Badania silnika indukcyjnego małej mocy pracującego w ciekłym azocie (Politechnika Wrocławska).pdf

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 80/2008

Stanisþaw Azarewicz, Bogumiþ Wħgliıski

Politechnika Wrocþawska, Wrocþaw

BADANIA SILNIKA INDUKCYJNEGO MAýEJ MOCY

PRACUJġCEGO W CIEKýYM 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 - 196 0 C and liquid natural gas at temperature Î 161 0 C.

1. Wstħp

Wraz z rozwojem Ļwiatowego przemysþu

wzrasta takŇe intensywnie zapotrzebowanie na

noĻniki energii. Ograniczenia zwiĢzane z moŇ-

liwoĻciĢ zaspakajania zapotrzebowania ener-

getycznego z tradycyjnych Ņrdeþ powodujĢ, Ňe

intensywnie poszukuje siħ zarwno nowych

Ņrdeþ energii jak i dywersyfikacji dostaw ist-

niejĢcych produktw. Do nich z caþĢ pewnoĻciĢ

naleŇy dziedzina zaopatrzenia gospodarki w

gaz. Wraz z opracowaniem efektywnych i ta-

nich metod skraplania gazu naturalnego, jego

transportowania, przechowywania i dystrybucji

w wielu krajach staje siħ on alternatywnym

Ņrdþem zaopatrzenia w energiħ. Ciekþy gaz

naturalny (LNG) o temperaturze Î 161 0 C stwa-

rza jednak pewne problemy techniczne zwiĢ-

zane zarwno z niskĢ temperaturĢ jak i che-

micznym oddziaþywaniem na materiaþy i urzĢ-

dzenia z ktrymi siħ styka. Dotyczy to takŇe

silnikw elektrycznych napħdzajĢcych pompy,

zawory, urzĢdzenia dystrybucji itp. Badania

Ļwiatowych oĻrodkw zajmujĢcych siħ ciekþym

gazem wykazaþy, Ňe najlepsze rezultaty eksplo-

atacyjne osiĢgajĢ urzĢdzenia pracujĢce w zanu-

rzeniu w ciekþym gazie. Dotyczy to takŇe in-

dukcyjnych silnikw klatkowych, wykorzysty-

wanych do napħdu rŇnego rodzaju urzĢdzeı.

Silniki te sĢ z reguþy budowy otwartej, w kt-

rych ciekþy gaz przepþywajĢc przez ich wnħtrze

speþnia rolħ czynnika chþodzĢcego.

Niska temperatura gazu, a takŇe jego wþaĻciwo-

Ļci chemiczne oddziaþywajĢ na silnik skutkujĢc

zarwno naraŇeniem izolacji jak i zmianĢ pa-

rametrw magnetycznych i elektrycznych ma-

szyny [1,2]. Zmiana podstawowych parame-

trw materiaþw czynnych silnika powinna

skutkowaę zmianĢ jego konstrukcji tak, aby

otrzymaę optymalnĢ do pracy w LNG. W wielu

przypadkach, ze wzglħdu na niewielkie obecnie

zapotrzebowanie w kraju na urzĢdzenia wspþ-

pracujĢce z ciekþym gazem naleŇy spodziewaę

siħ stosowania typowych silnikw indukcyj-

nych gþwnie maþej mocy po odpowiednich

dostosowaniach konstrukcji i zmianie izolacji

uzwojenia do pracy w ciekþym gazie. NaleŇy

takŇe spodziewaę siħ, Ňe coraz czħĻciej silniki

maþej mocy gþwnie pomp i dystrybutorw

bħdĢ takŇe zasilane z przemiennikw czħstotli-

woĻci. W wielu przypadkach zasilanie silnikw

z przemiennikw czħstotliwoĻci wobec istot-

nego zmniejszenia rezystancji uzwojeı moŇe

stanowię jedyne rozwiĢzanie umoŇliwiajĢce ich

prawidþowĢ pracħ. W artykule przedstawiono

wyniki badaı zmian podstawowych parame-

trw silnika indukcyjnego maþej mocy zanurzo-

nego w ciekþym azocie o temperaturze Î 196 0 C

i zasilanego z rŇnych typw przemiennikw

czħstotliwoĻci. Badania w ciekþym azocie dajĢ

wyniki zbliŇone do tych jakie uzyskiwaþby sil-

nik pracujĢcy w gazie naturalnym, a prowa-

dzone badania nie stwarzajĢ zagroŇeı typowych

do badaı z wykorzystaniem gazu LNG.

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 80/2008

2. Badania silnika indukcyjnego maþej

mocy w ciekþym azocie

0,7

cos ®

0,6

Badaniom poddano silnik indukcyjny klatkowy

o mocy 0,09 kW i prħdkoĻci znamionowej

680 obr/min. W ramach jego dostosowania do

pracy w ciekþym azocie zmieniono þoŇyska,

zlikwidowano áchorĢgiewkiÑ wentylacyjne

wirnika, aby zminimalizowaę opory ruchu w

cieczy, a takŇe wykonano otwory w pokrywach

þoŇyskowych aby umoŇliwię przepþyw ciekþego

azotu przez wnħtrze silnika.

Badany silnik pracowaþ w pojemniku z ciekþym

azotem natomiast ukþad pomiaru momentu i ob-

ciĢŇenie wyprowadzono poza pojemnik, stosu-

jĢc odpowiedniĢ izolacjħ termicznĢ.

Program badaı silnika w ciekþym azocie obej-

mowaþ badania parametrw silnika przy zasila-

niu z przemiennikw czħstotliwoĻci o sterowa-

niu skalarnym oraz wektorowym SLV.

Uzyskane wyniki porwnano z parametrami

uzyskiwanymi przez silnik w temperaturze oto-

czenia przy zasilaniu analogicznym jak w azo-

cie oraz przy zasilaniu z sieci.

Wyniki pomiarw przedstawiono w postaci

wykresw na rysunkach 1 do 6 .

0,5

0,4

0,3

0,2

0,1

0,0

P 2 [W]

100

Sterowanie skalarne; ciekþy azot T= - 196 C

Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekþy azot T= -196 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20 C

Ukþad zasilany z seci, temperatura otoczenia ok. 20 C

=j dla rŇ-

nych rodzajw sterowania w dwch rŇnych

oĻrodkach dla czħstotliwoĻci f=50 Hz

cos

(

)

Zmiana parametrw silnika jest skutkiem zmian

wartoĻci rezystancji uzwojeı oraz parametrw

obwodu magnetycznego, a w szczeglnoĻci

zmian stratnoĻci blach i w mniejszym stopniu,

zmian ich charakterystyki magnesowania.

300

P 1 [W]

0,8

250

0,7

200

0,6

150

0,5

0,4

100

0,3

0,2

0,1

0,2

0,4

0,6

0,8

1,2 1,4

M [Nm]

Sterowanie skalarne; ciekþy azot T= - 196 C

Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekþy azot T= -196 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20 C

Ukþad zasilany z seci, temperatura otoczenia ok. 20 C

Rys. 1. Charakterystyki

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

P 2 [W]

Sterowanie skalarne; ciekþy azot T= - 196 C

Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekþy azot T= -196 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20 C

Rys. 3. Charakterystyki

P = dla rŇ-

nych rodzajw sterowania w dwch rŇnych

oĻrodkach

(

)

=h w dwch

rŇnych oĻrodkach dla czħstotliwoĻci zasilania

f=50 Hz

( P

)

Rys. 2. Charakterystyki

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 80/2008

200

0,7

P 1 [W]

180

0,6

160

0,5

140

0,4

120

100

0,3

0,2

0,1

0,0

0 10 20

30 40 50 60 70

P2 [W]

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

M [Nm]

1,4

Sterowanie skalarne; ciekþy azot T= - 196 C

Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekþy azot T= -196 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20 C

Sterowanie skalarne; ciekþy azot T= - 196 C

Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekþy azot T= -196 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20 C

Rys. 4. Przebiegi

h dla czħsto-

tliwoĻci zadanej f= 35 Hz

( P

)

P = dla czħstotliwoĻci

zadanej f = 35 Hz

(

)

Na rysunku 7 przedstawiono zmiany rezystancji

miedzi i aluminium podczas schþadzania, zaĻ na

rysunku 8 przedstawiono przykþadowo zmianħ

charakterystyki magnesowania blachy elektro-

technicznej o gruboĻci 0,5 mm schþodzonej w

ciekþym azocie.

R T30 /R T =f(T)

0,7

cos Ő

0,6

0,5

T[ 0 C]

Rys. 7. Zmiany rezystancji materiaþw czynnych

w wyniku ich schþadzania

-200

-150

-100

-50

0,4

0,3

0,2

2,0

0,1

B=f(H)

f=50 Hz

1,8

0,0

0 10 20 30 40

50 60 70

P2 [W]

1,6

1,4

Sterowanie skalarne; ciekþy azot T= - 196 C

Sterowanie skalarne, temperatura otoczenia ok 20 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,ciekþy azot T= -196 C

Bezczujnikowe sterowanie wektorowe,temperatura otoczenia ok. 20 C

Rys. 5. Porwnanie przebiegw

1,2

1,0

AIR, T=20 o C

LN2, T= -196 o C

0,8

cos

(

)

0,6

dla czħstotliwoĻci f= 35 Hz

0,4

0,2

Jak wynika z przedstawionych pomiarw

wzrost indukcji magnetycznej w ciekþym azocie

jest stosunkowo niewielki dla czħstotliwoĻci

50 Hz i zawiera siħ w granicach 5%. Znacznie

istotniejsze jest zmniejszenie rezystancji uzwo-

jeı. W badanym silniku rezystancja uzwojeı

stojana ulegþa zmniejszeniu 6,8 krotnie.

0,0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

H{Am -1 ]

Rys. 8. Charakterystyki magnesowania blachy

elektrotechnicznej o gruboĻci 0,5 mm w powie-

trzu i ciekþym azocie

3. Analiza wynikw

PorwnujĢc moc pobieranĢ przez silnik pracu-

jĢcy w temperaturze otoczenia i w ciekþym

azocie moŇna stwierdzię, Ňe moc pobierana

Rys. 6. Charakterystyki

AIR, T=20oC

LN2, T=-196oC

Zeszyty Problemowe Î Maszyny Elektryczne Nr 80/2008

przez silnik dla tych samych wartoĻci obciĢŇe-

nia jest w azocie istotnie mniejsza.

PorwnujĢc wyniki przy sterowaniu skalarnym

i wektorowym typu SLV moŇna zauwaŇyę, Ňe

sterowanie wektorowe daje korzystniejsze wy-

niki w wyŇszych zakresach obciĢŇenia silnika

niŇ sterowanie skalarne. W zakresie niedociĢ-

Ňenia silnika oba typy sterowania dajĢ wyniki

zbliŇone. Badany silnik wykazywaþ takŇe zde-

cydowanie wyŇszĢ sprawnoĻę podczas pracy w

ciekþym azocie w stosunku do sprawnoĻci w

temperaturze otoczenia. TakŇe w tym przy-

padku sterowanie wektorowe SLV jest korzyst-

niejsze niŇ skalarne a uzyskana sprawnoĻę w

granicach 75% dla czħstotliwoĻci napiħcia wyj-

Ļciowego wynoszĢcej 50 Hz jest sprawnoĻciĢ

bardzo wysokĢ jak na silnik tej mocy.

4. Wnioski

Badania silnika indukcyjnego maþej mocy pra-

cujĢcego w ciekþym azocie o temperaturze Î

196 0 C wykazaþy, Ňe:

- istotne obniŇenie momentu rozruchowego

przy jednoczesnym zwiħkszeniu prĢdu rozru-

chowego w skutek blisko siedmiokrotnego

zmniejszenia rezystancji uzwojeı w praktyce

uniemoŇliwia bezpoĻrednie zasilanie typowych

silnikw indukcyjnych z sieci,

- silniki indukcyjne po stosunkowo niewielkich

zmianach konstrukcyjnych oraz wzmocnieniu

izolacji uzwojeı stojana mogĢ byę wykorzy-

stywane do pracy w ciekþych gazach przy zasi-

laniu z przemiennikw czħstotliwoĻci,

- badania wykazaþy, Ňe lepsze parametry eks-

ploatacyjne uzyskuje silnik podczas sterowania

czħstotliwoĻciowego typu SLV,

- silnik w ciekþym azocie osiĢgnĢþ lepsze para-

metry eksploatacyjne niŇ podczas pracy w tem-

peraturze otoczenia. Ma na to wpþyw gþwnie

zmniejszenie rezystancji uzwojeı oraz zacho-

wanie praktycznie staþej ich wartoĻci niezaleŇ-

nie od obciĢŇenia silnik,

- obniŇenie czħstotliwoĻci napiħcia zasilajĢcego

z przemiennika czħstotliwoĻci skutkuje stosun-

kowo nieznacznym pogorszeniem jego para-

metrw eksploatacyjnych.

Literatura

[1]. Azarewicz S., Gaworska D., Wħgliıski B.,

WþaĻciwoĻci blach prĢdnicowych w ciekþych ga-

zach. Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napħdw

i Pomiarw elektrycznych Politechniki Wrocþa-

wskiej Proc. 2005.

[2]. Azarewicz S., Buniowski A., Wħgliıski B.,

ÐPerformance of sosen magnetic materiale in crio-

genic temperaturesÑSixth International Conference

on UnconventionalElectomechanical and Electrical

Systems. 6 th UEESÓ04 Vol.3 Alushta Ukraina, s. 955

Î 960.

Adres Autorw

Politechnika Wrocþawska, Instytut Maszyn,

Napħdw i Pomiarw Elektrycznych

WybrzeŇe Wyspiaıskiego 27, 50-372 Wrocþaw

e-mail: stanislaw.azarewicz@pwr.wroc.pl

bogumil.weglinski@pwr.wroc.pl

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: