[ Pobierz całość w formacie PDF ]
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 58
Politechniki Wrocławskiej
Nr 58
Studia i Materiały
Nr 25
2005
maszyny elektryczne, prąd przemienny,
silniki dwubiegowe, uzwojenia zmiennobiegunowe
Jan ZAWILAK
F
*
DWUBIEGOWE SILNIKI PRĄDU PRZEMIENNEGO
W pracy przedstawiono najistotniejsze zagadnienia związane z dwubiegowymi silnikami prądu
przemiennego. W silnikach tych zmianę prędkości obrotowej uzyskuje się przez przełączenie uzwo-
jenia i zmianę liczby biegunów pola magnetycznego. Przedstawiono metodę symetryzacji wielofa-
zowej umożliwiającą zaprojektowanie trójfazowego uzwojenia o zmienianych liczbach biegunów po-
la magnetycznego o wybranych parametrach dla poszczególnych prędkości obrotowych. Pokazano
zastosowanie takich uzwojeń w dwubiegowych silnikach synchronicznych o biegunach wydatnych.
1. WSTĘP
Mimo iż koncepcja konstrukcji przełączalnego uzwojenia trójfazowego o zmienia-
nym kształcie obwodowego rozkładu i zmienianych liczbach biegunów podstawowego
pola magnetycznego opatentowana była przez Dahlanera w 1897 r. to pierwsze wdroże-
nia do eksploatacji tego typu maszyn nastąpiły dopiero w połowie lat trzydziestych XX
wieku. Rozwiązania te dotyczyły silników indukcyjnych o zmienianych prędkościach
obrotowych w stosunku 1:2. Potrzeby technologiczne spowodowały, że zagadnieniami
tymi zajęto się w latach 50-tych, a wiodącym ośrodkiem okazał się University of Bristol
w Anglii z prof. W. Rowcliff’em na czele [2], który na zaproszenie prof. Wł. Latka wy-
głosił referat na Sympozjum Maszyn Elektrycznych w Kazimierzu. Problematyka ta za-
interesowała konstruktorów fabryki DOLMEL we Wrocławiu, którzy opracowali trzy
typy silników indukcyjnych w zastosowaniu do napędów wentylatorów ciągu, rozwija-
jących się wówczas elektrowni spalinowych. Ze względu na fakt iż silniki z polem ma-
gnetycznym o liczbie biegunów podzielnej przez trzy miały dużą asymetrię prądów
przerwano prace nad tymi zagadnieniami.
Prawie równolegle prace nad tymi zagadnieniami (1972 r.) podjęto w ówczesnym In-
stytucie Układów Elektromaszynowych. Pierwsze rozwiązania dotyczyły doskonalenia
__________
*
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław
ul. Smoluchowskiego 19,
HU
jan.zawilak@pwr.wroc.pl
U
 26
konstrukcji uzwojeń przełączalnych o zmienianych liczbach biegunów pola magnetycz-
nego [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Zagadnienie rozszerzono na silniki synchroniczne a potrzeba
praktyki zmobilizowała zespół badawczy do opracowania konstrukcji dwubiegowych
silników synchronicznych z biegunami wydatnymi [12...31]. Zagadnienie było o tyle
skomplikowane, że zakłady górnicze zainteresowane były wdrożeniem takich rozwiązań
w ramach modernizacji posiadanych maszyn. Zastosowanie nowych maszyn nie tylko
tworzyło koszty związane z ich zakupem ale również wymagało przebudowy fundamen-
tów do ich zainstalowania. Należało tak zaprojektować uzwojenia twornika i wzbudnicy
by dla jednej prędkości obrotowej przy określonej liczbie biegunów mechanicznych ma-
gneśnicy np. 16 podstawowym polem było pole o innej liczbie biegunów magnetycz-
nych np. 20.
2. UZWOJENIA TWORNIKÓW DWUBIEGOWYCH MASZYN PRĄDU
PRZEMIENNEGO
Liczba żłobków na biegun i fazę q nie zawsze jednoznacznie określa uzwojenie.
W zależności od sposobu rozmieszczenia grup fazowych mniejszych i większych na
obwodzie maszyny, uzyskuje się uzwojenia o różnych współczynnikach grupowych [10]
oraz różnych kształtach pola magnetycznego w szczelinie przytwornikowej. Przykładem
może być uzwojenie trójfazowe o liczbie żłobków Ż=72, liczbie biegunów 2p=10, któ-
rego q=12/5. Przypisując grupie fazowej dużej symbol (kod) 1 zaś grupie małej symbol
0 można znaleźć istotnie różne dwa uzwojenia o obwodowych rozkładach grup fazo-
wych przedstawionych kodami; 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 oraz 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0. Pozostałe
rozwiązania uzwojeń o grupach rozmieszczonych wg kodów np. 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 , 1 0
0 1 0 1 0 0 1 0 itp. są tożsame elektromagnetycznie [1].
Istnieje jeszcze problem wzajemnego przesunięcia pasm fazowych względem siebie.
Ze względu na symetrię międzyfazową pasma fazowe przesuwa się o kąty elektryczne ±
(2n+2/3)
π, najczęściej mechanicznie symetrycznie. Zagadnienie to komplikuje się jed-
nak dla uzwojeń niesymetrycznych z definicji.
Metoda symetryzacji wielofazowej pozwala projektować struktury trójfazowych
uzwojeń maszyn elektrycznych dla dowolnych liczb biegunów podstawowego pola ma-
gnetycznego. Podobnie jak przy metodach klasycznych, uzwojenia trójfazowe o po-
dzielnych przez trzy mianownikach liczby żłobków na biegun i fazę
q
są niesyme-
tryczne. Metoda ta umożliwia określenie wielkości niesymetrii uzwojenia (sił
elektromotorycznych i sił magnetomotorycznych) na wstępie projektowania [11].
Uzwojenie wypadkowe, ułożone w
Ż
żłobkach, składa się z uzwojeń częściowych
I
,
II
,
III
zajmujących co trzeci żłobek i przesuniętych obwodowo względem siebie o
kąty elektryczne β
oraz γ . Uzwojenie częściowe
I
zaprojektowane może być meto-
dami klasycznymi dla możliwie maksymalnych wartości współczynników grupowych
27
oraz minimalnej niesymetrii międzyfazowej. Uzwojenia częściowe
II
oraz
III
są iden-
tyczne jak uzwojenie
I
przy czym pasmu A uzwojenia
I
odpowiada pasmo B uzwoje-
nia
II
oraz pasmo C uzwojenia
III
itd.
Rys.1. Wykres wektorowy smm uzwojeń częściowych: a - dla pola podstawowego; b,c - dla pola harmo-
nicznego pasożytniczego
Fig. 1. Partial windings MMF vector graph: a - primary field, b,c - parastic fields
Jeżeli przyjąć, że przez uzwojenia częściowe przepływają takie same prądy trójfa-
zowe symetryczne to wytworzą one smm o jednakowych kształtach lecz przesuniętych
wzajemnie obwodowo i czasowo. Sumy harmonicznych smm uzwojeń częściowych
przedstawiają równania:
F
1
ν
= F
1I
ν
[1+cos (
β
ν
- 2
π
/3) + cos (
γ
ν
- 4
π
/3)]
(1)
F
2
ν
= F
2I
ν
[1-cos (
β
ν
-
π
/3) - cos (
γ
ν
+
π
/3)]
(2)
w których;
F
1
ν - jest harmoniczną wypadkową smm wirującą w umownym kierunku dodat-
nim,
F
2
ν - harmoniczną wypadkową smm wirującą w kierunku ujemnym,
F
1I
ν - harmoniczną smm uzwojenia częściowego
I
, dodatnią,
F
2I
ν - harmoniczną smm uzwojenia częściowego
I
, ujemną,
βν
, γν
- elektrycznymi kątami przesunięcia wzajemnego uzwojeń częściowych.
Wyrażenia w nawiasach kwadratowych równań (1) i (2) można traktować jak
współczynniki zmniejszenia amplitud smm i współczynników grupy dla pól har-
monicznych o liczbie biegunów
p
ν
:
28
k
1
ν
= [1+cos (
β
ν
- 2
π
/3) + cos (
γ
ν
- 4
π
/3)]/3
(3)
k
2
ν
= [1-cos (
β
ν
-
π
/3) - cos (
γ
ν
+
π
/3)]/3
(4)
Zasadą prezentowanej metody jest wykorzystanie różnicy podziałek biegunowych i
kątów elektrycznych dla harmonicznych smm (rys. 1). Przesunięcie uzwojeń częścio-
wych dobiera się w taki sposób aby smm o podstawowej liczbie biegunów dodawały
się (rys.1a), zaś harmoniczne pasożytnicze odejmowały się (rys.1b, 1c). Względy sy-
metrii międzyfazowej wymagają aby uzwojenia częściowe przesunięte były o kąty
elektryczne liczone w skali podstawowej liczby biegunów odpowiednio o 2π/3 i 4π/3
dla pól wirujących w kierunku dodatnim oraz 4π/3 i 2π/3 wirujących w kierunku
ujemnym.
Metoda symetryzacji wielofazowej ma ogólny charakter, może być stosowana do
projektowania uzwojeń całkowitych oraz ułamkowo-żłobkowych. Największe efekty
uzyskuje się przy projektowaniu uzwojeń specjalnych tj. przełączalnych o zmienia-
nych liczbach biegunów maszyn wielobiegowych oraz niesymetrycznych, dla których
wyszukanie rozwiązania optymalnego sposobami tradycyjnymi wymaga dużego
wkładu pracy.
3. DWUBIEGOWE SILNIKI SYNCHRONICZNE O BIEGUNACH WYDATNYCH
Przebudowa silnika synchronicznego na dwubiegowy polega na skonstruowaniu i
dopasowaniu do istniejącego magnetowodu, przełączalnego uzwojenia twornika o od-
powiednim rozkładzie obwodowym pasm fazowych. Zmianę obwodowego rozkładu
pola magnetycznego (i liczby biegunów) uzyskuje się dzięki zmianie kierunków prą-
dów magnesujących. Do zasilenia tego uzwojenia wyprowadzono 6 końców, które
podobnie jak w układzie Dahlandera skojarzone są w gwiazdę dla mniejszej oraz po-
dwójną gwiazdę dla większej prędkości obrotowej. Biegunowość elektromagnesów
magneśnicy dostosowywana jest do kształtu pola twornika przez zmianę kierunku
prądów w określonych biegunach. Umożliwia to, zabudowana na wirniku, dodatkowa
para pierścieni ślizgowych.
Sposoby konstruowania, obliczania i wykonania takich silników opisano w pracach
[12...31].
Synchroniczne silniki dwubiegowe zapewniają wymaganą regulację wydajności
przepływu powietrza wentylatorów, pozwalają na kompensację mocy biernej i łagodzą
procesy rozruchowe, a ich przebudowa z silników jednobiegowych jest znacznie tań-
sza niż zastosowanie układów przekształtnikowych dużej mocy.
29
W wyniku prac badawczych opracowano konstrukcje, wykonano modernizacje
oraz wdrożono do eksploatacji trzy typy silników napędzających wentylatory główne-
go przewietrzania kopalń miedziowych i węglowych.
Pierwszym był silnik typu GAe 1716t, następnie typu GAe 1512s oraz GAe 1510p.
Parametry techniczne tych silników przed i po modernizacji zestawiono w tabeli 1.
Tabela 1. Dane znamionowe dwubiegowych silników synchronicznych przed i po modernizacji
Table 1. Rating of two-speed synchronous motors before and after modernization
parametr
P
n
n
n
połącz.
I
n
cosϕ
n
η
I
fn
I
r
typ silnika
kW
obr/min
--
A
--
%
A
A
GAe 1510p
1 250
600
Y
140
0,9
poj
95,5
230
700
GAe 1510/12p
1 050
600
YY
120
0,9
poj
94,0
230
670
600
500
Y
84
0,8
ind
86,7
230
270
GAe 1512s
1 600
500
Y
178
0,9
poj
96,0
180
910
GAe 1512/16s
1 400
500
YY
157
0,9
poj
95,7
180
890
700
375
Y
87
0,9
ind
86,4
180
380
GAe 1716t
3 150
375
Y
350
0,9
poj
96,2
300
2 640
GAe 1716/20t
2 600
375
YY
290
0,9
poj
95,5
330
2 450
1 200
300
Y
190
0,77
ind
81,0
260
1 050
Silnik typu GAe 1510/12p zainstalowany w stacji wentylatorów głównych KGHM
Polska Miedź SA Oddz. Z-dy Górnicze LUBIN pokazano na rysunku 2, na którym
widoczne są między innymi obie pary pierścieni ślizgowych do zasilania uzwojenia
wzbudzenia.
Badaniom poddano wszystkie zmodernizowane silniki natomiast zaprezentowano
wyniki badań silnika typu GAe 1510/12p, który wydawał się mieć najbardziej niesy-
metryczne pole magnetyczne. Podczas badań zarejestrowano przebiegi napięć, prądów
twornika i wzbudzenia oraz prędkości obrotowej w czasie rozruchu bezpośredniego,
ustalonego biegu asynchronicznego, synchronizacji i obciążenia silnika na obu pręd-
kościach obrotowych. Rejestracja prądów twornika silnika obciążonego i analiza har-
moniczna tych przebiegów pozwoliły ocenić stopień odkształcenia prądów spowodo-
wany niesymetrią obwodu wzbudzenia, warunkującą uzyskanie drugiej, mniejszej
prędkości obrotowej. Bieg asynchroniczny pozwolił wyznaczyć reaktancje synchro-
niczne maszyny w obu jej osiach. Rejestracja przebiegów napięć i prądów uruchamia-
nego dwustopniowo silnika dwubiegowego umożliwiła ocenę jakości rozruchu, syn-
chronizacji i zakresu kompensacji mocy biernej. Pomiary drgań i termowizyjne
[ Pobierz całość w formacie PDF ]

zanotowane.pl

doc.pisz.pl

pdf.pisz.pl

slaveofficial.keep.pl