Ludwik ANTAL*, Jan ZAWILAK* KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ

Nr 48
Prace Naukowe Instytutu
Politechniki
Maszyn, Napędów
Wrocławskiej
i Pomiarów Elektrycznych
Studia i Materiały
Nr 20
Nr 48
2000
silnik elektryczny, synchroniczny, dwubiegowy,
pole wzbudzenia, kompensacja mocy biernej
Ludwik ANTAL*, Jan ZAWILAK*
KOMPENSACJA MOCY BIERNEJ SILNIKIEM SYNCHRONICZNYM,
DWUBIEGOWYM, O UŁAMKOWYM STOSUNKU PRĘDKOŚCI
Silnik synchroniczny, dwubiegowy w zastosowaniu do napędu wentylatora głównego
przewietrzania kopalni jest rozwiązaniem pozwalającym na znaczne oszczędności energii elektrycznej
przy relatywnie niskich kosztach inwestycyjnych. Przełączanie uzwojeń stojana i wirnika w celu
uzyskania większej liczby biegunów, a tym samym drugiej, mniejszej prędkości obrotowej prowadzi
do silnego zniekształcenia pola wypadkowego maszyny. Konsekwencje tego odkształcenia to
zmniejszenie przeciążalności maszyny i ograniczenie zakresu kompensacji mocy biernej. Przezwojone
jednobiegowe silniki typu GAe pracują obecnie w kopalniach miedzi i węgla kamiennego. Pozwoliło
to na pomiarową weryfikację przewidywanych właściwości eksploatacyjnych silników
dwubiegowych. Badania wykazały, że maszyny te zapewniają istotną oszczędność energii, pracują
stabilnie i umożliwiają kompensację mocy biernej. Podczas pracy z mniejszą prędkością obrotową
prąd wzbudzenia w czasie synchronizacji musi mieć większą wartość niż dla prędkości większej, a
moc bierna pojemnościowa jest wytwarzana przy prądach znacznie przekraczających znamionowy
prąd wzbudzenia maszyny jednobiegowej. Zapas wzbudzenia we wzbudnicach badanych maszyn jest
wystarczający do uzyskania kompensacji mocy biernej, a zwiększona wartość prądu wzbudzenia nie
stanowi zagrożenia dla uzwojenia, gdyż czas pracy silnika z mniejszą prędkością jest stosunkowo
krótki.
1. WSTĘP
Wentylatory głównego przewietrzania kopalni mają istotny wpływ na zużycie energii
elektrycznej w kopalni. Silniki napędzające wentylatory mają moc do 3,15 MW i należą do
największych odbiorników energii w kopalni. Stąd też oszczędniejsza eksploatacja tych
odbiorników ma korzystny wpływ na koszty. Źródłem oszczędności może być zmienne
zapotrzebowanie na powietrze, mniejsze w dniach wolnych od pracy, w okresach
międzyzmianowych i rewizji szybów. Wydajność stacji wentylatorowych można zmieniać
przez:
– zmianę liczby pracujących wentylatorów,
– dławienie przepływu powietrza,
– zmianę prędkości obrotowej silników napędzających.
______________
* Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych Politechniki Wrocławskiej, Wybrzeże Wysspiańskiego 27, 50-372 Wrocław.
123
Dwa pierwsze sposoby, stosowane dotychczas, nie zapewniają dostatecznych
oszczędności i elastyczności systemu przewietrzania. Dławienie przepływu powietrza za
pomocą aparatu kierowniczego powoduje duży spadek sprawności wentylatora przy
stosunkowo niewielkiej zmianie jego wydajności. Maksymalna zmiana wydajności możliwa
ze względu na sprawność nie przekracza 14%, a towarzysząca jej zmiana mocy 20%.
Najbardziej ekonomiczna jest regulacja przez zmianę prędkości obrotowej, a tę w napędach
elektrycznych prądu przemiennego można uzyskać:
– regulacją parametrów napięcia zasilającego (częstotliwości, amplitudy),
– zmianą liczby biegunów (silniki wielobiegowe).
Regulacja parametrów napięcia zasilającego umożliwia zmianę prędkości obrotowej
układu napędowego w dużym zakresie (zmianę parametrów wyjściowych wentylatora),
łagodzi procesy rozruchowe, umożliwia sterowanie procesami hamowania, dopasowanie mocy
silnika do zapotrzebowania maszyny roboczej, ma niskie koszty eksploatacyjne. Związana jest
jednak z wysokimi kosztami inwestycyjnymi urządzenia energoelektronicznego, którego cena
bywa kilkakrotnie większa od ceny silnika napędowego. Koszty inwestycji zwiększają się
z napięciem znamionowym silnika i mają również związek z powierzchnią zajmowaną przez
transformatory i przemiennik. Zastosowanie wielobiegowych silników napędowych umożliwia
skokową regulację prędkości, a więc również wydajności wentylatora i mocy pobieranej przez
silnik. Wentylatory głównego przewietrzania pracują z prędkościami z zakresu 300–
600 obr/min. Skokowa zmiana prędkości z 375 na 300 obr/min zmniejsza wydajność
wentylatora o 20%, a moc silnika o 49%. Zmiana prędkości z 500 na 375 obr/min zmniejsza
wydajność wentylatora o 25%, moc silnika natomiast o 58%. Zmiana prędkości z 600 na
500 obr/min zmniejsza wydajność wentylatora o 17%, a moc silnika o 42%.
Modernizacja istniejącego jednobiegowego silnika do pracy przy dwóch prędkościach
obrotowych polega na skonstruowaniu i dopasowaniu do istniejącego obwodu
magnetycznego przełączalnego uzwojenia twornika oraz odpowiedniego przełączania
biegunów uzwojenia wzbudzenia z zastosowaniem dodatkowej pary pierścieni ślizgowych.
Posługując się metodą modulacji kierunkowo-prądowej lub modulacji fazowej [8, 9],
uzwojenie twornika projektuje się w taki sposób, by miało ono możliwie najlepsze
parametry dla pola podstawowego każdej z prędkości silnika oraz nie oddziaływało z polami
harmonicznymi o dużych amplitudach magneśnicy.
Magneśnica dwubiegowej maszyny synchronicznej dla jednej z prędkości obrotowych
musi wytworzyć pole magnetyczne o podstawowej liczbie biegunów innej niż liczba
biegunów fizycznych. Osiąga się to przez zmianę kierunków prądów w wybranych cewkach
biegunów. Dla jednej z prędkości synchronicznych magneśnica jest symetryczna
i wytworzone pole ma liczbę biegunów równą liczbie fizycznie istniejących biegunów
wydatnych. Dla drugiej prędkości obrotowej konieczne jest przełączenie kierunku prądu w
wybranych biegunach, przy czym wybór tych biegunów zależy od stosunku żądanej liczby
biegunów pola do liczby fizycznych biegunów. Dla uzyskania mniejszej prędkości liczba
biegunów magnetycznych musi być większa od liczby biegunów fizycznych. Przez
odpowiednie przełączenia lub wyłączenia biegunów można uzyskać taki rozkład pola
wzbudzenia,
że
druga,
w stosunku do uzyskanej harmonicznej podstawowej, harmoniczna pola będzie miała dużą
wartość i będzie odpowiadała żądanej biegunowości pola [1, 2, 3, 4].
124
Przewaga silnika dwubiegowego, synchronicznego nad innymi rozwiązaniami
racjonalizującymi zużycie energii polega na niskich kosztach inwestycyjnych, ale również
na tym, że podobnie jak w silnikach jednobiegowych, możliwa jest kompensacja mocy
biernej. Sprawdzenie zakresu kompensacji silnika pracującego z mniejszą prędkością jest
zasadniczym celem opisanych badań.
2. PRZEDMIOT I ZAKRES BADAŃ
Dane zmodernizowanych silników synchronicznych typu GAe, pracujących obecnie
w kopalniach miedzi i węgla kamiennego, zestawiono w tabeli 1. W dolnej części tabeli
podano również typ po modernizacji i drugą prędkość obrotową. Pomiary silników
zainstalowanych w stacjach wentylatorowych obejmowały rozruch i synchronizację dla obu
prędkości synchronicznych oraz pracę w czasie obciążenia. Dla dwóch wartości obciążenia,
odpowiadających pracy bez dławienia powietrza i z maksymalnym dławieniem, wyznaczono
krzywe V, badając w ten sposób możliwość kompensowania mocy biernej. Zakres badań
poszczególnych silników był różny i wynikał z warunków lokalnych.
Tabela 1. Dane znamionowe zmodernizowanych silników synchronicznych
cosϕn
Typ
kW
V
A
A
–
GAe1412p
500
6000
58
170
0,9poj
nn
obr/min
500
Pn
Un
In
Ifn
Typ po przezwojeniu
n2n
obr/min
GAe1510p
1250
6000
140
230
0,9poj
GAe1512s
1600
6000
178
190
0,9poj
600
GAe1412/16p GAe1510/12p
375
500
500
GAe1716t
3150
6000
350
300
0,9poj
375
GAe1512/16s GAe1716/20t
375
300
3. WYNIKI POMIARÓW
Wyniki pomiarów krzywych V trzech silników, dla których zebrano najwięcej danych,
przedstawiono na rysunkach 1, 2 i 3. W czasie badań silnika GAe1412/16p ustalono, że przy
otwartej przepustnicy granica stabilności silnika pracującego z prędkością synchroniczną
500 obr/min wyznaczona jest prądem wzbudzenia If = 40 A, a przy prędkości 375 obr/min –
If = 65 A (rys. 1). Wyniki badań dwubiegowego silnika GAe1510/12p porównano z
wynikami pomiarów jednobiegowego silnika GAe1510p (rys. 2). Krzywe V silnika
przezwojonego są przesunięte w kierunku większych prądów wzbudzenia. Charakterystyki
silnika dwubiegowego wyznaczono dla obu prędkości przy pełnym otwarciu przepustnicy
(aparatu kierowniczego). Różnica mocy wskazuje jak duże mogą być oszczędności energii.
Taka sama informacja jest zawarta na wykresie (rys. 3), przedstawiającym charakterystyki
125
silnika GAe1716/20t, który ma największą moc spośród wszystkich modernizowanych
silników. Dla tego silnika różnica prądów wzbudzenia niezbędnych do wytworzenia mocy
biernej pojemnościowej jest szczególnie duża.
50
I [A ]
GA e1412/16p 500 kW
45
P rzepustnica zamknięta
P rzepustnica otw arta
40
P rzepustnica zamknięta
35
n = 500 o b r/min
P rzepustnica otw arta
30
25
20
n = 375 ob r/min
15
10
5
I f [A ]
0
0
50
100
150
200
250
300
Rys. 1. Krzywe V silnika typu GAe1412/16p
Fig. 1. V curve of the GAe1412/16p motor
120
I [A ]
GA e1510p 1250 kW
100
GA e1510/12p
80
60
P =1020 kW n=600 obr/min
P =890 kW n=600 obr/min
40
P =970 kW n=600 obr/min
P =530 kW n=500 obr/min
20
I f [A ]
0
100
120
140
160
180
200
220
240
Rys. 2. Krzywe V silnika typu GAe1510/12p
Fig. 2. V curve of the GAe1510/12p motor
W badaniach silników GAe1510/12p i GAe1512/16s rejestrowano również pobór
energii. Na podstawie uzyskanych wyników można przewidywać, że w roku 2000
wentylatory będą pracować przy zmniejszonej prędkości przez 2583 godzin, co pozwoli
126
zaoszczędzić na silniku GAe1510/12p 1 025 000 kWh, a na silniku GAe1512/16s
1 994 000 kWh.
300
I [A ]
250
200
GAe1716/20t 3150kW
150
100
P =1900 kW ; n=375 obr/min
50
P =1100 kW ; n=300 obr/min
I f [A ]
0
100
150
200
250
300
350
400
Rys. 3. Krzywe V silnika GAe1716/20t
Fig. 3. V curve of the GAe1716/20t motor
4. WYNIKI OBLICZEŃ POLA I MOMENTU
Obliczenia elektromagnetyczne wykonane podczas projektowania silników
dwubiegowych [5, 6, 7] umożliwiają interpretację wyników uzyskanych z pomiarów.
Między innymi wykonano obliczenia numeryczne (metodą elementów skończonych)
rozkładu pola magnetycznego w przekroju poprzecznym maszyny. Na podstawie wyników
tych obliczeń wyznaczono kątową charakterystykę momentu dla obu prędkości obrotowych i
zbadano kształt krzywej pola w szczelinie maszyny, wyznaczając rozkład harmonicznych.
Kątowe charakterystyki momentu oraz amplitudy harmonicznych pola wypadkowego w
szczelinie maszyny dla trzech zmodernizowanych silników pokazano na rysunkach 4–9.
Charakterystyki momentu pokazują, że dla mniejszej prędkości znacznie wzrasta kąt
obciążenia maszyny i zmniejsza się jej przeciążalność. Szczególnie widoczne jest to w
przypadku silnika GAe1510/12p (rys. 4). Dla tej maszyny widoczne są też momenty
pasożytnicze odkształcające charakterystykę. Silnik typu GAe1512/16s jest konstrukcją
najbardziej udaną, bo różnica kątów obciążenia dla obu prędkości jest niewielka (rys. 6).
Jego charakterystyka dla większej prędkości niewiele odbiega od charakterystyki silnika
jednobiegowego. Zmniejszenie przeciążalności maszyn przy mniejszej prędkości nie ma
większego znaczenia, ponieważ wszystkie badane silniki pracują podczas obciążenia rzędu
0,6–0,8 obciążenia znamionowego. Najmniej korzystne warunki pracy silnika GAe1510/12p
tłumaczy rozkład harmonicznych pola wypadkowego (rys. 5). W polu tej maszyny
127
pracującej na mniejszej prędkości poza harmoniczną podstawową (n = 6) pojawia się
generowana przez magneśnicę harmoniczna n = 4 o amplitudzie większej od amplitudy
harmonicznej podstawowej.
45 000
T [N m]
n = 600 obr/min
30 000
T n 600
15 000
T n 500
0
n = 500 obr/min
-15 000
-30 000
ϑ [deg]
-45 000
-60
-30
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
Rys. 4. Kątowa charakterystyka momentu silnika typu GAe1510/12p
Fig. 4. Torque versus power angle of the GAe1510/12p motor
0,9
B r [T]
0,8
600 obr/min
500 obr/min
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
n=p ν
0,1
0,0
1
6
11
16
21
26
31
36
41
46
51
56
61
66
71
76
Rys. 5. Harmoniczne pola w szczelinie silnika typu GAe1510/12p
Fig. 5. Field harmonics of the GAe1510/12p motor
81
86
128
80 000
T [N m]
60 000
Maszyna jednobiegow a n =500 obr/min
40 000
Maszyna dwubiegowa n =500 obr/min
T n 500
20 000
T n 375
0
ϑ [deg]
-20 000
Maszyna dwubiegowa n =375 obr/min
-40 000
-60 000
-80 000
-30
0
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
330
360
Rys. 6. Kątowa charakterystyka momentu silnika typu GAe1512/16s
Fig. 6. Torque versus power angle of the GAe1512/16s motor
1,4
B r [T]
jednobiegowa n = 500 obr/min
dwubiegowa n = 500 obr/min
dwubiegowa n = 375 obr/min
1,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,2
n=p ν
0,0
1
6
11 16
21 26 31 36 41 46
51 56 61 66 71 76
81 86
Rys. 7. Harmoniczne pola w szczelinie silnika typu GAe1512/16s
Fig. 7. Field harmonics of the GAe1512/16s motor
Również w polu pozostałych silników pojawiają się nieużyteczne harmoniczne o dużych
wartościach (odpowiednio n = 4 i n = 6), jednak są one mniejsze od harmonicznych pola
podstawowego (rys. 7 i 9). Stąd wynika większa wartość bezwzględna podstawowej
harmonicznej pola silników GAe1512/16s i GAe1716/20t. Znacznie mniejsza wartość
129
podstawowej harmonicznej pola podczas pracy z mniejszą prędkością tłumaczy przesuwanie się
krzywych V w stronę większych prądów wzbudzenia. Znaczna część prądu wzbudzenia
wytwarza nieproduktywne harmoniczne pola, więc dla uzyskania odpowiednio dużej wartości
harmonicznej podstawowej w uzwojeniu wzbudzenia musi płynąć prąd znacznie większy niż
przy pracy z prędkością większą.
200 000
T [Nm]
n = 375 obr/min
150 000
T n 375
100 000
50 000
T n 300
0
n = 300 obr/min
-50 000
-100 000
-150 000
ϑ [deg]
-200 000
-180 -150 -120
-90
-60
-30
0
30
60
90
120
150
180
Rys. 8. Kątowa charakterystyka momentu silnika typu GAe1512/16p
Fig. 8. Torque versus power angle of the GAe1512/16p motor
0,9
B r [T]
0,8
600 obr/min
500 obr/min
0,7
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
n=p ν
0,1
0,0
1
6
11
16 21 26 31 36
41 46 51 56
61 66 71 76 81
Rys. 9. Harmoniczne pola w szczelinie silnika typu GAe1716/20t
Fig. 9. Field harmonics of the GAe1716/20t motor
86
130
5. WNIOSKI
Dwubiegowy silnik synchroniczny, zastosowany do napędu wentylatora głównego
przewietrzania kopalni, pozwala dla relatywnie niskich kosztów inwestycyjnych na znaczne
oszczędności energii bez potrzeby rezygnowania z kompensacji mocy biernej.
Kompensacja mocy biernej podczas pracy z mniejszą prędkością synchroniczną
wymaga większych wartości prądu wzbudzenia, jednakże nie przekraczających możliwości
wzbudnicy. Kompensacja może w tym przypadku być niecelowa ze względu na odłączenie
w tym czasie większości odbiorników produkujących moc bierną indukcyjną.
LITERATURA
[1] ANTAL L., ZAWILAK J., Pole magnetyczne dwubiegowego silnika synchronicznego z wirnikiem o
biegunach jawnych, – Mat. konf. XXX Symp. Maszyn Elektrycznych, Kazimierz 1994.
[2] ANTAL L., ZAWILAK J., Silnik synchroniczny jawnobiegunowy o dwóch prędkościach obrotowych,
mat. konf. XXXI Sympozjum Maszyn Elektrycznych, Ustroń 1995.
[3] ANTAL L., ZAWILAK J., Pole magnetyczne synchronicznego silnika jawnobiegunowego o dwóch
prędkościach obrotowych, Zagadnienia maszyn i napędów elektrycznych, 1996, Prace Nauk. Instytutu
Maszyn i Napędów Elektrycz. PWr. nr 45, Studia i Materiały nr 19.
[4] ANTAL L., ZAWILAK J., Torque of two-speed synchronous motor, Mat. konf. XXXIV Symp. Maszyn
Elektrycznych, Łódź 1998.
[5] ANTAL L., ZAWILAK J., Opracowanie koncepcji oraz dokumentacji technicznej stojana silnika
synchronicznego typu GAe 1510 o mocy 1250 kW przystosowanego do pracy dwubiegowej,
Sprawozdanie IMiNE PWr. serii SPR nr 38/99.
[6] ANTAL L., ZAWILAK J., Opracowanie koncepcji oraz dokumentacji technicznej silnika typu GAe 1512
o mocy 1600 kW przystosowanego do pracy dwubiegowej, Sprawozdanie IMiNE PWr. serii SPR nr 73/99.
[7] ANTAL L., ZAWILAK J., Zmiana wydajności wentylatorów głównego przewietrzania kopalni przez
zastosowanie silników dwubiegowych, cz. I: Opracowanie koncepcji i założeń do projektu przebudowy
silników napędzających wentylatory głównego przewietrzania, Sprawozdanie IMiNE PWr serii SPR
nr 71/99.
[8] ZAWILAK J., Projektowanie trójfazowych uzwojeń ułamkowo-żłobkowych, Prace Nauk. Inst. Układów
Elektromasz. PWr. nr 43, Studia i Materiały nr 18, 1993.
[9] ZAWILAK J., Uzwojenia zmiennobiegunowe maszyn elektrycznych prądu przemiennego, Pr. Nauk. Inst.
Układów Maszynowych PWr. nr 37, Monografie nr 7, Wrocław 1986.
REACTIVE POWER COMPENSATION BY THE TWO-SPEED SYNCHRONOUS MOTOR
OF FRACTIONAL SPEED RATIO
Application of the two-speed synchronous motor to drive the main mine fans allows for considerable
electric energy savings at comparatively low capital costs. The two-speed pole-changing windings deform
the motor flux, especialy at lower speed and this reduces either an overload capacity and a range of reactive
power compensation. The Gae motors (originally of single-speed), provided with the two-speed windings,
are working in some coal and copper mines. The results of the excitation current during synchronization at
lower speed must be greater than that necessary at higher speed. Also, the cappacitive power generation
requires the excitation current of much higher value than the rated value of the original single-speed motor.