Streszczenie referatu
Transkrypt
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