Схема подключения синхронного двигателя: Типовые схемы пуска синхронных электродвигателей | Полезные статьи

Ротор синхронных двигателей в основном является явнополюсным. Питание постоянного тока на обмотку ротора подается через контактные кольца.Постоянный ток возбуждает обмотку ротора и создает электромагнитные полюса. В некоторых случаях также можно использовать постоянные магниты. На рисунке выше очень кратко показана конструкция синхронного двигателя .

Работа синхронного двигателя

• Теперь полюса статора вращаются с синхронной скоростью (скажем, по часовой стрелке). Если положение ротора таково, что полюс N ротора находится рядом с полюсом N статора (как показано на первой схеме на рисунке выше), то полюса статора и ротора будут отталкиваться друг от друга, и создаваемый крутящий момент будет против часовой стрелки .
• Полюса статора вращаются с синхронной скоростью, они вращаются очень быстро и меняют свое положение.Но очень скоро ротор не сможет вращаться на тот же угол (из-за инерции), и следующая позиция, вероятно, будет второй схемой на приведенном выше рисунке. В этом случае полюса статора будут притягивать полюса ротора, и создаваемый крутящий момент будет по часовой стрелке.
• Следовательно, на ротор будет действовать быстро меняющийся крутящий момент, и двигатель не запустится.

Характерные особенности синхронного двигателя

• Синхронный двигатель будет работать либо с синхронной скоростью, либо не будет работать вообще.
• Единственный способ изменить его скорость — это изменить его частоту питания. (Поскольку Ns = 120f / P)
• Синхронные двигатели не запускаются автоматически. Им нужна некоторая внешняя сила, чтобы приблизить их к синхронной скорости.
• Могут работать с любым коэффициентом мощности, как отстающим, так и опережающим. Следовательно, синхронные двигатели могут использоваться для улучшения коэффициента мощности.

Применение синхронного двигателя

• Поскольку синхронный двигатель может работать как с опережающим, так и с запаздывающим коэффициентом мощности, его можно использовать для улучшения коэффициента мощности. Синхронный двигатель без нагрузки с опережающим коэффициентом мощности подключается к энергосистеме, в которой нельзя использовать статические конденсаторы.
• Используется там, где требуется высокая мощность при низкой скорости.Такие как прокатные станы, измельчители, смесители, насосы, насосы, компрессоры и т. Д.

— однофазные / трехфазные двигатели переменного / постоянного тока

Обозначения электродвигателей переменного / постоянного тока, однофазные и трехфазные

Список всех символов электродвигателей на одном изображении приведен ниже в качестве ссылки на конец этого поста.

Обмотка / катушка электродвигателя

Этот символ представляет обмотку или катушку электродвигателя.Обмотка внутри двигателя создает необходимое магнитное поле при возбуждении электрическим током.

Обмотка серии

Обмотка возбуждения, подключенная последовательно к обмотке якоря двигателя, называется последовательной обмоткой. Ток, потребляемый в таком двигателе, огромен, так как он работает последовательно и производит довольно большой крутящий момент.

Шунтирующая обмотка

Обмотка возбуждения, подключенная параллельно обмотке якоря двигателя, называется шунтирующей обмоткой.Сопротивление шунтирующей обмотки обычно велико, чтобы предотвратить протекание сильного тока.

Угольная щетка

Это компонент внутри электродвигателя, который передает электрический ток между статором (неподвижная часть) и ротором (вращающаяся часть). Обычно он сделан из графита, и его можно заменить во время технического обслуживания после износа.

Стандартный двигатель

Это обозначение общего электродвигателя, используемого в электрических схемах.Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую.

Двухскоростной двигатель

Этот символ обозначает двухскоростной двигатель. Такой тип двигателей имеет две отдельные обмотки для разного передаточного числа. Каждая обмотка одновременно обеспечивает разную скорость и крутящий момент.

Двигатель переменного тока

Этот символ представляет двигатель переменного тока. Этот тип двигателя работает только от переменного тока. Он преобразует электрическую энергию переменного тока в механическую.

Двигатель постоянного тока

Этот символ используется для обозначения двигателя постоянного тока на любой электрической схеме. Он преобразует электрическую энергию постоянного тока в механическую. Работает только на постоянном токе.

Линейный двигатель

Это общий символ, используемый для обозначения линейного двигателя. Линейный двигатель имеет развернутый статор, что приводит к созданию линейной силы вместо вращающего момента.

Шаговый двигатель

Шаговый двигатель или шаговый двигатель — это тип бесщеточного двигателя постоянного тока, полное вращение которого делится на количество равных шагов.Он вращается пошагово, а не непрерывно. Они используются для точного позиционирования с помощью управляющего сигнала.

Электрическая машина

Этот тип символа используется для таких машин, которые могут использоваться как в качестве двигателя, так и генератора. Двигатель преобразует электрическую энергию в механическую, а генератор — наоборот.

Двигатель постоянного тока с постоянным магнитом

В бесщеточных двигателях постоянного тока такого типа для создания полюсов вместо обмоток возбуждения используется постоянный магнит.Символ выше представляет двигатель постоянного тока со значком магнита, обозначающим тип постоянного магнита.

Однофазный двигатель переменного тока

Этот символ обозначает однофазный двигатель переменного тока. Он работает от однофазного источника переменного тока, и его обмотка возбуждения включена последовательно с обмоткой якоря. Он также известен как модифицированный двигатель постоянного тока.

Двигатель постоянного тока

Двигатель постоянного тока, обмотка возбуждения которого включена последовательно с обмоткой якоря, называется двигателем постоянного тока, и на схематических изображениях он обозначен этим символом.

Однофазный асинхронный двигатель переменного тока с выведенными клеммами обмотки

Он также известен как асинхронный двигатель с расщепленной фазой. Этот тип однофазного двигателя переменного тока имеет доступную отдельную обмотку, известную как пусковая обмотка, имеющая высокое сопротивление. Пусковая обмотка используется для пуска двигателя.

Однофазный отталкивающий двигатель

Это однофазный двигатель переменного тока, работающий по принципу отталкивания магнитного поля статора и ротора.Магнитное поле ротора создается индуцированным током и может вращаться, вращая щетки вдоль своей оси. Это вращающееся магнитное поле используется для изменения направления двигателя.

Параллельный двигатель постоянного тока

Это обозначение, используемое для параллельного двигателя постоянного тока, обмотка возбуждения которого подключена параллельно обмотке якоря. Обе обмотки подключены к общему источнику постоянного тока.

Однофазный синхронный двигатель

Этот символ обозначает однофазный синхронный двигатель переменного тока.Синхронные двигатели сначала запускаются как асинхронные, но позже достигают синхронной скорости, которая зависит только от входной частоты питания.

Двигатель с комбинированным возбуждением постоянного тока

Двигатель постоянного тока такого типа имеет как последовательную обмотку возбуждения, так и шунтирующую (или параллельную) обмотку возбуждения. Обмотка шунтирующего поля усиливает магнитное поле, создаваемое последовательной обмоткой. он имеет преимущества как двигателей постоянного тока с последовательной обмоткой, так и двигателей постоянного тока с параллельной обмоткой, то есть высокий пусковой крутящий момент и регулирование скорости.

Трехфазный двигатель переменного тока

Это общий символ, используемый для трехфазного двигателя переменного тока. Трехфазный источник переменного тока создает вращающееся магнитное поле, которое реагирует с магнитным полем, создаваемым ротором, таким образом вращая ротор.

Трехфазный двигатель в форме звезды

Это трехфазный двигатель, обмотки которого соединены вместе по схеме звезды или звезды. этот символ также обозначает функцию автоматического запуска двигателя.

Трехфазный двигатель с ротором

Этот символ обозначает двигатель с трехфазным ротором. Это тип трехфазного двигателя переменного тока, ротор которого соединен с внешним сопротивлением через контактные кольца. Преимущество двигателя с фазным ротором заключается в том, что он генерирует высокий пусковой момент при меньшем токе.

Трехфазный линейный двигатель

Этот символ представляет линейный двигатель, работающий от трехфазного источника питания переменного тока. Статор такого двигателя раскручивается для создания линейной силы вместо вращающего момента.

На следующем изображении показаны все символы электрических двигателей.

Сопутствующие электрические / электронные символы:

На главную | Toshiba International Corporation

Подразделение Motors & Drives предлагает полный спектр двигателей низкого и среднего напряжения и приводов с регулируемой скоростью. Эти продукты, отличающиеся качеством, производительностью и долговечностью, могут быть адаптированы для самых требовательных приложений.

Нажмите здесь, чтобы увидеть все наши двигатели и приводы>

Подразделение силовой электроники предлагает решения по кондиционированию и защите питания, которые выделяются системами бесперебойного питания, быстро перезаряжаемыми батареями (SCiB ^® ), а также предприятия по кондиционированию электроэнергии.Продукция TIC Power Electronics славится своей надежностью и эффективностью и идеально подходит для таких ключевых рынков, как центры обработки данных, здравоохранение и промышленность. Клиенты получают выгоду от компактного дизайна, обширных гарантийных планов, а также круглосуточного обслуживания и поддержки.

Щелкните здесь, чтобы увидеть все наши продукты для силовой электроники>

Подразделение передачи и распределения со штаб-квартирой в Хьюстоне является частью мирового лидерства Toshiba Corp. в области поставки интегрированных решений для передачи, распределения энергии и интеллектуальных сообществ.Как один из крупнейших в мире производителей современного передающего и распределительного оборудования, Toshiba уже более века поставляет на мировой рынок высоконадежные и инновационные продукты. Подразделение передачи и распределения TIC обслуживает рынок Северной Америки, предлагая продукцию, которая удовлетворяет рыночный спрос на большую емкость, компактный дизайн и экологически безопасные решения, обеспечивающие впечатляющие показатели эффективности и отличные результаты.

Щелкните здесь, чтобы увидеть все наши продукты для передачи и распределения>

Доступные системы социальной инфраструктуры могут быть дополнительно настроены путем добавления контрольно-измерительных приборов, систем управления процессами или программируемых логических элементов управления.Кроме того, TIC предлагает решения для транспортных систем, безопасности и автоматизации, а также двигатели для гибридных электромобилей.

С 2011 года Toshiba International Corporation производит высокопроизводительные приводные двигатели для гибридных электромобилей (HEV). Современный завод HEV занимает площадь 45 000 квадратных футов и производит более 130 000 двигателей в год. Завод, на котором работают более 100 человек, поставляет двигатели и генераторы для гибридных электромобилей, включая модели Ford Fusion Hybrid и C-Max.

Нажмите здесь, чтобы увидеть все наши автомобильные системы>

Инструкции для твердотельных щеточных контроллеров синхронных двигателей Ampgard Mark V

% PDF-1.3 % 65 0 объект >>> эндобдж 76 0 объект > поток 11.08.5122018-07-21T16: 54: 41.784-04: 00 Акробат Дистиллер 3.02 18.000-05: 00приложение / pdf2018-07-21T17: 00: 25.369-04: 00

-} kD% dA ^ Nw & Ͳ.4a

% PDF-1.7 % 2275 0 объект > эндобдж xref 2275 103 0000000016 00000 н. 0000003738 00000 н. 0000003921 00000 н. 0000003958 00000 н. 0000004096 00000 н. 0000004307 00000 н. 0000005022 00000 н. 0000005126 00000 н. 0000005444 00000 н. 0000009236 00000 п. 0000009703 00000 п. 0000010076 00000 п. 0000013166 00000 п. 0000013749 00000 п. 0000014040 00000 п. 0000017439 00000 п. 0000017858 00000 п. 0000018256 00000 п. 0000018803 00000 п. 0000018975 00000 п. 0000019636 00000 п. 0000019904 00000 п. 0000023475 00000 п. 0000023893 00000 п. 0000024269 00000 п. 0000024326 00000 п. 0000024715 00000 п. 0000024924 00000 п. 0000025212 00000 п. 0000025857 00000 п. 0000033901 00000 п. 0000034425 00000 п. 0000034537 00000 п. 0000161486 00000 н. 0000399432 00000 н. 0000399493 00000 н. 0000399595 00000 н. 0000399701 00000 н. 0000399817 00000 н. 0000399949 00000 н. 0000400075 00000 н. 0000400199 00000 п. 0000400367 00000 н. 0000400531 00000 н. 0000400681 00000 п. 0000400833 00000 н. 0000400983 00000 п. 0000401155 00000 н. 0000401275 00000 н. 0000401443 00000 н. 0000401567 00000 н. 0000401707 00000 н. 0000401895 00000 н. 0000402013 00000 н. 0000402129 00000 н. 0000402305 00000 н. 0000402415 00000 н. 0000402541 00000 н. 0000402737 00000 н. 0000402897 00000 н. 0000403027 00000 н. 0000403153 00000 п. 0000403322 00000 п. 0000403448 00000 н. 0000403624 00000 н. 0000403754 00000 н. 0000403900 00000 н. 0000404034 00000 н. 0000404168 00000 п. 0000404298 00000 н. 0000404418 00000 н. 0000404554 00000 н. 0000404716 00000 н. 0000404854 00000 н. 0000405034 00000 н. 0000405188 00000 п. 0000405320 00000 н. 0000405486 00000 н. 0000405628 00000 н. 0000405768 00000 н. 0000405924 00000 н. 0000406078 00000 н. 0000406242 00000 н. 0000406384 00000 п. 0000406584 00000 н. 0000406718 00000 н. 0000406860 00000 н. 0000406996 00000 н. 0000407170 00000 н. 0000407286 00000 н. 0000407446 00000 н. 0000407610 00000 п. 0000407752 00000 н. 0000407874 00000 н. 0000408032 00000 н. 0000408180 00000 п. 0000408326 00000 н. 0000408472 00000 н. 0000408614 00000 н. 0000408740 00000 н. 0000408852 00000 н. 0000408982 00000 п. 0000002356 00000 п. трейлер ] / Назад 2

2 >> startxref 0 %% EOF 2377 0 объект > поток h ޴ T {LSWa) + pvjGZ84PXucrWB «a: 7t96 / (874dq Ӛt $ k ‘= s.

ECE 449 — Лаборатория 7: Синхронизация генератора

Цели

1. Попрактиковаться в разработке эксперимента
2. Для получения V-образной кривой холостого хода синхронного двигателя

Теория

Ненагруженные синхронные двигатели используются параллельно с приемным концом линии передачи для улучшения регулирования линейного напряжения. Двигатель при правильном возбуждении поля может действовать как конденсатор на своей входной стороне и, таким образом, потреблять ведущий ток для компенсации запаздывающего тока, принимаемого индуктивной нагрузкой.V-образная кривая синхронного двигателя показывает соотношение между токами якоря в виде ординат и токами возбуждения в виде абсцисс, когда двигатель работает с постоянной потребляемой мощностью при номинальном напряжении на клеммах. Семейство V-образных кривых может быть получено для данного двигателя, соблюдая приведенные выше соотношения для ряда значений постоянной потребляемой мощности.

Входная мощность трехфазного синхронного двигателя равна P = 3 VIcosφ. , и если P поддерживается постоянным, а V, естественно, постоянным, потому что двигатель подключен к источнику питания, из этого следует, что для любой заданной V-образной кривой, если I изменяется, cos φ также должен измениться.Минимальная точка V-образной кривой соответствует условию единичного коэффициента мощности (pf). Двигатель выглядит как индуктивная нагрузка, если ток возбуждения меньше значения, соответствующего минимальной точке на V-образной кривой; и он проявляется как емкостная нагрузка для токов возбуждения выше этого.

Эквивалентная схема для каждой фазы показана на рис. 1 без учета сопротивления якоря. Ê _af — наведенная обратная ЭДС из-за магнитного потока, создаваемого током ротора I _f .Если насыщенностью пренебречь, тогда Ê _af пропорционален I _f . V _a — это приложенное напряжение на каждую фазу, обычно принимаемое за эталон. Угол Ê _af с V _a — это угол поворота δ. Другое выражение мощности, передаваемой двигателю: P = 3 (V _a Ê _af / X) sin (δ). На рис.2 показано, что при увеличении Ê _af (за счет увеличения тока возбуждения) и при постоянной мощности отрицательный угол коэффициента мощности увеличивается (менее отрицательный), затем становится равным нулю, а при дальнейшем увеличении тока возбуждения угол становится равным положительный, т.е. двигатель потребляет отрицательную добротность (подает добротность в сеть). Ê

Из рисунка выше и из того, что вы узнали в курсе преобразования энергии, должно быть ясно, что для постоянного P, заданного двигателю, ток якоря зависит от тока возбуждения.Когда двигатель потребляет реактивную мощность, коэффициент мощности отстает, а ток якоря велик (рис. 2.a). По мере увеличения тока возбуждения коэффициент мощности увеличивается, угол pf становится меньше (но все еще отрицательным), а ток якоря уменьшается. Для определенного тока возбуждения угол pf равен нулю, а ток якоря наименьший для определенного P. Увеличение тока возбуждения приведет к опережению pf, двигатель будет подавать Q, и ток якоря снова начнет увеличиваться.

Цель этого эксперимента — получить график зависимости тока якоря (ось y) от тока возбуждения (ось x).

Процедура

1. Используя двигатель-генератор мощностью 10 л.с. (DC-AC), который вы использовали в эксперименте по синхронизации генератора, спланируйте эксперимент, чтобы получить V-образную кривую для малонагруженной синхронной машины.
2. Ваша конструкция должна включать схему для измерения трехфазной мощности, подаваемой на двигатель переменного тока, с использованием имеющихся разъемов и оборудования.
3. Привод генератора постоянного тока с помощью синхронного двигателя, соединенного звездой. Организуйте измерение ватт, вольт и ампер на входе двигателя, тока возбуждения двигателя, а также V и I на выходе генератора постоянного тока.
4. Изучите характеристики двигателя, генератора постоянного тока и нагрузки, затем выберите несколько уровней входной мощности, до которых вы получите V-образные кривые.
5. Измените ток возбуждения синхронного двигателя и измерьте If и Ia. Наблюдайте, когда Ia становится минимальным, и снимите несколько показаний выше и ниже этого минимального значения.
6. Отключите питание двигателя и подключите резистивную нагрузку к генератору постоянного тока.
7. Измените входную мощность синхронного двигателя, изменив резистивную нагрузку и / или реостат возбуждения цепи возбуждения генератора постоянного тока.
8. Для каждой нагрузки измерьте входную мощность, входной ток, ток возбуждения двигателя, выходной постоянный ток и напряжение.

Принципиальная схема

Нарисуйте подробные электрические схемы.

Отчет

1. Постройте график зависимости тока линии от тока возбуждения для синхронного двигателя для случая холостого хода.
2. Что происходит с V-образной кривой при нагрузке на синхронный двигатель?
3. Объясните, как эту машину можно использовать для корректировки коэффициента мощности трехфазной отстающей нагрузки.
4. Обсудить методы пуска трехфазных синхронных двигателей.
5. Покажите с помощью векторов, почему коэффициент мощности на входе синхронного двигателя изменяется в зависимости от тока возбуждения.
6. Желательно установить синхронный двигатель для повышения коэффициента мощности асинхронного двигателя с нагрузкой 1500 киловатт со средним коэффициентом мощности 0,8 с запаздыванием. Если синхронный двигатель должен заменить часть нагрузки асинхронного двигателя и должен работать с опережающим коэффициентом мощности 0,7, то какое значение кВА синхронного двигателя требуется, чтобы довести коэффициент мощности полной нагрузки до 0,9 с запаздыванием? Какие асинхронные двигатели кВА заменяются на синхронные, если у замененных асинхронных двигателей средний коэффициент мощности равен 0.7 отстает?

[PDF] Глава 6. Синхронные машины

1 48550 Электроэнергетика Глава 6. Синхронные машины Темы для обсуждения: 1) Введение 2) Синхронный мак …

Глава 6. Синхронные машины Темы для обсуждения: 1) Введение

4) Модель эквивалентной схемы

2) Структуры синхронных машин

5) Работа в качестве генератора

3) Вращающееся магнитное поле

6) Характеристики двигателя

Введение Синхронная машина — это вращающаяся машина переменного тока, скорость которой в установившемся режиме пропорциональна частоте тока в ее якоре.Магнитное поле, создаваемое токами якоря, вращается с той же скоростью, что и поле, создаваемое током поля на роторе, который вращается с синхронной скоростью, и в результате получается постоянный крутящий момент. Синхронные машины обычно используются в качестве генераторов, особенно для крупных энергетических систем, таких как турбогенераторы и гидроэлектрические генераторы в электросети. Поскольку скорость ротора пропорциональна частоте возбуждения, синхронные двигатели могут использоваться в ситуациях, когда требуется привод с постоянной скоростью.Поскольку реактивная мощность, генерируемая синхронной машиной, может регулироваться путем управления величиной тока возбуждения ротора, ненагруженные синхронные машины также часто устанавливаются в энергосистемах исключительно для коррекции коэффициента мощности или для управления реактивным потоком в кВА. Такие машины, известные как синхронные конденсаторы, могут быть более экономичными при больших размерах, чем статические конденсаторы. Синхронные двигатели, особенно с роторами с постоянными магнитами, широко используются с источниками питания с силовой электронной системой переменного напряжения и частотой (VVVF) для приводов с регулируемой скоростью.Если возбуждение статора двигателя с постоянными магнитами регулируется положением его ротора таким образом, что поле статора всегда находится на 90o (электрическое) впереди ротора, характеристики двигателя могут быть очень близки к характеристикам обычных щеточных двигателей постоянного тока, что очень предпочтительно. для частотно-регулируемых приводов. Положение ротора можно определить с помощью датчиков положения ротора или рассчитать по наведенной ЭДС в обмотках статора. Поскольку для двигателей этого типа не требуются щетки, они известны как бесщеточные двигатели постоянного тока.

Синхронные машины

В этой главе мы сосредоточимся на обычных синхронных машинах, тогда как бесщеточные двигатели постоянного тока будут рассмотрены позже в отдельной главе.

Конструкции синхронных машин Статор и ротор Обмотка якоря обычной синхронной машины почти всегда находится на статоре и обычно представляет собой трехфазную обмотку. Обмотка возбуждения обычно находится на роторе и возбуждается постоянным током или постоянными магнитами.

Источник постоянного тока, необходимый для возбуждения

, обычно подается через генератор постоянного тока, известный как возбудитель, который часто устанавливается на том же валу, что и синхронная машина.Различные системы возбуждения с использованием возбудителя переменного тока и твердотельных выпрямителей используются с большими турбогенераторами. Существует два типа конструкций ротора: круглый или цилиндрический ротор и ротор с явнополюсным ротором, как схематично показано на диаграмме ниже. Как правило, конструкция с круглым ротором используется для высокоскоростных синхронных машин, таких как паротурбинные генераторы, в то время как конструкция с явным полюсом используется для низкоскоростных приложений, таких как гидроэлектрические генераторы. На рисунках ниже показаны статор и ротор гидроэлектрического генератора и ротор турбогенератора.

(а)

(б)

Схематическое изображение синхронных машин с (а) круглым или цилиндрическим ротором и (б) выступающими роторными структурами

2

Синхронные машины

3

Синхронные машины

Угол в Электрические и механические устройства. Рассмотрим синхронную машину с двумя магнитными полюсами.

Идеализированное радиальное

распределение плотности потока в воздушном зазоре синусоидально вдоль воздушного зазора. Когда ротор вращается на один оборот, индуцированная ЭДС, которая также является синусоидальной, изменяется в течение одного цикла, как показано на диаграмме ниже.Если мы измеряем положение ротора в физических или механических градусах или радианах, а фазовые углы плотности потока и ЭДС в электрических градусах или радианах, в этом случае мы готовы увидеть, что угол, измеренный в механических градусах или радианах, равен который измеряется в электрических градусах или радианах, то есть

θ = θm, где θ — угол в электрических градусах или радианах, а θm — механический угол.

4

Синхронные машины

B (θ) & e (ω t) B (θ) e (ω t)

B (θ) & e (ω t) B (θ) e (ω t)

0

π / 2

π π

3 π / 2

2π

2π

θm θ & ωt

0

π

π

2π

3π

2π 4π

θm θ & ωt

(a) (b) Распределение плотности потока в воздушном зазоре и наведенная ЭДС в фазной обмотке двухполюсной (a) и четырехполюсной (b) синхронной машины (b) Многие синхронные машины имеют более двух полюсов.В качестве конкретного примера рассмотрим четырехполюсную машину. Когда ротор вращается на один оборот (θm = 2π), наведенная ЭДС изменяется в течение двух циклов (θ = 4π), и, следовательно,

θ = 2θm В общем случае, если машина имеет P полюсов, соотношение между электрическими и механические единицы угла могут быть легко выведены как

θ =

P θ 2 м

Взяв производные с обеих сторон вышеприведенного уравнения, мы получаем

ω =

P ω 2 м

5

Синхронные машины

где ω — угловая частота ЭДС в электрических радианах в секунду, а ωm — угловая скорость ротора в механических радианах в секунду.Когда ω и ωm преобразуются в циклы в секунду или Гц и обороты в минуту соответственно, мы имеем

P n 2 60 120 fn = P f =

или

, где ω = 2πf, ωm = 2πn / 60 и n скорость ротора в об / мин. Видно, что частота наведенной ЭДС пропорциональна скорости вращения ротора. Распределенные трехфазные обмотки Статор синхронной машины состоит из многослойного сердечника из электротехнической стали и трехфазной обмотки. На рис. (А) ниже показана пластина статора синхронной машины, которая имеет ряд равномерно распределенных пазов.Катушки должны быть уложены в эти пазы и подключены таким образом, чтобы ток в каждой фазной обмотке создавал магнитное поле в воздушном зазоре вокруг периферии статора, как можно ближе к идеальному синусоидальному распределению. Рис. (B) — изображение катушки.

(a) (b) Фотографии (a) пластинки статора и (b) катушки синхронной машины Как показано ниже, эти катушки соединены в трехфазную обмотку. Каждая фаза способна создавать определенное количество магнитных полюсов (на диаграмме ниже четыре магнитных полюса генерируются фазной обмоткой).Обмотки трех фаз расположены равномерно по периферии статора и помечены в такой последовательности, что фаза a на 120o (электрическая) опережает фазу b и на 240o (электрическая) опережает фазу c. Отмечено, что на схемах выше в каждый паз уложены две стороны катушки. Этот тип обмотки известен как

6

Синхронные машины

двухслойная обмотка. В случае, когда в каждом пазу имеется только одна сторона катушки, обмотка называется однослойной обмоткой.

7

Синхронные машины

Вращающиеся магнитные поля Магнитное поле распределенной фазовой обмотки Распределение магнитного поля распределенной фазовой обмотки может быть получено путем сложения полей, генерируемых всеми катушками обмотки. На диаграмме ниже показаны профили mmf и напряженности поля одиночной катушки в однородном воздушном зазоре. Если предположить, что проницаемость железа бесконечна, по закону Ампера, mmf через каждый воздушный зазор будет Nia / 2, где N — количество витков катушки и, помимо прочего, ток в катушке.Распределение МДС вдоль воздушного зазора представляет собой прямоугольную волну. Из-за равномерного воздушного зазора пространственное распределение напряженности магнитного поля такое же, как у mmf. Аналитически можно показать, что фундаментальная составляющая является основной составляющей, когда квадратная волна mmf разложена в ряд Фурье, и ее можно записать как

Fa1 =

4 Ni a cosθ π 2

, где θ — угловое смещение от магнитной оси катушки. Когда распределения поля нескольких распределенных катушек объединены, результирующее распределение поля близко к синусоиде, как показано на диаграмме на следующей странице.Фундаментальный компонент результирующего mmf может быть получен путем сложения основных компонентов этих отдельных катушек, и его можно выразить как

8

Синхронные машины

9

Синхронные машины

Fa1 =

4 kp N ph i cosθ π P a

, где Nph — общее количество витков фазной обмотки, образованной этими катушками, kp известен как коэффициент распределения обмотки, который определяется как

kp =

Фундаментальный mmf распределенная обмотка Фундаментальный ммс сосредоточенной обмотки

и P — количество полюсов.В некоторых обмотках катушки с коротким шагом (расстояние между двумя сторонами катушки меньше, чем расстояние между двумя соседними магнитными полюсами) используются для устранения определенной гармоники, и основная составляющая результирующего mmf выражается как

Fa1 =

4 квт N ph i cosθ π P a

где kw = kdkp — коэффициент намотки, kd известен как коэффициент тангажа, который определяется как

kd =

Фундаментальный mmf обмотки с коротким шагом Фундаментальный mmf обмотки полный шаг обмотки

кВт / ч известно как эффективное число витков фазной обмотки.Пусть ia = I m cosωt, и мы имеем

4 квт N ph I m cos ωt cosθ π P = Fm cos ωt cosθ 4 квт N ph Fm = Im π P Fa 1 =

где

MMF распределенной фазовая обмотка зависит как от пространства, так и от времени. При построении графика в разные моменты времени, как показано ниже, мы видим, что это пульсирующая синусоида. Мы называем этот тип ММЖ пульсирующим ММЖ. Поскольку cos α cos β =

cos (α — β) + cos (α + β), приведенное выше выражение основной составляющей mmf 2

может быть далее записано как

Fm F cos (θ — ωt) + m cos (θ + ωt) 2 2 = F + + F−

Fa 1 =

10

Синхронные машины

Можно показать, что первый член в приведенном выше уравнении означает вращение mmf в направлении + θ и второй — вращающийся mmf в направлении -θ.То есть пульсирующий MMF можно разделить на два вращающихся MMF с одинаковыми величинами и противоположными направлениями вращения, как показано выше. Для машины с однородным воздушным зазором приведенный выше анализ также применим к напряженности магнитного поля и плотности потока в воздушном зазоре.

11

Синхронные машины

Магнитное поле трехфазных обмоток Как только мы получим выражение mmf для однофазной обмотки, нетрудно записать выражения mmf для трех однофазных обмоток, расположенных на расстоянии 120 ° (электрические) друг от друга, и возбуждаемые сбалансированными трехфазными токами:

Fm F cos (θ — ωt) + m cos (θ + ωt) 2 2 oo Fb1 = Fm cos (ωt — 120) cos (θ — 120) Fa 1 = Fm cos ωt cosθ =

Fm F cos (θ — ωt) + m cos (θ + ωt — 240 o) 2 2 o Fc1 = Fm cos (ωt — 240) cos (θ — 240 o) =

и

=

Fm F cos (θ — ωt) + m cos (θ + ωt — 480 o) 2 2

Следовательно, результирующая mmf, генерируемая трехфазной обмоткой, равна

F1 = Fa 1 + Fb1 + Fc1 =

cos ( θ + ωt) + cos (θ + ωt — 240o) + cos (θ + ωt — 480 o) = 0

Обратите внимание, что

F1 t = 0

0

3Fm cos (θ — ωt) 2

ω

t = 2πω

π / 2

π

Вращение mmf в направлении + θ

12

2π

θ

Синхронные машины

На приведенной выше диаграмме показано результирующее mmf F1 в два конкретных момента времени: t = 0 и t = π / 2ω.Нетрудно заметить, что F1 — это вращающийся МДС в направлении + θ θ (a → → b → → c) с постоянной величиной 3Fm / 2. Скорость этого вращающегося mmf может быть рассчитана как

ωf =

π 2 dθ = = ω dt π 2ω

рад / с (электрическая)

При выражении в механических радианах в секунду и оборотах в минуту скорость вращающийся mmf может быть выражен как

ωf = и

nf =

ω P2 60ω ​​f 2π

рад / с (механический)

=

120 f P

об / мин

соответственно.Опять же, для машины с однородным воздушным зазором приведенный выше анализ для mmf также действителен для напряженности магнитного поля и плотности магнитного потока в воздушном зазоре. Следовательно, скорость вращающегося магнитного поля пропорциональна частоте трехфазных токов возбуждения, которые генерируют поле. Сравнивая соотношение между скоростью ротора и частотой наведенной ЭДС в трехфазной обмотке, полученное ранее, мы можем обнаружить, что скорость ротора равна скорости вращающегося поля для данной частоты.Другими словами, ротор и вращающееся поле вращаются с одинаковой скоростью. Мы называем эту скорость синхронной скоростью и используем специальные символы ωsyn (механический рад / с) и nsyn (об / мин), чтобы обозначить ее. Вышеупомянутый аналитический вывод также может быть выполнен графически путем добавления векторов mmf трех фаз, как показано на диаграммах ниже. Когда ωt = 0, ток фазы a максимален, и вектор mmf с величиной Fm фазы a находится на магнитной оси фазы a, в то время как mmf фаз b и c имеют величину Fm / 2 и в противоположных направлениях. их магнитных осей, поскольку токи этих двух фаз равны −Im / 2.Следовательно, результирующее mmf F1 = 3Fm / 2 находится на магнитной оси фазы a. Когда ωt = π / 3, ic = −Im и ia = ib = Im / 2. Результирующий mmf F1 = 3Fm / 2 находится на оси фазы c, но в противоположном направлении. Аналогично, когда ωt = 2π / 3, ib = Im и ia = ic = −Im / 2. Следовательно, результирующий mmf F1 = 3Fm / 2 находится в положительном направлении магнитной оси фазы b. В общем, результирующий mmf имеет постоянную величину 3Fm / 2 и будет находиться в положительном направлении магнитной оси фазной обмотки, когда ток в этой фазной обмотке достигнет положительного максимума.Скорость вращающегося mmf равна угловой частоте в электрических рад / с.

13

Синхронные машины

14

Синхронные машины

В случае синхронного генератора три уравновешенных ЭДС с частотой f = Pn / 120 Гц индуцируются в трехфазных обмотках, когда ротор приводится в движение первичным движитель вращается со скоростью n. Если трехфазная цепь статора замкнута сбалансированной трехфазной электрической нагрузкой, сбалансированные трехфазные токи с частотой f будут течь в цепи статора, и эти токи будут генерировать вращающееся магнитное поле со скоростью nf = 120f / P = n.Когда обмотка статора трехфазного синхронного двигателя питается от сбалансированного трехфазного источника питания с частотой f, сбалансированные трехфазные токи в обмотке будут генерировать вращающееся магнитное поле со скоростью nf = 120f / P. Это вращающееся магнитное поле будет тянуть намагниченный ротор, который является важным магнитом, вращаться с той же скоростью n = nf. С другой стороны, этот вращающийся ротор также будет генерировать сбалансированные трехфазные ЭДС с частотой f в обмотке статора, которые будут уравновешиваться с приложенным напряжением на клеммах.Магнитное поле ротора Используя метод наложения на МДС катушек, которые образуют обмотку ротора, мы можем вывести, что распределения МДС и, следовательно, плотности потока в воздушном зазоре близки к синусоидальным волнам для синхронной машины с круглым ротором с равномерный воздушный зазор, как показано ниже.

15

Синхронные машины

В случае ротора с явнополюсным ротором, полюса ротора имеют такую ​​форму, чтобы результирующая ммс и плотность потока синусоидально распределялись в воздушном зазоре и, таким образом, индуцированная ЭДС в обмотках статора, связывающих это поток также будет синусоидальным.Возбуждение поля синхронной машины может быть обеспечено с помощью постоянных магнитов, что устраняет необходимость в источнике постоянного тока для возбуждения. Это может не только сэкономить энергию для магнитного возбуждения, но и значительно упростить конструкцию машины, что особенно удобно для небольших синхронных машин, поскольку это обеспечивает большую гибкость топологий машин. На приведенной ниже диаграмме показаны поперечные сечения двух синхронных машин с постоянными магнитами.

Модель фазовой эквивалентной электрической цепи На приведенной ниже схеме схематически показано поперечное сечение трехфазной двухполюсной синхронной машины с цилиндрическим ротором.Катушки aa ‘, bb’ и cc ‘представляют собой распределенные обмотки статора, создающие синусоидальные волны магнитной индукции и плотности потока, вращающиеся в воздушном зазоре. Контрольные направления для токов показаны точками и крестиками. Обмотка возбуждения ff ‘на роторе также представляет собой распределенную обмотку, которая создает синусоидальные волны магнитной индукции и магнитной индукции, центрированные на его магнитной оси и вращающиеся вместе с ротором. Уравнения электрической цепи для трех фазных обмоток статора могут быть записаны по закону напряжения Кирхгофа как

va = Ra ia +

dλa dt

16

Синхронные машины

Магнитная ось фазы b

Φ ca Φ aao

Φ ba Магнитная ось фазы c

Принципиальная схема трехфазной синхронной машины с цилиндрическим ротором

dλb dt dλc vc = Rc ic + dt vb = Rb ib +

где va, vb и vc — напряжения на обмотки, Ra, Rb и Rc — сопротивления обмоток, а λa, λb и λc — суммарные потокосцепления обмоток фаз a, b и c соответственно.Для симметричной трехфазной обмотки статора имеем

Ra = Rb = Rc Потоковые связи фазных обмоток a, b и c можно выразить через собственную и взаимную индуктивность следующим образом:

λa = λaa + λab + λac + λaf = Laa ia + Lab ib + Lac ic + Laf, если λb = λba + λbb + λbc + λbf = Lba ia + Lbb ib + Lbc ic + Lbf, если λc = λca + λcb + λcc + λcf = Lca ia + Lcb ib + Lcc ic + Lcf, если где

Laa = Lbb = Lcc = Laao + Lal Lab = Lba = Lac = Lca = — Laao 2 Laf = Lafm cosθ Lbf = Lafm cos (θ — 120 o)

17

Синхронные машины

Lcf = Lafm cos (θ — 240 o) для сбалансированной трехфазной машины, Laao = Φaao / ia, Lal = Φal / ia, Φaao — это поток, который связывает все три фазные обмотки, Φal — поток, который только связывает фазу обмотки и θ = ωt + θo.Когда обмотки статора возбуждаются сбалансированными трехфазными токами, мы имеем

ia + ib + ic = 0. Суммарная потокосцепление фазы обмотки может быть далее записано как

λa = (Laao + Lal) ia — Laao ib / 2 — Лаао ic / 2 + Лафми f cos (ωt + θo) = (Лаао + Лал) ia — Лаао (ib + ic) / 2 + Лафми f cos (ωt + θo) = (Лаао + Лал) ia + Лаао ia / 2 + Lafmi f cos (ωt + θo)

= (3 Laao 2 + Lal) ia + Lafmi f cos (ωt + θo)

= Ls ia + Lafmi f cos (ωt + θo) Аналогично можно записать

λb = Ls ib + Lafmi f cos (ωt + θo — 120 o)

и

λc = Ls ic + Lafmi f cos (ωt + θo — 240 o)

где Ls = 3Laao / 2 + Lal известная как синхронная индуктивность.Таким образом, трехфазные обмотки математически развязаны, и, следовательно, для сбалансированной трехфазной синхронной машины нам просто нужно решить уравнение цепи для одной фазы. Подставляя приведенное выше выражение потоковой связи в уравнение цепи фазы a, мы получаем

va = Ra ia + Ls

dia dλaf + dt dt

В установившемся режиме приведенное выше уравнение может быть выражено в терминах напряжения и тока. векторов как

Va = E a + (Ra + jωLs) I a = E a + (Ra + jX s) I a

X s = ωLs называется синхронным реактивным сопротивлением, а ωLafm I f 2π Ea = j = j fk w N ph Φ f = j 4.44 fk w N ph Φ f 2 2 — вектор наведенной ЭДС с учетом того, что Lafm I f = λafm = kw N ph Φ f, If — постоянный ток в

, где

— обмотка ротора, а Φf — магнитный поток ротора. в воздушном зазоре.

18

Синхронные машины

Следует отметить, что приведенное выше уравнение схемы было получено в предположении, что фазный ток протекает через положительный вывод, то есть опорное направление фазного тока было выбрано в предположении, что машина является двигателем.В случае генератора, где предполагается, что фазный ток вытекает из положительного вывода, уравнение схемы принимает следующий вид:

Va = E a — (Ra + jX s) I a

Следующие принципиальные схемы иллюстрируют по фазе схемы замещения синхронной машины с круглым ротором в двигательном и генераторном режимах соответственно.

jXs

Ra

Ea

jXs

Ia

Ra

Ea

Va

(a)

Ia

VA

(b) Эквивалентные схемы синхронной машины на фазу (a) генератор, и (b) опорные направления двигателя

Экспериментальное определение параметров цепи В модели эквивалентной схемы для каждой фазы, показанной выше, необходимо определить три параметра: сопротивление обмотки Ra, синхронное реактивное сопротивление Xs и наведенная ЭДС в фазной обмотке. Эа.Фазное сопротивление обмотки Ra может быть определено путем измерения сопротивления обмотки постоянному току с помощью вольт-амперного метода, в то время как синхронное реактивное сопротивление и наведенная ЭДС могут быть определены путем испытаний на обрыв цепи и короткое замыкание.

Тест на разрыв цепи Приведите синхронную машину в движение с синхронной скоростью, используя первичный двигатель, когда обмотки статора разомкнуты. Измените ток обмотки ротора и измерьте напряжение на клеммах обмотки статора. Взаимосвязь между напряжением на клеммах обмотки статора и током возбуждения ротора, полученным при испытании на обрыв цепи, известна как характеристика обрыва цепи синхронной машины.

19

Синхронные машины

Проверка короткого замыкания Уменьшите ток возбуждения до минимума, используя реостат возбуждения, а затем разомкните прерыватель цепи возбуждения. Замкните клеммы статора машины на три амперметра; Замкните выключатель цепи возбуждения; и увеличить ток возбуждения до значения, отмеченного при испытании на обрыв цепи, при котором напряжение на клеммах холостого хода равно номинальному напряжению, при сохранении синхронной скорости. Запишите три тока статора.(Это испытание следует проводить быстро, поскольку токи статора могут быть больше номинального значения).

При предположении, что синхронное реактивное сопротивление Xs и наведенная ЭДС Ea имеют одинаковые значения как при испытаниях на обрыв, так и на короткое замыкание, и что Xs >> Ra, мы имеем

Xs =

Обрыв цепи на фазное напряжение Короткое замыкание на фазный ток

Для некоторых машин ток короткого замыкания слишком велик, если машина работает с синхронной скоростью.В этом случае испытание на короткое замыкание может быть выполнено на пониженной скорости, например, на полусинхронной скорости nsyn / 2 или frated / 2. Поскольку Ea ∝ f, наведенная ЭДС при испытании на короткое замыкание уменьшается вдвое. Таким образом,

Xs

f номинальный / 2

1 Voc = 2 I sc f

f рейтинг

рейтинг

/2

Следовательно,

Xs

f рейтинг

= 2 × X s

f номинальная / 2

20

=

Voc I sc

f номинальная f номинальная / 2

Синхронные машины

Синхронная машина, работающая как генератор Электромагнитная мощность и крутящий момент Когда синхронная машина работает как генератор, для привода генератора требуется первичный двигатель.В установившемся режиме механический крутящий момент первичного двигателя должен уравновешиваться с электромагнитным крутящим моментом, создаваемым генератором, и крутящим моментом с механическими потерями из-за трения и ветра, или

Tpm = T + Tloss Умножение синхронной скорости на обе стороны крутящего момента Уравнение баланса мощности:

Ppm = Pem + Ploss

, где Ppm = Tpmωsyn — механическая мощность, подаваемая первичным двигателем, Pem = Tωsyn — электромагнитная мощность генератора, а Ploss = Tlossωsyn — механическая потеря мощности. системы.Электромагнитная мощность — это мощность, преобразующаяся в электрическую в трехфазных обмотках статора. То есть

Pem = Tω syn = 3E a I a cosϕ Ea Ia, где ϕEaIa — угол между векторами Ea и Ia.

jXs

Первичный двигатель

Ra

Ia

Tloss T Ea Generator

Tpm ωsyn

VA

Синхронная машина, работающая как генератор

Ea

Для больших синхронных генераторов сопротивление обмотки обычно очень велико. меньше, чем синхронное реактивное сопротивление, и, таким образом, уравнение для каждой фазы можно приблизительно записать как

jXs I a δ ϕ

Va

Ia

Va = E a — jX s I a Соответствующая векторная диаграмма показана на

21

Векторная диаграмма генератора

Синхронные машины

правая сторона.Из векторной диаграммы легко получить

E a sin δ = X s I a cosϕ. Если пренебречь сопротивлением фазной обмотки, выходная электрическая мощность равна электромагнитной мощности, или

Pem = Pout = 3Va I a cosϕ Следовательно ,

Pem =

3E aVa sinδ Xs

и

T =

Pem 3E aVa = sin δ ω syn ω syn X s

Зависимость электромагнитного момента от угла нагрузки

, где δ — угол между векторами напряжения и ЭДС, известного как угол нагрузки.Если пренебречь сопротивлением обмотки статора, δ можно также рассматривать как угол между вращающимися магнитными полями ротора и статора. Электромагнитный крутящий момент синхронной машины пропорционален синусоидальной функции угла нагрузки, как показано на диаграмме выше, где кривая в третьем квадранте соответствует ситуации, когда машина работает как двигатель, где электромагнитный крутящий момент равен отрицательный, потому что направление тока якоря обратное.

Регулировка напряжения Напряжение на клеммах при постоянном токе возбуждения зависит от тока якоря или тока нагрузки; то есть генератор имеет регулировку, которая становится более заметной по мере того, как цепь нагрузки становится более индуктивной и рабочий коэффициент мощности падает.Это регулирование определяется как

VR =

Va (NL) — Va (номинальное) Va (номинальное)

, где Va (NL) — величина напряжения на клеммах без нагрузки, а Va (номинальная) — величина номинальное напряжение на клеммах. Когда генератор выдает полную нагрузку, на требуемой клемме должно быть номинальное напряжение. Нормализованная разница между величинами напряжения холостого хода и напряжения полной нагрузки при номинальном напряжении определяется как регулировка напряжения. Это значение можно легко определить по векторной диаграмме для работы с полной нагрузкой.Если регулирование является чрезмерным, можно использовать автоматический контроль тока возбуждения для поддержания почти постоянного напряжения на клеммах при изменении нагрузки.

22

Синхронные машины

Синхронная машина, работающая как двигатель Электромагнитная мощность и крутящий момент Когда синхронная машина работает как двигатель для привода механической нагрузки в установившемся состоянии, механический крутящий момент двигателя должен уравновешивать момент нагрузки и крутящий момент с механическими потерями из-за трения и сопротивления воздуха, то есть

T = Tload + Tloss Умножая синхронную скорость на обе стороны уравнения крутящего момента, мы получаем уравнение баланса мощности как

Pem = Pload + Ploss, где Pem = Tωsyn Электромагнитная мощность двигателя, Pload = Tloadωsyn — это механическая мощность, передаваемая механической нагрузке, а Ploss = Tlossωsyn — потеря механической мощности в системе.Как и в случае с генератором, электромагнитная мощность — это количество энергии, преобразуемой из электрической в ​​механическую. То есть

Pem = 3E a I a cosϕ Ea Ia = Tω syn, где ϕEaIa — угол между векторами Ea и Ia.

jXs

мех. Нагрузка

Ra

Ia

ωsyn T Ea

Va

Двигатель

Tload Tloss

Синхронная машина, работающая как двигатель

VA

Когда сопротивление обмотки статора игнорируется, уравнение для каждой фазы может быть приблизительно записывается как

Va = E a + jX s I a Соответствующая векторная диаграмма показана справа.Из векторной диаграммы можно легко получить

jXs I a δ ϕ Ia Векторную диаграмму двигателя

Va sin δ = X s I a cosϕ Ea Ia

где ϕ E a I a = ϕ — δ

23

Ea

Синхронные машины

Следовательно,

Pem =

3E aVa sinδ Xs

и

T =

Pem 3E aVa = sin δ ω syn ω syn X s

, где δ — угол нагрузки .

Когда сопротивление обмотки статора

игнорируется, δ можно также рассматривать как угол между вращающимися магнитными полями ротора и статора.

Зависимость электромагнитного момента от угла нагрузки

В двигательном режиме поле статора находится впереди ротора.

Электромагнитный момент

синхронной машины пропорционален синусоидальной функции угла нагрузки, как показано на диаграмме выше, где кривая в третьем квадранте соответствует ситуации, когда машина работает как генератор, где электромагнитный момент отрицательный, потому что направление тока якоря меняется на противоположное.

Коэффициент мощности синхронного двигателя Предположим, что синхронный двигатель приводит в движение нагрузку с постоянным крутящим моментом.Активная мощность, преобразуемая машиной, является постоянной, независимо от значения тока возбуждения, поскольку скорость двигателя постоянна. Таким образом,

T =

3Va E a sin δ = постоянная ω syn X s

E a sinδ = постоянная

или и

Pem = 3Va I a cosϕ = постоянная I a cosϕ = постоянная

или

Используя приведенную ниже векторную диаграмму, мы анализируем изменение угла коэффициента мощности синхронного двигателя при изменении возбуждения поля ротора.Для небольшого тока возбуждения ротора наведенная ЭДС в обмотке статора также мала, как показано вектором Ea1. Это дает угол отставания коэффициента мощности ϕ1> 0. По мере увеличения тока возбуждения угол отставания коэффициента мощности уменьшается.

При определенном токе ротора вектор наведенной ЭДС Ea2 расположен перпендикулярно вектору напряжения на клеммах

, и, следовательно, вектор тока статора совмещен с напряжением на клеммах, то есть с нулевым углом коэффициента мощности ϕ2 = 0. Когда ротор ток

24

Синхронные машины

дополнительно увеличивается, ток статора опережает напряжение на клеммах или угол опережающего коэффициента мощности ϕ3

I a cosϕ Ia1 ϕ3

ϕ1

Ia2 δ1 δ2

Ea sinδ

Va δ3 jX s Ia1

jX s Ia3 jX s Ia2

Ia3 Ea1

Ea2

Ea3

Фазорная диаграмма синхронного двигателя в режиме пониженного возбуждения, единичного коэффициента мощности и избыточного возбуждения Для преобразования определенного количества активных электрическая энергия в механическую, требуется определенное количество магнитного потока.В случае запаздывающего коэффициента мощности ток возбуждения ротора настолько мал, что от источника питания статора требуется некоторая реактивная мощность, и, следовательно, ток статора отстает от напряжения на клеммах. Это состояние называется возбуждением. Когда тока возбуждения ротора достаточно для создания необходимого магнитного потока, получается единичный коэффициент мощности. Если ток возбуждения ротора больше необходимого, паразитная реактивная мощность должна быть передана в линии питания источника питания. Это состояние известно как чрезмерное возбуждение.На практике из-за этой особенности синхронные двигатели часто работают без активной нагрузки в качестве синхронных конденсаторов с целью коррекции коэффициента мощности.

Диаграмма

под векторной диаграммой схематически иллюстрирует компенсацию коэффициента мощности для индуктивной нагрузки, которая является обычной для заводов, использующих большие асинхронные двигатели с синхронным конденсатором.

Путем управления током возбуждения ротора таким образом, чтобы синхронный конденсатор

потреблял линейный ток с опережающим фазовым углом, мнимая составляющая которого составляла

25

Синхронные машины

составляла ток нагрузки, общий линейный ток имел бы минимальная мнимая составляющая.Следовательно, общий коэффициент мощности индуктивной нагрузки и синхронного конденсатора будет близок к единице, а величина общего линейного тока будет минимальной. Также можно видеть, что только когда коэффициент мощности равен единице или ток статора совмещен с напряжением на клеммах, величина тока статора минимальна. Построив график зависимости тока статора от тока возбуждения ротора, можно получить семейство V-образных кривых. Показано, что для работы большей активной нагрузки с единичным коэффициентом мощности требуется больший ток возбуждения ротора.

Трехфазный источник питания

Is

I load I cmp

Индуктивная нагрузка

Синхронный конденсатор Компенсация коэффициента мощности для индуктивной нагрузки с использованием синхронного конденсатора

26

Синхронные машины

Приводы синхронного двигателя Синхронный двигатель не может запуск в синхронном режиме, поскольку инерция и механическая нагрузка не позволяют ротору догнать вращающееся магнитное поле с синхронной скоростью. Обычно в ротор вставляют несколько медных или алюминиевых стержней, замкнутых накоротко концевыми кольцами, и запускают двигатель как асинхронный (принцип работы асинхронных двигателей обсуждается в другой главе).Когда скорость ротора близка к синхронной скорости, на ротор подается питание постоянного тока, и он будет догонять вращающееся магнитное поле или синхронизироваться с ним. Однако это не проблема для синхронных двигателей, управляемых силовым электронным инвертором, поскольку инвертор может увеличивать частоту возбуждения. Поскольку скорость ротора пропорциональна частоте возбуждения статора, скоростью синхронного двигателя можно управлять только путем изменения частоты статора. Распространенной стратегией управления скоростью является управление скоростью с переменным напряжением и частотой (VVVF), при котором соотношение между напряжением статора и частотой поддерживается постоянным.Ниже представлена ​​блок-схема привода синхронного двигателя с разомкнутым контуром. Для скоростей вращения ротора ниже номинальной используется стратегия VVVF, а максимальный крутящий момент, который может создать двигатель, является постоянным. Когда требуемая скорость ротора выше номинальной, напряжение статора ограничивается номинальным напряжением, а частота увеличивается. Затем максимальный крутящий момент уменьшается с увеличением скорости. Как показано кривыми крутящий момент-скорость на приведенной ниже диаграмме, моторный привод подходит для нагрузки с постоянным крутящим моментом, когда скорость ниже номинальной, и будет подходить для нагрузки с постоянной мощностью, когда скорость выше номинальной. .

27

Синхронные машины

ωr ωmax

ωrated

0

Tmax

T

Кривые скорости вращения синхронного двигателя с управлением VVVF

28

Синхронные машины

При управлении с обратной связью, возбуждением статора можно управлять в соответствии с положением ротора таким образом, чтобы магнитное поле статора было перпендикулярно полю ротора, и, следовательно, электромагнитный момент, создаваемый двигателем, всегда был максимальным при любых условиях нагрузки.Кривая крутящего момента двигателя в этом случае практически такая же, как у двигателя постоянного тока. Этот тип моторного привода известен как бесщеточные двигатели постоянного тока, которые будут рассмотрены в другой главе. На приведенных ниже схемах показан оптический датчик положения и блок-схема привода синхронного двигателя с обратной связью.

29

Синхронные машины

Упражнения 1. 6-полюсная синхронная машина с круглым ротором, 3-х фазная синхронная машина, соединенная звездой, имеет следующие результаты испытаний: Испытание на разрыв цепи: 4000 В между фазой при 1000 об / мин, ток ротора 50 А Испытание на короткое замыкание : 300 A при 500 об / мин 50 A ток ротора. Пренебрегая сопротивлением статора и потерями в сердечнике, предполагая линейную характеристику холостого хода, рассчитайте: (a) синхронное реактивное сопротивление машины при 50 Гц, (b) ток ротора, необходимый для машина для работы в качестве мотора на 0.8 коэффициент мощности, ведущий от линии питания 3,3 кВ к линии с выходной мощностью 1000 кВт, (c) ток ротора, необходимый для работы машины в качестве генератора на бесконечной шине 3,3 кВ между фазой при поставке 1500 кВА. при отставании коэффициента мощности 0,8, (d) угол нагрузки для (b) и (c), и нарисуйте векторную диаграмму для (b) и (c). Ответ: 7,7 Ом, 69,54 А, 76 А, 24,8 °, 27,4 ° 2. Для синхронного генератора мощностью 2500 кВА, 6600 В, подключенного по схеме «звезда», работающего при полной нагрузке, рассчитайте (а) регулирование напряжения в процентах при коэффициенте мощности 0.8 с запаздыванием, (b) регулировка напряжения в процентах при коэффициенте мощности 0,8 с опережением. Синхронное реактивное сопротивление и сопротивление якоря составляют 10,4 Ом и 0,071 Ом соответственно. Ответ: 44%, -20% 3. Определите частоту вращения ротора в об / мин следующих трехфазных синхронных машин: (a) f = 60 Гц, количество полюсов = 6, (b) f = 50 Гц, количество полюсов = 12, и (c) f = 400 Гц, количество полюсов = 4. Ответ: 1200 об / мин, 500 об / мин, 12000 об / мин 4. AY подключен 3 фазы 50 Гц 8-полюсный синхронный генератор переменного тока имеет индуцированный напряжение между линиями 4400 В при токе возбуждения ротора 10 А.Если этот генератор переменного тока должен генерировать напряжение 60 Гц, вычислите новую синхронную скорость и индуцированное напряжение для того же тока ротора, равного 10 А. Ответ: Enew = 5280 В, nsyn-new = 900 об / мин 5. 3 фазы Y подключены 6 Полюсный генератор переменного тока рассчитан на 10 кВА 220 В при 60 Гц. Синхронное реактивное сопротивление Xs = 3 Ом. Линия холостого хода и напряжение на клеммах нейтрали при 1000 об / мин следует кривой намагничивания, показанной ниже. Определите (а) номинальную скорость в об / мин, (б) ток возбуждения, необходимый для работы с полной нагрузкой при отставании коэффициента мощности 0,8.E (V) 11 38 70 102 131 156 178 193 206215 221 224 If (A) 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2

30

Синхронные машины

Ответ: nsyn = 1200 об / мин, If = 1.0 A 6. Генератор, о котором идет речь, 3 с номиналом 10 кВА, 220 В, 26,2 А, при 1200 об / мин. Определите угол крутящего момента и ток возбуждения для работы двигателя с единичным коэффициентом мощности при номинальной нагрузке. Ответ: угол крутящего момента = 32o, If = 0,75 A 7. Трехфазная индукционная печь потребляет 7,5 кВА при отставании коэффициента мощности 0,6.Доступен синхронный двигатель 10 кВА. Если общий коэффициент мощности комбинации должен быть равен единице, определите механическую нагрузку, которую может выдержать двигатель. Ответ: 8 кВт 8. Следующие данные взяты из характеристик разомкнутой цепи и короткого замыкания 45 кВА 3-фазной Y-подключенной 220 В (линия к линии) 6-полюсной синхронной машины 60 Гц: от характеристики разомкнутой цепи: Линия к линии напряжение = 220 В Ток возбуждения = 2,84 А из характеристики короткого замыкания: Ток якоря (А) 118152 Ток возбуждения (А) 2.20 2,84 от линии воздушного зазора: ток возбуждения = 2,20 A Напряжение между фазами = 202 В Рассчитайте ненасыщенное значение синхронного реактивного сопротивления и его значение насыщения при номинальном напряжении. Выразите синхронное реактивное сопротивление в Ом на фазу, а также в единицах номинала машины в качестве основы.