Streszczenie referatu

Streszczenie referatu
Analiza własności silnika indukcyjnego
synchronizowanego ( LS-PMSM )
metodą polową .
Wykonali studenci z koła naukowego „Magnesik” :
Marcin Bajek
Tomasz Bąk
Opiekun :
dr hab. inż. Wiesław Jażdżyński , prof. nz. AGH
1. WSTĘP .
Celem referatu było zamodelowanie w programie Femag
silnika indukcyjnego klatkowego , a następnie zmodyfikowanie
jego konstrukcji – wstawienie do wirnika magnesów stałych oraz
zmniejszenie powierzchni żłobków klatki maszyny . W ten sposób
uzyskujemy silnik indukcyjny synchronizowany ( LS-PMSM
Linear Starting Permanent Magnet Synchronous Machine ) .
Łączy on w sobie zaletę silnika indukcyjnego – samorozruch ,
oraz silnika synchronicznego – pracę w stanie ustalonym bez strat
w wirniku. Zaprojektowany przez nas silnik indukcyjny był
wzorowany na rzeczywistej maszynie 7.5 [kW] , której
charakterystyki uzyskane podczas pomiarów porównaliśmy z
obliczonymi z modelu .
2. PROGRAM „FEMAG” .
Femag korzysta w swych obliczeniach z metody elementów
skończonych . Metoda ta polega na zbudowaniu siatki złożonej z
elementów trójkątnych lub wielokątnych ( przy czym
dokładniejsze wyniki dają figury o jak najmniejszej ilości boków )
i wyznaczeniu w każdej z takich figur potencjału wektorowego .
W całym trójkącie jego wartość jest równa , stąd im mniejsze
elementy , tym większa dokładność . Potencjał jest wyznaczany z
podstawowych praw Maxwella .
rot H = J +
δD
δt
div B = 0
rot E = −
div B = ρ
Rys.1 Metoda elementów skończonych .
δB
δt
Wartość potencjału w elemencie to :
m
1
(ai + bi x + ci y ) Ai
∆
2
i
ai = x j ym − xm y j
A( x, y ) = ∑
bi = y j − ym
ci = xm − x j
FEMAG dokonuje obliczeń jedynie w przestrzeni 2 wymiarowej .
W celu uwzględnienia 3-wymiarowości stosujemy model
polowo-obwodowy .
Rys.2 Elementy schematu zastępczego maszyny uwzględniane przez
program Femag .
Femag to program do obliczeń polowych , w którym zadaje
się wartość prądu . Komplikuje to nieco pracę z nim , ponieważ w
silnikach przyjęło się traktować za wymuszenie napięcie .
Inną niedogodnością Femaga jest jego niezdolność
równoczesnego obliczania pola przemiennego z polem
pochodzącym od magnesów stałych .
3. SILNIK INDUKCYJNY .
Zamodelowany w przestrzeni dwuwymiarowej silnik miał
wymiary silnika rzeczywistego , na którym się wzorowaliśmy .
Rys.3 Przekrój silnika indukcyjnego .
Objaśnienia do rysunku :
1 – uzwojenie stojana
2 – klatka aluminiowa
3 – wirnik i stojan z blachy elektrotechnicznej 470-50A
4 – wał wykonany ze stali ST5
Zasymulowaliśmy przebieg linii sił pola dla trzech różnych
stanów maszyny : jałowego , znamionowego oraz zwarcia . Pod
każdym z nich znajduje się wykres indukcji w szczelinie
powietrznej .
bieg jałowy
stan znamionowy
stan zwarcia
Rys.4 Rozkład linii sił pola dla silnika indukcyjnego .
• dla biegu jałowego praktycznie cały strumień wnika do rdzenia
wirnika oraz wału maszyny , wpływ klatki jest znikomy
• dla stanu znamionowego gęstość linii sił pola w żelazie wirnika
oraz wale jest znacznie mniejsza
• przy stanie zwarcia ekranujący wpływ klatki jest tak duży , że
strumień praktycznie nie wnika do wału oraz do żelaza wirnika
widać tu również inny kształt linii w stojanie
Przy pomocy programu Femag wyznaczyliśmy dwie
charakterystyki silnika – rozruchową ( zależność momentu
elektrycznego od poślizgu ) oraz zwarciową ( prąd w funkcji
napięcia przy zatrzymanej maszynie ) .
90
80
70
prąd I [A]
60
50
40
30
20
10
0
0
50
100
150
200
250
300
350
napięcie U [V]
Rys.5 Charakterystyka zwarciowa .
Przy zatrzymanym wirniku nie indukuje się siła
elektromotoryczna rotacji, maszyna pracuje jak transformator.
Odbieganie charakterystyki od linii prostej to efekt nasycania się
żelaza .
200
180
moment Te [Nm]
160
140
120
100
80
60
40
20
0
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
poslizg s
Rys.6 Charakterystyka rozruchowa .
Zależność tą otrzymuje się przy stałym napięciu silnika
równym 400 [V] . Porównanie tej charakterystyki z otrzymaną z
pomiarów na rzeczywistym silniku dało zaskakująco dobry wynik
– moment rozruchowy rzeczywistej maszyny 131,5 [Nm] , z
modelu – 132 [Nm] .
4. SILNIK INDUKCYJNY
SYNCHRONIZOWANY LS-PMSM.
Pomimo , że silniki elektryczne wykorzystywane są od
ponad stu lat, to dynamiczny rozwój PMSM rozpoczął się dopiero
w ostatniej dekadzie . Głównym ograniczeniem był brak
odpowiednich magnesów trwałych .
Z tego też względu jest to wciąż pole dla eksperymentów, a nie
szablonowych rozwiązań . Za punkt wyjścia przyjęliśmy badany
silnik indukcyjny , poprzez modyfikację którego dążyliśmy do
uzyskania specjalnego typu maszynę PMSM, tzw. LS-PMSM
(spotykana nazwa – silnik indukcyjny synchronizowany).
Rys.7 Przekrój analizowanego silnika indukcyjnego
synchronizowanego .
Objaśnienia do rysunku 7 :
1 – uzwojenie stojana
2 – zredukowana klatka aluminiowa
3 – magnesy stałe
4 – wirnik i stojan z blachy elektrotechnicznej 470-50A
5 – wał wykonany ze stali ST5
Wprowadzenie magnesu stałego spowodowało istotne zmiany w
rozkładzie pola magnetycznego w maszynie .
+
a)
Pole od
magnesu
=
b) Pole od prądu
stojana
c) Pole
wypadkowe
Rys.8 Przebieg linii sił pola . Na wykresach pole w szczelinie .
Pole wypadkowe to suma pola od magnesu i od prądu stojana
.Można zauważyć:
ad a) praktycznie cała energia jest zgromadzona w szczelinie
nad magnesem
ad b) rozkład zbliżony jest do sinusoidy
ad c) przebieg w pracującej maszynie , widoczne silne
oddziaływanie magnesu , rozkład sinusoidalny (wyraźna
podstawowa harmoniczna)
Ponieważ jedną z głównych zalet projektowanego silnika ma być
samorozruch , wykonaliśmy niezbędne symulacje mające ustalić
czy istnieje moment rozruchowy .
Uzyskany przez nas moment rozruchowy wyniósł
TRozruch = 245 [Nm] ,
co jest wartością blisko dwukrotnie większą od tej w silniku
indukcyjnym .
Symulacja zmiany pola w trakcie obrotu .
Obecnie trwają prace nad określeniem charakterystyki zależności
momentu od położenia wirnika .Wykonano wstępne obliczenia.
Wykorzystując względność ruchu , sterując strumieniem pola
pochodzącego od stojana , uzyskaliśmy efekt identyczny z
obrotem rotora względem pola wirującego .
5. WNIOSKI .
• konstrukcja LS-PMSM łączy w sobie pozytywne cechy silnika
indukcyjnego w trakcie rozruchu i synchronicznego ( ustalona
praca )
• istnieje szerokie pole manewru w celu udoskonalenia
konstrukcji , między innymi zmniejszenie rozmiarów prętów
klatki i powiększenie magnesów stałych , co powoduje
zwiększenie powierzchni czynnej żelaza i energii
zgromadzonej w magnesach
• wskazane jest wykorzystanie oprogramowania polowego ,
które potrafi :
a) analizować pole przemienne równocześnie z polem od
magnesów trwałych
b) wykonywać obliczenia przy wymuszeniu napięciowym w
modelach polowo-obwodowych