Full Text - Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 63
Politechniki Wrocławskiej
Nr 63
Studia i Materiały
Nr 29
2009
silnik indukcyjny, kliny magnetyczne, rozruch bezpośredni,
modelowanie polowo-obwodowe
Tomasz ZAWILAK*
WPŁYW KLINÓW MAGNETYCZNYCH NA WŁAŚCIWOŚCI
ROZRUCHOWE SILNIKA INDUKCYJNEGO
W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu zastosowania klinów magnetycznych na właściwości rozruchowe typowego silnika indukcyjnego średniego napięcia. Wykorzystując model polowoobwodowy wyznaczono zależność momentu oraz prądu rozruchowego w funkcji prędkości obrotowej. Obliczenia wykonano dla klinów o różnych przenikalnościach magnetycznych. Badania pokazują, że użycie klinów magnetycznych powoduje zmniejszenie zarówno momentu jak i prądu rozruchowego nawet o kilkanaście procent oraz pogorszenie dobroci rozruchu o kilka procent.
1. WSTĘP
W silnikach indukcyjnych średniego napięcia, ze względu na technologię wkładania sztywnych cewek, stosuje się żłobki otwarte. Zastosowanie żłobków otwartych
powoduje takie niekorzystne zjawiska jak: zwiększenie harmonicznych żłobkowych,
pulsacje momentu elektromagnetycznego, zwiększenie strat dodatkowych oraz drgania i hałas. Te ostatnie są trudne do oszacowania na etapie projektowania maszyn dlatego ich nadmierny poziom widoczny jest często dopiero na etapie prób. Wówczas
prostym i skutecznym rozwiązaniem ograniczającym wymienione zjawiska jest zastosowanie klinów magnetycznych w magnetowodzie stojana.
Większość badań dotyczących wpływu klinów magnetycznych na pracę maszyny
obejmuje ich pozytywny aspekt w trakcie pracy ustalonej [1, 2, 5]. Jednak użycie klinów magnetycznych zwiększa permeancję na drodze strumienia rozproszenia, co ma
szczególne znaczenie dla właściwości rozruchowych maszyny. Problem ten był rozpatrywany między innymi w [4]. Zakładana tam stała przenikalność klinów magnetycznych wydaje się zbyt dalekim uproszczeniem, szczególnie w warunkach rozruchowych, gdy natężenie pola magnetycznego w obszarze zębów jest duże.
_________
* Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected]
80
Celem niniejszej pracy jest zbadanie wpływu zastosowania klinów magnetycznych
na właściwości rozruchowe silnika indukcyjnego średniego napięcia.
2. KLINY MAGNETYCZNE
Obecnie często stosowane są kliny warstwowe, składające się z kilku naprzemianległych warstw masy magnetycznej oraz tkaniny szklanej [3]. Masa magnetyczna to
najczęściej proszek magnetyczny zespolony różnego rodzaju żywicami. Od procentowej zawartości proszku magnetycznego zależy względna przenikalność klina. W typowych rozwiązaniach maksymalna przenikalność magnetyczna względna wynosi od
kilku do ponad stu. Badając wpływ klinów magnetycznych na właściwości silnika
uwzględniono kliny magnetyczne o charakterystykach magnesowania przedstawionych na rysunku 1, co odpowiada wspomnianym wartościom maksymalnych przenikalności.
2
1,6
d
1,2
B [T]
c
0,8
b
0,4
a
0
0
50
100
150
200
250
300
H [kA/m ]
Rys. 1. Krzywe magnesowania rozpatrywanych klinów magnetycznych
(a) – klin niemagnetyczny (μr = 1), (b, c, d) – kliny o maksymalnej przenikalności
odpowiednio 10, 30, 100
Fig. 1. Magnetization curve of considerated magnetic wedges
(a) non-magnetic wedge (μr=1), (b,c,d) magnetic wedges with maximum permeability
10, 30, 100 respectively
81
3. WYNIKI BADAŃ
Wpływ parametrów klinów na właściwości rozruchowe silnika indukcyjnego zbadano na przykładzie typowego głębokożłobkowego silnika asynchronicznego średniego napięcia, którego dane znamionowe zestawiono w tabeli 1. Obliczenia wykonano
za pomocą modelu polowo-obwodowego (program Maxwell 2D), którego geometrię
części polowej z fragmentem siatki dysktretyzacyjnej pokazano na rysunku 2.
klin
Rys. 2. Geometria rozpatrywanego modelu wraz z fragmentem siatki dyskretyzacyjnej
Fig. 2. Geometry and mesh of FEM model
Tabela 1. Dane znamionowe silnika SZJfp 124L
Table.1 Ratings of induction motor type SZJfp 124L
Pn
nn
Mn
Un
In
cosϕn
Ir/In
Mr/Mn
kW
obr/min
Nm
V
A
–
–
–
1000
1487
6420
6000
113
0,90
5,8
1,1
Do obliczeń wykorzystano moduł transient, przy wymuszonej, parametrycznie
zmiennej prędkości obrotowej. W ten sposób uzyskano poszczególne punkty charakterystyki mechanicznej silnika, której wykres pokazano na rysunku 3.
Z wykresu wynika, że moment rozruchowy badanego silnika maleje wraz ze wzrostem przenikalności magnetycznej klinów. Zastosowanie klinów magnetycznych powoduje także zmniejszenie prądu rozruchowego, jednak w mniejszym stopniu niż momentu
rozruchowego, co jest widoczne w zestawieniu parametrów rozruchowych (tab. 2)
82
16
μr=1
14
μmax=10
12
M [kNm]
μmax=30
10
μmax=100
8
6
4
2
0
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1000
1200
1400
n [obr/min]
700
600
I [A]
500
400
μr=1
300
μmax=10
μmax=30
200
μmax=100
100
0
0
200
400
600
800
n [obr/min]
Rys. 3. Charakterystyki rozruchowe momentu (a) oraz prądu (b) badanej maszyny z klinami
o różnej przenikalności magnetycznej
Fig. 3. Torque versus speed (a) and current versus speed (b) characteristics of studied machine
with various magnetic wedges
83
Tabela 2. Zestawienie względnych parametrów rozruchowych
(momentu, prądu oraz dobroci) dla różnych przenikalności klinów
Table 2. Statement of relative start-up parameters (torque, current and start-up quality factor)
for various magnetic wedges
przenikalność klina
mr
ir
d
μr = 1
1
1
1
μmax = 10
0,934
0,957
0,976
μmax = 30
0,868
0,918
0,946
μmax = 100
0,833
0,896
0,929
Na podstawie wykonanych obliczeń silnika indukcyjnego z klinami magnetycznymi w żłobkach stojana można stwierdzić, że następuje zmniejszenie momentu elektromagnetycznego oraz prądu uzwojenia stojana w całym zakresie pracy silnikowej.
Następuje zwiększenie poślizgu znamionowego oraz strat obciążeniowych w wirniku i
mimo zmniejszenia strat dodatkowych od wyższych harmonicznych zastosowanie klinów
magnetycznych może nie dawać oczekiwanego zwiększenia sprawności maszyny.
Wpływ zastosowania klinów magnetycznych na straty i sprawność maszyn prądu
przemiennego wymaga dalszych badań.
LITERATURA
[1] ANAZAWA Y., KAGA A., AKAGAMI H., WATABE S., MAKINO, M., Prevention of harmonic
torques in squirrel cage induction motors by means of soft ferrite magnetic wedges, IEEE Trans. on
Magnetics Vol. 18, No. 6. 1982, s. 1550–1552
[2] HANNA, R.A., HISCOCK, W., KLINOWSKI, P., Failure Analysis of Three Slow-Speed Induction
Motors for Reciprocating Load Application, IEEE Trans. on Industry Application, Vol. 43, No. 2.
2007, s. 429–435.
[3] PLIŚ D., Wpływ klinów magnetycznych na parametry elektromechaniczne maszyn elektrycznych,
Rozprawa doktorska, Gliwice 2002.
[4] SHUPING W., ZHENGMING Z., LIQIANG Y., BUYAO W., Investigation and analysis of the influence of magnetic wedges on high voltage motors performance, IEEE Vehicle Power and Propulsion
Conference, VPPC ’08, 2008, s. 1–6.
[5] TAKEDA Y., YAGISAWA T., SUYAMA A., YAMAMOTO M., Application of magnetic wedges to
large motors, IEEE Trans. on Magnetics, Vol. 20, No 5. 1984, s. 1780–1782.
THE INFLUENCE OF MAGNETIC WEDGES ON INDUCTION MOTOR
START UP PERFORMANCE
This paper concerns the influence of magnetic wedges on start up performances of typical medium
voltage induction motor. On the basis of FEM model there were carried out static characteristics of
torque and current versus speed for magnetic wedges with different magnetic permeability. The results
show that magnetic wedges usage causes starting torque and starting current reduction.