doi:.599/48.7..4 Marian HYLA Poliechnika Śląska, Kaedra Energoelekroniki, Napędu Elekrycznego i Roboyki Wpływ forsowania wzbudzenia na proces synchronizacji silnika synchronicznego o ciężkim rozruchu Sreszczenie. W arykule przedsawiono wyniki badań symulacyjnych procesu synchronizacji silnika synchronicznego jawnobiegunowego w warunkach ciężkiego rozruchu asynchronicznego. Rozparzono konieczność oraz wpływ forsowania prądu wzbudzenia na przebieg procesu synchronizacji. Przeanalizowano możliwość skrócenia czasu forsowania wzbudzenia na podsawie pomiaru prędkości wału sinika. Porównano przebiegi procesu synchronizacji dla długiego oraz skróconego czasu forsowania prądu wzbudzenia. Absrac. The aricle presens resuls of simulaion researches of he silen-pole synchronous moor synchronizaion process under heavy sar-up condiions. The need and he impac of forcing exciaion curren on he process of synchronizaion has been considered. The possibiliy of he exciaion force ime reducion, based on he measuring of he speed of he moor shaf has been analysed. Waveforms of he synchronizaion process for long and shor-ime of he exciaion curren forcing has been compared. (Impac of he exciaion forcing for synchronizaion process of synchronous moor under heavy sar-up) Słowa kluczowe: silnik synchroniczny, rozruch asynchroniczny, synchronizacja, serowanie prądem wzbudzenia, symulacja kompuerowa Keywords: synchronous moor, asynchronous sar-up, synchronizaion, exciaion curren conrol, compuer simulaion Wsęp Rozruch silników synchronicznych dużej mocy przeprowadza się zazwyczaj meodą rozruchu asynchronicznego bezpośredniego lub z wykorzysaniem dławika rozruchowego [,, ]. W przypadku znacznego momenu obciążenia i momenu bezwładności układu napędowego rozruch ego ypu można uznać za rozruch w ciężkich warunkach. Łagodzenie oraz skrócenie czasu procesu synchronizacji można uzyskać rozpoczynając proces synchronizacji w korzysnych warunkach, określonych wzajemnym położeniem osi pól magneycznych sojana i wirnika [4, 5, 6, 7, 8, 9,, ]. Jednak w przypadku rozruchów w ciężkich warunkach, wybór korzysnej chwili włączenia napięcia do uzwojenia wzbudzenia może być niewysarczający do skuecznej synchronizacji silnika. W akich przypadkach sosuje się forsowanie prądu wzbudzenia [] w chwili rozpoczęcia procesu synchronizacji. Pozwala o na przeforsowanie przemiennego napięcia indukowanego w uzwojeniu wzbudzenia i wymuszenie przepływu prądu wzbudzenia o odpowiednim kierunku oraz zwiększenie momenu synchronizującego i przyspieszenia wirnika do prędkości synchronicznej. Możliwość forsowania prądu wzbudzenia wymaga odpowiedniego układu zasilania obwodu wzbudzenia, przewymiarowanego w sosunku do paramerów wymaganych dla prądu o warości znamionowej. Pomimo ego, że w pełni wykorzysywany jes ylko przez bardzo króki czas, w napędach o ciężkim rozruchu odpowiednie przewymiarowanie układu zasilania wzbudzenia, ze względu na możliwość forsowania prądu, może okazać się niezbędne. Rozruch asynchroniczny silnika synchronicznego realizowany jes poprzez włączenie napięcia zasilania sojana bez zasilania obwodu wzbudzenia przy zwarym przez rezysancję uzwojeniu wzbudzenia. Wirujące pole kołowe powsałe na skuek przypływu prądu w uzwojeniach sojana indukuje prądy wirowe w liych nabiegunnikach magneśnicy oraz prądy w uzwojeniach łumiących i uzwojeniu wzbudzenia, działających podobnie jak klaka rozruchowa w silniku asynchronicznym. Po osiągnięciu przez wirnik maszyny prędkości bliskiej prędkości synchronicznej, w uzwojeniu wzbudzenia indukowane są niewielkie prądy o małej częsoliwości, rezysor rozruchowy jes rozwierany, a uzwojenie wirnika zasilane jes napięciem sałym. Momen synchronizujący powsały na skuek przyłożonego do uzwojenia wzbudzenia napięcia zależny jes od warości ego napięcia. Przy dużej warości momenu bezwładności, przepływ prądu w uzwojeniu powoduje, że proces synchronizacji nie kończy się z chwilą osiągnięcia przez silnik prędkości synchronicznej. Wzajemne oddziaływanie momenu synchronicznego, momenu asynchronicznego, momenu mechanicznego oraz momenu bezwładności wywołuje oscylacje prędkości wokół warości usalonej, co skukuje znaczącymi pulsacjami momenu elekromagneycznego i wydłużeniem czasu procesu synchronizacji [5,,, 4, 5]. Wzros prądu wzbudzenia prowadzi do zwiększenia warości momenu synchronizującego, ale wywołuje również duże zmiany warości chwilowej momenu na wale silnika. Rys.. Model symulacyjny programu Malab-Simulink 4 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN -97, R. 9 NR /7
a) 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 c) 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9.5 4 5 6 7 8 9.5 -.5 -.5 b) -. 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9.5 -.5 -. 4 5 6 7 8 9 d) -. 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9.5 -.5 -. 4 5 6 7 8 9 Rys.. Przebieg procesu synchronizacji przy włączeniu napięcia sałego do obwodu wzbudzenia w chwili =4,5 s: a) U w =U wn, b) U w =,5U wn, c) U w =,U wn, d) U w =,5U wn ; T e momen elekromagneyczny, U f napięcie obwodu wzbudzenia, I f prąd obwodu wzbudzenia, - ką pomiędzy osią pola sojana, a osią pola wirnika, - odchyłka prędkości względem prędkości synchronicznej PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN -97, R. 9 NR /7 5
Badania symulacyjne Obiekem badań był silnik synchroniczny jawnobiegunowy ypu GAe5p/ o danych znamionowych przedsawionych w Tabeli. Tabela. Dane znamionowe silnika synchronicznego GAe5p/ Paramer Oznaczenie Warość Moc znamionowa P N 5 kw Napięcie sojana U N(Y) 6 V Prąd sojana I N 4 A Napięcie wzbudzenia U wn 79 V Prąd wzbudzenia I wn A Częsoliwość f N 5 Hz Prędkość obroowa n N 6 obr/min Współczynnik mocy cos N,9 poj. W celu określenia sraegii serowania napięciem obwodu wzbudzenia podczas procesu synchronizacji silnika opracowano model symulacyjny w środowisku Malab- Simulink przedsawiony na rysunku. Warunki ciężkiego rozruchu zasymulowano poprzez dobór momenu obciążenia i momenu bezwładności układu napędowego. Na przebiegi dynamiczne podczas procesu synchronizacji, poza momenem obciążenia, momenem bezwładności układu napędowego oraz sałą czasową obwodu wzbudzenia, isony wpływ ma wzajemne położenie osi pól sojana i wirnika w chwili włączenia napięcia sałego do obwodu wzbudzenia [, 4, 5, 6, 7, 8, 9,, ]. Badania symulacyjne przeprowadzono włączając napięcie do obwodu wzbudzenia w chwili, gdy prąd indukowany w uzwojeniu wzbudzenia zmienia kierunek przepływu z warości ujemnej na dodanią, co odpowiada kąowi pomiędzy osiami pola magneycznego sojana i wirnika zbliżonemu do. Takie położenie wirnika względem pola sojana podczas inicjalizacji procesu synchronizacji swarza korzysne warunki dla przebiegów dynamicznych podczas procesu synchronizacji i może być w prosy sposób wykrye przez układ serowania. Jak można zauważyć na rysunku a), dla przyjęych paramerów obciążenia, prąd wzbudzenia wymuszany przez przyłożenie do uzwojenia wzbudzenia napięcia o warości znamionowej (,6 pu) jes zby mały, aby wyworzyć niezbędny momen synchronizujący. Po osiągnięciu prędkości podsynchronicznej wirnik silnika nie zosaje wciągnięy do pracy synchronicznej. Duża warość poślizgu powoduje, że silnik nie może uzyskać sanu pracy synchronicznej. Usalony san asynchroniczny, na skuek różnicy prędkości wirowania pola sojana i pola wirnika wyworzonego na skuek przepływu prądu w uzwojeniu wzbudzenia, powoduje oscylacje prądu sojana i prądu wzbudzenia oraz znaczne udary momenu i wahania prędkości obroowej. Dla układów napędowych o ciężkim rozruchu niezbędne może okazać się forsowanie prądu wzbudzenia podczas procesu synchronizacji silnika. Na rysunku b) przedsawiono przebieg procesu synchronizacji przy forsowaniu prądu wzbudzenia napięciem o warości,5u wn (,74 pu). Dla przyjęych paramerów obciążenia jes o graniczna warość napięcia pozwalająca na zsynchronizowanie silnika. Nie należy jednak zakładać, że ak dobrana warość napięcia forsowania wzbudzenia zapewni skueczny rozruch silnika w warunkach przemysłowych. W przypadku wahań napięcia w sieci zasilającej spowodowanych np. oddziaływaniem innych odbiorników energii, możliwe jes zmniejszenie momenu rozwijanego przez silnik wskuek obniżenia napięcia zasilania sojana []. Konieczne jes więc usalenie paramerów forsowania z odpowiednim współczynnikiem bezpieczeńswa uwzględniającym możliwość zmiany warunków zasilania silnika. Na rysunku c) i d) przedsawiono przebieg procesu napięciem odpowiednio,u wn (, pu) oraz,5u wn (,9 pu). Jak można zauważyć z przebiegów przedsawionych na rysunku wymuszenie forsowania prądu jes konieczne do wyworzenia momenu synchronizującego pozwalającego na osiągnięcie prędkości synchronicznej. Jednak w dalszej części procesu powiększony prąd wzbudzenia wpływa niekorzysnie na dynamikę procesu. Oddziaływanie momenu bezwładności powoduje powsanie momenu hamującego po okresie nadwyżki momenu rozwijanego przez silnik nad momenem obciążenia (kołysanie wirnika). W układach przemysłowych czas forsowania prądu wzbudzenia usalany jes zazwyczaj paramerem czasowym. Po upływie zadanego czasu napięcie w obwodzie wzbudzenia jes obniżane do warości znamionowej lub warości wynikającej z realizacji innych procesów, np. kompensacji mocy biernej [6]. Na podsawie przedsawionych badań symulacyjnych można wyciągnąć wniosek, że czas forsowania prądu wzbudzenia można ograniczyć do chwili, gdy powiększony momen synchronizujący spowoduje przyspieszenie wirnika do prędkości synchronicznej. 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9.5 -.5 -. 4 5 6 7 8 9 Rys.. Przebieg procesu synchronizacji przy włączeniu napięcia sałego U w =,5U wn do obwodu wzbudzenia w chwili =4,5 s i zmianie do warości znamionowej po osiągnięciu prędkości synchronicznej; T e momen elekromagneyczny, U f napięcie obwodu wzbudzenia, I f prąd obwodu wzbudzenia, - ką pomiędzy osią pola sojana, a osią pola wirnika, - odchyłka prędkości 6 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN -97, R. 9 NR /7
a) b) 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9 4 5 6 7 8 9.5 4 5 6 7 8 9.5 -.5 -.5 -. 4 5 6 7 8 9 -. 4 5 6 7 8 9 Rys.4. Przebieg procesu synchronizacji przy włączeniu napięcia sałego do obwodu wzbudzenia w chwili =4,5 s i zmianie do warości znamionowej po osiągnięciu prędkości synchronicznej: a) U w =,U wn, b) U w =,5U wn ; T e momen elekromagneyczny, U f napięcie obwodu wzbudzenia, I f prąd obwodu wzbudzenia, - ką pomiędzy osią pola sojana, a osią pola wirnika, - odchyłka prędkości Na rysunku przedsawiono przebieg procesu napięciem o warości,5u wn (,74 pu) do chwili osiągnięcia przez silnik po raz pierwszy prędkości synchronicznej. Jak można zauważyć skrócenie czasu forsowania spowodowało spadek prędkości i usalenie się pracy asynchronicznej. Dla przyjęych paramerów obciążenia forsowanie prądu wzbudzenia napięciem,5u wn jes przypadkiem granicznym i nie powinno być sosowane w układzie rzeczywisym. Na rysunku 4 przedsawiono przebieg procesu napięciem odpowiednio,u wn (, pu) oraz,5u wn (,9 pu) i obniżeniem napięcia wzbudzenia do warości znamionowej w chwili osiągnięcia przez silnik po raz pierwszy prędkości synchronicznej. Jak można zauważyć silnik synchronizuje się, a proces przebiega z mniejszymi udarami momenu niż w przypadkach przedsawionych na rysunku c) i d). Dla przyjęych paramerów obciążenia forsowanie prądu wzbudzenia napięciem,u wn (, pu) jes wysarczające z uwzględnieniem niezbędnego zapasu i nie powoduje ak dużych udarów momenu jak dla,5u wn (,9 pu). Obniżenie napięcia wzbudzenia do warości znamionowej w chwili osiągnięcia po raz pierwszy prędkości synchronicznej pozwala na zredukowanie niekorzysnego oddziaływania momenu hamującego. Na podsawie przebiegów przedsawionych na rysunku b) oraz 4a) można uznać, że dla przyjęych warunków symulacji korzysniejsze jes synchronizowanie silnika przy napięciu,u wn (, pu) włączonym do uzwojenia wzbudzenia z ograniczonym czasem działania niż ciągłe wymuszanie prądu napięciem o warości,5u wn (,74 pu). Dalsze zwiększenie napięcia forsowania nie wpływa znacząco na proces synchronizacji. Mikroprocesorowo serowany blok zasilania wzbudzenia silnika synchronicznego Na rysunku 5 przedsawiono schema blokowy, opracowanego przy współudziale auora, bloku zasilania wzbudzenia silnika synchronicznego ze serowaniem mikroprocesorowym [6]. Urządzenie przeznaczone jes do współpracy z silnikami dużej mocy o znamionowym napięciu sojana 6 kv i prądzie wzbudzenia do 4 A. Oprogramowanie sysemu mikroprocesorowego pozwala m.in. na przeprowadzenie rozruchu asynchronicznego silnika w układzie klasycznym lub z dławikiem rozruchowym. Serowanie prądem wzbudzenia realizowane jes przez sysem mikroprocesorowy za pomocą zmian kąa opóźnienia załączenia yrysorów moska zasilającego uzwojenie wzbudzenia. Sysem mikroprocesorowy przeprowadza rozruch silnika poprzez serowanie łącznikami w polu 6 kv zasilającym silnik oraz odpowiednie serowanie prądem wzbudzenia. Procedura rozruchu asynchronicznego wykonywana przez mikroprocesorowy blok zasilania wzbudzenia może być realizowana według różnych, parameryzowanych algorymów, m.in. algorymów czasowych, prądowych, prędkościowych i częsoliwościowych [, 6] z możliwością forsowania prądu wzbudzenia podczas synchronizacji. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN -97, R. 9 NR /7 7
Rys.5. Schema układu serowania silnika z mikroprocesorowy blokiem zasilania wzbudzenia i dławikiem rozruchowym: M silnik synchroniczny, WT blok zasilania wzbudzenia, P - sysem mikroprocesorowy, PT prosownik yrysorowy, UR układ rozruchowy, W wyłącznik, O odłącznik, WD wyłącznik dławika, DR dławik rozruchowy W doychczasowych wdrożeniach, w przypadku konieczności forsowania prądu wzbudzenia podczas procesu synchronizacji, czas forsowania zależny jes od warości usawialnej paramerem i dobieranej podczas uruchamiania układu. Z przeprowadzonych badań symulacyjnych wynika, że możliwe jes uzależnienie czasu forsowania prądu wzbudzenia od warości prędkości uzyskiwanej przez silnik podczas począkowej fazy procesu synchronizacji. Pozwoli o na ograniczenie czasu przepływu prądu o warości większej od znamionowej w uzwojeniu wzbudzenia oraz umożliwi zredukowanie niekorzysnego oddziaływania momenu hamującego, powsającego po chwilowych okresach nadwyżki momenu rozwijanego przez silnik, w sosunku do momenu obciążenia ze względu na sprężyse, wzajemne oddziaływanie momenu synchronicznego, momenu mechanicznego i momenu bezwładności układu napędowego [5,, 5]. Podsumowanie W arykule przedsawiono analizę wpływu forsowania prądu wzbudzenia na przebieg procesu synchronizacji silników synchronicznych o ciężkim rozruchu asynchronicznym. Przeprowadzone badania symulacyjne pozwoliły na określenie możliwości skrócenia czasu forsowania prądu wzbudzenia podczas synchronizacji silnika. Ograniczenie czasu forsowania prądu wzbudzenia, przy odpowiedniej warości napięcia zasilającego uzwojenie wzbudzenia, pozwala na skueczne zsynchronizowanie silnika, a jednocześnie umożliwia znaczące ograniczenie niekorzysnych zjawisk, spowodowanych na skuek oddziaływania momenu bezwładności układu napędowego, na przebiegi dynamiczne podczas procesu synchronizacji. Uzyskane wyniki pozwolą na modyfikację algorymu rozruchowego mikroprocesorowego bloku zasilania wzbudzenia silników synchronicznych [6] wykorzysywanego w przemysłowych napędach dużej mocy. Zapewnienie skuecznego rozruchu jes jednym z najważniejszych zagadnień eksploaacyjnych napędów synchronicznych. Łagodzenie i skrócenie czasu procesu synchronizacji podczas rozruchu pozwala na zmniejszenie przeciążeń na wale silnika, zużycia łożysk oraz awaryjności napędu. Auor: dr inż. Marian Hyla, Poliechnika Śląska, Kaedra Energoelekroniki, Napędu Elekrycznego i Roboyki, ul. B. Krzywousego, 44 Gliwice, E-mail: marian.hyla@polsl.pl LITERATURA [] Das J. C.; Casey J.: Characerisics and analysis of saring of large synchronous moors. IEEE Indusrial and Commercial Power Sysems Technical Conference, Sparks, NV, 999, s.- [] Kay J. A., Paes R. H., Seggewiss J. G., Ellis R. G.: Mehods for he conrol of large medium-volage moors: applicaion consideraions and guidelines. IEEE Transacions on Indusry Applicaions, vol.6, no.6, pp.688696, Nov/Dec [] Hyla M.: Rozruch silnika synchronicznego z mikroprocesorowo serowanym blokiem zasilania wzbudzenia. Przegląd Elekroechniczny nr 4/7, s.7784 [4] Zalas P., Zawilak J.: Wybór chwili załączenia napięcia wzbudzenia podczas synchronizacji silników synchronicznych. Masz. Elekr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 5, Nr 7, s.59-64 [5] Zalas P., Zawilak J.: Łagodzenie oraz skrócenie czasu procesu synchronizacji silników synchronicznych. Elekroechnika i Elekronika, Tom 5, z., 6, s.6- [6] Zalas P., Zawilak J.: Skueczność procesu synchronizacji silnika synchronicznego z układem zamknięej regulacji przemiennego prądu wzbudzenia. Masz. Elekr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 9, nr 8, s.8-86 [7] Zalas P., Zawilak J.: Synchronizacja silników synchronicznych przez serowanie prądem wzbudzenia. Masz. Elekr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 5, nr 7, s.448 [8] Zalas P., Zawilak J.: Wpływ sałej czasowej obwodu wzbudzenia na przebieg procesu synchronizacji silnika synchronicznego. Masz. Elekr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 7, nr 77, s.-6 [9] Zalas P., Zawilak J.: Wpływ układu serowania prądem wzbudzenia na proces synchronizacji silnika synchronicznego. Masz. Elekr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 6, nr 75, s.8-88 [] Zalas P., Zawilak J.: Synchronizacja silników synchronicznych. Wybór chwili załączenia prądu wzbudzenia, Prace Nauk. IMiNE PWr., vol.54, Sudia i Maeriały nr,, s.947 [] Zalas P., Zawilak J.: Minimalizacja pulsacji prędkości podczas synchronizacji silników synchronicznych. Zagadnienia maszyn, napędów i pomiarów elekrycznych. Oficyna Wydaw. PWr., 6, s.97 [] Kaczmarek T., Zawirski K.: Układy napędowe z silnikiem synchronicznym, Wydawnicwo Poliechniki Poznańskiej, Poznań [] Campeanu A., Enache S., Vlad I., Liuba G., Augusinov L., Cauil I.: Simulaion of asynchronous operaion in high power salien pole synchronous machines, XXh Inernaional Conference on Elecrical Machines (ICEM), Marseille,, s.888 [4] Dordea T., Muneanu R., Campeanu A.: Simulaion of dynamic operaion in salien pole synchronous machines. Inernaional Aegean Conference on Elecrical Machines and Power Elecronics and Elecromoion, Isanbul,, s.8-85 [5] Zalas P., Zawilak J.: Synchronizacja silników dwubiegowych z zamknięym układem regulacji prądu wzbudzenia. Masz. Elekr. Zesz. Probl. BOBRME Komel 8, nr 79, s.5-56 [6] Hyla M.: Power supply uni for he exciaion of a synchronous moor wih a reacive power regulaor. Mining Informaics, Auomaion and Elecrical Engineering, 5, nr (5), s.57-6 8 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY, ISSN -97, R. 9 NR /7