silniki trakcyjne z magnesami trwałymi – nowa jakość ... - Komel

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 74/2006 11Jakub BernattBOBRME Komel, KatowiceSILNIKI TRAKCYJNE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI– NOWA JAKOŚĆ NAPĘDÓW ELEKTRYCZNYCHPERMANENT MAGNETS MOTORS- A NEW SOLUTION FOR ELECTRICAL DRIVESAbstract: The paper deals with permanent magnets motors for traction application. In past years, in locomotivesdesigned for mining applications DC motors of output 25/45 kW were used. Since 1990 such motorshave not been manufactured, so the old motors have to be replaced by new ones. Due to usage of PM, designersincreased the output of the motors to 33/60 kW. The motors were designed as motors with magnetsmounted on the surface of the rotor. A method of field weakening was implemented into electronic convertersupplying the motor to increase the rotation speed from 1500 up to 2250 rpm. A number of laboratory testwere done. The paper presents results of the tests and shows the area of installation of PM motors. KomelCentre is ready to design and manufacture motors with PM for different application (rail traction, electric carsand vehicles, pumping systems etc).1. WstępW publikacji [1] w 2005 roku przedstawionokoncepcję silnika elektrycznego z magnesamitrwałymi zasilanego z układu energoelektronicznego(tzw. komutatora elektronicznego). W[2] opisano projekt układu zasilania i sposóbsterowania silnikiem. Przedstawiono tam równieżwyniki badań laboratoryjnych silnika modelowegoo mocy ok. 20 kW zasilanego z prototypowegoukładu zasilania.W roku 2005 i 2006 w BOBRME Komel prowadzonoprace zmierzające do zaprojektowaniai uruchomienia produkcji silników trakcyjnycho mocy 60 kW z magnesami trwałymi zasilanychz układów energoelektronicznych. Omawianysilnik miał być nowoczesnym zamiennikiemsilnika trakcyjnego prądu stałego typuLDa327a; silniki tego typu były do lat 90-tychubiegłego stulecia produkowane przez zakładEMiT w Żychlinie. Silniki LDa327a były przeznaczonedo napędu lokomotyw kopalnianychużytkowanych w przestrzeniach nie zagrożonychwybuchem. Z powodu zaprzestania produkcjisilników przez EMiT ponad 10 lat temu,użytkownicy lokomotyw postawieni zostali wtrudnej sytuacji, gdyż nie są dostępne na rynkusilniki, ani też niektóre części zamienne.Ponadto, ze strony użytkowników lokomotywzgłaszane były postulaty zwiększenia uciągulokomotyw, co wymagało zwiększenia mocysilników (prawie o 40%). Powiększenie mocysilnika prądu stałego, bez zmiany jego gabary-tów nie było możliwe do uzyskania. Dlategozdecydowano się zastosować konstrukcję silnikaopartą na wykorzystaniu magnesów trwałych.Silniki takie mają szereg zalet w stosunkudo rozwiązań tradycyjnych. W szczególnościcechują się:• wyższą sprawnością,• większą gęstością mocy uzyskiwaną z jednostkiobjętości,• znakomitą przeciążalnością momentem (takjak silniki prądu stałego),• bardzo dobrymi parametrami regulacyjnymi,• możliwością pracy hamulcowej (przy zwrocieenergii do sieci oraz przy zatrzymanymwirniku).Jednakże silniki z magnesami trwałymi musząbyć zasilane z układów energoelektronicznych,co powoduje, że ich stosowanie jest szczególniecelowe i uzasadnione tam, gdzie wymagana jestregulacja prędkości obrotowej. Dla omawianychsilników trakcyjnych opracowania zasilaczaenergoelektronicznego podjęła się firmaENEL z Gliwic.2. Porównanie silnikówProjektując nowe silniki przyjęto, iż wymiarymontażowe silnika nowoprojektowanego, oznaczonegoPMPg250L, muszą być identyczne jaksilnika dotychczasowego. Okazało się, że mimo

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 74/2006 13nego silnika oraz wirnik przed nałożeniem elementówzabezpieczających magnesy.Rys.2. Widok wirnika modelowego przygotowanegodo odwirowywania magnesów w podwyższonejtemperaturzeBadania silników przeprowadzono w laboratoriumKomel. W pierwszej kolejności przeprowadzonopróby przy pracy prądnicowej silnika.Próby przy pracy prądnicowej pozwalają dosyćdokładnie ocenić trafność konstrukcji, stan namagnesowaniamagnesów itp. Wyznaczonoprzyrosty temperatury dla różnych reżimówpracy, sprawność, napięcie biegu jałowego, napięciepod obciążeniem itp. Zestawienie wynikówzawiera tabela 2.Tabela 2.Wyniki badań silnika przy pracy prądnicowejSilnik PMPg 250PracaS1PracaS2-60 min.Moc kW 33 60Napięcie U 150 108Sprawność % 93,3 95,6Prędkośćobrotowaobr/min 1500 1080Przyrosttemperatury∆ϑ 60 663.2 Próby przy pracy silnikowejPo pozytywnym zakończeniu prób silnika przypracy prądnicowej rozpoczęto badania przypracy silnikowej. Do zasilania użyto przekształtnikenergoelektroniczny specjalnie zaprojektowanyi wykonany przez firmę ENEL.Na rys 4 przedstawiono widok stanowiska pomiarowego.Rys.3a. Stojan silnika PMPg 250Rys.3b. Wirnik silnika PMPg 250 przed założeniemzabezpieczenia magnesów3. Badania laboratoryjne silników3.1 Próby przy pracy prądnicowejRys.4. Widok stanowiska pomiarowegoWykonano m.in. następujące badania:

14Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 74/2006• próby nagrzewania i wyznaczenie charakterystykobciążenia dla różnych stanów pracy(rys. 5 ÷7),• próby rozruchu dla różnych wartości momentuobciążenia (rys. 8),• próby skokowych zmian obciążenia (rys. 9),• próby przeciążenia silnika ( rys.10).Jednakże, po zakończeniu w/w prób, nastąpiłazmiana wymagań dotyczących prędkości maksymalnejsilnika. Na etapie projektowania napędu,została ona zdefiniowana jako1500 obr/min, a obecnie wymaganie to zostałopodniesione do 2200 obr/min (miało to zapewnićteoretyczną prędkość lokomotywy 18 km/h,wobec pierwotnie planowanej 12 km/h).1009080706050403020100M ( *5)[Nm]I ( *3)[A]P1 ( / 2)[kW]eta [%]cosf ( / 100)0 10 20 30 40 50P2[kW]Rys.5. Charakterystyka zewnętrzna silnika przyn=1080 obr/min1201101009080706050403020100M ( *5)[Nm]I ( *3)[A]P1 ( / 2)[kW]eta [%]cosf ( / 100)0 10 20 30 40 50 60P2[kW]Rys.6. Charakterystyka zewnętrzna silnika przyn=1500 obr/min1301201101009080706050403020100M ( *2)[Nm]I ( *3)[A]P1 ( / 2)[kW]eta [%]cosf ( / 100)0 10 20 30 40P2[kW]Rys.7. Charakterystyka zewnętrzna silnika przyn = 2250 obr/min2 502 001 501 0050012:01:3 0-5012:01:4 012:01:5 012:02:0 012:02:1 012:02:2 0MRys.8. Rozruch silnika pod obciążeniemRys.9. Skokowe zmiany obciążenia silnika12001000800600400200013:54:3013:55:0013:55:3013:56:0013:56:3013:57:0013:57:3013:58:0013:58:3013:59:00Rys.10. Przeciążenie silnikan13:59:3014:00:00n12:02:3 0M14:00:3014:01:0012:02:4 0n [obr/m in] * 10M [N m ]n [obr/min]M [Nm]

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 74/2006 154. Możliwości zwiększenia prędkości obrotowejsilnika z magnesami trwałymiWobec podniesienia wymagań dotyczącychprędkości maksymalnej silnika, jego projektancizostali postawieni w bardzo trudnej sytuacji.Mianowicie dla silników o omawianejkonstrukcji prędkość obrotowa silnika zależytylko od wartości napięcia zasilania przyłożonegona jego zaciski. Silniki projektuje się tak,aby projektowaną prędkość maksymalną uzyskaćdla maksymalnego dostępnego napięciazasilania. Ponieważ napięcie zasilania nie mogłobyć podniesione, projektanci do zwiększeniaprędkości obrotowej teoretycznie mogliwybrać jedną z następujących dróg postępowania:• zmiana danych nawojowych silnika poprzezzmniejszenie ilości zwojów - wymagawymiany uzwojenia, rozwiązanie kosztowne,ale co więcej, w omawianym silnikuniemożliwe do wykonania z uwagi na bardzomałą liczbę zwojów,• zmiana danych nawojowych poprzezzmianę liczby żłobków- wymaga wymianycałej części czynnej stojana – rozwiązaniebardzo kosztowne,• zmiana układu połączeń z gwiazdy (Y) natrójkąt (D)- dla silników z magnesamitrwałymi umieszczonymi w wirniku rozwiązaniestosunkowo tanie, ale nie polecane,z uwagi na występowanie 3-harmonicznejprądu w uzwojeniu stojana. Rozwiązanieto zostało sprawdzone- w uzwojeniustojana płynął prąd o częstotliwości3-harmonicznej, co powodowało nie tylkoobniżenie sprawności, ale również indukcyjnenagrzewanie niektórych elementówkonstrukcyjnych silnika,• zastosowanie metody osłabiania strumieniapola magnetycznego pochodzącego od magnesów[3] – rozwiązanie nie stosowane dotej pory w silnikach o tak dużej mocyznamionowej oraz w przypadku umieszczeniamagnesów na powierzchni wirnika.Ponieważ wcześniejsze metody postępowaniazostały wykluczone, był to jedyny sposóbsprostania nowym wymaganiom dla jużistniejącego silnika.5. Metoda osłabiania strumienia polamagnetycznegoWzrost prędkości kątowej wirnika ω m w zakresiepracy T = const. powoduje liniowy wzrostnapięcia E 0 indukowanego w uzwojeniu twornikaprzez stały strumień wzbudzenia od magnesówtrwałych, liniowy wzrost napięcia szczelinowegoE i indukowanego w uzwojeniu przezwypadkowy strumień magnetyczny główny wszczelinie powietrznej oraz liniowy wzrost napięciaV 1 na zaciskach silnika (zakładając żeI 1 = const). W tym zakresie pracy silniki pracująprzy stałym stosunku napięcia do częstotliwościU/f, czyli ze stałym strumieniem wobwodzie magnetycznym.Przy pewnej prędkości kątowej wirnika, napięcieV 1 osiąga maksymalną dopuszczalną wartość,wynikającą z wartości napięcia stałegoU DC zasilającego przekształtnik energoelektronicznypoprzez który zasilany jest silnik. Dlaprądu I 1 = I 1N , prędkość kątowa mechanicznaprzy której osiągane jest napięcie maksymalnena zaciskach silnika V 1max , określana jest mianemprędkości kątowej bazowej ω b . Przy prądachI 1 > I 1N , (chwilowe przeciążenie) maksimumnapięcia V 1max osiągane jest przy prędkościachkątowych ω m < ω b , co wynika ze zwiększonegospadku napięcia na reaktancji synchronicznejpoprzecznej X q oraz na rezystancji stojanaR 1 . Przy prądach I 1 < I 1N maksimum napięciaV 1max osiągane jest przy prędkościach kątowychω m > ω b .Aby umożliwić pracę silnika PMSM przy prędkościachobrotowych większych od prędkościbazowej ω b , konieczne jest zastosowanie jakiejśmetody osłabiania strumienia magnetycznegow szczelinie powietrznej silnika. W żadnym zpunktów pracy silnika przy prędkościach kątowychω m > ω b napięcie indukowane w uzwojeniutwornika przez strumień skojarzony z tymuzwojeniem nie może bowiem przekroczyćwartości maksymalnej wynikającej z wartościnapięcia stałego zasilającego przekształtnik. Jeślita wartość napięcia zostanie przekroczona douzwojenia silnika po prostu przestanie dopływaćprąd zasilania z przekształtnika. Inaczejmówiąc, powyżej prędkości bazowej ω b silnikPMSM pracuje przy stałym napięciu zasilania,a przy wzrastającej częstotliwości w tworniku,aby taka praca była możliwa konieczne jestograniczanie strumienia głównego w szczeliniepowietrznej stosownie do wzrostu częstotliwości.Osłabienie strumienia magnetycznego w szczeliniepowietrznej silnika PMSM w celu rozszerzeniazakresu prędkości obrotowych może byćosiągnięte poprzez zastosowanie odpowiedniej

16Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 74/2006techniki sterowania wektorowego tego typumaszyny. Wykorzystuje się tu fakt, że wektorspadku napięcia na indukcyjności magnesującejstojana w osi podłużnej może być tak ustawiony,aby zmniejszał on napięcie na zaciskachsilnika V 1 . Sytuacja taka ma miejsce,gdy uzwojenie stojana zostanie zasilone prądemzawierającym ujemną składową podłużną I d .Zasadę osłabiania strumienia w szczelinie powietrznejsilnika PMSM ujemnym prądem podłużnymI d wyjaśnia Rys. 11. Dla uproszczeniaprzyjęto że silnik PMSM jest konstrukcjiX d = X q (Surface Mounted PMSM).Rys.11. Zasada osłabiania strumienia magnetycznegow szczelinie powietrznej silnikaPMSM ujemnym prądem podłużnym I d . Wektorspadku napięcia na indukcyjności magnesującejL d jest w przeciwfazie do wektora napięcia odmagnesów trwałych E 0 .Zasilenie uzwojenia stojana ujemnym prądempodłużnym I d jest równoznaczne z wytworzeniemstrumienia reakcji twornika w osi podłużnejsilnika, skierowanego przeciwnie do strumieniawzbudzenia od magnesów trwałych. Nawykresie wektorowym silnika PMSM sytuacjitej odpowiada takie położenie wektora spadkunapięcia na reaktancji magnesującej X md , że jeston w przeciwfazie do wektora napięcia od magnesówE 0 , czyli oba te wektory odejmują sięgeometrycznie. Przez odpowiednie sterowaniewartością ujemnego prądu I d można tak osłabićstrumień wzbudzenia od magnesów trwałych, awięc i wypadkowy strumień w szczelinie powietrznejsilnika, że napięcie V 1 na zaciskachsilnika przy prędkościach kątowych ω m > ω bzostanie utrzymane w granicach wartości dopuszczalnej,wynikającej z warunków napięciowychzasilania przekształtnika.6. Uzyskane wynikiWykorzystując metodę elementów skończonychoraz metody obwodowe w Komelu wykonanoszereg obliczeń silnika PMPg250 i opracowanoalgorytm sterowania pozwalający zaimplementowaćdo sterowania silnikiem metodęopisaną w rozdziale 6. Pracownicy ENELuprzeprogramowali przekształtnik energoelektronicznytak, aby realizował on nową metodęsterowania. Przeprowadzono nową serię badańlaboratoryjnych, wyniki zawarto na rys. 7W tabeli 3 zawarto uzyskane wyniki badań silnikaprzy nowym algorytmie sterownia.Tabela 3.Uzyskane wyniki badań silnika PMPG250LPracaS1Silnik PMPg 250PracaS2-60min.PracaS2-60minMoc kW 33 60 33Napięcie U 250 250 250Sprawność % 92,5 95 83PrędkośćobrotowaPrzyrosttemperaturyobr/min1500 1080 2250∆ϑ 42 59 70Należy zwrócić uwagę na przebieg charakterystykiprądu fazowego stojana w funkcji obciążenia.Dla prędkości obrotowych mniejszych odprędkości bazowej (dla omawianego silnika1500 obr/min) wartość skuteczna prądu jest liniowozależna od momentu obciążenia - rys 5i 6. Natomiast dla prędkości wyższych od prędkościbazowej wartość skuteczna prądu nie jestjuż zależna liniowo od momentu obciążenia –rys. 7. Następuje to na skutek wymuszaniaujemnej składowej podłużnej prądu I d , która niejest zależna od obciążenia.7. PodsumowanieUzyskane parametry silników PMPg250L są wpełni zgodne z postawionymi wymaganiami, anawet je przewyższają. Opracowanie nowoczesnejkonstrukcji silnika z magnesami trwałymio mocy znamionowej 33/60 kW pozwoli namodernizację istniejących lokomotyw kopalnianych.Dzięki podniesieniu mocy silników (wstosunku do silników prądu stałego) umożliwionozwiększenie uciągu lokomotywy, co pozwalana zmniejszanie kosztów i koncentracjęwydobycia.Opracowane silniki i metoda sterowania to nowośćna krajowym rynku maszyn elektrycznych.Silniki z magnesami trwałymi znakomicienadają się do tych zastosowań, w których wy-

Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne Nr 74/2006 17magana jest regulacja prędkości obrotowej, wtym zwłaszcza do zastosowań trakcyjnych. Zuwagi na znakomite parametry eksploatacyjne(wyższa moc z jednostki objętości, wyższasprawność, duża przeciążalność momentem,możliwość pracy hamulcowej lub prądnicowej),a jednocześnie malejące ceny magnesów trwałychmożna stwierdzić, że przyszłość napędówo regulowanej prędkości obrotowej należy dosilników z magnesami trwałymi.Zarówno Komel jak i ENEL są przygotowanido oferowania napędów z magnesami do wieluzastosowań, wśród których wymienić należy:• trakcja elektryczna (szynowa i kołowa, np.pojazdy o napędzie elektrycznym),• górnictwo (napędy jazdy kombajnów, organyurabiające, przenośniki itp.),• urządzenia pompowe o zmiennym wydatkulub ciśnieniu,• przemysł obrabiarkowy itp.Praca została zrealizowana przy wsparciu MinisterstwaNauki i Informatyzacji w ramach projektucelowego 6ZR8 2005 C/06578Literatura[1]. Glinka T., Jakubiec M.: Silniki elektryczne zmagnesami trwałymi umieszczonymi w wirniku.Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne,nr 71/2005, s. 103-111.[2]. Bodora A., Domoracki A., Biskup T., KołodziejH., Budzyński Z.: Badania układu napędowego zsilnikiem bezszczotkowym (PMSM) o mocy 20 kW.Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne,nr 71/2005, s. 113-117.[3]. Rossa R.: silnik synchroniczny z magnesamitrwałymi do pojazdu o napędzie elektrycznym –konstrukcja, metoda osłabiania strumienia magnetycznegooraz parametry elektromagnetyczne. DokumentacjaKomel (S4-050053, 2005 r., Praca niepublikowana)Autordr inż. Jakub BernattBranżowy Ośrodek Badawczo-RozwojowyMaszyn Elektrycznych KOMELe-mail: info@komel.katowice.plwww.komel.katowice.pl