Prace Naukowe Instytutu aszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 58 Politechniki Wrocławskiej Nr 58 Studia i ateriały Nr 25 2005 napęd elektryczny, sterowanie częstotliwościowe, silniki reluktancyjne, STANISŁAW AZAREWICZF F, ADA ZALAS * WŁAŚCIWOŚCI EKSPLOATACYJNE SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH Z ROZRUCHE ASYNCHRONICZNY PRZY STEROWANIU CZĘSTOTLIWOŚCIOWY W artykule przedstawiono wyniki badań silnika reluktancyjnego z rozruchem asynchronicznym w dwóch wersjach konstrukcyjnych: bez dowzbudzenia od magnesów trwałych i z dowzbudzeniem od magnesów trwałych. Przeprowadzone badania miały na celu zbadanie możliwości zasilania tych silników z przemienników częstotliwości stosowanych do zasilania silników indukcyjnych klatkowych. Wykorzystano do badań przemienniki częstotliwości o sterowaniu skalarnym i wektorowym: typu SLV i VVC PLUS, najbardziej popularne w przemyśle. Przedstawiono wyniki badań statycznych i dynamicznych napędu z silnikami reluktancyjnymi o dwóch konstrukcjach wirnika oraz podano wnioski wynikające z badań co do możliwości wykorzystania różnych typów przemienników do zasilania tego typu silników. 1. WSTEP Szybki rozwój przekształtników częstotliwości oraz metod ich sterowania umożliwił rozszerzenie obszaru zastosowań napędów prądu przemiennego na obszary prędkości i mocy dotychczas realizowane przez specjalnie konstruowane układy napędowe. ożliwość regulacji częstotliwościowej napędów spowodowała także istotne zmiany w dziedzinie konstrukcji i metodologii projektowania maszyn elektrycznych. Stosunkowo niska cena i dostępność przemienników powoduje, że coraz chętniej stosowane są one także w napędach powszechnego użytku, niewymagających specjalistycznych układów kontrolno-pomiarowych i wyrafinowanego sterowania. Politechnika Wrocławska, Instytut aszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław, ul. Smoluchowskiego 19, HUstanislaw.azarewicz@pwr.wroc.plUH, HUadam.zalas@pwr.wroc.plU
Tendencja ta stawia przed realizatorami napędów nowe zadania, a przede wszystkim wymagania co do prostoty sterowania i energooszczędności układu. Jednym z istotniejszych problemów do rozwiązania w napędzie indukcyjnym sterowanym częstotliwościowo jest odtwarzanie prędkości w układach, w których z różnych powodów nie może być stosowany jej pomiar. Rozwiązaniem problemu dla napędów powszechnego użytku sterowanych częstotliwościowo może być zastosowanie silników reluktancyjnych z rozruchem asynchronicznym. Silniki te łączą w sobie cechy klasycznego silnika indukcyjnego klatkowego i silnika reluktancyjnego. Rozruch tych silników odbywa się w sposób analogiczny jak silnika klatkowego, a przy sprzyjającym momencie obciążenia silnik ulega synchronizacji i dalej pracuje jako synchroniczny z prędkością proporcjonalną do częstotliwości napięcia zasilającego [3]. Serie informacyjne silników reluktancyjnych małej mocy zrealizowano w Zakładach Besel. Silniki reluktancyjne wykonano na bazie silników indukcyjnych klatkowych dokonując odpowiednich zmian w konstrukcji wirnika [8]. Na rysunku 1 przedstawiono silniki reluktancyjne małej mocy z dodatkowymi magnesami trwałymi i bez magnesów. a) b) Rys.1. Schematy magnetowodów silników reluktancyjnych: a) bez dowzbudzenia od magnesów trwałych: 1 blacha wirnika, 2 blacha stojana, 3 i 4 małe i duże pręty uzwojenia wirnika, 5 uzwojenie stojana, b) z dowzbudzeniem od magnesów trwałych. Fig.1. Diagram of reluctance motor magnetic circuits a) with no permanent magnet excitation: 1 rotor sheet, 2 stator sheet, 3 and 4 small and large rotor winding bars, 5 stator winding, b) with permanent magnet excitation.
Zmiana konstrukcji wirnika, a przede wszystkim wprowadzenie dodatkowych magnesów trwałych, wpływa na parametry eksploatacyjne tych silników, zarówno przy zasilaniu z sieci jak i przy zasilaniu z przemienników częstotliwości. Poznanie zjawisk zachodzących w tego typu silnikach oraz wybranie optymalnej metody sterowania falownikiem SI dla tych silników ma istotne znaczenie zarówno eksploatacyjne, jak również dostarczy niezbędnych informacji do optymalizacji ich konstrukcji. 2. OENT ELEKTROAGNETYCZNY SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH O ROZRUCHU ASYCHRONICZNY Ze względu na dwie odmiany konstrukcji silników [2], bez dowzbudzenia od magnesów trwałych i z dowzbudzeniem od magnesów trwałych w wirniku, moment elektromagnetyczny dla maszyn bez dowzbudzenia wyrazi się zależnością : Re l 3U sinδ X d U cosδ ω X d X = 1 0 q natomiast dla maszyn z dowzbudzeniem zależnością: (1) 2 3 U * E U X d X q = * *sinδ + * *sin 2δ e (2) ω 0 X d 2 X d * X q gdzie: U napięcie fazowe sieci zasilającej, I f składowa prądu generowana w uzwojeniu stojana, X d, X q reaktancje w osiach podłużnej i poprzecznej, δ kąt mocy, E wartość skuteczna napięcia indukowanego w fazie uzwojenia twornika przez wirujące magnesy trwałe, ω 0 synchroniczna prędkość obrotowa silnika. Różnice rozwiązań konstrukcyjnych skutkują także różnicami w przebiegu charakterystyki kątowej momentu tych silników.
Rys.2. Przykładowa charakterystyka kątowa momentu silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych. Fig. 2. Exemplary angle characteristisc of reluctance motor torque with no permanent magnet excitation. Rys.3 Charakterystyka momentu silnika synchronicznego (LSPS) w funkcji kąta mocy, T s = f(δ). Fig. 3. Synchronous motor torque characteristis (LSPS) in function of power angle T s = f(δ).
3. BADANIA SILNIKÓW RELUKTANCYJNYCH O ROZRUCHU ASYNCHRONICZNY PRZY STEROWANIU CZĘSTOTLIWOŚCIOWY W przemyśle stosowane są trzy podstawowe konstrukcje przemienników częstotliwości: o sterowaniu skalarnym, o sterowaniu wektorowym i bezpośrednim sterowaniu momentem silnika indukcyjnego. Najbardziej rozpowszechnione są przemienniki o sterowaniu skalarnym i wektorowym. Należy też przewidywać, że przemienniki o tym typie sterowania będą wykorzystywane do zasilania silników reluktancyjnych. Jednym z istotniejszych parametrów silników reluktancyjnych jest przebieg momentu synchronicznego maksymalnego w funkcji częstotliwości napięcia zasilającego. a to szczególne znaczenie przy zastosowaniu do zasilania silnika przemiennika częstotliwości o sterowaniu skalarnym. Zastosowanie sterowania wektorowego umożliwia zwiększenie krytycznego momentu synchronicznego rozwijanego przez silnik, a tym samym zwiększa jego pewność ruchową. Badaniom laboratoryjnym poddano silnik o mocy 0,75 kw i n s = 1500 obr/min bez dowzbudzenia od magnesów trwałych i 0,55kW, n s = 1500 obr/min. z dowzbudzeniem od magnesów trwałych. Przebiegi maksymalnego momentu synchronicznego w funkcji częstotliwości napięcia zasilającego przy sterowaniu skalarnym przedstawiono na rysunkach 2a i 2b. [Nm] 8 7 6 5 4 3 2 1 0 =f(f) 0 10 20 30 40 50 60 f [Hz] a b Rys.4. Statyczna charakterystyka momentu synchronicznego silnika reluktancyjnego z rozruchem asynchronicznym : a) bez dobudzenia od magnesów trwałych, b) z dobudzeniem od magnesów trwałych. Fig. 4. Static characteristic of synchronous moment of reluctance motor with asynchronous start up: a) and no permanent magnet excitation, b) with permanent magnet excitation. Szczegółowym badaniom poddano przebiegi dynamiczne silników reluktancyjnych przy zasilaniu z przemienników częstotliwości, które przedstawiono na rysunkach 5-14:
ω Rys.5. Silnik reluktancyjny bez dowzbudzenia od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu skalarnym (50Hz): moment rozruchowy i prędkość bez obciążenia. Fig. 5. Reluctance motor with no permanent magnet excitation powered from scale controlled converter (50Hz): starting torque and no-load speed. ω Rys.6. Silnik reluktancyjny bez dowzbudzenia od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu skalarnym (50Hz): moment i prędkość rozruchowa przy obciążeniu. Fig. 6. Reluctance motor with no permanent magnet excitation powered from scale controlled converter (50Hz): starting torque and start up speed with load.
Rys.7. Silnik reluktancyjny z dowzbudzeniem od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu skalarnym (50Hz): przebieg prędkości obrotowej przy rozruchu. Fig. 7. Reluctance motor with permanent magnet excitation powered from scale controlled converter (50Hz): rotational speed startup run. ω Rys.8. Silnik reluktancyjny bez dowzbudzenia od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu skalarnym (10Hz): moment rozruchowy i prędkość. Fig. 8. Reluctance motor with no permanent magnet excitation powered from scale controlled converter (10Hz): starting torque and speed.
Rys.9. Silnik reluktancyjny z dowzbudzeniem od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu skalarnym (10Hz): przebieg prędkości obrotowej przy rozruchu. Fig. 9. Reluctance motor with permanent magnet excitation powered from scale controlled converter (10Hz) rotational speed startup run. ω Rys.10. Silnik reluktancyjny bez dowzbudzenia od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu wektorowym SLV (50Hz): moment i prędkość przy rozruchu bez obciążenia. Fig. 10. Reluctance motor with no permanent magnet excitation powered from vector controlled SLV converter (50Hz): torque and startup no load speed.
ω Rys.11. Silnik reluktancyjny bez dowzbudzenia od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu wektorowym SLV (50Hz): moment i prędkość rozruch przy obciążeniu. Fig. 11. Reluctance motor with no permanent magnet excitation powered from vector controlled SLV converter (50Hz): torque and startup speed with load. Rys.12. Silnik reluktancyjny z dowzbudzeniem od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu wektorowym SLV (50Hz): przebieg prędkości obrotowej przy rozruchu. Fig. 12. Reluctance motor with permanent magnet excitation powered from vector controlled SLV converter (50Hz): rotational speed startup run.
ω Rys.13. Silnik reluktancyjny bez dowzbudzenia od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu wektorowym SLV (10Hz): moment rozruchowy i prędkość. Fig. 13. Reluctance motor with no permanent magnet excitation powered from vector controlled SLV converter (10Hz): starting torque and speed. Rys.14. Silnik reluktancyjny z dowzbudzeniem od magnesów trwałych zasilany z falownika o sterowaniu wektorowym SLV (50Hz): przebieg prędkości obrotowej przy rozruchu. Fig. 14. Reluctance motor with permanent magnet excitation powered from vector controlled SLV converter (50Hz): rotational speed startup run. Dla porównania na rysunkach 15-19 przedstawiono wybrane przebiegi dynamiczne prędkości momentu i prądów silników przy zasilaniu z sieci.
ω Rys.15. Zasilanie silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych bezpośrednio z sieci: prędkość i moment przy rozruchu. Fig. 15. Powering of reluctance motor with no permanent magnet excitation directly from the power grid: speed and starting torque. ω Rys.16. Zasilanie silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych bezpośrednio z sieci: prędkość i moment przy nawrocie Fig. 16. Powering of reluctance motor with no permanent magnet excitation directly from the power grid: speed and turning torque.
Rys.17. Zasilanie silnika reluktancyjnego z dowzbudzeniem od magnesów trwałych bezpośrednio z sieci: przebieg prędkości obrotowej przy rozruchu. Fig. 17. Powering of reluctance motor with permanent magnet excitation directly from the power grid: rotational speed startup run Rys.18. Zasilanie silnika reluktancyjnego z dowzbudzeniem od magnesów trwałych bezpośrednio z sieci: przebieg momentu przy rozruchu. Fig. 18. Powering of reluctance motor with permanent magnet excitation directly from the power grid: starting torque run.
Rys.19. Zasilanie silnika reluktancyjnego z dowzbudzeniem od magnesów trwałych bezpośrednio z sieci: przebieg momentu przy nawrocie. Fig. 19. Powering of reluctance motor with permanent magnet excitation directly from the power grid: turning torque run. Wprowadzenie dodatkowych magnesów trwałych do obwodu wirnika silnika reluktancyjnego powoduje zakłócenia pracy systemu identyfikacji parametrów silnika wykorzystywanego w falownikach o sterowaniu wektorowym. Zakłócenia w pracy układu sterowania skutkują pogorszeniem charakterystyk statycznych i dynamicznych napędu. Pogorszenie to będzie tym większe im lepszej klasy jest sterowanie wektorowe. Przykładowo na rysunkach 20 i 21 przedstawiono wyniki badań silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych przy zasilaniu z falownika o sterowaniu wektorowym VVC PLUS.
ω Rys 20.Przebiegi momentu i prędkości podczas rozruchu i pracy ustalonej silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych obciążonego momentem o stałej wartości. Fig. 20. Torque and speed runs during startu pand steady work of the reluctance motor with no additional permanent magnet excitation, loaded with constant torque. Rys 21.Przebieg prądu stojana podczas rozruchu i pracy ustalonej silnika reluktancyjnego bez dowzbudzenia od magnesów trwałych obciążonego momentem o stałej wartości. Fig. 21. Stator current run during startu pand staedy work of the reluctance motor with no additional permanent magnet excittion, loaded with constant torque
4. WNIOSKI Przeprowadzone badania laboratoryjne napędu z silnikiem reluktancyjnym o rozruchu asynchronicznym wykazały, że: - maksymalny moment synchroniczny zależy od częstotliwości napięcia zasilającego, zarówno przy sterowaniu skalarnym jak i wektorowym, - występuje znaczny spadek maksymalnego momentu synchronicznego rozwijanego przez silnik w zakresie niskich częstotliwości napięcia zasilającego, - do zasilania silników reluktancyjnych z rozruchem asynchronicznym można stosować przemienniki o sterowaniu skalarnym jak i wektorowym typu SLV, - nie należy stosować do ich zasilania przemienników częstotliwości o sterowaniu wektorowym wyższej jakości (np. VVC PLUS ), - parametry eksploatacyjne silnika zależą od częstotliwości modulacji napięcia wyjściowego z falownika, - w stanach statycznych lepsze parametry eksploatacyjne uzyskuje się przy zasilaniu silnika z przemiennika o sterowaniu skalarnym. LITERATURA [1] BERNATT J., DECNER A., ROSSA R., Synchroniczny silnik reluktancyjny dowzbudzany magnesami trwałym. BOBRE Komel, Katowice, 2002 [2] BERNATT J., ROSSA R., Silnik reluktancyjny dowzbudzany magnesami trwałym-wyniki badań laboratoryjnych. BOBRE Komel, Katowice, 2003 [3] GĄSIOROWSKI T., WIECZOREK A., Silniki reluktancyjne synchroniczne alternatywa napędu z układem sprzężenia zwrotnego. BOBRE Komel, Katowice, 2001 [4] GLINKA T., JAKUBIEC., WIECZOREK A., Wpływ rozwiązań konstrukcyjnych obwodu elektromagnetycznego na parametry silnika asynchronicznego synchronizowanego momentem reluktancyjnym. Poznań 18-21.06.2001 [5] KACZAREK T., Układy napędowe z silnikiem synchronicznym., Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2000. [6] Silniki trójfazowe reluktancyjne pracujące przy prędkości synchronicznej serii h. Katalog Grupy Cantoni FSE BESEL S.A. EXPLOITATIONAL PROPERTIES OF ASYNCHRONOUS STARTUP RELUCTANCE OTORS WITH FREQUENCY CONTROLL The paper presents test results of reluctance motor with asynchronous startup in two of its construction versions: with no permanent magnet excitation and with permanent magnet excitation. Conducted tests were aimed at verification of such motors powering from frequency converters used for powering of squirrel cage induction motors. The most popular in industry, scale- and vector controlled frequency
converters of the type SLV and VVC PLUS were used for the tests. The paper includes test results from static and dynamic tests of a drive with reluctance motors of two rotor constructions. Furthermore, it presents the conclusions drawn from the tests, as far as the possibility of using various kinds of converters for powering of such motors is concerned.