Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 56 Politechniki Wrocławskiej Nr 56 Studia i Materiały Nr 24 2004 Ludwik ANTAL *, Jan ZAWILAK * Silnik synchroniczny, dwubiegowy kompensacja, rozruch, drgania, nagrzewanie BADANIA DWUBIEGOWEGO SILNIKA SYNCHRONICZNEGO O PRZEŁĄCZALNYCH UZWOJENIACH TWORNIKA I WZBUDZENIA W pracy przedstawiono wyniki badań dwubiegowego silnika synchronicznego o mocy 600/1050kW i dwóch prędkościach znamionowych 500 i 600 obr/min. Silniki tego typu o mocach 600 do 3150 kw, będące modyfikacją silnika jednobiegowego, pracują od kilku lat w kopalniach węglowych i kopalniach miedzi. Zastosowanie dwubiegowych silników napędowych umożliwia skokową regulację prędkości, a więc również wydajności wentylatora i mocy pobieranej przez silnik. Zachowana jest możliwość kompensacji mocy biernej, a dwustopniowy rozruch jest łagodniejszy. 1. WSTĘP Dwubiegowe silniki synchroniczne zbudowano zastępując uzwojenie stojana uzwojeniem przełączalnym i łącząc uzwojenie wirnika z dwoma parami pierścieni ślizgowych. Przez przełączenie uzwojeń uzyskuje się dwie różne, ale o zbliżonej wartości, liczby par biegunów, a tym samym dwie różniące się o kilkanaście procentów, synchroniczne prędkości obrotowe. Takie silniki o mocach o mocach 600 do 3150 kw pracują z powodzeniem od kilku lat w kopalniach węglowych i kopalniach miedzi [1], [2], [3].. Zastosowanie dwubiegowych silników napędowych umożliwia wymaganą zmianę prędkości, a więc również wymaganą zmianę wydajności wentylatora. Podstawową korzyścią płynącą z dostosowania wydajności wentylatora do aktualnych potrzeb jest zmniejszony pobór mocy. Zmiana prędkości z 600 na 500 obr/min zmniejsza wydajność wentylatora o 17%, a moc pobieraną przez silnik o 42% [4], [5]. Uruchamiany dwustopniowo silnik dwubiegowy charakteryzuje się dłuższym czasem rozruchu ale mniejszym, niż silnik jednobiegowy, maksymalnym prądem rozruchowym i znacznie mniejszym * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław, ludwik.antal@pwr.wroc.pl, jan.zawilak@pwr.wroc.pl,
obniżeniem napięcia przy rozruchu. Silnik dwubiegowy pracuje zwykle z większą prędkością. Dla tej prędkości są zachowane normalne możliwości kompensacji mocy biernej. Okresy zmniejszonego zapotrzebowania na powietrze to dni wolne od pracy, czas remontów i kontroli itp. W okresach takich zapotrzebowanie na moc bierną pojemnościową jest niewielkie, więc przy pracy z mniejszą prędkością nie przewiduje się potrzeby kompensacji mocy biernej. Niesymetryczne uzwojenie stojana i niesymetryczne połączenie uzwojenie wzbudzenia przy pracy z mniejszą prędkością skutkuje odkształceniem prądów stojana, nierównomiernością nagrzewania się elementów maszyny i zwiększonym poziomem drgań korpusu silnika. Ustalenie dopuszczalnego poziomu tych negatywnych zjawisk było podstawowym celem opisanych w pracy badań. Badania silnika wykonano podczas testów fabrycznych oraz po zamontowaniu go na stanowisku roboczym w kopalni. Podczas badań zarejestrowano przebiegi napięć, prądów twornika i wzbudzenia oraz prędkości obrotowej w czasie rozruchu bezpośredniego, ustalonego biegu asynchronicznego, synchronizacji i obciążenia silnika na obu prędkościach obrotowych. Mierzono również drgania łożysk i korpusu silnika oraz rozkład temperatur. Rejestracja prądów twornika silnika obciążonego i analiza harmoniczna tych przebiegów umożliwiły ocenę stopnia odkształcenia prądów spowodowanego niesymetrią obwodu wzbudzenia, warunkującą uzyskanie drugiej, mniejszej prędkości obrotowej. W pracy przedstawiono wyniki badań silnika o mocy 600/1050kW (rys. 1). Rys. 1. Badany dwubiegowy silnik synchroniczny sprzęgnięty z wentylatorem Fig. 1. Tested synchronous motor coupled with fan Silnik ten różni się od pozostałych zbudowanych maszyn dwubiegowych tym, że jego uzwojenie wzbudzenia może być łączone z wykorzystaniem 8 lub 10 biegunów. Z rozważań teoretycznych i szacunkowych obliczeń wynikało, że całkowite odłączenie
dwóch biegunów może mieć pozytywny wpływ na pracę maszyny przy mniejszej prędkości i negatywny na pracę z prędkością większą. Ocena stopnia tego wpływu, a tym samym celowości odłączenia dwóch biegunów była dodatkowym celem przeprowadzonych badań. 2. ROZRUCH DWUSTOPNIOWY Przed sprzęgnięciem silnika z wentylatorem zbadano rozruchy silnika w obu układach połączeń uzwojeń. Wyniki rejestracji bezpośredniego rozruchu asynchronicznego do prędkości 500 obr/min pokazano na rysunku 3, a do prędkości 600 obr/min na rysunku 4. Rozruch do wyższej prędkości zachodzi szybciej ale amplitudy prądów twornika osiągają wartości przekraczające 1000 A. Po sprzęgnięciu silnika z wentylatorem czas rozruchu wydłuża się tak bardzo, że rozruch bezpośredni do prędkości 600 obr/min nie jest możliwy. Długotrwałe przeciążenie powoduje zadziałanie zabezpieczeń układu zasilania. Rozruch dwustopniowy, bez synchronizacji, pokazuje rysunek 5. Czas rozruchu silnika sprzęgniętego z wentylatorem wydłużył się z 3,5 s do 30 s. Po osiągnięciu mniejszej prędkości podsynchronicznej przełączono uzwojenia stojana oraz wirnika i po 2,5 s silnik uzyskał drugą, większą prędkość podsynchroniczną. Na drugim stopniu rozruchu amplitudy prądów twornika osiągnęły w pierwszej chwili rozruchu wartość bliską 1000 A, ale niemal natychmiast zmalały. Po ustalaniu się prędkości, wartości prądów twornika są 1,6 razy większe od prądów znamionowych, a ich wartości zmieniają się cyklicznie od 190 do 225 A. Jest to wynik działania momentu reluktancyjnego. Po załączeniu prądu wzbudzenia prąd twornika zmniejsza się do połowy wartości prądu znamionowego (rys. 6). Przedstawiony na rysunku 6 przebieg rozruchu dwustopniowego i synchronizacji odbiega od normalnej procedury rozruchu, która polega na rozruchu do mniejszej prędkości podsynchronicznej przy zwartym obwodzie wzbudzenia, wyłączeniu napięcia, przełączeniu uzwojeń, załączeniu napięcia i rozruchu do większej prędkości podsynchronicznej, rozwarciu obwodu wzbudzenia i załączeniu napięcia wzbudzenia. Czyli w normalnej procedurze rozruchu do prędkości większej nie dokonuje się synchronizacji dla prędkości pośredniej. Synchronizacja silnika odbywa się dopiero po uzyskaniu większej prędkości podsynchronicznej. Podczas badań, dla skrócenia czasu ich trwania, w jednej próbie zawarto synchronizacje dla każdej z dwu prędkości synchronicznych. Identyczne próby rozruchu maszyny sprzęgniętej z wentylatorem wykonano dla załączonych 8 i 10 biegunów. Uzyskane przebiegi prądów i napięć są niemal identyczne, co pokazuje że odłączenie dwóch biegunów nie ma wpływu na przebieg rozruchu i synchronizacji.
Rys. 3. Rozruch bez wentylatora do prędkości 500 obr/min Fig. 3. Starting without a fan up to 500 rpm Rys. 4. Rozruch bez wentylatora do prędkości 600 obr/min Fig. 4. Starting without a fan up to 600 rpm
Rys. 5. Rozruch dwustopniowy bez synchronizacji Fig. 5. Two step start-up without synchronization Rys. 6. Rozruch z synchronizacją na każdym stopniu Fig. 6. Start-up with synchronization on each step
3. ZAKRES KOMPENSACJI Modernizując silnik założono, że zachowa on zakres kompensacji dla większej prędkości, a dla prędkości mniejszej będzie miał indukcyjny współczynnik mocy nie mniejszy niż 0,8. Sprawdzenie, który z wariantów (8 czy 10 biegunów czynnych) lepiej spełnia te założenia było celem prób kompensacji. We wszystkich próbach prąd wzbudzenia maszyny obciążonej zmieniano od wartości maksymalnej (wyznaczonej w próbach nagrzewania) do takiej, przy której maszyna wypadała z synchronizmu. Wyniki pomiarów zestawiono na rysunku 7. prąd twornika [A] 100 95 90 85 80 75 70 65 10 biegunów 8 biegunów czynnych 500 obr/min 10 biegunów 600 obr/min 60 90 140 190 240 290 prąd wzbudzenia [A] Rys. 7. Kompensacja mocy biernej dla dwu wariantów silnika pracującego z prędkością 500 i 600 obr/min Fig. 7. Reactive power compensation for two variants of the motor working at 500 and 600 rpm W celu ustalenia maksymalnych, możliwych do uzyskania wartości współczynnika mocy dla obu prędkości synchronicznych, wykonano analizę harmoniczną prądów i napięć odpowiadających maksymalnemu prądowi wzbudzenia. W ten sposób uzyskano przebiegi podstawowych harmonicznych prądów i napięć fazowych, z przesunięcia fazowego których wyznaczono wartość współczynnika mocy. Uzyskane z analizy zarejestrowanych przebiegów wartości maksymalne współczynnika mocy zestawiono w tabeli 1. Zarówno krzywe V jak i wyznaczone wartości maksymalne współczynnika mocy pokazują, że silnik z 8 biegunami czynnymi wymaga znacznie większych wartości prądu wzbudzenia niż silnik z 10 biegunami, dla
uzyskania takiego samego współczynnika mocy. Wynika stąd że istniejące ograniczenia dla wartości prądu wzbudzenia nie pozwolą na uzyskanie pojemnościowego współczynnika mocy w rozwiązaniu z dwoma odłączonymi biegunami. Tabela 1. Wartości maksymalne współczynnika mocy Table 1. Maximum values the power factor n liczba biegunów cos ϕ charakter I f [A] 600 10 0,819 poj 260 600 8 0,966 ind 253 500 10 0,866 ind 234 500 8 0,809 ind 237 4. ODKSZTAŁCENIE PRĄDÓW Po zsynchronizowaniu i obciążeniu silnika we wszystkich rozważanych przypadkach występują znaczne odkształcenia prądów stojana (rys. 8 i 9). Ponadto praca z mniejszą prędkością obrotową powoduje pewne odkształcenie napięcia (rys. 10). Najmniej odkształcony, z oczywistych względów, jest prąd silnika z 10 biegunami pracującego z prędkością 600 obr/min. Odkształcenie prądów przy prędkości mniejszej jest minimalnie mniejsze w maszynie z 8 biegunami. Jest to jednak rozwiązanie zdecydowanie gorsze dla prędkości większej. W jego wyniku znacznie wzrasta prąd harmonicznej podstawowej (n = 5) i pojawia się duża wartość harmonicznej n = 3 (rys. 9). prąd fazy A [A] 100 80 60 40 20 0-20 -40-60 -80-100 8 biegunów 10 biegunów 0,00 0,05 0,10 prąd [A] 60 50 40 30 20 10 0 8 biegunów 10 biegunów 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 czas [s] rząd harmonicznej Rys. 8. Przebiegi prądów silnika pracującego z prędkością 500 obr/min i ich harmoniczne Fig. 8. Motor current waveform and its harmonics at 500 rpm
prąd fazy [A] 150 100 50 0-50 -100-150 8 biegunów 10 biegunów 0,00 0,05 0,10 czas [s] prąd [A] 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 8 biegunów 10 biegunów 1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 rząd harmonicznej Rys. 9. Przebiegi prądów silnika pracującego z prędkością 600 obr/min i ich harmoniczne Fig. 9. Motor current waveform and its harmonics at 600 rpm 6000 10 biegunów 8 biegunów 5000 napięcie [V] 4000 2000 0-2000 amplituda [V] 4000 3000 2000 8 biegunów 10 biegunów -4000 1000-6000 0,00 0,05 0,10 czas [s] 0 1 4 7 1013161922252831 rząd harmonicznej Rys. 10. Przebiegi napięcia fazowego i jego harmoniczne silnika pracującego z prędkością 500 obr/min Fig. 10. Motor phase voltage waveform and its harmonics at 500 rpm 5. POMIAR DRGAŃ Wprowadzona celowo niesymetria uzwojenia wzbudzenia, warunkująca uzyskanie drugiej niższej prędkości obrotowej, może być przyczyną podwyższenia poziomu drgań. Przykładowe wyniki pomiarów wykonanych na łożyskach i stojanie obciążonej maszyny, przedstawiono na rysunkach 11 i 12. Widma prędkości drgań łożysk są podobne dla obu prędkości synchronicznych. Chociaż dla prędkości większej (600 ob-
r/min) dominuje pierwsza harmoniczna prędkości, a dla prędkości mniejszej (500 obr/min) harmoniczna ósma. W tym drugim przypadku pierwsza harmoniczna jest mniejsza niż przy prędkości większej. Dla prędkości większej poza pierwszą harmoniczną znaczną wartość osiąga również harmoniczna dwudziesta. Nie widać więc istotnego wpływu niesymetrii magnetycznej na drgania łożysk, a ponadto poziom drgań nie przekracza wartości dopuszczalnych. Inaczej objawiają się drgania na korpusie stojana (rys. 12). Dla maszyny niemal symetrycznej pracującej z prędkością 600 obr/min drgania stojana są niewielkie. Największe są harmoniczne 10 i 20, a wartości ich prędkości są podobne jak na łożyskach. Stojan silnika pracującego z prędkością 500 obr/min drga jednak znacznie silniej. Jego drgania wzmagają się ze wzrostem prądu wzbudzenia wskazując w ten sposób na źródło drgań. Duże wartości osiągają dla tej prędkości silnika harmoniczne druga (w kierunku promieniowym) i ósma (we wszystkich kierunkach). Ponadto w kierunku osiowym działa harmoniczna dziesiąta o znacznej wartości. Drgania stojana przy pracy z mniejszą prędkością są pięciokrotnie większe niż drgania łożysk i chociaż normy nie określają dopuszczalnych drgań stojana, to ich wartość uznano za czynnik ograniczający wzrost prądu wzbudzenia. Konsekwencją tego ograniczenia jest maksymalny, osiągany współczynnik mocy dla mniejszej prędkości. Współczynnik mocy dla tej prędkości i prądu wzbudzenia 230 A osiąga wartość 0,87 indukcyjną, podczas gdy dla prędkości większej i prądu wzbudzenia 260 A uzyskuje się 0,82 pojemnościowe. Rys. 11. Widma prędkości drgań na łożysku silnika Fig. 11. Vibration velocity spectra of the tested motor bearing
Rys. 12. Widma prędkości drgań stojana silnika Fig. 12. Vibration velocity spectra of the stator of the tested motor 6. NAGRZEWANIE Pomiary rozkładu temperatur w maszynie poddanej próbie nagrzewania wykonano kamerą termowizyjną i pirometrem. Pomiary miały na celu wykrycie najbardziej nagrzanych elementów silnika i nierównomierności nagrzewania. Temperatura uzwojenia wzbudzenia osiągnęła wartość 50 C (rys. 13) i była wyższa niż temperatura części czołowych uzwojenia stojana. Najbardziej nagrzanymi elementami maszyny okazały się być długie śruby (tzw. szpilki) ściągające pakiet blach stojana (rys. 18). Na obwodzie maszyny znajduje się 12 takich, rozmieszczonych równomiernie, śrub. Dwie sąsiadujące ze sobą śruby (rys. 14) mają temperaturę zdecydowanie wyższą od śrub pozostałych. Podobna para występuje na przeciwległym krańcu średnicy. Szczególnie wysoką temperaturą uzyskują śruby przy pracy z prędkością mniejszą i dużej wartości prądu wzbudzenia. Nieco niższe temperatury osiągają inne elementy osiowe, jak rury stanowiące uchwyty do przenoszenia stojana czy żebra kadłuba (rys. 15).
Rys. 13. Termogram po próbie nagrzewania Fig. 13. Thermogram of the warmed-up motor Rys. 14. Termogram elementów konstrukcyjnych wzdłużnych Fig. 14. Thermogram of longitudinal elements of the frame Rys. 15. Termogram śrub ściągających pakiet stojana Fig. 15. Thermogram of the screws tightening the stator core 7. WNIOSKI Wyniki badań dowodzą, że dwubiegowy silnik synchroniczny spełnia założone zadania, a więc zapewnia skokową zmianę wydajności wentylatora w zadanych proporcjach i łagodzi proces rozruchu. Złagodzenie rozruchu polega na tym, że prądy rozruchowe o dużych wartościach występują w bardzo krótkim przedziale czasu po
przełączeniu uzwojeń. Negatywne zjawiska towarzyszące pracy silnika na mniejszej prędkości obrotowej tzn. zwiększone drgania stojana oraz zwiększona temperatura niektórych elementów konstrukcyjnych, zależą od wartości prądu wzbudzenia. Ograniczenie tego prądu sprowadza drgania i temperatury do poziomów dopuszczalnych, ale ogranicza zakres kompensacji mocy biernej dla pracy z mniejszą prędkością. LITERATURA [1] ANTAL L., ZAWILAK J., Pole magnetyczne synchronicznego silnika jawnobiegunowego o dwóch prędkościach obrotowych, Prace Nauk. IMiNE PWr. nr 45, SiM nr 19, 1996, s. 11-21 [2] ANTAL L., ZAWILAK J., Torque of two-speed synchronous motor, 34th International Symposium on Electrical Machines (SME 98), 15-18 June 1998, Lodz, pp. 89-95 [3] ANTAL L. ZAWILAK J., Kompensacja mocy biernej silnikiem synchronicznym, dwubiegowym o ułamkowym stosunku prędkości, Prace Nauk. IMiNE PWr. nr 48, SiM nr 20, XXXVI Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Szklarska Poręba, 2000, s. 122-130 [4] ANTAL L., ZAWILAK J., Dwubiegowy silnik synchroniczny - aspekty techniczne i ekonomiczne, XXXVII Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych, 19-22 June 2001, Ustron-Zawodzie, s. 353-360 [5] ANTAL L., ZAWILAK J., Drgania dwubiegowego silnika synchronicznego, XXXVIII Międzynarodowe Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Cedzyna k. Kielc 18-21 czerwca 2002, s. 109-118 TESTING OF A TWO-SPEED SYNCHRONOUS MOTOR WITH SWITCHABLE ARMATURE AND FIELD WINDING This work shows the results of the tests on a 600/1050kW two-speed synchronous motor with the nominal speeds of 500 and 600 rpm. Motors of this type with powers ranging from 600 to 3150kW are modified version of the single-speed motors. They have been working for several years in coal and copper mines. The use of two-speed drive motors makes it possible to regulate the speed in steps and, thus, regulate the output of the fan and the power drawn by the motor. The possibility of reactive power compensation is intact and mitigation of the motor starting processes is achieved. Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych w latach 2004-2006 jako projekt badawczy Nr 3 T10A 005 26