ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr Politechniki Wrocławskiej Nr Studia i Materiały Nr Ludwik ANTAL*, Maciej ANTAL* silniki synchroniczne z magnesami trwałymi, rozruch bezpośredni, obliczenia porównawcze ROZRUCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI Opisano wyniki obliczeń symulacyjnych rozruchu silników synchronicznych z magnesami trwałymi wykonane metodą elementów skończonych. Analizie i porównaniu poddano osiem czterobiegunowych silników synchronicznych małej mocy wzbudzanych magnesami trwałymi i różniących się konstrukcją wirnika. Zbadano przebiegi prądów, momentu i prędkości obrotowej podczas rozruchu i po jego zakończeniu dla różnych konstrukcji wirnika. Szczególną uwagę zwrócono na pulsacje momentu i prędkości obrotowej silnika obciążonego znamionowo.. WSTĘP Rozpatrzone w [] konstrukcje silników synchronicznych o rozruchu bezpośrednim, wzbudzanych magnesami trwałymi różnią się układem magnesów trwałych w wirniku, a w niektórych przypadkach również budową i wymiarami klatki rozruchowej. Oba te elementy, układ wzbudzenia i klatka rozruchowa wirnika, decydują nie tylko o wartościach momentu i prądu rozruchowego, ale również o przebiegu tych wielkości podczas rozruchu. Mają również wpływ na pulsacje momentu i prędkości obrotowej podczas pracy ustalonej silnika obciążonego. Do porównania wybrano osiem najczęściej opisywanych w literaturze [,,,, ] konstrukcji silników LSPMSM. Ich wielkość mechaniczna i podstawowe dane konstrukcyjne zostały przyjęte na podstawie danych produkowanego silnika indukcyjnego, klatkowego o mocy, kw. Porównywane silniki mają takie same wymiary zewnętrzne stojana i wirnika, i takie same dane znamionowe: moc, napięcie, prędkość obrotową i częstotliwość. Ponadto w każdej z konstrukcji zastosowano magnesy o różnych wymiarach, ale o tej samej objętości. We wszystkich konstrukcjach, z wyjątkiem maszyny o wydatnych biegunach, zastosowano klatki * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, -7 Wrocław, ul. Smoluchowskiego 9, ludwik.antal@pwr.wroc.pl, maciej.antal@pwr.wroc.pl

rozruchowe o takiej samej liczbie prętów i takich samych ich wymiarach. Zastosowane materiały magnetyczne rdzeni i magnesów oraz materiały przewodzące uzwojenia stojana i klatki rozruchowej wirnika są identyczne dla wszystkich badanych silników. Rozpatrywane konstrukcje, szczegółowo opisano w [], gdzie również podano ich podstawowe wymiary i dane znamionowe. Układy magnesów w obrębie jednego bieguna są widoczne na rysunku. Silniki oznaczone numerami i mają promieniowy kierunek magnesów, a silniki i kierunek cięciwowy. Układy magnesów silników o najlepszych właściwościach eksploatacyjnych [], oznaczone numerami, i 7 wykazują podobieństwo odpowiednio do liter V, U, W. Wirnik silnika numer ma kształt wirnika klasycznych silników wydatno biegunowych.. WYNIKI ANALIZY POLOWO-OBWODOWEJ Dla zbadania charakteru przebiegów rozruchowych silników o badanych konstrukcjach wygenerowano przy pomocy aplikacji RMxprt dwuwymiarowe modele polowo-obwodowe tych maszyn, dla programu MAXWELL. Za pomocą tych modeli, metodą elementów skończonych wykonano obliczenia symulacyjne rozruchu silników obciążonych stałym momentem znamionowym. W obliczeniach typu transient zastosowano krok czasowy Δt =, ms. Po zakończeniu rozruchu i zsynchronizowaniu się maszyny (t =, s), ustalony stan obciążenia znamionowego wykorzystano do zbadania pulsacji momentu i prędkości obrotowej oraz analizy kształtu prądów twornika. Obrazy pola obciążonych momentem znamionowym (M n =,7 Nm) silników po zakończeniu rozruchu pokazano na rysunku. Na wykresach odległość linii stałej składowej osiowej wektorowego potencjału magnetycznego A wynosi, Wb/m. Położenie wirnika po czasie t =, s od załączenia napięcia twornika jest różne dla różnych konstrukcji silników. Wynika to z różnych czasów trwania rozruchu. Silniki, które szybciej osiągają prędkość synchroniczną, w czasie t =, s wykonują więcej obrotów (tabela ). Najszybciej startują silniki numer,, i 7. Tabela. Liczba obrotów silnika w czasie, s od załączenia napięcia twornika Table. Number of motor rotations during. sec after armature voltage turn on Nr silnika 7 Liczba obrotów w czasie, s,7,7,7,,7,7,,9

Rys.. Obrazy pola magnetycznego silników obciążonych momentem znamionowym (skala linii pola, Wb/m) Fig.. Magnetic fields of motors with nominal load (scale of field lines. Wb/m)

Przykładowe wykresy prądów, momentu, prędkości obrotowej i momentu obciążenia podczas rozruchu i pracy ustalonej silnika LSPMSM o magnesach w układzie V (numer ), obciążonego momentem znamionowym M n =,7 N m, przedstawiono na rysunkach. ia ib ic prąd [A] - - - -,,,,,,,,,,, Rys.. Przebiegi prądów stojana podczas rozruchu silnika nr Fig.. Stator currents of motor no. during start-up ia ib ic prąd [A] - - - - -,,,,,,,,7,,9, Rys.. Kształt prądów stojana obciążonego znamionowo silnika nr Fig.. Shape of stator currents of motor no. with nominal load

prędkość obrotowa moment [N m] moment prędkość [/min] - - moment obciążenia - - -,,,,,, Rys.. Przebieg momentu, prędkości obrotowej i momentu obciążenia podczas rozruchu obciążonego znamionowo silnika nr Fig.. Torque, rotational speed and load during motor no. start-up with nominal load moment [N m],9,9,9,9,9, Rys.. Pulsacje momentu obciążonego znamionowo silnika nr Fig.. Torque pulsation of motor No. with nominal load

W celu porównania właściwości rozruchowych badanych konstrukcji silników zestawiono charakterystyki momentu, prędkości obrotowej i prądu fazowego twornika podczas rozruchu i przedstawiono na rysunkach. moment [N m] 7, - - -,,,,,,,,,,, Rys.. Porównanie przebiegów momentu podczas rozruchów poszczególnych silników Fig.. Torque comparison of different motors start-up 7 prędkość [/min], - -,,,,,,,,,,, Rys. 7. Porównanie przebiegów prędkości podczas rozruchów poszczególnych silników Fig. 7. Rotational speed comparison of different motors start-up

7,, 7 prąd [A] - - - -,,,,,,, Rys.. Porównanie przebiegów prądów stojana podczas rozruchów silników Fig.. Stator currents comparison of different motors start-up Pulsacje momentu i prędkości obrotowej silników obciążonych znamionowo przedstawiono na rysunkach 9 i, a kształt prądu fazowego twornika na rysunku. moment [N m] 7,9,9,99,99, Rys. 9. Porównanie pulsacji momentu obciążonych znamionowo silników Fig. 9. Torque pulsation comparison of different motors with nominal load

prędkość [/min] 9 7 9 9,9,9,97,9,99, Rys.. Porównanie pulsacji prędkości silników obciążonych znamionowo Fig.. Rotational speed pulsation comparison of different motors with nominal load prąd [A] 7 - - -,,,9,9, Rys.. Porównanie kształtu prądów stojana silników obciążonych znamionowo Fig.. Stator currents shape comparison of different motors with nominal load PODSUMOWANIE Z polowo-obwodowej analizy rozruchu bezpośredniego i stanu ustalonego różnych konstrukcji obciążonego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi wynika, że

9 przebieg momentu i prędkości obrotowej podczas rozruchu LSPMSM o układach magnesów w kształtach V, U i W jest najkorzystniejszy. Ich rozruch jest łagodniejszy i krótszy niż pozostałych rozpatrywanych silników. Towarzyszą mu mniejsze pulsacje momentu i prędkości. Również po zakończeniu rozruchu pulsacje momentu dla tych konstrukcji są mniejsze. Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach jako projekt badawczy POIG...--/9. LITERATURA [] ANTAL L., ANTAL M., Właściwości eksploatacyjne silników synchronicznych o rozruchu bezpośrednim wzbudzanych magnesami trwałymi, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej Nr, Studia i Materiały Nr, Wrocław, s.. [] JEONG-TAE SONG, JIAN LI, YUN-HYUN CHO, Design of low cost line-start permanent magnet motor with optimized rotor shape, th Biennial IEEE Conference on Electromagnetic Field Computation (CEFC),, pp.. [] SMITH A.C., PERALTA-SANCHEZ E., PURBROOK S., Line-Start Permanent Magnet Motors for Pump Applications, The rd IET International Conference on Power Electronics, Machines and Drives,, pp.. [] TINGTING DING, TAKORABET N., SARGOS F.-M., XIUHE WANG, Design and Analysis of Different Line-Start PM Synchronous Motors for Oil-Pump Applications, IEEE Transactions on Magnetics, 9, Vol., Iss., pp. 9. [] UGALE R.T., SINGH G., BAKA S., CHAUDHARI B.N., Effective energy conservation for the agricultural sector using line start permanent magnet synchronous motors, TENCON 9, IEEE Region Conference, 9, pp.. [] ZHANG XIAOCHEN, CHENG SHUKANG, LI WEILI, Development of line-start PMSM with solid rotor for electric vehicles, Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC. IEEE,, pp.. PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS START-UP Simulations of permanent magnet synchronous motors start-up were done. Calculations were realized with using finite elements method. Eight four pole small power permanent magnet synchronous motors with different rotor construction were compared and analyzed. Currents, torque and rotational speed during start-up and after them were investigated for different rotor constructions. Torque and rotational speed pulsations of motor with nominal load were considered with special attention.