SILNIKI TRAKCYJNE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI – nowa ... - Komel

SILNIKI TRAKCYJNE Z
MAGNESAMI TRWAŁYMI
– nowa jako napdów trakcyjnych
dr r in. . Jakub Bernatt
Branowy OrodekO
Badawczo-Rozwojowy
Maszyn Elektrycznych
„KOMEL”

Wiele napdów elektrycznych wymaga szerokiej regulacji
prdkoci obrotowej. Najlepiej nadajcym si do tego celu od
dawien dawna był silnik prdu stałego. Jednak jego wady
spowodowały koniecznoposzukiwa innych napdów o
płynnej regulacji prdkoci obrotowej.
W zwizku z tym od kilkunastu lat na wiecie w napdach
elektrycznych klasyczne silniki prdu stałego coraz powszechniej
wypierane s przez silniki indukcyjne zasilane z
przekształtników energoelektronicznych.
Aktualnie w najnowszych wiatowych rozwizaniach napdów
elektrycznych stosowane s nowoczesne
silniki z magnesami trwałymi.

Silniki bezszczotkowe z magnesami trwałymi
ł
ł
ł
ł ł
ł
ł
ł

Podstawowe cechy i zalety
Silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi (1)
W miejsce komutatora mechanicznego zastosowano „komutator
elektroniczny”;
Wysza sprawno w stosunku do silników indukcyjnych i
silników prdu stałego;
Znacznie wiksze gstoci mocy w stosunku do silników
indukcyjnych i silników prdu stałego (moliwo obnienia
wymiarów gabarytowych i masy urzdzenia lub zwikszenia mocy
bez zwikszania gabarytu);
Wysoki współczynnik przecialnoci momentem (nawet
kilkukrotno momentu znamionowego);
Polepszony współczynnik mocy cos ϕ w stosunku do silników
indukcyjnych (dziki ograniczeniu prdu magnesujcego
pobieranego z sieci – magnesowanie maszyny zapewniaj
głównie magnesy trwałe);

Podstawowe cechy i zalety
silników bezszczotkowych z magnesami trwałymi (2)
Wysoka trwało i niezawodno, zwłaszcza w stosunku do
silników prdu stałego dziki wyeliminowaniu komutatora
mechanicznego (uproszczenie procedur eksploatacyjnych,
skrócenie czasów przestojów na przegldy i remonty, obnienie
kosztów eksploatacyjnych);
Doskonałe parametry regulacyjne i dynamiczne (liniowa
zaleno momentu na wale od prdu zasilania, moliwe due
przypieszenia ktowe dziki niskim momentom bezwładnoci i
wysokiej przecialnoci momentem);
Przy odpowiednio zaprojektowanej aplikacji, silniki z
magnesami mog pracowa jako hamulec elektromagnetyczny
dynamiczny i statyczny.

Przykład zastosowania silników
Z uwagi na postpujc degradacj silników trakcyjnych prdu
stałego do lokomotyw kopalnianych, których produkcj
zaniechano ju ponad 10 lat temu, BOBRME KOMEL
wychodzc naprzeciw zapotrzebowaniu rynkowemu na tego
typu maszyny, zaprojektowałi wykonałsilniki elektryczne z
magnesami trwałymi do trakcji kopalnianej. Jest to silnik z tzw.
sterowaniem sinusoidalnym. Projekt i wykonanie układu
sterowania zrealizowała firma ENEL.
Dotychczas w trakcji elektrycznej w podziemiach polskich
kopal stosowano tradycyjne silniki prdu stałego. Silniki te
maj wiele mankamentów:
• stosunkowo nisk sprawno – zwikszone koszty
eksploatacyjne;
• komutator mechaniczny – dua uciliwo obsługi,
konieczno czstych przestojów, wysokie koszty obsługi i
utrzymania w ruchu.

Główne załoenia projektowanego silnika z magnesami trwałymi
jako zamiennika do silnika prdu stałego typu ! "#$:
• identyczne wymiary montaowe;
• zasilanie silnika dostpnym napiciem na dole kopalni
(napicie stałe 250V);
• silnik z chłodzeniem konwekcyjnym;
• reim pracy – S1 i S2-60 min;
• parametry eksploatacyjne silnika nie gorsze, ni w silniku
LDa327a;
• moc zwikszona o 40% w stosunku do silnika LDa327a

Porówanie parametrów silnika LDa327a
i nowoprojektowanego PMPG250L
Moc
znamionowa
Napicie
zasilania
Sprawno
Prdko
obrotowa
Silnik LDa 327
Praca
S1
Praca
S2-60
min.
Silnik PMPg
250
Praca Praca
S1 S2-60
min.
kW 25 45 33 60
U 250 250 250* 250*
% 86 87 89 93
obr/
min
1500 1080 1500 1080

Silnik PMPg250L

Stojan uzwojony silnika PMPg250L

Wirnik silnika PMPg250L
Biegun Biegunmagnetyczny magnetycznyprzed
nałoeniem nałoeniem warstwy warstwy
zabezpieczajcej zabezpieczajcej magnesy magnesy

Wntrze komutatora elektronicznego- wersja
prototypowa

Porównanie podstawowych parametrów silników trakcyjnych
LDa 327a i PMPg250L
(wyniki bada laboratoryjnych)
! "#$
- %%#(.
%
&'#(
%
&'""
%
#')(
%
#'+.
η &'*+,
η &'/#(
/#(,
η #'*$,
η #'/( ,
+)(
($#
0
!
"#$1
2

100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
M ( *5)[Nm]
I ( *3)[A]
P1 ( / 2)[kW]
eta [%]
cosf ( / 100)
0 10 20 30 40 50
P2[kW]
3&.*.
&.*. 4

1200
1000
800
600
400
200
n [obr/min]
M [Nm]
0
13:54:30
13:55:00
13:55:30
13:56:00
13:56:30
13:57:00
13:57:30
13:58:00
13:58:30
13:59:00
13:59:30
14:00:00
14:00:30
14:01:00
3 0 0
2 5 0
2 0 0
1 5 0
1 0 0
5 0
0
n [o b r/m in ] *1 0
M [Nm ]
%
13:18:20
13:18:30
13:18:40
13:18:50
13:19:00
13:19:10
13:19:20
13:19:30
13:19:40
13:19:50
13:20:00
13:20:10

Zwikszenie prdkoci obrotowej silnika
z 1500 do 2250 obr/min
Na skutek przeoczenia koordynatora projektu po wykonaniu
3 silników w okazało o si, e e maksymalna prdko
dko
obrotowa
ma wynosi nie 1500 obr/min, ale 2250 obr/min
prdko
dko
obrotowa silnika zaley y tylko od wartoci napicia
zasilania przyłoonego onego na jego zaciski. Silniki projektuje si tak,
aby projektowan prdko
dko
maksymaln uzyska dla
maksymalnego dostpnego napicia zasilania.
projektanci zostali postawieni w bardzo trudnej sytuacji.
Poniewa napicie zasilania nie mogło o by podniesione,
projektanci do zwikszenia prdko
dkoci obrotowej
teoretycznie mogli wybra jedn z nastpuj
pujcych dróg
postpowania:
powania:

zmiana danych nawojowych silnika poprzez zmniejszenie
iloci zwojów - wymaga wymiany uzwojenia, rozwizanie
zanie
kosztowne, ale co wicej, w omawianym silniku niemoliwe
do wykonania z uwagi na bardzo mał liczb zwojów
zmiana danych nawojowych poprzez zmian liczby łobk
obków-
wymaga wymiany całej cz
ci czynnej stojana – rozwizanie
zanie
bardzo kosztowne
zmiana układu połcze
cze z gwiazdy (Y) na trójk
jkt t (D)- dla
silników w z magnesami trwałymi umieszczonymi w wirniku
rozwizanie zanie stosunkowo tanie, ale nie polecane, z uwagi na
wystpowanie 3-harmonicznej 3
prdu w uzwojeniu stojana
zastosowanie metody osłabiania strumienia pola
magnetycznego pochodzcego cego od magnesów – rozwizanie
zanie
nie stosowane do tej pory w silnikach o tak duej mocy
znamionowej oraz w przypadku umieszczenia magnesów w na
powierzchni wirnika.

Zastosowanie metody osłabiania strumienia
magnetycznego
130
120
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
M ( *2)[Nm]
I ( *3)[A]
P1 ( / 2)[kW]
eta [%]
cosf ( / 100)
0 10 20 30 40
P2[kW]

PODSTAWOWE PARAMETRY TECHNICZNE SILNIKA TRAKCYJNEGO
PMPg250L
Rodzaj pracy S2 - 60min S1 S2 - 60min
Moc znamionowa P N
60 kW 33 kW 33 kW
Napicie zasilania U N
250 V 250 V 250 V
Czstotliwo f N
72 Hz 100 Hz 173 Hz
Prd znamionowy I N
380 A 175 A 350 A
Współczynnik mocy cosϕ 0.95 0,95 0,95
Sprawno η 95 % 92.5 % 83 %
Prdko obrotowa n N
[1/min] 1080 1500 2250
Moment znamionowy T N
530 Nm 210 Nm 140 Nm
Moment maksymalny T MAX
620 Nm 620 Nm 210 Nm
Moment bezwładnoci wirnika J M
1,85 kgm 2
Masa
572 kg

Głównym obszarem zastosowa silników z magnesami trwałymi
s napdy o regulowanej prdkoci obrotowej.
Sama zamiana silnika indukcyjnego na silnik z magnesami
trwałymi wydaje si nie celowa (pomimo znacznie wyszej
sprawnoci silnika z magnesami), ze wzgldu na znaczny koszt
inwestycyjny (komutator elektroniczny). Koszt komutatora
elektronicznego ~ koszt falownika.
Czyli rozway naley:
- czy stosowa silnik indukcyjny z falownikiem,
- czy silnik z magnesami z komutatorem elektronicznym.

Produkowany seryjnie silnik górniczy SGKg250M-4
Dla pokazania „moliwoci magnesów”, porównalimy parametry
istniejcego silnika górniczego z potencjalnym jego nastpc –
silnikiem z magnesami.

Porównanie parametrów eksploatacyjnych silnika górniczego
SGKg250M-4 z silnikiem z magnesami trwałymi
jaki moe wkrótce powsta …
Typ silnika SGKg250M-4 PMP…
Moc znamionowa P N
85 kW ~110 kW
Napicie zasilania U N
1000 V 1000 V
Czstotliwo f N
50 Hz 50 Hz
Prd znamionowy I N
62 A 75 A
Współczynnik mocy cosϕ 0,84 0,95
Sprawno η 93.9 % ~97 %
Prdko obrotowa n N
1475 obr/min. 1500 obr/min.
Moment znamionowy T N
550 Nm 700 Nm
Chłodzenie wod
Masa
Q=12 l/min, 30 o C
685 kg

WNIOSKI (1)
ł
ł
ł
5
ł
!
ł
"
"

Obecnie pracujemy nad silnikami:
"
#$% #$%& &#%

Obecnie pracujemy nad nowymi
silnikami:
&
#$!% #$!%& &#%