8 Piotr KISIELEWSKI - Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów

Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 60
Politechniki Wrocławskiej
Nr 60
Studia i Materiały
Nr 27
2007
maszyny synchroniczne,wzbudnice,
modelowanie polowo-obwodowe
Piotr KISIELEWSKI*, Ludwik ANTAL∗
POLOWO - OBWODOWY MODEL BEZSZCZOTKOWEJ
WZBUDNICY GENERATORA SYNCHRONICZNEGO
Przedstawiono dwuwymiarowy, polowo-obwodowy model wzbudnicy, umożliwiający
wyznaczenie jej charakterystyk statycznych oraz przebiegów prądów w maszynie i na wyjściu
prostownika. Pokazano celowość odkształcania rozkładu indukcji od kształtu sinusoidalnego, aby
wygładzić przebieg prądu wyjściowego układu wzbudnica - prostownik. Rozważono dobór
optymalnej liczby żłobków stojana oraz wirnika wzbudnicy.
1. WSTĘP
Wzbudzenie maszyn synchronicznych może być realizowane przy użyciu magnesów
trwałych, lub uzwojeń zasilanych prądem stałym. Typowa maszyna synchroniczna
posiada trójfazowe uzwojenie twornika umieszczone w stojanie oraz uzwojenie
wzbudzenia umieszczone na wirniku, które może być zasilane poprzez szczotki i
pierścienie ślizgowe lub bezszczotkowo. Przy zasilaniu bezszczotkowym na wspólnym
wale umieszczony jest wirnik maszyny synchronicznej oraz wirnik wzbudnicy.
Wzbudnica bezszczotkowa posiada stojan zasilany prądem stałym. Na wirniku
umieszczone jest wielofazowe uzwojenie, które wiruje w stałym polu magnetycznym.
Uzwojenie to poprzez prostownik zasila uzwojenie wzbudzenia maszyny
synchronicznej. Rozwiązanie takie eliminuje konieczność stosowania szczotek i
pierścieni ślizgowych. Dodatkową zaletą stosowania wzbudnic bezszczotkowych jest
fakt, iż dla maszyn o mocach rzędu megawatów ich prąd sterujący wynosi zwykle kilka
amperów.
__________
∗
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected], [email protected],
2. MODEL POLOWO - OBWODOWY
Optymalnym rozwiązaniem konstrukcyjnym wzbudnicy bezszczotkowej wydaje się
być maszyna, w której liczba zębów stojana jest równa liczbie biegunów pola
magnetycznego wytworzonego przez ten stojan (rys. 1). W obwodzie magnetycznym
takiej maszyny można wpływać na rozkład indukcji przez zmianę promienia krzywizny
zęba stojana oraz odpowiedni dobór szerokości zęba przy szczelinie. Aby
zminimalizować opór magnetyczny dla strumienia w szczelinie przyjęto promień
krzywizny zębów stojana równy promieniowi wewnętrznemu wykroju blachy stojana.
Rys. 1. Trójwymiarowy model maszyny
Fig. 1. Three - dimensional model of the machine
Liczba biegunów stojana jest ograniczona zarówno od dołu jak i od góry. Zbyt mała
liczba biegunów powoduje nieodpowiednie wykorzystanie objętości maszyny. Powstają
wówczas puste przestrzenie pomiędzy cewkami nawiniętymi na bieguny. Dodatkowo
pogarszają się warunki odprowadzania ciepła z uzwojenia stojana ze względu na
większe grubości cewek. Dobrym rozwiązaniem jest taki dobór liczby biegunów, aby
przestrzenie międzybiegunowe zostały całkowicie wypełnione uzwojeniem. W
rozwiązaniu takim przestrzeń pomiędzy jarzmem stojana a szczeliną jest całkowicie
wykorzystana. Zwiększenie liczby biegunów powoduje zwiększenie częstotliwości
napięcia indukowanego. W układzie uzwojenie - prostownik - obciążenie RL
zwiększanie częstotliwości napięcia zasilającego prostownik powoduje zmniejszenie
pulsacji prądu na jego wyjściu. Negatywnym skutkiem zwiększania liczby biegunów
stojana jest wzrost strat w żelazie wirnika. Liczbę biegunów stojana ustalono na 40.
Liczba żłobków wirnika jest 3 razy większa od liczby biegunów stojana i wynosi 120.
Żłobki stojana oraz wirnika nie posiadają skosów.
Model i obliczenia wzbudnicy wykonano za pomocą pakietu obliczeniowego Flux
9.2.2 [1]. Część polową modelu maszyny przedstawiono na rysunku 2. Układ
elektryczny składa się z jednofazowego, zasilanego napięciem stałym, stojana oraz
trójfazowego wirnika przeznaczonego do współpracy z trójfazowym prostownikiem
sześciopulsowym. Schemat części obwodowej modelu przedstawiono na rysunku 3.
Rys. 2. Część polowa modelu maszyny
Fig. 2. Field part of the machine model
Rys. 3. Część obwodowa modelu maszyny
Fig. 3. Circuit part of the machine model
3. WYNIKI OBLICZEŃ
Przeprowadzono obliczenia dla obciążonej wzbudnicy. Przykładowy rozkład pola
magnetycznego zamieszczono na rysunku 4. Rysunek 5 przedstawia przebiegi prądów
fazowych wirnika maszyny oraz prądu na wyjściu prostownika dla stanu ustalonego. Na
rysunku 6 przedstawiono w powiększeniu prądy wzbudnicy oraz prostownika.
Dla poprawnej pracy maszyny synchronicznej istotne jest uzyskanie możliwie
gładkiego przebiegu prądu wzbudzenia maszyny synchronicznej.
Ograniczenie udziału harmonicznych na wyjściu prostownika można uzyskać
poprzez taką konstrukcję obwodu magnetycznego, aby napięcia indukowane w
uzwojeniach twornika miały, w możliwie największym zakresie obciążeń, kształt
trapezowy. Przy współpracy wzbudnicy z maszyną synchroniczną, utrzymanie gładkiego
przebiegu prądu wyjściowego ułatwia znacznie większa indukcyjność obciążenia niż
uzwojeń wzbudnicy. Powiększenie przebiegów prądów fazowych i prądu prostownika z
rysunku 5 przedstawiono na rysunku 6. Pulsacje prądu wyjściowego prostownika
wynoszą 0,3 % i są pomijalne.
Rys. 4. Rozkład pola magnetycznego
Fig. 4. Field distribution
180
150
120
I [A]
DC
90
L1
60
L2
30
L3
0
-30
-60
-90
-120
-150
-180
0,400
0,401
0,402
0,403
Rys. 5. Prądy wzbudnicy oraz prostownika
Fig. 5. Exciter and rectifier currents
0,404
t [s] 0,405
162
I [A]
161,5
161
DC
160,5
L1
L2
L3
160
0,400
0,405
0,410
0,415
0,420
0,425 t [s] 0,430
Rys. 6. Pulsacje prądów wzbudnicy oraz prostownika
Fig. 6. Pulsations of the exciter and rectifier currents
4. PODSUMOWANIE
Uzyskane wyniki obliczeń pokazują przydatność modelowania polowo obwodowego do projektowania i symulacji pracy nietypowych maszyn elektrycznych.
Metoda ta pozwoliła na zaprojektowanie wzbudnicy bezszczotkowej o trójfazowym
uzwojeniu twornika i trapezowym rozkładzie indukcji. Stosując uzwojenie trójfazowe
i trapezowy rozkład indukcji uzyskano zmniejszenie pulsacji prądu wyjściowego w
stosunku do rozwiązania dotychczas stosowanego.
W dotychczasowym rozwiązaniu konstrukcyjnym stosowano wzbudnice 5 fazowe z sinusoidalnym rozkładem indukcji w szczelinie. Rozwiązanie to było
droższe od zaproponowanego z uzwojeniem trójfazowym, gdyż wymagało stosowania
10 - diodowego prostownika, którego koszt jest znacznie wyższy od trójfazowego
mostka prostowniczego.
LITERATURA
[1] CEDRAT, FLUX® 9.20 User’s guide, November 2005.
[2] DFME DOLMEL Sp. z o.o.: Karty uzwojeń wzbudnic, wyniki pomiarów Wrocław 1977 - 2007.
FIELD - CIRCUIT MODEL OF BRUSHLESS EXCITER FOR SYNCHRONOUS
GENERATORS
The paper present two dimensional field-circuit model of exciter. Model is designed to calculate static
characteristics of machine and transients of currents in windings. There are some examples of field distribution. Advisability of deform circumference field distribution was showed. Optimal choice of numbers
of slots in stator and rotor were also considered.