dwubiegowy silnik indukcyjny o stosunku prędkości ... - Komel

Tomasz Zawilak, Ludwik Antal
Politechnika Wrocławska, Wrocław
DWUBIEGOWY SILNIK INDUKCYJNY O STOSUNKU PRDKOCI
OBROTOWYCH 1:3
POLE CHANGING INDUCION MOTOR WITH 1:3 SPEED RATIO
Abstract: This paper describes a new concept of using conventional induction motor as a two speed
induction motor. By switching supply from three phase to single phase with all windings connected in series
it is possible to triple magnetic pole number. There are shown basic properties of such a solution. Results of
FEM calculation including flux pattern and normal component of flux density along an airgap are presented.
Torque-speed and current-speed characteristic of studied motor are also presented. Some transients including
torque, speed and current versus time during start up and switching to single phase supply are shown.
1. Wstp
W napdach przystosowanych do bezporedniego
zasilania z sieci zdecydowan wikszo
stanowi silniki indukcyjne klatkowe. Najprostsz
metod regulacji prdkoci obrotowej w takich
napdach jest zmiana liczby biegunów
pola magnetycznego. Uzwojenie twornika takich
maszyn składa si bd z dwóch niezalenych
uzwoje bd z jednego uzwojenia przełczalnego.
W obu przypadkach silnik dwubiegowy
ma gorsze parametry ni silnik jednobiegowy
klasycznej budowy. W rozwizaniu z
dwoma niezalenymi uzwojeniami wykorzystywane
jest tylko jedno z uzwoje, a maszyna
ma wiksze łobki i rednic zewntrzn. W
silnikach z uzwojeniem przełczalnym wykorzystanie
materiału czynnego stojana jest
znacznie lepsze, jednak współczynniki uzwojenia
dla obu prdkoci s mniejsze ni w maszynach
jednobiegowych. Dodatkowo w drugim
rozwizaniu uzwojenie jest dwuwarstwowe co
uniemoliwia zastosowanie procesu automatycznego
zwojenia stojana, to za stanowi
utrudnienie przy seryjnej produkcji.
Celem pracy jest wykazanie moliwoci uzyskania
dwóch prdkoci obrotowych w silniku
indukcyjnym o klasycznym jednobiegowym
uzwojeniu stojana.
2. Koncepcja
Koncepcj połcze dwubiegowego silnika indukcyjnego
pokazano na przykładzie klasycznego
silnika z uzwojeniem jednowarstwowym
ułoonym w 48 łobkach.
Obwodowy rozkład zezwojów tego uzwojenia
pokazano na rysunku 1. Uzwojenie takie zasilane
trójfazowo wytwarza pole wirujce kołowe
o czterech biegunach magnetycznych. Obwodowy
rozkład siły magnetomotorycznej tego
uzwojenia, dla wybranej chwili czasowej,
przedstawiono na rysunku 1a. Z klasycznej
analizy harmonicznej wynika, e o ile podstawowa
harmoniczna czterobiegunowa indukuje
w rozpatrywanym uzwojeniu układ napitrójfazowych
wirujcych, to trzecia harmoniczna
indukuje w poszczególnych pasmach fazowych
układ napiwspółfazowych.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
A A A A C C C C B
10
B
11
B
12
B
13 14 15 16 17
A A A A C
18
C
19
C
20
C
21 22 23 24 25
B B B B A
26
A
27
A
28 29
A C
30 31 32 33
C C C B
34
B
35
B
36
B
37 38 39 40 41
A A A A C
42
C
43
C
44 45
C B
46 47 48
B B B
A
a
B
C
A B C
b
Rys. 1. Obwodowy rozkład uzwojenia oraz siły magnetomotorycznej dla zasilania trójfazowego (a)
oraz jednofazowego z wszystkimi fazami połczonymi szeregowo (b)

Zasilajc jednofazowo w odpowiedni sposób
połczone, tradycyjne uzwojenie trójfazowe,
mona wymusi powstanie 3. harmonicznej siły
magnetomotorycznej o amplitudzie wikszej od
amplitud wszystkich pozostałych harmonicznych.
Schemat połczenia i zasilania uzwojenia
pokazano na rysunku 2.
Trojfazowe zasialnie
przewidziano moliwo zasilania jednofazowego
wszystkich faz połczonych szeregowo.
W modelu polowo-obwodowym wykorzystano
konstrukcj i magnetowód seryjnego silnika indukcyjnego
opisanego w [2].
Dane znamionowe tego silnika zestawiono w
tabeli 1. Przekrój poprzeczny oraz fragment
siatki dyskretyzacyjnej przedstawiono na rysunku
3.
Tabela 1. Parametry znamionowe badanego
silnika w wykonaniu fabrycznym
Faza A
Faza B
Faza C
zasilanie
jednofazowe
R
Rys. 2. Schemat połczenia i zasilania
uzwojenia
Zasilenie napiciem jednofazowym szeregowo
połczonych pasm fazowych powoduje przepływ
prdu współfazowego we wszystkich fazach.
Obwodowy rozkład siły magnetomotorycznej
sporzdzony przy załoeniu, e we
wszystkich fazach płynie ten sam prd, przedstawiono
na rysunku 1b. Wynika std, e
uzwojenie trójfazowe przy zasilaniu jednofazowym
wszystkich faz połczonych szeregowo,
wytwarza pole magnetyczne o 3 krotnie wikszej
liczbie par biegunów w stosunku do zasilania
trójfazowego. Wytwarzane pole magnetyczne
jest polem pulsujcym co jest naturaln
konsekwencj zasilania jednofazowego.
Wystpowanie, przy specjalnym połczeniu
uzwoje, pola o innej liczbie par biegunów,
stwarza moliwo wykorzystania silnika
o tradycyjnym uzwojeniu do pracy przy dwóch
prdkociach obrotowych. Zasilany trójfazowo
silnik posiada parametry klasycznego silnika
indukcyjnego, trójfazowego natomiast przy zasilaniu
jednofazowym z wszystkimi fazami połczonymi
szeregowo zachowuje si jak silnik
jednofazowy o trzykrotnie wikszej liczbie par
biegunów.
3. Polowo-obwodowy model badanego
silnika
Dla zbadania właciwoci silnika indukcyjnego
pracujcego zgodnie z przedstawion koncepcj
wykonano dwuwymiarowy polowo-obwodowy
model obliczeniowy. Model ten nie róni si
znaczco od innych modeli silników indukcyjnych
znanych z literatury. Rónice dotycz
tylko czci obwodowej modelu, w której
Faza A
Faza B
Faza C
Moc znamionowa P n 18,5 kW
Prdko obrotowa znamionowa n n
1450
obr/min
Znamionowy moment obrotowy M n 121 Nm
Napicie znamionowe U n 380 V
Prd znamionowy I n 37 A
Znamionowy współczynnik mocy cosϕ n 0,91
4. Wyniki oblicze
Wykorzystujc opracowany model polowo-obwodowy
badanego silnika wykonano obliczenia
pola magnetycznego i wyznaczono jego parametry.
Na rysunku 4a pokazano rozkład linii pola magnetycznego
w stanie nieobcionym silnika
przy zasilaniu trójfazowym. Natomiast na rysunku
4b pokazano podobny rozkład linii pola
dla zasilania pasm fazowych połczonych szeregowo.
Z rysunku wynika jednoznacznie, e
zmiana zasilania trójfazowego na jednofazowe
powoduje zmian liczby biegunów pola magnetycznego
z czterech na dwanacie.
Na podstawie uzyskanych wyników oblicze
pola wyznaczono obwodowy rozkład składowej
normalnej indukcji w szczelinie powietrznej
(rys 5.) dla obu układów połcze uzwojenia:
trójfazowego (a), jednofazowego zasilanego
napiciem fazowym (b) oraz jednofazowego
zasilanego napiciem midzyfazowym (c). Z
wykresów tych wynika, e przy jednofazowym
zasilaniu uzwojenia napiciem midzyfazowym
maksymalna warto indukcji w szczelinie powietrznej
jest porównywalna z wartoci indukcji
przy tradycyjnym zasilaniu trójfazowym.

a)
a)
b)
b)
Rys. 3. Fragment siatki dyskretyzacyjnej silnika
modelowanego
Z oblicze modelu polowo-obwodowego wyznaczono
charakterystyki statyczne badanego
silnika. Charakterystyk momentu oraz prdu w
funkcji prdkoci obrotowej obliczono przy
załoeniu stałej (parametrycznie zmiennej)
prdkoci obrotowej silnika. redni warto
momentu oraz skuteczn warto prdu pobieranego
ze ródła wyznaczono dla stanu ustalonego.
Przebiegi tych charakterystyk pokazano
na rysunku 6.
Z przeprowadzonych oblicze wynika, e badany
silnik przy zasilaniu jednofazowym ma
znacznie mniejszy moment obrotowy ni przy
zasilaniu trójfazowym.
Rys. 4. Rozkład linii sił pola magnetycznego
przy zasilaniu trójfazowym (a) oraz jednofazowym
(b)
Maksymalna warto momentu przy zasilaniu
jednofazowym napiciem midzyprzewodowym
(380 V) stanowi 23% momentu znamionowego,
a przy zasilaniu napiciem fazowym
(220 V) zaledwie 8% momentu znamionowego
silnika trójfazowego. Jedn z przyczyn małej
obcialnoci jest pulsujcy charakter pola przy
zasilaniu jednofazowym. Podobnie jak w jednofazowych
silnikach indukcyjnych wystpuje
składowa przeciwbiena pola, której efektem
s dodatkowe straty mocy oraz wikszy prd
biegu jałowego. W rozpatrywanym przypadku
prd magnesujcy moe by nawet wikszy ni
w innych silnikach jednofazowych ze wzgldu
na mały współczynnik uzwojenia dla połczenia
jednofazowego wynoszcy k u =0,67.

Indukcja [T]
Indukcja [T]
Indukcja [T]
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
a
Kt [1 0 ]
0 45 90 135 180 225 270 315 360
0 45 90 135 180 225 270 315 360
1,5
1
0,5
0
-0,5
-1
-1,5
b
Kt [1 0 ]
c
Kt [1 0 ]
0 45 90 135 180 225 270 315 360
Rys. 5. Obwodowy rozkład składowej normalnej
indukcji w szczelinie powietrznej dla zasilania
trójfazowego (a) oraz jednofazowego: napiciem
midzyfazowym (b) napiciem fazowym (c)
M,I [N*m, A]
M, I [N*m, A]
250
200
150
100
50
0
35
30
25
20
15
10
5
0
a
Moment
Prd
0 300 600 900 1200 1500
n [obr/min]
b
Prd 220V
Prd 380V
Moment 220V
Moment 380V
0 100 200 300 400 500 600
n [obr/min]
Rys. 6. Charakterystyka momentu oraz prdu
uzwojenia twornika w funkcji prdkoci obrotowej
dla zasilania trójfazowego (a) oraz jednofazowego
(b)
M [N*m]
250
200
150
100
50
0
b
c
0 300 600 900 1200 1500
n [obr/min]
Rys. 7. Charakterystyka mechaniczna silnika
dla zasilania trójfazowego (a), jednofazowego
napiciem midzyprzewodowym (b) jednofazowego
napiciem fazowym (c) oraz charakterystyka
obcienia (d)
Wynika std wniosek, e przedstawione rozwizanie
moe mie zastosowanie w napdach,
w których moment obcienia jest silnie zaleny
od prdkoci obrotowej np. w napdach
wentylatorów.
W kopalni podziemnej istniej strefy szczególnego
zagroenia, wymagajce intensywnej lokalnej
wentylacji podczas pracy górników
[1, 3]. Lokalny przepływ powietrza wymuszany
jest wentylatorami przodkowymi z silnikami o
mocy od 10 do 60 kW. Czas pracy górników w
przodku wynosi w okresie zmiany 4-5 godzin.
W pozostałym czasie, równie w dniach wolnych
od pracy, praca wentylatorów przodkowych
jest zbdna. Nie mona ich jednak wyłcza
ze wzgldu na moliwo zawilgocenia
izolacji silników oraz osadzanie pyłów (cementowanie
pyłu) na łopatkach wentylatora.
Podobne zjawisko wystpuje w wentylatorach
zainstalowanych w chłodniach, które ze
wzgldu na technologi mog by zatrzymywane
w okresie zimowym. Wystpuje jednak
niebezpieczestwo oblodzenia łopatek wentylatora
utrudniajce ponowny rozruch.
a
d

M [N*m]
600
500
400
300
200
100
0
-100
-200
-300
-400
1500
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
b
a
Zasilanie
jednofazowe
czas [s]
n [obr/min]
1200
900
600
Zasilanie
jednofazowe
300
0
czas [s]
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
I [A]
400
300
200
100
0
-100
-200
c
Zasilanie
jednofazowe
-300
-400
czas [s]
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Rys. 8. Przebieg momentu elektromagnetycznego (a), prdkoci obrotowej (b) oraz prdu sieciowego
(c) w symulowanych stanach pracy
Na rysunku 7 przedstawiono charakterystyki
mechaniczne silnika dla obu układów połcze:
trójfazowego i jednofazowego oraz charakterystyk
obcienia (wentylatora). Jak wynika z
wykresu, charakterystyka momentu dla połczenia
jednofazowego i zasilania napiciem fazowym
ley poniej charakterystyki obcienia.
Oznacza to, e warunkiem stabilnej pracy silnika
na mniejszej prdkoci obrotowej jest zasi-
lenie go napiciem midzyfazowym.
Wykorzystujc model polowo-obwodowy przeprowadzono
symulacje rozruchu i zmiany prdkoci
obrotowej analizowanego silnika w napdzie
o wentylatorowej charakterystyce obcienia.
Na rysunku 8 pokazano przebiegi prdu,
momentu elektromagnetycznego oraz prdkoci
obrotowej silnika dla załoonego cyklu pracy.
Rozruch i praca przy ustalonym obcieniu silnika
na wikszej prdkoci obrotowej trwa

0,4 s. Wyznaczone dla stanu ustalonego parametry
silnika nie róni si wicej ni 5 % od
danych podawanych przez producenta (tabela
1). Nastpny etap pracy pokazany na wykresie
to przełczenie uzwoje stojana i zmiana prdkoci
obrotowej z 1450 do 485 obr/min.
5. Podsumowanie
Wykonane obliczenia polowo-obwodowe potwierdzaj
moliwo zbudowania dwubiegowego
silnika indukcyjnego klatkowego, który
dla wikszej prdkoci obrotowej ma identyczne
parametry jak klasyczny silnik jednobiegowy,
a jego drug, mniejsz prdko obrotow
uzyskuje si przez szeregowe zasilenie
pasm fazowych napiciem jednofazowym. Silnik
ten charakteryzuje si stałym stosunkiem
prdkoci, który wynosi 1:3 i ze wzgldu na
wytwarzany moment elektromagnetyczny moe
by wykorzystywany do napdów o wentylatorowej
charakterystyce mechanicznej.
7. Literatura
[1]. Antal L., Zawilak J.: Oszczdnoenergii elektrycznej
w napdach wentylatorów kopal podziemnych.
Efektywno energetyczna napdów z silnikami
elektrycznymi. EENSE. Zeszyty Problemowe
Maszyny Elektryczne nr 67/2003, wyd. BOBRME
Komel, s. 37-42.
[2]. Cedrat, End winding characterisation with
Flux3d, July 2002, http://www.cedrat.com
[3]. Kowalski S., ymalski A., Zawilak J.: Silniki
wielobiegowe w napdach o wentylatorowej charakterystyce
mechanicznej. Mech. Autom. Gór.
1996R. 34 nr 6/7 s. 92-95.
Autorzy
Inst. Maszyn, Napdów i Pomiarów Elektr.
Politechnika Wrocławska
Wybrzee Wyspiaskiego 27
50-370 Wrocław
ludwik.antal@pwr.wroc.pl
tomasz.zawilak@pwr.wroc.pl
Praca naukowa finansowana ze rodków
Komitetu Bada Naukowych w latach 2004-
2006 jako projekt badawczy Nr 3 T10A 005 26.