Porównanie sprawności napędu wyposażonego w silnik indukcyjny i reluktancyjny

Transkrypt

1 Adrzej NIEDWOROK 1, Łukasz ORZECH 2 Istytut Techiki Góriczej KOMAG, Laboratorium Badań Stosowaych (1, 2) doi: / Porówaie sprawości apędu wyposażoego w silik idukcyjy i reluktacyjy Streszczeie. Rozwój algorytmów sterowaia silikami elektryczymi przyczyił się do rozwoju apędu elektryczego opartego o siliki reluktacyje. Kostrukcja, charakteryzująca się brakiem obwodu wzbudzeia daje tu podstawę do dyskusji a temat zwiększoej sprawości, w stosuku do silika idukcyjego. W iiejszym artykule przedstawioo badaia porówawcze sprawości apędu wyposażoego w silik sychroiczy reluktacyjy oraz silik idukcyjy, obciążaych stałym mometem. Abstract. Developmet of algorithms for cotrol of electric motors cotributed to a developmet of electric drive based o reluctace motors. The desig of motor without iductio circuit gives a reaso for discussio o icreased efficiecy of this motor i compariso with efficiecy of iductio motor. Comparative tests of efficiecy of drive equipped with sychroous reluctace motor ad drive equipped with iductio motor, both of costat torque, are preseted. (Assessmet of efficiecy of drive equipped with iductio motor ad drive equipped with reluctace motor) Słowa kluczowe: silik idukcyjy, silik sychroiczy reluktacyjy, przekształtik eergoelektroiczy, sprawość. Keywords: iductio motor, sychroous reluctace motor, power electroic coverter, efficiecy. Wstęp Rozwój eergoelektroiki w zakresie zaawasowaych metod sterowaia wektorowego wpłyął zacząco a efektywość użytkowaia silików idukcyjych. Wspomiay rozwój metod sterowaia implemetoway w owoczesych procesorach sygałowych umożliwił rozwój techologiczy apędów elektryczych, które do tej pory ie były powszechie stosowae. Przykładem, może być zay od dawa silik reluktacyjy, jedak dopiero od początku XXI wieku użytkoway dzięki zaistiałym możliwościom sterowaia. Budowa silika reluktacyjego charakteryzuje się brakiem obwodu wzbudzeia oraz jawobieguowością [1]. Dzięki temu, jego kostrukcja mechaicza jest prostsza iż kostrukcja klasyczego silika idukcyjego klatkowego. W tego typu kostrukcji, brak uzwojeia w obwodzie tworika może mieć wpływ a uzyskaie większej efektywości eergetyczej, względem silika idukcyjego (redukcja strat w tworiku) [2, 3, 4, 5]. W dobie itesywych poszukiwań rozwiązań, mających a celu poprawę efektywości eergetyczej urządzeń elektryczych (Dyrektywa Uii Europejskiej r /32/WE [6]), które są ściśle związae z silikami elektryczymi, ależy rozważyć możliwość zastąpieia klasyczych apędów wyposażoych w siliki idukcyje, apędami z silikami reluktacyjymi. Mając a uwadze własości eergetycze silików reluktacyjych przeprowadzoo badaia mające a celu oceę sprawości apędów wyposażoych w silik idukcyjy oraz reluktacyjy (tych samych mocy), obciążoych stałym mometem. Silik sychroiczy reluktacyjy (SyRM) Główą cechą silika sychroiczego reluktacyjego (zwaego dalej reluktacyjym) jest brak uzwojeia wzbudzeia oraz jawobieguowość. Jedyym dostępym mometem jest momet reluktacyjy, który występuje pomimo braku wzbudzeia, wskutek dyamiczego działaia pola magetyczego a elemet magetyczie iesymetryczy, wykoay z materiału ferromagetyczego. Wirik dąży do zajęcia takiego położeia względem stojaa, przy którym reluktacja dla strumieia jest ajmiejsza. W sytuacji, w której elemety magetycze są symetrycze względem dowolej osi, momet reluktacyjy ie powstaje (w każdym położeiu wirika względem stojaa reluktacja drogi strumieia jest taka sama). Kostrukcja wirików silików reluktacyjych sprawia, że reluktacja podłuża różi się zaczie od poprzeczej. Na rysuku 1 przedstawioo widok wirika silika sychroiczego reluktacyjego produkcji ABB. Rys.1. Wirik silika sychroiczego reluktacyjego produkcji ABB (zdjęcie: Adrzej Niedworok) Kostrukcja silika reluktacyjego iesie ze sobą wiele korzystych cech kostrukcyjych: prostą budowę, co przekłada się a iski koszt wykoaia oraz trwałość i iezawodość pracy, wysoką sprawość, łatwe, do automatyzacji produkcji, uzwojeie stojaa, wydzielaie się przeważającej ilości strat w stojaie, co ułatwia budowę układu chłodzeia, łatwą regulację prędkości obrotowej i możliwość formowaia charakterystyki mechaiczej (za pomocą przekształtika eergoelektroiczego), dużą odporość a uszkodzeia względem rozwiązań silików idukcyjych oraz silików sychroiczych z magesami trwałymi, dużą odporość mechaiczą i termiczą, ze względu a brak mechaiczego komutatora. Oprócz zalet, kostrukcja silika reluktacyjego posiada rówież wady, do których moża zaliczyć: miejszy momet siły (momet rozruchowy), który ograicza zakres użytkowaia w aplikacjach pompowych i wetylatorowych, obecość pulsacji mometu elektro-magetyczego (wyikająca z jawo-bieguowości), skutkująca występowaiem drgań mechaiczych i hałasu, 246 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 92 NR 8/216

2 koieczość współpracy z przekształtikiem [7]. Pulsacja mometu elektromagetyczego silika reluktacyjego była przedmiotem wielu prac badawczych mających a celu jego miimalizację [1]. Z puktu widzeia użytkowika, istotą właściwością silika reluktacyjego jest przede wszystkim wyższa sprawość (względem rozwiązaia silika idukcyjego). Metodyka badań sprawości apędów Badaia sprawości przeprowadzoo dla apędu wyposażoego w przekształtik typu ACS88-1 o mocy 2,2 kw produkcji ABB oraz w dwa siliki o mocy 1,5 kw: idukcyjy, typu M3AA 9L-2, sychroiczy reluktacyjy, typu M3AL 9L 4 Siliki pochodziły także od tego samego produceta. W tabelach 1 i 2 zestawioo parametry przekształtika oraz silików. Tabela 1. Parametry zamioowe przekształtika typu ACS88-1 (odczytae z tabliczki zamioowej) Wejściowe apięcie zamioowe U1 [V] 3~ Wejściowy prąd zamioowy I1 [A] 5,6 Częstotliwość wejściowa f1 [Hz] 5 / 6 Wyjściowe apięcie zamioowe U2 [V] 3~ U1 Wyjściowy prąd zamioowy I2 [A] 5,6 Częstotliwość wyjściowa f2 [Hz] 5 Tabela 2. Parametry zamioowe silików typu M3AA 9L-2 oraz M3AL 9L 4 (odczytae z tabliczek zamioowych) Parametr Silik Silik idukcyjy reluktacyjy M3AA 9L-2 M3AL 9L 4 Moc zamioowa [kw] 1,5 1,5 Napięcie zamioowe [V] 37 (praca w sieci V AC) Prąd przy apięciu zamioowym [A] 2,9 3,9 Częstotliwość [Hz] 5 1 Prędkość zamioowa [obr/mi] 29 3 Momet obrotowy zamioowy [Nm] 4,9 4,8 Połączeie uzwojeń stojaa Y Y Sprawość wyzaczoo a podstawie pomiaru mocy mechaiczej a wale silika oraz mocy czyej elektryczej pobieraej z sieci eergetyczej. Na rysuku 2 przedstawioo schemat blokowy staowiska badawczego do wyzaczaia sprawości. Siliki umieszczoo a staowisku hamowi wyposażoej w silik prądu stałego, steroway z przekształtika tyrystorowego. Pomiędzy badaym silikiem, a silikiem hamowi zaistalowao mometomierz o zakresie pomiarowym 1 [Nm]. Z przekształtika tyrystorowego wyprowadzoo sygał prędkości obrotowej, mierzoy za pomocą ekodera, zaistalowaego a wale silika prądu stałego. Sygały pomiarowe mometu (M) oraz prędkości () obrotowej przesyłao a wejścia aalogowe aalizatora mocy. Na ich podstawie aalizator wyzaczał moc mechaiczą (P M ). Od stroy sieci eergetyczej dokoywao pomiaru mocy, mierząc apięcia międzyfazowe oraz prądy fazowe. Sygały apięciowe oraz prądowe przesyłao a wejścia aalizatora mocy, który a ich podstawie wyzaczał moc elektryczą (P E ). Na rysuku 3 przedstawioo staowisko badawcze z zaistalowaym silikiem reluktacyjym. Stosowao dwa tryby sterowaia silików. Dla silika idukcyjego, stosowao sterowaie skalare oraz wektorowe (DTC ag. Direct Torque Cotrol), atomiast dla silika reluktacyjego tryb wektorowy DTC. Dla trybu wektorowego, dla obu silików, wykoao bieg idetyfikacyjy (wprowadzoo do przekształtika parametry zamioowe silików zgodie z tabelami 1 i 2). W celu określeia sprawości wyzaczao astępujące charakterystyki mechaiczo elektrycze: momet obrotowy w fukcji prędkości obrotowej M=f(), moc elektrycza (czya) a wejściu przekształtika w fukcji prędkości obrotowej P E =f(), moc mechaicza a wale silika w fukcji prędkości obrotowej P M =f(). Rys.2. Schemat blokowy staowiska do wyzaczaia sprawości układu apędowego [8, 9] Rys.3. Staowisko badawcze z zaistalowaym silikiem reluktacyjym [8] Charakterystyki wyzaczao dla trzech wartości mometu obrotowego silika: 5%M, %M oraz 1%M. Regulowao prędkość obrotową silika w przedziale od 15 do 3 [obr/mi]. Badaia realizowao w zakresie zamioowych parametrów silików (ie przekraczao zamioowej mocy prądów fazowych oraz prędkości obrotowej). Utrzymywao stałą wartość mometu obrotowego dla rozpatrywaego przedziału prędkości obrotowej, celem odzwierciedleia waruków pracy stałomometowej. PM [W], PE [W] PM=f() - moc mechaicza a wale silika 1, 2 Pi=f() - moc elektrycza a wejściu przekształtika M=f() - momet obrotowy, Rys.4. Charakterystyki mechaiczo elektrycze apędu wyposażoego w silik idukcyjy typu M3AA 9L-2 dla 1%M (sterowaie skalare) [9] 6, 5, 4, 3, 2, PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 92 NR 8/

3 P M [W], PE [W] Rys.5. Charakterystyki mechaiczo elektrycze apędu wyposażoego w silik idukcyjy typu M3AA 9L-2 dla 1%M (sterowaie DTC) [9] PM [W], PE [W] Pm=f() - moc mechaicza a wale silika 1, 2 Pe=f() - moc elektrycza a wejściu przekształtika M=f() - momet obrotowy, Pm=f() - moc mechaicza a wale silika 1, 2 Pe=f() - moc elektrycza a wejściu przekształtika M=f() - momet obrotowy, Rys.6. Charakterystyki mechaiczo elektrycze apędu wyposażoego w silik reluktacyjy typu M3AL 9L 4 dla 1%M (sterowaie DTC) [8] Wyiki badań Na podstawie przeprowadzoych badań apędu wyposażoego w silik idukcyjy oraz reluktacyjy uzyskao charakterystyki mechaiczo elektrycze. Na rysukach 4, 5 i 6 przedstawioo przykładowe charakterystyki mechaiczo elektrycze apędu wyposażoego w silik idukcyjy oraz reluktacyjy (wyzaczoe dla 1%M ) dla różych trybów sterowaia. Na podstawie wyzaczoych charakterystyk określoo sprawość, korzystając z zależości (1): P M (1) 1% PE W tabelach 3, 4 i 5 zestawioo wartości sprawości apędu wyposażoego w silik idukcyjy oraz reluktacyjy w fukcji prędkości obrotowej dla różych trybów sterowaia. Tabela 3. Wybrae wartości sprawości dla apędu wyposażoego w silik idukcyjy typu M3AA 9L-2 (sterowaie skalare) [9] η ACIM [%] (sterowaie skalare) [obr/mi] 5%M %M 1%M 3 42, ,9 57,4 5,4 9 68,1 67,5 63, ,8 73, 69,8 15,8 76,6 74,7 2 8,8 82,1 81, ,3 82,9 82,8 3 81,9 82,9 82,7 1 Pomiaru ie wykoao ze względu a brak możliwości stabilizacji zadaej wartości mometu obrotowego a wale badaego silika. 6, 5, 4, 3, 2, 6, 5, 4, 3, 2, Tabela 4. Wybrae wartości sprawości dla apędu wyposażoego w silik idukcyjy typu M3AA 9L-2 (sterowaie wektorowe DTC) [9] η ACIM [%] (sterowaie wektorowe DTC) [obr/mi] 5%M %M 1%M 3,4 44,7 41,1 6 6,7 6,4 57,4 9 68,3 68,3, ,7 73,3 71, 15,7 76,6 74,8 2 8,8 82, 81, ,8 82,7 82,1 3 82,2 81,7 81,6 Tabela 5. Wybrae wartości sprawości dla apędu wyposażoego w silik reluktacyjy typu M3AL 9L 4 (sterowaie wektorowe DTC) [8] η SyRM [%] (sterowaie wektorowe DTC) [obr/mi] 5%M %M 1%M 3 43,1 46, 47,5 6 58,7 61,8 62,8 9,8 69,2 7,7 12 7,1 73,5, ,1 76,4 78,1 2 77,4 8,9 82, ,5 81,1 82,7 3 77,9 81,5 82,8 Na rysukach 7, 8 i 9 przedstawioo wykresy sprawości apędów w fukcji prędkości obrotowej dla różych trybów sterowaia. Rys.7. Wykresy sprawości apędu wyposażoego w silik idukcyjy oraz reluktacyjy dla mometu obr. 5%M [1] SyRM - DTC - ACIM - Skalare - SyRM - DTC - ACIM - Skalare Rys.7. Wykresy sprawości apędu wyposażoego w silik idukcyjy oraz reluktacyjy dla mometu obr. %M [1] Uzyskae wyiki sprawości apędu, wyposażoego w przekształtik typu ACS88-1 produkcji ABB, pozwoliły dokoać obiektywej ocey korzyści i strat płyących z zastosowaia dwóch silików idukcyjego typu M3AA 9L-2 oraz reluktacyjego typu M3AL 9L-4. Przyjęto apęd z silikiem reluktacyjym jako apęd odiesieia. 248 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 92 NR 8/216

4 Różice sprawości Δη 1, Δη 2 wyzaczao posługując się zależościami (2 i 3): SyRM (2) 1 ( DTC) ACIM ( SKALARNE) SyRM (3) 2 ( DTC) ACIM ( DTC) gdzie: η SyRM(DTC) sprawość apędu wyposażoego w silik reluktacyjy (sterowaie wektorowe DTC), η ACIM(SKALARNE) sprawość apędu wyposażoego w silik idukcyjy (sterowaie skalare), η ACIM(DTC) sprawość apędu wyposażoego w silik idukcyjy (sterowaie wektorowe DTC) SyRM - DTC - ACIM - Skalare 3 2 Rys.8. Wykresy sprawości apędu wyposażoego w silik idukcyjy oraz reluktacyjy dla mometu obr. 1%M [1] W tabelach 6, 7 i 8 zestawioo różice sprawości badaych apędów dla wybraych prędkości obrotowych. Różice w sprawości dla pracy ze zamioowym mometem obrotowym (1%M ) wskazują, że apęd wyposażoy w silik reluktacyjy ma większą sprawość w całym zakresie rozpatrywaych prędkości obrotowych iż aalogiczy apęd wyposażoy w silik idukcyjy. Na różicę w sprawości ma także wpływ sposób sterowaia silika idukcyjego. W zakresie prędkości zamioowej silika reluktacyjego i sychroiczej silika idukcyjego (tj. = 3 [obr/mi]), ajwiększą różicę sprawości zaobserwowao porówując apęd reluktacyjy z idukcyjym sterowaym wektorowo DTC (apęd z silikiem reluktacyjym wykazywał sprawość o 1,2 % większą od apędu z silikiem idukcyjym). Redukując prędkość obrotową apędu z silikiem reluktacyjym do wartości 21 [obr/mi] zwiększoo sprawość o 1,8 % względem apędu z silikiem idukcyjym sterowaym wektorowo (DTC). Największe różice w sprawości występowały dla prędkości 6 oraz 9 [obr/mi], gdzie apęd z silikiem reluktacyjym wykazywał sprawość większą o 12,4 % i 7,4 % względem apędu z silikiem idukcyjym sterowaym skalarie. Należy podkreślić, że apęd z silikiem reluktacyjym utrzymywał stałą i zadaą prędkość sychroiczą. Tabela 6. Wybrae różice sprawości dla apędów pracujących z mometem obrotowym 5%M [1] [obr/mi] Momet obrotowy: 5%M 3,6-2,3 6-1,2-2, 9-2,3-2,5 12-2,7-2,6 15-2,7-2,6 2-3,4-3,4 27-3,8-4,3 3-4, -4,3 Tabela 7. Wybrae różice sprawości dla apędów pracujących z mometem obrotowym %M [1] [obr/mi] Momet obrotowy: %M 3 2 1,3 6 4,4 1,4 9 1,7,9 12,5,2 15 -,2 -,2 2-1,2-1,1 27-1,8-1,6 3-1,4 -,2 Tabela 8. Wybrae różice sprawości dla apędów pracujących z mometem obrotowym 1%M [1] [obr/mi] Momet obrotowy: 1%M 3 2 6,4 6 12,4 5,4 9 7,4 5,2 12 5,4 4,2 15 3,4 3,3 2 1,4 1,3 27 -,1,6 3,1 1,2 Uzyskae różice sprawości apędów pracujących z % mometem obrotowym wskazują a spadek sprawości apędu z silikiem reluktacyjym względem apędu z silikiem idukcyjym. W zakresie prędkości zamioowej silika reluktacyjego i sychroiczej silika idukcyjego (tj. = 3 [obr/mi]), większą o 1,4 % sprawość wykazał apęd z silikiem idukcyjym steroway skalarie. Napęd z silikiem reluktacyjym wykazywał większą, sprawość w przedziale prędkości od do 9 [obr/mi] (względem apędu z silikiem idukcyjym sterowaym skalarie i wektorowo). W pozostałych obszarach rozpatrywaych prędkości obrotowych, różice w sprawości były pomijalie małe. Istote korzyści wyikające ze sprawości apędu z silikiem reluktacyjym występują jedak w obszarach prędkości obrotowych, które ie zawsze zajdują praktycze zastosowaie (p. aplikacjach wetylatorowych lub pompowych). Aaliza różic sprawości dla apędów pracujących z 5 % mometem obrotowym wskazuje a tedecję spadku sprawości apędu wyposażoego w silik reluktacyjy. Ma to miejsce zarówo dla skalarego jak i wektorowego trybu sterowaia silikiem idukcyjym. Należy zauważyć, że różice w sprawości dla obu trybów sterowaia są do siebie zbliżoe w praktyczie całym zakresie rozpatrywaych prędkości obrotowych. Podsumowaie Badaia apędu wyposażoego w silik idukcyjy oraz reluktacyjy pozwoliły a dokoaie ocey różic w sprawości obu kostrukcji. Uzyskae wyiki badań wykazały, że apęd wyposażoy w silik reluktacyjy wykazuje ajwiększą sprawość podczas pracy z obciążeiem zamioowym, gdzie uzyskiwał sprawość większą o 12,4 % względem apędu wyposażoego w silik idukcyjy (dla = 6 [obr/mi]). W zakresie prędkości obrotowej rówej 21 [obr/mi] sprawość apędu wyposażoego w silik reluktacyjy była większa 2 Nie wyzaczoo różicy sprawości ze względu a brak wartości sprawości dla apędu wyposażoego w silik idukcyjy (sterowaego skalarie). PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 92 NR 8/

5 o 1,8 %, atomiast dla często stosowaej w aplikacjach przemysłowych prędkości obrotowej 15 [obr/mi] sprawość apędu z silikiem reluktacyjym była większa o 3,4 % względem apędu z silikiem idukcyjym. Wraz ze zmiejszeiem mometu obrotowego sprawość apędu wyposażoego w silik reluktacyjy malała i dla obciążeia silika mometem obrotowym rówym 5% M większą sprawość wykazywał już apęd wyposażoy w silik idukcyjy. Podsumowując, ależy stwierdzić, że apęd wyposażoy w silik reluktacyjy będzie zużywał miej eergii elektryczej w przypadku jego pracy z obciążeiem zamioowym. Największy zysk wyikający ze sprawości występuje w aplikacjach stałometowych, gdzie możliwa jest redukcja prędkości obrotowej. Należy podkreślić, że uzyskae wyiki badań odoszą się do apędu wyposażoego w silik reluktacyjy, określay przez produceta jako High Output. Zgodie z iformacjami zawartymi w dokumetacji produceta [2] tego typu silik ma iższą sprawość iż klasyczy silik sychroiczy reluktacyjy (o mocy 11 [kw]). W związku z tym, rozważa się kotyuację badań porówawczych sprawości apędów z silikami o wyższych mocach. Autorzy: dr iż. Adrzej Niedworok, Laboratorium Badań Stosowaych, Istytut Techiki Góriczej KOMAG, ul. Pszczyńska 37, Gliwice, aiedworok@komag.eu. dr iż. Łukasz Orzech, Laboratorium Badań Stosowaych, Istytut Techiki Góriczej KOMAG, ul. Pszczyńska 37, Gliwice, lorzech@komag.eu. LITERATURA [1] Wróbel K., Wpływ zmia kostrukcyjych obwodu magetyczego a parametry elektromechaicze przełączalego silika reluktacyjego (SRM), Autoreferat rozprawy doktorskiej, Politechika Opolska, Wydział Elektrotechiki i Automatyki, (26) [2] ABB Group, SyRM motor ad drive packages. Low Voltage motors ad drives., ABB Group, (213) [3] ABB Group R&D ad Techology, Motorig ahead. Sychroous motors cotrolled by variable-speed drives are brigig higher efficiecies to idustrial applicatios, ABB Review, The corporate techical joural, 1 (211), [4] Hsieh M., Tai I., Weg Y., Cost-effective Desig for high efficiecy sychroous reluctace motor, Magetics Coferece (INTERMAG), IEEE, (215), 1-1 [5] Toda H., Seda. K., Morimoto S., Hiratai T., Ifluece of Various No-Orieted Electrical Steels o Motor Efficiecy ad Iro Loss i Switched Reluctace Motor, IEEE Trasactios o Magetics, 49 (213), o. 7, 3-33 [6] Parlamet Europejski, Dyrektywa /32/WE Parlametu Europejskiego i Rady z dia 6 lipca r. ustaawiająca ogóle zasady ustalaia wymogów dotyczących ekoprojektu dla produktów wykorzystujących eergię oraz zmieiająca dyrektywę Rady 92/42/EWG, oraz dyrektywy Parlametu Europejskiego i Rady 96/57/WE i 2//WE, () [7] Calvo E. S., Potoradi D., Sychroous reluctace motors with ad without permaet magets for high performace low cost electrical drives, Electric Drives Productio Coferece (EDPC), 215 5th Iteratioal, Nuremberg (215), 1-7 [8] Niedworok A., Sprawozdaie r 248/BT/214, Badaie apędu zawierającego przekształtik typu ACS88 oraz silik reluktacyjy typu M3AL 9L 4, Opracowaie wewętrze realizowae w ramach środków statutowych: E/BT-174/OR3, Istytut Techiki Góriczej KOMAG, Gliwice, (214) [9] Niedworok A., Sprawozdaie r 244/BT/214, Badaie apędu zawierającego przekształtik typu ACS88 oraz silik idukcyjy typu M3AA 9L-2, Opracowaie wewętrze realizowae w ramach środków statutowych: E/BT-174/OR2, Istytut Techiki Góriczej KOMAG, Gliwice, (214) [1] Niedworok A., Aaliza porówawcza wyików badań apędów wyposażoych w silik idukcyjy oraz reluktacyjy, Opracowaie wewętrze realizowae w ramach środków statutowych: E/BT-174/OR4, Istytut Techiki Góriczej KOMAG, Gliwice, (214) PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN , R. 92 NR 8/216