Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 60 Politechniki Wrocławskiej Nr 60 Studia i Materiały Nr 27 2007 maszyny synchroniczne,wzbudnice, modelowanie polowo-obwodowe Piotr KISIELEWSKI *, Ludwik ANTAL POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO Przedstawiono dwuwymiarowy, polowo-obwodowy model wzbudnicy, umożliwiający wyznaczenie jej charakterystyk statycznych oraz przebiegów prądów w maszynie i na wyjściu prostownika. Pokazano celowość odkształcania rozkładu indukcji od kształtu sinusoidalnego, aby wygładzić przebieg prądu wyjściowego układu wzbudnica - prostownik. Rozważono dobór optymalnej liczby żłobków stojana oraz wirnika wzbudnicy. 1. WSTĘP Wzbudzenie maszyn synchronicznych może być realizowane przy użyciu magnesów trwałych, lub uzwojeń zasilanych prądem stałym. Typowa maszyna synchroniczna posiada trójfazowe uzwojenie twornika umieszczone w stojanie oraz uzwojenie wzbudzenia umieszczone na wirniku, które może być zasilane poprzez szczotki i pierścienie ślizgowe lub bezszczotkowo. Przy zasilaniu bezszczotkowym na wspólnym wale umieszczony jest wirnik maszyny synchronicznej oraz wirnik wzbudnicy. Wzbudnica bezszczotkowa posiada stojan zasilany prądem stałym. Na wirniku umieszczone jest wielofazowe uzwojenie, które wiruje w stałym polu magnetycznym. Uzwojenie to poprzez prostownik zasila uzwojenie wzbudzenia maszyny synchronicznej. Rozwiązanie takie eliminuje konieczność stosowania szczotek i pierścieni ślizgowych. Dodatkową zaletą stosowania wzbudnic bezszczotkowych jest fakt, iż dla maszyn o mocach rzędu megawatów ich prąd sterujący wynosi zwykle kilka amperów. Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław ul. Smoluchowskiego 19, piotr.kisielewski@pwr.wroc.pl, ludwik.antal@pwr.wroc.pl,
2. MODEL POLOWO - OBWODOWY Optymalnym rozwiązaniem konstrukcyjnym wzbudnicy bezszczotkowej wydaje się być maszyna, w której liczba zębów stojana jest równa liczbie biegunów pola magnetycznego wytworzonego przez ten stojan (rys. 1). W obwodzie magnetycznym takiej maszyny można wpływać na rozkład indukcji przez zmianę promienia krzywizny zęba stojana oraz odpowiedni dobór szerokości zęba przy szczelinie. Aby zminimalizować opór magnetyczny dla strumienia w szczelinie przyjęto promień krzywizny zębów stojana równy promieniowi wewnętrznemu wykroju blachy stojana. Rys. 1. Trójwymiarowy model maszyny Fig. 1. Three - dimensional model of the machine
Liczba biegunów stojana jest ograniczona zarówno od dołu jak i od góry. Zbyt mała liczba biegunów powoduje nieodpowiednie wykorzystanie objętości maszyny. Powstają wówczas puste przestrzenie pomiędzy cewkami nawiniętymi na bieguny. Dodatkowo pogarszają się warunki odprowadzania ciepła z uzwojenia stojana ze względu na większe grubości cewek. Dobrym rozwiązaniem jest taki dobór liczby biegunów, aby przestrzenie międzybiegunowe zostały całkowicie wypełnione uzwojeniem. W rozwiązaniu takim przestrzeń pomiędzy jarzmem stojana a szczeliną jest całkowicie wykorzystana. Zwiększenie liczby biegunów powoduje zwiększenie częstotliwości napięcia indukowanego. W układzie uzwojenie - prostownik - obciążenie RL zwiększanie częstotliwości napięcia zasilającego prostownik powoduje zmniejszenie pulsacji prądu na jego wyjściu. Negatywnym skutkiem zwiększania liczby biegunów stojana jest wzrost strat w żelazie wirnika. Liczbę biegunów stojana ustalono na 40. Liczba żłobków wirnika jest 3 razy większa od liczby biegunów stojana i wynosi 120. Żłobki stojana oraz wirnika nie posiadają skosów. Model i obliczenia wzbudnicy wykonano za pomocą pakietu obliczeniowego Flux 9.2.2 [1]. Część polową modelu maszyny przedstawiono na rysunku 2. Układ elektryczny składa się z jednofazowego, zasilanego napięciem stałym, stojana oraz trójfazowego wirnika przeznaczonego do współpracy z trójfazowym prostownikiem sześciopulsowym. Schemat części obwodowej modelu przedstawiono na rysunku 3. Rys. 2. Część polowa modelu maszyny Fig. 2. Field part of the machine model
Rys. 3. Część obwodowa modelu maszyny Fig. 3. Circuit part of the machine model 3. WYNIKI OBLICZEŃ Przeprowadzono obliczenia dla obciążonej wzbudnicy. Przykładowy rozkład pola magnetycznego zamieszczono na rysunku 4. Rysunek 5 przedstawia przebiegi prądów fazowych wirnika maszyny oraz prądu na wyjściu prostownika dla stanu ustalonego. Na rysunku 6 przedstawiono w powiększeniu prądy wzbudnicy oraz prostownika. Dla poprawnej pracy maszyny synchronicznej istotne jest uzyskanie możliwie gładkiego przebiegu prądu wzbudzenia maszyny synchronicznej. Ograniczenie udziału harmonicznych na wyjściu prostownika można uzyskać poprzez taką konstrukcję obwodu magnetycznego, aby napięcia indukowane w uzwojeniach twornika miały, w możliwie największym zakresie obciążeń, kształt trapezowy. Przy współpracy wzbudnicy z maszyną synchroniczną, utrzymanie gładkiego przebiegu prądu wyjściowego ułatwia znacznie większa indukcyjność obciążenia niż uzwojeń wzbudnicy. Powiększenie przebiegów prądów fazowych i prądu prostownika z rysunku 5 przedstawiono na rysunku 6. Pulsacje prądu wyjściowego prostownika wynoszą 0,3 % i są pomijalne.
Rys. 4. Rozkład pola magnetycznego Fig. 4. Field distribution 180 150 120 90 60 30 0-30 -60-90 -120-150 I [A] DC L1 L2 L3-180 0,400 0,401 0,402 0,403 0,404 t [s] 0,405 Rys. 5. Prądy wzbudnicy oraz prostownika Fig. 5. Exciter and rectifier currents
162 I [A] 161,5 161 160,5 L3 160 0,400 0,405 0,410 0,415 0,420 0,425 t [s] 0,430 DC L1 L2 Rys. 6. Pulsacje prądów wzbudnicy oraz prostownika Fig. 6. Pulsations of the exciter and rectifier currents 4. PODSUMOWANIE Uzyskane wyniki obliczeń pokazują przydatność modelowania polowo - obwodowego do projektowania i symulacji pracy nietypowych maszyn elektrycznych. Metoda ta pozwoliła na zaprojektowanie wzbudnicy bezszczotkowej o trójfazowym uzwojeniu twornika i trapezowym rozkładzie indukcji. Stosując uzwojenie trójfazowe i trapezowy rozkład indukcji uzyskano zmniejszenie pulsacji prądu wyjściowego w stosunku do rozwiązania dotychczas stosowanego. W dotychczasowym rozwiązaniu konstrukcyjnym stosowano wzbudnice 5 - fazowe z sinusoidalnym rozkładem indukcji w szczelinie. Rozwiązanie to było droższe od zaproponowanego z uzwojeniem trójfazowym, gdyż wymagało stosowania 10 - diodowego prostownika, którego koszt jest znacznie wyższy od trójfazowego mostka prostowniczego.
LITERATURA [1] CEDRAT, FLUX 9.20 User s guide, November 2005. [2] DFME DOLMEL Sp. z o.o.: Karty uzwojeń wzbudnic, wyniki pomiarów Wrocław 1977-2007. FIELD - CIRCUIT MODEL OF BRUSHLESS EXCITER FOR SYNCHRONOUS GENERATORS The paper present two dimensional field-circuit model of exciter. Model is designed to calculate static characteristics of machine and transients of currents in windings. There are some examples of field distribution. Advisability of deform circumference field distribution was showed. Optimal choice of numbers of slots in stator and rotor were also considered.