Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Nr 6 Politechniki Wrocławskiej Nr 6 Studia i Materiały Nr 27 27 maszyny elektryczne, silniki synchroniczne dwubiegowe, synchronizacja, obliczenia polowo-obwodowe PAWEŁ ZALAS, JAN ZAWILAK * WPŁYW PARAMETRÓW UKŁADU NAPĘDOWEGO NA SKUTECZNOŚĆ SYNCHRONIZACJI SILNIKA DWUBIEGOWEGO W pracy pokazano wyniki obliczeń procesu synchronizacji dla wybranego modelu dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/2t, stosowanego do napędu wentylatorów głównych kopalni głębinowych, charakteryzujących się znaczącym momentem bezwładności. Wykazano wpływ zmiany wartości wypadkowego momentu bezwładności układu na przebieg i skuteczność procesu synchronizacji oraz wybór korzystnej chwili załączenia napięcia wzbudzenia, zapewniającej łagodzenie przebiegów dynamicznych podczas synchronizacji oraz pozwalającej na skrócenie czasu procesu. Obliczenia wykonano wykorzystując zbudowany w tym celu polowo-obwodowy model obliczeniowy badanego silnika dwubiegowego. Wyniki obliczeń zamieszczono w postaci wykresów czasowych. 1. WSTĘP Wentylatory głównego przewietrzania kopalni podziemnych, których średnica zewnętrzna wynosi około 9 metrów, charakteryzują się bardzo dużą wartością momentu bezwładności [4]. Jest ona około dziesięciokrotnie większa od momentu bezwładności wirnika silnika napędowego. Jednym z wentylatorów stosowanym w najgłębszych kopalniach węgla kamiennego oraz kopalniach miedzi jest wentylator typu WPK 5.3, którego podstawowe parametry pokazano w tabeli nr 1 [4]. Korzystną metodą regulacji wydajności wentylatorów głównych kopalni podziemnych jest zmiana prędkości obrotowej silników napędzających. Pozwala to uzyskać istotne oszczędności energii elektrycznej przy praktycznie stałej sprawności wentylatora [1, 3, 5]. Do napędu tych urządzeń zaproponowano dwubiegowe silniki synchroniczne o Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 5-372 Wrocław, paweł.zalas@pwr.wroc.pl, jan.zawilak@pwr.wroc.pl.
2 wzbudzeniu elektromagnetycznym. Ze względu na koszty przeprowadza się modernizację już pracujących silników jednobiegowych, wykorzystując ich magnetowód i konstrukcję mechaniczną. Modernizacja polega na zastosowaniu przełączalnego uzwojenia stojana oraz przełączeniu uzwojenia wirnika (z zastosowaniem drugiej tulei pierścieniowej). Zmiana kierunku prądów w odpowiednich grupach uzwojeń stojana w każdym z pasm fazowych oraz odpowiedni obwodowy rozkład grup tego uzwojenia i zmiana biegunowości odpowiednich biegunów magneśnicy pozwala na uzyskanie drugiej, większej, liczby biegunów wypadkowego pola magnetycznego i tym samym drugiej, mniejszej, prędkości obrotowej silnika [8]. Ponieważ maszyny te mają jawnobiegunową konstrukcję wirnika, to dla mniejszej prędkości obrotowej liczba biegunów mechanicznych jest inna niż liczba biegunów magnetycznych (np. odpowiednio 16 i 2) [2]. Wpływa to niekorzystnie na parametry ruchowe silnika na tej prędkości obrotowej i ma istotny wpływ na przebieg procesu synchronizacji. Jednym z silników poddanych wyżej opisanej modernizacji jest dwubiegowy silnik synchroniczny typu GAe1716/2t, którego podstawowe parametry przedstawiono w tabeli 2. Tabela 1. Nominalne parametry wentylatora typu WPK 5.3 Table 1. Rated performance parameters for fan type WPK 5.3 wydajność nominalna m 3 /s 366,6/458,3 sprawność maksymalna -,885 masa bez silnika kg 5438 bezwładność kg m 2 37 Tabela 2. Dane znamionowe dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/2t. Table 2. Rating of two-speed synchronous motor type GAe 1716/2t. moc znamionowa kw 26 12 napięcie stojana V 6 6 prąd stojana A 292 186 napięcie wzbudzenia V 86 78 prąd wzbudzenia A 337 3 prędkość obrotowa obr/min 375 3 współczynnik mocy -,9 poj.,77 ind. sprawność % 95,5 81, Proces synchronizacji omawianego silnika dwubiegowego na większej prędkości obrotowej przebiega podobnie jak w silniku jednobiegowym. Trudności z synchronizacją do mniejszej prędkości synchronicznej wynikają przede wszystkim z różnej liczby biegunów mechanicznych i magnetycznych. Wraz ze wzrostem
3 momentu bezwładności zwiększa się wartość elektromechanicznej stałej czasowej układu napędowego, która dla p =1 badanego silnika jest duża. Ma to istotny wpływ na przebieg procesu synchronizacji, w szczególności na tej prędkości silnika dwubiegowego. Proces nie zawsze kończy się skuteczną synchronizacją. Celem pracy jest wykazanie wpływu zmiany wartości wypadkowego momentu bezwładności układu napędowego na przebiegi dynamiczne podczas procesu synchronizacji oraz skuteczność procesu. Wykazano również możliwości poprawy procesu synchronizacji silników pracujących w układach napędowych o dużym momencie bezwładności, przez wybór korzystnej chwili załączenia napięcia wzbudzenia, na przykładzie dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1716/2t. 2. OBLICZENIA OBWODOWE PROCESU SYNCHRONIZACJI Niekonwencjonalny obwodowy rozkład przełączalnego uzwojenia stojana oraz niekonwencjonalne uzwojenie wzbudzenia i niesymetryczny rozkład wypadkowego pola magnetycznego silnika, dla p = 1 i p = 8, powodują, że uzyskanie odpowiedniej dokładności obliczeń pracy silnika wymaga zastosowania polowo-obwodowej metody analizy. W tym celu opracowano polowo-obwodowy model silnika typu GAe 1716/2t, opisany szerzej w [6,7]. W celu weryfikacji modelu obliczeniowego wykonano pomiary badanego silnika zainstalowanego w stacji wentylatorowej zakładu górniczego. Na podstawie porównania wielkości obliczonych i pomierzonych stwierdzono, że opracowany model polowo-obwodowy dwubiegowego silnika synchronicznego jest poprawny i może być wykorzystany do dalszego badania zjawisk zachodzących podczas pracy tego typu maszyn [6]. W celu określenia wpływu zmiany wypadkowego momentu bezwładności układu napędowego na przebieg procesu synchronizacji badanego silnika, dla p = 1, wykonano obliczenia polowo-obwodowe. Obliczenia wykonano dla zmiany momentu bezwładności w zakresie od 4 do 8 kg m 2, przyjmując znamionowe napięcie wzbudzenia i moment obciążenia,45 M n. W obliczeniach uwzględniono wzajemne położenie osi pola stojana względem osi pola wirnika, czyli wartość kąta δ, w chwili załączenia napięcia stałego do uzwojenia wzbudzenia. Analiza wyników przeprowadzonych obliczeń wykazała, że w zakresie wypadkowego momentu bezwładności od 4 do 65 kg m 2 synchronizacja silnika przebiega skutecznie, niezależnie od przyjętej chwili załączenia napięcia wzbudzenia. Chwila inicjacji procesu ma natomiast istotny wpływ na przebiegi dynamiczne i czas synchronizacji. Na podstawie wykonanych obliczeń stwierdzono również, że dla wartości wypadkowego momentu bezwładności J z 7 kg m 2 wybór odpowiedniej chwili rozpoczęcia procesu decyduje o skuteczności synchronizacji. Na rysunkach 1 i 3 pokazano
4 a) 1 75 5 25 25 5 U w [V], k=1 I s [A], k=1 I w [A], k=1 b) 75-1 3 n[obr/min] 299 298 297 296 295 c) 294 15 M[kNm] 1 5-5 -1 Rys. 1. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla kąta δ = -18º i momentu bezwładności J z 7 kg m 2 Fig. 1. Time curves values during synchronization process of the motor, started when the angle δ =-18 and moment of inertia J z 7 kg m 2
5 a) 1 75 5 U w [V], k=1 I s [A], k=1 I w [A], k=1 25 25 5 b) 75-1,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 34 n[obr/min] 33 32 31 3 299 298 297 c) 296 295,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 15 M[kNm] 1 5-5 -1,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Rys. 2. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla kąta δ = -18º i momentu bezwładności J z 4 kg m 2 Fig. 2. Time curves values during synchronization process of the motor, started when the angle δ =-18 and moment of inertia J z 4 kg m 2
6 a) 1 75 I s [A], k=1 5 25 25 5 U w [V], k=1 I w [A], k=1 b) 75-1 34 n[obr/min] 33 32 31 3 299 298 297 c) 296 295 15 M[kNm] 1 5-5 -1 Rys. 3. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla kąta δ = -45º i momentu bezwładności J z 7 kg m 2 Fig. 3. Time curves values during synchronization process of the motor, started when the angle δ = -45 and moment of inertia J z 7 kg m 2
7 a) 1 75 5 U w [V], k=1 I s [A], k=1 I w [A], k=1 25 25 5 b) 75-1,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 34 n[obr/min] 33 32 31 3 299 298 297 c) 296 295,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 15 M[kNm] 1 5-5 -1,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 Rys. 4. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika rozpoczętej dla kąta δ = -45º i momentu bezwładności J z 4 kg m 2 Fig. 4. Time curves values during synchronization process of the motor, started when the angle δ = -45 and moment of inertia J z 4 kg m 2
8 wyniki obliczeń procesu synchronizacji w postaci przebiegów czasowych prądu fazy A stojana I s, napięcia U w na zaciskach uzwojenia wzbudzenia, prądu wzbudzenia I w (a), prędkości obrotowej (b) i momentu elektromagnetycznego silnika (c), dla kąta δ = -18º i δ = -45º. Dla porównania na rysunkach 2 i 4 pokazano odpowiednie wyniki obliczeń procesów synchronizacji dla identycznych warunków pracy badanego silnika oraz wypadkowego momentu bezwładności układu napędowego wentylatora J z 4 kg m 2. Linią przerywaną zaznaczono na wykresach chwile załączenia napięcia wzbudzenia. Na rysunku 5 pokazano wpływ chwili rozpoczęcia procesu na czasowe przebiegi prędkości obrotowej podczas synchronizacji silnika i momentu bezwładności J z 7 kg m 2. n[obr/min] kąt δ = -18º kąt δ = -9º kąt δ = -18º kąt kąt δ δ = = -9º -45º kąt kąt kąt δ δ = = -18º -45º kąt kąt kąt δ δ = = -9º 9º kąt kąt δ = -45º 9º kąt δ = º kąt δ = 9º kąt δ = -18º kąt δ = -9º kąt δ = -45º kąt δ = º kąt δ = 9º kąt δ = -18º kąt δ = -9º kąt δ = -45º Rys. 5. Wpływ chwili rozpoczęcia procesu na czasowe przebiegi prędkości obrotowej podczas synchronizacji silnika i momentu bezwładności J z 7 kg m 2 Fig. 5. The influence of choice the synchronization moment on time curves shaft velocity during synchronization process of the motor and moment of inertia J z 7 kg m 2 Duży moment bezwładności układu napędowego wywołuje złagodzenie przebiegów dynamicznych podczas pracy asynchronicznej silnika (rys. 1, 2). Wzrost wartości wypadkowego momentu bezwładności powoduje, że dla przyjętej chwili inicjacji synchronizacji, δ = -18º (rys. 1, 2, 5), załączone napięcie stałe zapewnia przeforsowanie dodatniej wartości prądu wzbudzenia w zakresie ujemnych wartości
9 kąta δ. Powoduje to powstanie momentu hamującego oraz zmniejszenie prędkości obrotowej silnika do wartości mniejszej od ustalonej prędkości biegu asynchronicznego. Silnik nie synchronizuje się ani podczas pierwszej ani kolejnej współfazowości pól twornika i magneśnicy. Ustala się praca asynchroniczna wzbudzonej maszyny przy dużych amplitudach prądów stojana oraz pulsacjach momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej (rys. 1, 2). Skuteczną synchronizację, dla przyjętych warunków pracy, zapewnia załączenie napięcia wzbudzenia w zakresie kąta δ od -9º do -45º (rys.3, 4, 5). Zwiększa się szybkość narastania prądu wzbudzenia w zakresie dodatnich wartości kąta δ i wytwarza moment dynamiczny o odpowiednio dużej wartości, zapewniający skuteczną synchronizację podczas pierwszej współfazowości pól twornika i magneśnicy. Duży moment bezwładności powoduje, że rozpoczęcie procesu synchronizacji dla wartości kąta δ większej od -45º nie zapewnia skutecznej synchronizacji (rys. 5). Pomimo korzystnego położenia biegunów pola stojana i wirnika w chwili załączenia napięcia wzbudzenia, dla wartości kąta δ = º (rys. 5), proces nie kończy się skuteczną synchronizacją. Duża elektromechaniczna stała czasowa układu napędowego powoduje, że mimo szybkiego narostu prądu wzbudzenia wartość powstającego momentu dynamicznego jest zbyt mała by przyspieszyć wirnik do prędkości synchronicznej. Dodatni prąd wzbudzenia wywołuje, w zakresie ujemnych wartości kąta δ, wytworzenie momentu hamującego i zmniejszenie prędkości obrotowej silnika do wartości mniejszej od ustalonej prędkości biegu asynchronicznego (rys. 5). W wyniku dużego poślizgu silnik nie osiąga prędkości synchronicznej podczas kolejnego korzystnego położenia biegunów pól stojana i wirnika. Ustala się praca asynchroniczna wzbudzonej maszyny synchronicznej. Na podstawie analizy wyników wykonanych obliczeń dla momentu bezwładności 7 kg m 2 stwierdzono, że skuteczny przebieg synchronizacji oraz łagodzenie przebiegów dynamicznych zapewnia załączenie napięcia wzbudzenia w zakresie wartości kąta δ od -9º do -45º (rys. 3,5). Rozpoczęcie procesu w chwili, gdy oś pola wirnika wyprzedza oś pola stojana powoduje zwiększenie szybkości narastania prądu magneśnicy oraz skrócenie czasu procesu. 4. WNIOSKI Analiza wyników wykonanych obliczeń wykazała znaczący wpływ zmiany wartości wypadkowego momentu bezwładności układu napędowego na przebiegi dynamiczne podczas procesu synchronizacji oraz jego skuteczność dla mniejszej prędkości obrotowej badanego silnika dwubiegowego. Wzrost wartości momentu bezwładności ogranicza zakres wartości kąta δ, dla których proces kończy się skuteczną synchronizacją podczas pierwszej, po załączeniu napięcia wzbudzenia,
1 współfazowości pól silnika. Wybór odpowiedniej, korzystnej chwili załączenia napięcia stałego do uzwojenia wzbudzenia zwiększa pewność synchronizacji, zapewniając znaczne zmniejszenie prądów twornika, pulsacji momentu elektromagnetycznego i prędkości obrotowej oraz skrócenie czasu procesu, bez konieczności forsowania prądu wzbudzenia. Literatura [1] ANTAL L., ZAWILAK J., Dwubiegowy silnik synchroniczny - aspekty techniczne i ekonomiczne, XXXVII Międzynarodowe Symp. Maszyn Elek., 19-22 czerwca 21, Ustron-Zawodzie, s. 353-36. [2] ANTAL L., ZAWILAK J., Pole magnetyczne synchronicznego silnika jawnobiegunowego o dwóch prędkościach obrotowych, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 44, Studia i Mat. nr 19, 1996, s. 11-2. [3] ANTAL L., ZAWILAK J., Wyniki badań dwubiegowego silnika synchronicznego, Masz. Elektr. Zesz. Probl. BOBRME Komel, 24, nr 68, s. 17 112. [4] POWEN Jednostrumieniowy kopalniany wentylator główny, typ WPK 5.3, Karta informacyjna produktu, Zabrze. [5] Wyniki pomiarów, Wykonanie pomiarów charakterystyk wentylatorów głównych w stacjach przy szybach R-V, R-VII i R-X, U-12/NW/2, CBPM CUPRUM, Wrocław-Rudna 22. [6] ZALAS P., ZAWILAK J., Dwubiegowy silnik synchroniczny w ujęciu polowo-obwodowym, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 56, Studia i Materiały nr 23, 23, s. 65-77. [7] ZALAS P., ZAWILAK J., Wybór chwili załączenia napięcia wzbudzenia podczas synchronizacji silników synchronicznych, Masz. Elektr. Zesz. Probl. BOBRME Komel, 25, nr 71, s. 59-64. [8] ZAWILAK J., Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Prace Naukowe IMiNE. PWr. 1986. THE INFLUENCE OF DRIVE PARAMETERS ON EFFECTIVENESS OF SYNCHRONIZATION PROCESS IN TWO SPEED SYNCHRONOUS MOTORS The work presents calculation results of synchronization process of a two speed, silent pole, high power synchronous motor. The calculations were based on the examined two-dimensional, field-circuit model for the high power motor, type GAe 1716/2p with switchable configuration connection of armature winding and switchable field magnet. The motor characteristics make it suitable for drives of fan type machines. The influence of drive s resultant moment of inertia on stator currents, excitation current and voltage, electromagnetic torque and shaft velocity during synchronization process has been investigated. The influence of change value moment of inertia on choice the synchronization moment was examined. The results of calculations were presented as time curves of state variables.