Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) 185

Tomasz Zawilak, Jan Zawilak Politechnika Wrocawska

WPYW WARUNKW ZASILANIA NA PARAMETRY EKSPLOATACYJNE SILNIKA Z MAGNESAMI TRWAYMI

INFLUENCE OF THE SUPPLY VOLTAGE QUALITY ON THE LINE START PERMANENT MAGNET SYNCHRONOUS MOTOR RUNNING PROPERTI ES.

Streszczenie: W pracy przedstawiono skorygowane dowiadczalnie obliczenia charakterystyk eksploatacyj-nych oraz rozruchowych silnika synchronicznego wzbudzanego magnesami trwaymi duej mocy. Obliczenia wykonano dla staej wartoci napicia zasilajcego oraz dla napicia pomniejszonego o spadek napicia pod-czas rozruchu silnika.

Abstract: . The paper deals with simulation and experimental results of running and starting properties of high power permanent magnet synchronous motor. Results were obtained for constant value of the supply voltage and including the voltage drop during motor starting.

Sowa kluczowe: silnik synchroniczny, magnesy trwae, rozruch bezporedni Keywords: synchronous motor, permanent magnet, direct on line starting

1. Wstp Zakady wydobywcze s bardzo duymi od-biorcami energii elektrycznej. Due zuycie energii przez kopalnie wgla i miedzi powo-duje wzrost kosztw wydobycia oraz uszczu-plenia zasobw mocy w systemie elektroener-getycznym. W kadej kopalni podziemnej, oprcz podstawowych maszyn i urzdze ta-kich jak maszyny wydobywcze, transportowe zainstalowanych jest wiele pomp i wentylato-rw. Napdy wentylatorw i pomp gwnych pobieraj rocznie w jednej kopalni ok. 115 200 MWh co stanowi ok. 48 % energii zakadu. S to urzdzenia duej mocy pracujce w systemie cigym. Dlatego nawet niewielka poprawa sprawnoci napdu sumarycznie pozwoli na due oszczdnoci energii. Dlatego wiele orodkw badawczych zajmuje si poszukiwaniami nowych, energooszczd-nych, rozwiza konstrukcyjnych, niezawod-nych w eksploatacji maszyn elektrycznych [1, 2, 3, 5, 6, 8]. Maszyny te projektowane dla warunkw okre-lonych jako znamionowe czsto pracuj przy innych parametrach zasilania (zgodnie z tole-rancjami opisanymi w obowizujcych przepi-sach np. [9]). Badania wpywu odksztacenia napicia na sprawno Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor (LSPMSM) om-wiono np. w pracy [4] natomiast wpyw zapa-dw napicia w pracy [7]. Na rysunku 1 pokazano wykres napi zasilaj-cych pompy gwnego odwodnienia kopalni

podziemnej pomierzonych w odstpach 15 min w czasie 1 miesica. Skuteczne wartoci tych napi zmieniaj si skrajnie od 5,94 do 6,43 kV.

Rys. 1. Wykres napi zasilajcych silniki gwnego odwodnienia w kopalni podziemnej

Celem pracy jest poszerzenie wiedzy nt. ener-gooszczdnych ukadw napdowych z silni-kami elektrycznymi LSPMSM pracujcymi przy zasilaniu innym ni znamionowe.

2. Badany obiekt Przedstawiany model prototypowego silnika wzbudzanego magnesami trwaymi o rozruchu bezporednim powsta na potrzeby napdzania zmodernizowanej pompy gwnego odwodnie-nia kopalni. W projekcie okrelono, e silnik napdowy ma moc znamionow 1600 kW przy prdkoci obrotowej 1500 obr/min. Przy wsppracy Politechniki Wrocawskiej oraz DFME Damel zaprojektowano a nastpnie

15

Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108)

186

wykonano prototypowy model silnika synchro-nicznego wzbudzanego magnesami trwaymi o rozruchu bezporednim (S1 560X-4Apm rys. 2).

a)

b)

Rys 2. Prototypowy model silnika LSPMSM (S1 560X-4Apm): podczas montau (a), na stacji prb (b)

3. Analiza waciwoci badanego silnika

Specyfika maszyn typu LSPMSM powoduje, e do chwili obecnej nie opracowano jedno-znacznych wytycznych pozwalajcych na okre-lenie ich parametrw z okrelon dokadno-ci [1]. Z tego powodu analiz waciwoci dokonano dwiema uzupeniajcymi si meto-dami: pomiarow oraz polowo-obwodowym modelem symulacyjnym. W symulacjach pro-gramu Maxwell wybrano typ rozwizania transient, pozwalajcy na modelowanie pracy maszyny przy wymuszeniu napiciowym z jednoczesnym uwzgldnieniem ruchu, najbli-ej odzwierciedlajcy rozpatrywane zjawiska (rys. 3).

Rys 3. Geometria modelu badanego silnika LSPMSM (S1 560X-4Apm)

3.2. Wpyw napicia zasilajcego na para-metry silnika w stanie obcienia

Parametry znamionowe badanego silnika zesta-wiono w tabeli 1.

Tabela 1. Parametry znamionowe silnika LSPMSM (S1 560X-4Apm)

Moc znamionowa kW 1600

Prdko obrotowa obr/min 1500

Moment znamionowy kNm 10,2

Napicie znamionowe V 6000

Prd znamionowy A 158

Wspczynnik mocy --- 0,99

Sprawno % 98,7

Ustalony przyrost temperat. uzwojenia

oC 70

Prd rozruchowy Ir/In 6,5

Pocztkowy mo-ment rozruchowy

Mr/Mn 2,6

Minimalny moment rozruchowy

Mrmin/Mn 1,7

Na rysunku 4 pokazano obliczone wykresy prdu stojana, wspczynnika mocy i sprawno-ci badanego silnika w funkcji zmian obcie-nia dla rnyh wartoci napi zasilajcych. Z wykresw wynika, e w zakresie obcienia (0,7-1,0) Pn warto wspczynnika mocy jest bardzo dua (wiksza ni 0,99) i praktycznie nie zaley od wartoci napicia zasilajcego (dla odchyek 5% Un). Dla mniejszych obci-e wspczynnik mocy maleje, jednak przyj-muje charakter pojemnociowy dla Un oraz 0,95Un, za jest niemal stay w penym zakresie obcie dla 1,05Un. Maszyn mona rwnie zaprojektowa w ten sposb, aby najmniejsza zmienno wspczynnika mocy odpowiadaa napiciu znamionowemu. Jednak wwczas

Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) 187

przy 1,05Un i maych obcieniach wspczyn-nik mocy miaby charakter indukcyjny. Z wykresu sprawnoci mona wnioskowa, e napicie zasilajce ma znikomy wpyw na ten parametr. Rzeczywista zmienno sprawnoci jest poniej zakresu mierzalnego okrelonego przez normy.

Rys.4. Charakterystyki eksploatacyjne bada-nego silnika LSPMSM dla rnych wartoci na-picia zasilajcego: (a-prd stojana, b- wspczynnik mocy, c- sprawno)

Na rysunku 5 pokazano charakterystyk k-tow badanego silnika LSPMSM dla rnych

wartoci napi zasilajcych, z ktrej wynika, e obcienie znamionowe uzyskiwane jest przy kcie =55 deg. Statyczna przecialno momentem dla napicia znamionowego wynosi 1,65 i jest proporcjonalna do wartoci napicia.

Rys.5 Charakterystyki ktowe silnika M=f() dla rnych wartoci napi zasilajcych

3.3. Wpyw spadku napicia na waciwoci rozruchowe silnika

Waciwoci rozruchowe maszyn LSPMSM maj bezporedni wpyw na ich eksploatacj. Moment hamujcy od magnesw trwaych, wy-stpujcy w dolnym zakresie prdkoci obroto-wych, w znacznym stopniu utrudnia proces roz-ruchu. Dziki wykonanej pomiarowo charakterystyce zwarcia skorygowano elementy modelu obli-czeniowego (min. indukcyjnoci pocze czo-owych oraz parametry materiaowe) istotne z punktu widzenia waciwoci rozruchowych a nastpnie wyznaczono rednie wartoci mo-mentu i statyczne charakterystyki mechaniczne (rys. 6.). Z przedstawionego wykresu wynika, e osigany moment rozruchowy silnika jest wystarczajco duy, nawet przy zasilaniu na-piciem uwzgldniajcym moliwy spadek na-picia (17 %). Obliczenia wykonano zakadajc, e silnik w czasie rozruchu obciony by pomp (obci-enie zgodne z charakterystyk pompy) dla momentu bezwadnoci rwnego 1,2 momentu bezwadnoci wirnika silnika (suma bezwad-noci wirnika i pompy).

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

pr

d[A

]

Moc na wale [MW]

0,95 Un

1,0 Un

1,05 Un

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

wsp

c

zyn

nik

mo

cy [

-]

Moc na wale [MW]

0,95 Un

1,0 Un

1,05 Un

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8

spra

wn

oc [

-]

Moc na wale [MW]

0,95 Un

1,0 Un

1,05 Un

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

mo

men

t [k

Nm

]kt mocy [1 deg]

1,0Un

1,05Un

0,95Un

Mn=10,2 kNm

a

b

c

Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108)

188

Rys. 8. Przebiegi podczas rozruchu silnika za-silanego napiciem znamionowym.

Rys. 9. Przebiegi podczas rozruchu silnika za-silanego napiciem uwzgldniajcym poczt-kowy spadek napicia u=17 %.

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

nap

icie

[kV

]

czas [s]

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

pr

dko

[

ob

r/m

in]

czas [s]

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2pr

d [

A]

czas [s]

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

mo

men

t [k

Nm

]

czas [s]

-6

-4

-2

0

2

4

6

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

nap

icie

[kV

]

czas [s]

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

pr

dko

[

ob

r/m

in]

czas [s]

-3000

-2000

-1000

0

1000

2000

3000

4000

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2pr

d [

A]

czas [s]

-150

-100

-50

0

50

100

150

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

mo

men

t [k

Nm

]

czas [s]

kolorami oznaczono prdy poszczeglnych faz

kolorami oznaczono prdy poszczeglnych faz

Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108) 189

Rys.6 Wypadkowy moment asynchroniczny (rednia warto) oraz jego skadowe w funkcji prdkoci obrotowej silnika LSPMSM dla zna-mionowego napicia zasilajcego Un oraz uwzgldniajce spadek napicia u=17%

3.4. Rozruch silnika w rzeczywistych warun-kach zasilania

Podczas rozruchu silnika wzbudzanego magne-sami trwaymi istotne jest pooenie osi pola stojana i pola wirnika. Mona to wykaza rw-nie na podstawie analizy prdkoci obrotowej w czasie rozruchu silnika dla rnych faz po-cztkowych napicia zasilania stojana. Na ry-sunku 7 pokazano wykresy prdkoci obroto-wych silnika podczas rozruchu dla skrajnych pooe wirnika wzgldem pocztkowej fazy napicia zasilajcego: rwnej 0 oraz 180 deg.

Rys. 7 Przebieg prdkoci obrotowej podczas rozruchu silnika dla dwch pooe wirnika wzgldem pocztkowej fazy napicia zasilaj-cego.

Z przestawionych wykresw wynika, e poo-enie osi pola stojana i wirnika wpywa na czas rozruchu ukadu napdowego. Ma to wpyw na

nagrzewanie si silnika (szczeglnie klatki wir-nika). W przypadku rozruchu o polach znajdu-jcych si w przeciwfazie przyrost temperatury klatki uzwojenia wirnika jest ok. 10 % wikszy. Ze wzgldu na dopuszczaln temperatur pracy magnesw trwaych okrelona musi by do-puszczalna liczba rozruchw nastpujcych bezporednio po sobie. Na rysunkach 8 oraz 9 pokazano obliczone przebiegi czasowe podczas rozruchu silnika (a- napicia zasilajcego, b- prdkoci obrotowej, c- prdw stojana, d- momentu elektromagne-tycznego, e- prdkoci obrotowej) dla: znamio-nowej wartoci napicia zasilajcego (rys. 8) oraz napicia uwzgldniajcego spadek napi-cia w sieci zasilajcej (rys. 9). Z przedstawio-nych przebiegw wynika, e czas rozruchu zwiksza si o okoo 30%, za prd pobierany z sieci zasilajcej zmniejsza proporcjonalnie do spadkw napicia.

4. Podsumowanie

Na podstawie wykonanych oblicze mona stwierdzi, e odpowiednim zaprojektowaniem silnika LPSMSM mona uniezaleni jego wa-ciwoci od moliwych zmian napicia sieci zasilajcej (dotyczy to midzy innymi wsp-czynnika mocy). Podczas projektowania naley uwzgldni im-pedancj sieci zasilajcej i spadek napicia by zagwarantowa pewny rozruch i synchroniza-cj silnika. Poniewa projekt takiego silnika, przystosowa-nego do okrelonych warunkw zasilania i ob-cienia, wykonuje si na indywidualne zam-wienie to moe on by energooszczdny o mak-symalnej sprawnoci i wspczynniku mocy.

5. Literatura [1] de Almeida A.T, Ferreira F.J.T.E, Quintino Du-arte A, Technical and Economical Considerations on Super High-Efficiency Three-Phase Motors, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 50, no 2, 2014, pp. 1274-1285

[2] Lu Q., Huang X., Ye Y., Fang Y.: Experiment and analysis of high power line-start PM motor, Przegld Elektrotechniczny 2/2012

[3] Bao Y., Mehmood W., Feng X., Super premium efficiency linestart permanent magnet synchronous motor: design, test and comparison, Petroleum and Chemical Industry Technical Conference(PCIC), 2012.

[4] Debruyne C., Sergeant P., Derammelaere S., Desmet J., Lieven Vandevelde L.: Influence of

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Mo

men

t [k

Nm

]

Prdko [rpm]

moment hamujcy od magnesw

moment wypadkowy Un

moment od klatki Un

-200

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6

pr

dko

[

ob

r/m

in]

czas [s]

wspfa-

przeciwfazowe

moment wypadkowy dla u

moment od klatki dla u

Maszyny Elektryczne Zeszyty Problemowe Nr 4/2015 (108)

190

Supply Voltage Distortion on the Energy Efficiency of Line Start Permanent Magnet. IEEE Transactions on industry applications, vol. 50, no. 2, march/april 2014

[5] Feng X., Liu L., Kang J., Zhang Y.: Super Pre-mium Efficient Line Start-up Permanent Magnet Synchronous Motor, XIX International Conference on Electrical Machines, ICEM 2010, Roma, Italy

[6] Melfi M.J., Umans S.D., Atem J.E.: Viability of highly-efficient multi-horsepower line-start perma-nent-magnet motors, Petroleum and Chemical In-dustry Technical Conference (PCIC),

[7] Ugale R.T., BalaKrishna Y., Chaudhari B. N.: Effects of Short Power Interruptions and Voltage Sags on the Performance of Line Start Permanent Magnet Synchronous Motor. 4th IET Conference on Power Electronics, Machines and Drives, 2008. PEMD 2008 (str. 184-188)

[8] Zawilak T.: Utilizing the deep bar effect in direct on line start of permanent magnet machines, Prze-gld Elektrotechniczny, 2/2013, s. 177179.

[9] Rozporzdzenie Ministra Gospodarki z dn. 4 maja 2007 w sprawie szczegowych warunkw funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz. U. Nr 93, poz. 623 z dnia 29 maja 2007 r.).

Autorzy dr in. Tomasz Zawilak dr hab. in. Jan Zawilak prof. PWr. Politechnika Wrocawska Katedra Maszyn, Napdw i Pomiarw Elektr. Wybrzee Wyspiaskiego 27, 50-370 Wrocaw tomasz.zawilak@pwr.wroc.pl