OBWODOWE I POLOWO-OBWODOWE MODELOWANIE SILNIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM

Transkrypt

1 Prace Naukowe Insyuu Maszyn, Napęów Poarów Elekrycznych Nr 59 Polechnk Wrocławskej Nr 59 Sua Maerały Nr 6 6 slnk synchronczny,rozruch bezpośren, agnesy rwałe, oelowane obwoowe, oelowane polowo-obwoowe Toasz ZAWIAK * *, uwk ANTAF OBWODOWE I POOWO-OBWODOWE MODEOWANIE SINIKA SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM Porównano wynk oblczeń la slnka synchroncznego z agnesa rwały oraz rozruche bezpośren uzyskane eoa polowo-obwoową oraz obwoową. Każą z ych eo oblczono charakerysyk rozruchowe oraz sayczne charakerysyk oenu obroowego prąu slnka w zależnośc o prękośc obroowej. Ponao wyznaczono charakerysyk eksploaacyjne slnka zn. zależnośc prąu, współczynnka ocy oraz sprawnośc o ocy oawanej. Wykonano równeż analzę kszału prąu poberanego przez slnk przy obcążenu znaonowy.. WSTĘP Maszyny synchronczne z agnesa rwały z ang. SPMSM- ne Sar Peranen Magne Synchronous Moor przysosowane o rozruchu bezpośrenego, ze wzglęu na wysoką sprawność oraz współczynnk ocy, sanową alernaywę la slnków nukcyjnych. Projekując ak slnk należy określć jego właścwośc rozruchowe oraz eksploaacyjne. Najokłanejsze wynk ego rozaju oblczeń zapewna użyce oelu polowo-obwoowego [,3,4,9,]. Jenakże wyznaczene pełnych charakerysyk la sanu asynchroncznego oraz synchroncznego ą eoą jes barzo czasochłonne. Oblczena ożna wykonać znaczne szybcej za poocą oelu obwoowego [5,7]. Dla akego oelu zakłaa sę lczne uproszczena, ake jak: wysępowane ylko perwszej haroncznej pola agneycznego, sałą warość sruena agneycznego wywarzanego przez agnesy rwałe oraz lnowość obwou agneycznego. Oznacza o obnżene okłanośc oblczeń. Celowy węc, wyaje * Polechnka Wrocławska, Insyu Maszyn, Napęów Poarów Elekrycznych, 5-37 Wrocław ul. Soluchowskego 9, HUoasz.zawlak@pwr.wroc.plUH, HUluwk.anal@pwr.wroc.plUH,

2 sę być, porównane wynków oelowana slnka SPMSM eoą obwoową oraz polowo-obwoową przesawone w nnejszej pracy.. MODEE MATEMATYCZNE BADANEJ MASZYNY Moele aeayczne zosały zbuowane la slnka ypu SPMSM zaprojekowanego w oparcu o ane slnka nukcyjnego ypu Sh 9 l4. Paraery slnka ypu SPMSM zosały przesawone w abel. Tabela. Paraery znaonowe oelowanej aszyny. Table. Rang of he sue oors oc P n kw, prękość obr. n n obr/n 5 oen obr M n N,7 napęce U n V 38 prą I n A 3,5 wsp. ocy cosϕ n --,99 sprawność η n --,89. MODE POOWO-OBWODOWY Polowo-obwoowy oel slnka ypu SPMSM zosał wykonany przy wykorzysanu koercyjnego prograu Maxwell D fry Ansof. W częśc polowej uwzglęnono czasową zenność prąów, nelnowość agneowou oraz ruch wrnka. Część polowa jes owzorowana w częśc obwoowej w posac sły elekrooorycznej nukowanej w uzwojenu sojana oraz lych pręach wrnka. Ze wzglęu na zasosowane oelu wuwyarowego w częśc obwoowej znajują sę paraery połączeń czołowych uzwojena sojana cz oraz perścena zwerającego klak wrnka R r, r, kóre wyznaczono z zależnośc konsrukcyjnych []. Geoerę częśc polowej oraz schea elekryczny częśc obwoowej pokazano na rysunku. W celu uwzglęnena w oelu sra w żelaze w częśc obwoowej zaoelowano rezysancję R Fe połączoną równolegle o uzwojena sojana rys.b. Jej warość obrano ak, aby sray wyzelane na nej były równoważne srao w żelaze poczas begu jałowego. Założene ake jes zgone z ogólną eorą aszyn elekrycznych, gze sray w żelaze wąże sę ze sruene, a y say słą elekroooryczną uzwojena sojana.

3 a U A cz Ruzw SEM Uzwojene sojana U B U C R Fe Rp p Uzwojene wrnka pre klak b Rp p Rys.. Polowo-obwoowy oel baanych aszyn: a-geoera częśc polowej; b - część obwoowa Fg.. Fel-crcu oel of sue oors: a-oel geoery; b- crcu par. MODE OBWODOWY Do oelowana obwoowego posłużono sę klasyczny oele slnka synchroncznego z agnesa oraz klaką łuącą. Ukła równań napęcowych sojana wrnka w osach opsują zależnośc :

4 R R p R u p R u ω ω w kórych: R, R -rezysancje sojana oraz przelczona na sronę sojana rezysancja wrnka, u, u - napęca sojana w osach,,,, - prąy sojana oraz wrnka w osach, Ψ, Ψ, Ψ, Ψ - sruene skojarzone z uzwojena sojana oraz wrnka w osach. Równana sruenowo-prąowe opsują zależnośc : p p w kórych:,,,,-pełne nukcyjnośc sojana wrnka opoweno w osach,,, -nukcyjnośc wzajene sojana a wrnka w osach, Ψ p - srueń wywarzany przez agnesy rwałe. Ukłay równań napęcowych sruenowo-prąowych uzupełnają równane oenu elekroagneycznego 3 oraz równane ruchu 4: 3 p e 3 J o e ω 4

5 w kórych: ω-prękość kąowa wrnka, p-lczba par begunów, e - oen elekroagneyczny generowany przez slnk, o - oen oporowy, J- oen bezwłanośc. Warośc paraerów w równanach -4 zosały usalone na posawe agneosaycznych oblczeń oelu polowego. 3. WYNIKI OBICZEŃ 3.. WŁAŚCIWOŚCI ROZRUCHOWE Zasanczą waą slnka ypu SPMSM są gorsze właścwośc rozruchowe nż slnków nukcyjnych. Z ego powou zaganena zwązane z rozruche oraz synchronzacją aszyn z agnesa rwały zaslany z sec sanowły przeo welu publkacj [4,6,8]. Moen aszyny ypu SPMSM w sane asynchronczny a we posawowe skłaowe. Perwszą z nch jes oen o klak rozruchowej powsający ak sao jak w slnkach nukcyjnych. Drugą jes ujeny oen haujący generowany przez agnesy rwałe. Do wyznaczena właścwośc aszyny w sane asynchronczny wykorzysano oele aeayczne przesawone w rozzale. W obu oelach założono sałą prękość obroową. Całkowy oen elekroagneyczny oblczono jako śreną warość z przebegu oenu w funkcj czasu naoas prą jako warość skueczną w okrese powarzalnego przebegu. Ze wzglęu na nesyerę agneyczną w osach slnka SPMSM okres przebegów w sane asynchronczny był różny o okresu napęca sec zależał o prękośc obroowej. W oblczenach wyznaczono poszczególne skłaowe oenu asynchroncznego. Moen pochozący o klak rozruchowej zosał oblczony poprzez zaoelowane zerowego sruena agnesów rwałych. Dla oelu polowego przyjęo, że w ejscu agnesów znajuje sę aerał o właścwoścach agneycznych próżn. Dla oelu obwoowego założono w równanach warość Ψ p. Moen haujący generowany przez agnesy zosał wyznaczony poprzez zaoelowane sanu poobnego o ego jak wysępuje przy zwarej aszyne synchroncznej pracującej nywualne. Wynk oblczeń zosały przesawone na rysunku 5. Z rysunku 5. wynka, że skłaowe oenu oblczone eoą polowo-obwoową obwoową ają zbeżne wynk. Najwększe różnce oyczą wypakowego oenu asynchroncznego. Dla oelu obwoowego sua skłaowych o klak rozruchowej oraz oenu haującego ają całkowy oen równy oenow wypako-

6 weu. Dla oelu polowo-obwoowego sua skłaowych ne jes równa oenow wypakoweu. Jes o zwązane z nasycane sę obwou agneycznego. Zjawsko o prawopoobne jes akże przyczyną wększej warośc, oblczonego eoą polowo-obwoową prąu w sane asynchronczny. a oen [N*] oel obwoowy oen wypakowy oel polowo-obwoowy oen o klak rozruchowej oen haujący o agnesów prękość [obr/n] oel obwoowy oel polowo-obwoowy 5 prą [A] 5 b prękość [obr/n] Rys.. Charakerysyka oenu a oraz prąu b w funkcj prękośc obroowej Fg.. Torue a an curren b versus spee characerscs of he sue achne

7 3. WŁAŚCIWOŚCI W USTAONYM STANIE PRACY Przeprowazono oblczena pozwalające na określene właścwośc ruchowych baanej aszyny w sane usalony. Założono synchronczną pracę slnka 5 obr/n, a różne punky jego pracy uzyskano poprzez zanę począkowego położena wrnka w sosunku o począkowej fazy napęca źrółowego. Dzęk eu ożlwa była zana kąa ocy. Oblczone obywoa eoa charakerysyk przesawono na rysunku 3. prą [A] oel polowo-obwoowy oel obwoowy współczynnk. ocy sprawność prą,8,6,4 wsp. ocy, sprawność, oc na wale [W] Rys. 3. Charakerysyka obcążena baanej aszyny Fg. 3. oa characersc of he sue achne Wynk oblczeń pokazują wysarczającą zgoność charakerysyk roboczych uzyskanych eoą polowo-obwoową oraz obwoową. Oblczona eoą obwoową warość prąu poberanego z sec jes nejsza o warośc prąu oblczonego eoą polowo-obwoową. Wynka o z nasycena obwou agneycznego. Wąże sę z y nejsza skłaowa agnesująca la oelu obwoowego. Wpływ ego zjawska jes szczególne woczny w zakrese ałych obcążeń, gze rozbeżność warośc współczynnka ocy la obu eo jes najwększa. Mnejszy prą poberany z sec wpływa równeż na warość sra w uzwojenu sojana a y say powouje różnce w warośc sprawnośc.

8 Oblczone charakerysyk oenu elekroagneycznego w funkcj kąa ocy pokazano na rysunku 4. Dla obu eo oblczenowych przebeg charakerysyk jes poobny, chocaż ch aksa są przesunęe o klkanaśce sopn. Maksyalny oen synchronczny, zwązany z przecążalnoścą aszyny, w obu przypakach a aką saą warość. 5 oen [N] ką ocy [ eg] Rys. 4. Zależność oenu o kąa ocy Fg. 4. Torue versus loa angle 3.. WŁAŚCIWOŚCI SINIKA W STANACH DYNAMICZNYCH Dla porównana przyanośc obu eo oblczenowych o baana sanów ynacznych aszyny ypu SPMSM, zaoelowano rozruch slnka po obcążene o charakerysyce wenylaorowej oraz zwększony zesęcokrone oence bezwłanośc. Wynk syulacj w posac przebegów czasowych oenu, prękośc obroowej oraz prąu fazowego sojana przesawono na rysunkach 5 6. Wynk uzyskane eoą polowo-obwoową oraz obwoową są zblżone. Moelowany eoą polowo-obwoową rozruch rwa około,5s łużej, jenak charaker przebegów la obu eo jes barzo poobny. Na rysunku 7a. przesawono oblczony woa eoa przebeg prąu fazowego w sane obcążena znaonowego. Uwzglęnene ylko perwszej haroncz-

9 nej pola agneycznego w eoze obwoowej powouje, że oblczony prą sojana równeż zawera ylko perwszą haronczną rys. 7b. Z analzy haroncznej przebegu prąu uzyskanego eoą polowo-obwoową rys. 7c wynka, że wyższe haronczne ν 5,7,3,9 prąu ają nawe klku procenowy uzał w sosunku o haroncznej posawowej. a oen [N] eoa obwoowa eoa polowo-obwoowa,,4,6,8 czas [s] b prękość [obr/n] eoa obwoowa eoa polowo-obwoowa,,4,6,8 czas [s] Rys. 5. Czasowe wykresy oenu a oraz prękośc obroowej b w czase rozruchu slnka Fg. 5. Transens of orue a an spee b urng sar up of he oor.

10 prą [A] a oel polowo-obwoowy,,4,6,8 czas [s] 3 oel obwoowy prą [A] - b ,,4,6,8 czas [s] Rys. 6. Czasowe wykresy prąu wyznaczone eoą polowo-obwoową a oraz obwoową b w czase rozruchu slnka Fg. 6. Transens of phase curren for fel-crcu eho a an crcu eho b urng sar

11 6 oel obwoowy oel polowo-polowy 4 prą [A] - -4 a -6,5,,5, czas [s] 4,45 4,67,8,8 prą [A],6,4 prą [A],6,4,, b rzą haroncznej c rzą haroncznej Rys. 7. Przebeg fazowego prąu w sane obcążena znaonowego oblczonego obea eoa a oraz zawarość haroncznych ych przebegów la eoy obwoowej b oraz polowo-obwoowej c. Fg. 7. Transen of phase curren a full loa for boh ehos a an s haronc analyss for crcu oel b an fel-crcu oel c.

12 4. PODSUMOWANIE Wynk oblczeń uzyskane eoą polowo-obwoową oraz obwoową są wysarczająco zgone zarówno la sanów usalonych praca asynchronczna synchronczna jak sanów przejścowych. Osągnęce wysokej zbeżnośc obu eo wyaga jenak okłanej znajoośc paraerów oelu obwoowego. Najwłaścwsze wyaje sę wyznaczene ych paraerów na roze agneosaycznych oblczeń polowych. ITERATURA [] DUBICKI B., Maszyny elekryczne III, slnk nukcyjne, PWN, Warszawa, 964. [] KNIGHT A.M., McCAY I.C., The esgn of hgh effcency lne sar oors, IEEE Trans. on In. Applca. Vol. 36, no 6., p [3] KURIHARA, RAHMAN M.A., Hgh effcency lne-sar neror peranen agne synchronous oor. IEEE Trans. on In. Applca. Vol. 4, no 3.4, p [4] EFEVRE., SOUARD J., Fne eleen ransen sar of a lne sar peranen agne synchronous oor, Vol 3. of Proceengs ICEM, Helsnk, Fnlan. 99, p [5] IBERT F., SOUARD J., ENGSTROM J., Desgn of a 4-pole lne sar peranen agne synchronous oor, Proceengs of ICEM, Brugge, Belgu paper no.53. [6] MIER T, Synchronzaon of lne sar peranen agne synchronous oor. IEEE Trans. on Power Apparaus an Syse vol. PAS-3, no 7, July 984, p [7] RAHMAN M.A, OSHEIBA A.M., Perforance of large lne-sar peranen agne synchronous oors. IEEE Trans. on Energy Converson. Vol. 5, no. March. 99, p.-7. [8] SOUARD J, NEE H.P., Suy of he synchronzaon of lne sar peranen agne synchronous oor, Conference Recor - IAS Annual Meeng, vol.,, p [9] ZAWIAK T, ANTA., ZAWIAK J., Wpływ obcążena na kszał prąu w slnku prąu przeennego z agnesa rwały, Zeszyy Probleowe BOBRME Koel, nr 7, 6, s [] ZAWIAK T, ANTA., Porównane slnka nukcyjnego z slnke synchronczny z agnesa rwały rozruche bezpośren, Prace Naukowe Insyuu Maszyn, Napęów Poarów Elekrycznych Polechnk Wrocławskej nr 58, Sua Maerały, nr 5, s.-. CIRCUIT AND FIED-CIRCUIT MODEING OF INE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR Ths paper copares wo ehos of oelng of ne Sar Peranen Magne Synchronous Moor SPMSM. The fel-crcu an crcu oels of SPMSM are presene. Man sarng properes were obane on he bass of sue analyss ehos. Sac characerscs of orue an curren versus spee are shown. Full loa characersc of curren, power facor an effcency s also presene. There were carre ou ransen sulaons nclung e response of orue, spee an phase curren urng sar up. Haronc analyss of phase curren a full loa was also nvesgae. Praca naukowa fnansowana ze śroków na naukę w laach 6-7 jako projek baawczy Nr 3 TA 57 3