Nr 48 Prace Naukowe Instytutu Politechniki Maszyn, Napędów Wrocławskiej i Pomiarów Elektrycznych Nr 48 Studia i Materiały Nr 2 2 Ludwik ANTAL*, Jan ZAWILAK* silnik elektryczny, synchroniczny, dwubiegowy, pole wzbudzenia, kompensacja mocy biernej KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ SILNIKIEM SYNCHRONICZNYM, DWUBIEGOWYM, O UŁAMKOWYM STOSUNKU PRĘDKOŚCI Silnik synchroniczny, dwubiegowy w zastosowaniu do napędu wentylatora głównego przewietrzania kopalni jest rozwiązaniem pozwalającym na znaczne oszczędności energii elektrycznej przy relatywnie niskich kosztach inwestycyjnych. Przełączanie uzwojeń stojana i wirnika w celu uzyskania większej liczby biegunów, a tym samym drugiej, mniejszej prędkości obrotowej prowadzi do silnego zniekształcenia pola wypadkowego maszyny. Konsekwencje tego odkształcenia to zmniejszenie przeciążalności maszyny i ograniczenie zakresu kompensacji mocy biernej. Przezwojone jednobiegowe silniki typu GAe pracują obecnie w kopalniach miedzi i węgla kamiennego. Pozwoliło to na pomiarową weryfikację przewidywanych właściwości eksploatacyjnych silników dwubiegowych. Badania wykazały, że maszyny te zapewniają istotną oszczędność energii, pracują stabilnie i umożliwiają kompensację mocy biernej. Podczas pracy z mniejszą prędkością obrotową prąd wzbudzenia w czasie synchronizacji musi mieć większą wartość niż dla prędkości większej, a moc bierna pojemnościowa jest wytwarzana przy prądach znacznie przekraczających znamionowy prąd wzbudzenia maszyny jednobiegowej. Zapas wzbudzenia we wzbudnicach badanych maszyn jest wystarczający do uzyskania kompensacji mocy biernej, a zwiększona wartość prądu wzbudzenia nie stanowi zagrożenia dla uzwojenia, gdyż czas pracy silnika z mniejszą prędkością jest stosunkowo krótki. 1. WSTĘP Wentylatory głównego przewietrzania kopalni mają istotny wpływ na zużycie energii elektrycznej w kopalni. Silniki napędzające wentylatory mają moc do 3,15 MW i należą do największych odbiorników energii w kopalni. Stąd też oszczędniejsza eksploatacja tych odbiorników ma korzystny wpływ na koszty. Źródłem oszczędności może być zmienne zapotrzebowanie na powietrze, mniejsze w dniach wolnych od pracy, w okresach międzyzmianowych i rewizji szybów. Wydajność stacji wentylatorowych można zmieniać przez: zmianę liczby pracujących wentylatorów, dławienie przepływu powietrza, zmianę prędkości obrotowej silników napędzających. * Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Wybrzeże Wysspiańskiego 27, 5-372 Wrocław.
Dwa pierwsze sposoby, stosowane dotychczas, nie zapewniają dostatecznych oszczędności i elastyczności systemu przewietrzania. Dławienie przepływu powietrza za pomocą aparatu kierowniczego powoduje duży spadek sprawności wentylatora przy stosunkowo niewielkiej zmianie jego wydajności. Maksymalna zmiana wydajności możliwa ze względu na sprawność nie przekracza 14%, a towarzysząca jej zmiana mocy 2%. Najbardziej ekonomiczna jest regulacja przez zmianę prędkości obrotowej, a tę w napędach elektrycznych prądu przemiennego można uzyskać: regulacją parametrów napięcia zasilającego (częstotliwości, amplitudy), zmianą liczby biegunów (silniki wielobiegowe). Regulacja parametrów napięcia zasilającego umożliwia zmianę prędkości obrotowej układu napędowego w dużym zakresie (zmianę parametrów wyjściowych wentylatora), łagodzi procesy rozruchowe, umożliwia sterowanie procesami hamowania, dopasowanie mocy silnika do zapotrzebowania maszyny roboczej, ma niskie koszty eksploatacyjne. Związana jest jednak z wysokimi kosztami inwestycyjnymi urządzenia energoelektronicznego, którego cena bywa kilkakrotnie większa od ceny silnika napędowego. Koszty inwestycji zwiększają się z napięciem znamionowym silnika i mają również związek z powierzchnią zajmowaną przez transformatory i przemiennik. Zastosowanie wielobiegowych silników napędowych umożliwia skokową regulację prędkości, a więc również wydajności wentylatora i mocy pobieranej przez silnik. Wentylatory głównego przewietrzania pracują z prędkościami z zakresu 3 6 obr/min. Skokowa zmiana prędkości z 375 na 3 obr/min zmniejsza wydajność wentylatora o 2%, a moc silnika o 49%. Zmiana prędkości z 5 na 375 obr/min zmniejsza wydajność wentylatora o 25%, moc silnika natomiast o 58%. Zmiana prędkości z 6 na 5 obr/min zmniejsza wydajność wentylatora o 17%, a moc silnika o 42%. Modernizacja istniejącego jednobiegowego silnika do pracy przy dwóch prędkościach obrotowych polega na skonstruowaniu i dopasowaniu do istniejącego obwodu magnetycznego przełączalnego uzwojenia twornika oraz odpowiedniego przełączania biegunów uzwojenia wzbudzenia z zastosowaniem dodatkowej pary pierścieni ślizgowych. Posługując się metodą modulacji kierunkowo-prądowej lub modulacji fazowej [8, 9], uzwojenie twornika projektuje się w taki sposób, by miało ono możliwie najlepsze parametry dla pola podstawowego każdej z prędkości silnika oraz nie oddziaływało z polami harmonicznymi o dużych amplitudach magneśnicy. Magneśnica dwubiegowej maszyny synchronicznej dla jednej z prędkości obrotowych musi wytworzyć pole magnetyczne o podstawowej liczbie biegunów innej niż liczba biegunów fizycznych. Osiąga się to przez zmianę kierunków prądów w wybranych cewkach biegunów. Dla jednej z prędkości synchronicznych magneśnica jest symetryczna i wytworzone pole ma liczbę biegunów równą liczbie fizycznie istniejących biegunów wydatnych. Dla drugiej prędkości obrotowej konieczne jest przełączenie kierunku prądu w wybranych biegunach, przy czym wybór tych biegunów zależy od stosunku żądanej liczby biegunów pola do liczby fizycznych biegunów. Dla uzyskania mniejszej prędkości liczba biegunów magnetycznych musi być większa od liczby biegunów fizycznych. Przez odpowiednie przełączenia lub wyłączenia biegunów można uzyskać taki rozkład pola wzbudzenia, że druga, w stosunku do uzyskanej harmonicznej podstawowej, harmoniczna pola będzie miała dużą wartość i będzie odpowiadała żądanej biegunowości pola [1, 2, 3, 4]. 123
124 Przewaga silnika dwubiegowego, synchronicznego nad innymi rozwiązaniami racjonalizującymi zużycie energii polega na niskich kosztach inwestycyjnych, ale również na tym, że podobnie jak w silnikach jednobiegowych, możliwa jest kompensacja mocy biernej. Sprawdzenie zakresu kompensacji silnika pracującego z mniejszą prędkością jest zasadniczym celem opisanych badań. 2. PRZEDMIOT I ZAKRES BADAŃ Dane zmodernizowanych silników synchronicznych typu GAe, pracujących obecnie w kopalniach miedzi i węgla kamiennego, zestawiono w tabeli 1. W dolnej części tabeli podano również typ po modernizacji i drugą prędkość obrotową. Pomiary silników zainstalowanych w stacjach wentylatorowych obejmowały rozruch i synchronizację dla obu prędkości synchronicznych oraz pracę w czasie obciążenia. Dla dwóch wartości obciążenia, odpowiadających pracy bez dławienia powietrza i z maksymalnym dławieniem, wyznaczono krzywe V, badając w ten sposób możliwość kompensowania mocy biernej. Zakres badań poszczególnych silników był różny i wynikał z warunków lokalnych. Tabela 1. Dane znamionowe zmodernizowanych silników synchronicznych Typ GAe1412p GAe151p GAe1512s GAe1716t P n kw 5 125 16 315 U n V 6 6 6 6 I n A 58 14 178 35 I fn A 17 23 19 3 cosϕ n,9poj,9poj,9poj,9poj n n obr/min 5 6 5 375 Typ po przezwojeniu GAe1412/16p GAe151/12p GAe1512/16s GAe1716/2t n 2n obr/min 375 5 375 3 3. WYNIKI POMIARÓW Wyniki pomiarów krzywych V trzech silników, dla których zebrano najwięcej danych, przedstawiono na rysunkach 1, 2 i 3. W czasie badań silnika GAe1412/16p ustalono, że przy otwartej przepustnicy granica stabilności silnika pracującego z prędkością synchroniczną 5 obr/min wyznaczona jest prądem wzbudzenia I f = 4 A, a przy prędkości 375 obr/min I f = 65 A (rys. 1). Wyniki badań dwubiegowego silnika GAe151/12p porównano z wynikami pomiarów jednobiegowego silnika GAe151p (rys. 2). Krzywe V silnika przezwojonego są przesunięte w kierunku większych prądów wzbudzenia. Charakterystyki silnika dwubiegowego wyznaczono dla obu prędkości przy pełnym otwarciu przepustnicy (aparatu kierowniczego). Różnica mocy wskazuje jak duże mogą być oszczędności energii. Taka sama informacja jest zawarta na wykresie (rys. 3), przedstawiającym charakterystyki
silnika GAe1716/2t, który ma największą moc spośród wszystkich modernizowanych silników. Dla tego silnika różnica prądów wzbudzenia niezbędnych do wytworzenia mocy biernej pojemnościowej jest szczególnie duża. 125 5 45 4 35 I [A ] GAe1412/16p 5 kw n = 5 obr/min P rzepustnica zamknięta P rzepustnica otwarta P rzepustnica zamknięta P rzepustnica otwarta 3 25 2 15 n = 375 obr/min 1 5 I f [A ] 5 1 15 2 25 3 Rys. 1. Krzywe V silnika typu GAe1412/16p Fig. 1. V curve of the GAe1412/16p motor 12 1 I [A] GAe151p 125 kw 8 GAe151/12p 6 4 2 P=12 kw n=6 obr/min P=89 kw n=6 obr/min P=97 kw n=6 obr/min P=53 kw n=5 obr/min I f [A] 1 12 14 16 18 2 22 24 Rys. 2. Krzywe V silnika typu GAe151/12p Fig. 2. V curve of the GAe151/12p motor W badaniach silników GAe151/12p i GAe1512/16s rejestrowano również pobór energii. Na podstawie uzyskanych wyników można przewidywać, że w roku 2 wentylatory będą pracować przy zmniejszonej prędkości przez 2583 godzin, co pozwoli
126 zaoszczędzić na silniku GAe151/12p 1 25 kwh, a na silniku GAe1512/16s 1 994 kwh. 3 I [A] 25 2 15 GAe1716/2t 315kW 1 5 P =19 kw; n=375 obr/min P =11 kw; n=3 obr/min I f [A] 1 15 2 25 3 35 4 Rys. 3. Krzywe V silnika GAe1716/2t Fig. 3. V curve of the GAe1716/2t motor 4. WYNIKI OBLICZEŃ POLA I MOMENTU Obliczenia elektromagnetyczne wykonane podczas projektowania silników dwubiegowych [5, 6, 7] umożliwiają interpretację wyników uzyskanych z pomiarów. Między innymi wykonano obliczenia numeryczne (metodą elementów skończonych) rozkładu pola magnetycznego w przekroju poprzecznym maszyny. Na podstawie wyników tych obliczeń wyznaczono kątową charakterystykę momentu dla obu prędkości obrotowych i zbadano kształt krzywej pola w szczelinie maszyny, wyznaczając rozkład harmonicznych. Kątowe charakterystyki momentu oraz amplitudy harmonicznych pola wypadkowego w szczelinie maszyny dla trzech zmodernizowanych silników pokazano na rysunkach 4 9. Charakterystyki momentu pokazują, że dla mniejszej prędkości znacznie wzrasta kąt obciążenia maszyny i zmniejsza się jej przeciążalność. Szczególnie widoczne jest to w przypadku silnika GAe151/12p (rys. 4). Dla tej maszyny widoczne są też momenty pasożytnicze odkształcające charakterystykę. Silnik typu GAe1512/16s jest konstrukcją najbardziej udaną, bo różnica kątów obciążenia dla obu prędkości jest niewielka (rys. 6). Jego charakterystyka dla większej prędkości niewiele odbiega od charakterystyki silnika jednobiegowego. Zmniejszenie przeciążalności maszyn przy mniejszej prędkości nie ma większego znaczenia, ponieważ wszystkie badane silniki pracują podczas obciążenia rzędu,6,8 obciążenia znamionowego. Najmniej korzystne warunki pracy silnika GAe151/12p tłumaczy rozkład harmonicznych pola wypadkowego (rys. 5). W polu tej maszyny
pracującej na mniejszej prędkości poza harmoniczną podstawową (n = 6) pojawia się generowana przez magneśnicę harmoniczna n = 4 o amplitudzie większej od amplitudy harmonicznej podstawowej. 127 45 3 T [N m] T n 6 n = 6 obr/min 15 T n 5 n = 5 obr/min -15-3 -45 ϑ [deg] -6-3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 Rys. 4. Kątowa charakterystyka momentu silnika typu GAe151/12p Fig. 4. Torque versus power angle of the GAe151/12p motor,9,8,7,6,5,4,3 B r [T] 6 obr/min 5 obr/min,2,1, n=p ν 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 Rys. 5. Harmoniczne pola w szczelinie silnika typu GAe151/12p Fig. 5. Field harmonics of the GAe151/12p motor
128 8 6 T [Nm] Maszyna jednobiegowa n =5 obr/min 4 2 T n 5 Maszyna dwubiegowa n =5 obr/min T n 375 ϑ [deg] -2-4 Maszyna dwubiegowa n =375 obr/min -6-8 -3 3 6 9 12 15 18 21 24 27 3 33 36 Rys. 6. Kątowa charakterystyka momentu silnika typu GAe1512/16s Fig. 6. Torque versus power angle of the GAe1512/16s motor 1,4 1,2 1,,8,6,4 B r [T] jednobiegowa n = 5 obr/min dwubiegowa n = 5 obr/min dwubiegowa n = 375 obr/min,2, n=p ν 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 Rys. 7. Harmoniczne pola w szczelinie silnika typu GAe1512/16s Fig. 7. Field harmonics of the GAe1512/16s motor Również w polu pozostałych silników pojawiają się nieużyteczne harmoniczne o dużych wartościach (odpowiednio n = 4 i n = 6), jednak są one mniejsze od harmonicznych pola podstawowego (rys. 7 i 9). Stąd wynika większa wartość bezwzględna podstawowej harmonicznej pola silników GAe1512/16s i GAe1716/2t. Znacznie mniejsza wartość
podstawowej harmonicznej pola podczas pracy z mniejszą prędkością tłumaczy przesuwanie się krzywych V w stronę większych prądów wzbudzenia. Znaczna część prądu wzbudzenia wytwarza nieproduktywne harmoniczne pola, więc dla uzyskania odpowiednio dużej wartości harmonicznej podstawowej w uzwojeniu wzbudzenia musi płynąć prąd znacznie większy niż przy pracy z prędkością większą. 129 2 15 T [Nm] n = 375 obr/min 1 T n 375 5 T n 3 n = 3 obr/min -5-1 -15-2 ϑ [deg] -18-15 -12-9 -6-3 3 6 9 12 15 18 Rys. 8. Kątowa charakterystyka momentu silnika typu GAe1512/16p Fig. 8. Torque versus power angle of the GAe1512/16p motor,9,8,7,6,5,4,3 B r [T] 6 obr/min 5 obr/min,2,1, n=p ν 1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56 61 66 71 76 81 86 Rys. 9. Harmoniczne pola w szczelinie silnika typu GAe1716/2t Fig. 9. Field harmonics of the GAe1716/2t motor
13 5. WNIOSKI Dwubiegowy silnik synchroniczny, zastosowany do napędu wentylatora głównego przewietrzania kopalni, pozwala dla relatywnie niskich kosztów inwestycyjnych na znaczne oszczędności energii bez potrzeby rezygnowania z kompensacji mocy biernej. Kompensacja mocy biernej podczas pracy z mniejszą prędkością synchroniczną wymaga większych wartości prądu wzbudzenia, jednakże nie przekraczających możliwości wzbudnicy. Kompensacja może w tym przypadku być niecelowa ze względu na odłączenie w tym czasie większości odbiorników produkujących moc bierną indukcyjną. LITERATURA [1] ANTAL L., ZAWILAK J., Pole magnetyczne dwubiegowego silnika synchronicznego z wirnikiem o biegunach jawnych, Mat. konf. XXX Symp. Maszyn Elektrycznych, Kazimierz 1994. [2] ANTAL L., ZAWILAK J., Silnik synchroniczny jawnobiegunowy o dwóch prędkościach obrotowych, mat. konf. XXXI Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Ustroń 1995. [3] ANTAL L., ZAWILAK J., Pole magnetyczne synchronicznego silnika jawnobiegunowego o dwóch prędkościach obrotowych, Zagadnienia maszyn i napędów elektrycznych, 1996, Prace Nauk. Instytutu Maszyn i Napędów Elektrycz. PWr. nr 45, Studia i Materiały nr 19. [4] ANTAL L., ZAWILAK J., Torque of two-speed synchronous motor, Mat. konf. XXXIV Symp. Maszyn Elektrycznych, Łódź 1998. [5] ANTAL L., ZAWILAK J., Opracowanie koncepcji oraz dokumentacji technicznej stojana silnika synchronicznego typu GAe 151 o mocy 125 kw przystosowanego do pracy dwubiegowej, Sprawozdanie IMiNE PWr. serii SPR nr 38/99. [6] ANTAL L., ZAWILAK J., Opracowanie koncepcji oraz dokumentacji technicznej silnika typu GAe 1512 o mocy 16 kw przystosowanego do pracy dwubiegowej, Sprawozdanie IMiNE PWr. serii SPR nr 73/99. [7] ANTAL L., ZAWILAK J., Zmiana wydajności wentylatorów głównego przewietrzania kopalni przez zastosowanie silników dwubiegowych, cz. I: Opracowanie koncepcji i założeń do projektu przebudowy silników napędzających wentylatory głównego przewietrzania, Sprawozdanie IMiNE PWr serii SPR nr 71/99. [8] ZAWILAK J., Projektowanie trójfazowych uzwojeń ułamkowo-żłobkowych, Prace Nauk. Inst. Układów Elektromasz. PWr. nr 43, Studia i Materiały nr 18, 1993. [9] ZAWILAK J., Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Pr. Nauk. Inst. Układów Maszynowych PWr. nr 37, Monografie nr 7, Wrocław 1986. REACTIVE POWER COMPENSATION BY THE TWO-SPEED SYNCHRONOUS MOTOR OF FRACTIONAL SPEED RATIO Application of the two-speed synchronous motor to drive the main mine fans allows for considerable electric energy savings at comparatively low capital costs. The two-speed pole-changing windings deform the motor flux, especialy at lower speed and this reduces either an overload capacity and a range of reactive power compensation. The Gae motors (originally of single-speed), provided with the two-speed windings, are working in some coal and copper mines. The results of the excitation current during synchronization at lower speed must be greater than that necessary at higher speed. Also, the cappacitive power generation requires the excitation current of much higher value than the rated value of the original single-speed motor.