51 Maciej Gwoździewicz, Jan Zawilak Politechnika Wrocławska, Wrocław PRZEGLĄD KONSTRUKCJI JEDNOFAZOWYCH SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH Z MAGNESAMI TRWAŁYMI O ROZRUCHU BEZPOŚREDNIM REVIEW OF SINGLE-PHASE LINE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTORS Streszczenie: W artykule przedstawiono konstrukcje jednofazowych silników synchronicznych z magnesami trwałymi o liczbach biegunów 2p=2, 4, 6 i bezpośrednim włączaniu do sieci zasilającej. Silniki te charakteryzują się dużą sprawnością oraz większym wykorzystaniem masy (mocy znamionowej na jednostkę masy) w porównaniu z odpowiadającymi im silnikami indukcyjnymi. Zbadano właściwości eksploatacyjne i rozruchowe zbudowanych i silników. Abstract: The paper deals with constructions of single-phase line start permanent magnet synchronous motor. Two-pole, four-pole and six-pole motors are presented. These motors are material-saving and energy-saving constructions. All motors are based on the mass production single-phase induction motor. Running and starting properties of the built s of single-phase line start permanent magnet synchronous motor were investigated. Słowa kluczowe: silnik synchroniczny, silnik jednofazowy, magnesy trwałe, duża sprawność Keywords: single-phase motor, synchronous motor, high efficiency, permanent magnet 1. Wstęp Zgodnie z normą Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej IEC 60034 część 30, trójfazowe silniki prądu przemiennego ogólnego przeznaczenia mają określoną minimalną sprawność znamionową η n. Jednofazowe silniki prądu przemiennego jeszcze nie są ujęte w tej normie. Dlatego obecnie producenci nie oferują wysokosprawnych wersji silników jednofazowych. W pracy [1] autorzy wykazują możliwość zwiększenia sprawności jednofazowych silników indukcyjnych. W pracach [3][4][5] przedstawione są konstrukcje trójfazowych silników synchronicznych z magnesami trwałymi, które mają znacznie większą sprawność od sprawności odpowiadających im silników indukcyjnych. W pracy [2] prezentowana jest konstrukcja jednofazowego silnika reluktancyjnego o rozruchu bezpośrednim. Jednofazowe silniki tego typu są wykorzystywane m.in. w napędach przędzalniczych. 2. Jednofazowe silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim W ramach prac badawczych związanych z rozprawą doktorską [11] wykonano e fizyczne jednofazowych silników synchronicznych z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim. Zbudowane e silników o liczbach par biegunów 2p=2, 4, 6 pokazano odpowiednio na rysunkach 1, 2, 3, 4. Rys. 1. Fotografia u jednofazowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim
52 Rys. 3. Wirnik czterobiegunowego jednofazowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi Rys. 2. Wirnik dwubiegunowego jednofazowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi Rys. 4. Wirnik sześciobiegunowego jednofazowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi
53 Wszystkie zbudowane silniki mają wirnik z odlewaną klatką aluminiową. Do wzbudzenia użyto magnesy neodymowe. Silniki posiadają uzwojenie stojana złożone z dwóch faz: głównej i pomocniczej. Do fazy pomocniczej podłączony kondensator pracy oraz na czas rozruchu kondensator rozruchowy. Schemat połączenia uzwojenia stojana zbudowanych silników pokazano na rysunku 5. Rys. 6. Widok stanowiska pomiarowego Rys. 5. Schemat połączenia uzwojenia stojana: Lmain faza główna, Laux faza pomocnicza, Crun kondensator pracy, Cstart kondensator rozruchowy Do rozłączenia kondensatora rozruchowego zastosowano wyłącznik odśrodkowy lub przekaźnik czasowy. Oba rozwiązania okazały się skuteczne. 3. Badania eksperymentalne Wykonane e fizyczne silników jednofazowych z magnesami trwałymi poddano badaniom podczas rozruchów bezpośrednich oraz długotrwałego obciążenia. Stanowisko pomiarowe pokazano na rysunku 6. Z porównania wyników wynika, że jednofazowe silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim mają znacznie większe sprawności znamionowe i mniejsze masy w porównaniu do jednofazowych silników indukcyjnych. Współczynniki mocy są zbliżone i w dużej mierze korygowane są za pomocą dołączanych kondensatorów. Silniki o liczbach biegunów 2p=4 oraz 2p=6 mają mniejszą masę w porównaniu z odpowiadającymi im silnikami indukcyjnymi. Tabela 1. Porównanie jednofazowych silników synchronicznych z magnesami trwałymi z odpowiadającymi im jednofazowymi silnikami indukcyjnymi polskiego i zagranicznego producenta maszyn elektrycznych 2p 2 4 6 Pn W η % cosφ - m kg 82,5 0,95 10,6 producent A 72,0 0,97 9,8 74,5 0,99 11,5 89,5 0,93 10,4 producent A 74,0 0,91 12,2 76,0 0,99 13,1 650 87,1 0,93 10,5 650 67,5 0,97 11,5 Wytwórca Wykonano badania eksperymentalne właściwości rozruchowych. Przykładowy rozruch silnika sześciobiegunowego z wyłącznikiem czasowym kondensatora rozruchowego pokazano na rysunku 7. Przykładowy rozruch silnika czterobiegunowego pokazano na rysunku 8.
54 Z przeprowadzonych badań wynika, że oba rozwiązania wyłączenia kondensatora rozruchowego są poprawne. W przypadku wyłącznika czasowego zaleca się wyłączenie ww. kondensatora po uzyskaniu przez silnik prędkości synchronicznej. Rys. 8. Wykres prądu, momentu i prędkości obrotowej w czasie rozruchu silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-4B dla C start =100 µf i M obc =M n Rys. 7. Wykres prądu, momentu i prędkości obrotowej w czasie rozruchu silnika jednofazowego PMSM SEhm 80-6B dla C start =110 µf, T wył =0,5 s i M obc =M n 4. Wnioski Ze względu na oszczędność energii jednofazowe silniki synchroniczne z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim stanowią alternatywę dla jednofazowych silników indukcyjnych. Ich większa cena spowodowana kosztem zastosowania magnesów trwałych może być rekompensowana oszczędnością energii i mniejszymi kosztami eksploatacyjnymi oraz mniejszą masą jednostkową. Dla wielu układów napędowych nie bez znaczenia jest stała prędkość obrotowa.
55 5. Literatura [1]. Dąbała K., Rudeński A., Sedlak Z.: Silniki indukcyjne jednofazowe o podwyższonej sprawności i mocy znamionowej 7,5 oraz 10 HP. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 71, 2005, wyd. Komel, s. 21-26. [2]. Damm Z.: Jednofazowy silnik synchroniczny reluktancyjny z rozruchem asynchronicznym. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 80, 2005, wyd. Komel, s. 35-38. [3]. Zawilak T., Zawilak J.: Silniki synchroniczne średniej mocy wzbudzane magnesami trwałymi. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 100, 2013, wyd. Komel, s. 5-8. [4]. Zawilak T., Niewiara M: Silnik synchroniczny wzbudzany magnesami trwałymi w napędzie wentylatora dużej mocy. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 102, 2014, wyd. Komel, s. 173-177. [5]. Zawilak T., Gwoździewicz M.: Uzwojenie mieszane stojana typu gwiazda-trójkąt w silniku synchronicznym z magnesami trwałymi. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 91, 2011, wyd. Komel, s. 191-194. [6]. Gwoździewicz M., Zawilak J.: Comparison of properties of single-phase line start permanent magnet synchronous motors with W and VV shape permanent magnet arrangements. Experimental results. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 100, 2013, wyd. Komel, s. 43-46. [7]. Gwoździewicz M., Zawilak J.: Jednofazowy silnik synchroniczny z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim. Konstrukcje magnetowodu. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 95, 2012, wyd. Komel, s. 139-142. [8]. Gwoździewicz M., Zawilak J.: Porównanie jednofazowego silnika indukcyjnego i jednofazowego silnika synchronicznego z magnesami trwałymi. Badania eksperymentalne. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 98, 2013, wyd. Komel, s. 153-157. [9]. Gwoździewicz M., Zawilak J.: Właściwości rozruchowe jednofazowego PMSM o liczbie biegunów 2p=6. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 101, 2014, wyd. Komel, s. 119-122. [10]. Gwoździewicz M., Zawilak J.: Jednofazowy silnik synchroniczny z magnesami trwałymi o liczbie par biegunów p=3. Maszyny Elektryczne - Zeszyty Problemowe, nr 103, 2014, wyd. Komel, s. 91-96. [11]. Gwoździewicz M., Analiza właściwości jednofazowych silników synchronicznych z magnesami trwałymi, rozprawa doktorska. Autorzy dr inż. Maciej Gwoździewicz: asystent na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wrocławskiej e-mail: maciej.gwozdziewicz@pwr.edu.pl prof. Jan Zawilak: profesor na Wydziale Elektrycznym Politechniki Wrocławskiej e-mail: jan.zawilak@pwr.edu.pl