrtośi oniż się npięie do wrtośi odpowidjąej wrtośi prądu forsowni. W przypdku krótkotrwłyh zpdów npięi prąd w owodzie wzudzeni zzwyzj nie zdąży nrosnąć do wrtośi prądu forsowni, powrót npięi do wrtośi keptownej przeryw proedurę forsowni. 5. PODSUMOWANIE W rtykule przedstwiono wpływ zpdów npięi n prę silnik synhroniznego w stnie synhronizmu. N podstwie hrkterystyk sttyznyh orz dń symulyjnyh możn określić dopuszzlny zkres regulji prądu wzudzeni n potrzey proesu kompensji moy iernej. Ze względu n możliwą prę z oniżonym prądem wzudzeni koniezne jest tkże wyznzenie poziomu npięi, przy którym relizown powinn yć proedur forsowni prądu wzudzeni w elu utrzymni silnik w stnie pry synhroniznej. Odpowiedni doór nstw ukłdu regulji pozwl n zpewnienie ezpieznej pry silnik w stnie synhronizmu w zkresie złożonyh wrtośi prądu wzudzeni i npięi zsilni, o umożliwi wykorzystnie niedoiążonego silnik synhroniznego jko ndążnego kompenstor moy iernej ez ow o nieprwidłową prę npędu. Lizne doświdzeni przemysłowe z zstosowniem mikroproesorowego loku zsilni silnik synhroniznego [4] pokzują, że możliwość forsowni prądu wzudzeni o prwidłowo dornej wrtośi podzs zpdu npięi niejednokrotnie pozwl n utrzymnie silnik w stnie pry synhroniznej, o nie yłoy możliwe ez utomtyznego, odpowiednio szykiego zwiększeni prądu w owodzie wzudzeni.

10 64 Mining Informtis, Automtion nd Eletril Engineering Litertur 1. Aquilr D., Lun A., Roln A., Vzques G., Aevedo G.: Modeling nd Simultion of Synhronous Mhine nd its ehviour ginst Voltge Sgs. IEEE Interntionl Symposium on Industril Eletronis (ISlE 29), pp , Seoul Olympi Prktel, Kore Bjorek Z.: Teori mszyn elektryznyh, Wydwnitwo Politehniki Rzeszowskiej, Rzeszów Hyl M.: Automti ompenstion of retive power with system for monitoring 6 kv eletril power grid in mine. Mining Informtis, Automtion nd Eletril Engineering, 215, nr 2(522), s Hyl M.: Power supply unit for the exittion of synhronous motor with retive power regultor. Mining Informtis, Automtion nd Eletril Engineering, 215, nr 1(521), s Kzmrek T., Zwirski K.: Ukłdy npędowe z silnikiem synhroniznym, Wydwnitwo Politehniki Poznńskiej, Poznń Mrini P.: Immunity to voltge dips for synhronous motors. Pper sumitted to the Interntionl Conferene on Power Systems Trnsients (IPST213), Vnouver, Cnd Plmitzer A.: Mszyny elektryzne, WNT, Wrszw Rozporządzenie Ministr Gospodrki z dni 28 zerw 22 r. w sprwie ezpiezeństw i higieny pry, prowdzeni ruhu orz spejlistyznego zezpiezeni przeiwpożrowego w podziemnyh zkłdh górnizyh (Dz.U. z 22 r., nr 139, poz orz z 26 r., nr 124, poz. 863). dr inż. MARIAN HYLA Politehnik Śląsk Wydził Elektryzny ul. B. Krzywoustego 2, 44-1 Gliwie mrin.hyl@polsl.pl