Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 63 Politechniki Wrocławskiej Nr 63 Studia i Materiały Nr 29 29 Tomasz ZAWILAK* silnik indukcyjny, kliny magnetyczne, rozruch bezpośredni, modelowanie polowo-obwodowe WPŁYW KLINÓW MAGNETYCZNYCH NA WŁAŚCIWOŚCI ROZRUCHOWE SILNIKA INDUKCYJNEGO W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu zastosowania klinów magnetycznych na właściwości rozruchowe typowego silnika indukcyjnego średniego napięcia. Wykorzystując model polowoobwodowy wyznaczono zależność momentu oraz prądu rozruchowego w funkcji prędkości obrotowej. Obliczenia wykonano dla klinów o różnych przenikalnościach magnetycznych. Badania pokazują, że użycie klinów magnetycznych powoduje zmniejszenie zarówno momentu jak i prądu rozruchowego nawet o kilkanaście procent oraz pogorszenie dobroci rozruchu o kilka procent. 1. WSTĘP W silnikach indukcyjnych średniego napięcia, ze względu na technologię wkładania sztywnych cewek, stosuje się żłobki otwarte. Zastosowanie żłobków otwartych powoduje takie niekorzystne zjawiska jak: zwiększenie harmonicznych żłobkowych, pulsacje momentu elektromagnetycznego, zwiększenie strat dodatkowych oraz drgania i hałas. Te ostatnie są trudne do oszacowania na etapie projektowania maszyn dlatego ich nadmierny poziom widoczny jest często dopiero na etapie prób. Wówczas prostym i skutecznym rozwiązaniem ograniczającym wymienione zjawiska jest zastosowanie klinów magnetycznych w magnetowodzie stojana. Większość badań dotyczących wpływu klinów magnetycznych na pracę maszyny obejmuje ich pozytywny aspekt w trakcie pracy ustalonej [1, 2, 5]. Jednak użycie klinów magnetycznych zwiększa permeancję na drodze strumienia rozproszenia, co ma szczególne znaczenie dla właściwości rozruchowych maszyny. Problem ten był rozpatrywany między innymi w [4]. Zakładana tam stała przenikalność klinów magnetycznych wydaje się zbyt dalekim uproszczeniem, szczególnie w warunkach rozruchowych, gdy natężenie pola magnetycznego w obszarze zębów jest duże. * Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 5-372 Wrocław ul. Smoluchowskiego 19, tomasz.zawilak@pwr.wroc.pl
8 Celem niniejszej pracy jest zbadanie wpływu zastosowania klinów magnetycznych na właściwości rozruchowe silnika indukcyjnego średniego napięcia. 2. KLINY MAGNETYCZNE Obecnie często stosowane są kliny warstwowe, składające się z kilku naprzemianległych warstw masy magnetycznej oraz tkaniny szklanej [3]. Masa magnetyczna to najczęściej proszek magnetyczny zespolony różnego rodzaju żywicami. Od procentowej zawartości proszku magnetycznego zależy względna przenikalność klina. W typowych rozwiązaniach maksymalna przenikalność magnetyczna względna wynosi od kilku do ponad stu. Badając wpływ klinów magnetycznych na właściwości silnika uwzględniono kliny magnetyczne o charakterystykach magnesowania przedstawionych na rysunku 1, co odpowiada wspomnianym wartościom maksymalnych przenikalności. 2 1,6 d B [T] 1,2,8 c b,4 a 5 1 15 2 25 3 H [ka/m ] Rys. 1. Krzywe magnesowania rozpatrywanych klinów magnetycznych (a) klin niemagnetyczny (μ r = 1), (b, c, d) kliny o maksymalnej przenikalności odpowiednio 1, 3, 1 Fig. 1. Magnetization curve of considerated magnetic wedges (a) non-magnetic wedge (μ r =1), (b,c,d) magnetic wedges with maximum permeability 1, 3, 1 respectively
81 3. WYNIKI BADAŃ Wpływ parametrów klinów na właściwości rozruchowe silnika indukcyjnego zbadano na przykładzie typowego głębokożłobkowego silnika asynchronicznego średniego napięcia, którego dane znamionowe zestawiono w tabeli 1. Obliczenia wykonano za pomocą modelu polowo-obwodowego (program Maxwell 2D), którego geometrię części polowej z fragmentem siatki dysktretyzacyjnej pokazano na rysunku 2. klin Rys. 2. Geometria rozpatrywanego modelu wraz z fragmentem siatki dyskretyzacyjnej Fig. 2. Geometry and mesh of FEM model Tabela 1. Dane znamionowe silnika SZJfp 124L Table.1 Ratings of induction motor type SZJfp 124L P n kw 1 n n obr/min 1487 M n Nm 642 U n V 6 I n A 113 cosϕ n,9 I r /I n 5,8 M r /M n 1,1 Do obliczeń wykorzystano moduł transient, przy wymuszonej, parametrycznie zmiennej prędkości obrotowej. W ten sposób uzyskano poszczególne punkty charakterystyki mechanicznej silnika, której wykres pokazano na rysunku 3. Z wykresu wynika, że moment rozruchowy badanego silnika maleje wraz ze wzrostem przenikalności magnetycznej klinów. Zastosowanie klinów magnetycznych powoduje także zmniejszenie prądu rozruchowego, jednak w mniejszym stopniu niż momentu rozruchowego, co jest widoczne w zestawieniu parametrów rozruchowych (tab. 2)
82 M [knm] 16 14 12 1 8 6 4 2 μ r =1 μ max =1 μ max =3 μ max =1 2 4 6 8 1 12 14 n [obr/min] 7 6 5 I [A] 4 3 2 1 μ r =1 μ max =1 μ max =3 μ max =1 2 4 6 8 1 12 14 n [obr/min] Rys. 3. Charakterystyki rozruchowe momentu (a) oraz prądu (b) badanej maszyny z klinami o różnej przenikalności magnetycznej Fig. 3. Torque versus speed (a) and current versus speed (b) characteristics of studied machine with various magnetic wedges
83 Tabela 2. Zestawienie względnych parametrów rozruchowych (momentu, prądu oraz dobroci) dla różnych przenikalności klinów Table 2. Statement of relative start-up parameters (torque, current and start-up quality factor) for various magnetic wedges przenikalność klina m r i r d μ r = 1 1 1 1 μ max = 1,934,957,976 μ max = 3,868,918,946 μ max = 1,833,896,929 Na podstawie wykonanych obliczeń silnika indukcyjnego z klinami magnetycznymi w żłobkach stojana można stwierdzić, że następuje zmniejszenie momentu elektromagnetycznego oraz prądu uzwojenia stojana w całym zakresie pracy silnikowej. Następuje zwiększenie poślizgu znamionowego oraz strat obciążeniowych w wirniku i mimo zmniejszenia strat dodatkowych od wyższych harmonicznych zastosowanie klinów magnetycznych może nie dawać oczekiwanego zwiększenia sprawności maszyny. Wpływ zastosowania klinów magnetycznych na straty i sprawność maszyn prądu przemiennego wymaga dalszych badań. LITERATURA [1] ANAZAWA Y., KAGA A., AKAGAMI H., WATABE S., MAKINO, M., Prevention of harmonic torques in squirrel cage induction motors by means of soft ferrite magnetic wedges, IEEE Trans. on Magnetics Vol. 18, No. 6. 1982, s. 155 1552 [2] HANNA, R.A., HISCOCK, W., KLINOWSKI, P., Failure Analysis of Three Slow-Speed Induction Motors for Reciprocating Load Application, IEEE Trans. on Industry Application, Vol. 43, No. 2. 27, s. 429 435. [3] PLIŚ D., Wpływ klinów magnetycznych na parametry elektromechaniczne maszyn elektrycznych, Rozprawa doktorska, Gliwice 22. [4] SHUPING W., ZHENGMING Z., LIQIANG Y., BUYAO W., Investigation and analysis of the influence of magnetic wedges on high voltage motors performance, IEEE Vehicle Power and Propulsion Conference, VPPC 8, 28, s. 1 6. [5] TAKEDA Y., YAGISAWA T., SUYAMA A., YAMAMOTO M., Application of magnetic wedges to large motors, IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 2, No 5. 1984, s. 178 1782. THE INFLUENCE OF MAGNETIC WEDGES ON INDUCTION MOTOR START UP PERFORMANCE This paper concerns the influence of magnetic wedges on start up performances of typical medium voltage induction motor. On the basis of FEM model there were carried out static characteristics of torque and current versus speed for magnetic wedges with different magnetic permeability. The results show that magnetic wedges usage causes starting torque and starting current reduction.