Silnik indukcyjny 6-fazowy z niesymetrycznym rozłożeniem osi faz do napędów przekształtnikowych dużych mocy

ZESZYTY N A U K O W E PO L IT E C H N IK I ŚLĄ SK IEJ Seria: E L E K T R Y K A z. 170

1999 N r kol. 1426

Tadeusz G LIN K A Jakub B ER N A T T

SILNIK INDUKCYJNY 6-FAZOWY Z NIESYMETRYCZNYM ROZŁOŻENIEM OSI FAZ DO NAPĘDÓW

PRZEKSZTAŁTNIKOWYCH DUŻYCH MOCY

S treszczenie. A rtykuł zaw iera ro zw ażania dotyczące silników 6-fazow ych z niesym e­

trycznym rozłożeniem osi faz. P rezentow ane s ą zalety takich silników , szczególnie w idoczne, gdy są to silniki dużej m ocy przeznaczone do zasilania z p rzekształtników częstotliw ości.

W artykule przedstaw iono w yniki badań laboratoryjnych silnika prototypow ego 3/6-fazow ego o m ocy 50 kW , p o przedzone an a liz ą celow ości stosow ania uzw ojenia 6-fazow ego.

SIX-PHASE IN D U C T IO N M O T O R W ITH N O N SY M M ET R IC P H A SE AXIS D ISTR IB U TIO N FO R H IG H PO W ER C O N V ER TER FED D R IV ES

Sum m ary. T he paper presents analysis o f the 6-phase induction m otors designed for fre­

quency converters supply. T he advantages o f low voltage m otors are show n an d the advan­

tages o f n onsym m etric-axis distribution are given as w ell. R esults o f laboratory tests o f the 3/6-phase m o to r rated at 50 kW and the analysis o f the advisability o f using such m otors are presented.

1. W ST Ę P

1.1. C harakterystyka układu napędow ego dużej m ocy o regulow anej p ręd k ości obroto­

w ej z siln ik iem ind u k cyjn ym klatkow ym

Z m niejszenie zu ży cia energii elektrycznej przez układ napędow y u zyskać m o żn a poprzez realizację p racy n ap ęd u przy m inim alnej, dopuszczalnej jesz c z e ze w zg lęd ó w technologicz­

nych prędkości obrotow ej. W ty m celu napęd, który nie m usi p racow ać przy stałej prędkości obrotow ej, w yposaża się w układ regulujący prędkość obrotow ą. O becnie standardow ym rozw iązaniem takiego nap ęd u je s t przem iennik częstotliw ości i silnik indukcyjny klatkow y.

W zakresie n apędów dużej m ocy m ożliw e są trzy w arianty rozw iązania: rys. 1.1. N ajczęściej stosow anym układem je s t ten przedstaw iony na rys. l . l b (przekształtniki o napięciu znam io­

nowym 6 kV nie s ą je szcze produkow ane na skalę przem ysłow ą). W układzie tym zarów no przem iennik częstotliw ości, ja k i silnik m ają niskie napięcie znam ionow e (U n < 800 V). Przy napięciu UN < 800 V nie zachodzi potrzeba szeregow ego łączenia elem entów energoelektro- nicznych. A by uniknąć rów noległego łączenia zaw orów , m o żn a budow ać przem iennik czę-

80. T. Glinka. J. Bematt

stotliw ości m -fazow y i zastosow ać silnik m -fazow y. W zależności od m ocy napędu stosuje się układy 3-fazow e (m = 3) b ądź 6-fazow e (m = 6).

Rys. 1.1. R óżne w arianty rozw iązania układu napędow ego o regulow anej prędkości obroto­

wej z silnikiem indukcyjnym klatkow ym

Fig. 1.1. H igh p ow er induction m otor supplied from frequency converter Z astosow anie silnika niskonapięciow ego je s t korzystne, gdyż:

• w ty m sam ym w ykroju blachy stojana m ożna zm ieścić w iększy przekrój m iedzi w stosun­

ku do u zw ojenia w ysokonapięciow ego,

• w iększa objętość m iedzi to m niejsza gęstość prądu i niniejsze straty m ocy czynnej,

• m niejsza grubość izolacji to lepsza w ym iana ciepła m iędzy uzw ojeniem a pakietem blach stojana i m ięd zy czołam i uzw ojenia i pow ietrzem chłodzącym ,

• zm niejszenie strat m ocy i popraw a odbioru ciepła z uzw ojenia obniża tem peraturę uzw oje­

n ia podczas p racy silnika.

2. P O R Ó W N A N IE W Ł A S N O Ś C I SIL N IK Ó W IN D U K C Y JN Y C H N ISK IE G O I W Y SO K IE G O N A P IĘ C IA

Silniki indukcyjne w ykonuje się na napięcia znam ionow e niskie (N N - w kraju są to na­

pięcia 220, 380, 500, 660, 690 i 800 V ) oraz na napięcia znam ionow e w ysokie (W N - w kraju

6 kV oraz dla silników najw yższych m ocy 10 kV). U m o w n ą granicę m iędzy standardow ym i silnikam i N N i W N stanow i m oc 200 - 250 kW . O becnie jednak, w łaśnie w zw iązku z coraz pow szechniej stosow anym zasilaniem silników dużych m ocy z układów przekształtnikow ych (realizow anych w edług w ariantu oznaczonego na rys. 1.1 jak o „b”), silniki N N w ykonyw ane są aż do m ocy 1 0 0 0 k W i pow yżej.

W ielkość napięcia znam ionow ego decyduje o doborze rodzaju i grubości m ateriałów izo­

lacyjnych uzw ojenia stojana, odstępach izolacyjnych w czołach uzw ojeń, a także o rodzaju i przekroju drutu naw ojow ego.

Silnik W N m usi m ieć w iększe w ym iary (i w ięk szą m asę) w p orów naniu z silnikiem NN lub przy tych sam ych w ym iarach, silnik W N będzie m ieć niższy w spółczynnik sprawności.

W tabeli poniżej podano porów nanie w ielkości strat w m iedzi stojana, strat w żelazie oraz znam ionow ych w spółczynników spraw ności (w g IEC) dla silników trójfazow ych N N -W N tej samej m ocy i o tej sam ej objętości żelaza czynnego.

Silnik indukcyjny 6-fazowv. 81

T abela 2.1 P orów nanie w ybran y ch param etrów silników niskiego i w ysokiego napięcia o tych sam ych

w ym iarach zew nętrznych

T yp siln ik a <=> S f 355 S f 3 5 5

spćc

S f 5 6 0 S f 5 6 0

spec -— -N a p ig c ie zn a m io n . [V]

W ielk o ść - — —

U = 6 0 0 0 U = 800 C II g U = 60 0 0 U = 800 ,U = 800

M oc z n am io n o w a TkWl 20 0 20 0 200 1400 1400 1400

a Pcu. r w i 4180 23 6 0 2021 11030 76 0 0 8230

APFc fW l 4400 4 7 0 0 2423 16320 18580 14680

.

____

W sp ó łczy n n ik z ap e łn ie n ia ż ło b k a k ,

0.28 0.46 0.60 0.43 0 .55 0.58

K ształt ż ło b k a sto jan a p ro sto k ąt­

ny

p ro sto k ą t­

ny

o w aln y p ro sto k ą t­

ny

p ro sto k ą t­

ny

p ro sto k ąt­

n i . ., ..

.

3. U Z W O JE N IA

3.1. P orów nanie uzw ojen ia 6-fazow ego z sym etrycznym i niesym etryczn ym rozkładem osi

P rzem ienniki częstotliw ości um ożliw iają, oprócz regulacji napięcia i zm iany częstotliw o­

ści, także zw iększenie liczby faz - na przykład do sześciu. U zw ojenie 6-fazow e m o żn a w yko­

nać z sym etrycznym rozkładem osi faz na obw odzie, przy kącie elektrycznym m iedzy osiam i faz 60° (rys. 3 .la ), lub też z rozkładem niesym etrycznym - przy kącie m ięd zy osiam i faz uzw ojenia w ynoszącym i na przem ian 30° i 90° (rys 3 .Ib).

M ożna w ykazać, że w szczelinie silnika z uzw ojeniem 6-fazow ym o ro zkładzie osi faz niesym etrycznym , ja k na rys. 3 .Ib , z n ik a ją harm oniczne przestrzenne v = 6n ± l dla n niepa­

rzystych, w ty m harm oniczne o najw iększej am plitudzie v = 5 i v = 7, nato m iast rozkład sy­

m etryczny (rys. 3 .la ) nie elim inuje żadnej harm onicznej układu 3-fazow ego.

A

b)

Rys.3.1. R ozkład faz uzw ojenia w silniku 6-fazow ym : a - sym etryczny, b - niesym etryczny Fig. 3.1. P hase axis d istribution in a 6-phase m otor: a - sym m etric distribution, b - nonsym -

m etric distribution

sz

M etodyka projektow ych obliczeń elektrom agnetycznych silników 6-fazow ych z niesym e­

trycznym rozłożeniem osi faz zaprezentow ana artykule bazuje na algorytm ie i program ie ob­

liczeń projektow ych silników indukcyjnych 3-fazow ych istniejącym w B ranżow ym O środku B adaw czo-R ozw ojow ym M aszyn E lektrycznych Kornel. M etodyka ta zostanie przedstaw iona na przykładzie uzw ojenia skróconego o liczbie żłobków Żi = 72 i liczbie biegunów 2p = 4.

U zw ojenie 6-fazow e m ożna połączyć w układ 3-fazow y p o przez połączenie szeregow e dw óch sąsiednich faz przesuniętych w zględem siebie o kąt — (rys 4.1).

6

P aram etry znam ionow e projektow anego silnika 6-fazow ego są p o d staw ą do określenia pa­

ram etrów w ejściow ych do program u obliczeń silników 3-fazow ych.

Rys. 4.1. P rzejście z układu 6-fazow ego n a 3-fazow y

Fig. 4.1. T ranform ation from 6-phase w inding into 3-phase w inding

M ożna w ykazać, że silnik 6-fazow y m oże być w przybliżeniu liczony ja k o silnik 3-fazow y o napięciu znam ionow ym :

5. SIL N IK I M O D E L O W E

Z aprojektow ano i w ykonano dw a silniki 6-fazow e o niesym etrycznym rozkładzie osi faz.

W pierw szej kolejności w ykonano silnik m odelow y o m ocy 50 kW , a po przeprow adzeniu jego badań i w eryfikacji założeń konstrukcyjnych, silnik w w ykonaniu przem ysłow ym o m o­

cy 1400 kW .

5.1. S iln ik m od elow y 3/6-fazow y o m ocy 50 kW

A by obniżyć koszty w ykonania silnika m odelow ego, jeg o konstrukcję oparto na silniku 3-fazow ym indukcyjnym klatkow ym o m ocy 50 kW produkow anym w Z akładach EM IT w Ż ychlinie. W ybrano silnik, który posiada w ykrój blachy stojana z p arzy stą (dla uzw ojenia 3-fazow ego) lic z b ą żłobków na biegun i fazę, co pozw ala uniknąć kłopotliw ego w w ykonaniu uzw ojenia ułam kow ego (Żi = 72).

Silnik m odelow y o m ocy 50 k W został w ykonany na bazie produkow anych seryjnie silni­

ków typu Sgm 280 S6. N ow e, 2-w arstw ow e uzw ojenie stojana zostało w ykonane jako 4-biegunow e.

(4.1)

Silnik indukcyjny 6-fazowv.. 83

N a sp ecjaln ą tablicę zacisk o w ą w yprow adzono początki i końce każdej z cew ek uzw oje­

nia stojana - u m ożliw ia to przełączanie uzw ojenia w układy 3-fazow y sym etryczny i

6-fazow e niesym etryczne. W szczelinie silnika um ieszczono 3 cew ki służące do p om iaru in­

dukcji.

T abela 5.1 Z estaw ienie podstaw ow ych obliczonych p aram etrów

silnika m odelow ego 3/6-fazow ego

Param etr U zw o jen ie po łączo n e w u k ład 3-fazow y

U z w o jen ie p o łą c zo n e w u k ład 6 -fazo w y

P„ kW 50 50

u„

I„ A 89.4 89.4

uk ł połącz.

-

...

...

COStp„

n„ ob r/m in 1478 1478

m l/m„

-

ItA .

-

1« A 19.7 18.0

Zf

6. B A D A N IA L A B O R A T O R Y JN E SIL N IK A

6.1. O pis m odelu i program u badań

Przygotow any silnik poddano badaniom laboratoryjnym . B adania te w głów nym stopniu m ają charakter poró w n aw czy przy zasilaniu silnika napięciem 3 i 6-fazow ym . Przeprow adzo­

no próby w stanie biegu jało w eg o , stanie zw arcia oraz badania ruchow e.

Rys. 6.1. W idok stanow iska pom iarow ego. Silnik badany znajduje się po praw ej stronie Fig. 6.1. S ix-phase induction m otor (at right side) during laboratory tests

M T. Glinka. J. Bematt

6 k V 6 k V

380 V

6 k V

3 8 0 V

a)

6 k V

b)

Rys. 6.2. S chem at układu zasilania: a) - zasilanie sinusoidalne, b) - zasilanie przekształtniko­

w e

Fig. 6.2. Supply sytem for: a) - grid fed, b) - converter fed

6.2. W yn ik i pom iarów B ieg jałow y

T abela 6.1 Z estaw ienie strat biegu jałow ego

''" '-'-.^ U k ła d zasilania Wielkość

3-fazowy „pełny”

zasilane fazy A’B’C ’

6-fazowy zasilane fazy

ABCDEF

Uwagi

Napięcie znamion. [VI 380 196.7

APm+ APfe+ APd0 rw i 1680 1670 z wentylatorem

APm+A Pfe+A Pd„rW l 1 0 1 0 990 bez wentylatora

Silnik indukcyjny 6-fazowv. 85

S ta n z w a rc ia

Moment [NmJ

(U /U n)A2

Moment [Nm]

P rą d [A]

Rys.6.3. C harakterystyka zw arcia M Lf(U /Un) 2 i M L = f(I) Fig.6.3. L ocked ro to r characteristics T Lf(U /U„ )2 and T L = f(I)

Ml T. Glinka. J. Bematt

a)

R ys.6.4. C harakterystyka M = f(n): a) przy p racy 3-fazow ej silnika (strzałka w skazuje znie­

k ształcenie pow odow ane 5-harm oniczną), b) przy pracy 6-fazow ej silnika

Fig.6.4. R ecorded torque and current as a function o f rotation speed: a) during 3-phase opera­

tion ( the arrow indicates the deform ation caused by 5-th space harm onic), b) during

6-phase operation

Silnik indukcyjny 6-fazowv. 87

T abela 6.2 P aram etry silnika podczas stanu zw arcia przy zasilaniu

napięciem znam ionow ym Rodzaj pracy

silnika W ielkość

3-fazow a 6-fazow a

N apięcie znam ion. fVj 380 196.7

M om ent rozruch. Ml fN-mj 481 499

P rąd rozruchow y IL[A] 583 579

Badania p odczas stanu obciążenia silnika przy zasilaniu sinusoidalnym i przekształtni­

kowym

W yniki próby nagrzew ania i obciążenia przy w yznaczaniu spraw ności m eto d ą strat po­

szczególnych (w g PN -89/E -06702) przy pom iarze strat dodatkow ych (projekt PN -E-06741) przedstaw iono na ry sunku 6.5 i w tabeli 6.3.

T abela 6.3 W yniki prób obciążenia i nagrzew ania

Lp.

• ", ' ;:e : i. ; \ :’4

nagrzewania

1 Ml' '

.

Układ j-tazow y

zasil . *.

sinusoidalne

6-fazowv

■ ^ d l n

•2 r,.,.

W riLprae- kształtniko-

1 2 3 4 5 6 7

1 Rodzaj pracy - - SI SI SI

2 Czas trwania próby nagrzew.

t godz. 5 5 5

3 Paramtry silni­

ka Iśr

P2 f n n coscp APCul APCu2 APFe APm APd(mierzone)

ZAP (mierzo­

ne)

V A kW Hz obr/min

% W W W W W W

380 90 50 49.98

1478 91.3 0.9225

1640 720 740 940 600 4640

196.6 85 50 50.0 1479 91.7 0.9224

1580 720 730 940 525 4495

380 104 50 50.02 1466.5 89.3%

0.782l,) 2370

1160 740(2)

940 850 6060 4 Przyrost temp.

uzw. stojana

AOCu K 60 60 85

(1)- COS05 =

(2)- straty w żelazie założone na poziom ie strat przy zasilaniu sinusoidalnym .

T. Glinka. J. Bematt

eta [% ]

Rys. 6.5. S praw ność i straty dodatkow e zm ierzone silnika 3/6-fazow ego 50 kW Fig. 6.5. E fficiency rate and m easured stray losses o f the 3/6-phase m otor, p ow er 50 kW

Silnik indukcyjny 6-fazowv... 89

7. W N IO SK I Z P R Z E P R O W A D Z O N Y C H B A D A Ń

B adania porów naw cze silnika m odelow ego 3/6-fazow ego o m ocy znam ionow ej 50 kW przeprow adzono w L aboratorium M aszyn E lektrycznych B ranżow ego O środka B adaw czo- R ozw ojow ego M aszyn E lektrycznych K ornel w K atow icach. Podczas b adań szczeg ó ln ą uw a­

gę zw racano n a dokładność pom iarów - ja k o p rzyrządów pom iarow ych używ ano w yłącznie atestow anego analizatora D 6100 firm y N G I A ustria (który m oże być traktow any ja k o przy­

rząd w zorcow y) o raz częściow o, legalizow anych w skazów kow ych m ierników klasy 0.2. Po­

szczególne próby by ły w ielokrotnie pow tarzane, celem spraw dzenia w iarygodności otrzym a­

nych w yników .

P rzeprow adzone na silniku m odelow ym badania p o tw ierd zają zalety silników

6-fazow ych. W stosunku do odpow iedników 3-fazow ych cechuje je:

- w y ższa sp raw n ość,

- w ięk szy m om en t rozruchow y, - m niejszy prąd rozruchow y,

- n iższe straty m ocy w żelazie, \

- w yższa w artość w sp ółczyn n ik a m ocy cos< p ,\ w przypadku identycznego napięcia - n iższa w artość prądu m agnesującego, zw ojow ego w silniku 3 i 6-fazow ym - m niejsze zn iek ształcenie ch arakterystyki m om entu w yższym i harm onicznym i (szczególn ie 5 i 7) pola m agnetycznego.

S praw ność silnika w yznaczono w stanie term icznie ustalonym , przy p racy silnikow ej po sprzęgnięciu go z m aszy n ą obciążającą, m eto d ą strat p oszczególnych w g PN -B 9/E -06702 oraz m e to d ą strat p oszczególnych z pom iarem strat dodatkow ych w g pr. P N -E -06741. Z god­

nie z w ynikam i przedstaw ionym i w tabeli 6.4, spraw ność badanego silnika przy zasilaniu 6- fazow ym je s t o 0.4% w yższa n iż przy 3-fazow ym (odpow iednio 91.7 i 91.3% ). D la silnika o m ocy znam ionow ej 1400 kW takie zw iększenie spraw ności daje po roku eksploatacji - przy 8000 godzin p racy rocznie - oszczędności energii rzędu 40.000 kW h, czyli około 10.000 zł.

N ależy je d n a k zw rócić uw agę, że przy zastosow aniu m aszyny 6-fazow ej niskonapięciow ej w m iejsce 3-fazow ej w ysokonapięciow ej, oprócz zw iększenia spraw ności o w ym ienione 0.4%, uzyskuje się dalsze zw iększenie spraw ności o około 0.4-h2.5%.

W przebadanym silniku, dzięki elim inacji niektórych w yższych h arm onicznych prze­

strzennych rozkładu p o la m agnetycznego, w tym harm onicznych o najw iększej am plitudzie v= 5 i 7, przy zasilan iu 6-fazow ym w stosunku do 3-fazow ego, uzyskano zm niejszenie w arto­

ści strat dodatkow ych APj o około 13%. Straty dodatkow e w yznaczone były m e to d ą pom ia­

ro w ą w edług p ro jek tu norm y pr. PN -E-06741 opartej na IE E E Std 112 m et. B. Zm niejszenie w artości strat je s t potw ierdzeniem zależności teoretycznych dotyczących elim inacji niektó­

rych harm onicznych p rzestrzennych rozkładu pola.

P rzy zasilaniu 6-fazow ym korzystniej kształtuje się rów nież ch arakterystyka m echa­

niczna silnika. N a skutek elim inacji niektórych w yższych harm onicznych p o la zm n iejszają się w artości m om entów pasożytniczych (por. rys. 6.4). W praw dzie w badanym silniku m om enty te nie m iały d użych w artości i nie zniekształcały charakterystyki w sposób znaczący, jednak badania potw ierdziły tezę o "w ygładzeniu" charakterystyki m echanicznej. U zw ojenie

6-fazow e z niesym etrycznym rozłożeniem osi faz um ożliw ia rów nież uzyskanie w yższej w artości m om entu rozruchow ego, przy tej sam ej w artości prądu rozruchow ego co dla silnika z uzw ojeniem 3-fazow ym (rys. 6.2 i tabela 6.2).

W yniki p rzeprow adzonych badań silnika 3/6-fazow ego w stanie biegu jało w eg o , stanie zw arcia i obciążenia s ą p otw ierdzeniem słuszności przyjętych założeń o raz popraw ności opra­

a n T. Glinka. J. Bernatt

cow anej m etody i program u kom puterow ego inżynierskich obliczeń elektrom agnetycznych takich silników .

Silniki 6-fazow e instalow ane do tej pory w kraju pochodziły z im portu. Były to silniki o m ocach od 1300 do 4500 kW zasilane z falow ników dw unastopulsow ych firm y AEG .

O becnie w kraju uruchom iono produkcję takich silników opartych na projektach B O B R M E K ornel. P ierw szy z silników , o m ocy 1400 kW , został w yprodukow any w Z akła­

dach E M IT w Ż ychlinie i przeszedł pom yślnie badania n a stacji prób u producenta. M a on być przekazany do eksploatacji do jednej z krajow ych elektrociepłow ni.

Istnieje rów nież m ożliw ość opracow ania i podjęcia produkcji 6-fazow ych falow ników M SI przeznaczonych do zasilania tych silników .

L IT E R A T U R A

1. B em att J.: Silniki indukcyjne 6-fazow e z niesym etrycznym rozłożeniem osi faz. R ozpraw a doktorska. Pol. Śląska, G liw ice 1999.

R ecenzent: D r hab. inż. Jerzy H ickiew icz, prof. P olitechniki Opolskiej

W płynęło do R edakcji 23.06.1999 r.

A bstract

T he p ap er presents analysis o f the 6-phase induction m otors designed for frequency con­

verters fed. The advantages o f low voltage m otors as w ell as o f nonsym m etric-axis distribu­

tion are show n. A m ethod o f electrom agnetic calculations o f 6-phase m otor using com puter softw are fo r 3-phase m otors is proposed. R esults o f laboratory tests o f the 3/6-phase m otor pow er 50 kW are published.

C hapter 1 presents the general overview o f high p ow er induction m otors supplied from frequency converters. T he feed system show n in Fig. 1.1b is the m ost com m only im plem ented due to costs o f installation and w orking costs. T he low voltage m o to r used in such a system has got higher efficiency rate than the high voltage m otor having the sam e cubature.

The frequency converter allow s to m ultiply the num ber o f phases - for exam ple to 6

phases. The 6-phase m otor can have sym m etric or nonsym m etric phase axis distribution (Fig.

3.1). In the m otor having nonsym m etric phase axis distribution there are not space harm onics v = 6n ± 1 for th e odd value o f n. For electrom agnetic calculation six phases can be trans­

form ed into 3-phase w inding (Fig. 4.1).

T he 3/6-phase induction m otor 50 kW w as m anufactured. T he m otor show n in Fig. 6.1 w as tested in a laboratory during 3 and 6-phase operation. The results are show n in Figs 6.3 - 6.5. T he results o f the tests confirm the advantages o f the 6-phase induction m otors having nonsym m etric phase axis distribution. In a com parison w ith conventional 3-phase m otors they have:

- higher efficiency rate - dim inished stray loses - higher starting torque

- low er deform ation o f the torque characteristics caused by the 5-th and 7-th space harm onics.