docPomiary oraz estymacja energooszczędnego silnika o mocy 1MW
download 
Reklamacja Transkrypt
Pomiary oraz estymacja energooszczędnego silnika o mocy 1MW
„POSTĘPY W ELEKTROTECHNICE STOSOWANEJ” PES-7 Kościelisko, 22-26 czerwca 2009r. Oddział Warszawski Polskiego Towarzystwa Elektrotechniki Teoretycznej i Stosowanej, Wydział Elektryczny Politechniki Warszawskiej, Ośrodek Promocji Badań z/z Energoelektroniki PW Grzegorz Paweł KORBAŚ, Krystyna MACEK-KAMIŃSKA Politechnika Opolska, Instytut Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej Pomiary oraz estymacja energooszczędnego silnika o mocy 1MW Streszczenie. W artykule przedstawione zostały wybrane pomiary energooszczędnego silnika indukcyjnego typu Sh 500 H4B. Są to głównie przebiegi czasowe prądów, napięć i prędkości obrotowej dla rozruchu silnika. Przedstawiony został również problem estymacji parametrów modelu matematycznego silnika w oparciu o wymienione przebiegi dynamiczne. Estymacja ta może być podstawą do symulacji silnika. Słowa kluczowe: energooszczędny silnik indukcyjny, przebiegi dynamiczne, estymacja parametrów. Abstract. The paper presents chosen measurements of the high-efficiency induction motor (Sh 500 H4B). These are mainly current, voltage and angular velocity dynamical dependencies. The problem of estimation of parameters of motor’s mathematical model based on the dependencies has been described as well. The estimation can be the base for simulation of the motor. (Measurements and estimation of high-efficiency 1MW motor). Keywords: podać słowa kluczowe angielskie. Wstęp Wysokonapięciowe indukcyjne silniki energooszczędne są stosunkowo nowym produktem na krajowym rynku. Z punktu widzenia konstrukcyjnego maszyny te mają zwiększone przekroje uzwojenia, zoptymalizowane kształty żłobków oraz zastosowane blachy pakietowe o mniejszej stratności. Silniki te charakteryzują się mniejszymi stratami, mniejszym poziomem hałasu i wysoką sprawnością również przy obciążeniach znacznie niższych, niż znamionowe. W stosunku do rozwiązań standardowych mają też zwiększone wymiary i masę. Naturalne wydaje się badanie tych silników między innymi pod kątem możliwości ich symulacji przy zastosowaniu sprawdzonych modeli matematycznych silników indukcyjnych. W marcu 2006 roku na terenie Elektrowni Opole wykonano szereg pomiarów energooszczędnego silnika indukcyjnego typu Sh 500 H4B. Podstawowe informacje o silniku zawiera tabela 1. Wybrane przebiegi pomiarowe W ramach badań rejestrowano przebiegi rozruchowe przy zasilaniu pełnym napięciem 6kV (Rys.1.) Przebiegi te są zbliżone do przedstawionych w [1]. Warto zwrócić uwagę, że przy rozruchu pełnym napięciem jest widoczny efekt obniżenia się obwiedni napięcia zasilającego na krótki czas (Rys.2.). Zagadnienie to musi być wzięte pod uwagę w celu prawidłowego przeprowadzenia procesu estymacji, co było już sugerowane w [1] i [3]. Tabela 1. Podstawowe informacje o badanym silniku Typ silnika Sh 500 H4B Producent EMIT – Żychlin (Polska) Napięcie 6 kV Moc 1 MW Liczba biegunów 4 Prędkość znamionowa 1494 obr/min Natężenie znamionowe 112 A Masa 6180 kg Niniejszy artykuł prezentuje z jednej strony wybrane zmierzone przebiegi dla badanego silnika, a z drugiej omawia zastosowanie wybranych przebiegów do estymacji parametrów silnika. Jednym z celów pomiarów była bowiem analiza możliwości symulacji silnika energooszczędnego za pomocą znanego modelu silnika indukcyjnego dwuklapkowego. Niezbędnym etapem modelowania i symulacji jest natomiast odpowiednia estymacja parametrów. Estymacja ta była prowadzona przy zastosowaniu obiektowego systemu estymacji parametrów SEST opisanego szerzej w pracy [3]. Podczas estymacji stosowano głównie do minimalizacji algorytmy ewolucyjne, ale również hybrydową metodę GA-HJmod [2]. Autorzy prezentowali już w [1] wybrane zagadnienia związane z estymacją parametrów silnika energooszczędnego z przebiegów pomiarowych dla sytuacji rozruchu silnika napięciem 6kV. W tym artykule zaprezentowano inne, niepublikowane wcześniej przebiegi pomiarowe oraz oparte na nich, nowe przykłady estymacji parametrów silnika. Rys.1. Przebiegi prędkości obrotowej i natężenia prądu stojana przy rozruchu napięciem 6kV. Rys.2. Obwiednia napięcia przy rozruchu 6kV. Zupełnie inna sytuacja ma miejsce, gdy silnik jest zasilany obniżonym napięciem (ok. 500V) i po ustaleniu stanu napięcie to jest zwiększane – wciąż jednak znacznie obniżone (ok.600V) - Rys.3. Badany silnik w sytuacji braku obciążenia przy zasilaniu napięciem rzędu 10% napięcia znamionowego osiąga już znamionową prędkość obrotową. Zwiększenie napięcia nie wpływa w tej sytuacji w sposób znaczący na prędkość. Rys.3. Przebiegi prędkości obrotowej i natężenia prądu stojana oraz obwiednia napięcia przy zwiększeniu napięcia z 500 do 600V. Kolejne przebiegi dotyczą sytuacji, gdy po rozruchu spowodowano zwarcie w obwodzie uzwojenia stojana, a następnie odłączenie napięcia (Rys.4.). Ostatnia prezentowana w artykule sytuacja pomiarowa dotyczy pomiarów momentu siły otrzymywanego przy zatrzymanym wirniku. Do wirnika umocowano ramię o długości 0,5m, które naciskało na wagę tensometryczną umożliwiającą pomiar do 2,5 tony. Waga była wstępnie obciążona przez dociśnięcie do niej ramienia z siłą ok. 5000N. Silnik był na krótki czas zasilony pełnym napięciem (6kV) – rysunek 5 przedstawia przebiegi natężenia prądu stojana i momentu siły. Na rysunku 6 przedstawiono również zdjęcie silnika z ramieniem obejmującym wirnik i naciskającym na wagę (z lewej). Rys.5. Przebiegi natężenia prądu stojana i momentu siły przy zasilaniu 6kV z zatrzymanym wirnikiem. Rys.6. Silnik, ramię obejmujące wirnik i waga podczas pomiarów przy zasilaniu 6kV z zatrzymanym wirnikiem. Rys.4. Przebiegi prędkości obrotowej i natężenia prądu stojana oraz obwiednia napięcia przy zwarciu i odłączeniu zasilania. Estymacja parametrów Dokonano wielu prób estymacji parametrów silnika na bazie różnych przebiegów pomiarowych. Do estymacji używany był model silnika indukcyjnego dwuklatkowego po transformacji równań stojana i wirnika do osi u, v wirujących z częstością równą częstości sinusoidalnego źródła napięcia. Model ten był wielokrotnie opisywany – przykładowo w [1] i [3]. Parametrami silnika, które były estymowane przy użyciu tego modelu są: reaktancja magnesowania, reaktancja stojana, reaktancje synchroniczne klatek wirnika, rezystancje klatek wirnika, rezystancja wirnika, moment obciążenia i mechaniczny współczynnik tarcia w ruchu obrotowym. Estymowano również fazę początkową napięcia zasilania oraz moment bezwładności wirnika, ale w wąskich granicach, gdyż był podany w dokumentacji silnika. Dokonywano estymacji szeregowej – bazującej na dwu przebiegach (natężenia i szybkości obrotowej) równocześnie. Funkcja celu, która obliczała niezgodność danych z modelu i z pomiarów, miała postać: N f ( P) = w1 ∑ (i s − MOD (t j , P) − is − POM (t j ) ) 2 niższa albo otrzymane parametry nie zaakceptować jako możliwe w rzeczywistości. dały się + j =1 (1) N + w2 ∑ (ω (t j , P) − ωPOM (t j ) ) 2 MOD j =1 gdzie |is-MOD|, ωMOD – moduł prądu stojana i prędkość kątowa wirnika obliczone z modelu, |is-POM|, ωPOM – moduł prądu stojana i prędkość kątowa wirnika uzyskane z pomiarów, P – wektor parametrów, tj – j-ta chwila czasowa (dla której uzyskano pomiary), w1, w2 – współczynniki wagowe. Współczynniki wagowe były dobierane zwykle w ten sposób, aby wpływ przebiegów natężenia i prędkości na estymację był zbliżony. Funkcja celu była minimalizowana głównie przy zastosowaniu algorytmów ewolucyjnych oraz hybrydowej metody GA-HJmod [2]. Proces estymacji prowadzono przy zastosowaniu obiektowego systemu estymacji parametrów SEST [3], który umożliwiał swobodne modyfikacje funkcji celu, wybór metody minimalizacji, ustalanie szczegółów implementacji modelu oraz zarządzanie danymi wejściowymi i wynikami. Procesy estymacji toczyły się zwykle niezależnie na czterech stanowiskach obliczeniowych – niektóre w sytuacji, gdy stanowiska te współpracowały ze sobą, tworząc sieć obliczeniową. Całość obliczeń (w formie różnych prób z różnych danych wejściowych) trwała ponad miesiąc. W [1] zauważono, że nawet przy pracy sieciowej na zadowalające wyniki należy czekać niekiedy nawet kilka dni przy estymacji z rozruchu. Postanowiono zatem przeprowadzić estymację z innych pomiarów i dla różnych konfiguracji algorytmów ewolucyjnych i GA-HJmod, aby mieć szersze spojrzenie na ten problem. Badania były prowadzone głównie na przebiegach przedstawionych na rysunkach 1 i 3 w różnych konfiguracjach metod i przy różnej liczbie punktów wejściowych (stosowano pełne kilkanaście tysięcy punktów lub też na przykład tylko kilkaset wybranych punktów kluczowych). Ostatecznie z przebiegów przy obniżonym napięciu (rys.3.) w ogóle nie dało się uzyskać satysfakcjonujących wyników. Dla przebiegów z rozruchu niektóre procesy estymacji dawały pozytywne rezultaty, jednak statystycznie rzecz ujmując ich uzyskanie było trudne i przypadkowe. Wynika to przede wszystkim z tego, że algorytmy ewolucyjne oparte są na losowości i nie ma gwarancji, że właściwe rozwiązanie zostanie odszukanie w rozsądnych granicach czasowych. Metoda GA-HJmod również opiera się głównie na algorytmach ewolucyjnych, lecz posiada możliwość szybszego (opartego na metodzie deterministycznej Hooke’a-Jeevesa) dostrojenia lokalnego. Metoda ta jest średnio biorąc szybsza niż stosowane metody ewolucyjne, ale funkcja celu w przypadku silnika była na tyle skomplikowana, że również GA-HJmod działała powoli i w sposób nie gwarantujący sukcesu. Na rysunku 7 przedstawiono przykładowe wyniki estymacji w formie porównania przebiegów pomiarowych z wyestymowanymi. Takie wyniki udało się uzyskać po kilkunastu godzinach pracy stanowiska obliczeniowego. Zwykle otrzymywana zgodność przebiegów była jednak Rys.7. Przykładowe wyniki estymacji dla rozruchu silnika. Wszystkie akceptowalne rezultaty uzyskiwane były jedynie przy uwzględnieniu spadku napięcia zasilania przy rozruchu, co zostało uwzględnione w modyfikacji modelu. Jest możliwe, że dalsze modyfikacje modelu, metod minimalizacji lub funkcji celu przyniosłyby lepsze wyniki i większą pewność ich otrzymywania – wymaga to jednak szerszych badań. Podsumowanie W artykule zaprezentowano wybrane przebiegi pomiarowe energooszczędnego silnika indukcyjnego typu Sh 500 H4B oraz opisano problem estymacji parametrów tego silnika z wybranego, powszechnie znanego modelu matematycznego. Stwierdzono, że estymacja stanowi w ogólności duże wyzwanie – zastosowanie metod ewolucyjnych lub opartej na nich metody hybrydowej nie daje gwarancji sukcesu: proces estymacji jest długotrwały i akceptowalne wyniki otrzymuje się stosunkowo rzadko. Wskazuje to na konieczność badania i rozwoju metod stosowanych w estymacji. Można też zastanawiać się nad możliwością innego określenia funkcji celu. W niektórych przypadkach estymacja daje korzystne rezultaty, co wskazuje, że model jest wystarczająco dobry, aby symulować wybrane przebiegi silnika energooszczędnego. Z drugiej jednak strony model może i powinien być modyfikowany. Jedną z modyfikacji (już dokonanych) było uzmiennienie napięcia zasilającego, co umożliwiło wzięcie pod uwagę spadku napięcia przy rozruchu. LITERATURA [1] M a c e k - K a m i ń s k a K., Korbaś G . P . , Estymacja parametrów silnika energooszczędnego, Przegląd elektrotechniczny, Nr 3, 2009 [2] K o r b a ś G . P . , Sieciowa implementacja hybrydowej metody minimalizacji GA-Hjmod, Międzynarodowe Warsztaty Doktoranckie, Wisła, 2004 [3] K o r b a ś G . P . , Obiektowy system estymacji parametrów układów elektromechanicznych – rozprawa doktorska, Politechnika Opolska, 2007 Autorzy: dr hab. inż. Krystyna Macek-Kamińska, prof. PO, Politechnika Opolska, Instytut Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej, ul. Luboszycka 7, 45-036 Opole, E-mail: [email protected]; dr inż. Grzegorz Paweł Korbaś, Politechnika Opolska, Instytut Układów Elektromechanicznych i Elektroniki Przemysłowej, ul. Luboszycka 7, 45-036 Opole, E-mail: [email protected];
