Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 77/27 277 Tomasz Zawilak, Ludwik Antal Politechnika Wrocławska, Wrocław PORÓWNANIE SILNIKA INDUKCYJNEGO ORAZ SYNCHRONICZNEGO Z MAGNESAMI TRWAŁYMI I ROZRUCHEM BEZPOŚREDNIM - BADANIA EKSPERYMENTALNE COMPARISON OF INDUCTION MOTOR WITH LINE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR-MEASURMENTS RESULTS Abstract: In this paper parameters of line start permanent magnet synchronous motor and induction motor are compared. On the basis of standard 2 HP induction motor an interior LSPMSM was successfully designed and built. The measurements were conducted at steady state and during dynamic performance. The impact of load level on starting properties was investigated. The torque, speed and stator current transient were measured during motor s start up. Full load characteristic of current, power factor and efficiency is also presented. The measurements confirmed that using permanent magnets increases power, efficiency and power factor of the motor.. Wstęp Silniki indukcyjne zasilane bezpośrednio z sieci energetycznej wciąż stanowią najczęściej stosowane źródło napędu elektrycznego. Alternatywą dla silników indukcyjnych są silniki synchroniczne z magnesami trwałymi przystosowane do rozruchu bezpośredniego (z ang. Line Start Permanent Magnet Synchronous MotorLSPMSM). Silniki tego typu charakteryzują się zaletami silnika synchronicznego wzbudzanego magnesami trwałymi przy zachowaniu prostoty obsługi silnika indukcyjnego []. W porównaniu do silników indukcyjnych maszyny tego typu mają wyższą sprawność oraz większy współczynnik mocy. Do głównych wad należy zaliczyć gorsze właściwości rozruchowe oraz znaczne odkształcenie prądu pobieranego z sieci zasilającej. Celem pracy jest porównanie zmierzonych charakterystyk oraz właściwości silnika synchronicznego z magnesami trwałymi o rozruchu bezpośrednim i klasycznego silnika indukcyjnego. 2. Badany obiekt Wykorzystując seryjnie produkowany silnik indukcyjny typu Sh9L4 zbudowano silnik LSPMSM o identycznej konstrukcji stojana. W wirniku zmieniono liczbę żłobków i ich wymiary oraz zmniejszono średnicę wału uzyskując w ten sposób miejsce na magnesy trwałe typu NdFeB. Zastosowanie magnesów o znacznej objętości zapewnia odpowiednio duży strumień magnetyczny, a tym samym duży współ czynnik mocy oraz duży moment synchronizujący. Rys.. Modele fizyczne oraz przekroje poprzeczne wirników badanych maszyn: oryginalny silnik indukcyjny (z lewej) oraz silnik synchroniczny z magnesami trwałymi (z prawej) Powoduje to jednak zmniejszenie powierzchni klatki rozruchowej a zatem większą rezystancję, czego konsekwencją jest zwiększenie poślizgu krytycznego oraz trudniejsza synchronizacja. Ponadto silne magnesy powodują duży moment hamujący przy pracy asynchronicznej. Dlatego konstrukcja tego typu maszyny jest wynikiem
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 77/27 kompromisu pomiędzy dobrymi właściwościami rozruchowymi oraz dobrymi własnościami eksploatacyjnymi [2]. Przekrój poprzeczny ostatecznego modelu wirnika oraz kompletne modele fizyczne obu maszyn przedstawiono na rysunku. 3. Wyniki badań Obie maszyny zostały zbadane metodą bezpośrednią na stanowisku laboratoryjnym pokazanym na rysunku 2. Badany silnik obciążono hamownicą proszkową, której moment obrotowy jest regulowany wartością prądu wzbudzenia. Moment bezwładności hamownicy jest około dwukrotnie większy od momentu bezwładności wirnika silnika. Rys. 2. Ogólny widok stanowiska badawczego 3. Właściwości rozruchowe badanych maszyn Prosty rozruch przez bezpośrednie przyłączenie do sieci to jedna z podstawowych zalet silnika indukcyjnego. Tak rozumiane właściwości rozruchowe maszyn typu LSPMSM są gorsze niż silników indukcyjnych. Mniejsza objętość klatki rozruchowej powoduje zwiększenie poślizgu krytycznego momentu asynchronicznego. Ponadto magnesy trwałe podczas rozruchu generują moment ujemny, co powoduje, że wypadkowy moment rozruchowy jest mniejszy od momentu rozruchowego maszyn indukcyjnych [6]. W celu przebadania właściwości rozruchowych obu maszyn wykonano porównawcze pomiary rozruchu bezpośredniego dla różnych wartości momentu obciążenia na wale. Dla momentów obciążenia w zakresie od do Mn silnik z magnesami trwałymi osiąga prędkość synchroniczną. Przykładowe przebiegi momentu, prędkości oraz prądu stojana podczas rozruchu bez obciążenia oraz przy obciążeniu momentem znamionowym pokazano na rysunkach 3, 4, i 6. Z przebiegów tych wynika, że silnik typu LSPMSM charakteryzuje się znacznie większymi udarami momentu w czasie rozruchu. Wartość prądu rozruchowego dla obu maszyn jest porównywalna. Czas rozruchu, szczególnie pod obciążeniem, silnika LSPMSM jest większy, co jest związane z mniejszym średnim momentem obrotowym w stanie asynchronicznym. Na rysunkach 7 i 8 pokazano przykłady nieudanego rozruchu. Dla pierwszego przypadku obciążenie wynosiło Nm. Silnik osiągnął prędkość podsynchroniczną około 2 obr/min, jednak nie był w stanie zsynchronizować. W drugim przypadku obciążenie 6 Nm spowodowało, że silnik utknął przy prędkości, dla której występuje charakterystyczne dla tych maszyn siodło w charakterystyce mechanicznej [4]. 3.2 Właściwości badanych maszyn w stanie ustalonym Zmieniając moment obrotowy od do ok.,2mn wyznaczono zależność prądu pobieranego z sieci, sprawności oraz współczynnika mocy obu maszyn w funkcji mocy na wale. Wykresy tych charakterystyk pokazano na rysunku 9. Dla mocy znamionowej silnika indukcyjnego podanej na tabliczce znamionowej można odczytać pozostałe parametry znamionowe. Moc znamionową silnika z magnesami trwałymi można wyznaczyć zakładając tą samą wartość prądu stojana jak w silniku indukcyjnym. W ten sposób wyznaczone parametry znamionowe obu typów maszyn zestawiono w tabeli. Z tabeli wynika, że dzięki zastosowaniu magnesów trwałych można zwiększyć: moc silnika o 2%, sprawność o 8% a współczynnik mocy o ok. 2%. 6 4 278 2-2 -4-6,,2,3 c z a s [s],4,
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 77/27 279 8 2 9 6 3-3 3 2 2 - - - -2-2 -3,,2,3,4,,,2,3,4, Rys. 3. Moment (, prędkość obrotowa ( oraz prąd stojana ( w czasie rozruchu nieobciążonego silnika indukcyjnego 6 4 3 2 - -2-3 -4 8 2 9 6 3-3,,2,3,4,,,2,3,4, 3 2 2 - - - -2-2 -3,,2,3,4, Rys. 4. Moment (, prędkość obrotowa ( oraz prąd stojana ( w czasie rozruchu nieobciążonego silnika typu LSPMSM 6 4 2-2 -4-6 8 2 9 6 3 3 2 2 - - - - 2-2 - 3,,2,3,4,,,2,3,4,,, 2, 3, 4, c z a s [ s ] Rys.. Moment (, prędkość obrotowa ( oraz prąd stojana ( w czasie rozruchu silnika indukcyjnego przy obciążeniu znamionowym
28 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 77/27 6 8 4 2-2 2 9 6-4 -6 8 2 9 6 3 3 2 2 - - - -2-2 -3,,2,3,4,,,2,3,4,,,2,3,4, Rys. 6. Moment (, prędkość obrotowa ( oraz prąd stojana ( w czasie rozruchu silnika typu LSPMSM przy obciążeniu znamionowym 6 3 3 2 2 - - - -2-2 -3,2,4,6,8,2,4,6,8 Rys. 7. Moment (, prędkość obrotowa ( oraz prąd stojana ( w czasie rozruchu silnika typu LSPMSM przy obciążeniu momentem Nm 6 4 2-2 -4-6 8,,2,3,4, czas [ s ] 4 2-2 2 9 6 3-4 - 6,2,4,6,8 c z a s [ s ],,2,3,4,
Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 77/27 28 3 2 2 - - - -2-2 -3,,2,3,4, Rys. 8. Moment (, prędkość obrotowa ( oraz prąd stojana ( w czasie rozruchu silnika typu LSPMSM przy obciążeniu momentem 6 Nm Przeprowadzone pomiary pokazują również znaczące różnice w kształcie prądu fazowego obu maszyn (rys.. Z analizy harmonicznej prądu silnika indukcyjnego (rys. wynika, że jest on zbliżony do sinusoidy. Największą amplitudę ma piąta harmoniczna, stanowiąca zaledwie,6% harmonicznej podstawowej. Natomiast w przypadku silnika typu LSPMSM (rys. znaczne wartości mają harmoniczne rzędu, 7, 3, 9, których amplitudy stanowią nawet do 6% amplitudy harmonicznej podstawowej. Zawartość wyższych harmonicznych zależy od stopnia obciążenia silnika [3]. Zwiększenie obciążenia skutkuje zazwyczaj zwiększeniem wartości harmonicznych. Metoda ograniczania wyższych harmonicznych w silnikach typu LSPMSM została opisana w []. 7 sprawność LSPMSM wsp. mocy LSPMSM 6,9 sprawność SI,8 4 3 wsp. mocy SI prąd SI,7,6,,4 wsp. mocy, sprawność 2,3 prąd LSPMSM,2, 2 2 moc na wale [W] Rys. 9. Charakterystyki obciążenia badanych maszyn
282 Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne Nr 77/27 napiecie [V] Parametr Tabela. Parametry badanych maszyn indukcyjny Silnik LSPMSM P n kw, 2, n n /min 4 M n Nm,3 2,73 U n V 4 4 I n A 3,6 3,6 cosϕ n --,76,93 η n --,79,87 4 3 2 - -2-3 -4,8,6,4,2,8,6,4,2 n ap ięcie p rąd L S P M S M p rąd S I,,,, 2,7 8 6 4 2-2 -4-6 -8 3 7 9 3 7 9 2 23 2 27 29 3 33 rząd harmonicznej,7 3 7 9 3 7 9 2 23 2 27 29 3 33 rząd harmonicznej Rys.. Przebieg fazowego prądu w stanie obciążenia znamionowego ( oraz zawartość harmonicznych tych przebiegów dla silnika indukcyjnego ( oraz silnika z magnesami trwałymi ( 4. Podsumowanie Zaprojektowany silnik z magnesami trwałymi posiada lepsze właściwości eksploatacyjne, lecz gorsze własności rozruchowe niż będący jego bazą silnik indukcyjny. Zastosowanie magnesów trwałych pozwala na uzyskanie większej mocy przy jednoczesnym wzroście współczynnika mocy oraz sprawności. Silnik tego typu pomimo gorszych właściwości rozruchowych może być stosowany do napędów o stałym momencie oporowym.. Literatura [] Kurihara K., Rahman M.A High efficiency Linestart interior permanent magnet synchronous motor. IEEE Trans. Ind. Applicat. Vol. 4, No. 3, 24, pp. 789-796 [2] Libert F., Soulard J., Engstrom J., Design of a 4- pole line start permanent magnet synchronous motor. Poceedings of ICEM 22, Brugge, Belgium, paper no.3. [3]. Zawilak T., Antal L.: Wpływ obciążenia na odkształcenie prądu w silniku prądu przemiennego z magnesami trwałymi. Zeszyty Problemowe BOBRME Komel, nr 7, 26, ss. -4 [4] Zawilak T., Antal L.: Obwodowe i polowo-obwodowe modelowanie silnika synchronicznego z magnesami trwałymi i rozruchem bezpośrednim. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 9, Studia i Materiały, nr 26, 26, ss. -26 [] Zawilak T, Zawilak J. Minimization of higher harmonics in line-start permanent magnet synchronous motor. Poceedings of Micromachines and servosystems. MiS '6. International XV Symposium, Białowieża, Poland, 26, pp 2-27 [6] Zawilak T., Antal L.: Porównanie silnika indukcyjnego z silnikiem synchronicznym z magnesami trwałymi i rozruchem bezpośrednim. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej nr 8, Studia i Materiały, nr 2, 2, ss. 22-22 Autorzy mgr inż. Tomasz Zawilak dr hab. inż. Ludwik Antal Politechnika Wrocławska Inst. Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektr. Wybrzeże Wyspiańskiego 27-37 Wrocław tomasz.zawilak@pwr.wroc.pl ludwik.antal@pwr.wroc.pl