SYMULACYJNE BADANIE PROCESU USZKADZANIA KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO PODCZAS JEGO ROZRUCHU **

Transkrypt

1 Maciej ELEKTROTECHNIKA ANTAL, Jan ZAWILAK I ELEKTRONIKA SYMULACYJNE TOM 25. ZESZYT BADANIE 2, 2006 PROCESU USZKADZANIA KLATKI WIRNIKA... Maciej ANTAL *, Jan ZAWILAK * SYMULACYJNE BADANIE PROCESU USZKADZANIA KLATKI WIRNIKA SILNIKA INDUKCYJNEGO PODCZAS JEGO ROZRUCHU ** STRESZCZENIE W pracy przedstawiono wyniki polowo-obwodowej symulacji takiego rozruchu silnika indukcyjnego obci¹ onego sta³ym momentem znamionowym, podczas którego pêkaj¹ kolejne prêty klatki wirnika. Badania wykonano przy u yciu zweryfikowanego pomiarowo modelu silnika ma³ej mocy (1,5 kw). W obliczeniach za³o ono, e w czasie trwaj¹cego 0,6 s rozruchu pêkaj¹ kolejne, s¹siaduj¹ce ze sob¹, prêty wirnika. Pierwszy z nich pêka po czasie 0,1 s od rozpoczêcia rozruchu. W wyniku tego uszkodzenia wzrastaj¹ pr¹dy w s¹siednich prêtach klatki, co mo e byæ przyczyn¹ pêkniêcia nastêpnego prêta. Taki za³o ony przebieg zjawiska zamodelowano, przyjmuj¹c czasy wy³¹czenia kolejnych szeœciu prêtów. W wyniku obliczeñ wyznaczono zmiany rozk³adu pola magnetycznego i nastêpnie czasowe charakterystyki momentu, prêdkoœci obrotowej, pr¹dów fazowych stojana oraz pr¹dów prêtów klatki wirnika. S³owa kluczowe: silnik indukcyjny, symulacja polowo-obwodowa, uszkodzenie prêtów klatki wirnika SIMULATION TESTING OF DAMAGE PROCESS IN INDUCTION MOTOR ROTOR CAGE DURING MOTOR START-UP The work presents field-circuit simulation results of squirrel cage, induction motor start-up with constant nominal load. During the start-up consecutive rotor bars are cracking. Computations were realized in the field-circuit model (Fig. 1) of small power (1.5 kw) squirrel cage induction motor, verified by measurements. In computation assumed that during the simulation (0.6 s) consecutive neighboring rotor bars are cracking. The first of them is cracking 0.1 s after start-up. As a result of this failure, currents of the neighboring rotor bars are increasing, which could be a reason of following rotor bar cracks. Assumed course of phenomenon was modeled for next 6 rotor bars that are disconnected in assumed times. Variations of magnetic field distribution (Fig. 2) and transient characteristics of electromagnetic torque (Fig. 3), rotational speed (Fig. 4), stator currents (Fig. 5) and rotor bars currents (Fig. 6) were realized computationally. Keywords: induction motor, field-circuit simulation, broken rotor bars 1. WSTÊP Os³abiona w wyniku d³ugotrwa³ej eksploatacji i akcydentalnych przeci¹ eñ klatka wirnika silnika indukcyjnego mo e ulec awarii w czasie bezpoœredniego rozruchu silnika. Zdarzenia takie s¹ odnotowywane podczas eksploatacji silników klatkowych. Polowo-obwodowa symulacja pracy silnika indukcyjnego umo liwia badanie dowolnych stanów jego pracy. Mo liwe jest wiêc równie zamodelowanie takiego rozruchu silnika, obci¹ onego sta³ym momentem znamionowym, podczas którego pêkaj¹ kolejne prêty klatki wirnika. Badania takie wykonano przy u yciu zweryfikowanego pomiarowo modelu silnika typu Sh-90L4 o mocy znamionowej 1,5 kw. Weryfikacja pomiarowa obejmowa³a zarówno charakterystyki statyczne (bieg ja³owy, stan zablokowanego wirnika, obci¹ enie), jak i dynamiczne (rozruch bez obci¹ enia i rozruch ze sta³ym momentem obci¹- eni [1, 2]. Zgodnoœæ charakterystyk symulowanych i pomiarowych uzyskano, koryguj¹c odpowiednio charakterystykê magnesowania, rezystywnoœæ aluminiowej klatki wirnika i parametry czêœci czo³owych stojana i wirnika. W obliczeniach symulacyjnych awaryjnego rozruchu za³o- ono, e w czasie trwaj¹cego 0,6 s rozruchu pêkaj¹ kolejne, s¹siaduj¹ce ze sob¹, prêty wirnika. Pierwszy z nich pêka po czasie 0,1 s od rozpoczêcia rozruchu. W wyniku tego uszkodzenia wzrastaj¹ pr¹dy, przede wszystkim w s¹siednich prêtach klatki, co mo e spowodowaæ pêkniêcie kolejnego prêta. Taki za³o ony przebieg zjawiska zamodelowano, przyjmuj¹c czasy od³¹czenia kolejnych szeœciu prêtów. Wy³¹czenie prêtów symulowane jest za pomoc¹ sterowanych czasowo wy³¹czników wbudowanych w obwody prêtów klatki wirnika. W wyniku obliczeñ procesów przejœciowych wyznaczono zmiany rozk³adu pola magnetycznego, a nastêpnie przebiegi czasowe momentu, prêdkoœci obrotowej, pr¹dów fazowych stojana, i pr¹dów prêtów klatki wirnika podczas rozruchu. 2. POLOWO-OBWODOWY MODEL SILNIKA W zbudowanym za pomoc¹ pakietu Flux2D [4] i u ytym do obliczeñ dwuwymiarowym modelu polowo-obwodowym (rys. 1), szczegó³owo opisanym w [3], jego czêœæ obwodowa zawiera symetryczny uk³ad napiêæ trójfazowych, uzwojenia fazowe stojana o zmiennej indukcyjnoœci i sta³ej rezystancji, jak równie sta³ych rezystancji i indukcyjnoœci jego po³¹czeñ czo³owych oraz klatkê wirnika o zmiennych parametrach prêtów i sta³ych wartoœciach rezystancji i indukcyjnoœci pierœcienia zwieraj¹cego. W klatce wirnika uwzglêdniono indukcyjnoœci odpowiadaj¹ce reaktancji rozproszenia wywo³anego skosem prêtów wirnika (L4 do L29 na rys. 1). * Politechnika Wroc³awska, Instytut Maszyn, Napêdów i Pomiarów Elektrycznych ** Artyku³ uzyska³ pozytywne recenzje i by³ prezentowany podczas Miêdzynarodowego Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME 2006 w Krakowie 114

2 ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 25. ZESZYT 2, 2006 Dodatkowo wprowadzono do czêœci obwodowej modelu wy³¹czniki (S1 do S6 na rys. 1 widoczne s¹ pierwsze dwa wy³¹czniki), za pomoc¹ których modelowano pêkanie kolejnych prêtów wirnika (zaznaczonych na rys. 1 w czasie rozruchu maszyny. Model polowy uwzglêdnia czêstotliwoœæ i wartoœæ napiêcia zasilaj¹cego, nieliniowoœæ elementów obwodu magnetycznego oraz ruch obrotowy wirnika. i deformacje linii pola magnetycznego po pêkniêciu szóstego prêta (t = 0,6 s) przedstawiono na rysunku 2. Gêstoœæ pr¹du w prêcie 26., s¹siaduj¹cym z prêtami pêkniêtymi, przekracza 20 A/mm 2. Rys. 2. Chwilowe wartoœci gêstoœci pr¹du w uzwojeniach silnika i deformacje linii pola magnetycznego po pêkniêciu szóstego prêta (t = 0,6 s) Fig. 2. Actual value of current density in motor windings and magnetic field distortions Wyniki obliczeñ momentu, prêdkoœci oraz pr¹dów stojana i wirnika dla obu przypadków zestawiono na rysunkach 3 6. Trzy pierwsze prêty pêkaj¹ po czasie 0,1; 0,15; 0,2 s. Przez nastêpne 0,25 s moment i pr¹dy ustalaj¹ siê na wartoœciach znamionowych. Rys. 1. Model polowo-obwodowy indukcyjnego silnika klatkowego: czêœæ polowa modelu; czêœæ obwodowa modelu Fig. 1. Field-circuit model of squirrel-cage induction motor: field part of model; circuital part of model 3. WYNIKI OBLICZEÑ Obliczenia procesu rozruchu bezpoœredniego silnika obci¹ onego sta³ym momentem znamionowym wykonano zarówno dla rozruchu awaryjnego, jak i rozruchu bez awarii. Czasowy krok obliczeñ wynosi³ 0,1 ms. Obraz rozk³adu chwilowych wartoœci gêstoœci pr¹du w uzwojeniach silnika Rys. 3. Przebiegi czasowe momentu elektromagnetycznego silnika indukcyjnego: rozruch bez awarii; awaria w trakcie rozruchu Fig. 3. Electromagnetic torque of induction motor: start-up without failure; start-up with failure 115

3 Maciej ANTAL, Jan ZAWILAK SYMULACYJNE BADANIE PROCESU USZKADZANIA KLATKI WIRNIKA... Rys. 4. Przebiegi czasowe prêdkoœci obrotowej silnika indukcyjnego: rozruch bez awarii; awaria w trakcie rozruchu Fig. 4. Rotational speed of induction motor: start-up without failure; start-up with failure Rys. 6. Przebiegi czasowe pr¹dów wirnika silnika indukcyjnego: rozruch bez awarii; awaria w trakcie rozruchu Fig. 6. Rotor currents of induction motor: start-up without failure; start-up with failure Po czasie 0,45 s od rozpoczêcia rozruchu, w odstêpach co 0,05 s pêkaj¹ trzy kolejne prêty. Tak¹ mo liwoœæ sugeruje znaczny wzrost wartoœci pr¹dów w prêtach wirnika s¹siaduj¹cych z prêtami wczeœniej uszkodzonymi. Rys. 7. Przebiegi czasowe momentu elektromagnetycznego silników nieuszkodzonego i uszkodzonego (pêkniêcie prêtów 4, 5 i 6) Fig. 7. Electromagnetic torque of undamaged and damaged motors (cracking of bars No. 4, 5, 6) Rys. 5. Przebiegi czasowe pr¹dów stojana silnika indukcyjnego: rozruch bez awarii; awaria w trakcie rozruchu Fig. 5. Stator currents of induction motor: start-up without failure; start-up with failure Po pêkniêciu szeœciu prêtów rosn¹ pulsacje momentu (rys. 7), prêdkoœæ maleje, a jej pulsacje siêgaj¹ 7% prêdkoœci znamionowej (rys. 8). Ponadto bardzo wyraÿne s¹ ju charakterystyczne dla uszkodzenia klatki pulsacje pr¹dów stojana (rys. 9). Odkszta³cone i wiêksze s¹ te pr¹dy prêtów wirnika. Pr¹d w prêcie s¹siaduj¹cym z prêtami uszkodzonymi osi¹ga wartoœæ ponad dwukrotnie wiêksz¹ ni w maszynie nieuszkodzonej (rys. 10). 116

4 ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 25. ZESZYT 2, WNIOSKI Rozruch silnika indukcyjnego, podczas którego dochodzi do pêkniêcia prêta klatki wirnika, stwarza warunki do uszkodzenia kolejnych prêtów. Pojawiaj¹ siê znaczne pulsacje momentu, prêdkoœci i pr¹dów twornika, ale przede wszystkim wzrasta wartoœæ (nawet dwukrotnie) pr¹dów w prêtach wirnika s¹siaduj¹cych z prêtami uszkodzonymi. Uzyskane wyniki symulacji pozwalaj¹ przypuszczaæ, e za³o ony przebieg uszkodzenia jest prawdopodobny. Literatura Rys. 8. Przebiegi czasowe prêdkoœci obrotowej silników nieuszkodzonego i uszkodzonego (pêkniêcie prêtów 4, 5, 6) Fig. 8. Rotational speed of undamaged and damaged motors (cracking of bars No. 4, 5, 6) [1] Antal L., Antal M.: Weryfikacja eksperymentalna obwodowo polowego modelu silnika indukcyjne-go. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napêdów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wroc³awskiej, Nr 54, Studia i Mat., Nr 23, Wroc³aw 2003, [2] Antal L., Antal M., Zawilak J.: Weryfikacja modelu obliczeniowego silnika klatkowego pomiarami statycznych i dynamicznych stanów pracy. Problemy eksploatacji maszyn i napêdów elektrycznych. PE- MINE. Ustroñ, maja 2004, Zeszyty Problemowe BOBRME Komel, nr 69, 2004, [3] Zawilak J., Antal M.: Obwodowo-polowy model silnika indukcyjnego klatkowego z uszkodzonym prêtem wirnika. 39th International Symposium on Electrical Machines SME Conference proceedings, Gdañsk-Jurata, June 9 11, 2003, P103, 6 s [4] CEDRAT, FLUX 9.20 User s guide, November 2005 Wp³ynê³o: Maciej ANTAL Rys. 9. Przebiegi czasowe pr¹dów stojana silników nieuszkodzonego i uszkodzonego (pêkniêcie prêtów 4, 5 i 6) Fig. 9. Stator currents of undamaged and damaged motors (cracking of bars No. 4, 5, 6) Maciej Antal ukoñczy³ studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wroc³awskiej w roku 2002, uzyskuj¹c stopieñ magistra. Obecnie koñczy studia doktoranckie w Instytucie Maszyn, Napêdów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wroc³awskiej. Pracowa³ w zespole realizuj¹cym projekt badawczy Opracowanie metody projektowania dwubiegowych silników synchronicznych do ekonomicznych napêdów g³ównych wentylatorów kopalnianych. Za udzia³ w tej pracy uzyska³ zespo³ow¹ nagrodê Prezesa Rady Ministrów RP. Aktualnie zajmuje siê polowo-obwodowym modelowaniem uszkodzonych silników indukcyjnych bêd¹cych przedmiotem jego rozprawy doktorskie. Autor lub wspó³autor czternastu publikacji. maciej.antal@pwr.wroc.pl Jan ZAWILAK Rys. 10. Pr¹d w prêcie 26. bezpoœrednio s¹siaduj¹cym z prêtami pêkniêtymi silnika nieuszkodzonego i uszkodzonego Fig. 10. Current of the rotor bar no. 26 of undamaged and damaged motors Jan Zawilak stopnie magistra, doktora, doktora habilitowanego, stanowisko docenta i profesora uzyska³ odpowiednio w latach 1973, 1977, 1987, 1989 i 1991 na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wroc³awskiej. W latach praco- 117

5 Maciej ANTAL, Jan ZAWILAK SYMULACYJNE BADANIE PROCESU USZKADZANIA KLATKI WIRNIKA... wa³ równie w DZWME DolMel we Wroc³awiu na stanowisku konstruktora. Od roku 1973 jest pracownikiem Instytutu Maszyn, Napêdów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wroc³awskiej. G³ównym nurtem jego pracy jest projektowanie i badanie wielobiegowych maszyn pr¹du przemiennego o prze³¹czalnych uzwojeniach i zmienianych liczbach biegunów pola magnetycznego. Dwubiegowe silniki synchroniczne du ej mocy stanowi¹ce oryginaln¹ konstrukcjê, zosta³y wdro one do eksploatacji w kopalniach wêgla i miedzi jako ekonomiczny napêd wentylatorów g³ównego przewietrzania, a rozwi¹zanie to zosta³o nagrodzone przez Prezesa Rady Ministrów RP. jan.zawilak@pwr.wroc.pl 118