5_Janusz BIALIK Jan - Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów

Nr 56
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 56
Studia i Materiały
Nr 24
2004
elektrotechnika, maszyny elektryczne, silniki synchroniczne,
modelowanie polowo-obwodowe, weryfikacja pomiarowa
Janusz BIALIK*, Jan ZAWILAK*
POLOWO – OBWODOWY MODEL DWUBIEGOWEGO
SILNIKA SYNCHRONICZNEGO – WERYFIKACJA
POMIAROWA
W artykule przedstawiono porównanie wyników obliczeń oraz pomiarów wielkości fizycznych
dwubiegowego silnika synchronicznego o zmienianych liczbach biegunów pola magnetycznego.
Obliczenia wykonano na podstawie opracowanego modelu polowo-obwodowego dla wybranego
modelu silnika typu GAe 1510/12p. Porównania dokonano na podstawie obliczonych i pomierzonych
przebiegów czasowych prądów fazowych twornika oraz krzywych „V” dla obu prędkości
obrotowych. Zadawalająca zbieżność wyników obliczeń i pomiarów pozwala stwierdzić poprawność
opracowanego modelu maszyny.
1. WSTĘP
Z pośród wszystkich sposobów regulacji wydajności urządzeń o wentylatorowej
charakterystyce mechanicznej (również pomp) najbardziej ekonomicznym
rozwiązaniem jest zmiana prędkości obrotowej silników napędzających te urządzenia.
W napędach tego rodzaju bardzo dużej mocy (np. stacjach wentylatorów głównego
przewietrzania kopalń podziemnych) są stosowane często silniki synchroniczne, które
jednocześnie umożliwiają regulację mocy biernej. Do napędu tych urządzeń
zaproponowano dwubiegowe silniki synchroniczne z biegunami wydatnymi o
zmienianych liczbach biegunów pola magnetycznego. W silnikach tych zmianę liczby
biegunów pola magnetycznego uzyskuje się przez przełączenie uzwojenia twornika o
odpowiednio rozłożonych grupach fazowych na obwodzie oraz zmianę biegunowości
odpowiednich biegunów magneśnicy. Nie bez znaczenia jest możliwość zmniejszenia
prądów i momentu dynamicznego podczas rozruchu asynchronicznego uzyskiwana
dzięki szeregowemu połączeniu sekcji w pasmach fazowych uzwojenia [1, 2, 3].
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected], [email protected],
W literaturze nie ma opracowań dotyczących analizy wpływu konfiguracji
uzwojenia twornika i biegunowości magneśnicy na parametry i własności silnika
synchronicznego. Występujące zjawiska są tym bardziej interesujące w przypadkach,
gdy liczba biegunów fizycznych (np. 10) i magnetycznych (np. 12) wirnika jest różna.
W pracy [4] podjęto próbę opracowania modelu polowo-obwodowego
dwubiegowego silnika synchronicznego o niekonwencjonalnym rozkładzie
obwodowym uzwojenia twornika i niekonwencjonalnym rozkładzie biegunowości
magneśnicy.
Celem niniejszej pracy jest weryfikacja eksperymentalna obliczeń na przykładzie
modelu dwubiegowego silnika synchronicznego typu GAe 1510/12p o prędkościach
obrotowych n=600 i 500 obr/min i odpowiadających im mocach znamionowych
P=1050 i 600 kW.
2. MODEL OBLICZENIOWY
Wykorzystując metodę elementów skończonych (MES) opracowano
dwuwymiarowy model polowo−obwodowy dwubiegowego silnika synchronicznego o
biegunach wydatnych typu GAe 1510/12p [4].
Silnik ten ma niekonwencjonalny obwodowy rozkład grup fazowych (rys. 1a)
uzwojenia twornika a zmianę obwodowego rozkładu pola magnetycznego (liczby
biegunów) uzyskuje się przez zmianę kierunku przepływów P odpowiednich grup w
każdym paśmie fazowym A,B,C. W grupach fazowych oznaczonych NP przepływy
pozostają niezmienione. Dla takiej konfiguracji uzwojenia twornika zaproponowano
biegunowość wirnika pokazaną na rysunku 1b, na którym kolorem czarnym
oznaczono bieguny podczas pracy silnika z większą prędkością obrotową (rozkład
tradycyjny) zaś dla mniejszej prędkości kolorem szarym (rozkład
niekonwencjonalny).
Zmianę kierunku przepływów grup fazowych twornika i biegunowości magneśnicy
uzyskuje się przez zmianę kierunku prądów płynących w sekcjach tych uzwojeń –
pokazano to na rysunku 2.
Rys. 1. Schemat obwodowego rozkładu grup fazowych uzwojenia twornika (a) oraz biegunowości
wirnika (b) dla obu prędkości obrotowych badanego silnika
Fig. 1. Circuit diagram of distribution group phase of armature winding (a) and polarity of rotor (b) for
both rotational speed of testing motor
Rys. 2. Schemat połączenia sekcji uzwojenia twornika (a) oraz magneśnicy (b)
Fig. 2. Connection of section armature winding (a) and field magnet (b)
3. WYNIKI OBLICZEŃ I POMIARÓW
Wykorzystując opracowany model polowo-obwodowy silnika [4] wykonano
obliczenia prądów fazowych twornika przyjmując sinusoidalne napięcie zasilania oraz
obciążenie równe 75 % znamionowego.
Rys. 3. Wyniki obliczeń prądów fazowych twornika w stanie obciążenia dla większej prędkości
obrotowej n=600 obr/min
Fig. 3. Calculated phase current waveforms of the stator at load torque for higher rotational speed
n=600 rpm
Rys. 4. Wyniki pomiarów prądów fazowych twornika w stanie obciążenia dla większej prędkości
obrotowej n=600 obr/min
Fig. 4. Measured phase current waveforms of the stator at load torque for higher rotational speed
n=600 rpm
Rys. 5. Widmo obliczonych i pomierzonych prądów twornika w stanie obciążenia dla większej prędkości
obrotowej n=600 obr/min
a. dla fazy A, b. dla fazy B, c. dla fazy C
Fig. 5. The spectra of calculated and measured phase current waveforms in the armature winding at
load torque for higher rotational speed n=600 rpm
a. for phase A, b. for phase B, c. for phase C
Dla takiego samego stanu pracy wykonano pomiary modelu fizycznego silnika
zainstalowanego w jednej z kopalń miedzi. Wyniki obliczeń prądów dla większej
prędkości obrotowej silnika n=600 obr/min pokazano na rysunku 3 zaś odpowiadające
im wyniki pomiarów na rysunku 4. Obliczenia oraz pomiary wykonano dla prądu
wzbudzenia If = 260 A. Na rysunku 5 pokazano wyniki analizy harmonicznych
obliczonych i pomierzonych poszczególnych prądów fazowych twornika Ia, Ib, Ic.
Na rysunkach 6, 7 pokazano obliczone i pomierzone przebiegi czasowe prądów
fazowych twornika dla mniejszej prędkości obrotowej n=500 obr/min a ich analizę
harmonicznych pokazano odpowiednio na rysunku 8 (a, b, c). Obliczenia oraz
pomiary wykonano dla prądu wzbudzenia If = 230 A.
Rys. 6. Wyniki obliczeń prądów fazowych twornika w stanie obciążenia dla mniejszej prędkości
obrotowej n = 500 obr/min
Fig. 6. Calculated phase current waveforms of the stator at load torque for lower rotational speed
n = 500 rpm
Rys. 7. Wyniki pomiarów prądów fazowych twornika w stanie obciążenia dla mniejszej prędkości
obrotowej n=500 obr/min
Fig. 7. Measured phase current waveforms of the stator at load torque for lower rotational speed
n=500 rpm
Rys. 8. Widmo obliczonych i pomierzonych prądów twornika w stanie obciążenia dla mniejszej
prędkości obrotowej n=500 obr/min. a. dla fazy A, b. dla fazy B, c. dla fazy C
Fig. 8. The spectra of calculated and measured phase current waveforms in the armature winding at load
torque for lower rotational speed n=500 rpm. a. for phase A, b. for phase B, c. for phase C
Ponieważ jednym z zadań zastosowanego silnika jest kompensacja mocy biernej
dlatego istotnym jest określenie krzywych „V”, które pokazano na rysunku 9.
Rys. 9. Obliczone i pomierzone krzywe „V” dla obu prędkości obrotowych badanego silnika
Fig. 9. Calculated and measured „V” curves for two different rotational speed of testing motor
Obliczenia i pomiary wykonano dla obciążenia wynikającego ze stanu pracy
wentylatora tzn. 78 % i 73 % mocy znamionowej odpowiednio większej i mniejszej
prędkości obrotowej. Na rysunkach 10 i 11 pokazano wynik analizy obliczonego
rozkładu obwodowego składowej normalnej indukcji magnetycznej odpowiednio dla
większej i mniejszej prędkości obrotowej.
Rys. 10. Widmo składowej normalnej indukcji w szczelinie maszyny dla większej prędkości obrotowej
n=600 obr/min
Fig. 10. The spectra of the normal component of flux density in air gap for higher rotational speed n=600
rpm
Rys. 11. Widmo składowej normalnej indukcji w szczelinie maszyny dla mniejszej prędkości obrotowej
n=500 obr/min.
Fig. 11. The spectra of the normal component of flux density in air gap for lower rotational speed
n=500 rpm
Na podstawie wykresu (rys. 11) widać znaczne odkształcenie od sinusoidy
obwodowego rozkładu indukcji w szczelinie powietrznej dla mniejszej prędkości
obrotowej badanego silnika (występowanie 4, 8 i 16 biegunowych pól o znacznych
amplitudach), mające istotny wpływ na odkształcenie prądów twornika oraz inne
zjawiska w tej maszynie np. drgania i hałasy podczas pracy.
4. WNIOSKI
Porównanie wykresów prądów obliczonych i pomierzonych modelu obwodowopolowego i badanego silnika pozwala stwierdzić, że:
- amplitudy tych prądów dla obu prędkości obrotowych są bardzo zbliżone a ich
różnica odniesiona do pomiaru nie przekracza 3 % dla większej oraz 9 % dla
mniejszej prędkości obrotowej,
- widma prądów obliczonych i pomierzonych są porównywalne, co sugeruje, że
przebiegi czasowe tych prądów są jednakowe.
Obliczone i pomierzone charakterystyki Mordey’a są zbliżone a ich różnica
odniesiona do pomiaru nie przekracza 3 %.
Porównanie wielkości obliczonych i pomierzonych pozwala stwierdzić, że
opracowany, (na przykładzie maszyny typu GAe 1510/12p) model polowo-obwodowy
dwubiegowego silnika synchronicznego o zmienianych liczbach biegunów pola
magnetycznego jest poprawny.
Model ten może być wykorzystany do dalszego badania zjawisk w maszynach tego
typu.
LITERATURA
[1] ANTAL L., ZAWILAK J., Dwubiegowy silnik synchroniczny – aspekty techniczne i ekonomiczne,
Zeszyty Naukowe - Politechnika Śląska nr 1500, Elektryka; z. 176, XXXVII Międzynarodowe
Sympozjum Maszyn Elektrycznych. SME 2001, Ustroń-Zawodzie, 19-22 czerwca 2001, s. 353-360
[2] ANTAL L., ZAWILAK J., Kompensacja mocy biernej silnikiem synchronicznym, dwubiegowym o
ułamkowym stosunku prędkości, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 48, Studia i Materiały nr 20 − Mat.
konf. XXXVI Symp. Maszyn Elektr. Szklarska Poręba 2000 r.
[3] ANTAL L., ZAWILAK J., Wyniki badań dwubiegowego silnika synchronicznego, Zesz. Probl
BOBRME Komel nr 68 Katowice 2004 r.
[4] BIALIK J., ZAWILAK J., ANTAL L., Polowo-obwodowy model dwubiegowego silnika
synchronicznego, Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej, Nr 56, Studia i Materiały, Nr 24, Wrocław, 2004
FIELD−CIRCUIT MODEL OF TWO−SPEED SYNCHRONOUS MOTOR MEASUREMENT VERIFICATION
In this article, a comparison between the calculated and measured results of physical quantities, in
two speed synchronous motor with changing pole number of magnetic field, was presented. The
calculations based on the examined field-circuit model for the large power motor, type GAe 1510/12p
were done. The comparison, based on the calculated and measured phase current waveforms of the
armature winding and „V” curves for both rotational speed, was done. The satisfactory convergence
between the results of calculations and measurements allows the authors to claim, that the examined
model of the motor is correct.
Praca naukowa finansowana ze środków Komitetu Badań Naukowych w latach 2004 - 2006 jako
projekt badawczy Nr 3 T10A 005 26