20_Bernard HERMAN - Politechnika Wrocławska

Nr 56
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 56
Studia i Materiały
Nr 24
2004
Elektrotechnika, napęd elektryczny,
silniki indukcyjne, badania
Bernard HERMAN*
ENERGOOSZCZĘDNA METODA WYRÓWNYWANIA
OBCIĄŻEŃ SILNIKÓW PIERŚCIENIOWYCH
W UKŁADZIE WAŁU MECHANICZNEGO
W pracy przedstawiono koncepcję metody wyrównywania obciążeń silników indukcyjnych pierścieniowych sprzężonych mechanicznie, polegającą na odpowiednim połączeniu uzwojeń wirników
do wspólnego obwodu elektrycznego. Zamieszczone wyniki badań laboratoryjnych potwierdzają
efektywność zaproponowanej metody i wykazują wzrost współczynnika sprawności układu napędowego w porównaniu do powszechnie stosowanych rozwiązań z zastosowaniem rezystorów wyrównawczych. Rezultaty pracy adresowane są do górnictwa odkrywkowego z wykorzystaniem do napędów jednobębnowych lub dwubębnowych przenośników taśmowych z silnikami średniej i dużej
mocy.
1. WSTĘP
W urządzeniach dźwigowo-transportowych, szczególnie średniej i dużej mocy, stosowane są wielosilnikowe układy napędowe, które poprzez urządzenia pędne tworzą
tzw. wały mechaniczne. Podstawowym celem ich stosowania jest zwiększenie niezawodności pracy urządzeń. W przypadku awarii jednego z silników zachowana jest ciągłość procesu technologicznego. W innych przypadkach napędy te stosuje się dla
zmniejszenia zastępczego momentu bezwładności układu, a także zmniejszenia naprężeń
w urządzeniach pędnych wywołanych asymetrycznym działaniem momentu obrotowego
pojedynczego silnika. Do pracy w wale mechanicznym dobiera się silniki jednakowego
typu oraz mocy i prędkości obrotowej.
Szerokie zastosowanie układów napędowych z silnikami indukcyjnymi pierścieniowymi pracującymi w wale mechanicznym ma miejsce w przenośnikach taśmowych górnictwa odkrywkowego. W podstawowej strukturze wały te tworzone są przez połączenie
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected]
mechaniczne dwóch silników za pośrednictwem przekładni i wspólnego bębna napędowego taśmy przenośnika. W ostatnich latach, ze względu na wydłużanie tras transportowych odkrywek, stosowane są przenośniki o dwóch bębnach napędowych. W tym przypadku kolejna para silników jest również sprzężona mechanicznie, tworząc łącznie
czterosilnikowy wał mechaniczny.
Z pracą silników w wale mechanicznym wiąże się zagadnienie nierównomierności
ich obciążeń momentem obrotowym oraz prądów w uzwojeniach stojanów i wirników.
Podstawową przyczyną zjawiska są rozbieżności w wartościach parametrów elektromagnetycznych oraz duża stromość charakterystyk mechanicznych silników pierścieniowych średniej i dużej mocy. Głównym zagrożeniem wynikającym z nierównomierności
obciążeń jest asymetria prądów w uzwojeniach stojanów i wirników, wywołująca skutki
termiczne dla silników przeciążonych. Przywracanie symetrii prądów silników jest zabiegiem istotnym ze względu na ograniczenie ich awaryjności. Ochrona zagrożonego
silnika przez odciążenie przenośnika nie jest stosowana ze względu na zmniejszenie jego
wydajności.
Stosowaną metodą wyrównywania obciążeń silników przenośników taśmowych jest
włączanie dodatkowej rezystancji w obwód wirnika silnika o większej wartości prądu
stojana. Rezystancja ta, zwana wyrównawczą, dobierana jest przez służby techniczne.
Zabieg ten wykonuje się jednorazowo podczas prac związanych z wymianą silnika.
Włączanie rezystorów wyrównawczych jest przyczyną występowania straty energii,
powodującej zmniejszenie sprawności układów napędowych. Dla przykładu, straty
energii elektrycznej w roku 2000 z tytułu stosowania rezystorów wyrównawczych do
silników przenośników taśmowych w Kopalni Węgla Brunatnego „Konin” wynosiły
ok.1640 MWh. Istnieją zatem poszukiwania innych, energooszczędnych sposobów wyrównywania obciążeń silników.
W wyniku prowadzonych prac badawczych w Instytucie Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej [3] i współpracy z Instytutem Górnictwa
Odkrywkowego POLTEGOR we Wrocławiu [5] powstała koncepcja nowej metody
wyrównywania obciążeń silników pracujących w wale mechanicznym [4]. Dotyczy ona
przede wszystkim dwusilnikowych wałów mechanicznych. Po zmodyfikowaniu może
być stosowana także do napędów czterosilnikowych, a zatem do jednobębnowych i
dwubębnowych układów napędowych przenośników taśmowych.
W artykule zawarto wyniki badań laboratoryjnych energooszczędnej metody wyrównywania obciążeń silników indukcyjnych pierścieniowych pracujących w dwusilnikowym wale mechanicznym oraz dokonano analizy możliwości zastosowania jej do układów czterosilnikowych.
2. ENERGOOSZCZĘDNA METODA WYRÓWNYWANIA OCIĄŻEŃ
SILNIKÓW W WALE MECHANICZNYM
2.1. OPIS METODY
Metoda oparta jest na idei układu kaskadowego silników indukcyjnych pierścieniowych sprzężonych mechanicznie, stosowanego do regulacji prędkości kątowej [1].
W układzie tym, oprócz sztywnego sprzężenia mechanicznego wałów silników, istnieje odpowiednie połączenie elektryczne obwodów fazowych wirników. Uzwojenia
wirników połączone są z zachowaniem kolejności faz przy jednoczesnej zgodności
kierunku i zwrotu wektorów sił elektromagnetycznych we wspólnych obwodach fazowych wirników. Tak połączone elektrycznie i mechanicznie silniki posiadają jednakową wartość prądów fazowych wirników, zależną jedynie od obciążenia momentem
oporowym układu. Dla obciążenia na poziomie dwukrotnej wartości momentu znamionowego pojedynczego silnika, wspólny prąd w obwodzie wirników osiąga wartość
znamionową.
Jednakowa wartość prądu w uzwojeniach wirników nie gwarantuje tych samych
wartości prądów tworników silników. Przyczyną różnic mogą być niejednakowe wartości parametrów gałęzi magnesowania i uzwojeń tworników silników. Pozostaje zatem problem dalszej korekty wartości prądów stojanów.
Badania prototypu silnika dwutwornikowego klatkowego [2] wykazały, że w tworniku, którego wektor napięcia fazowego jest wyprzedzający w kierunku wirowania
pola magnetycznego, następuje wzrost wartości prądów fazowych. Wobec stosowania
w praktyce wspólnego źródła zasilania silników, wykorzystanie powyższego zjawiska
jest możliwe przez zmianę wzajemnego położenia przestrzennego uzwojeń tworników
lub wirników na drodze mechanicznej. W układach napędowych przenośników taśmowych w górnictwie odkrywkowym możliwość taką stwarza zmodyfikowanie konstrukcji stacji napędowej [5], zapewniającej obrót stojana jednego z silników lub zastosowanie sprzęgła wielokłowego, pozwalającego na wzajemne ustawienie wirników
przed ich połączeniem mechanicznym. W rezultacie ingerencja we wzajemne położenie przestrzenne uzwojeń silników na drodze mechanicznej, umożliwia oddziaływanie
na symetrię prądów tworników silników.
Przykład rozwiązania dwusilnikowego wału mechanicznego z połączonymi uzwojeniami wirników oraz silnikiem S1 o wahliwie mocowanym stojanie przedstawiono
na rys.1, gdzie β jest kątem geometrycznym wzajemnego przemieszczenia osi uzwojeń
fazowych tworników.
Rys. 1. Układ wału mechanicznego silników indukcyjnych pierścieniowych do realizacji
energooszczędnej metody wyrównywania obciążeń
Fig.1 A system of mechanical shaft of (slip) ring induction motors for energy-saving load compensation
W ogólnym przypadku, kat elektryczny α pomiędzy wektorami sił elektromotorycznych silników, istotny dla zjawiska korekty wartości prądów w uzwojeniach
tworników wynosi
α=β⋅p
(1)
gdzie: p – liczba par biegunów silników.
Wartość kąta obrotu stojana β (rys.1) lub wirników w węzłach sprzęgłowych maleje ze wzrostem liczby par biegunów zastosowanych silników.
2.2. BADANIA LABORATORYJNE
Badania wykonano na stanowisku laboratoryjnym w Instytucie Maszyn, Napędów
i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej. Zespół elektromaszynowy
składa się z dwóch silników indukcyjnych pierścieniowych oraz prądnicy prądu stałego, służącej do obciążenia silników momentem oporowym. Silniki oraz prądnica połączone są mechanicznie za pomocą sprzęgieł sztywnych i spełniają warunki pracy w
wale mechanicznym. Do zmiany położenia przestrzennego uzwojeń tworników o kąt
geometryczny β stojan silnika S1 mocowany jest wahliwie i umożliwia nastawę oraz
pomiar kąta obrotu.
Układ pomiarowy umożliwia wyznaczenie następujących wielkości:
− prądów fazowych stojanów silników S1 i S2 : IS1, IS2 ,
− mocy czynnej pobieranej przez silniki: P11, P12 ,
− prądu w obwodzie wirników: Ir
− wypadkowego momentu M obciążenia wału,
− prędkości kątowej ω wału.
Katalogowe oraz wyznaczone dla celów eksperymentu parametry silników są następujące:
Silniki S1 (S2) : typ SZUe34a Pn = 1,5 kW, U1n = 380 V, I1n = 3,2 A,
nn = 1400 obr/min, f1 = 50 Hz, cosφ = 0,87, U2n = 61V, I2n = 17A, Rs=3,4 (3,5)Ω/f,
Rr = 0,20 (0,25)Ω/f, Mn = 10,2 Nm,
Badania efektywności energooszczędnej metody wyrównywania wartości prądów
tworników silników wykonano poprzez wyznaczenie stopnia niesymetrii prądów oraz
sprawności układu napędowego dla przypadków:
− zastosowania proponowanej metody energooszczędnej,
− wykorzystania metody tradycyjnej z użyciem rezystorów wyrównawczych.
Stopień niesymetrii prądów tworników określono stosunkiem wartości prądów IS1
oraz IS2 , oznaczony współczynnikiem niesymetrii k, czyli
k=
I S1
IS2
(2)
Współczynnik sprawności układu zdefiniowano jako stosunek mocy na wale do
sumy mocy czynnej pobieranej przez silniki S1 i S2:
η=
M ⋅ω
P11 + P12
(3)
Zbliżone wartości parametrów obwodów elektrycznych i magnetycznych silników
S1 i S2 układu laboratoryjnego są przyczyną wystąpienia małej niesymetrii prądów.
Badanie metod wyrównywania prądów i ich analiza porównawcza jest w tym przypadku mało czytelna. W celu nadania zjawisku wyraźnego charakteru, badania wykonano z włączoną w obwód wirnika silnika S1 dodatkową rezystancją o wartości Rrd =
0,10 Ω/f, stanowiącą ok. 40% rezystancji uzwojenia.
Wyznaczenia współczynników niesymetrii prądów k oraz sprawności η dla analizowanych przypadków dokonano dla zmiennych wartości momentu obciążenia wału.
Badania układu z połączonymi uzwojeniami wirników wykonano dla regulowanych
wartości kąta geometrycznego β (rys.1). Układ z niezależnymi odwodami wirników
badano dla dobranej eksperymentalnie wartości rezystancji wyrównawczej Rrw.
Moment obciążenia wału określono w wartościach względnych, odniesionych do
wypadkowego momentu znamionowego wału, wynoszącego M0 = 2 x10,2 = 20,4 Nm.
Wyniki badań przedstawiono w formie wykresów k = f(M/M0) oraz η = f(M/M0)
odpowiednio na rys.2 i rys.3.
1,8
k
1,7
1,6
1
1,5
2
1,4
3
1,3
4
1,2
1,1
1,0
0,9
M /M 0
0,8
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Rys. 2.Wykresy zależności współczynnika niesymetrii prądów tworników k w funkcji
względnej wartości momentu obciążenia wału;
1 – dla układu z niezależnymi obwodami wirników oraz Rrw=0,
2 – dla układu z połączonymi uzwojeniami wirników oraz β=0,
3 – dla układu z połączonymi uzwojeniami wirników oraz β=βk=8º,
4 – dla układu z niezależnymi obwodami wirników oraz Rrw=0,12 Ω
Fig.2 Dependence of coefficient k of armature current asymmetry on a relative value of shaft load torque
1 – for independent armature circuits and Rrw=0,
2 – for armature windings connected and β=0,
3 – for armature windings connected and β=βk=8º
4 – for independent armature circuits and Rrw=0.12 Ω
Na tle występującej niesymetrii prądów wywołanej rezystorem Rrd = 0,10 Ω/f –
rys.2, krzywa 1, przedstawiono efekty oddziaływania na wartość współczynnika k
poprzez:
− połączenie uzwojeń wirników przy β = 0 – krzywa 2,
− dokonanie korekty kąta β do wartości odpowiadającej k≈1 przy obciążeniu
M/M0=1 i wynoszącej βk = 8º – krzywa 3,
− zastosowanie rezystora wyrównawczego Rrw = 0,12 Ω w obwodzie wirnika silnika S2, powodującego uzyskanie k≈1 przy M/M0 = 1 – krzywa 4.
0,9
0,8
η
0,7
0,6
1
2
3
4
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
M /M 0
0,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
Rys. 3.Wykres zależności współczynnika sprawności η układu w funkcji
względnej wartości momentu obciążenia wału;
1 – dla układu z połączonymi uzwojeniami wirników oraz Rrd=0, β= βk= 8º,
2 – dla układu z połączonymi uzwojeniami wirników oraz Rrd=0,10 Ω, βk= 8º,
3 – dla układu z połączonymi uzwojeniami wirników oraz Rrd=0,10 Ω, β= 0,
4 - dla układu z niezależnymi obwodami wirników oraz Rrw=0,12 Ω.
Fig. 3. Dependence of efficiency coefficient on a relative value of shaft load torque
1 – for armature windings connected and Rrd= 0, β=βk= 8º,
2 – for armature windings connected and Rrd=0.10 Ω, βk= 8º,
3 – for armature windings connected and Rrd=0.10 Ω, β= 0,
4 – for independent armature circuits and Rrw=0.12 Ω
Wyniki pomiarów zamieszczone na rys.3 umożliwiają porównanie wartości współczynników sprawności układu dla zastosowanych metod wyrównywania obciążeń.
Pozwalają ponadto określić wpływ kąta β i rezystancji włączonej do wspólnego obwodu wirników na wartość współczynnika sprawności η.
Na podstawie wyników pomiarów sformułowano następujące wnioski uogólniające:
1. Połączenie uzwojeń wirników z zachowaniem kierunku i zwrotu sił elektromotorycznych wirników (β=0) powoduje znaczące zmniejszenie niesymetrii prądów
silników. Współczynnik k przyjmuje praktycznie stałą wartość, niezależnie od
obciążenia momentem wału (por. krzywe 1 i 2, rys.2). Odpowiednie połączenie
wirników może stanowić w wielu przypadkach wystarczający zabieg na osiągnięcie efektu wyrównania wartości prądów tworników.
2. Przez połączenie uzwojeń wirników oraz zmianę kąta β pomiędzy osiami uzwojeń
fazowych silników do wartości skorygowanej βk uzyskuje się stan wyrównania
wartości prądów tworników do k≈1, niezależnie od obciążenia momentem (por.
krzywe 2 i 3, rys.2).
3. Proponowana metoda wyrównywania wartości prądów tworników oraz metoda
dotychczas stosowana z użyciem rezystorów wyrównawczych pozwalają uzyskać
porównywalny cel techniczny, szczególnie dla momentów obciążenia M/M0 > 0,7
(por. krzywe 3 i 4, rys.2). Wybór metody ma jednak wpływ na wartość współczynnika sprawności η układu. Z tego względu konkurencyjną jest metoda proponowana (por. krzywe 2 i 4, rys.3).
4. Regulacja kąta β w badanym zakresie przy niezmiennej wartości rezystancji dodatkowej we wspólnym obwodzie wirników nie wpływa na wartość współczynnika sprawności η układu (por. krzywe 2 i 3, rys.3).Zwiększenie wartości rezystancji dodatkowej powoduje zmniejszenie współczynnika sprawności (por. krzywe 1
i 2, rys.3).
2.3. WYRÓWNYWANIE OBCIĄŻEŃ W WIELOSILNIKOWYCH UKŁADACH WAŁU
MECHANICZNEGO
W wielosilnikowych układach napędowych wału mechanicznego stopień komplikacji problemu wyrównywania obciążeń silników ulega zwiększeniu. Zastosowanie
przedstawionej w p.2 metody energooszczędnej jest możliwe po wprowadzeniu zmian
konstrukcyjnych współpracujących silników. Zmiany te dotyczą uzyskania dostępu do
początków i końców uzwojeń fazowych wirników, co wiąże się z instalowaniem dodatkowych kompletów pierścieni ślizgowych i szczotkotrzymaczy. Wymagania te
wynikają z potrzeby połączenia uzwojeń do szeregowego obwodu elektrycznego. Należy uznać, że wykonanie silników o tak złożonej konstrukcji, spełniającej wskazane
wymagania, jest trudne do zrealizowania.
Możliwa do zastosowania jest kombinowana metoda wyrównywania obciążeń. Polega ona na tworzeniu par silników z wyrównywaniem ich obciążeń proponowaną
metodą łączenia uzwojeń wirników oraz wyrównywaniu obciążeń pomiędzy parami
metodą rezystorów wyrównawczych.
Wyrównywanie obciążeń silników metodą kombinowaną może być wykorzystane
w wielobębnowych napędach przenośników taśmowych w górnictwie odkrywkowym.
W pary należy wówczas łączyć silniki napędzające jeden bęben. Inne tworzenie par
jest niewskazane ze względu na elastyczne sprzężenie mechaniczne wirników silników należących do różnych bębnów za pośrednictwem taśmy nośnej przenośnika.
Rezystory wyrównawcze dla metody kombinowanej należy włączać do obwodu
wirników silników tworzących pary. Jak wykazały badania, których wyników nie
zamieszczono, rezystory te nie wpływają na wartość współczynnika niesymetrii prądów k, powodują jednak zmniejszenie wartości współczynnika sprawności η (por.
krzywe 1 i 2, rys.3). Wziąwszy pod uwagę okoliczność, że w napędzie dwubębnowym
przenośnika proponowana korekta wartości prądów odbywa się pomiędzy parami
silników, straty mocy są mniejsze od występujących w przypadku zastosowania korekty dla poszczególnych silników jak w rozwiązaniach obecnie stosowanych.
Doświadczenia z eksploatacji dwubębnowych napędów przenośników taśmowych
wskazują, ze dodatkowym powodem konieczności korygowania wartości prądów pomiędzy parami silników jest niejednakowe zużywanie się okładzin ciernych na powierzchniach bębnów. Stała wartość prędkości liniowej taśmy oraz różnica w średnicach bębnów powodują pracę par silników przy różnych poślizgach.
Dla zobrazowania wpływu rezystancji wyrównawczej Rrw na poślizg s pary silników wykonano uzupełniające badania laboratoryjne modelu fizycznego
(p.2.2).Wyniki badań przedstawiono na rys.4 w postaci wykresu zależności s/sn =
f(Rrw/Rr1), gdzie: sn = 0,0067 (poślizg znamionowy silników), Rr1- rezystancja uzwojenia wirnika silnika S1. Pomiary wykonano dla znamionowej wartości momentu obciążenia układu oraz skorygowanej wartości kąta βk = 8º.
3,0
2,8
s /s n
2,6
2,4
2,2
2,0
1,8
1,6
1,4
1,2
R rw/R r1
1,0
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
Rys. 4.Wykres zależności s/sn = f(Rrw/Rr1) dwusilnikowego wału mechanicznego z połączonymi
uzwojeniami wirników i przemieszczeniem uzwojeń tworników o kąt βk= 80
Fig. 4. Dependence of s/sn = f(Rrw/Rr1) for two-motor mechanical haft with common
circuits of armatures shifted by a phase angle βk= 80
Wyniki pomiarów wskazują, że poślizg s pary silników zmienia się liniowo w
funkcji wartości rezystancji wyrównawczej Rrw .Wartość rezystancji powodująca
wzrost poślizgu s do ok.300% poślizgu znamionowego jest porównywalna z rezystancją uzwojenia wirnika pojedynczego silnika. Ten wzrost poślizgu wystąpi, gdy średnica jednego z bębnów ulegnie zmianie względem drugiego o ok. 16%. W rezultacie
dodatkowa strata mocy wynikająca z zastosowania proponowanej metody kombino-
wanej do wyrównywania obciążeń silników w napędzie dwubębnowym jest porównywalna ze stratą mocy w uzwojeniu wirnika pojedynczego silnika.
3. PODSUMOWANIE
Zaproponowana, energooszczędna metoda wyrównywania obciążeń silników indukcyjnych pierścieniowych w dwusilnikowych wałach mechanicznych jest skuteczna. W przypadku, gdy ze względów uzasadnionych nie jest wymagany wysoki stopień
symetrii prądów tworników, metoda ta jest do bezpośredniego zastosowania, bez dodatkowych kosztów inwestycyjnych.
Wyrównywanie obciążeń w układach napędowych o większej liczbie par silników,
na przykład dwubębnowych napędach przenośników taśmowych, wymaga zastosowania metody kombinowanej, z dodatkowym wyrównywaniem obciążeń pomiędzy
parami silników za pomocą rezystorów wyrównawczych.
LITERATURA
[1] HERMAN B. i inni, Sposób regulacji prędkości obrotowej napędów współbieżnych z silnikami asynchronicznymi pierścieniowymi połączonymi mechanicznie. Patent RP 171436 B1
[2] HERMAN B., Układy napędowe o regulowanej prędkości z zastosowaniem indukcyjnych silników
dwutwornikowych klatkowych. PRE nr 16/2003, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych P.Wr., Wrocław 2003
[3] HERMAN B. i inni, Dwutwornikowy silnik asynchroniczny klatkowy do napędu agregatów pompowych o regulowanej wydajności. W: Górnictwo Odkrywkowe, nr 1/2000, monografia, Wrocław, IGO
Poltegor, 2000
[4] HERMAN B. i inni, Sposób wyrównywania obciążeń silników asynchronicznych w wale mechanicznym. Zgłoszenie patentowe RP nr P331865
[5] LISOWSKI J. i inni, Sposób regulacji kąta elektrycznego pomiędzy silnikami indukcyjnymi trójfazowymi połączonymi jednym wałem. Patent RP 177683 B1
AN ENERGY-SAVING METHOD OF LOAD COMPENSATION FOR (SLIP) RING
INDUCTION MOTORS COUPLED WITHIN A MECHANICAL SHAFT SYSTEM
The paper presents a concept of load compensation for (slip) ring induction motors coupled mechanically. It is based on an appropriate connection of the windings of the armatures to the common circuit.
The results published in the paper confirm the effectiveness of the presented method, which has produced
an increase of an efficiency coefficient in comparison with traditional techniques applying compensatory
resistors. In consequence, these results has proved the proposed approach to be applicable in strip mining
to drives of one- and two- drum conveyor belts with large and medium power motors.