Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Nr 60 Politechniki Wrocławskiej Nr 60
Studia i Materiały Nr 27 2007
maszyny synchroniczne,
wirnik jawnobiegunowy, wirnik cylindryczny
modelowanie polowo-obwodowe
Piotr KISIELEWSKI*, Ludwik ANTAL"
PORÓWNANIE GENERATORÓW SYNCHRONICZNYCH
Z WIRNIKIEM JAWNOBIEGUNOWYM ORAZ
CYLINDRYCZNYM
Przedstawiono dwuwymiarowe, polowo-obwodowe modele dużych maszyn synchronicznych.
Rozważono typowe rozwiązania konstrukcyjne maszyn z wirnikiem jawnobiegunowym oraz
cylindrycznym. Modele polowo - obwodowe posiadały ten sam stojan, różniły się natomiast
wirnikami. Przedstawiono przykładowe rozkłady pola magnetycznego, porównanie podstawowych
charakterystyk. Przeprowadzono analizę harmoniczną kształtu napięcia stojana.
1. WST
P
Wirniki maszyn synchronicznych dużej mocy mogą być wykonywane jako
jawnobiegunowe lub cylindryczne. Większość produkowanych obecnie generatorów
synchronicznych dużej mocy o liczbie par biegunów 2p > 3 wykonywanych jest jako
jawnobiegunowe. Istotną wadą wirników z jawnymi biegunami, w porównaniu do
cylindrycznych, jest niska wytrzymałość mechaniczna na duże prędkości obrotowe.
Zapewnienie dobrej wytrzymałości na duże prędkości obrotowe wymaga stosowania
drogich materiałów konstrukcyjnych. Wirnik z biegunami utajonymi charakteryzuje się
większą wytrzymałością mechaniczną przy zastosowaniu tego samego gatunku stali
konstrukcyjnej maszyny.
Bieguny maszyny jawnobiegunowej mocowane są do masywnego wału za pomocą
tzw. jaskółczych ogonów. W takim wirniku występuje stosunkowo duża ilość stali, która
__________
"
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław
ul. Smoluchowskiego 19, [e-mail], [e-mail],
nie bierze udziału w przewodzeniu strumienia magnetycznego, a służy jedynie
przenoszeniu naprężeń mechanicznych pochodzących od sił odśrodkowych.
W wirniku cylindrycznym stal przewodząca strumień magnetyczny przenosi również
naprężenia pochodzące od sił odśrodkowych, dlatego spakietowane żelazo wirnika
cylindrycznego można zamocować do wału za pomocą tzw. szkieletu. Stąd masa
wirnika cylindrycznego może być znacznie mniejsza niż jawnobiegunowego.
Dodatkową zaletą wirnika z biegunami utajonymi jest fakt, iż technologia jego
produkcji jest prostsza niż wirnika z biegunami jawnymi. Wykonanie wirnika
cylindrycznego wymaga mniejszej ilości operacji, zmniejsza się czasochłonność procesu
produkcji.
2. MODELE POLOWO - OBWODOWE
Modele i obliczenia maszyn wykonano za pomocÄ… pakietu obliczeniowego Flux [1]
oraz Maxwell. Zamodelowano seryjnie produkowanÄ… maszynÄ™ jawnobiegunowÄ… o
liczbie par biegunów 2p = 5 i mocy 1500 kVA, a następnie, nie zmieniając stojana
maszyny, przeprowadzono obliczenia dla maszyny z wirnikiem cylindrycznym.
Przedstawiono przekrój maszyny jawnobiegunowej na rys. 1 oraz cylindrycznej na rys.
2.
Rys. 1. Przekrój maszyny jawnobiegunowej
Fig. 1. Cross-section of the salient-pole machine
Rys. 2. Przekrój maszyny cylindrycznej
Fig. 2. Cross-section of the cylindrical machine
ProjektujÄ…c maszynÄ™ z wirnikiem cylindrycznym geometriÄ™ blach stojana
pozostawiono bez zmian. Obwód magnetyczny wirnika został zaprojektowany pod
kątem uzyskania maksymalnego strumienia przy zachowaniu takiego rozkładu
indukcji, aby kształty napięć indukowanych w uzwojeniach stojana były sinusoidalne.
Pręty klatki tłumiącej zostały równomiernie rozmieszczone na obwodzie wirnika. Ze
względów technologicznych zastosowano stałą szerokość tzw. małych zębów w
obrębie jednego bieguna.
3. WYNIKI OBLICZEC

Metodami polowo - obwodowymi obliczono charakterystyki biegu jałowego
i zwarcia dla maszyny z wirnikiem jawnobiegunowym oraz cylindrycznym.
Charakterystyki te porównano z zamieszczonymi w certyfikacie produkowanej
maszyny. Modelowanie pracy maszyny wymaga operowania rzeczywistym prÄ…dem
wirnika maszyny. W certyfikacie przedstawiono charakterystyki w funkcji prÄ…du
sterującego wzbudnicy. Na podstawie dostępnych charakterystyk wzbudnicy
wzbudnicy. Na podstawie dostępnych charakterystyk wzbudnicy przeliczono
charakterystyki generatora na funkcjÄ™ prÄ…du wirnika generatora. Temperatury
uzwojeń podczas wyznaczania charakterystyk wzbudnicy nie są znane. Nie wiadomo
również jakie były temperatury uzwojeń wzbudnicy i generatora w czasie
wykonywania pomiarów charakterystyk generatora. Powyższe niewiadome nie
pozwalają jednoznacznie określić charakterystyk generatora w funkcji prądu wirnika.
Na rysunkach 3 i 4 przedstawiono charakterystyki biegu jałowego oraz zwarcia
wyznaczone na podstawie certyfikatu (pomiary) oraz charakterystyki uzyskane na
drodze modelowania polowo - obwodowego dla maszyny z różnymi wirnikami.
600
U [V]
500
400
pomiary
300
jawnobiegunowy
cylindryczny
200
100
Iw [A]
0
0 20 40 60 80 100 120
Rys. 3. Charakterystyki biegu jałowego
Fig. 3. No-load characteristics
Przykładowe rozkłady pola magnetycznego dla różnych maszyn w stanie biegu
jałowego przy znamionowym prądzie wzbudzenia przedstawiono na rysunkach 5 oraz
6. Ważnym parametrem dla generatora synchronicznego jest kształt krzywej napięcia
indukowanego twornika. Wyznaczony kształt napięcia biegu jałowego przedstawiono
na rysunku 7.
2500
I [A]
2000
1500
1000
pomiary
jawnobiegunowy
500
cylindryczny
Iw [A]
0
0 20 40 60 80
Rys. 4. Charakterystyki zwarcia
Fig. 4. Short-circuit characteristics
Rys. 5. Rozkład pola magnetycznego dla maszyny jawnobiegunowej
Fig. 5. Field distribution for salient-pole machine
Rys. 6. Rozkład pola magnetycznego dla maszyny z wirnikiem cylindrycznym
Fig. 6. Field distribution for machine with cylindrical rotor
200
Uf [V]
150
sinus
100
cylindryczny
50
0
-50
-100
-150
-200
t [ms]
642 644 646 648 650 652
Rys. 7. Krzywa napięcia
Fig. 7. Voltage wave
Dla przebiegu napięcia biegu jałowego przedstawionego na rysunku 7
przeprowadzono analizÄ™ harmonicznÄ…. Wyniki przedstawiono na rys. 8.
200
U [V]
180
160
140
120
100
80
60
40
20
nr harmonicznej [-]
0
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46
Rys. 8. Analiza harmoniczna krzywej napięcia
Fig. 8. Harmonic analysis of voltage wave
Zawartości harmonicznych w napięciu przedstawiono w tabeli 1.
Tabela. 1. Analiza harmoniczna krzywej napięcia
Table 1. Harmonic analysis of voltage wave
Nr harmonicznej [-] Udział w napięciu [%]
1 96,7
5 0,34
7 0,45
23 0,19
25 0,47
W napięciu wyjściowym pojawiają się harmoniczne: 5, 7, 23, 25. Pozostałe
harmoniczne sÄ… pomijalne.
4. PODSUMOWANIE
Uzyskane wyniki obliczeń pokazują, iż producenci wielobiegunowych maszyn
synchronicznych dużej mocy powinni rozważyć możliwość zastępowania dotychczas
produkowanych maszyn jawnobiegunowych maszynami cylindrycznymi.
Przemawiają za tym głównie względy technologiczne. Wirnik cylindryczny posiada
ją za tym głównie względy technologiczne. Wirnik cylindryczny posiada prostszą
konstrukcjÄ™ od jawnobiegunowego. Proses technologiczny wykonania wirnika
cylindrycznego jest krótszy. Ze względu na możliwość zastosowania szkieletu
trzymającego pakiety blach można znacznie zmniejszyć masę wirnika. Lżejszy wirnik
umożliwia, w niektórych przypadkach, zastosowanie mniejszych, a co za tym idzie,
tańszych łożysk.
Uzyskane drogÄ… modelowania polowo - obwodowego charakterystyki maszyn
wykazują niewielkie różnice. Zgodnie z oczekiwaniami, ze względu na równomierną
szczelinę, w maszynie z wirnikiem cylindrycznym otrzymano wyższe napięcie biegu
jałowego niż w maszynie jawnobiegunowej. W wyniku mocniejszego oddziaływania
twornika w maszynie cylindrycznej prąd zwarcia ustalonego jest mniejszy niż w
maszynie jawnobiegunowej. Kształt krzywej napięcia spełnia wymagania normy,
zgodnie z którą maksymalna różnica między przebiegiem SEM a jej pierwszą
harmoniczną nie powinna przekraczać 5%.
LITERATURA
[1] CEDRAT, FLUX® 9.20 User s guide, November 2005.
[2] DFME DOLMEL Sp. z o.o.: Karta uzwojenia generatora, wyniki pomiarów Wrocław 1982 -
2007.
COMPARISON OF SYNCHRONOUS GENERATORS WITH SALIENT-POLE ROTOR
AND CYLINDRICAL ROTOR
The paper present two dimensional field-circuit models of large synchronous machines. Typical con-
structions of machines with salient-pole and cylindrical rotor was considered. There were simulated
models with the same stator and different rotors. In the paper there are some examples of field distribu-
tion for different rotor constructions. No-load characteristics, short-circuit characteristics and results of
voltage wave harmonic analysis were showed.