ZE SZ Y T Y N A U K O W E PO LITEC H N IK I ŚLĄ SKIEJ Seria: ELEK TR Y K A z. 173
2000 N r kol. 1471
W ojciech B U R L IK O W S K I(l) K rzysztof K L U S Z C Z Y Ń S K I(,) Tom asz G Ą S IO R O W S K I(2) T om asz T R A W IŃ S K I(1) Andrzej W IE C Z O R E K (2)
PRZESUNIĘCIE OBSZARU PRACY STABILNEJ
CHARAKTERYSTYKI MECHANICZNEJ SILNIKA
SEMKG71-4B2/P01, PRZEZNACZONEGO DO ZASILANIA Z SIECI JEDNOFAZOWEJ
Streszczenie. W artykule przedstawiono wyniki prac projektow ych i badawczych, dotyczących przesunięcia stabilnego zakresu pracy 1-fazow ego silnika indukcyjnego zbudow anego na bazie silnika klatkow ego SEM K g71-4B 2/P01. Ich celem było uzyskanie przebiegu charakterystyki m echanicznej, stabilnej w całym zakresie pracy silnikow ej, przy zachow aniu dopuszczalnych przyrostów tem peratury. Rozw ażono kilka w ersji projektow ych silnika, obejm ujących wirniki klatkowe o różnych wymiarach żłobków oraz w irnik kubkow y zalewany.
CHANGE OF THE STABLE REGION OF THE TORQUE-SPEED CHARACTERISTIC OF THE SEMKG71-4B2/P01 MOTOR REDESIGNED TO A SINGLE-PHASE SUPPLY
Sum m ary. The paper presents the results o f design and research investigations aim ing at the change o f the stable region o f the torque-speed characteristic o f a single
phase induction motor. As a basis for the design process the squirrel-cage induction m otor SE M K g71-4B 2/P01 was adopted. The goal o f the design was to achieve a linear torque-speed characteristic in its m otoring region, w ith allow able tem perature rises.
Several designs w ere considered, ranging from various squirrel cage rotors o f different slot dim ensions to a-like drug-cup motor.
10 Instytut E lektrotechniki Teoretycznej i Przem ysłow ej, Z akład M echatroniki
,J) F abryka Silników E lektrycznych BESEL S A.
1. W P R O W A D Z E N IE
Silniki indukcyjne 1-fazow e z kondensatorem pracy znajdują zastosow anie zarówno w sprzęcie gospodarstw a dom ow ego, ja k i w przem yśle oraz rolnictw ie. Stosuje się różne układy połączeń uzw ojeń fazow ych stojana. Przedstaw iony na ry s.l tzw. układ połączeń L stanowi najczęściej stosow any typ połączeń uzw ojeń stojana. Pow szechnie stosowanym rozw iązaniem , pozw alającym na ekonom iczną pracę m aszyny indukcyjnej przy zasilaniu jednofazow ym , je s t odpow iedni dobór jednego lub dw óch kondensatorów .
R y s .l. Silnik ind u k cy jn y 1-fazow y z kondensatorem pracy o układzie połączeń uzw ojeń stojana typu L Fig. 1. Single - phase cap ac ito r m o to r w ith L connected stator w indings
W stosunku do projektow anego silnika sform ułow ano następujące w ym agania:
- duży poślizg krytyczny s^ (zw iązany z zadaną przez odbiorcę praktycznie liniow ą c harakterystyką m echaniczną w zakresie prędkości (O-nnJ, gdzie ns prędkość synchroniczna, rys.2),
- m inim alna w artość m om entu rozruchow ego: T, > 1,6 [Nm], - zastosow anie pojedynczego kondensatora pracy.
prędkość [obr/m in]
R ys.2. P rzebieg m o m en tu siln ik a sporządzony n a podstaw ie zakładanych danych Fig.2. E lectrom agnetic torque versus speed o f the m otor m ade on basis o f the assum ed data
P rzesunięcie obszaru pracy stabilnej. 141
2. A LG O R Y TM PR O JEK TO W A N IA SILNIKA
Przedstaw ione we w stępie w ym agania pozwoliły na w yciągnięcie następujących wniosków :
- w procesie projektow ania należy dążyć do m aksym alnego w ykorzystania materiałów czynnych,
- podstaw ow y problem będzie stanow ić odprow adzenie ciepła w ydzielanego w wirniku ze w zględu na w ym aganie dużego poślizgu krytycznego.
W procesie projektow ania w ykorzystano algorytm , przedstaw iony w pracy [1], W ykorzystano w nim fakt, iż z teoretycznego punktu w idzenia jednofazow y silnik indukcyjny z kondensatorem pracy stanow i niesym etryczną m aszynę 2-fazową. N ajdogodniejszym sposobem jej analizy je st wyodrębnienie:
- rezystancji i reaktancji rozproszeń, stanow iących w raz z kondensatorem roboczym
„niesym etryczny układ zasilania”,
- dołączonej przezeń do sieci jednofazow ej „idealnej m aszyny 2-fazow ej” .
W ynikający stąd schem at zastępczy m aszyny i otrzym ane na je g o podstaw ie zależności m atem atyczne w ykorzystano w opracow anym program ie kom puterowym .
3. P O ŚR E D N IE W A R IA N TY PRO JEKTU SILN IK A
Jako w ariant w yjściow y (wzorcow y) dla projektu silnika o zadanej charakterystyce m echanicznej (rys.2) przyjęto silnik trójfazow y typu S EM K g71-4B 2/P01 o danych:
Pn=250W , U =230V , n=1426 obr/min.
O siągnięcie zadanej charakterystyki mechanicznej wym agało:
- zw iększenia w artości poślizgu krytycznego m aszyny skr, - zachow ania w artości m om entu rozruchow ego T, > 1,6 [Nm],
Realizacja projektu w iązała się z koniecznością znacznego zw iększenia w artości rezystancji klatki w irnika, przy jednoczesnym zachow aniu wartości tem peratur poszczególnych elem entów m aszyny w dopuszczalnym zakresie.
W pierw szym etapie badań pow yższe założenia postanow iono osiągnąć przy w ykorzystaniu standardow ych konstrukcji w irników i stojanów. Zm iany odnosiły się tylko do m ateriału klatki w irnika i danych naw ojow ych stojana.
O trzym ane w yniki okazały się niezadowalające. Przy zachow aniu dopuszczalnych tem peratur poszczególnych elem entów m aszyny poślizg krytyczny udało się obniżyć zaledwie do s^ -0 ,5 . O trzym aną charakterystykę m echaniczną m om entu elektrom agnetycznego Te w funkcji prędkości przedstaw iono na rys.3.
W trakcie dalszych prac zdecydow ano się na dalej idące zm iany konstrukcji wirnika.
O trzym ane w yniki nadal nie odpow iadały staw ianym wym ogom . M im o osiągnięcia wartości poślizgów krytycznych s^ssl, otrzym ane wartości gęstości prądów i związane z nimi straty w m aszynie okazały się niedopuszczalne, co przedstaw iono w ta b .l.
R ys.3. C h arak tery sty k a m ech an iczn a dla pierw szego w ariantu pośredniego Fig.3. E lectrom agnetic to rq u e versus speed curve for first m otor version
Tabela 1 Bieg
jałowy
Obciążenie znamionowe
Stan krytyczny
Rozruch
Poślizg 0.087 0.271 0.901 1.0
Prędkość obr. [obr/m in] 1369 1094 149 0
M om ent [Nm] 0 1.223 2.882 2.804
K rotność m om entu 0 1.0 2.307 2.292
M oc pobierana [W] 381.6 455.2 590.3 593.6
Spraw ność 0 0.308 0.075 0
W spółczynnik mocy 0.881 0.935 0.968 0.968
Straty całkow ite 381.6 315.1 546.3 593.6
Prąd sieci [A] 1.883 2.118 2.653 2.666
Prądy: Fazy G [A] 2.525 2.227 2.352 2.417
Fazy P [A] 2.404 2.201 1.594 1.526
N apięcie na kond. [V] 546.6 500.4 362.4 347
G ęstość prądów : F azy G [A /m m 2]
Fazy P [A /m m 2]
7.16 8.5
6.32 7.78
Przesunięcie obszaru pracy stabilnej. 143
4. W A R IA N T O STA TEC ZN Y PRO JEKTU SILNIKA
W ykorzystując przedstaw ione uprzednio w yniki oraz przyjm ując w ym iary m aszyny, przy których m ożliw e byłoby uzyskanie charakterystyki m echanicznej z rys.2, w ybrano silnik indukcyjny z w irnikiem bezżłobkowym . M ożliw e były następujące trzy rozw iązania [2]:
- w irnik lity (m asyw ny),
- w irnik lity (m asyw ny) z w arstw ą przew odzącą - w irniki pakietow any z w arstw ą przewodzącą.
Ze w zględu na:
- m ożliw ości technologiczne producenta prototypu (którym była firm a BESEL),
- brak dośw iadczeń konstruktorskich i technologicznych, dotyczących silników w yposażonych w w irnik lity przy zasilaniu niesym etrycznym ,
- duże znaczenie składowej przeciwbieżnej pola m agnetycznego przy biegu jałow ym , narzucające dobór kondensatora,
w ybrano rozw iązanie w irnika pakietow anego z w arstw ą przewodzącą. Jego przekrój poprzeczny przedstaw ia rys.4. W ykorzystując analogię tego rozw iązania z silnikiem kubkow ym w obliczeniach przyjęto następujące param etry zastępczej w arstw y [3]:
R; = m r f k l - n
| P ld n
\ d r A P b2d 2
X I * 0 (1)
gdzie:
dre - zew nętrzna średnica kubka w irnika, d j - grubość kubka wirnika, p 2 - rezystyw ność m ateriału kubka w irnika, ¿>2 ' szerokość pierścienia, d } - w ysokość pierścienia, m j - liczba faz (2), z / - 1. zw ojów szeregow ych (fazy głów nej), kws - w spółczynnik uzw ojenia stojana (fazy głów nej).
D la celów analizy porównaw czej zaprojektow ano i wykonano dw ie konstrukcje silnika:
- K onstrukcja 1 - stanow iła wstępny w ariant silnika, łatwy do w ykonania ze względu na niew ielkie zm iany konstrukcyjne. W tym wariancie wykrój blach stojana pozostał niezm ieniony w stosunku do silnika wzorcow ego S E M K g71-4B 2/T /P 01. Zm ieniono dane naw ojow e, przekroje przew odów oraz pojem ność kondensatora. Przyjęto największe m ożliw e w spółczynniki w ypełnienia żłobka (0.78), co pozwoliło na sprawdzenie, jakie param etry m ożna uzyskać przy konstrukcji ju ż istniejącej, przy zachowaniu niezm ienionego w ykroju blach stojana.
- K onstrukcja 2 - w tym w ariancie zm ieniono wykrój blach stojana silnika, dane nawojowe, przekroje przew odów oraz pojem ność kondensatora. Budow a w irnika była identyczna jak w K onstrukcji 1.
R ys.4. Przekrój p o p rzeczn y m aszy n y z w irnikiem pakietow anym pokrytym w arstw ą p rzew o d zącą Konstrukcji 2 Fig.4. C ross-section o f th e m otor w ith lam inated ro to r covered by conductive solid layer - C onstruction 2
Przesunięcie obszaru pracy stabilnej. 145
R ys.5. W irnik o K onstrukcji 2
Fig. 5. R otor according to C onstruction 2
W ykorzystanie w obliczeniach projektow ych algorytm u num erycznego, opracowanego dla m aszyn o budow ie tradycyjnej, w ym agało jego wstępnej weryfikacji. Sprawdzenia dokonano, w ykorzystując w yniki pom iarów , przeprow adzonych na przykładzie tachoprądnicy PTF-40 o danych: 1-fazowe uzw ojenie m ostkowe sym etryczne, 4 W, 1500 obr/m in, 220/45 V, 0.55 A - 1986 r. producent - ZA P O strów W ielkopolski (rys.6). W tym celu jej uzw ojenia połączono do pracy silnikow ej przy zasilaniu z sieci 1-fazowej, łącząc szeregowo kondensator o pojem ności 1 pF do jednej z faz (faza pomocnicza). Otrzym ane na tej podstaw ie wyniki pom iarow e w raz z rezultatam i sym ulacji kom puterowych przedstaw iono w tab.2.
Tabela 2
Stan pracy I. [A] IP [A] Is [A] Uc [V] P [W]
Bieg jałow y
Pom iar 0,13 0,12 0,11 360 16
Sym ulacja 0,129 0,121 0,132 384 12,1
Stan zw arcia
Pom iar 0,28 0,08 0,28 245 54
Sym ulacja 0,291 0,0
79
0,286 250 64,7
Rys.6. W irnik tachoprądnicy kubkow ej PTF-40 Fig.6. The rotor o f a tachom eter PTF-40
B łąd, dotyczący p om iaru m ocy n a biegu jałow ym , m oże w ynikać z niedokładności danych, dotyczących strat m echanicznych m aszyny w tym stanie pracy. Ponadto źródłem błędów proponow anej m etody m oże być zaniedbanie trójw ym iarow ego (3D) rozkładu pola, zwłaszcza dla stanu zw arcia (odnosi się to głów nie do obszaru pierścieni, zw ierających warstwę przew odzącą).
W yniki pom iarów i sym ulacji dla K onstrukcji 2 przedstaw iono na ry s.7. W ykazyw ały one znaczące rozbieżności w odniesieniu do poszczególnych prototypów . Z a podstaw ow ą przyczynę należy uznać trudności technologiczne, związane z w ykonaniem warstwy przewodzącej w irnika. Proces technologiczny obejm ował:
- pokrycie nieużłobkow anego w irnika (pakietow anego) ciekłym alum inium o grubości ok. 3 m m ,
- obróbkę m echaniczną (toczną) zm niejszającą grubość w arstw y przewodzącej do zadanej w artości 0,6 mm.
O bróbka m echaniczna prow adziła do dużych uszkodzeń w arstw y przew odzącej, a w konsekw encji - do zm iany rozkładu przestrzennego prądów w irow ych i zm iany param etrów elektrycznych w arstw y. Pow odow ało to znaczące zniekształcenie założonej charakterystyki m echanicznej m aszyny.
Prędkość obrcrtcwa [obr/min]
Rys.7. Porów nanie w y ników sym ulacji i pom iarów Fig.7. C om p ariso n o f m easu rem en t and sim ulation results
Jakość w yk o n an ia w arstw y przewodzącej spraw dzono na podstaw ie pom iaru stanu zwarcia przy sym etrycznym zasilaniu dw ufazow ym . Prądy fazowe dobrano w ten sposób, by zapew nić rów ność przepływ ów uzwojeń:
Ns g I g = N sp Ip (2)
O trzym ana na tej podstaw ie w artość rezystancji zastępczej w irnika by ła dw ukrotnie w iększa niż otrzym ana z zależności (1) przy założonych w ym iarach w arstw y oraz połączeń czołow ych.
Przesunięcie obszaru pracy stabilnej. 147
Z m iana rezystancji w arstwy przewodzącej na wartość rów ną wartości wyznaczonej pom iarow o dała w yniki sym ulacji, będące w bardzo dobrej zgodności z rezultatami otrzym anym i pom iarowo. Param etry w ykorzystane w algorytmie
zw eryfikow ano przy w ykorzystaniu m etody elem entów skończonych (rys.8), otrzymując zadow alającą zgodność w yników [5].
Ry s.8. R ozkład m ag n ety czn eg o potencjału w ektorow ego dla zasilania sk ład o w ą zg o d n ą prądu (s= 1) F ig.8. M agnetic vector potential distribution for positive current sequence supply ( s = l)
LITER ATU RA
1. K luszczyński K ., M iksiew icz R.: Projektow anie indukcyjnych silników jednofazow ych z kondensatorem pracy za pom ocą m aszyny cyfrowej, Rozprawy Elektrotechniczne 1983, 29, z .l, s.133-143.
2. D ąbrow ski M ., G ieras J.: M aszyny indukcyjne o wirniku m asywnym , PW N, W arszawa 1977.
3. Turow ski J.: O bliczenia elektrom agnetyczne elem entów m aszyn i urządzeń elektrycznych, W NT, W arszaw a 1982.
4. G ieras J.: Silniki indukcyjne liniowe, WNT, W arszawa 1990.
5. Binns K.J., Law renson P.J., Trow bridge C.W.: The analytical and num erical solutions o f electric and m agnetic fields. John W iley, N ew York 1992.
Recenzent: Dr hab. inż. Ernest M endrela
W płynęło do Redakcji dnia 10 kw ietnia 2000 r.
A bstract
The m ain purpose o f this paper is design and research investigations aim ing at the change o f the stable region o f the torque-speed characteristic o f a single-phase induction m otor w ith L connected stator w indings. As a basis for the design process the squirrel-cage induction m otor S E M K g71-4B 2/P 01 w as adopted. The goal o f the design was to achieve a linear torque-speed characteristic in its m otoring region, w ith allow able tem perature rises. Several designs were considered, ranging from various squirrel cage rotors o f different slot dim ensions to a-like drug-cup m otor. S im ulation results are com pared w ith m easurem ent results.
Single-phase induction m otors are used in m any hom e appliances as w ell as in industry and agriculture. T he w ay to achieve high efficiency for L connected stator w indings (F ig .l) is the appropriate choice o f the capacity o f the em ployed capacitor. In the described design process the follow ing requirem ents are applied:
- high slip skr for the breakdow n (m axim um ) torque, (Fig.2), - m inim al value o f th e starting torque: T, > 1,6 [Nm],
In C hapter 2 th e algorithm o f design is briefly discussed. In Chapter 3 several designs o f the prototype single-phase m otor w ith L connected stator w indings are considered. To achieve previously described goals considerable increase o f the rotor resistance is necessary.
In the first stage o f th e design standard setups o f stator and rotor w ere em ployed. The obtained results w ere unsatisfactory as value o f the slip skr was increased only to around 0,5 (Fig.3). In the next step o f researches design o f the rotor w as considerably changed. A lthough the value o f the slip sk, w as increased to around 1 (starting), current densities in rotor and stator w indings w ere unacceptable (Table 1).
In the final stage o f the design three different sm ooth (unslotted) rotor versions were considered:
- solid rotor,
- solid rotor w ith conducting surface layer, - lam inated rotor w ith conducting surface layer.
T aking into account the follow ing circum stances:
- technology to be em ployed (B ESEL Ltd.),
- lack o f engineering experience in the design o f solid rotor m achines for the unsym m etrical supply,
only the third v ersio n w as further analysed. The final data o f the prototype o f a single-phase m otor are given in C hapter 4 (Figs.4, 7).
