Синхронные машины. Конструкция, назначение, области применения.

Если в асинхронных машинах ротор имел частоту вращения, отличную от частоты вращения магнитного поля статора, то в синхронных эти частоты равны между собой.

Конструкция и назначение синхронных машин

Синхронной машиной называется электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора n находится в строгом соответствии с частотой сети f1: n = n1 = 60 f1 / p.

На статоре синхронной машины располагается трехфазная обмотка переменного тока, называемая обмоткой якоря, а на роторе располагается обмотка постоянного тока, называемая обмоткой возбуждения. Существует две основных разновидности исполнения обмоток возбуждения: распределенные и сосредоточенные. Распределенные обмотки применяются при неявнополюсной конструкции ротора (рис. 1). В каждом пазу располагается только одна сторона катушки. Поэтому такая обмотка является однослойной.

Неявнополюсная конструкция ротора

Рис. 1

Число катушек на полюсном делении равно qf. Они соединяются последовательно, образуя полное число витков обмотки возбуждения wf = pqfw_k, где w_k — число витков в катушке.

Неявнополюсную конструкцию ротора имеют быстроходные синхронные машины с 2p=2 и 2p=4. Частота вращения ротора таких машин при f1=50Гц соответственно равна 3000 и 1500 об/мин. Для получения необходимой механической прочности неявнополюсные роторы выполняются из массивной стальной поковки.

Явнополюсная конструкция ротора

Рис. 2

В машинах с 2p≥4 ротор имеет явнополюсную конструкцию (рис. 2). Обмотка возбуждения таких машин выполняется сосредоточенной в виде катушек (1) и размещается на сердечниках полюсов (2). Для закрепления катушек на полюсах используются полюсные наконечники (3). Все катушки соединяются последовательно, образуя полное число витков обмотки возбуждения wf = 2pw_k.

Для улучшения динамических свойств синхронной машины в полюсные наконечники помещают дополнительную короткозамкнутую обмотку (4), выполняемую аналогично короткозамкнутой обмотке асинхронной машины. Ее называют успокоительной или демпферной. Иногда роль демпферной обмотки выполняют массивные полюсные наконечники.

Область применения синхронных машин

Синхронные машины могут работать как генераторами, так и электродвигателями. Основная область применения синхронных машин — энергетика, где они используются в качестве генераторов электрической энергии. В зависимости от типа привода синхронные генераторы делятся на турбогенераторы, гидрогенераторы и дизельные генераторы.

Турбогенератор, например, — это генератор, приводимый в движение паровой турбиной, гидрогенератор вращает водяное колесо, а дизельгенератор механически связан с двигателем внутреннего сгорания.

Синхронные электродвигатели широко применяют для привода мощных компрессоров, насосов, вентиляторов. Синхронные микродвигатели используют для привода лентопротяжных механизмов регистрирующих приборов, магнитофонов и так далее.

конструкция, принцип действия, область применения.

Реакция якоря неявнополюсной синхронной машины)

Билет 1

1.  Синхронные машины – конструкция, принцип действия, область применения.

Синхронная машина – это электрическая машина, у которой в нормальном рабочем режиме, как на холостом ходу, так и под нагрузкой, скорость вращения ротора равна скорости вращения магнитного поля статора. , где f – частота сети, p – число пар полюсов.

Машина имеет 2 основных элемента:

·  Якорь

·  Индуктор

Индуктор – часть машины (может быть как подвижной, так и неподвижной ), в которой протекает постоянный ток, создающий основной постоянный магнитный поток, сцепленный с обмоткой. Индуктором также может быть та часть машины, на которой закреплены постоянные магниты. Обмотка индуктора, питаемая постоянным током, называется обмоткой возбуждения.

Якорь – та часть машины (подвижная или неподвижная), которая имеет обмотку (1-о фазную или 3-х – фазную), в которой протекает переменный ток и наводиться переменная  ЭДС.

Синхронная машина, у которой обмотка возбуждения находиться  на роторе (ротор является индуктором), а обмотка якоря находиться в неподвижной части, то машина называется машиной стандартного наполнения. Синхронная машина, у которой обмотка возбуждения расположена на неподвижной части – называется обращенной.

 

Понятие успокоительная (демпферная) обмотка вводится для синхронных машин в режиме генератора. В режиме двигателя вводится понятие пусковой обмотки.

На рисунке представлена явнополюсная машина, с явно выраженными полюсами и каждая пара полюсов имеет 2 катушки постоянного тока.

Ротор представляет собой сплошную бочку с пазами, в которые уложены катушки обмотки возбуждения.

Область применение и конструкция:

1). Неявнополюсные СМ

Выпускаются 2р=2. Оси конструктивно отличны: длина по стали ротора превышает диаметр ротора в 3…6 раз. Область применения: в приводах паровых турбин.

2). Явнополюсные СМ

2р=4 и выше. Область применения: ГЭС, ветроустановки, мини-ТЭЦ.

2.  Методы асинхронного пуска синхронного двигателя, особенности асинхронного момента синхронной машины.

Пуск с разрядным сопротивлением:

Пуск с наглухо подключенным возбудителем. По своей простоте приближается к пуску АД с короткозамкнутым ротором и поэтому находит все большее применение.

Обычно производится прямой асинхронный пуск СД путем включения на полное напряжение сети. При тяжелых условиях пуска производится реакторный или трансформаторный пуск при пониженным напряжении, как и у АД с короткозамкнутым ротором.

В общем случае асинхронный вращающий момент:

где М₁ – вращающий момент, М₂ – величина момента, созданного токами I₂.

Билет 2

1.  Системы возбуждения синхронных машин: электромашинные и на основе статических полупроводниковых выпрямителей, основные определения и характеристики (кратность форсировки, время развозбуждения и др. ).

Под системой возбуждения СМ понимается устройство, которое поставляет постоянный ток в обмотку возбуждения. Данное устройство должно по определенным законам регулировать величину постоянного тока обмотки возбуждения.

Обмотки возбуждения разделяют на:

·  Электромашинное возбуждение.

Используется в генераторах постоянного тока, причем сам генератор постоянного тока получает механическую мощность либо от той же турбины, что и синхронный генератор, либо от стороннего двигателя, либо от турбины.

·  Статическое полупроводниковое возбуждение.

Конструктивно собою представляет управляемый выпрямитель. Данный комплекс включает в себя связующий силовой трансформатор (либо сухой, либо масляный), который повышает напряжение с 10-20В до 400-600В.

Преимущества:

·  высокая надежность;

·  отсутствие вращающихся элементов;

·  высокая мягкость, плавность и скорость регулирования тока возбуждения в следствии наличия микроконтроллерной системы регулирования имеется возможность реализации математически сложных адаптивных  самоподстраивающихся систем регулирования постоянного тока.

2.  Качания синхронных машин: свободные и вынужденные колебания ротора – как отдельные вопросы динамической устойчивости.

При колебаниях или качаниях СМ ее ротор вращается неравномерно и скорость его колеблется с некоторой частотой около среднего значения.

В ряде случаев возникают весьма сильные колебания СМ, которые определенным образом нарушают их нормальную работу, а также работу энергосистемы в целом.

Вынужденные колебания СМ возникают в случаях, когда механический момент на валу непостоянен и содержит пульсирующие составляющие.

Чаще всего это бывает при соединении СМ с поршневыми машинами.

Для уменьшения вынужденных колебаний дизель-генераторы, а часто также двигатели поршневых компрессоров снабжаются маховиками.

Свободные колебания присущи самой природе СМ, т.к. она при параллельной работе с сетью или другими СМ представляют собой

Проект синхронной машины | Слайды Электротехника

Загрузить Проектирование синхронной машины и многое другое Слайды по электротехнике в формате PDF только на Docsity! Составление выходного уравнения синхронной машины Пусть Vph = фазное напряжение; Iph = фазный ток Zph = количество проводников на фазу; Tph = количество витков/фаз Ns = синхронная скорость в об/мин; ns = синхронная скорость в об/с p = количество полюсов; ac = удельная электрическая нагрузка Ф= поток/полюс воздушного зазора; Bav = средняя плотность потока Kw = коэффициент намотки; D = диаметр статора; L = общая длина сердечника Co = выходной коэффициент; 2 Выбор удельных нагрузок: Из выходного уравнения видно, что выбор более высокого значения удельных магнитных и электрических нагрузок приводит к снижению стоимости и габаритов машины.

Удельная магнитная нагрузка: Ниже приведены факторы, влияющие на производительность машины. (i) Потери в железе: высокое значение плотности потока в воздушном зазоре приводит к более высокому значению потока в железных частях машины, что приводит к увеличению потерь в железе и снижению эффективности. (ii) Напряжение: Когда машина рассчитана на более высокое напряжение, пространство, занимаемое изоляцией, становится больше, что приводит к уменьшению размера зубьев и, следовательно, следует использовать более низкое значение плотности зазора. (iii) Переходный ток короткого замыкания: высокое значение плотности промежутка приводит к уменьшению реактивного сопротивления рассеяния и, следовательно, к увеличению значения тока якоря в условиях короткого замыкания. (iv) Стабильность: максимальная выходная мощность машины в установившемся режиме обратно пропорциональна синхронному реактивному сопротивлению. Использование более высокого значения плотности потока приводит к меньшему числу витков на фазу в обмотке якоря. Это приводит к уменьшению значения реактивного сопротивления рассеяния и, следовательно, к увеличению значения мощности и, следовательно, к повышению устойчивости в установившемся режиме. (v) Параллельная работа: Удовлетворительная параллельная работа синхронных генераторов зависит от мощности синхронизации. Чем выше синхронизирующая мощность, тем выше будет способность машины работать синхронно. Синхронизирующая мощность обратно пропорциональна синхронному реактивному сопротивлению, и, следовательно, машины, спроектированные с более высокой плотностью потока в воздушном зазоре, будут иметь лучшую способность работать параллельно с другими машинами. Ниже приведены обычные предполагаемые значения Bav. Машина с цилиндрическим ротором: от 0,55 до 0,65 Вт/м2 Машина с явнополюсными полюсами: от 0,50 до 0,65 Вт/м2. Удельная электрическая нагрузка: Ниже приведены некоторые факторы, влияющие на выбор удельной электрической нагрузки. (i) Потери в меди: чем выше значение «ac», тем больше будет количество проводников якоря, что приводит к более высоким потерям в меди. Это приведет к более высокому повышению температуры и снижению эффективности. (ii) Напряжение: Для машин с низким напряжением можно использовать более высокое значение «ac», поскольку пространство, необходимое для изоляции, будет меньше. (iii) Синхронное реактивное сопротивление: высокое значение «ac» приводит к более высокому значению реактивного сопротивления рассеяния и реакции якоря и, следовательно, к более высокому значению синхронного реактивного сопротивления. Такие машины будут иметь плохое регулирование напряжения, более низкое значение тока в условиях короткого замыкания и низкое значение предела устойчивости в установившемся режиме и малое значение синхронизирующей мощности. С помощью приведенных выше соотношений D и L можно разделить. Однако, как только эти значения получены, диаметр машины должен удовлетворять предельному значению окружной скорости, чтобы ротор мог выдерживать создаваемые центробежные силы. Предельные значения окружных скоростей следующие: Конструкция полюса с болтовым креплением = 50 м/с Конструкция полюса типа «ласточкин хвост» = 80 м/с Стандартная конструкция = 30 м/с Турбогенераторы: Эти генераторы будут иметь большую скорость порядка 3000 об/мин.

Следовательно, диаметр машины будет меньше осевой длины. Таким образом, диаметр ротора ограничен с учетом допустимого предела окружной скорости. Следовательно, внутренний диаметр статора обычно рассчитывается на основе окружной скорости. Окружная скорость для этих генераторов должна быть ниже 175 м/с. Коэффициент короткого замыкания Он определяется как отношение тока возбуждения, необходимого для создания номинального напряжения в разомкнутой цепи. к требуемому току возбуждения. для циркуляции номинального тока при коротком замыкании. €S.C.C. (исэ против этого) окк (Э. V3!) На единицу тока (Sc) F er единичное напряжение (Eo) Объяснение На рис. показаны обрыв цепи и короткое замыкание. характеристики генератора. Согласно определению io, оа! СКВ = —} 08 | Треугольники OAR и OED подобны Поскольку |OAB = |OED jopa = |ОДЭ laop = {БПК сце, ОА АБ ОБ OY .O8 = ED~oD Длина воздушного зазора: Длина воздушного зазора является очень важным параметром, поскольку он сильно влияет на производительность машины. Воздушный зазор в синхронной машине влияет на величину SCR и, следовательно, на многие другие параметры. Следовательно, выбор длины воздушного зазора очень важен для синхронных машин. Ниже приведены преимущества и недостатки большего воздушного зазора. Преимущества: (i) Стабильность: Более высокое значение предела стабильности (ii) Регулирование: Меньшее значение собственного регулирования (iii) Мощность синхронизации: Более высокое значение мощности синхронизации (iv) Охлаждение: Лучшее охлаждение (v) Шум: Снижение шума (vi ) Магнитное притяжение: Меньшее значение неуравновешенного магнитного притяжения Недостатки: (i) Поле mmf: Требуется большее значение поля mmf (ii) Размер: больший диаметр и, следовательно, больший размер (iii) Магнитная утечка: Увеличенная магнитная утечка (iv) Вес медь: Более высокий вес меди в обмотке возбуждения (v) Стоимость: Увеличение по сравнению со всеми затратами. Приблизительное значение длины воздушного зазора можно выразить через шаг полюсов. Для генераторов с явными полюсами: lg = (0,012–0,016) x шаг полюсов Для турбогенераторов: lg = (0,02–0,026) x шаг полюсов Синхронные машины обычно проектируются с большей длиной воздушного зазора по сравнению с асинхронными двигателями. Оценка длины воздушного зазора: Длина воздушного зазора обычно оценивается на основе ампер-витков, необходимых для воздушного зазора. Требуемые ампер-витки якоря на полюс ATa = 1,35 Iph Tph Kw /p Где Tph = витки на фазу, Iph = фазный ток, Kw = коэффициент обмотки, p = пары полюсов, ампер-витки поля без нагрузки на полюс ATfo = SCR x ампер-витки якоря на полюс ATfo = SCR x Ata Ампер-витки, необходимые для воздушного зазора, будут примерно равны 80% ампер-витков поля без нагрузки на полюс. Mmf для воздушного зазора также равен 800000Bg кг lg 0,8 ATfo = 800000 Bg кг lg lg = 0,8 ATfo/800000 Bg кг Оборотов на фазу: Обороты на фазу можно рассчитать из уравнения ЭДС генератора переменного тока. ЭДС индукции Ep, = 4,44 f ® TypKw Отсюда число оборотов на фазу Tp, = Eph/4,441 ®K, Eon = ЭДС индукции на фазу Zon = количество проводников/фаз в статоре Tn = количество витков/фазу ky = коэффициент обмотки может приниматься равным 0,955 Сечение проводника: Ток на фазу = (кВА x 1000)/ 3* Eph Ток проводника Iz = Iph, когда все витки на фазу соединены последовательно. Но Iz = Iph/A, если на фазу приходится A параллельных путей. Площадь сечения проводника статора as = Is /δs, где δs — плотность тока в обмотках статора, а Is — ток статора по фазам. Принимая во внимание преимущества и недостатки, необходимо принять подходящее значение плотности тока. Преимущества более высокого значения плотности тока: (i) уменьшение поперечного сечения (ii) уменьшение веса (iii) снижение стоимости Недостатки более высокого значения плотности тока (i) увеличение сопротивления (ii) увеличение потерь меди (iii) повышение температуры (iv) снижение эффективности Следовательно, для низковольтных машин и небольших машин предполагается более высокое значение. Обычное значение плотности тока для обмоток статора составляет от 3 до 5 ампер/мм2. (iii) Высота полюса: Высота полюса определяется исходя из миллиметровой силы, которая должна быть обеспечена на полюсе обмоткой возбуждения при полной нагрузке. Следовательно, перед определением высоты столба необходимо определить МДС, которая должна быть обеспечена на опоре при полной нагрузке. Ампер-витки поля полной нагрузки, необходимые для полюса, можно рассчитать на основе ампер-витков якоря на полюс. Следовательно, можно предположить, что ампер-витки поля полной нагрузки на полюс в 1,7–2,0 раза превышают ампер-витки якоря на полюс. Ампер-витки якоря на полюс ATa = 1,35 Iph Tph Kw /p And ATfl = (от 1,7 до 2,0) ATa Высота полюса рассчитывается на основе высоты требуемой катушки и изоляции. Высота катушки возбуждения: If = ток в катушке возбуждения; af = площадь проводника возбуждения Tf = количество витков в катушке возбуждения; Rf = сопротивление катушки возбуждения lmt = длина среднего витка катушки возбуждения sf = коэффициент заполнения меди; hf = высота катушки возбуждения df = глубина катушки возбуждения pf = допустимые потери на м 2 охлаждающей поверхности катушки возбуждения ρ = удельное сопротивление меди qf = тепло, выделяемое на единицу объема Мощность, излучаемая катушкой возбуждения = внешняя площадь в см2 x Вт/см2 = Внешняя периферия катушки возбуждения x Высота катушки возбуждения x Вт/см2 Общие потери в катушке = (Если 2 x Rf) = (Если 2 x ρ x lmt x Tf / af) Всего площадь меди в катушке возбуждения = af x Tf = sf hf df Следовательно, af = sf df hf / Tf Таким образом, потери мощности на катушку = (If 2 xρ x lmt x Tf ) Tf / sf hf df = (If Tf) 2 x lmt / sf hf df Потери, рассеиваемые катушкой возбуждения = qf x поверхность охлаждения катушки возбуждения Обычно внутренняя и внешняя поверхности катушек эффективно рассеивают тепло. Отвод тепла от верхней и нижней поверхностей пренебрежимо мал. Поверхность охлаждения катушки возбуждения = 2 x lmt x hf Следовательно, потери, рассеиваемые катушкой возбуждения = 2 x lmt x hf x qf (iv) Площадь сечения проводника можно рассчитать следующим образом Сопротивление катушки возбуждения Rf = ρ x lmt x Tf / af = напряжение на катушке / катушке возбуждения Vc/ If = ρ x lmt x Tf / af Следовательно, af = ρ x lmt x If Tf / Vc (v) Ток возбуждения можно оценить, приняв подходящее значение плотности тока в обмотке возбуждения. Обычно значение плотности тока может быть принято от 3,5 до 4 ампер/мм2. Следовательно, If =δf x af (vi) Число витков в обмотке возбуждения Tf = ампер-витки возбуждения при полной нагрузке / ток возбуждения = ATfl/ If (vii) Высота обмотки возбуждения hf = ATfl x 10 -4/ √(sf df qf) (viii) Сопротивление обмотки возбуждения Rf = ρ x lmt x Tf / af (ix) Потери в меди в обмотке возбуждения = If2 x Rf Конструкция системы возбуждения: Генератор с неявнополюсными полюсами В случае турбогенераторов обмотки ротора или обмотки возбуждения распределяются в пазах ротора. Обычно 70% ротора имеют прорези, а оставшаяся часть не имеет прорезей, чтобы сформировать полюс.

Оптимизация магнитонасыщаемого внутреннего привода синхронной машины с постоянными магнитами

• Идентификатор корпуса: 29343701

  title={Оптимизация магнитонасыщаемого внутреннего привода синхронной машины с постоянными магнитами},
  автор = {Эдвард Карл Фрэнсис Лавлейс},
  год = {2000}
} 

• Э. Лавлейс
• Опубликовано в 2000 г.
• Машиностроение

Синхронные машины с внутренними постоянными магнитами (IPM) привлекательны, потому что они могут обеспечить работу с постоянной мощностью в широком диапазоне скоростей с ограниченными требованиями к силе магнита и снижение стоимости силовой электроники. Эти характеристики обеспечивают машина IPM с преимуществами перед альтернативными типами машин в применения, такие как шпиндельные и тяговые приводы. Важно Задача проектирования высокопроизводительных машин IPM состоит в том, чтобы смоделировать магнитное насыщение сердечника таким образом, что… 

View Paper

dspace.mit.edu

Проектирование и экспериментальная проверка внутренней синхронной машины с ПМ с прямым приводом с использованием насыщаемой модели с сосредоточенными параметрами

• E. Lovelace, T. Keim, P. Mccleer

• Engineering

  Запись конференции IEEE Industry Applications Conference 2002 года. 37th Annual Meeting IAS (Cat. No.02Ch47344)

• 2002

В этом документе представлена ​​конструкция и экспериментальная проверка синхронной машины с внутренними постоянными магнитами (IPM) мощностью 6 кВт, предназначенной для автомобильного стартера/генератора переменного тока с прямым приводом. В…

Критерии практического проектирования внутреннего синхронного двигателя с постоянными магнитами для встроенного стартера-генератора 42 В

• Bonho Bae, S. Sul

• Engineering

  IEEE International Electric Machines and Drives Conference, 2003. IEMDC’03.

• 2003

Для применения со встроенным стартер-генератором (ISG) 42 В синхронная машина с внутренними постоянными магнитами (IPM) была хорошим кандидатом из-за способности ослаблять поле, эффективности…

Применение магнитного материала с двумя состояниями в автомобильном стартере/генераторе переменного тока IPM

Был разработан новый магнитомягкий материал с двумя состояниями, у которого его обычно высокая магнитная проницаемость может быть постоянно снижена до магнитной проницаемости воздуха посредством термической обработки. В результате были локализованы…

Моделирование отклика привода машин с двумя обмотками на постоянных магнитах

В этой статье представлена ​​аналитическая модель, демонстрирующая работу трехфазной синхронной машины с двумя обмотками на постоянных магнитах. Помимо нормальных условий эксплуатации,…

Расчет насыщаемой индуктивности намагничивания по оси q синхронных двигателей с линейным пуском и постоянными магнитами с использованием режима сосредоточенных параметров

• L. Anh-Tuan, Bui Duc-Hung, Phung Anh-Tuan

• Engineering, Physics International

  IEEE 2016 Конференция по технологиям устойчивой энергетики (ICSET)

• 2016

Пуск двигателя вообще очень сложный период. Двигатели потребляют большой ток, в несколько раз превышающий нормальный ток полной нагрузки при первом включении. В начальном периоде линии…

Оптимальная конструкция и сравнение конфигураций обмотки статора синхронного реактивного генератора с постоянными магнитами

Представлена ​​конструкция высокоэффективных синхронных реактивных генераторов с постоянными магнитами (PMa-SynRG) для тактической бесшумной генераторной установки мощностью 3 кВт, оптимизированная для достижения минимума объем магнита, минимальный крутящий момент, максимальный КПД и максимальный коэффициент мощности.

Следующий документ, размещенный здесь, не является официально опубликованной версией 9 IEEE.0027

• Н.