81_Zalas_Zawilak_pop.. - Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów

Nr 62
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 62
Studia i Materiały
Nr 28
2008
maszyny elektryczne, silniki synchroniczne,
synchronizacja, obliczenia obwodowe
PAWEŁ ZALAS*, JAN ZAWILAK*
SYNCHRONIZACJA SILNIKÓW SYNCHRONICZNYCH
NAPIĘCIEM PRZEMIENNYM
W pracy wykazano możliwości skrócenia czasu procesu synchronizacji oraz łagodzenia przebiegów dynamicznych przez zasilanie uzwojenia wzbudzenia silnika synchronicznego napięciem przemiennym z wykorzystaniem falownika napięcia typu MSI. Przyjęta metoda synchronizacji została porównana z metodą klasyczną dla dwóch różnych wartości momentu obciążenia. Analizę procesów
synchronizacji wykonano stosując opracowany obwodowy model silnika synchronicznego dużej mocy typu GAe 1716t, pracującego w napędach wentylatorów głównych kopalni podziemnych. Wyniki
obliczeń zamieszczono w postaci wykresów czasowych.
1. WSTĘP
W obwodach wzbudzenia współczesnych silników synchronicznych stosuje się
powszechnie wzbudnice statyczne wyposażone najczęściej w sześciopulsowy tyrystorowy prostownik sterowany [3]. Obecnie stosowane są również komercyjne układy
łagodnej synchronizacji pozwalające na załączenie napięcia stałego w chwili, gdy oś
pola stojana pokrywa się z osią pola wirnika. Ten sposób synchronizacji nie zawsze
jest skuteczny a przyjęta chwila inicjacji procesu dla rozruchów ciężkich może okazać
się najmniej korzystną [5, 6]. Dlatego w układach tych stosuje się nadal forsowanie
prądu wzbudzenia, niekiedy do wartości większej niż 2,5Iwn. Powstający wówczas
moment dynamiczny jest znacznie większy od wymaganego do skutecznej synchronizacji, co wywołuje wiele niekorzystnych zjawisk elektrycznych i mechanicznych [5, 6].
Inną metodą zwiększenia skuteczności procesu synchronizacji i skrócenia jego czasu,
przy jednoczesnym złagodzeniu przebiegów dynamicznych, jest wybór korzystnej
__________
* Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, ul. Smoluchowskiego 19, 50-372 Wrocław, [email protected], [email protected]
543
chwili załączenia napięcia stałego oraz odpowiednie sterowanie wartością prądu
wzbudzenia [5, 6] podczas procesu.
Parametry pracy obecnie produkowanych tranzystorów IGBT [4] umożliwiają zastosowanie, w obwodzie zasilania uzwojenia wzbudzenia silnika synchronicznego
dużej mocy, jednofazowego falownika napięcia typu MSI. Pozwala to na zasilanie
uzwojenia magneśnicy, w stanie pracy asynchronicznej, napięciem przemiennym
o fazie i częstotliwości zgodnej z przebiegiem napięcia indukowanego w zwartym
uzwojeniu wzbudzenia [1, 2]. Odpowiednio dobrana amplituda napięcia falownika
zapewnia zwiększenie wypadkowego momentu asynchronicznego, zmniejszając poślizg silnika, co ma istotny wpływ na przebieg procesu synchronizacji.
Celem pracy jest wykazanie możliwości skrócenia czasu procesu synchronizacji,
przy jednoczesnym łagodzeniu stanów przejściowych i zapewnieniu wymaganej skuteczności, przez zasilanie uzwojenia magneśnicy napięciem przemiennym. Przyjętą
metodę synchronizacji porównano z metodą klasyczną, wykonując odpowiednie obliczenia dla dwóch wartości momentu obciążenia.
2. OBLICZENIA OBWODOWE PROCESU SYNCHRONIZACJI
Analizę procesu synchronizacji wykonano wykorzystując opracowany obwodowy model silnika synchronicznego typu GAe 1716t. Silnik ma 16 biegunów wydatnych
a jego moc znamionowa jest równa 3,15 MW. Znamionowa wartość napięcia wzbudzenia
jest równa 90 V a prądu 350A. Silniki takie pracują w napędach wentylatorów głównych
typu WPK 5.3 kopalni podziemnych. Do obliczeń badanego silnika wykorzystano komercyjny program Simplorer, w którym silnik synchroniczny opisany jest we współrzędnych
d–q. Parametry do modelu matematycznego silnika wyznaczono na podstawie ogólnie
znanych zależności. Na podstawie porównania wyników obliczeń i pomiarów silnika rzeczywistego [5] stwierdzono, że opracowany model obliczeniowy jest poprawny.
Na rysunkach 1–4 pokazano obliczone przebiegi czasowe prądu stojana Is, wartości
chwilowej kąta δ, prądu wzbudzenia Iw, napięcia Uw na zaciskach uzwojenia wzbudzenia (a), momentu elektromagnetycznego oraz prędkości obrotowej (b) podczas procesu
synchronizacji badanego silnika dla dwóch różnych wartości momentu obciążenia.
Jako pierwsze wykonano obliczenia procesu synchronizacji metodą klasyczną, załączając znamionową wartość napięcia stałego do uzwojenia wzbudzenia dla kąta
δ = –45º, gdzie δ jest kątem między osią pola stojana a osią pola wirnika (rys. 1).
W obliczeniach przyjęto moment obciążenia 0,34 Mn, co odpowiada obciążeniu, jakie
na obiekcie rzeczywistym stanowi wentylator przy zamkniętych klapach aparatu kierowniczego, oraz uwzględniono wypadkowy moment bezwładności układu napędowego wentylatora Jz ≈ 40 000 kg·m2.
Załączenie napięcia wzbudzenia w przyjętej, korzystnej chwili (rys. 1) zapewniło
łagodną synchronizację silnika podczas pierwszej współfazowości pola stojana
544
i wirnika. Pozwoliło to zminimalizować pulsacje prędkości oraz momentu elektromagnetycznego i skrócić czas ustalenia się przebiegów dynamicznych. Przyjęta metoda
synchronizacji zapewnia skuteczny przebieg procesu dla znamionowej wartości napięcia wzbudzenia tylko w przypadku, gdy inicjacja procesu następuje w warunkach
pracy asynchronicznej ustalonej, a poślizg silnika jest najmniejszy. Wymaga to opóźnienia załączenia napięcia stałego do uzwojenia magneśnicy, po ustaleniu się prędkości biegu asynchronicznego, o przynajmniej jeden pełny okres zmian wartości kąta δ
od –180º do 180º (rys. 1a).
Kąt δ
Iw
Uw
Is
Is [A], k=10
Iw [A], k=2
Uw [V], k=1
Kąt δ [deg], k=1
[obr/min]
[kNm]
n
M
N
n [obr/min], k=1
M [kNm], k=1
Rys. 1. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika napięciem stałym, Mo = 0,34Mn
Fig. 1. Time curves values during synchronization process of the motor by DC voltage, Mo = 0,34 Mn
Na rysunku 2 pokazano wyniki obliczeń procesu synchronizacji dla identycznych
warunków pracy, uwzględniając w modelu silnika napięcie przemienne, o amplitudzie
90 V, zasilające obwód wzbudzenia. Zastosowanie tej metody pozwoliło prawie całkowicie wyeliminować pulsacje momentu elektromagnetycznego oraz prędkości
i udary prądów podczas synchronizacji i znacznie skrócić czas procesu (rys. 2). Załączenie napięcia przemiennego do uzwojenia wzbudzenia zapewniło, w stanie pracy
podsynchronicznej, zwiększenie amplitudy prądu magneśnicy, a tym samym wypadkowego momentu asynchronicznego. Spowodowało to zmniejszenie poślizgu, stwarzając warunki, w których wartość momentu reluktancyjnego jest wystarczająca do
skutecznej synchronizacji silnika (rys. 2).
545
Kąt δ
Uw
Iw
Is
Is [A], k=10
Iw [A], k=2
Uw [V], k=1
Kąt δ [deg], k=1
[obr/min]
[kNm]
n
M
N
n [obr/min], k=1
M [kNm], k=1
Rys. 2. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika napięciem zmiennym, Mo = 0,34Mn
Fig. 2. Time curves values during synchronization process of the motor by AC voltage, Mo = 0,34 Mn
Kąt δ
Iw
Is
Uw
Is [A], k=10
Iw [A], k=2
Uw [V], k=1
Kąt δ [deg], k=1
[obr/min]
[kNm]
M
n
N
n [obr/min], k=1
M [kNm], k=1
Rys. 3. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika napięciem stałym, Mo = 0,65Mn
Fig. 3. Time curves values during synchronization process of the motor by DC voltage, Mo = 0,65 Mn
546
Moment obciążenia ma istotny wpływ na przebieg procesu synchronizacji silnika
synchronicznego. W celu porównania skuteczności obu metod synchronizacji podczas
ciężkich rozruchów, wykonano odpowiednie obliczenia przyjmując moment obciążenia równy 0,65 Mn. Odpowiada to obciążeniu, jakie na obiekcie rzeczywistym stanowi
wentylator typu WPK 5.3 przy otwartych klapach aparatu kierowniczego.
Na rysunku 3 pokazano przebiegi czasowe odpowiednich wielkości podczas procesu synchronizacji badanego silnika metodą klasyczną. Załączenie znamionowej, stałej
wartości napięcia wzbudzenia realizowane było dla kąta δ = –45º.
Zastosowana metoda zapewnia skuteczny i łagodny przebieg procesu bez konieczności stosowania forsowania prądu wzbudzenia, skracając jednocześnie czas ustalenia
się przebiegów dynamicznych.
Kąt δ
Uw
Is
Iw
Is [A], k=10
Iw [A], k=2
3
Uw [V], k=1
Kąt δ [deg], k=1
[obr/min]
[kNm]
M
n
N
n [obr/min], k=1
M [kNm], k=1
Rys. 4. Czasowe przebiegi wielkości podczas synchronizacji silnika napięciem zmiennym, Mo = 0,65Mn
Fig. 4. Time curves values during synchronization process of the motor by AC voltage, Mo = 0,65 Mn
Wykorzystując opracowany model silnika wykonano obliczenia procesu synchronizacji dla identycznych warunków pracy, z uwzględnieniem falownika napięcia zasilającego uzwojenie wzbudnicy w stanie asynchronicznym. Przyjęta w obliczeniach
amplituda napięcia przemiennego (90 V) na wyjściu falownika nie zapewnia jednak
skutecznej synchronizacji silnika. Analiza wyników obliczeń wykazała, że zwiększenie amplitudy napięcia przemiennego do wartości 160 V również nie zapewnia warunków dla skutecznej synchronizacji. Wyniki obliczeń dla tego przypadku pokazano
547
na rysunku 4. Przyczyną ograniczonej skuteczności przyjętej metody synchronizacji
jest duża stała czasowa uzwojenia magneśnicy badanego silnika. Powoduje ona duże
przesunięcie fazowe między przebiegiem napięcia i prądu wzbudzenia (rys. 4a).
W wyniku tego wypadkowy moment asynchroniczny nie zapewnia warunków do skutecznej synchronizacji. Na podstawie analizy wyników wykonanych obliczeń stwierdzono również, że dla przyjętych warunków pracy pewną synchronizację silnika zapewnia zwiększenie amplitudy napięcia przemiennego do wartości dwukrotnie
większej od znamionowej.
4. WNIOSKI
Zasilanie uzwojenia wzbudzenia silnika synchronicznego odpowiednio dobranym
napięciem przemiennym nieznacznie skraca czas rozruchu, ale zapewnia znaczne
skrócenie czasu synchronizacji, łagodząc przebiegi dynamiczne odpowiednich wielkości. Podczas ciężkich rozruchów większą pewność i skuteczność procesu synchronizacji zapewnia klasyczna metoda, realizowana przez załączenie znamionowej wartości napięcia stałego w wybranej, korzystnej chwili czasowej.
LITERATURA
[1] BARLIK R., NOWAK M., Układy sterowania i regulacji urządzeń energoelektronicznych,
Warszawa, Wydawnictwa Szkolne i Pedagogiczne, 1998.
[2] BARLIK R., NOWAK M., Technika tyrystorowa, WNT Warszawa 1997.
[3] KACZMAREK T., ZAWIRSKI K., Układy napędowe z silnikiem synchronicznym, Poznań, 2000.
[4] Power IGBTs Module Product Guide, TOSHIBA, 2007
[5] ZALAS P., Analiza procesu synchronizacji silników synchronicznych z rozruchem asynchronicznym,
Rozprawa doktorska, Politechnika Wrocławska, Wrocław 2007.
[6] ZALAS P., ZAWILAK J., Synchronizacja silników synchronicznych przez zmianę kierunku przepływu prądu wzbudzenia, Prace Nauk. IMiNE. PWr. nr 58, S. i Mat. nr 25, 2005, 247–265.
SYNCHRONIZATION PROCESS OF SYNCHRONOUS MOTORS
TROUGH AC EXCITATION VOLTAGE
The work presents calculation results of synchronization process of a one−speed, silent−pole, high
power synchronous motor. The calculations were based on the examined circuit model for the high power
motor type GAe 1716t. The motor works in fans drives in underground mines. The influence of AC or
DC excitation voltage on stator currents, angle δ, excitation current, electromagnetic torque and rotational
speed during synchronization process have been compared. The results of calculations were presented as
time curves of state variables.