ENERGOOSZCZĘDNY UKŁAD OBCIĄŻENIA MASZYNY INDUKCYJNEJ NA STACJI PRÓB

Mazyny Elktryczn Zzyty Problow Nr 1/215 (15) 39 Toaz rch AGH Akadia GórniczoHutnicza, Kraków ENERGOOSZCZĘDNY UKŁAD OBCIĄŻENIA MASZYNY INDUKCYJNEJ NA STACJI PRÓB ENERGYEFFICIENT OAD OF INDUCTION MACHINE AT A TESTING STATION Strzczni: W artykul przdtawiono koncpcj nrgoozczędngo układu obciążnia ilników indukcyjnych na tacjach prób wykonujących badania azyn lktrycznych. Główny założni opracowango rozwiązania była ożliwość zwrotu nrgii do ici oraz wyoka prawność układu. W ty clu zaadoptowano znany główni z nrgtyki wiatrowj układ azyny dwutronni zailanj (MDZ). Rozwiązani to oprócz wyinionych wyżj cch pozwala takż całkowici kopnować zapotrzbowani na oc birną całj tacji prób. Dodatkowo w proponowany układzi obciążnia zatoowano tylko jdną azynę indukcyjną pirściniową oraz przkztałtnik o tounkowo ałj ocy, dlatgo tż wiąż ię on z najnijzyi koztai inwtycyjnyi pośród ożliwych rozwiązań. Abtract: Th papr prnt concpt of an nrgyfficint load yt for otor tting tation prforing tt of lctrical achin. Th ain goal of th dvlopd olution wa th rgnrativ powr upply and high fficincy. For thi purpo wa adaptd doubly fd induction gnrator (DFIG) yt otly known for wind nrgy. In addition th olution bid th aforntiond fatur allow alo fully copnat th ractiv powr dand throughout th tting tation. In addition, th propod load yt u only on woundrotor induction achin and rlativly low powr invrtr and thrfor bind with th allt invtnt cot of th poibl olution. Słowa kluczow: badani azyn indukcyjnych, azyna dwutronni zailana Kyword: tting of induction achin, doublfd induction achin 1. Wtęp Badani azyn lktrycznych zgodni z wytycznyi nor wyaga wypoażnia tacji prób w układ obciążnia pozwalający w kontrolowany poób zadawać obciążni od zra do ontu krytyczngo. Klayczny rozwiązani toowany na tacjach prób jt wiloazynowy układ onarda, w który poprzz rgulację prądu wzbudznia azyny prądu tałgo ożna trować ont obciążnia. Rozwiązani to wywodzi ię z czaów, kidy nidotępn były rgulowan napędy prądu przinngo. Jgo zaltą jt protota trowania ocą układu oraz wynikająca z tgo nizawodność. Zdcydowaną zaś wadą układu onarda jt jgo wiloazynowa truktura, a co za ty idzi nika prawność, pobór ocy birnj przz azynę badaną i prądnicę AC, oraz duż nakłady inwtycyjn. Zatąpini wiloazynowgo układu onarda tało ię ożliw wraz z upowzchnini przkztałtników nrgolktronicznych. W takij trukturz ożna zatoować tylko jdną azynę indukcyjną zailaną przz przkztałtnik, co poprawia prawność układu. Rozwiązani taki pozwala prcyzyjni trować ocą układu oraz liinuj probl poboru ocy birnj przz układ obciążający. Poważną wadą tgo rozwiązania jt fakt, ż cała oc oddawana przz azynę obciążającą do ici, ui być prztwarzana przz falownik co znaczni podnoi kozty inwtycyjn. Dodatkowo ilniki dużj ocy najczęścij pracują zailan śrdni napięci, co równiż zwiękza koplikacj związan z zatoowani przkztałtnika. Autor artykułu proponuj rozwiązani układu obciążnia liinując probly wytępując w wyżj opianych konfiguracjach. 2. Zaada działania MDZ Mazyna indukcyjna klatkowa pracuj jako gnrator przy ujny poślizgu tzn. przy prędkości nadynchronicznj. Przprowadzni badania azyny indukcyjnj wyaga obciążnia jj w zakri od zra do kilku procnt dodatnigo poślizgu. Zat, jżli układ obciążnia jt zbudowany w oparciu o azynę indukcyjną ui ona pracować jako gnrator przy

4 Mazyny Elktryczn Zzyty Problow Nr 1/215 (15) prędkości podynchronicznj. Taki tan pracy ożna oiągnąć w azyni indukcyjnj pirściniowj, którj wirnik jt zailany prąd o czętotliwości poślizgowj [1]. Układ taki noi nazwę azyny dwutronni zailanj. MDZ znana jt w litraturz do ponad tu lat jdnak jj praktyczn zatoowani na zroką kalę wiąż ię z rozwoj nrgtyki wiatrowj, gdzi jt ona wykorzytywana jako jdn z podtawowych rodzajów gnratorów. Najważnijzą cchą MDZ wyróżniającą ją pośród innych układów napędowych jt ożliwość pracy ilnikowj i gnratorowj zarówno przy poślizgu dodatni i ujny. Zaadę działania MDZ dobrz obrazuj jj bilan ocy [2] dla pracy gnratorowj z dodatni poślizgi przdtawiony na ryunku 1. Moc pola wirującgo P Ψ, która po odjęciu trat jt oddawana do ici wynoi: PΨ = P P P = T ω (1) u dcu Moc chaniczna prztwarzana przy pracy gnratorowj na oc lktryczną a potać: Pu P = P u P d df Ry. 1. Bilan ocy MDZ dla > =T ω = P (1 ) (2) Moc wirnika, uwzględniając zianę kirunku przpływu wraz z zianą znaku poślizgu, a potać: P = P r ru ign()p dcur r Ψ = PΨ =T ω (3) gdzi: P u oc tojana P Ψ oc pola wirującgo T ont lktroagntyczny pulacja pola wirującgo ω Pd P=Pψ(1) Pr=Pψ Pru Pψ=Tω PdCur PdFr PdCu PdF Pu P oc chaniczna P u oc chaniczna użytczna poślizg P r oc wirnika (oc poślizgu) P dcu traty w uzwojniach tojana P dcur traty w uzwojniach wirnika P df traty w rdzniu tojana P dfr traty w rdzniu wirnika P d traty chaniczn Z równania 3 wynika, ż ziana znaku ocy czynnj wirnika P r przy tały dodatni poślizgu powoduj zianę znaku ocy pola, a co za ty idzi zianę znaku ontu. Zat zailając wirnik azyny pirściniowj pracującj z prędkością podynchroniczną azyna będzi wydawała do ici oc czynną tojana, która po dodaniu trat będzi równa ui dotarczanj ocy poślizgu i ocy chanicznj. Z bilanu ocy wynika zat, ż część ocy czynnj krąży w obwodzi tojanwirnik, to znaczy część ocy oddawanj przz tojan pobirana jt przz wirnik azyny. Wartość tj ocy jt wprot proporcjonalna do poślizgu z jaki pracuj azyna. 3. Strowani MDZ w układzi obciążnia Strowani ocą czynną i birną wydawaną przz azynę dwutronni zailaną do ici opart jt o torię chwilowj ocy birnj Akagigo [3, 4]. Dla tojana azyny indukcyjnj oc chwilowa a potać: p = u i u i (4) x x q = u i y x u y y i x y gdzi: p oc chwilowa czynna, q oc chwilowa birna, u x, u y kładow wktora napięcia tojana, i x, i y kładow wktora prądu tojana. Podtawiając w ijc kładowych prądu tojana wartości wynikając z równań odlu azyny indukcyjnj ożna wyprowadzić równania, któr ą podtawą yntzy układu trowania [5, 6]: p = u i x rx 2 x ry ; q 1 ux = u i (5) ωk gdzi: indukcyjność fazy tojana, indukcyjność agnowania azyny, ωk prędkość kątowa układu odniinia.

Mazyny Elktryczn Zzyty Problow Nr 1/215 (15) 41 Równania (5) ą wyprowadzon przy założniu tanu utalongo i przy poinięciu rzytancji tojana (R S =). Z powyżzych równań wynika, ż chwilowa oc czynna tojana w układzi trowania związany z wktor napięcia tojana zalży od kładowj x wktora prądu wirnika, zaś chwilowa oc birna zalży od kładowj y. Do zralizowania układu trowania będzi zat potrzbna inforacja o kąci φ wykorzytywany do tranforowania kładowych prądu wirnika. Kąt tn okrślony jt jako: ϕ= ϕ u ϕ (6) przy czy φ u jt kąt położnia wktora prztrznngo napięcia tojana, wyliczany zgodni z wzor: uβ ϕ = u atan (7) uα zaś φ jt kąt położnia wirnika liczony w topniach lktrycznych zgodni z wzor: ϕ = p ωrdt ϕ (8) gdzi: p liczba par bigunów; ω r prędkość kątowa wirnika azyny; φ położni początkow wirnika azyny. Układ trowania wktorowgo chwilową ocą czynną i birną azyny dwutronni zailanj przdtawia ryunk 2. Sygnały wartości zadanj ocy czynnj i birnj tojana oznaczon na powyżzy chaci p* q*, pochodzą z nadrzędngo układu trowania ocą czynną i birną. Moc czynna zadawana jt w zalżności od aktualngo zapotrzbowania wynikającgo z ontu obciążającgo azynę badaną. Wartość zadanj ocy birnj indukcyjnj wydawanj do ici powinna być równa całkowitu zapotrzbowaniu na oc birną w układzi, na którą kłada ię oc birna pobirana przz azynę badaną oraz tranforatora dopaowującgo z obwodzi wirnika MDZ (ryunku 3). Sić nn Rq q* iry* iry q Rp p* irx* irx p Rix Riy p, q xy xy Ry. 2. Schat układu trowania ocą MDZ Nalży tutaj zaznaczyć, ż azyna dwutronni zailana prztwarza oc czynną w torz tojana i wirnika. Zat całkowita prztwarzana oc czynna wynoi: p= p (9) p gdzi to poślizg azyny dodatni dla prędkości podynchronicznj a ujny dla nadynchronicznj. Uwzględniając to w proponowany przz autora rozwiązaniu układ trowania zotał zodyfikowany tak, aby uożliwiać zadawani wartości ocy chanicznj jaką MDZ obciąża azynę badaną oraz wartości ocy birnj oddawanj lub pobiranj przz tojan azyny. Moc chaniczna obliczana jt jako iloczyn ontu lktroagntyczngo i prędkości kątowj wirnika. p =T ω (1) Ralizacja zodyfikowango układu trowania wyaga zatoowania obrwatora ontu lktroagntyczngo. W przypadku azyny pirściniowj bzpośrdnio irzaln ą zarówno prądy tojana jak i wirnika. Najwygodnij zat zatoować obrwator ontu wyznaczający jgo wartość w oparciu o kładow protokątn prądów azyny [2]: r T = pb (i ' i i ' i ) (11) abc abc u i ir ϕu ϕ rα β AC/DC/AC Tr.dop. rβ α GA Składow prądów wirnika uzą zotać prowadzon na tronę tojana oraz prztranforowan do protokątngo układu odniinia αβ związango z tojan. Z względu na dużą liczbą obliczń konicznych do wykonania w czai rzczywity układ trowania

I Ug, Ig 42 Mazyny Elktryczn Zzyty Problow Nr 1/215 (15) przdtawiony na ryunku 2 zotał zralizowany na procorz ygnałowy. Nadrzędny układ trujący całj tacji prób jt koputr PC, który uożliwia rjtracj paratrów badanj azyny takich jak napięcia, prądy, prędkość i tpratury. Drugi zadani koputra trującgo jt zadawani ocy obciążnia oraz ocy birnj wydawanj przz MDZ. Struktura proponowango rozwiązania zotała przdtawiona na ryunku 3. Tranforator zailający Zaproponowany układ obciążnia z MDZ zotał przbadany w warunkach laboratoryjnych. Badany układ obciążnia zotał zbudowany w oparciu o azynę pirściniową o ocy 1kW. Rolę azyny badanj na tanowiku laboratoryjny płniła azyna indukcyjna klatkowa i ocy znaionowj 3kW. Widok tanowika laboratoryjngo przdtawia ryunk 4. Na ryunku 5 przdtawiono widok pulpitu trowniczgo całgo tanowika. Układ trowania uożliwiał zadawani ocy chanicznj azyny oraz ocy birnj obwodu tojana. Przprowadzon poiary potwirdziły ożliwość nizalżngo trowania ocą chaniczną i birną MDZ. Ryunk 6 przdtawia zarjtrowan w układzi przbigi ocy czynnj i birnj tojana przy kokowj ziani wartości zadanych. Mazyna dwutronni zailana Mazyna badana R S T P Koputr poiarowo trujący U Rgulator indukcyjny P Q Pg Q g P gr Q gr Pg Qg Ry. 4. Mazyny zaintalowan na tanowiku laboratoryjny P Gnrator MDZ ω Tranforator dopaowujący Silnik Badany I r Strownik DSP Falownik napięcia Protownik Koputr poiarowotrujący Ry. 3. Struktura układu obciążnia z MDZ Dzięki ożliwości trowania ocą birną w obwodzi tojana ożna zadawać wydawani ocy birnj indukcyjnj do ici. Daj to ożliwość całkowitgo kopnowania ocy birnj pobiranj przz azynę badaną i tranforator dopaowujący. W taki przypadku tranforator zailający będzi pokrywał tylko traty ocy czynnj w układzi, zat jgo oc oż być niżza niż oc badanj azyny. Przpływ ocy czynnj i birnj w proponowany układzi zaznaczono na ryunku 3 odpowidnio czrwonyi i nibikii trzałkai. 4. Badania laboratoryjn MDZ Strownik DSP Ry. 5. Widok ogólny pulpitu trowniczgo tanowika Jak ożna zauważyć kokowa ziana jdnj z zadanych wartości ni powoduj, poza chwilowy uchyb, trwałj ziany drugij kontrolowanj wartości. Ryunk 7 przdtawia przbigi chwilowj ocy czynnj i birnj podcza ziany prędkości obrotowj od,9 do 1,1 prędkości ynchronicznj iędzy 17 i 2 kundą rjtracji. Wartość ocy birnj (kolor zilony) w tani dynaiczny jt nizinna. W przbigu chwilowj ocy czynnj zauważalny jt uchyb w czai ziany prędkości obrotowj. Wynika to z faktu, ż równania 5 będąc podtawą yntzy układu trowania wyprowadzon ą dla tanu utalongo. W tani dynaiczny wartość chwilowj ocy czynnj ni jt zalżna tylko od kładowj i rx prądu wirnika [5, 6]. W zatoowaniu MDZ do obciążnia azyny indukcyjnj ni a to więkzgo znacznia, poniważ poiary obciążniow wykonywan ą dla tanów tatycznych.

Mazyny Elktryczn Zzyty Problow Nr 1/215 (15) 43 n q /Q n, p / P 1.5 1.5.5 1 Moc czynna i birna tojana 1.5 2 4 6 8 1 12 14 t [] Ry. 6. Przbigi p i q kokowa ziana wartości zadanj n q /Q n, p / P.5.5 Moc czynna i birna tojana 1 15 16 17 18 19 2 21 22 t [] Ry. 7. Przbigi p i q ziana prędkości obrotowj Układ laboratoryjny zotał przbadany takż pod kąt prawności. Oblicznia tortyczn przprowadzon dla ztawu azyn zaintalowango w laboratoriu wykazały, ż układ będzi oiągał akyalną prawność około 8%. Sprawność w laboratoriu przbadano dla trzch przypadków: bz kopnacji ocy birnj, z kopnacją ocy birnj MDZ i dla całkowitj kopnacji ocy birnj układu. W pirwzy przypadku MDZ pobira oc birną o wartości wynikającj z paratrów znaionowych danj azyny pirściniowj. Drugi przypadk zakłada oc birną tojana MDZ równą zro. W ty przypadku do całgo układu trzba doprowadzić oc birną na pokryci potrzb azyny badanj i tranforatora dopaowującgo. W trzci przypadku MDZ wydaj oc birną indukcyjna o wartości równj zapotrzbowaniu całgo układu (azyna badana i tranforator dopaowujący), zat do układu z zwnątrz ni jt doprowadzana oc birna. Wydawani ocy birnj p q p q przz MDZ wyaga zgodni z wzor 5 zadawania odpowidnij wartości kładowj i ry prądu wirnika. Zwiękzni wartości prądu w obwodzi wirnika powoduj zwiękzni trat ocy czynnj w tranforatorz dopaowujący, przkztałtniku oraz aych uzwojniach wirnika. W związku z ty dla tgo ago punktu pracy układu zwiękzni kopnacji ocy birnj powoduj zwiękzony pobór ocy czynnj doprowadzanj do układu. Charaktrytyki przdtawiając zalżność ocy doprowadzanj do układu od ocy obciążnia na wal azyny badanj dla trzch wariantów kopnacji ocy birnj przdtawiono na ryunku 8. Jak ożna zaobrwować, całkowita kopnacja ocy birnj układu zwiękza oc doprowadzana na pokryci trat ocy w cały układzi. Na podtawi opianych wyżj poiarów porządzono charaktrytyki prawności (ry. 9) układu obciążnia dla trzch wariantów kopnacji. Makyalna prawność układu dla wariantu bz kopnacji ocy birnj wynoi 7%. Niżza od zakładanj prawność układu wynika z znaczni przwyiarowanych lntów w torz zailania wirnika (tranforator, przkztałtnik) a takż paratrów prądowonapięciowych wirnika zatoowanj azyny pirściniowj. W układach MDZ touj ię azyny pirściniow, których napięci wirnika E 2 jt wyżz od napięcia znaionowgo tojana, dzięki czu ożna zinializować traty obciążniow w uzwojniach wirnika. Makyalna zirzona prawność układu obciążnia dla płnj kopnacji ocy birnj wynoi 6%. W ty przypadku jdnak korzytnijzy jt bilan całj tacji prób, gdyż całkowita kopnacja ocy birnj powoduj nijzy pobór prądu z ici zailającj, znijzając traty przyłow wwnątrz zakładu. ] [W P 35 3 25 2 15 1 bz kopnacji Q kopncacja Q MDZ kopncacja całkowita Q 5 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 P [W] Ry. 8. Zalżność ocy dotarczanj w funkcji ocy obciążnia

44 Mazyny Elktryczn Zzyty Problow Nr 1/215 (15) η.8.7.6.5.4.3.2.1 bz kopnacji Q kopncacja Q MDZ kopncacja całkowita Q 5 1 15 2 25 3 35 4 45 5 P [W] Ry. 9. Zalżność prawności w funkcji ocy obciążnia 5. Zalty układu obciążnia z MDZ Zatoowani azyny dwutronni zailanj do obciążania azyn indukcyjnych na tacji prób a zrg zalt. Rozwiązani to wyaga najniżzych koztów inwtycyjnych pośród ożliwych układów. Z równania 3 wynika, ż oc przkztałtnika wirnikowgo jt proporcjonalna do poślizgu z jaki pracuj azyna. Jżli zat założyy, ż poślizg z jaki pracuj MDZ ni przkracza 5% to do obciążnia ilnika o ocy 1 MW, uwzględniając kopnację ocy birnj w układzi, wytarczy przkztałtnik wirnikowy o ocy 1kW. Kirunk przpływu ocy w obwodzi wirnika zalżny jt od znaku poślizgu, zat przy pracy tylko w zakri dodatnich poślizgów ożna zatoować jdnokirunkowy przkztałtnik wirnikowy, co znaczni uprazcza jgo budowę i obniża kozty. Moc czynna oddawana jt przz obwód tojana przy czy część ocy o wartości proporcjonalnj do poślizgu jt pobirana przz wirnik azyny. Pozotała część ocy oż być pobirana przz azynę obciążaną. Z ici do układu nalży zat doprowadzić tylko oc czynną na pokryci trat. Bardzo ważną zaltą MDZ jt ożliwość trowania ocą birną. MDZ oż podobni jak azyna ynchroniczna wydawać oc birną indukcyjną. Dzięki tu cały układ przdtawiony na ryunku 3 oż być w płni kopnowany. Pozwala to znaczni zrdukować wartość prądu obciążającgo tranforator zailający tację prób. 6. Poduowani Zaproponowan przz autora rozwiązani jt adrowan do przdiębiortw produkujących i rontujących azyny lktryczn, któr w proci tchnologiczny wykorzytują tacj prób do badania azyn. Zatoowani MDZ jako układu obciążającgo badaną azynę pozwoli znaczni zoptyalizować kozt budowy tacji prób lub zwiękzyć zakr ocy badanych azyn. Przdtawion rozwiązani pozwala takż znaczni ograniczyć pobór ocy czynnj i birnj zailających tację prób. 7. itratura [1]. Skwarczyńki J., Drabk T., rch T.: Porównani właności azyny dwutronni zailanj przy napięciowy i prądowy zailaniu wirnika w układzi otwarty. Przgląd Elktrotchniczny, 26: 6269. [2]. rch T.: Stany dynaiczn lktrowni wiatrowj z azyną indukcyjną dwutronni zailaną. Kraków, Wydawnictwa AGH, 211 [3]. Akagi H., Kanazawa Y., Naba A.: Gnralizd thory of th intantanou ractiv powr in th thrpha circuit. Proc. JIEEIPEC, Tokio, 1375 138, r. 1983. [4]. Czarncki zk S.: Moc w obwodach lktrycznych z niinuoidalnyi przbigai prądów i napięć. Warzawa: Oficyna Wydawnicza Politchniki Warzawkij, 25. [5]. rch T.: Wpółpraca lktrowni wiatrowj z azyną dwutronni zailaną z yt nrgtyczny w warunkach niytrii napięć Mazyny Elktryczn Zzyty Problow, nr 8, 28, wyd. KOME,. 121 126. [6]. Bogalcka E.: Zagadninia trowania azyną dwutronni zailaną pracującą jako prądnica w yti lktronrgtyczny. Gdynia: Prac naukow wyżzj zkoły orkij, 1997. Autor dr inż. Toaz rch, Akadia Górniczo Hutnicza, al. A. Mickiwicza 3, 359 Kraków, ail: lrch@agh.du.pl