Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 56 Politechniki Wrocławskiej Nr 56 Studia i Materiały Nr 24 2004 Janusz BIALIK *, Jan ZAWILAK * elektrotechnika, maszyny elektryczne, silniki synchroniczne, modelowanie polowo-obwodowe, weryfikacja pomiarowa POLOWO OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO WERYFIKACJA POMIAROWA W artykule przedstawiono porównanie wyników obliczeń oraz pomiarów wielkości fizycznych dwubiegowego silnika synchronicznego o zmienianych liczbach biegunów pola magnetycznego. Obliczenia wykonano na podstawie opracowanego modelu polowo-obwodowego dla wybranego modelu silnika typu GAe 1510/12p. Porównania dokonano na podstawie obliczonych i pomierzonych przebiegów czasowych prądów fazowych twornika oraz krzywych V dla obu prędkości obrotowych. Zadawalająca zbieżność wyników obliczeń i pomiarów pozwala stwierdzić poprawność opracowanego modelu maszyny. 1. WSTĘP Z pośród wszystkich sposobów regulacji wydajności urządzeń o wentylatorowej charakterystyce mechanicznej (również pomp) najbardziej ekonomicznym rozwiązaniem jest zmiana prędkości obrotowej silników napędzających te urządzenia. W napędach tego rodzaju bardzo dużej mocy (np. stacjach wentylatorów głównego przewietrzania kopalń podziemnych) są stosowane często silniki synchroniczne, które jednocześnie umożliwiają regulację mocy biernej. Do napędu tych urządzeń zaproponowano dwubiegowe silniki synchroniczne z biegunami wydatnymi o zmienianych liczbach biegunów pola magnetycznego. W silnikach tych zmianę liczby biegunów pola magnetycznego uzyskuje się przez przełączenie uzwojenia twornika o odpowiednio rozłożonych grupach fazowych na obwodzie oraz zmianę biegunowości odpowiednich biegunów magneśnicy. Nie bez znaczenia jest możliwość zmniejszenia prądów i momentu dynamicznego podczas rozruchu asynchronicznego uzyskiwana dzięki szeregowemu połączeniu sekcji w pasmach fazowych uzwojenia [1, 2, 3]. * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19, janusz.bialik@pwr.wroc.pl, jan.zawilak@pwr.wroc.pl,
W literaturze nie ma opracowań dotyczących analizy wpływu konfiguracji uzwojenia twornika i biegunowości magneśnicy na parametry i własności silnika synchronicznego. Występujące zjawiska są tym bardziej interesujące w przypadkach, gdy liczba biegunów fizycznych (np. 10) i magnetycznych (np. 12) wirnika jest różna. W pracy [4] podjęto próbę opracowania modelu polowo-obwodowego dwubiegowego silnika synchronicznego o niekonwencjonalnym rozkładzie obwodowym uzwojenia twornika i niekonwencjonalnym rozkładzie biegunowości magneśnicy. Celem niniejszej pracy jest weryfikacja eksperymentalna obliczeń na przykładzie modelu dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1510/12p o prędkościach obrotowych n=600 i 500 obr/min i odpowiadających im mocach znamionowych P=1050 i 600 kw. 2. MODEL OBLICZENIOWY Wykorzystując metodę elementów skończonych (MES) opracowano dwuwymiarowy model polowo obwodowy dwubiegowego silnika synchronicznego o biegunach wydatnych typu GAe 1510/12p [4]. Silnik ten ma niekonwencjonalny obwodowy rozkład grup fazowych (rys. 1a) uzwojenia twornika a zmianę obwodowego rozkładu pola magnetycznego (liczby biegunów) uzyskuje się przez zmianę kierunku przepływów P odpowiednich grup w każdym paśmie fazowym A,B,C. W grupach fazowych oznaczonych NP przepływy pozostają niezmienione. Dla takiej konfiguracji uzwojenia twornika zaproponowano biegunowość wirnika pokazaną na rysunku 1b, na którym kolorem czarnym oznaczono bieguny podczas pracy silnika z większą prędkością obrotową (rozkład tradycyjny) zaś dla mniejszej prędkości kolorem szarym (rozkład niekonwencjonalny). Zmianę kierunku przepływów grup fazowych twornika i biegunowości magneśnicy uzyskuje się przez zmianę kierunku prądów płynących w sekcjach tych uzwojeń pokazano to na rysunku 2.
Rys. 1. Schemat obwodowego rozkładu grup fazowych uzwojenia twornika (a) oraz biegunowości wirnika (b) dla obu prędkości obrotowych badanego silnika Fig. 1. Circuit diagram of distribution group phase of armature winding (a) and polarity of rotor (b) for both rotational speed of testing motor Rys. 2. Schemat połączenia sekcji uzwojenia twornika (a) oraz magneśnicy (b) Fig. 2. Connection of section armature winding (a) and field magnet (b)
3. WYNIKI OBLICZEŃ I POMIARÓW Wykorzystując opracowany model polowo-obwodowy silnika [4] wykonano obliczenia prądów fazowych twornika przyjmując sinusoidalne napięcie zasilania oraz obciążenie równe 75 % znamionowego. Rys. 3. Wyniki obliczeń prądów fazowych twornika w stanie obciążenia dla większej prędkości obrotowej n=600 obr/min Fig. 3. Calculated phase current waveforms of the stator at load torque for higher rotational speed n=600 rpm Rys. 4. Wyniki pomiarów prądów fazowych twornika w stanie obciążenia dla większej prędkości obrotowej n=600 obr/min Fig. 4. Measured phase current waveforms of the stator at load torque for higher rotational speed n=600 rpm
Rys. 5. Widmo obliczonych i pomierzonych prądów twornika w stanie obciążenia dla większej prędkości obrotowej n=600 obr/min a. dla fazy A, b. dla fazy B, c. dla fazy C Fig. 5. The spectra of calculated and measured phase current waveforms in the armature winding at load torque for higher rotational speed n=600 rpm a. for phase A, b. for phase B, c. for phase C Dla takiego samego stanu pracy wykonano pomiary modelu fizycznego silnika zainstalowanego w jednej z kopalń miedzi. Wyniki obliczeń prądów dla większej prędkości obrotowej silnika n=600 obr/min pokazano na rysunku 3 zaś odpowiadające
im wyniki pomiarów na rysunku 4. Obliczenia oraz pomiary wykonano dla prądu wzbudzenia I f = 260 A. Na rysunku 5 pokazano wyniki analizy harmonicznych obliczonych i pomierzonych poszczególnych prądów fazowych twornika I a, I b, I c. Na rysunkach 6, 7 pokazano obliczone i pomierzone przebiegi czasowe prądów fazowych twornika dla mniejszej prędkości obrotowej n=500 obr/min a ich analizę harmonicznych pokazano odpowiednio na rysunku 8 (a, b, c). Obliczenia oraz pomiary wykonano dla prądu wzbudzenia I f = 230 A. Rys. 6. Wyniki obliczeń prądów fazowych twornika w stanie obciążenia dla mniejszej prędkości obrotowej n = 500 obr/min Fig. 6. Calculated phase current waveforms of the stator at load torque for lower rotational speed n = 500 rpm Rys. 7. Wyniki pomiarów prądów fazowych twornika w stanie obciążenia dla mniejszej prędkości obrotowej n=500 obr/min Fig. 7. Measured phase current waveforms of the stator at load torque for lower rotational speed n=500 rpm
Rys. 8. Widmo obliczonych i pomierzonych prądów twornika w stanie obciążenia dla mniejszej prędkości obrotowej n=500 obr/min. a. dla fazy A, b. dla fazy B, c. dla fazy C Fig. 8. The spectra of calculated and measured phase current waveforms in the armature winding at load torque for lower rotational speed n=500 rpm. a. for phase A, b. for phase B, c. for phase C
Ponieważ jednym z zadań zastosowanego silnika jest kompensacja mocy biernej dlatego istotnym jest określenie krzywych V, które pokazano na rysunku 9. Rys. 9. Obliczone i pomierzone krzywe V dla obu prędkości obrotowych badanego silnika Fig. 9. Calculated and measured V curves for two different rotational speed of testing motor Obliczenia i pomiary wykonano dla obciążenia wynikającego ze stanu pracy wentylatora tzn. 78 % i 73 % mocy znamionowej odpowiednio większej i mniejszej prędkości obrotowej. Na rysunkach 10 i 11 pokazano wynik analizy obliczonego rozkładu obwodowego składowej normalnej indukcji magnetycznej odpowiednio dla większej i mniejszej prędkości obrotowej. Rys. 10. Widmo składowej normalnej indukcji w szczelinie maszyny dla większej prędkości obrotowej n=600 obr/min Fig. 10. The spectra of the normal component of flux density in air gap for higher rotational speed n=600 rpm
Rys. 11. Widmo składowej normalnej indukcji w szczelinie maszyny dla mniejszej prędkości obrotowej n=500 obr/min. Fig. 11. The spectra of the normal component of flux density in air gap for lower rotational speed n=500 rpm Na podstawie wykresu (rys. 11) widać znaczne odkształcenie od sinusoidy obwodowego rozkładu indukcji w szczelinie powietrznej dla mniejszej prędkości obrotowej badanego silnika (występowanie 4, 8 i 16 biegunowych pól o znacznych amplitudach), mające istotny wpływ na odkształcenie prądów twornika oraz inne zjawiska w tej maszynie np. drgania i hałasy podczas pracy. 4. WNIOSKI Porównanie wykresów prądów obliczonych i pomierzonych modelu obwodowopolowego i badanego silnika pozwala stwierdzić, że: - amplitudy tych prądów dla obu prędkości obrotowych są bardzo zbliżone a ich różnica odniesiona do pomiaru nie przekracza 3 % dla większej oraz 9 % dla mniejszej prędkości obrotowej, - widma prądów obliczonych i pomierzonych są porównywalne, co sugeruje, że przebiegi czasowe tych prądów są jednakowe. Obliczone i pomierzone charakterystyki Mordey a są zbliżone a ich różnica odniesiona do pomiaru nie przekracza 3 %. Porównanie wielkości obliczonych i pomierzonych pozwala stwierdzić, że opracowany, (na przykładzie maszyny typu GAe 1510/12p) model polowo-obwodowy dwubiegowego silnika synchronicznego o zmienianych liczbach biegunów pola magnetycznego jest poprawny. Model ten może być wykorzystany do dalszego badania zjawisk w maszynach tego typu.
LITERATURA [1] ANTAL L., ZAWILAK J., Dwubiegowy silnik synchroniczny aspekty techniczne i ekonomiczne, Zeszyty Naukowe - Politechnika Śląska nr 1500, Elektryka; z. 176, XXXVII Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych. SME 2001, Ustroń-Zawodzie, 19-22 czerwca 2001, s. 353-360 [2] ANTAL L., ZAWILAK J., Kompensacja mocy biernej silnikiem synchronicznym, dwubiegowym o ułamkowym stosunku prędkości, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 48, Studia i Materiały nr 20 Mat. konf. XXXVI Symp. Maszyn Elektr. Szklarska Poręba 2000 r. [3] ANTAL L., ZAWILAK J., Wyniki badań dwubiegowego silnika synchronicznego, Zesz. Probl BOBRME Komel nr 68 Katowice 2004 r. [4] BIALIK J., ZAWILAK J., ANTAL L., Polowo-obwodowy model dwubiegowego silnika synchronicznego, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Nr 56, Studia i Materiały, Nr 24, Wrocław, 2004 FIELD CIRCUIT MODEL OF TWO SPEED SYNCHRONOUS MOTOR - MEASUREMENT VERIFICATION In this article, a comparison between the calculated and measured results of physical quantities, in two speed synchronous motor with changing pole number of magnetic field, was presented. The calculations based on the examined field-circuit model for the large power motor, type GAe 1510/12p were done. The comparison, based on the calculated and measured phase current waveforms of the armature winding and V curves for both rotational speed, was done. The satisfactory convergence between the results of calculations and measurements allows the authors to claim, that the examined model of the motor is correct. Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych w latach 2004-2006 jako projekt badawczy Nr 3 T10A 005 26