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. WSTĘP

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 pomocą pakietu obliczeniowego Flux [1]

oraz Maxwell. Zamodelowano seryjnie produkowaną maszynę jawnobiegunową 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

Projektując maszynę z wirnikiem cylindrycznym geometrię

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 OBLICZEŃ

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 prądem
wirnika maszyny. W certyfikacie przedstawiono charakterystyki w funkcji prądu
sterującego wzbudnicy. Na podstawie dostępnych charakterystyk wzbudnicy

wzbudnicy. Na podstawie dostępnych charakterystyk wzbudnicy przeliczono
charakterystyki generatora na funkcję prądu 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.

0

100

200

300

400

500

600

0

20

40

60

80

100

120

Iw [A]

U [V]

pomiary

jawnobiegunowy
cylindryczny

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.

0

500

1000

1500

2000

2500

0

20

40

60

80

Iw [A]

I [A]

pomiary
jawnobiegunowy

cylindryczny

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

-150

-100

-50

0

50

100

150

200

642

644

646

648

650

652

t [ms]

Uf [V]

sinus

cylindryczny

Rys. 7. Krzywa napięcia

Fig. 7. Voltage wave

Dla przebiegu napięcia biegu jałowego przedstawionego na rysunku 7

przeprowadzono analizę harmoniczną. Wyniki przedstawiono na rys. 8.

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

1

4

7

10

13

16

19

22

25

28

31

34

37

40

43

46

nr harmonicznej [-]

U [V]

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 są 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
konstrukcję 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 drogą 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.