ZESZYTY NAUKO W E PO LITE C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Sena: ELEKTRYKA z. 139
1994 N r kol. 1247
Tadeusz GLINKA
Wojciech K O CH AN O W SK I
SILNIK IN D U K C Y JN Y PR Z E Z N A C Z O N Y D O N A PĘ D U TR A M W A JU
Streszczenie. Z aprojektow any silnik indukcyjny posiada param etry i charakterystyki elektromechaniczne takie, ja k silnik prądu stałego lł-220. W ykorzystując algorytm i program obliczeń projektowych silników indukcyjnych klatkow ych, m etodą kolejnych prób, znaleziono rozw iązanie obw odu elektrom agnetycznego silnika spełniające staw iane mu wymagania. Przedstaw iono kartę uzw ojenia silnika oraz jeg o charakterystyki elektromechaniczne. W silniku zabudow ano układ im pulsow ego pom iaru prędkości obrotowej. Zbudow any silnik poddano badaniom eksperym entalnym przy zasilaniu napięciem sinusoidalnym i z falownika MSI.
IN DU CTIO N M O T O R FO R T R A M W A Y DRIVE
Sum m ary. The ratings o f the designed m otor had to be the sam e as rating o f d.c. LT-220 motor. The solution o f m otor electrom agnetic circuit is accom plished w ith use o f num erical procedures applied in squirrel cage induction m otor design. T he initial values put into the program by the program m er are changed as m any tim es as neccessary until the desired result is obtained. T he m otor w inding specification, torque - speed characteristics and characteristics taken during experim ental researches for feeding it by sinusoidal source and by PWM inverter have been presented in th e paper.
A CM H XPO H H blfi S A E K T P O A B P ir A T E A b A A H n P H B O A A T P A M B A E B
Pe.iioMe. Aa h n p u B O A a T p a M a a n T u n a 105 n p n M e H a iO T c n 3 A eK T p o A B M ra T eA M (4 u r r .) n o c T O H H H o ro TO K a n o c A e A O B a T e A b H o r o B 0 3 6 y > K a s h u r T u n a LT-220. Aa h n p u B O A a T O K o r o T p a M B a a p a 3 p a 6 o i a H a K O H C T p y K u u a a A b i e p H a i n B H o r o a c u H x p o H H o r o A B n ra T e A H STD 200L4 m c o 3 A a H b i 4 u r r . t b k h x A B n r a i e A e t i .
B S A e K T p o A B n r a ie A b B C T p o e H a n M n y A b C H a n c u C T e M a u 3 M e p e H u a C K o p o c r u B p a m e H n n . B A e K T p o A B n r a i e A b STD 200L 4 6biA n o A T B e p r H b iT 3 K c n e p n M e K ra A b H b iM McnuTaHMRM n p n n m a H k i n T p e x a > a 3 H b iM c n H iy c o n A a A b H b iM H a n p n r K e H n e M n H a n p a r K e H n e M o t n H B e p i o p a MSI. l l p o B e A e H H b i e u c c A e A O B a H n a n o A T B e p A H A n , v r o T a K > x e K aK n o T e p n m o u jh o c t m b A B n r a T e A e , T a n n H a r p e B a H n e o6m o t o k 3 a B H C frr o t n o cbiA K H HM nyAbCOB H a n p a r K e H n a .
30 T. Glinka. W. Kochanowski 1. W STĘP
N ow oczesne pojazdy trakcyjne budow ane przez czołow e firmy europejskie, ja k SIM ENS i ABB, są w yposażone w układy napędow e z silnikami indukcyjnym i klatkow ym i zasilanymi z falowników [1,2].
W Polsce nie m a ani jednego tego typu pojazdu trakcyjnego, dlatego też nie mamy żadnego w tym zakresie dośw iadczenia konstrukcyjnego i eksploatacyjnego. Brak dośw iadczenia zm usza nas do pewnej ostrożności postępow ania i w zw iązku z tym nierozw ażne byłoby rozpoczynać prace eksperym entalne od napędów lokom otyw i zespołów trakcyjnych zasilanych z sieci 3 kV prądu stałego. D latego też jak o obiekt pierwszych eksperym entów w ybrano napęd wozu tram w ajow ego, w którym moc znam ionow a silników napędow ych w ynosi 4x40 kW , a napięcie sieci zasilającej 600 V. W artość tego napięcia pozw ala budow ać falow niki napięcia opierając się na zespołach półprzew odnikow ych IGBT.
N apęd tram w ajow y nadaje się do eksperymentu z uw agi na dosyć łatw ą możliwość przeprow adzenia jeg o badań eksploatacyjnych.
Specyfika i w ym agania staw iane układowi napędow em u tram w aju w ykluczają możliwość zastosow ania silnika katalogow ego, stąd zaszła potrzeba zaprojektow ania silnika, którego param etry i charakterystyki elektrom echaniczne byłyby dopasow ane do w ym agań napędu tramwaju.
2. ZAŁO ŻENIA
Zakłada się, że badania eksploatacyjne m odelow ego układu napędow ego składającego się z 2 falowników napięcia i 4 silników indukcyjnych klatkow ych o m ocy (4x40 kW ) zostaną przeprow adzone w tram w aju 105N. Z tego też w zględu silnik musi być przystosow any konstrukcyjnie do zabudow ania go w tym wozie. Stąd w ynikają założenia konstrukcyjne dla silnika:
- w ym iary gabarytow e silnika m uszą być mniejsze od w ym iarów przestrzeni między w ózkiem a pudłem tram w aju, w której będzie zabudow any silnik, w ym iary te pow inny być zbliżone do w ym iarów silnika prądu stałego LT-220, który napędza tram w aj, a końców ka układu w ału silnika pow inna być identyczna z użytą w silniku obecnie stosow anym LT-220.
Silnik indukcyjny. 31 Parametry trakcyjne silnika pow inny być zbliżone do param etrów silnika prądu stałego typu LT-220:
- moment znam ionow y Mn =202 N m , - przeciążalność m om entem M mlu(/M N=2,5 Nm, - prędkość obrotow a znam ionow a nN=1890 obr/m in, - prędkość obrotow a m aksym alna nm„ = 4 2 0 0 obr/m in.
Podobnie jak w silniku prądu stałego, przew iduje się dw ustopniow ą regulację prędkości obrotowej:
- od n=0 do nN przy stałym m om encie, - od n=nN do n,™, przy stałej mocy.
Zmienność napięcia sieci trakcyjnej: 420 V - 720 V.
Opierając się na pow yższych danych założono, że projektow any silnik pow inien posiadać:
- liczbę par biegunów p =2,
- napięcie znam ionow e U n = 3x380 V, - częstotliwość znam ionow ą fN=60 Hz,
- zakres zm ian napięcia zasilania od 3x32 V przy f=3 H z do 3x380 V przy f=60 Hz i przy f= 140 Hz z m ożliw ością je g o podw yższenia o 10% , to je s t do napięcia 3x420 V, - zakres zm ian częstotliw ości od 3 H z do 140 Hz,
- w entylację obcą o w ydatku pow ietrza 7,5 m 3/m in, - klasa izolacji F.
3. OBLIC ZEN IA PR O JEK T O W E SIL N IK A
O bliczenia silnika w ykonano w ykorzystując algorytm obliczeń projektow ych silników indukcyjnych Branżow ego O BR M aszyn Elektrycznych w K atow icach. Program ten obejmuje:
- obliczenia uzw ojeń (obw odów elektrycznych), - obliczenia obw odu m agnetycznego,
- obliczenia cieplno-w entylacyjne,
- obliczenia param etrów i charakterystyk elektrom echanicznych silnika.
32 T. Glinka. W. Kochanowski W ykorzystując ten program , m etodą kolejnych prób udało się znaleźć rozw iązanie obwodu elektrom agnetycznego silnika, które spełnia w przybliżeniu w szystkie podane wcześniej założenia.
Rys. 1. W ym iary żłobków stojana i w irnika oraz pierścienia zwierającego Fig. 1. The stator rotor slots and grinding ring dim ensions
Do tego silnika w tablicy 1 podano kartę uzw ojeń, a na rys. 1 kształt żłobków stojana i w irnika oraz kształt pierścienia łączącego pręty wirnika. Szczegółowe obliczenia param etrów i charakterystyk elektrom echanicznych silnika przeprow adzono przy różnych wartościach częstotliw ości i napięcia zasilania. Na bazie tych obliczeń w ykreślono rodzinę charakterystyk elektrom echanicznych silnika M =f(n) i Ii=f(n) przy U |=const i fj=const. - rys. 2 i 3.
C harakterystyki te m ożna w ykorzystać przy opracow aniu algorytm u sterow ania silnika dobierając taką w artość napięcia i częstotliw ości przy danej prędkości obrotowej i zadanym m om encie dynam icznym (przyspieszeniu), aby prąd silnika był minim alny. Na rys. 4 przedstaw iono charakterystykę m aksym alnych w artości napięcia zasilania silników przy zadanej częstotliwości.
Z obliczeń elektrom agnetycznych silnika m ożna określić m iędzy innymi:
- param etry znam ionow e silnika:
Un= 3x380 V; ftp 60 Hz; PN= 40 kW ; nN= 1724 obr/min; Iin= 71,7 A; Mn= 221,5 N m ; Mraix= 740 Nm; t|n= 90,8% ; cos(pN= 0,931;
Silnik indukcyjny.. 33
Rys.2. Charakterystyki M =f(n) przy f=const i U 1=const Fig.2. T orque versus speed w ith M = const and Ui = const
- param etry silnika przy zasilaniu częstotliw ością m inim alną:
U |= 3x53 V; fi= 5 Hz; M roz= 502 N m;
Ilroz= 149,6 A; (jest to zarazem prąd m aksym alny falownika), - param etry silnika przy zasilaniu częstotliw ością m aksym alną:
U1N= 3x380 V; f,= 140 Hz;
Mmlx= 130 Nm przy Ii= 124,6 A = 1,74 I1N oraz M = 97 N m przy prądzie It= IiN i n = 3990 obr/m in.
Moment odpow iadający prądow i znam ionow em u i f = 140 H z przekracza około 6%
moment silnika prądu stałego przy prędkości m aksym alnej. M aksym alna prędkość obrotow a silnika przy zasilaniu napięciem Un o częstotliw ości Fnm = 140 Hz i obciążeniu m om entem znamionowym w ynosi n , ^ = 3990 obr/m in i je st zbliżona do prędkości m aksym alnej silnika prądu stałego. Prędkość tę m ożna pow iększyć do 4275 obr/m in zw iększając częstotliw ość napięcia zasilania do 150 Hz. W tym przypadku, aby uzyskać m om ent w iększy od 90 N m, można podnieść napięcie zasilania do około 420 V.
34 T. G linka. W . K ochanowski
Tablica 1 K arta uzw ojenia silnika
Dane Stojan W irnik
M oc znam ionow a [kW] 40
N apięcie znam ionow e [V] 380
C zęstotliw ość znam ionow a 60 H z G atunek blachy 0,5 mm; 2,6 W /kg
W ym iary blachy <j)z/<t>w [mm] 327/215 213
Szczelina pow ietrzna [mm] 0,8
Długość żelaza [mm] 300 30
Ilość żłobków 48 38
K anały w entylacyjne 9x(|>25mm
Rodzaj uzw ojenia 2 W pręty+pierścień
Podskok uzw ojenia 10
Z w ojów szereg./fazę 44
Zw ojów /zezw ój 16
D rutów rów nolegle 3
D rutów /żłobek 3x22=66
W ym iary przew odów [mm] <|>1,25 pręty <]> 8x370 pierścień 10x26 O znaczenie przew odu P N 2 E 180 pręty M lE -z 6 pierścień M O 59
Połączenie uzw ojeń 4gr 11/
Silnik indukcyjny. 35
Rys.3. Charakterystyki I= f(n) w strefie stałego m om entu i strefie stałej Fig. 3. C urrent versus speed in both
constant torque and constant pow er zones
Rys.4. R egulacja napięcia U w funkcji częstotliw ości m ocy w strefie stałego m om entu i w strefie stałej mocy
Fig.4. Inverter m otor contrrol strategy in constant torque and constant pow er zones respectively
Rys.5. Rysunek w ym iarow y silnika STD 200LA Fig.5. The dim ensioned draw ing o f ST D 200L 4 m otor
36 T. Glinka. W. Kochanowski Falow nik tranzystorow y um ożliw ia podw yższenie napięcia zasilającego silnik do w artości U ST gdzie Ust - jest napięciem stałym sieci trakcyjnej. D la silnika jest to wartość bezpieczna, gdyż izolacja silnika m usi być w ykonana na napięcie U St 750 V, a przy częstotliw ości zasilania f > 60 Hz obw ód m agnetyczny silnika je s t obw odem nienasyconym.
Rys.6. U kład do pom iaru prędkości obrotowej (a) i sposób jeg o montażu
Fig.6. The system for m easuring rotational speed (a) and its assem bly in the m otor (b)
W ydaje się, że projektując falow nik napięcia należałoby przew idzieć dla częstotliw ości w iększych od 100 H z podw yższanie napięcia zasilania do w artości około 420 V, zw iększy się w ten sposób m om ent m aksym alny o około 20%. Z obliczeń w ynika, że tem peratura ustalona uzw ojeń przy obciążeniu ciągłym prądem znam ionow ym w całym zakresie zmian prędkości obrotow ej nie przekracza 100°C, co dla klasy izolacji F nie je st tem peraturą wysoką.
Przy w spółpracy Zakładów M aszyn Elektrycznych EM IT w Ż ychlinie opracow ano dokum entację silnika. N a rys.5 przedstaw iono w idok silnika zm ontow anego z naniesionym i
Silnik indukcyjny. 37 wymiarami gabarytow ym i. N ow ością konstrukcyjną silnika je st rozw iązanie układu pom iaru prędkości obrotowej - rys. 6. U kład ten składa się z zabudow anej na w ale silnika tarczy metalowej ferrom agnetycznej z 56 otw oram i. W tarczy łożyskowej od strony nienapędowej
“N” zabudowano dw a czujniki indukcyjne CPM -10 produkcji Energopom iaru - G liw ice współpracujące z przetw ornikiem . Czujniki CPM -10 na obw odzie są rozm ieszczone tak, aby ich sygnały w yjściow e były przesunięte o 1/4 okresu. Przesunięcie to um ożliw ia indentyfikację prędkości obrotow ej silnika. Obawy, że pola m agnetyczne rozproszenia czół uzwojeń stojana i w irnika zakłócą sygnał w yjściow y z czujników , nie znalazły potw ierdzenia.
Na rysunku 7 przedstaw iono sygnał napięcia U*y otrzym yw any z czujnika pom iarow ego przy prędkości silnika 1000 obr/m in. Jak w idać, sygnał ten je st dostatecznie czysty i pozw ala odczytać w sposób cyfrow y prędkość obrotow ą silnika z dokładnością 1/56 obr/m in.
H i
U
irv s
Rys.7. Napięcie U*y z przetw ornika pom iarow ego prędkości obrotow ej Fig.7. T he course o f m easurem ent converter output voltage Uwy
4. W Y NIK I BAD AŃ E K SPE R Y M EN T A L N Y C H
W ykonany silnik o sym bolu STD 200L4 poddano badaniom eksperym entalnym . Stanowisko badaw cze - rys. 8, składało się z silnika badanego M (silnik STD 200L4) sprzęgniętego z m aszyną obciążającą H, z układu zasilającego i układu pom iarow ego. Jako maszynę obciążająca w ykorzystano silnik prądu stałego napędu głów nego tram w aju LT-220 pracujący w reżim ie prądnicow ym . U kład zasilania składał sie z dw óch źródeł:
- 3 - fazow ego napięcia sinusoidalnego o częstotliw ości 50 H z i nastaw ianej w artości, - z falownika tranzystorow ego F generującego 3 - fazow e napięcie o sinusoidalnej w artości
średniej o nastawionej częstotliw ości im pulsowania.
U kład pom iarow y obejm ow ał:
- pom iary prądu, napięcia i m ocy w sieci prądu stałego zasilającej falownik,
38 T. Glinka. W. Kochanowski - pom iary prądu, napięcia, m ocy i częstotliw ości na w ejściu silnika M,
- pom iary prędkości obrotow ej i m ocy oddaw anej przez prądnice obciążającą H, - pom iar tem peratury uzw ojeń silnika.
U kład pom iarow y (rys.8) nie um ożliw iał bezpośredniego pom iaru mom entu m echanicznego na w ale silnika M. M om ent ten obliczono z m ocy Ph i prędkości obrotowej.
Tak w yliczona w artość m om entu jest zaniżona o straty w prądnicy H.
Rys.8. S chem at układu pom iarow ego Fig.8.Circuit diagram
W celu porów nania charakterystyk elektrom echanicznych, strat i tem peratury uzwojeń silnika przy zasilaniu napięciem sinusoidalnym i z falownika takie postępow anie w ydaje się poprawne.
W układzie pow yższym przeprow adzono pom iary:
- charakterystyk elektrom echanicznych silnika ; Ij; M = f(n/n0) przy napięciu sinu
soidalnym U = 320 V i częstotliw ości 50 H z - rys. 9,
- charakterystyk elektrom echanicznych silnika P |; l t; M = f(n/n0) oraz w artości skutecznej napięcia U = f(n/n0) przy zasilaniu z falownika tranzystorow ego F przy częstotliw ości w yjściow ej 50 Hz i w artości sieci prądu stałego 600 V - rys. 10a,b,c,
- krzyw ych nagrzew ania uzw ojenia silnika przy zasilaniu napięciem sinusoidalnym U = 320 H z o częstotliw ości 50 Hz, obciążeniu m ocą 19 kW oraz przy zasilaniu z falownika tranzystorow ego i przy napięciu sieci prądu stałego Uo = 600 V, stałej w artości mocy Ph = 19 kW i częstotliw ości w yjściow ej 50 H z - ry s .l 1.
5. W N IO SK I
M ożliw e okazało się skonstruow anie silnika indukcyjnego klatkow ego o charakterystyce trakcyjnej i w ym iarach odpow iadających silnikowi prądu stałego LT-220. B adania potw ierdziły także, że m ożna zabudow ać układ do pom iaru prędkości obrotow ej z czujnikam i
Silnik indukcyjny.. 39
— p i —l— ii u
Rys.9. C harakterystyki elektrom echaniczne silnika P,; I,; M = f(n/n,) przy Ui = 320;
no = 1500 obr/m in
Fig.9. M otor input pow er, stator current and torque vs. relative rotational speed at supply voltage Ui = 320; n0 = 1500 rpm
1--- 1*1 - m -■ PO - O - P h ■ 0 ■ U l / U l O
Rys.lOa. C harakterystyki napięcia U i=f(n/n0) i P0; Pi i Ph = f(n/n0) przy zasilaniu z falow nika z sieci o napięciu 600 V i n0 = 1500 obr/m in
Fig. 10a. M otor supply voltage Ui, inverter input pow er P0, inverter output pow er P! and output pow er Ph vs. relative rotational speed n/n0; the m otor is inverter-fed; the d.c.
netw ork voltage is 600 V, the synchronous speed no=1500 rpm
40 T. Glinka. W. K ochanowski
P I © 7 0 P I 4 7 8
□ nu
U 470
H f * P u m a
- * * - PU 47»
a a
—H- P l » 8 8 H ł f - u » I I I
n» lUM) Rys.lOb. Charakterystyki napięcia Ui/Um i m ocy P,; Ph = f(n/n0)
Fig. 1 Ob. M otor relative supply voltage, inverter output pow er Pi and autput pow er Ph vs.
relative rotational speed
n / n a
m i l i e - x - M3
Rys. 10c. Charakterystyki m om entu M=f(n/no) obliczone z m ocy Ph ja k na rys. 10b Fig. 10c. M otor torque vs. relative rotational speed, calculated from output pow er Ph (cf.
Fig. 10b)
Silnik indukcyjny. 41
Rys. 11. Krzywe nagrzew ania uzw ojenia stojana przy zasilaniu napięciem sinusoidalnym i z falownika tranzystorow ego. K rzyw e zdjęto przy n0=1500 obr/m in i m ocy Ph=19 kW ; napięciu sieci prądu stałego Uo=600 V dla 3 częstotliw ości im pulsow ania
Fig.l 1. The com parison o f the tem perature rise curves o f stator w inding w hile feeding the m otor from either sinusoidal source o f PW M inverter. T he m easurem ents were taken at synchronous speed o f no=1500 rpm, output pow er Ph=19 kW ; d.c.netw ork voltage U 0=600 V at three different sw itching frequencies
indukcyjnymi w ew nątrz silnika. Badania porów naw cze nagrzew ania silnika (rys. 11) przy napięciu sinusoidalnym i z falow nika napięcia w ykazały, że przy najbardziej korzystnej częstotliwości im pulsow ania uzw ojenia nagrzew ają się około 10°C więcej, przy niekorzystnej częstotliwości im pulsow ania różnica tem peratury uzw ojenia wynosi praw ie 20°C. Zbyt niska i zbyt w ysoka częstotliw ość im pulsow ania pow oduje w ydzielanie się w iększych strat mocy czynnej w silniku. W niosek ten potw ierdzają krzyw e m ocy na rys.lO b, na którym widać, że moc Pi m a praw ie identyczny przebieg dla w szystkich trzech częstotliw ości im pulsowania, natomiast m oc Ph je st w yraźnie w iększa przy częstotliw ości im pulsow ania oznaczonej jako 473. Różnica w m ocach Ph przy różnych częstotliw ościach im pulsow ania dow odzi pośrednio o stratach dodatkow ych w ydzielanych w silniku.
Zaprojektow any silnik spełnia w ym agania staw iane układow i napędow em u tram w aju.
Opierając się na danych silnika m ożna sprecyzow ać w ym agania dla falow nika napięcia:
- zakres regulacji częstotliw ości 5-150 Hz, - zakres regulacji napięcia 3x32 V do 3x420 V, - m aksym alny prąd obciążenia 150 A.
42 T. Glinka. W. Kochanowski
L IT E R A T U R A
1. Hvid K., Skopol J.: T he new IG3 intercity train. ABB Review, 1990, n r 6.
2. Frem m elev K., W egm ar M.: T he IR4 regional electric train. A BB Review, 1990, nr 3.
Recenzent: D r hab. Jan Zawilak W płynęło do Redakcji 11 kw ietnia 1994
A b s tra c t
The ratings o f the new ly designed induction m otor for tram w ay drive must be the sam e as the ratings o f d.c. LT-220 m otor. The solution o f the m otor electrom agnetic circuit is accom plished w ith the use o f num erical procedures applied in squirrel cage induction m otor design - fig. 1. The initial values put into the program by the program m er are m odified as many tim es as necessary until the desired result is obtained. The m otor w inding specification is presented. Torque-speed characteristics at constant supply voltage and constant frequency are show n in fig.2. M otor current vs. rotational speed curve is dem onstrated in fig.3. The voltage control strategy in constant torque and constant pow er zones is depicted in fig.4.
Dim ensional draw ing o f the m otor itself is represented in fig.5. T he inductive sensor used for m easuring the rotational speed has been built into the motor. T he speed m easuring setup is rendered in fig.6, w hile fig.7 shows the m easuring sensor’s output signal. The laboratory tests o f the m otor and its supply system have been run. T heir results are displayed in figs.9 &10, w hile the representation o f the circuit diagram is shown in fig. 8. The com parison o f the tem perature rise curves o f stator w inding while feeding the m otor from either sinusoidal source o r PW M inverter is given in fig. 11.
