ANALIZA STANÓW PRACY SILNIKÓW INDUKCYJNEGO I SYNCHRONICZNEGO MAGNETOELEKTRYCZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM

Transkrypt

1 Zeszyty Probleowe Maszyy Elektrycze Nr 2/2013 (99) 227 Mariusz Barański, Paweł Idziak, Wojciech Królikowski, Wiesław Łyskawiński Politechika Pozańska, Pozań ANALIZA STANÓW PRACY SILNIKÓW INDUKCYJNEGO I SYNCHRONICZNEGO MAGNETOELEKTRYCZNEGO O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM ANALYSIS OF OPERATING MODES OF INDUCTION MOTOR AND LINE START PERMANENT MAGNETS SYNCHRONOUS MOTOR Streszczeie: W artykule przedstawioo aalizę procesu rozruchu i stau pracy ustaloej silika sychroiczego agetoelektryczego przystosowaego do rozruchu bezpośrediego (LSPMSM) oraz silika idukcyjego klatkowego; obu o ocy 3 kw. Porówao podstawowe paraetry użytkowe obu kostrukcji cechujących się idetyczyi stojaai. Szczególą uwagę zwrócoo a przebieg procesu rozruchu oraz wartości osiągaych oetów rozruchowego i aksyalego. Eksperyet poiarowy poprzedzoo obliczeiai ueryczyi. W badaiach syulacyjych wykorzystao środowisko Maxwell i oprograowaie włase opracowae a podstawie polowo-obwodowego odelu zjawisk z uwzględieie dyaiki układu. Zestawioo uzyskae z syulacji wyiki i porówao je z rezultatai poiarów. Abstract: I the paper the trasiets uder startig process ad the steady states of lie start peraet aget sychroous otor (LSPMSM) have bee aalyzed. The basic operatig paraeters of the two structures which are characterized by idetical stators was copared. Particular attetio has bee give to the trasiet uder startig process ad values of startig ad axiu torque. The easureets were preceded by uerical calculatios. Coputer siulatios have bee perfored usig field-circuit odel of the otor elaborated i the Maxwell eviroet ad i special software elaborated by authors. Elaborated special software has bee successfully applied to the siulatio of the LSPMSM ad squirrel-cage otor. The results of coputatios have bee copared with easureets. Selected results have bee preseted. Słowa kluczowe: silik sychroiczy agetoelektryczy, silik idukcyjy, stay ustaloe i przejściowe Keywords: peraet aget sychroous otor, asychroous otor, steady ad trasiet states 1. Wstęp Stosowae w apędach elektryczych siliki idukcyje coraz częściej są zastępowae przez siliki sychroicze z agesai trwałyi (PMSM). Spowodowae jest to obiżeie kosztów eksploatacji tych silików, wyikających ze zwiększeia sprawości i współczyika ocy przy jedoczesy ziejszeiu ich gabarytów w porówaiu z odpowiadającyi i silikai idukcyjyi o takiej saej ocy [22]. Opracowao.i. iteresujące kostrukcje z dzieloyi agesai powierzchiowyi [15, 17]. W dążeiu do obiżeia kosztów i czasu produkcji propouje się wykoywaie eleetów kostrukcyjych silików z ateriałów proszkowych [19, 20, 21] w jedy procesie techologiczy. Podstawową wadą PMSM jest koieczość zastosowaia do ich rozruchu eergoelektroiczych układów przekształtikowych. W istoty sposób zwiększa to koszty całego układu apędowego. W celu uikięcia tej wady w wielu ośrodkach aukowo-badawczych [3, 6, 9, 14, 16] prowadzoe są itesywe prace ad silikai sychroiczyi przystosowayi do rozruchu przy bezpośredi podłączeiu do sieci elektryczej (Lie Start Peraet Magets Sychroous Motors-LSPMSM). Tego typu siliki ze względu a swe zalety zastępują już siliki idukcyje stosowae.i. w górictwie [8, 18]. W celu obiżeia kosztów produkcji silików sychroiczych, bardzo często wykorzystuje się podzespoły seryjie produkowaych silików idukcyjych takich jak rdzeie stojaów, kadłuby, tarcze łożyskowe, skrzyki zaciskowe, układy chłodzeia itp. [11]. Wadą stosowaia seryjie produkowaych rdzei stojaów silików idukcyjych do produkcji silików agetoelektryczych jest brak pełego wyzyskaia obwodu agetyczego aszyy. W rezultacie uzyskuje się iejszą wartość współczyika określającego stosuek ocy do asy

2 228 Zeszyty Probleowe Maszyy Elektrycze Nr 2/2013 (99) silika. Poio to, w pracy skocetrowao się a aalizie aszy o zaday wykroju blachy stojaa. Uzao bowie, że pozwoli to poprawie przeprowadzić aalizę porówawczą rozpatrywaych kostrukcji. 2. Opis badaego obiektu Badaio poddao silik idukcyjy klatkowy 3-fazowy typu Sg 100L-4B o ocy 3kW, prędkości zaioowej 1425 rp, apięciu zaioowy 3x400 V przy połączeiu w gwiazdę. Silik był w wykoaiu przeciwwybuchowy, tz. jego kadłub był wykoay z żeliwa. Dla zapewieia wysokiej jakości poiarów wybraych właściwości badaej aszyy, stadardowe iewyważeie wirika wyoszące 2 x 10-5 N zredukowao do 0,5 x 10-5 N dla wirika klatkowego oraz do 0,6 x 10-5 N dla wirika z agesai. Stoja a 36 półzakiętych żłobków, a wirik klatkowy (orygialy) 28 skoszoych żłobków (rys. 1). Maszya przezaczoa jest do rozruchów średich i lekkich. Natoiast w wiriku z agesai zajduje się 28 zakiętych żłobków prostych (rys. 1). 1 2 Rys. 1. Stoja i badae wiriki: 1-z agesai, 2-klatkowy W trakcie prac przygotowawczych wyzaczoo oety bezwładości obu wirików. Określoo je etodą wahadła skrętego oraz obliczeiową. W obu etodach uzyskao zbieże wyiki (tabela 1). Badaia obejowały zarówo sta ustaloy jak też zachowaie się aszyy podczas rozruchu. Wykoao je dla: aszyy pracującej a biegu jałowy (brak połączeia echaiczego z obciążeie), aszyy obciążoej oete T 0 = 11 N. Opracowaa kostrukcja LSPMSM a staowić zaieik silika idukcyjego. Z tego powodu oet zaioowy silika klatkowego (T N = 20 N) uzao za wartość wzorcową podczas prowadzoych badań. Tabela 1. Moet bezwładości wirika Moet bezwładości wirika J obliczoy Moet bezwładości J wyzaczoy etodą wahadła skrętego Jedostki [kg 2 ] [kg 2 ] Wirik klatkowy (orygialy) Wirik z agesai trwałyi 0, , , , Połączeie poiędzy silikie a obciążeie zrealizowao sprzęgłai elastyczyi redukującyi wpływy ewetualej ieosiowości w ustawieiu wzajey aszy. W baday odelu oet zaczepowy wyosił 0,54 N, co staowi ok. 2,7 % oetu zaioowego aszyy idukcyjej. 2. Model polowo-obwodowy Do aalizy ustaloych i przejściowych staów pracy silika idukcyjego wykorzystao opracoway odel polowo-obwodowy aszyy [1, 2]. W odelu ty uwzględioo ieliiowe właściwości agetycze środowisk, skos wirika, prądy wirowe idukowae w asywych eleetach przewodzących oraz ruch wirika. Rozkład pola agetyczego wyzaczoo etodą eleetów skończoych. W ty celu dokoao dyskretyzacji rozpatrywaego obszaru i czasu uzyskując układ ieliiowych rówań algebraiczych obejujący: rówaia opisujące rozkład pola agetyczego i prądy w uzwojeiach 1 [ S + G ( 1 Ck ) t ] [ z ] T [ z ] ( R t + L) 1 0 [ G ( 1 Ck ) t ] 0 + T tu [ z ] L = rówaie dyaiki J b [ ϕ ] i -1 [ ϕ ] i 1 2 ( + α + α ) / ( t) = T T (1) α (2) gdzie: uer kroku czasowego; t długość kroku czasowego; U wektor apięć zasilających; i wektor prądów oczkowych; φ we-

3 Zeszyty Probleowe Maszyy Elektrycze Nr 2/2013 (99) 229 ktor potecjałów krawędziowych, S, G, C k, z acierze odpowiedio reluktacji, koduktacji, współczyików oraz trasforująca acierz prądów krawędziowych a oczkowe podacierze dla odpowiedich podziałów dysku; R acierz diagoala rezystacji uzwojeia stojaa; L acierz idukcyjości połączeń czołowych; J b oet bezwładości; α położeie kątowe wirika; T 0 oet obciążeia; T oet elektroagetyczy obliczay a podstawie rozkładu pola agetyczego [4]. W celu ziejszeia oddziaływaia zjawisk pasożyticzych wywoływaych wyższyi haroiczyi pola agetyczego, zwłaszcza elektroagetyczych oetów obrotowych, w agetowodach aszy elektryczych stosuje się żłobki skoszoe. Dokłada aaliza rozkładu pola w układach ze skoszoyi żłobkai ożliwa jest tylko w ujęciu trójwyiarowy. Algoryty syulacji zjawisk polowych w ujęciu trójwyiarowy są złożoe i czasochłoe. Procedurę obliczeiową oża uprościć, dzieląc wirik a warstwy. Otrzyuje się wówczas dwuwyiarowy odel wielowarstwowy [13]. Na rysuku 2 przedstawioo podział obszaru wirika płaszczyzai prostopadłyi do osi z a = 3 warstwy. Przyjuje się, że w każdej warstwie pole jest dwuwyiarowe. Powstające w te sposób skoszoe płyie żłobki zastępuje się żłobkai skoszoyi skokowo. Rys. 2. Model wielowarstwowy wirika Układu rówań (1) (2) rozwiązywao etodą iteracyją, a dokładiej do iteracyjego rozwiązaia ieliiowych rówań opisujących zjawiska elektroagetycze wykorzystao klasyczą efektywą procedurę Newtoa-Raphsoa [7]; atoiast do odwzorowaia ruchu wirika zastosowao etodę eleetów odkształcaych [19]. Opracoway odel zjawisk wykorzystao do aalizy porówawczej uzyskaych wyików badań. Obliczeia silika idukcyjego wykoao wykorzystując oprograowaie włase opracowae w środowisku Delphi. Syulacje silika sychroiczego z agesai trwałyi przeprowadzoo a podstawie odelu polowoobwodowego opracowaego w środowisku Maxwell. Obecie trwają prace ad oprograowaie własy silika LSPMSM z uwzględieie zjawisk elektroagetyczych, cieplych i ruchu wirika. 3. Rezultaty aalizy porówawczej Wykoao obliczeia pozwalające wyzaczyć przebiegi oetu elektroagetyczego oraz prędkości obrotowej rozpatrywaych silików. Dodatkowo, wyiki obliczeń otrzyae za poocą oprograowaia własego porówao z wyikai eksperyetu fizyczego. Poiary w ustaloych i przejściowych staach pracy badaych silików zrealizowao a staowisku przedstawioy a rys. 3. Rys. 3. Staowisko do badaia silików agetoelektryczego i idukcyjego: 1- silik, 2- głowica do poiaru oetu i prędkości obrotowej, 3- haowaia Staowisko uożliwia poiar wielkości wejściowych takich jak prądy, apięcia i oce oraz wielkości wyjściowych tj. prędkości obrotowych i oetów obciążeia a wale badaych silików. W celu uikięcia błędów odczytu wielkości elektrycze ierzoo z wykorzystaie przyrządów cyfrowych i aalogowych, a oet i prędkość obrotową odczytywao zarówo z głowicy poiarowej jak i haowi. W obliczeiach przyjęto, że oet bezwładości wirika jest rówy oetowi określoeu podczas badań laboratoryjych (tabela 1). Na rysukach 4-7 zestawioo wyiki badań syulacyjych dla dwóch wybraych wartości oetu obciążeia silików tj. T 0 = 0 N i T 0 =11 N. Porówao a ich przebiegi oetu oraz prędkości obrotowej rozpatrywaych silików od chwili załączeia apięcia do chwili ustaleia się prędkości obrotowej. Na tych saych rysukach, w powiększeiu, przedstawioo przebiegi uzyskae w ostati okresie apięcia zasilającego.

4 230 Zeszyty Probleowe Maszyy Elektrycze Nr 2/2013 (99) LSPMSM i klatkowego podczas obciążeia dyaiczego pokazao a rys. 10. Rys. 4. Obliczoe przebiegi oetu elektroagetyczego dla T o = 0 N Rys. 5. Obliczoe przebiegi prędkości obrotowej dla T o = 0 N Rys. 8. Obliczoe i poierzoe przebiegi oetu elektroagetyczego dla T o = 11 N W tabeli 1 zaieszczoo. wybrae paraetry fukcjoale rozpatrywaych silików wyzaczoe przy T 0 = T N a podstawie badań syulacyjych i wyików poiarów. Tabela 2. Wybrae paraetry fukcjoale w staie pracy ustaloy obliczeia poiary η [%] cosφ [-] η [%] cosφ [-] LSPMSM 0,909 0,996 0,86 0,93 idukcyjy 0,82 0,80 0,81 0,81 Rys. 6. Obliczoe przebiegi oetu elektroagetyczego dla T o = 11 N Rys. 9. Obliczoe i poierzoe przebiegi prędkości obrotowej dla T o = 11 N Rys. 7. Obliczoe przebiegi prędkości obrotowej dla T o = 11 N Porówaie wyików obliczeń z rezultatai poiarów otrzyayi dla silika idukcyjego klatkowego przedstawioo a rys Natoiast przebiegi oetu użyteczego silików Rys. 10. Poierzoe przebiegi oetu elektroagetyczego

5 Zeszyty Probleowe Maszyy Elektrycze Nr 2/2013 (99) 231 W ustaloych staach pracy badaych silików wyzaczoo rówież z poiarów i obliczeń sprawość (rys. 12), współczyik ocy (rys. 13) oraz prąd pobieray z sieci (rys. 14) w fukcji oetu obciążeia. Na podstawie otrzyaych charakteryskyk oża stwierdzić, że opracoway i wykoay w Zakładzie Mechatroiki i Maszy Elektryczych Politechiki Pozańskiej silik sychroiczy agetoelektryczy cechuje się lepszyi paraetrai eksploatacyjyi (większa sprawość i współczyik ocy oraz ieszy prąd w uzwo-jeiach stojaa) iż silik idukcyjy o taki say stojaie Rys. 12. Sprawość w fukcji oetu obciążeia silików sychroiczego (1-poiary, 2-obliczeia) i idukcyjego (3-poiary, 4-obliczeia) Rys. 13. Współczyik ocy w fukcji oetu obciążeia silików sychroiczego (1-poiary, 2-obliczeia) i idukcyjego (3-poiary, 4-obliczeia) Rys. 14. Prąd pobieray z sieci w fukcji oetu obciążeia silików sychroiczego (1- poiary, 2-obliczeia) i idukcyjego (3-poiary, 4-obliczeia) 4. Wioski Przeprowadzoe eksperyety, obliczeiowy i poiarowy wykazały, że stosując prostą wyiaę wirika w aszyie asychroiczej klatkowej a wirik z odpowiedio ukształtoway obwode agetyczy z agesai trwałyi oża uzyskać aszyę sychroiczą zdolą do saodzielego rozruchu awet w staie obciążeia. Paraetry użytkowe aszyy o owej kostrukcji są awet lepsze od paraetrów silika klatkowego. Najpoważiejszą wadą opracowaego silika jest występowaie zaczych pulsacji oetu w staie rozruchu oraz w staach dyaiczego przeciążeia (rys. 10). Na uwagę zasługuje fakt, że wartości aksyale oetów dla obu kostrukcji są takie sae. Dalsze prace powiy uożliwić redukcję zaobserwowaych pulsacji oetu w staach przejściowych. Eksperyet poiarowy wykazał iezwykłą przydatość opracowaego oprograowaia. Potwierdza to duża zgodość wyików syulacji i poiaru. 5. Literatura [1]. Barański M., Deeko A., Łyskawiński W., Szeląg W.: Fiite eleet aalysis of trasiet electroagetic-theral pheoea i a squirrel cage otor. COMPEL - The Iteratioal Joural for Coputatio ad Matheatics i Electrical ad Electroic Egieerig, 2011, Vol. 30, No. 3, pp [2]. Barański. M., Szeląg W.: Fiite eleet aalysis of trasiet electroagetic-theral pheoea i a squirrel cage otor workig at cryogeic teperature. IET Sciece Measureet ad Techology, 2012,Vol. 6, No 5, pp [3]. Barański M., Szeląg W., Jędryczka C., Mikołajewicz J., Łukaszewicz P.: Aaliza i badaie silika sychroiczego o rozruchu bezpośredi i agesach w wiriku rozłożoych w kształcie litery U. Przegląd Elektrotechiczy, R. 89, Nr 2b/2013 s [4]. Deeko A.: Moveet siulatio i fiite eleet aalysis of electric achie dyaics. IEEE Trasactios o Magetics, 1996, Vol. 32, No. 3, pp [5]. Deeko A.: Syulacja dyaiczych staów pracy aszy elektryczych w ujęciu polowy. Wydawictwo Politechiki Pozańskiej, Pozań, [6]. Dig T., Takorabet N., Sargos F.M: Desig ad aalysis of differet lie-start PM sychroous otors for oil-pup applicatios. IEEE Trasactios o Magetics, 2009, Vol. 45, No. 3, pp

6 232 Zeszyty Probleowe Maszyy Elektrycze Nr 2/2013 (99) [7]. Driese J., Haeyer K.: Newto ad quasi- Newto algoriths for o-liear electroagetic theral coupled probles, Copel, Vol. 21, No 1, pp , [8]. Dzikowski A.: Zastosowaie silika z agesai trwałyi do apędu ciągieia góriczego kobaju ściaowego. Zeszyty Probleowe Maszyy Elektrycze Nr 1/2012 (94) s [9]. Fei. W., Luk K.P.C., Ma J., She J.X., Yag G.: A high-perforace lie-start peraet aget sychroous otor aeded fro a sall idustrial three-phase iductio otor. IEEE Trasactios o Magetics, 2009, Vol. 45, No. 1, pp [10]. Ferreti G., Magai C., Rocco P.: Modellig, idetificatio ad copesatio of pulsatig torque i peraet aget AC otors. IEEE Trasactios o Idustrial Electroics, 1998, Vol. 45, No. 6, pp [11]. Glika T., Jakubiec M., Wieczorek A.: Wpływ rozwiązań kostrukcyjych obwodu elektroagetyczego a paraetry silika asychroiczego sychroizowaego oete reluktacyjy. Wiadoości Elektrotechicze, 2001, Nr 6, s [12]. Hafer M., Schoig M., Haeyer K.: Autoated sizig of peraet aget sychroous achies with respect to electroagetic ad theral aspects. COMPEL The Iteratioal Joural for Coputatio ad Matheatics i Electrical ad Electroic Egieerig, 2010, Vol. 23, No. 5, pp [13]. Ho S.L., Fu W.N.: A coprehesive approach to the solutio of direct-coupled ultislice odel of skewed rotor iductio otors usig tie-steppig eddy-curret fiite eleet ethod. IEEE Trasactios o Magetics, 1997, Vol. 33, No. 3, pp [14]. Kight A.M., McClay C.I.: The desig of highefficiecy lie-start otors. IEEE Trasactios o Idustry Applicatios, 2000, Vol. 36, No. 6, pp [15]. May H., Palka R., Paplicki P., Szkoly S., Caders W.-R.: Modified cocept of peraet aget excite sychroous achies with iproved high-speed features. Archives of Electrical Egieerig, 2011, Vol. 60, No. 4, pp [16]. Miller T.J.E., Popescu M., Cossar C., McGilp M.I., Strappazzo G., Trivilli N., Satarossa R.: Lie start peraet aget otor: sigle-phase steady-state perforace aalysis. IEEE Trasactios o Idustry Applicatios, 2004, Vol. 40, No. 2, pp [17]. Młot A., Korkosz M., Łukaiszy M.: Iro loss ad eddy-curret loss aalysis i a low-power BLDC otor with aget segetatio. Archives of Electrical Egieerig, 2012, Vol. 61, No. 1, pp [18]. Polik B.: Silik PMSM jako owoczesy apęd w góriczych systeach trasportowych. Zeszyty Probleowe Maszyy Elektrycze Nr 1/2012 (94), s [19]. Skarrie H.: Desig of powder core iductors. Lud Uiversity, Lud [20]. Wiśiewska-Weiert H., Leshchysky V., Wedlad J., Lisowski J.: Rozwój techologii etalurgii proszków. Stal Metale & Nowe Techologie, 2008, Nr 11-12, s [21]. Wojciechowski R.M., Jędryczka C., Łukaszewicz P., Kapelski D.: Aalysis of high speed peraet aget otor with powder core aterial. COMPEL The Iteratioal Joural for Coputatio ad Matheatics i Electrical ad Electroic Egieerig, 2012, Vol. 31, No. 5, pp [22]. Zawilak T., Atal L.: Porówaie silika idukcyjego oraz sychroiczego z agesai trwałyi i rozruche bezpośredi - badaia eksperyetale. Zeszyty Probleowe Maszyy Elektrycze Nr 77/2007. s Autorzy dr hab. iż. Wiesław Łyskawiński, Politechika Pozańska, Istytut Elektrotechiki i Elektroiki Przeysłowej Pozań, ul. Piotrowo 3A Wieslaw.Lyskawi-ski@put.poza.pl dr iż. Paweł Idziak, Politechika Pozańska Istytut Elektrotechiki i Elektroiki Przeysłowej Pozań, ul. Piotrowo 3A Paweł.Idziaki@put.poza.pl dr iż. Mariusz Barański, Politechika Pozańska, Istytut Elektrotechiki i Elektroiki Przeysłowej, Pozań, ul. Piotrowo 3A, Mariusz.Baraski@put.po-za.pl iż. Wojciech Królikowski, Politechika Pozańska, Istytut Elektrotechiki i Elektroiki Przeysłowej, Pozań, ul. Piotrowo 3A, Wojciech.Krolikow-ski@put.poza.pl