AGODZENIE ORAZ SKRÓCENIE CZASU PROCESU SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH **

Pawe³ ELEKTROTECHNIKA ZALAS, Jan ZAWILAK I ELEKTRONIKA AGODZENIE TOM 25. ZESZYT ORAZ 2, 2006 SKRÓCENIE CZASU PROCESU SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH AGODZENIE ORAZ SKRÓCENIE CZASU PROCESU SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH ** Pawe³ ZALAS *, Jan ZAWILAK * STRESZCZENIE Przedstawiono wyniki obliczeñ procesu synchronizacji dla wybranego modelu dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/20t. Wykazano mo liwoœci ³agodzenia przebiegu procesu synchronizacji oraz skrócenia jego czasu przez sterowanie wartoœci¹ pr¹du wzbudzenia. Zbadano wp³yw przyjêtych uk³adów regulacji pr¹du magneœnicy na przebiegi tego procesu. Wyniki obliczeñ zamieszczono w postaci wykresów czasowych. S³owa kluczowe: maszyny elektryczne, silniki synchroniczne, synchronizacja, regulacja pr¹du wzbudzenia SOFTEN AND REDUCTION DURATION OF SYNCHRONIZATION PROCESS IN SYNCHRONOUS MOTORS The work presents calculation results of synchronization process of a two-speed, silent-pole, high power synchronous motor. The calculations were based on circuit model for motor type GAe 1716/20t with switchable configuration connection of armature winding and field magnet. The influence of control of excitation current value on stator currents, electromagnetic torque and shaft velocity during synchronization process has been investigated. The results of calculations were presented as time curves of state variables. Keywords: synchronous motor, synchronization, excitation current control 1. WSTÊP W napêdach wentylatorów g³ównego przewietrzania kopalñ g³êbinowych stosowane s¹ powszechnie silniki synchroniczne du ej mocy. Proces synchronizacji tych silników ma istotny wp³yw na bezawaryjn¹ eksploatacjê uk³adu napêdowego. Wzajemne po³o enie osi pól stojana i wirnika, w chwili inicjacji procesu synchronizacji, ma istotny wp³yw na przebiegi dynamiczne [2]. Wybór korzystnej chwili za³¹czenia napiêcia wzbudzenia, zwiêkszaj¹cej pewnoœæ synchronizacji, zale y od momentu obci¹ enia silnika, momentu bezw³adnoœci uk³adu napêdowego oraz od wartoœci sta³ej czasowej obwodu wzbudzenia [3]. Inn¹ metod¹ zwiêkszenia skutecznoœci procesu synchronizacji jest sterowanie wartoœci¹ pr¹du wzbudzenia [4]. Du a wartoœæ wypadkowego momentu bezw³adnoœci uk³adu napêdowego oraz znamionowa wartoœæ pr¹du wzbudzenia powoduj¹, e proces synchronizacji nie koñczy siê z chwil¹ osi¹gniêcia przez silnik prêdkoœci synchronicznej. Sprê yste, wzajemne oddzia³ywanie momentu synchronicznego i momentu mechanicznego oraz momentu bezw³adnoœci powoduj¹ znacz¹ce oscylacje prêdkoœci wokó³ wartoœci ustalonej. Wywo³uje to znacz¹ce pulsacje momentu elektromagnetycznego i kilkukrotne wyd³u enie czasu procesu. Wzrost pr¹du wzbudzenia prowadzi do zwiêkszenia wartoœci momentu synchronizuj¹cego, ale wywo³uje równie du e zmiany wartoœci chwilowej momentu na wale maszyny roboczej. Celem pracy jest wykazanie wp³ywu regulacji pr¹du wzbudzenia na przebieg procesu synchronizacji na przyk³adzie dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/20t. Zaproponowano uk³ady regulacji pr¹du wzbudzenia sterowane w funkcji wartoœci chwilowej prêdkoœci obrotowej silnika, pozwalaj¹ce na skrócenie czasu procesu synchronizacji oraz ³agodzenie przebiegów dynamicznych. 2. OBLICZENIA PROCESU SYNCHRONIZACJI Analizê procesu synchronizacji wykonano, wykorzystuj¹c opracowany obwodowy model dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/20t. Zastosowanie modelu obwodowego pozwala na znaczne skrócenie czasu obliczeñ oraz umo liwia analizê przyjêtych metod regulacji pr¹du wzbudzenia i ich wp³ywu na przebieg procesu synchronizacji. Pozwala równie na dobranie najkorzystniejszych parametrów algorytmu sterowania napiêciem wzbudzenia oraz wykonanie rozbudowanych uk³adów zamkniêtej regulacji. Wypracowana metoda sterowania mo e byæ nastêpnie wykorzystana w obliczeniach obwodowo-polowych. Podstawowe parametry badanego silnika zestawiono w tabeli 1. Silniki takie pracuj¹ w napêdach wentylatorów g³ównych typu WPK 5,3 kopalni podziemnych i charakteryzuj¹ siê bardzo du ymi momentami bezw³adnoœci. Do obliczeñ badanego silnika wykorzystano komercyjny program Simplorer, w którym silnik synchroniczny opisany jest we wspó³rzêdnych d-q [1]. Parametry do modelu matematycznego badanego silnika wyznaczono na podstawie ogólnie znanych wzorów. Ze wzglêdu na niekonwencjonalny rozk³ad zezwojów w pasmach fazowych uzwojenia dwubiegowego (o zmienianych liczbach biegunów pola magnetycznego), indukcyjnoœci rozproszenia oraz reaktancji oddzia³ywania twornika wyznaczono obliczeniami polowymi, wykorzystuj¹c komercyjny program Quick-Field. * Politechnika Wroc³awska, Instytut Maszyn, Napêdów i Pomiarów Elektrycznych ** Artyku³ uzyska³ pozytywne recenzje i by³ prezentowany podczas Miêdzynarodowego Sympozjum Maszyn Elektrycznych SME 2006 w Krakowie 216

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 25. ZESZYT 2, 2006 Tabela 1 Dane znamionowe dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/20t Table 1 Rating of two-speed synchronous motor type GAe 1716/20t Moc znamionowa kw 2600 1200 Napiêcie stojana V 6000 6000 Pr¹d stojana A 292 186 Napiêcie wzbudzenia V 92 72 Pr¹d wzbudzenia A 337 260 Prêdkoœæ obrotowa obr/min 375 300 Wspó³czynnik mocy 0,9 poj. 0,77 ind. Sprawnoœæ % 95,5 81,0 Na rysunkach 1 5 pokazano obliczone przebiegi czasowe pr¹du stojana I s, wartoœci chwilowej k¹ta δ, pr¹du wzbudzenia I w, napiêcia U w na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, momentu elektromagnetycznego oraz prêdkoœci obrotowej podczas synchronizacji mniejszej liczby biegunów 2p = 16 badanego silnika dwubiegowego dla ró nych sposobów regulacji napiêcia lub pr¹du wzbudzenia. W obliczeniach tych przyjêto moment obci¹ enia 0,4M n, a proces synchronizacji zosta³ zainicjowany dla wartoœci k¹ta δ = ( 45) stopni, gdzie δ jest k¹tem miêdzy osi¹ przep³ywu stojana a osi¹ przep³ywu wirnika. Jako pierwsze wykonano obliczenia dla znamionowej, sta³ej wartoœci napiêcia wzbudzenia. Widoczne na rysunku 1a pulsacje pr¹du I w s¹ wynikiem oddzia³ywania sk³adowej przemiennej napiêcia indukowanego w uzwojeniu magneœnicy podczas zmian prêdkoœci obrotowej i k¹ta δ. Znamionowa wartoœæ pr¹du wzbudzenia pozwala na skuteczn¹ a) a) b) b) c) c) Rys. 1. Czasowe przebiegi wielkoœci podczas synchronizacji silnika dla sta³ej wartoœci napiêcia wzbudzenia równego U wn Fig. 1. Time curves values during synchronization process of motor for constant value of excitation voltage U wn Rys. 2. Czasowe przebiegi wielkoœci podczas synchronizacji silnika dla okreœlonej zmiany wartoœci napiêcia wzbudzenia Fig. 2. Time curves values during synchronization process of motor for particular change value of excitation voltage 217

Pawe³ ZALAS, Jan ZAWILAK AGODZENIE ORAZ SKRÓCENIE CZASU PROCESU SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH synchronizacjê silnika, lecz jest powodem du ych pulsacji prêdkoœci i momentu elektromagnetycznego (rys. 1b i c). Czas ustalenia siê przebiegów dynamicznych wynosi 7 sekund. Jedn¹ z metod regulacji pr¹du wzbudzenia, podczas procesu synchronizacji, mo e byæ sterowanie wartoœci¹ napiêcia wzbudzenia realizowane przez zmianê k¹ta wysterowania tyrystorów prostownika wzbudnicy silnika. Na rysunku 2 pokazano wyniki obliczeñ odpowiednich wielkoœci podczas synchronizacji badanego silnika z uk³adem regulacji pr¹du wzbudzenia przez zmianê napiêcia sta³ego. W wykonanych obliczeniach regulacja pr¹du wzbudzenia odbywa³a siê w funkcji wartoœci chwilowej prêdkoœci obrotowej silnika. Po osi¹gniêciu przez silnik prêdkoœci synchronicznej nastêpowa³a zmiana k¹ta wysterowania tyrystorów wzbudnicy w celu uzyskania minimalnej wartoœci napiêcia wyprostowanego (rys. 2a). Ponowna zmiana a) b) wartoœci napiêcia wzbudzenia nastêpowa³a, gdy prêdkoœæ silnika uleg³a zmniejszeniu poni ej synchronicznej (rys. 2b). Opisany sposób regulacji pr¹du znacznie skraca czas ustalenia siê prêdkoœci oraz zmniejsza amplitudê zmian momentu elektromagnetycznego (rys. 2c). Istotnie zmniejszaj¹ siê równie pulsacje wartoœci chwilowej k¹ta δ, co skraca czas trwania procesu synchronizacji. Zwiêkszenie szybkoœci dzia³ania opisanego uk³adu regulacji pr¹du wzbudzenia mo na uzyskaæ przez zastosowanie ³¹cznika tranzystorowego pracuj¹cego w uk³adzie H [4]. Pozwala to na okreœlon¹ zmianê polaryzacji napiêcia zasilaj¹cego obwód wzbudzenia, w chwili osi¹gniêcia przez silnik prêdkoœci nadsynchronicznej, oraz ponown¹ zmianê polaryzacji w chwili, gdy prêdkoœæ silnika zmniejsza siê poni ej synchronicznej. Na rysunku 3 pokazano wyniki obliczeñ odpowiednich wielkoœci podczas synchronizacji badanego silnika z zastosowaniem rozbudowanego algorytmu sterowania pr¹du wzbudzenia oraz uk³adu zmiany polaryzacji napiêcia U w. Okreœlona zmiana polaryzacji napiêcia wzbudzenia zwiêksza stromoœæ zmian przebiegu pr¹du magneœnicy, co pozwala zminimalizowaæ wahania prêdkoœci oraz momentu elektromagnetycznego, po osi¹gniêciu przez silnik prêdkoœci synchronicznej (rys. 3b, c). Du a dynamika uk³adu sterowania powoduje jednak, e k¹t δ utrzymywany jest na wiêkszej wartoœci ni wynika to z równowagi momentu mechanicznego i elektromagnetycznego (rys. 3a). Powoduje to powstanie stanów przejœciowych w wyniku czego czas trwania procesu synchronizacji ulega wyd³u eniu. Bardziej zaawansowan¹ metod¹ sterowania wartoœci¹ pr¹du wzbudzenia mo e byæ zastosowanie zamkniêtego uk³adu regulacji. Na rysunku 4 pokazano przyk³adow¹ strukturê uk³adu regulacji z szeregowo po³¹czonymi regulatorami typu P i PI. C B A ( w. Da mpe r ) 3 ~ MS RR0 0 c) Rys. 3. Czasowe przebiegi wielkoœci podczas synchronizacji silnika dla okreœlonej zmiany polaryzacji napiêcia wzbudzenia Fig. 3. Time curves values during synchronization process of motor for particular change polarization excitation voltage n 0 - n 1 P i fz i fs u s - PI - i f Rys. 4. Schemat zamkniêtego uk³adu regulacji pr¹du wzbudzenia Fig. 4. Diagram of close loop-excitation control system Przedstawiony uk³ad regulacji pr¹du wzbudzenia ma strukturê hierarchiczn¹, w której nadrzêdnym jest cz³on stabilizacji prêdkoœci obrotowej. Uk³ad pracuje z dwoma pêtlami zwrotnymi: 1) od prêdkoœci obrotowej n 1, 2) od pr¹du wzbudzenia i f. Za³¹czenie uk³adu nastêpuje w chwili, gdy prêdkoœæ obrotowa silnika przekroczy o 0,25% prêdkoœæ synchroniczn¹ (odpowiednio 301 lub 376 obr./min). Zapewnia to wymagan¹ w regulatorze pêtlê histerezy i zapobiega zbyt wczesnemu zmniejszeniu pr¹du wzbudzenia, co mog³oby spowodo- u f 218

ELEKTROTECHNIKA I ELEKTRONIKA TOM 25. ZESZYT 2, 2006 waæ wypadniêcie silnika z synchronizmu. Wzmocnienie regulatorów zosta³o dobrane doœwiadczalnie ze wzglêdu na uzyskanie odpowiedniej dynamiki sterowania, ³agodzenie przebiegów dynamicznych i skrócenie czasu procesu synchronizacji. Na rysunkach 5a c pokazano wyniki obliczeñ odpowiednich wielkoœci podczas synchronizacji badanego silnika z zastosowaniem zamkniêtego uk³adu regulacji pr¹du wzbudzenia. Zastosowanie zamkniêtego uk³adu regulacji pozwoli³o skróciæ czas procesu synchronizacji silnika w stosunku do sterowania okresowym wy³¹czeniem napiêcia wzbudzenia (rys. 2). Znacznie zmala³y pulsacje momentu elektromagnetycznego ograniczaj¹c je do wartoœci dodatnich (rys. 5c). W przebiegu czasowym prêdkoœci wirnika praktycznie nie wystêpuj¹ oscylacje, a prêdkoœæ synchroniczna ustala siê po up³ywie ok. 3 sekund od chwili rozpoczêcia procesu. Przyjête w obliczeniach ograniczenie napiêcia na a) b) wyjœciu regulatora PI zapewnia regulacjê pr¹du wzbudzenia w zakresie od 0 do wartoœci znamionowej. Pozwala to na uzyskanie wystarczaj¹cej szybkoœci uk³adu regulacji bez koniecznoœci zastosowania uk³adu zmiany polaryzacji napiêcia sta³ego. 3. WNIOSKI Wykonane obliczenia wykaza³y, e zastosowanie uk³adu regulacji pr¹du wzbudzenia podczas synchronizacji silnika synchronicznego pozwala na ³agodzenie stanów przejœciowych i skrócenie czasu procesu. Zamkniêty uk³ad regulacji pr¹du magneœnicy zapewnia p³ynn¹ stabilizacjê prêdkoœci silnika minimalizuj¹c pulsacje momentu elektromagnetycznego. Literatura [1] Pawluk K., Bednarek S.: Rozruch i stany asynchroniczne silników synchronicznych. Warszawa, WNT, 1968 [2] Sobczyk T.: agodna synchronizacja silników synchronicznych du- ej mocy z asynchronicznego stanu pracy. XX Symp. Maszyn Elektr., Maszyny synchroniczne, Kazimierz Dolny, maj 1984 [3] Zalas P., Zawilak J.: Wybór chwili za³¹czenia napiêcia wzbudzenia podczas synchronizacji silników synchronicznych. Maszyny Elektr. Zesz. Problem. BOBRME Komel, 2005, nr 71, 59 64 [4] Zalas P., Zawilak J.: Synchronizacja silników synchronicznych przez zmianê kierunku przep³ywu pr¹du wzbudzenia. Prace Nauk. IMiNE. P.Wr. nr 59, Studia i Materia³y nr 26, 2005, 247 262 Wp³ynê³o: 26.09.2006 Pawe³ ZALAS c) Urodzi³ siê w 1975 roku. Studia wy sze ukoñczy³ w roku 2000 na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wroc³awskiej, specjalnoœæ maszyny i napêdy elektryczne. Obecnie koñczy studia doktoranckie w Instytucie Maszyn, Napêdów i Pomiarów Elektrycznych. Zajmuje siê zagadnieniami silników pr¹du przemiennego du ej mocy a szczególnie procesów synchronizacji maszyn synchronicznych, co jest przedmiotem jego pracy doktorskiej. e-mail: pawel.zalas@pwr.wroc.pl Jan ZAWILAK Rys. 5. Czasowe przebiegi wielkoœci podczas synchronizacji silnika dla wzbudnicy z zamkniêtym uk³adem regulacji pr¹du Fig. 5. Time curves values during synchronization process of motor for exciter with close loop-excitation current control system Stopnie magistra, doktora i doktora habilitowanego uzyska³ odpowiednio w latach 1973, 1977 i 1987 na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wroc³awskiej. W latach 1967 68 pracowa³ równie w DZWME DolMel we Wroc³awiu na stanowisku konstruktora. Od roku 1973 jest pracownikiem Instytutu Maszyn, Napêdów i Pomiarów Elektrycznych 219

Pawe³ ZALAS, Jan ZAWILAK AGODZENIE ORAZ SKRÓCENIE CZASU PROCESU SYNCHRONIZACJI SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH 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. e-mail: jan.zawilak@pwr.wroc.pl 220