Silniki indukcyjne bezkadłubowe

(1)

Seria: ELE K TR Y K A z. 176

Komunikat

Zdzisław KRZEM IEŃ 11

SILNIKI INDUKCYJNE BEZKADŁUBOWE

Streszczenie: Silniki bezkadłubowe to nowa konstrukcja silników indukcyjnych przewi

dziana do współpracy z falownikami. W artykule przedstawiono wyniki badań takiego silnika oraz porównano je z wynikami badań silników standardowych.

VEC TO R SPEED MOTORS

S um m ary. Vector speed motors ere new construction of induction motors intended for inverter supply. The paper presents the results of investigations such a motor. The results are compared with those for a standard motor.

Key words: vector speed motors

1. W S T Ę P

W ostatnich latach w napędach regulowanych następuje w ym iana silników prądu stałego na silniki prądu przem iennego zasilane z przem ienników częstotliwości. Silniki indukcyjne klatkowe są bowiem tańsze, m ają bardziej prostą budowę i s ą bardziej niezawodne. Zasilanie ich ze źródeł o napięciu silnie odkształconym i przy szerokim zakresie zmian częstotliw ości powoduje pogorszenie ich param etrów eksploatacyjnych. Zw ykle przyjm uje się, że m oc silnika indukcyjnego zasilanego z falow nika m aleje o ok. 1 0% w stosunku do m ocy znam ionowej przy zasilaniu sinusoidalnym.

W praktyce oznacza to, że w danym napędzie regulowanym konieczna je st instalacja silnika o następnej w artości m ocy z szeregu wykonań.

Produkow ane silniki prądu stałego dla danego wzniosu osi wału m ają znacznie w iększą moc w porównaniu z silnikam i indukcyjnym i, w ynika to z ich w iększej długości pakietów i bardziej intensyw nej w entylacji. W tabeli 1 podano podstawowe param etry silników indukcyjnych i prądu stałego dla w ybranych w artości w zniosu osi wałów. Przedstaw ione typy silników m ają największe m oce w danych w zniosach.

Tablela 1 P orów nanie podstaw ow ych param etrów wybranych silników indukcyjnych i prądu stałego

silniki indukcyjne typu Sg silniki prsidu stałego typu Pg

112M-4 132M-4 160L-4 112L 132D 160D

m oc znam ionowa

(1500obr/m in) [kW l 4 7.5 15 1 1 2 2 45

w znios osi wału [m m] _{1 1 2} 132 160 1 1 2 132 160

m asa [kg] 36 73 130 1 2 0 182 300

w ykorzystanie m ateriałów

[kg/kW ] 9.0 9.73 8.67 10.91 8.27 6.67

Z przytoczonych danych wynika, że jeśli w napędzie regulowanym zastępuje się silnik prądu stałego typu Pg132D o m ocy 22 kW i w zniosie osi wału 132 m m to uw zględniając obniżenie mocy spow odow ane zasilaniem falownikow ym , konieczna je st instalacja silnika indukcyjnego o mocy

" Dr inż., Instytut Elektrotechniki; Zakład Maszyn Elektrycznych. 04-703 Warszawa, ul. Pożaryskiego 28 tel. 22-812 30 20 fax: 22-812 12 46 e-mail: z.krzemien@iel.waw.pl

(2)

1 1 6 Krzemień Z.

25kW . Produkow ane standardow e silniki indukcyjne o tej m ocy m a ją w znios osi watu równy 2 0 0 mm.

Znaczna różnica w zn io só w om aw ianych silników prowadzi często do konieczności w ykonania w ielu kosztow nych zm ian w konstrukcji napędu.

P ojaw ienie się nowej konstrukcji silnika indukcyjnego klatkow ego m a na celu głównie uniknięcia tych zm ian.

Silniki te nazwano silnikam i indukcyjnym i bezkadtubowym i, m ają one zalety silników indukcyjnych, lecz ich m oce jednostkow e s ą porów nyw alne, a nawet większe od m ocy silników prądu stałego przy danym w zniosie osi wału.

P onadto spotyka się je szcze in n ą nazwę tych silników - silniki sterow ane w ektorow o (vector- speed A C asynchronous m otors), silniki te s ą bowiem zazwyczaj w yposażone w kontroler położenia w irnika (enkoder) słu żą cy do dokładnego i ciągłego sterow ania prędkością obrotow ą m aszyny zasilanej z falow nika o sterow aniu w ektorowym .

W silnikach bezkadłubow ych funkcję kadłuba pełni pakiet blach stojana o kw adratowym obrysie zew nętrznym . Praktycznie w ię c cała przestrzeń zajm ow ana przez silnik je s t w ykorzystyw ana jako obwód elektrom agnetyczny. U zyskiwane m oce s ą bardzo duże w porównaniu z silnikam i standardow ym i.

Podstaw ow e cechy silników bezkadłubowych s ą następujące:

- duża m oc przy w zględnie m ałych wym iarach;

- m ały m om ent bezwładności;

- znaczna m aksym alna prędkość obrotowa do 9000 obr/min;

- obca w entylacja.

silnik standardowy silnik bezkadlubowy

Rys. 1. Porównanie wymiarów silnika standardowego i silnika bezkadłubowego o wzniosie 160 mm Fig. 1. Comparison of standard and vector-speed motors of the same axis height (160 mm)

Silniki bezkadłubow e zasadniczo przew idziane s ą do zasilania falow nikow ego i rozruch bezpośredni z sieci m oże uszkodzić m aszynę. W przypadku zasilania silnika bezkadłubowego z sieci konieczne je s t dokonyw anie „m iękkiego” rozruchu (softstartu) lub załączanie na zaciski silnika regulow anego napięcia.

S ilniki takie w ytw arzane s ą przez niektóre firm y europejskie w zakresie m ocy od kilku do kilkuset kilowatów. Param etry ich dla danej w ielkości s ą zbliżone. W szystkie typy posiadają obcą w entylaq'ę oraz w yposażone s ą w enkodery. Silniki w ykonyw ane s ą w dwóch rodzajach stopnia ochrony: IP23 i IP54.

2. PRZED M IO T BADAŃ

W laboratorium Zakładu M aszyn Elektryczny IEI wykonano badania zakupionego silnika bezkadłubow ego w ielkości m echanicznej 132 i m ocy znam ionow ej 18.5 kW.

Silnik ten je s t silnikiem czterobiegunow ym o w entylacji obcej - osiowej.

Stojan złożony je s t z kwadratow ych blach o niskiej stratności, w rogach w ycięte s ą otwory w entylacyjne, co przedstawione je s t na rysunku 3. Izolacja uzwojenia stojana w ykonana je s t w klasie F. W irn ik je s t klatkow y zalany alum inium . W entylator je s t odśrodkowy, powietrze je st zasysane. W irn ik pom ocniczego jednofazow ego silnika um ieszczony je st na zew nątrz i na nim zam ontow any je s t wentylator.

(3)

Na w ale od strony w entylatora um ieszczony je s t enkoder (1024 im pulsy/obr) przeznaczony do w spółpracy z falow nikiem sterow anym wektorowo.

S ilnik w ykonany je s t w stopniu ochrony IP54.

Rys. 2. Badany silnik bezkadłubowy w.m. 132 mm Fig. 2. Tested vector-speed motor, axis height 132 mm

Rys. 3. Rysunek blach stojana i wirnika badanego silnika bezkadłubowego Fig. 3. Geometry of tested vector-speed motor

3. W Y N IK I BADAŃ

W yniki pom iarów porównywano z w ynikam i badań silników standardowych: Sg132 M4 - ten sam w znios co silnika bezkadłubow ego oraz Sg180 M4 - ta sama moc. W tabeli 2 zawarto zestaw ienie danych znam ionow ych silników bezkadłubowego, Sg132M 4 i Sg180M4 podanych przez producentów

Tabela 2 Z estaw ienie param etrów silnika bezkadłubowego i silników standardowych

typ bezkadłubowy* Sg132M4 Sg180M4

m oc [kW] 18.5* 7.5 18.5

napięcie [V] 400 380 380

prąd [A] 35 15.4 35.7

spraw ność [%] 92.9 87.0 89.5

cos <p [-] 0.83 0.85 0 . 8 8

m om ent [Nm] 118 49.4 121.4

prędkość obr. 1500 1450 1455

połączenie gwiazda trójkąt trójkąt

m asa [kg] 135 73 165

stopień ochrony IP54 IP54 IP54

klasa izolacji F B F

d łu g o ść całkow ita [mm] 782 530 705

w ykorzystanie m ateriałów [kg/kW ]

7.3 9.7 8.9

* dane znam ionow e dla częstotliwości napięcia zasilającego równej 51.4 Hz

(4)

1 1 8 Krzemień Z.

3.1. P ró b a b ie g u ja ło w e g o p rz y z a s ila n iu z s ie c i

Do strat jałow ych silnika bezkadłubow ego dodano m oc pobieraną z sieci przez jednofazow y silnik pom ocniczy napędzający w e ntylator i w artość tę przyjęto jako straty w entylacyjne zgodnie z IEC 34-2 pkt.8.

Tabela 3 Param etry biegu jałow ego silnika bezkadłubowego i silników ■

standardowych

typ bezkadłubowy Sg132M4 Sg180M4

I. [A] 17.6 6.7 14.5

Po [W] 6 1 0 .7 + 1 10*=720.7 404.9 684.5

Ppe [W] 415.3 227.5 444.5

Pm m 76.3 + 110*= 186.3 93.8 120.4

* straty w entylacyjne (obca wentylacja)

Sum aryczne straty m echaniczne silnika bezkadłubowego s ą stosunkowe wysokie w porównaniu z silnikam i standardow ym i; spow odow ane je s t to m.ln. stratam i w enkoderze.

3.2. P ró b a n a g rz e w a n ia p rz y z a s ila n iu z s ie c i

M oc znam ionow a silnika bezkadłubow ego je s t równa 18.5 kW przy f = 51.4 Hz po przeliczeniu na częstotliw ość 50 Hz m oc znam ionow a wynosi 18.0 kW. Próba nagrzewania tego silnika przy zasilaniu sieciow ym była przeprowadzona przy obciążeniu ta ką m ocą. Ustalony przyrost te m peratury uzwojenia stojana w ynosił 62.5°K, był on w ięc stosunkowo niski wobec dopuszczalnego 105°K.

Tabela 4 W yniki próby nagrzewania silnika bezkadłubowego przy zasilaniu sieciow ym oraz porównanie

z w ynikam i prób nagrzewania silników standardowych

typ bezkadłubowy

P=18kW U=400V

Sg132M4 P=7.5kW U=380V

Sg180M4 P=18.5kW U=380V ustalony przyrost tem peratury

uzwojenia stojana [°K] 62.6 80.2 80.0

tem peratura kadłuba [°C] 50.5 6 6 . 2 62.4

tem peratura otoczenia [°C] 16.9 24.9 21.7

3.3. P ró b a o b c ią ż e n ia w s ta n ie n a g rza n ym

Próbę przeprow adzono w stanie cieplnie ustalonym przy obciążeniu bezpośrednim silnika.

Przy znam ionow ym obciążeniu odczytano podstawowe param etry silnika, które zawarto w tabeli 5 w raz z porów naniem obciążeniowych param etrów znam ionowych silników standardowych.

Przy czym spraw ność silnika bezkadłubowego w yznaczono m etodą B (kanadyjską), zaś sprawność silników standardow ych wyznaczona była m etodą strat poszczególnych wg P N -88/E-06701.

Tabela 5 P aram etry obciążeniow e silnika bezkadłubow ego przy zasilaniu z sieci

m oc znam ionow a [kW ] 18 7.5 18.5

napięcie znam ionow e [V] 400 380 380

prąd [A] 36.9 15.4 35.9

spraw ność [%] 90.75 87.77 89.9

cosip [-] 0.808 0.843 0.871

poślizg [%] 2.35 2 . 6 6 2.4

(5)

3.4. P ró b a n a g rz e w a n ia p rz y z a s ila n iu fa lo w n ik o w y m

Badania w ykonyw ano zasilając silnik z falownika PWM, enkoder nie był wykorzystywany.

Przyrost tem peratury uzwojenia stojana przy zasilaniu sieciowym był stosunkowo niewielki, więc silnik przy zasilaniu falow nikow ym przy f = 50 Hz obciążono tą sam ą m ocą (18 kW). Przy f = 30 Hz silnik obciążono tak, aby zachow ać stały moment.

Silniki standardowe były badane przy zasilaniu z tego sam ego falownika.

W yniki prób nagrzew ania silnika bezkadłubowego wraz z porównaniem z w ynikam i badań silników standardow ych zam ieszczono w tableli 6.

Tabela 6 W yniki prób nagrzewania silnika bezkadłubowego przy zasilaniu falownikowym przy f = 50 i 30 Hz oraz porównanie z wynikam i prób _______________ nagrzewania silników standardowych ____________

typ bezkałubowy

U=400V

Sg132M4 U=380V

Sg180M4 U=380V f = 50 Hz

m oc [kW] 18 6 .6 16.5

napięcie [V] 400 380 380

ustalony przyrost tem peratury uzwojenia stojana [°K]

78.6 82 82.7

tem peratura kadłuba [°C] 60.7 64.0 63.1

f = 30 Hz

m oc [kW] 1 0 . 8 3.5 9.0

napięcie [V] 310 296 296

ustalony przyrost tem peratury uzwojenia stojana [°K]

71.5 82.1 81.1

tem peratura kadłuba [°C] 55 69.2 68.7

3.5. P ró b a o b c ią ż e n ia p rz y z a s ila n iu fa lo w n ik o w y m

Próbę przeprowadzono w stanie cieplnie ustalonym przy obciążeniu bezpośrednim silnika przy dwóch częstotliwościach napięcia zasilania f = 50 Hz i 30 Hz. Przy znamionowym obciążeniu odczytano podstawowe param etry silnika, które zawarto w tabeli 7 wraz z porównaniem obciążeniowych param etrów znam ionowych silników standardowych. Przy czym sprawność silnika bezkadłubowego wyznaczono m etodą B (kanadyjską), zaś sprawność silników standardowych wyznaczona była m etodą bezpośrednią (m oc oddana do m ocy pobranej).

Tabela 7 Param etry obciążeniowe silnika bezkadłubowego przy zasilaniu falownikowym

f = 50 Hz

m oc znam ionow a [kW] 18 6 .6 19.5

napięcie znam ionow e [V] 400 380 380

prąd [A] 39.2 15.75 43

spraw ność [%] 89.17 85.30 87.72

COSip [-] 0.774 0.745 0.790

poślizg [ % 1 ■ 3.64 3.8 2.84

f = 30 Hz

m oc znam ionow a (kW] 1 0 . 8 3.5 10.5

napięcie znam ionow e M 310 296 296

prąd [A] 37.7 14.7 40.4

spraw ność [%] 87.67 78.9 82.47

cosip [-] 0.748 0.590 0.617

poślizg [%) 2.9 6.85 4.64

(6)

1 2 0 Krzemień Z.

S praw ność silnika bezkadlubow ego przy zasilaniu z falow nika je st wysoka, co świadczy o w łaściw ym doborze jego param etrów konstrukcyjnych pod kątem zasilania napięciem odkształconym .

4. W N IO SK I

W yniki wykonanych badań w ska zu ją na dobre w łasności napędowe silnika bezkadłubowego w stanach ustalonych. P rzyrosty tem peratury uzwojenia stojana przy obciążeniach znam ionowych są niew ielkie zarów no przy zasilaniu sieciowym , ja k i falownikowym . Istnieje dość znaczna rezerwa cieplna i z silnika tego m ożna uzyskać m oc znacznie w ię kszą niż znam ionowa.

Pom ierzona spraw ność (m etoda B) je st niższa niż podana przez producenta, jednak nadal jest w iększa niż porów nyw anych silników standardow ych.

W edług danych podanych na tabliczce znam ionow ej spraw ność silnika zawiera się w klasie spraw ności e ff1, czyli należałoby go zaliczyć do silników o w ysokiej sprawności, jednak pomiary tego nie potwierdziły i w yznaczona w artość sprawności wskazuje, że silnik zawiera się w klasie eff2 (przy zasilaniu sieciowym ).

Pewnym m ankam entem badanej konstrukcji je s t konieczność dokonywania tzw. „miękkiego rozruchu" (softstartu) - rozruch bezpośredni z sieci m ógłby uszkodzić silnik. W łasność ta wynika z przeznaczenia m aszyny do zasilania z falownika.

P roblem atyczny je s t również sposób instalacji enkodera - w ew nątrz m aszyny, co powoduje znaczne w ydłużenie konstrukcji. W ydaje się, że bardziej w łaściw e byłoby potraktowanie go jako opcji (wykorzystyw any je s t on tylko w niektórych napędach) i m ocowanie go w przypadku zam ów ienia na zew nątrz silnika.

Reasum ując, badany silnik bezkadłubowy należy uznać jednak za konstrukcję interesującą, a jego param etry eksploatacyjne s ą zadow alające, szczególnie przy zasilaniu falownikowym .

W yd a je się celowe wykonanie projektu w stępnego serii silników bezkadłubowych przew idyw anych zasadniczo do zasilania falow nikow ego i przekazanie w yników tych prac krajowym producentom m aszyn elektrycznych. Pojęcie produkcji takich m aszyn rozszerzyłoby ofertę silników indukcyjnych w ytw arzanych w Polsce.

Recenzent: Dr hab. inż. Jan Zawilak Profesor Politechniki W rocławskiej

W płynęło do Redakcji dnia 15 lutego 2001 r.

A b s tra c t

V ector-speed m otors are specifically designed for inverter supply. T heir m ain characteristics are as follows:

- high power w ith relation to the sm all external size - sm all m om ent of inertia

- high rotational speed (up to 9000 rpm) - external ventilation.

The paper presents the selected results of investigations o f a vector-speed m otor (18.5 kW ; axis height - 132 m m) and th e ir com parison with those for standard m otors supplied from the m ains and inverter.

The results o f ternperature-rise tests and load tests in case o f supply from the mains and inverter show that the param eters of vector-speed m otors are better than those o f standard motors, particularly in case of inverter supply.

T he tem perature rises of stator w indings are sm all both fo r m ains and inverter supply.

T he efficiency is quite high, w hereas the losses are small.

Sum m ing up, a vector-speed m otor is an interesting construction for modern AC drives.