PRĄDNICE SYNCHRONICZNE Z MAGNESAMI TRWAŁYMI.pdf

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 80/2008

159

Emil Krl, Robert Rossa

BOBRME Komel, Katowice

PRġDNICE SYNCHRONICZNE Z MAGNESAMI TRWAýYMI

UMIESZCZONYMI WEWNġTRZ WIRNIKA

INTERIOR PREMANENT MAGNEST SYNCHRONOUS GENERATORS

Abstract: In the paper two kinds of permanent magnet synchronous generator constructions are compared.

The first one is generator with the arc-segment permanent magnets mounted on the rotor surface (Surface

Permanent Magnet Î SPM construction). The second one is generator with the block-segment permanent

magnets mounted inside the rotorÓs laminated core (Interior Permanent Magnet Î IPM construction). The

results of laboratory tests for both kinds of generators operating stand-alone are presented and discussed. It can

be concluded from these test results and discussions, that IPM generator is characterized by a lower voltage

variations and higher efficiency in the entire range of loads. It is also characterized by higher mechanical

strength and higher reliability comparing to the SPM construction.

1. Wstħp

Maszyny z magnesami trwaþymi sĢ znane juŇ

od ponad 150 lat [1]. PoczĢtkowo byþy to

gþwnie silniki prĢdu staþego z niskoenerge-

tycznymi magnesami trwaþymi. Wraz z roz-

wojem technologii materiaþw magnetycznych,

w szczeglnoĻci magnesw z pierwiastkami

ziem rzadkich (NdFeB, SmCo), zaczħto produ-

kowaę silniki i prĢdnice z magnesami trwaþymi

wysokoenergetycznymi.

PrĢdnice z magnesami trwaþymi sĢ najczħĻciej

wykorzystywane w elektrowniach wiatrowych

i wodnych. Od kilku lat w Europie, jak rwnieŇ

w Polsce, obserwuje siħ coraz intensywniejszy

rozwj tej wþaĻnie metody pozyskiwania

energii. PowstajĢ zarwno maþe przydomowe

siþownie wiatrowe, jak i duŇe farmy z elektro-

wniami wiatrowymi. Produkowana energia

elektryczna z wiatru moŇe byę odsprzedawana

do sieci energetycznej jak rwnieŇ zuŇywana na

wþasne potrzeby w gospodarstwie.

Przy pracy samotnej na biegu jaþowym prĢdnice

z magnesami generujĢ napiħcie o wartoĻci

skutecznej i czħstotliwoĻci liniowo zaleŇnych

od prħdkoĻci obrotowej wirnika. Przy pracy

samotnej pod obciĢŇeniem, wartoĻę skuteczna

napiħcia zaleŇy od prħdkoĻci obrotowej wir-

nika, charakteru obciĢŇenia oraz od wartoĻci

skutecznej prĢdu obciĢŇenia. Ukþady regulacji

napiħcia prĢdnicy z magnesami trwaþymi sĢ

skomplikowane i maþoefektywne, dlatego nale-

Ňy dĢŇyę do tego by przy zmianach obciĢŇenia

zmiennoĻę napiħcia na zaciskach prĢdnicy byþa

moŇliwie niska, co w wielu aplikacjach poz-

wala wyeliminowaę ukþad regulacji napiħcia.

W prĢdnicach z wirnikiem o konstrukcji z mag-

nesami mocowanymi na powierzchni cylin-

drycznego jarzma wirnika (skrt ang. SPM od

Surface Permanent Magnet) zmiennoĻę napiħcia

jest na poziomie 8 20 %, natomiast w prĢd-

nicach z magnesami umieszczonymi wewnĢtrz

wirnika (skrt ang. IPM od Interior Permanent

Magnet) moŇna uzyskaę kilkuprocentowĢ

zmiennoĻę napiħcia.

Rys. 1. Przykþadowe prĢdnice z magnesami

trwaþymi wykonane z wykorzystaniem czħĻci

standardowych silnikw asynchronicznych

2. Budowa prĢdnic z magnesami trwa-

þymi

Produkowane w kraju prĢdnice z magnesami

trwaþymi w wiħkszoĻci bazujĢ na rozkrojach

blach stojanw stosowanych w silnikach asyn-

chronicznych. Podyktowane jest to gþwnie

wzglħdami ekonomicznymi oraz duŇĢ dostħ-

pnoĻciĢ czħĻci koniecznych do budowy prĢ-

dnicy.

Wirniki prĢdnic z magnesami trwaþymi projek-

towane sĢ indywidualnie i wykonywane jako

lite dla wirnikw SPM lub pakietowane z bla-

chy elektromagnetycznej dla wirnikw IPM.

160

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 80/2008

3. Model matematyczny prĢdnicy z mag-

nesami trwaþymi

Charakterystyki zewnħtrzne prĢdnic synchro-

nicznych obliczane sĢ najczħĻciej metodami

obwodowo-polowymi [3] bazujĢcymi na klasy-

cznych rwnaniach maszyny synchronicznej,

wynikajĢcych z jej schematu zastħpczego oraz

wykresu wskazowego dla ukþadu wspþrzħd-

nych d-q-0 (rys. 2).

zaleŇnoĻę miħdzy reaktancjami magnetycznymi

w osiach podþuŇnej i poprzecznej ma zwykle

postaę: X md < X mq . Wpþyw reakcji twornika

w tych konstrukcjach prĢdnic jest znacznie

silniejszy w osi magnetycznej q niŇ w osi d.

W wyniku tego, przy obciĢŇeniu R lub RL,

charakterystyka U wy = f(I wy ) jest bardziej ápþas-

kaÑ, a dla maþych lub Ļrednich prĢdw obciĢ-

Ňenia uzyskuje siħ nawet wyŇszĢ wartoĻę

skutecznĢ napiħcia na zaciskach niŇ dla biegu

jaþowego prĢdnicy.

5. Badania laboratoryjne prĢdnicy typu

PMGg 132 S4

Badania prĢdnicy przeprowadzono w laborato-

rium BOBRME Komel. Do badaı przygoto-

wano prĢdnicħ o wzniosie mechanicznym 132

o dþugoĻci czynnej Ňelaza 100 mm oraz dwa

rodzaje wirnikw: wirnik z magnesami moco-

wanymi na powierzchni (SPM) i wirnik z ma-

gnesami umieszczonymi wewnĢtrz rdzenia

wirnika (IPM).

q axis

jI q X mq

E 0

jI d X md

E i

jI 1 X 1

I 1 R 1

jI 1 X obc

d i

V 1

I 1 R obc

I 1

Rys. 2. Wykres wskazowy prĢdnicy synchroni-

cznej

Parametry wykresu wskazowego, majĢce zasa-

dniczy wpþyw na pracħ prĢdnicy: reaktancja

magnesujĢca w osi podþuŇnej X md , reaktancja

magnesujĢca w osi poprzecznej X mq oraz

napiħcie indukowane w uzwojeniu twornika

przez wirujĢce magnesy trwaþe E 0 , obliczane sĢ

w metodach obwodowo-polowych z wykorzy-

staniem dwuwymiarowej, staþoprĢdowej analizy

rozkþadu pola magnetycznego w maszynie

metodĢ elementw skoıczonych [4], [5].

4. Wpþyw konstrukcji wirnika na charak-

terystyki zewnħtrzne prĢdnicy

Przy staþej prħdkoĻci obrotowej, zmiennoĻę

napiħcia wystħpujĢca na zaciskach prĢdnicy

pod wpþywem zmian charakteru lub mocy

obciĢŇenia, zaleŇy w istotny sposb od

konstrukcji wirnika prĢdnicy. W przypadku

wirnikw, dla ktrych reaktancje magnesujĢce

w osiach podþuŇnej d i poprzecznej q wirnika sĢ

jednakowe: X md = X mq lub zbliŇone, wzrost

obciĢŇenia o charakterze rezystancyjnym R lub

rezystancyjno-indukcyjnym RL powoduje spa-

dek wartoĻci skutecznej napiħcia, wzrastajĢcy

ze wzrostem prĢdu obciĢŇenia. W przypadku

konstrukcji wirnikw, w ktrych magnesy

trwaþe nie sĢ mocowane na powierzchni jarzma,

lecz wewnĢtrz rdzenia magnetycznego wirnika,

d axis

Uwy =f(Pm) dla f=50Hz

Wirnik IP M

Wirnik S P M

1000 2000 3000 4000 5000

Pm [W]

Rys. 3. Charakterystyki napiħcia wyjĻciowego

w funkcji mocy na wale dla prħdkoĻci n=1500

obr/min

Iwy =f(Pm) dla f=50Hz

180

160

140

120

100

Wirnik IP M

Wirnik S P M

1000 2000

3000 4000

5000

Pm [W]

Rys. 4. Charakterystyki prĢdu wyjĻciowego

w funkcji mocy na wale dla n=1500 obr/min

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 80/2008

161

E ta =f(Pm) dla f=50Hz

Iwy =f(Pm) dla f=90Hz

180

160

140

120

100

Wirnik IPM

Wirnik S P M

Wirnik IP M

Wirnik S P M

1000

2000

3000

4000

5000

2000

4000 6000

8000 10000

Pm [W]

Rys. 5. Charakterystyki sprawnoĻci prĢdnicy

w funkcji mocy na wale dla n=1500 obr/min

Rys. 7. Charakterystyki prĢdu wyjĻciowego

w funkcji mocy na wale dla n=2700 obr/min

Uwy =f(Pm) dla f=90Hz

E ta =f(Pm) dla f=90Hz

Wirnik IP M

Wirnik S P M

Wirnik IPM

Wirnik S P M

2000

4000

6000

8000 10000

2000 4000 6000 8000 10000

Pm [W ]

Pm [W]

Rys. 8. Charakterystyki sprawnoĻci prĢdnicy

w funkcji mocy na wale dla n=2700 obr/min

Rys. 6. Charakterystyki napiħcia wyjĻciowego

w funkcji mocy na wale dla n=2700 obr/min

Z charakterystyk przedstawionych na rys. 3 8

wynika, Ňe umieszczenie magnesw wewnĢtrz

wirnika nie tylko poprawiþo mechaniczne

parametry prĢdnicy, ale rwnieŇ jej paramenty

elektryczne. W caþym zakresie prħdkoĻci

obrotowych sprawnoĻę prĢdnicy z wirnikiem

IPM jest wyŇsza. Jest to spowodowane m.in.

maþĢ zmiennoĻciĢ napiħcia, czyli mniejszym

spadkiem napiħcia zwþaszcza przy wyŇszych

obciĢŇeniach, a co za tym idzie mniejszym

prĢdem obciĢŇenia przy tej samej mocy

generowanej.

Dla prĢdnicy z wirnikiem IPM przeprowadzono

rwnieŇ prbħ przy prħdkoĻci 4230 obr/min.

(rys. 9 11). PoniewaŇ ten wirnik posiada

magnesy umieszczone wewnĢtrz wirnika, moŇ-

na uzyskaę obroty na poziomie 8000 obr/min,

co dla wirnikw z magnesami umieszczonymi

na powierzchni wirnika (SPM) jest trudne do

osiĢgniħcia bez stosowania dodatkowego

zabezpieczenia magnesw przed odpadniħciem

z powierzchni wirnika.

Uwy =f(Pm) dla f=141Hz

Wirnik IP M

5000

10000

15000

Pm [W]

Rys. 9. Charakterystyka napiħcia wyjĻciowego

w funkcji mocy na wale prĢdnicy IPM, dla

prħdkoĻci n=4230 obr/min, z uwidocznieniem

pozytywnego wpþywu asymetrii wirnika:

X md < X mq (widoczny dla Ļrednich obciĢŇeı

wzrost wartoĻci skutecznej napiħcia powyŇej

wartoĻci odpowiadajĢcej biegowi jaþowemu)

162

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 80/2008

Iwy =f(Pm) dla f=141Hz

dowane duŇĢ liczbĢ mostkw magnetycznych,

ktre muszĢ zostaę nasycone strumieniem od

magnesw. W wirnikach z magnesami na

powierzchni taki problem nie wystħpuje.

Dlatego zasadne wydaje sie byę projektowanie

i produkowanie prĢdnic wolnoobrotowych

z wirnikami na powierzchni, natomiast prĢdnic

powyŇej 500 obr/min z magnesami umieszczo-

nymi wewnĢtrz wirnika. PrĢdnice z wirnikami

IPM majĢ znacznie wiħkszĢ wytrzymaþoĻę

mechanicznĢ i sĢ bardziej niezawodne. Wirnik

maszyny IPM nie jest naraŇony za uszkodzenie

zewnħtrze magnesw mogĢce powstaę podczas

montaŇu lub demontaŇu. ýatwiej jest

zaprojektowaę i wykonaę maszynħ IPM dosto-

sowanĢ do wysokich prħdkoĻci obrotowych.

PrĢdnice z wirnikami IPM moŇna poddawaę

wiħkszym chwilowym obciĢŇeniom prĢdowym

bez naraŇania magnesw na rozmagnesowywa-

nie a zarazem utrzymujĢ one niewielkĢ zmien-

noĻę napiħcia. Niewielka zmiennoĻę napiħcia

jest uzyskana dziħki niesymetrycznoĻci obwodu

elekromagnetycznego wirnika X mq > X md .

7. Literatura

[1]. Glinka T.: Maszyny elektryczne wzbudzane

magnesami trwaþymi. Wydawnictwo Politechniki

ĺlĢskiej, Gliwice 2002.

[2]. Bernatt J.: Wykorzystanie prĢdnic synchronicz-

nych do budowy maþych elektrowni wiatrowych.

Zeszyty Problemowe Maszyny Elektryczne. Nr

68/2004, s. 125-128. Wyd. BOBRME Komel,

Katowice.

[3]. Ping Zhou, T.E. McDermott, Z.J. Cendes, M.A.

Rahman, Steady state analysis of synchronous

generators by a coupled field-circuit method,

Electric Machines and Drives Conference Record,

IEEE International, 18-21 May 1997, Milwaukee,

USA, Pages: WC2/2.1 - WC2/2.3.

[4]. M.A. Rahman and P. Zhou, Determination of

Saturated Parameters of PM Motors Using Loading

Magnetic Fields, IEEE Trans. Magn., vol. 27, no. 5,

pp. 3947-3950, Sep. 1991.

[5]. M.A. Rahman and P. Zhou, Field-Based

Analysis for Permanent Magnet Motors, IEEE

Trans. Magn., vol. 30, no. 5, pp. 3664-3667, Sep.

1994.

Autorzy

mgr inŇ. E. Krl

dr inŇ. R. Rossa

konstruktorzy@komel.katowice.pl

BranŇowy OĻrodek Badawczo-Rozwojowy

Maszyn Elektrycznych áKOMELÑ

40-203 Katowice, Al. RoŅdzieıskiego 188.

120

100

Wirnik IP M

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Pm [W]

Rys. 10. Charakterystyka prĢdu wyjĻciowego

w funkcji mocy na wale dla prħdkoĻci n=4230

obr/min

E ta =f(Pm) dla f=141Hz

Wirnik IP M

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000

Pm [W]

Rys. 11. Charakterystyka sprawnoĻci prĢdnicy

w funkcji mocy na wale dla prħdkoĻci n=4230

obr/min

6. Podsumowanie

PrĢdnice z magnesami trwaþymi sĢ obecnie

bardzo czħsto wykorzystywane w odnawialnych

Ņrdþach energii, dlatego ich wysoka sprawnoĻę

i niezawodnoĻę sĢ priorytetowymi parametrami.

PrĢdnice z magnesami trwaþymi speþniajĢ te

wymagania. Przede wszystkim nie posiadajĢ

wħzþa szczotkowego, co wpþywa korzystnie na

ich wysokĢ niezawodnoĻę. Brak wzbudzenia

elektromagnetycznego obniŇa straty prĢdnicy,

a tym samym podnosi ich sprawnoĻę. PrĢdnice

z magnesami trwaþymi umieszczonymi na

powierzchni wirnika sĢ juŇ od kilku lat

produkowane przez BOBRME Komel i sĢ one

caþy czas doskonalone. Kolejnym krokiem

poprawy parametrw prĢdnic jest zastosowanie

wirnikw z magnesami wewnĢtrz. Zastosowa-

nie wirnika IPM w prĢdnicach wolnoobroto-

wych (poniŇej 500 obr/min) wymaga znacznego

zwiħkszenia objħtoĻci magnesw trwaþych

w stosunku do wirnika SPM, co jest spowo-

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: