Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 80/2008
15
Stanisław Azarewicz, Bogumił Węgliński
Politechnika Wrocławska, Wrocław
BADANIA SILNIKA INDUKCYJNEGO MAA
EJ MOCY
PRACUJ
CEGO W CIEKA
YM AZOCIE
RESEARCH OF SMALL POWER INDUCTION MOTOR WORKING IN LIQUID
NITROGEN
Abstract: Results of test of a small power induction motor working in liquid nitrogen are presented in the pa-
per. The motor was designed in such manner to enable flow of the liquid nitrogen inside it. Bearings and de-
sign of its rotor were changed to minimize additional mechanical loss. Tests were carried on at feeding the
motor from network with sinusoidal voltage and by frequency converter. Results of the motor tests in ambient
temperature are presented for comparison reasons. Research was provided due to increasing requirement for
equipment for transfer, storage and distribution of liquid gases, which require motors working more often in
submerged conditions. Results of the presented research enable assessment of possibilities of applications of
typical small power motors to be working as submerged in liquid gases, being dielectrics, as liquid nitrogen at
temperature - 1960C and liquid natural gas at temperature  1610C.
1. Wstęp
Wraz z rozwojem światowego przemysłu
Niska temperatura gazu, a także jego właściwo-
wzrasta także intensywnie zapotrzebowanie na
ści chemiczne oddziaływają na silnik skutkując
nośniki energii. Ograniczenia związane z moż- zarówno narażeniem izolacji jak i zmianą pa-
liwością zaspakajania zapotrzebowania ener- rametrów magnetycznych i elektrycznych ma-
getycznego z tradycyjnych z
ródeł powodują, że
szyny [1,2]. Zmiana podstawowych parame-
intensywnie poszukuje się zarówno nowych
trów materiałów czynnych silnika powinna
z
ródeł energii jak i dywersyfikacji dostaw ist- skutkować zmianą jego konstrukcji tak, aby
niejących produktów. Do nich z całą pewnością
otrzymać optymalną do pracy w LNG. W wielu
należy dziedzina zaopatrzenia gospodarki w
przypadkach, ze względu na niewielkie obecnie
gaz. Wraz z opracowaniem efektywnych i ta- zapotrzebowanie w kraju na urządzenia współ-
nich metod skraplania gazu naturalnego, jego
pracujące z ciekłym gazem należy spodziewać
transportowania, przechowywania i dystrybucji
się stosowania typowych silników indukcyj-
w wielu krajach staje się on alternatywnym
nych głównie małej mocy po odpowiednich
z
ródłem zaopatrzenia w energię. Ciekły gaz
dostosowaniach konstrukcji i zmianie izolacji
naturalny (LNG) o temperaturze  1610C stwa- uzwojenia do pracy w ciekłym gazie. Należy
rza jednak pewne problemy techniczne zwią- także spodziewać się, że coraz częściej silniki
zane zarówno z niską temperaturą jak i che- małej mocy głównie pomp i dystrybutorów
micznym oddziaływaniem na materiały i urzą- będą także zasilane z przemienników częstotli-
dzenia z którymi się styka. Dotyczy to także
wości. W wielu przypadkach zasilanie silników
silników elektrycznych napędzających pompy,
z przemienników częstotliwości wobec istot-
zawory, urządzenia dystrybucji itp. Badania
nego zmniejszenia rezystancji uzwojeń może
światowych ośrodków zajmujących się ciekłym
stanowić jedyne rozwiązanie umożliwiające ich
gazem wykazały, że najlepsze rezultaty eksplo- prawidłową pracę. W artykule przedstawiono
atacyjne osiągają urządzenia pracujące w zanu- wyniki badań zmian podstawowych parame-
rzeniu w ciekłym gazie. Dotyczy to także in- trów silnika indukcyjnego małej mocy zanurzo-
dukcyjnych silników klatkowych, wykorzysty- nego w ciekłym azocie o temperaturze  1960C
wanych do napędu różnego rodzaju urządzeń.
i zasilanego z różnych typów przemienników
Silniki te są z reguły budowy otwartej, w któ- częstotliwości. Badania w ciekłym azocie dają
rych ciekły gaz przepływając przez ich wnętrze
wyniki zbliżone do tych jakie uzyskiwałby sil-
spełnia rolę czynnika chłodzącego.
nik pracujący w gazie naturalnym, a prowa-
dzone badania nie stwarzają zagrożeń typowych
do badań z wykorzystaniem gazu LNG.
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 80/2008
16
0,7
2. Badania silnika indukcyjnego małej
cos �
mocy w ciekłym azocie
0,6
Badaniom poddano silnik indukcyjny klatkowy
0,5
o mocy 0,09 kW i prędkości znamionowej
0,4
680 obr/min. W ramach jego dostosowania do
pracy w ciekłym azocie zmieniono łożyska,
0,3
zlikwidowano  chorągiewki wentylacyjne
0,2
wirnika, aby zminimalizować opory ruchu w
0,1
cieczy, a także wykonano otwory w pokrywach
łożyskowych aby umożliwić przepływ ciekłego
0,0
0 20 40 60 80 100
P2 [W]
azotu przez wnętrze silnika.
Badany silnik pracował w pojemniku z ciekłym
Sterowanie skalarne; ciekły azot T= - 196 �C
azotem natomiast układ pomiaru momentu i ob-
Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 �C
ciążenie wyprowadzono poza pojemnik, stosu-
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekły azot T= -196�C
jąc odpowiednią izolację termiczną. Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20�C
Program badań silnika w ciekłym azocie obej- Układ zasilany z seci, temperatura otoczenia ok. 20�C
mował badania parametrów silnika przy zasila-
Rys. 2. Charakterystyki cos� = f (P2 ) dla róż-
niu z przemienników częstotliwości o sterowa-
nych rodzajów sterowania w dwóch różnych
niu skalarnym oraz wektorowym SLV.
ośrodkach dla częstotliwości f=50 Hz
Uzyskane wyniki porównano z parametrami
uzyskiwanymi przez silnik w temperaturze oto-
czenia przy zasilaniu analogicznym jak w azo- Zmiana parametrów silnika jest skutkiem zmian
wartości rezystancji uzwojeń oraz parametrów
cie oraz przy zasilaniu z sieci.
obwodu magnetycznego, a w szczególności
Wyniki pomiarów przedstawiono w postaci
zmian stratności blach i w mniejszym stopniu,
wykresów na rysunkach 1 do 6 .
zmian ich charakterystyki magnesowania.
300
P1 [W]
0,8
�
250
0,7
200
0,6
0,5
150
0,4
100
0,3
50
0,2
0 0,1
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4
M [Nm] 0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Sterowanie skalarne; ciekły azot T= - 196 �C
P2[W]
Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 �C
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekły azot T= -196�C
Sterowanie skalarne; ciekły azot T= - 196 �C
Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 �C
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20�C
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekły azot T= -196�C
Układ zasilany z seci, temperatura otoczenia ok. 20�C
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20�C
Rys. 1. Charakterystyki P1 = f (M ) dla róż-
Rys. 3. Charakterystyki � = f (P2 ) w dwóch
nych rodzajów sterowania w dwóch różnych
różnych ośrodkach dla częstotliwości zasilania
ośrodkach
f=50 Hz
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 80/2008
17
0,7
200
�
P1 [W]
180
0,6
160
0,5
140
0,4
120
0,3
100
80 0,2
60
0,1
40
0,0
20
0 10 20 30 40 50 60 70
P2 [W]
P2 [W]
0
0,0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 Sterowanie skalarne; ciekły azot T= - 196 �C
M [Nm]1,4
Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 �C
Sterowanie skalarne; ciekły azot T= - 196 �C
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekły azot T= -196�C
Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 �C
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20�C
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekły azot T= -196�C
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20�C Rys. 6. Charakterystyki � = f (P2 ) dla często-
tliwości zadanej f= 35 Hz
Rys. 4. Przebiegi P1 = f (M ) dla częstotliwości
zadanej f = 35 Hz
12
Na rysunku 7 przedstawiono zmiany rezystancji RT30/RT=f(T)
10
miedzi i aluminium podczas schładzania, zaś na
rysunku 8 przedstawiono przykładowo zmianę 8
charakterystyki magnesowania blachy elektro-
6
technicznej o grubości 0,5 mm schłodzonej w
Cu
Al
ciekłym azocie.
4
0,7
2
cos Ć
0,6
0
0,5
-200 -150 -100 -50 0 50
T[0C]
0,4
Rys. 7. Zmiany rezystancji materiałów czynnych
0,3
w wyniku ich schładzania
0,2
2,0
0,1
B=f(H)
1,8
f=50 Hz
0,0
1,6
0 10 20 30 40 50 60 70
P2 [W]
1,4
Sterowanie skalarne; ciekły azot T= - 196 �C
1,2
Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 �C
AIIR, T=20oC
R,
A T=20oC
1,0
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekły azot T= -196�C
LN2, T=-196oC
LN2, T= -196oC
Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20�C
0,8
0,6
Rys. 5. Porównanie przebiegów cos� = f (P2 )
0,4
dla częstotliwości f= 35 Hz
0,2
Jak wynika z przedstawionych pomiarów 0,0
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000
wzrost indukcji magnetycznej w ciekłym azocie
H{Am-1]
jest stosunkowo niewielki dla częstotliwości
50 Hz i zawiera się w granicach 5%. Znacznie Rys. 8. Charakterystyki magnesowania blachy
istotniejsze jest zmniejszenie rezystancji uzwo- elektrotechnicznej o grubości 0,5 mm w powie-
jeń. W badanym silniku rezystancja uzwojeń trzu i ciekłym azocie
stojana uległa zmniejszeniu 6,8 krotnie.
3. Analiza wyników
Porównując moc pobieraną przez silnik pracu-
jący w temperaturze otoczenia i w ciekłym
azocie można stwierdzić, że moc pobierana
T30
T
R
/R [-]
Zeszyty Problemowe  Maszyny Elektryczne Nr 80/2008
18
przez silnik dla tych samych wartości obciąże- genic temperatures Sixth International Conference
on UnconventionalElectomechanical and Electrical
nia jest w azocie istotnie mniejsza.
Systems. 6th UEES 04 Vol.3 Alushta Ukraina, s. 955
Porównując wyniki przy sterowaniu skalarnym
 960.
i wektorowym typu SLV można zauważyć, że
Adres Autorów
sterowanie wektorowe daje korzystniejsze wy-
niki w wyższych zakresach obciążenia silnika
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn,
niż sterowanie skalarne. W zakresie niedocią- Napędów i Pomiarów Elektrycznych
żenia silnika oba typy sterowania dają wyniki
Wybrzeże Wyspiańskiego 27, 50-372 Wrocław
zbliżone. Badany silnik wykazywał także zde- e-mail: [e-mail]
cydowanie wyższą sprawność podczas pracy w
[e-mail]
ciekłym azocie w stosunku do sprawności w
temperaturze otoczenia. Także w tym przy-
padku sterowanie wektorowe SLV jest korzyst-
niejsze niż skalarne a uzyskana sprawność w
granicach 75% dla częstotliwości napięcia wyj-
ściowego wynoszącej 50 Hz jest sprawnością
bardzo wysoką jak na silnik tej mocy.
4. Wnioski
Badania silnika indukcyjnego małej mocy pra-
cującego w ciekłym azocie o temperaturze 
1960C wykazały, że:
- istotne obniżenie momentu rozruchowego
przy jednoczesnym zwiększeniu prądu rozru-
chowego w skutek blisko siedmiokrotnego
zmniejszenia rezystancji uzwojeń w praktyce
uniemożliwia bezpośrednie zasilanie typowych
silników indukcyjnych z sieci,
- silniki indukcyjne po stosunkowo niewielkich
zmianach konstrukcyjnych oraz wzmocnieniu
izolacji uzwojeń stojana mogą być wykorzy-
stywane do pracy w ciekłych gazach przy zasi-
laniu z przemienników częstotliwości,
- badania wykazały, że lepsze parametry eks-
ploatacyjne uzyskuje silnik podczas sterowania
częstotliwościowego typu SLV,
- silnik w ciekłym azocie osiągnął lepsze para-
metry eksploatacyjne niż podczas pracy w tem-
peraturze otoczenia. Ma na to wpływ głównie
zmniejszenie rezystancji uzwojeń oraz zacho-
wanie praktycznie stałej ich wartości niezależ-
nie od obciążenia silnik,
- obniżenie częstotliwości napięcia zasilającego
z przemiennika częstotliwości skutkuje stosun-
kowo nieznacznym pogorszeniem jego para-
metrów eksploatacyjnych.
Literatura
[1]. Azarewicz S., Gaworska D., Węgliński B.,
Właściwości blach prądnicowych w ciekłych ga-
zach. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów
i Pomiarów elektrycznych Politechniki Wrocła-
wskiej Proc. 2005.
[2]. Azarewicz S., Buniowski A., Węgliński B.,
 Performance of sosen magnetic materiale in crio-