Конструкция синхронной машины: Синхронные машины. Конструкция, назначение, области применения.

Содержание

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 wk — 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 = 2pwk.

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.

Устройство синхронной машины | Устройство и ремонт электрических машин

Страница 3 из 14

§ 36. УСТРОЙСТВО СИНХРОННОЙ МАШИНЫ, КОНСТРУКТИВНОЕ ИСПОЛНЕНИЕ ЕЕ ОСНОВНЫХ ДЕТАЛЕЙ И СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ
Синхронцые машины выполняют с роторами двух конструкций: с явновыраженными полюсами (явнополюсными) и с неявновыраженными (неявнополюсными).

Рис. 92. Устройство электрической машины с явнополюсным ротором:
1 — корпус, 2 и 3 — сердечник и обмотка статора, 4 — ротор,
— вентилятор, б — выводы  обмотки статора, 7 — контактные кольца, 8 — щетки, 9 — возбудитель
Устройство синхронной машины с явнополюсным ротором показано на рис. 92, а конструкция этого ротора и его деталей — на рис. 93. Станина (корпус) 1 синхронной машины

Рис. 93. Конструкция явнополюсного ротора и его деталей:
а — общий вид ротора, б — сердечник полюса ротора с успокоительной обмоткой, в — обмотка полюса; 1 — вал, 2 — контактные кольца, 3 — обод, 4 — полюс, 5 — обмотка возбуждения, б — заклепки, 7 — сегмент, замыкающий стержни успокоительной обмотки, 8 и 9 — наконечник и хвостовик полюса, 10 — катушка полюса, 11 — каркас обмотки полюса


Рис. 94. Схема возбуждения обмотки ротора синхронной машины:
1 — контактные кольца, 2 — ротор, 3 — статор, 4 — полюс,
5 — катушка полюса, 6 — возбудитель (машина постоянного тока), 7 — шунтовой регулятор, 8 — щетки
(рис. 92) отливается обычно из чугуна и служит для размещения в ней сердечника 2, в пазах которого  уложены катушки обмотки 3 статора. Сердечник представляет собой плотно спрессованный пакет изолированных штампованных листов электротехнической стали толщиной  0,35 — 0,5 мм с выштампованными в них вырезами, образующими в собранном пакете сердечника пазы, в которые уложена трехфазная обмотка ротора.
Явнополюсный ротор (рис. 93, а) состоит из вала i, на который насажен стальной обод 3 с закрепленными на нем полюсами 4 с обмоткой,5. Обмотки полюсов (катушки возбуждения) соединены последовательно, образуя роторную обмотку возбуждения синхронной машины. Концы обмотки возбуждения присоединяют к контактным кольцам 2, изолированным от вала втулками из стеклоткани или миканита. Каждый полюс явнополюсного ротора состоит из сердечника и обмотки.  Сердечник полюса (рис. 93,6) набирается обычно из листов конструкционной стали толщиной 1 — 2  мм, скрепляемых друг с другом стяжными стальными заклепками б, прочно стягивающими их в пакет.
В синхронных машинах с явнополюсным ротором в полюсных наконечниках 8 размещают стержни пусковой обмотки, выполненной из круглых прутков латуни. Пусковую обмотку называют также успокоительной или демпферной, так как она обеспечивает быстрое затухание колебаний ротора, возникающих при переходных -режимах работы синхронной машины.


Рис. 95. Синхронный генератор Сд-128-4:   

1, 3, 4, 18, 19 и 21 — вал, вентилятор, станина, подшипниковый 4щит, коробка выводов и рам, 2 и 8 — подшипники
20 — подшипник, вентилятор, станина, подъемное кольцо и коробка зажимов возбудителя, 14 — сердечник якоря возбудителя, 16 — коллектор, 17 — вал якоря, 22 и 23 — добавочный и главный полюсы возбудителя, 24 — жалюзи, 25 болт 4   заземления

Полюс хвостовиком 9 закрепляется в специальных пазах обода ротора. Катушка 10 полюса (рис. 93, в) намотана прямоугольным или круглым медным проводом. Провода обмотки полюса изолированы и намотаны на каркас 11 из изоляционного материала. Концы обмотки выведены в разные стороны для удобства присоединения их к концам обмоток соседних полюсов. Ротор помещен внутри статора, закрытого подшипниковыми щитами, установленными на торцах станины.
Для возбуждения синхронной машины необходимо питание обмотки ее ротора постоянным током. В зависимости от способа питания этой обмотки различают системы независимого возбуждения и самовозбуждения. При независимом возбуждении в качестве источника питания обмотки служит генератор постоянного тока (возбудитель), установленный на валу ротора синхронной машины. Схема возбуждения синхронной машины от генератора (машины постоянного тока) показана на рис. 94, а устройство синхронного генератора с возбудителем на валу — на рис. 95. При самовозбуждении обмотка возбуждения питается постоянным током от выводов статора через выпрямитель.
Синхронные машины применяют в качестве первичных двигателей, когда требуется стабильная частота вращения механизма, приводимого в движение от электропривода.

Синхронные машины | Учебные материалы

Синхронная машина отличается от устройства асинхронной машины конструкцией ротора и тем, что частоты вращения магнитного поля статора n0 и ротора n2 у синхронной машины одинаковы, то есть n0=n2.

Из-за равенства частот вращения n0 и n2 машина называется синхронной. Синхронные машины обладают свойством обратимости, то есть могут работать как генератором, так и двигателем.
Рис.22. Конструкция и электрическая схема синхронной машины с явно выраженными полюсами

В настоящее время большинство электрических станций оснащено трехфазными синхронными генераторами, которые приводятся во вращение паровыми или гидравлическими турбинами, а также двигателями внутреннего сгорания.

Синхронные двигатели применяются там, где требуется обеспечение постоянства частоты вращения, например, на компрессорных и нефтеперекачивающих станциях.

Синхронная машина состоит из неподвижного статора, аналогичного статору асинхронного двигателя и ротора, вращающегося внутри статора. Ротор представляет собой электромагнит постоянного тока, он имеет обмотку возбуждения, запитанную постоянным током от выпрямителя или от генератора постоянного тока, называемого возбудителем.

Одним из способов передачи энергии на обмотку возбуждения является использование контактных колец укрепленных на роторе и щеток, а также установка на роторе генератора постоянного тока (возбудителя). Роторы синхронных машин бывают с явно

выраженными и неявно выраженными полюсами.

Роторы с явно выраженными полюсами применяют в гидрогенераторах (тихоходных машинах). Для быстроходных машин (турбогенераторов) используют ротор с неявно выраженными полюсами.

В данном случае явно полюсная конструкция ротора неприменима из-за возможного разрушения в связи с большими центробежными силами.

На рисунке 22, а изображена схема синхронной машины с явно выраженными полюсами. На статоре расположена трехфазная обмотка, к которой в режиме двигателя подводится трехфазное напряжение, а в режиме генератора подключается трехфазный приемник.

Дальше >
Основы электротехники >

11. Гидрогенераторы, генераторы-двигатели и их системы возбуждения / КонсультантПлюс

11. Гидрогенераторы, генераторы-двигатели

и их системы возбуждения

11.1. Гидрогенераторы, генераторы-двигатели и их системы возбуждения разрабатываются на основе технических требований.

В технических требованиях предусматривается обеспечение автоматического управления, контроля режимных параметров и мониторинга состояния оборудования.

При разработке технических требований проводится поиск аналога и выявляется возможность использования для данного объекта освоенных или ранее разработанных электрических машин.

11.2. Электрические машины, системы возбуждения и вспомогательное оборудование проектируют с учетом обеспечения надежной работы гидроагрегата во всех режимах без вмешательства дежурного персонала.

11.3. Конструкция электрической машины, отдельных ее узлов и вспомогательные системы разрабатываются с учетом обеспечения пуска и останова гидроагрегата при отсутствии напряжения собственных нужд переменного тока.

11.4. Гидрогенераторы, генераторы-двигатели.

11.4.1. Номинальная мощность и вид конструктивного исполнения электрической машины принимаются исходя из типа и параметров гидромашины.

11.4.2. Гидрогенераторы и генераторы-двигатели проектируются как машины единичного производства в соответствии с государственным стандартом.

11.4.3. Синхронные машины разрабатываются, как правило, оптимальными по технико-экономическим показателям, габаритам, массе и коэффициенту полезного действия.

Отклонения от оптимальной конструкции синхронной машины (по величине махового момента, заброса оборотов, индуктивностей и т.п.) допускаются при соответствующем обосновании и получении дополнительного эффекта по гидроузлу.

11.4.4. При проектировании электростанции определяются следующие основные технические данные и параметры электрической машины:

а) тип и вид конструктивного исполнения;

б) номинальные параметры: мощность, коэффициент мощности, напряжение, частота вращения, коэффициент полезного действия;

в) маховой момент;

г) разгонная частота вращения;

д) реактансы;

е) масса;

ж) стоимость.

11.4.5. В качестве гидрогенераторов и генераторов-двигателей, как правило, применяются синхронные явнополюсные машины с вертикальным или горизонтальным валом.

На гидроузлах, где в период постоянной эксплуатации

происходят систематические значительные изменения напора

(H < (0,5 — 0,6) H ), следует рассматривать варианты

min max

электрической машины, позволяющие работу гидротурбины с частотой

вращения, отличающейся от номинальной (асинхронизированные,

многоскоростные с переключением количества полюсов и др.).

11.4.6. Выбор конструктивного исполнения вертикальной синхронной машины производится по частоте вращения и мощности гидроагрегата на основании следующих показателей: габариты агрегата, масса, коэффициент полезного действия и стоимость электрической машины.

Как правило, для гидроагрегатов с частотой вращения до 200 об./мин. и диаметром рабочего колеса гидромашины свыше 4,5 м применяется зонтичное исполнение с опорой подпятника на крышку гидромашины.

Для гидроагрегатов с частотой вращения более 200 об./мин. применяется подвесное исполнение с опорой подпятника на верхнюю крестовину.

В диапазоне частоты вращения от 150 до 333,3 об./мин. вид конструктивного исполнения электромашины рекомендуется выбирать на основании технико-экономического расчета.

Применение электромашины зонтичного исполнения с опорой подпятника на нижнюю крестовину обосновывается.

11.4.7. На малоагрегатных электростанциях (до четырех агрегатов) целесообразно рассматривать применение гидрогенераторов с отъемным остовом ротора с целью снижения грузоподъемности и количества кранов машинного зала.

11.4.8. Для уникальных по мощности или габаритам синхронных машин с целью повышения эксплуатационной надежности рассматривается целесообразность сборки активной стали статора «в кольцо» на месте их монтажа. Применение статоров, собираемых в «кольцо» на месте монтажа, обосновывается технико-экономическими расчетами с учетом увеличения сроков монтажа и стоимости мероприятий по обеспечению условий сборки.

11.4.9. Для повышения надежности работы подпятников применяются сегменты с эластичным металлопластмассовым покрытием. Контроль температуры в этом случае осуществляется на каждом сегменте.

11.4.10. Номинальное напряжение статора синхронной машины выбирается из ряда значений, определенных государственным стандартом: 0,4; 0,63; 3,15; 6,3; 10,5; 13,8; 15,75; 18,0; 20 кВ.

Значение напряжения в зависимости от мощности машины принимается по табл. 11.1.

Таблица 11.1

┌──────────┬──────┬───────┬───────┬────────┬─────────┬───────────┐

│Мощность, │5 — 10│10 — 25│25 — 50│50 — 150│150 — 500│600 и более│

│МВ x А │ │ │ │ │ │ │

├──────────┼──────┼───────┼───────┼────────┼─────────┼───────────┤

│Напряже- │3,15 -│6,3 — │10,5 — │13,8 — │15,75 — │18,0 — 20,0│

│ние, кВ │6,3 │10,5 │13,8 │15,75 │18,0 │ │

└──────────┴──────┴───────┴───────┴────────┴─────────┴───────────┘

Значение номинального напряжения принимается с учетом технико-экономических показателей всего тракта — от электрической машины до трансформатора.

11.4.11. Коэффициент мощности синхронной машины принимается по п. 10.1 «г» настоящих Рекомендаций.

11.4.12. Для обеспечения выдачи и потребления реактивной мощности предусматривается возможность работы синхронных машин (кроме капсульных) в режиме синхронных компенсаторов, а также в режимах выдачи активной мощности с потреблением реактивной мощности. Работа капсульных гидроагрегатов в режиме синхронного компенсатора (при свернутых лопастях рабочего колеса турбины) допускается при соответствующем обосновании.

11.4.13. Маховой момент (постоянная инерции) синхронной машины, как правило, определяется оптимальной (с точки зрения электрического и магнитного использования) конструкцией агрегата.

При наличии специальных требований, исходящих из условия обеспечения гарантий регулирования гидромашины и (или) условий обеспечения устойчивости электропередачи, минимально допустимая величина махового момента задается в соответствии с этими требованиями.

11.4.14. Повышение частоты вращения синхронной машины при сбросе номинальной нагрузки задается на основании расчетов гарантий регулирования (см. п. п. 4.2.8 и 4.2.10 настоящих Рекомендаций).

11.4.15. Реактансы синхронной машины, как правило, определяются конструкцией машины. При наличии специальных требований, исходящих из условий обеспечения устойчивости электропередачи или исключения процесса самовозбуждения при работе на холостую линию, индуктивные сопротивления задаются на основании расчетов, выполненных при проектировании схемы присоединения электростанции к энергосистеме.

11.4.16. Коэффициент полезного действия синхронной машины при номинальной нагрузке и номинальном коэффициенте мощности принимается не ниже значений, указанных в табл. 11.2.

Таблица 11.2

┌────────────────┬───────────────────────────────────────────────┐

│Диапазон номи- │ Диапазон частоты вращения, об./мин. │

│нальных мощно- ├───────────┬───────────┬───────────┬───────────┤

│стей, МВ x А │50 — 93,76 │100 — 187,5│ 200 — 300 │333,3 — 600│

├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤

│10 — 25 │95,9 — 96,6│96,0 — 96,7│95,8 — 96,4│96,1 — 96,3│

├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤

│25 — 50 │96,6 — 97,3│96,7 — 97,3│96,4 — 97,2│96,5 — 97,0│

├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤

│50 — 100 │97,3 — 98,0│98,0 — 98,2│97,2 — 97,7│97,0 — 97,6│

├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤

│100 — 250 │98,0 — 98,3│98,2 — 98,6│97,7 — 98,4│97,6 — 98,4│

├────────────────┼───────────┼───────────┼───────────┼───────────┤

│Свыше 250 │98,3 — 98,7│98,6 — 98,9│98,2 — 98,5│- │

└────────────────┴───────────┴───────────┴───────────┴───────────┘

11.4.17. В электрических машинах, как правило, применяется система косвенного воздушно-водяного охлаждения с замкнутым циклом охлаждения. Охлаждение воздуха обеспечивается водяными охладителями.

11.4.17.1. Рекомендуется, по согласованию с разработчиком, использовать отбор до 20% горячего воздуха для обогрева машинного зала электростанции. При отборе более 15% горячего воздуха устанавливаются пылеулавливающие фильтры на входе воздуха в стакан генератора.

11.4.17.2. Как правило, применяется система самовентиляции, где вентилятором служит ротор.

Допускается применение принудительной системы воздушного или водяного охлаждения в капсульных генераторах, а также в электрических машинах мощностью более 500 МВт. Целесообразность применения системы непосредственного водяного охлаждения обмоток статора, ротора и других активных частей обосновывается.

11.4.17.3. На электростанциях, имеющих синхронные машины с непосредственным водяным охлаждением активных частей, предусматриваются установка для приготовления обессоленной воды и трубопроводы для ее подачи к агрегатам. Выбор оборудования этой установки и требования к качеству обессоленной воды определяются поставщиком электрической машины.

11.4.18. Гидрогенераторы вертикального исполнения проектируют с системой механического торможения вращающихся частей гидроагрегата.

Для агрегатов с большими маховыми массами вращающихся частей (с механической постоянной времени более 8 с), а также работающих в остропиковом режиме и генераторов-двигателей рекомендуется применять систему электрического торможения, основанную на методе короткого замыкания.

При применении системы электрического торможения механическая система используется для исключения длительного вращения ротора на малых оборотах, для подъема ротора на тормозах, а также в качестве резервной для торможения при коротких замыканиях внутри синхронной машины.

11.4.19. Способы пуска генераторов-двигателей в двигательный режим выбираются в зависимости от мощности агрегата, эксплуатационной надежности и степени влияния режима пуска на энергосистему.

Как правило, пуск в двигательный режим генератора-двигателя осуществляется с помощью статического преобразователя частоты.

Для агрегатов мощностью до 100 МВт рекомендуется рассматривать другие способы пуска, в том числе — прямой асинхронный.

11.5. Системы возбуждения.

11.5.1. Система возбуждения обеспечивает возбуждение синхронной машины во всех нормальных и аварийных режимах, предусмотренных техническими условиями (заданием) на синхронную машину.

11.5.2. Система возбуждения вновь проектируемых синхронных машин разрабатывается на номинальный ток и номинальное напряжение, превышающие на 10% расчетные значения номинального тока и номинального напряжения ротора синхронной машины.

11.5.3. Системы возбуждения, предназначенные для замены физически и морально устаревших возбудителей на действующих электростанциях, допускается разрабатывать на параметры, соответствующие реальным параметрам возбуждения синхронной машины без 10%-ного запаса.

11.5.4. Кратность форсировки по напряжению системы возбуждения, влияющая на устойчивость параллельной работы синхронной машины в энергосистеме, задается на основании указаний п. 10.1 «е» настоящих Рекомендаций.

Как правило, при установленной мощности электростанции до 800 МВт и единичной мощности агрегата до 150 МВт кратность форсировки по напряжению принимается равной 2,5.

В случае, если по условиям динамической устойчивости требуется кратность форсировки 3 и более, проводится сопоставление вариантов исполнения новой системы возбуждения и других способов повышения динамической устойчивости (отключение агрегатов, электрическое торможение и т.п.) и рассматривается возможность снижения величины кратности форсировки относительно требуемой.

11.5.5. Система возбуждения двигателей-генераторов обеспечивает регулируемое возбуждение в процессе пуска в двигательный режим и в процессе электрического торможения агрегата при останове.

11.5.6. Для гидрогенераторов, оснащенных устройством электрического торможения при остановах по п. 11.4.18 настоящих Рекомендаций, разрабатывается схема возбуждения в режиме торможения.

11.5.7. Для всех гидрогенераторов и генераторов-двигателей применяются статические тиристорные системы возбуждения, как правило, по схеме параллельного самовозбуждения (питание тиристорных преобразователей от главных выводов синхронной машины через выпрямительный трансформатор).

Для уникальных по мощности генераторов, а также для гидрогенераторов ГЭС, занимающих определяющее место в энергосистеме, допускается применение тиристорной системы по схеме независимого возбуждения (питание тиристорных преобразователей от вспомогательного генератора на валу главного).

Для возбуждения вспомогательных генераторов применяются тиристорные системы по схеме параллельного самовозбуждения.

11.5.8. Выпрямительный трансформатор может присоединяться к выводам:

гидрогенератора до и после генераторного выключателя;

генератора-двигателя, как правило, после генераторного выключателя.

В случае присоединения выпрямительного трансформатора до генераторного выключателя система возбуждения оснащается коммутационным аппаратом для обеспечения питания от собственных нужд ГЭС в процессе электрического торможения гидроагрегата при останове.

В случае присоединения выпрямительного трансформатора за генераторным выключателем в силовых цепях системы возбуждения предусматриваются устройства (накладки, разъединители) для обеспечения снятия напряжения при производстве ремонтных работ на остановленном агрегате.

11.5.9. Системы возбуждения, как правило, выполняются одногрупповыми. Тиристорный преобразователь может состоять из одного или нескольких силовых мостов с параллельным соединением их на стороне постоянного и переменного тока.

11.5.10. При кратности форсировки возбуждения 3,5 и более допускается применять двухгрупповую систему возбуждения (с рабочей и форсировочной группами преобразователей).

11.5.11. Система возбуждения гидрогенераторов, как правило, выбирается из серии комплектных унифицированных систем возбуждения, содержащих полный комплект оборудования и аппаратуры, включая устройства и аппаратуру управления, защиты, сигнализации и измерения.

11.5.12. Для гидрогенераторов мощностью до 50 МВт допускается применять упрощенную одногрупповую систему возбуждения с регулятором возбуждения пропорционального действия, имеющим ограничитель минимального и максимального токов ротора.

11.5.13. Выпрямительные трансформаторы, предназначенные для питания тиристорных преобразователей, как правило, выполняются трехфазными сухими, с естественным воздушным охлаждением. Допускается применение трансформаторов типовой мощностью 6000 кВ x А и более с принудительным охлаждением.

11.5.14. Системы возбуждения на номинальный ток до 2500 А комплектуются тиристорными преобразователями с естественным воздушным охлаждением тиристоров.

Системы возбуждения на номинальный ток более 2500 А допускается комплектовать тиристорными преобразователями с принудительным охлаждением.

11.5.15. Системы охлаждения тиристорных преобразователей имеют 100%-ный резерв по числу насосов или вентиляторов (не менее двух насосов или вентиляторов).

Допустимая продолжительность работы системы возбуждения при полном прекращении потока охлаждающего агента принимается не менее времени действия резервных защит.

11.5.16. Системы возбуждения синхронных машин с непосредственным охлаждением обмоток статора водой в случае применения тиристорных преобразователей с водяным охлаждением могут использовать общую с генератором систему водоподготовки, включая теплообменники и ионообменные фильтры.

11.5.17. В качестве контрольно-измерительной аппаратуры в цепи постоянного тока применяются измерительные преобразователи.

11.5.18. На электростанции предусматривается возможность наладки и испытаний системы самовозбуждения, а также снятия характеристик короткого замыкания и холостого хода синхронной машины, при этом указываются источник питания (шины генераторного напряжения, шины собственных нужд), место и средства подключения системы возбуждения к источнику питания.

Устройство, принцип действия и конструкция синхронного генератора, режимы работы

Синхронным генератором (СГ) называют устройство, выполняющее функцию трансформации механической энергии в электрическую. Принцип работы и устройство синхронного генератора достаточно просты и надежны. Такое энергетическое оборудование востребовано для использования в мобильных авторемонтных мастерских, для ремонта и обслуживания станков-качалок, спецмашин нефтегазовой отрасли, на ГЭС, ТЭС, АЭС, в транспортных системах.

Основные конструктивные элементы

Основные части синхронного генератора: неподвижная — статор, вращающаяся — ротор, представляющая собой электромагнит, и две основные обмотки.
  1. Одна обмотка статора («обмотка возбуждения») запитывается от источника постоянного тока, функцию которого выполняет электронный регулятор напряжения. Регулятор используется в генераторах с самовозбуждением. Принцип самовозбуждения основан на том, что первоначальное возбуждение осуществляется с использованием остаточного магнетизма магнитопровода СГ. При этом энергия переменного тока поступает от обмотки статора СГ. Комплекс из понижающего трансформатора и полупроводникового выпрямителя-преобразователя трансформирует ее в энергию постоянного тока.
  2. Ток, протекающий в обмотке возбуждения статора, наводит ЭДС на обмотке возбуждения якоря генератора. Статор возбудителя, как конструкционный элемент может отсутствовать, и тогда его функции выполняют постоянные магниты.
  3. Обмотка ротора, в которой индуцируется ЭДС, называется обмоткой возбуждения якоря, или якорем возбудителя.
  4. Переменное напряжение, возникающее на обмотке якоря возбудителя, выпрямляется в блоке вращающихся диодов, которые так же называются словосочетанием «диодный мост», и превращает силовую обмотку ротора во вращающийся электромагнит, который наводит ЭДС в силовой обмотке статора СГ.
  5. Силовые обмотки и обмотки возбуждения монтируются в пазы якоря и ротора.
  6. Генераторы по типу выходного напряжения делятся на одно-, или трехфазные. Основное распространение в промышленности имеют трехфазные синхронные генераторы, а в быту — однофазные.

В конструкцию статора входит корпус, внутри которого расположен сердечник, или пакет, собираемый из листов электротехнической стали особой формы. На качество электрического тока влияют такие факторы как: цельность листов в пакете (бывают цельными или составными), качество и материал обмотки. Для обмотки применяется медный эмаль-провод, а в дешевых устройствах возможна замена меди на алюминий.

Роторы изготавливаются явнополюсными или неявнополюсными.

  • Явнополюсные роторы предназначены для синхронных генераторов, работающих с двигателями внутреннего сгорания с низкой частотой вращения — 1500 и 3000 об/мин.
  • Неявнополюсные роторы востребованы в высокоскоростных (более 3000 об/мин) механизмах переменного электрического тока высокой мощности. Обычно их размещают на одном валу с паровыми турбинами. Такие СГ называют «турбогенераторы».

Определение скорости вращения

Понятие «синхронный» означает, что число оборотов находится в прямой математической зависимости от частоты тока. Эта зависимость определяется по формуле n = 60*f/p, где:

  • n — скорость вращения, об/мин;
  • f — частота, в бытовой электрической сети она равна 50 Гц;
  • p — количество пар полюсов.

Принцип работы СГ

Принцип действия машины в режиме синхронного генератора:

  1. При пропускании через обмотку возбуждения постоянного тока образуется стабильное во времени магнитное поле с чередующейся полярностью.
  2. При вращении магнитного поля относительно проводников обмотки якоря возбуждаются переменные ЭДС.
  3. Переменные ЭДС суммируются, образуя ЭДС фаз. Трехфазная система образуется тремя одинаковыми обмотками, размещаемыми на якоре под электрическим углом друг к другу, равным 120°.

В случаях, если централизованное электроснабжение имеет недостаточную мощность или отсутствует, как, например, на удаленных стройплощадках, нефтегазодобывающих объектах, морских и воздушных судах, СГ в составе с двигателем внутреннего сгорания функционируют в автономном режиме. При необходимости создания мощных источников питания синхронные двигатели включают на параллельную работу. Такой способ включения позволяет более полно использовать мощность каждой машины и при необходимости выводить отдельные СГ в ремонт без прекращения эффективного электроснабжения потребителей.

Второй режим работы синхронной машины — выполнение функций электродвигателя. Обычно СГ востребован в качестве двигателя в высокомощных установках более 50 кВт. Для работы в режиме электродвигателя обмотку статора подключают к электросети, а обмотку ротора — к источнику постоянного тока. Вращающий момент возникает при взаимодействии вращающегося магнитного поля СГ с постоянным током обмотки возбуждения.

65. Синхронные машины: назначение, устройство, области применения.

Отличительная особенность синхронной машины заключается в том, что скорость вращения ее ротора равна скорости вращения магнитного поля статора и сохраняется постоянной независимо от нагрузки. Это достигается тем, что ротор синхронной машины представляет собой электромагнит или постоянный магнит с числом пар полюсов, равным числу пар полюсов вращающегося магнитного поля. Взаимодействие данных полюсов обеспечивает постоянную угловую скорость вращения ротора независимо от момента на валу.

Область применения синхронных машин — использование их в качестве промышленных генераторов для выработки электрической энергии на электростанциях. Применяются и в качестве двигателей, но не так широко как генераторы. Синхронные двигатели имеют постоянную частоту вращения, поэтому используются там, где нет необходимости в регулировании частоты или, где необходимо обеспечить ее постоянство. Двигатели большой мощности применяют на металлургических заводах, в шахтах и т.д. Специальные синхронные микродвигатели используются в автоматике, звукозаписи, в самопищущих приборах и других случаях. Работа синхронной машины в режиме ненагруженного двигателя соответствует работе синхронного компенсатора, который используется для увеличения коэффициента мощности электромеханических установок, компенсируя индуктивную мощность. Конструкция всех машин одинакова.

Статор (якорь) — неподвижная часть, устроен подобно статору асинхронной машины. В пазах статора располагается трехфазная распределенная обмотка. Обычно обмотку статора соединяют звездой. Сердечник статора набран из листов стали. Ротор синхронной машины представляет собой электромагнит, возбуждаемый постоянным током Iв. Создаваемый этим током магнитный поток вращается с неизменной частотой. Концы обмотки возбуждения ротора выводят к двум контактным кольцам на валу. К ним прижимаются щетки, к которым присоединяется источник питания обмотки возбуждения. Электромагнит представляет собой сердечник с обмоткой возбуждения. Мощность для питания обмотки возбуждения составляет 1-3% от всей мощности машины.

 

 

 

Как работают синхронные машины?

Опубликовано:

16.10.2020

Магнитное поле в синхронной машине создается постоянным током, протекающим по обмотке возбуждения. Потребность в ис­точнике постоянного тока для питания обмотки возбуждения – очень существенный недостаток синхронных машин.

Схема синхронного генератора.

Обычно обмотки возбуждения получают энергию от генератора постоянного тока параллельного возбуждения (возбудите­ля), находящегося на одном валу с основной машиной.

Его мощность составляет 1-5% мощности синхронной машины. При небольшой мощности широко используются схемы питания обмоток возбуждения синхронных машин из сети переменного тока через выпрямители.

Принцип действия синхронного генерато­ра основан на использовании закона элек­тромагнитной индукции. На рис. 1 пока­зана простейшая трехфазная обмотка, со­стоящая из трех катушек, сдвинутых на 120° и помещенная на роторе (якоре).

Рисунок 1. Принцип действия синхронного генератора.

Ка­тушки соединяют между собой в звезду или треугольник и подключают к трем контакт­ным кольцам, на которых помещают неподвижные щетки. В катушках при вращении якоря индуктируются переменные во времени ЭДС, равные по амплитуде и сдвинутые по фазе на 2/3.

Современные синхронные генераторы изготавливают на линей­ное напряжение до 16000 В (иногда и выше), изоляция контактных колец и щеток которых представляет собой большую сложность. Основной недостаток такой конструкции – наличие скользящего контакта в цепи основной мощности машины. Для его исключения обмотку якоря, т. е. индуктируемую часть, помещают на статоре, а полюсную систему с обмоткой возбуждения – на роторе машины.

Обмотка возбуждения получает питание через контактные коль­ца. В этом случае скользящий контакт находится в цепи малой мощности и напряжение в цепи обмотки возбуждения относительно невелико (не более 500 В).

Статор синхронной машины имеет такое же устройство, как и статор асинхронной машины.

В зависимости от устройства ротора, различают две конструкции синхронных машин:

Рисунок 2. Схема устройства ротора с явновыраженными (а) и неявновыраженными (б) полюсами.

  • с явновыраженными полюсами;
  • с неявновыраженными полюсами.

В машинах с относительно малой частотой вращения роторы выполняют с явновыраженными полюсами. На роторе (рис. 2 а) равномерно помещают явновыраженные полюсы, состоящие из по­люсного сердечника 1, на котором расположена катушка обмотки возбуждения 3, удерживаемая полюсным наконечником 2. Такое устройство ротора облегчает выполнение обмотки возбуждения, но при большой частоте вращения не может быть использовано, так как не обеспечивает нужной механической прочности.

Поэтому при большой частоте вращения роторы выполняют с неявновыраженными полюсами (рис. 2 б). Такой ротор изго­тавливают в виде цилиндра, на части поверхности которого имеются пазы. В пазах укладывают проводники обмотки возбуждения, за­тем пазы заклинивают и лобовые соединения обмотки возбуждения стягивают стальными бандажами.

В зависимости от рода первичного двигателя, которым приво­дится во вращение синхронный генератор, последний называют гидрогенератором (первичный двигатель – гидравлическая турби­на), турбогенератором (первичный двигатель – паровая турбина) и дизель-генератором (первичный двигатель – дизель).

Конструктивная схема синхронной машины с неподвижным и вращающимся якорем.

Гидрогене­раторы – обычно тихоходные явнополюсные машины с большим числом полюсов, выполняемые с вертикальным расположением вала. Турбогенераторы – быстроходные неявнополюсные машины, выполняемые в настоящее время с двумя полюсами. Ротор современного турбогенератора делают из цельной стальной поковки. На части поверхности ротора выфрезованы пазы для размещения обмотки возбуждения. Дизель-генераторы – явнополюсные машины с горизонтальным расположением вала.

Синхронные машины небольшой мощности (до 15 кВА) и не­высокого напряжения (до 380/220 В) изготавливают с неподвижной полюсной системой и вращающимся якорем (подобно машинам постоянного тока). Синхронный двигатель не имеет принципиаль­ных конструктивных отличий от синхронного генератора. На стато­ре двигателя помещают трехфазную обмотку, при включении кото­рой в сеть трехфазного переменного тока создается вращающееся магнитное поле. На роторе двигателя размещают обмотку возбуж­дения, включаемую в сеть источника постоянного тока.

Ток возбуж­дения создает магнитный поток полюсов. Вращающееся магнитное поле токов обмотки статора увлекает за собой полюсы ротора. При этом ротор может вращаться только с синхронной частотой, т. е. с частотой, равной частоте вращения поля статора. Таким образом, частота синхронного двигателя строго постоянна, если неизменна частота тока питающей сети.

Основное достоинство синхронных двигателей – возможность их работы с потреблением опережающего тока, т. е. двигатель мо­жет представлять собой емкостную нагрузку для сети. Такой дви­гатель повышает cos всего предприятия, компенсируя реактив­ную мощность других приемников энергии.

Синхронные двигатели имеют меньшую, чем у асинхронных, чувствительность к изменению напряжения питающей сети, вра­щающий момент у синхронных двигателей пропорционален напря­жению сети в первой степени, тогда как у асинхронных — квадрату напряжения.

Синхронные машины Конструкция синхронных машин

Синхронная машина состоит из статора и ротора. Статор — это неподвижная часть машины с трехфазными обмотками для создания вращающегося поля, как описано в предыдущем разделе. Кожух изготовлен из

Рисунок 5.23. Поперечное сечение синхронной машины; Слева: цилиндрический ротор, справа: явнополюсный ротор

сложенных стопкой листов, содержащих трехфазные обмотки статора, обычно расположенных внутри открытых пазов вдоль внутреннего отверстия (распределенная обмотка).

Как описано ранее, вращающееся поле заставит магнитную стрелку или стрелку компаса внутри статора вращаться с частотой вращающегося поля. Однако в отверстии статора синхронного генератора находится не магнитная игла, а ротор, который может приводиться в движение лопастями ротора ветряной турбины. Такой ротор должен быть магнитным, чтобы он мог отслеживать частоту вращающегося поля. Постоянные магниты или обмотки ротора с постоянным током создают магнитное поле ротора синхронной машины.Обмотки ротора также называют обмотками возбуждения. Постоянный ток, протекающий в этих обмотках, подается извне через контактные кольца.

Существует два типа роторов синхронных машин, которые показаны на рис. 5.23. Это цилиндрические и явнополюсные роторы. Цилиндрический ротор, или турбо-ротор, имеет цельный барабан. Он имеет в продольном направлении прорези, в которых находятся обмотки возбуждения. Цилиндрический ротор лучше противостоит центробежным силам благодаря своей массивной конструкции.Однако требования к материалам цилиндрических роторов также выше.

Ротор с явнополюсным ротором имеет два или более выступающих полюса. Эти роторы могут иметь два полюса, четыре полюса (см. Рисунок 5.23) или даже больше. Теоретическое описание ротора с явнополюсным ротором намного сложнее, чем описание цилиндрического ротора, поскольку его конструкция вызывает асимметрии. В этом разделе описываются только цилиндрические роторы. Описание роторов с явнополюсными роторами и дополнительную информацию об электрических машинах можно найти в специальной литературе (например,г. Хиндмарш, 1995; Фитцджеральд и др., 2002).

Скорость вращения nS = f1 / p поля статора зависит от частоты f1 трехфазного тока и числа пар полюсов p статора, как описано ранее. Скорость вращения для частоты 50 Гц и двух полюсов (p = 1) составляет нс = 3000 мин-1. Для 60 Гц это становится 3600 мин-1.

Ротор синхронной машины имеет ту же скорость, что и поле статора. Северный полюс ротора всегда следует за южным полюсом статора.Если синхронная машина работает как двигатель, северный полюс ротора и южный полюс статора не находятся непосредственно друг над другом; нагрузка двигателя вызывает сдвиг между полюсами ротора и статора. Угол нагрузки &, который увеличивается с нагрузкой, описывает это смещение.

Если синхронная машина работает как генератор, например, в ветряной турбине, синхронная скорость вращающегося поля в статоре также определяет скорость ротора. Однако есть также сдвиг между полюсами ротора и статора.Теперь полюс ротора движется впереди полюса статора. Угол нагрузки меняет знак с отрицательного на положительный. Угол нагрузки & увеличивается с увеличением силы, приводящей в движение ротор. Скорость вращения всегда остается постоянной, т.е. ротор работает синхронно с частотой статора. Скорость вращения ротора ns изменяется только в зависимости от частоты f вращающегося поля или числа пар полюсов p.

Читать здесь: Электрическое описание синхронной машины

Была ли эта статья полезной?

Конструкция ротора — Конструкция синхронных машин

Есть два типа конструкции ротора.Один из них — это ротор с короткозамкнутым ротором, а другой — ротор с контактным кольцом. Большинство асинхронных двигателей относятся к типу с короткозамкнутым ротором.

Конструкция ротора

Существует два типа конструкции ротора. Один из них — это ротор с короткозамкнутым ротором, а другой — ротор с контактным кольцом. Большинство асинхронных двигателей относятся к типу с короткозамкнутым ротором. Они имеют то преимущество, что они прочные и простые в конструкции и сравнительно дешевле. Однако у них есть недостаток в виде более низкого пускового момента.В этом типе ротор состоит из стержней из меди или алюминия, помещенных в пазы ротора. В случае асинхронных двигателей с контактным кольцом ротор сложен по конструкции и дороже, с тем преимуществом, что они имеют лучший пусковой момент. Этот тип ротора состоит из трехфазных распределенных обмоток, соединенных звездой. Между статором и ротором находится воздушный зазор, который является очень важной частью. Рабочие параметры двигателя, такие как ток намагничивания, коэффициент мощности, перегрузочная способность, охлаждение и шум, зависят от длины воздушного зазора.Следовательно, длина воздушного зазора выбирается с учетом преимуществ и недостатков большей длины воздушного зазора.

Преимущества:

(i) Повышенная перегрузочная способность

(ii) Повышенное охлаждение

(iii) Сниженное магнитное напряжение

(iv) Пониженная пульсация зуба

(v) Пониженный шум

Недостатки

(i) Повышенный ток намагничивания (

)

Пониженный коэффициент мощности

Учебные материалы, Лекционные примечания, Задания, Справочные материалы, объяснение описания Wiki, краткая информация

Проектирование электрических машин — синхронные машины: Проектирование ротора r — Проектирование синхронных машин |

Синхронный генератор

в качестве ветряного генератора

Синхронный генератор

в качестве ветроэнергетического генератора

Как и генератор постоянного тока в предыдущем учебном пособии, работа синхронного генератора также основана на законе электромагнитной индукции Фарадея, работающем в аналогичных условиях. мода на генератор автомобильного типа.

Разница на этот раз заключается в том, что синхронный генератор генерирует трехфазное выходное напряжение переменного тока на своих обмотках статора, в отличие от генератора постоянного тока, который выдает одиночный выход постоянного или постоянного тока. Однофазные синхронные генераторы также доступны для маломощных бытовых систем синхронных генераторов ветряных турбин.

По сути, синхронный генератор представляет собой синхронную электромеханическую машину, используемую в качестве генератора и состоящую из магнитного поля на вращающемся роторе и неподвижного статора, содержащего несколько обмоток, которые поставляют генерируемую мощность.Система магнитного поля ротора (возбуждение) создается либо с помощью постоянных магнитов, установленных непосредственно на роторе, либо с помощью электромагнитного возбуждения от внешнего постоянного тока, протекающего в обмотках возбуждения ротора.

Этот постоянный ток возбуждения передается на ротор синхронной машины через контактные кольца и угольные или графитовые щетки. В отличие от предыдущей конструкции генератора постоянного тока, синхронные генераторы не требуют сложной коммутации, что позволяет использовать более простую конструкцию. Тогда синхронный генератор работает аналогично автомобильному генератору переменного тока и состоит из двух следующих общих частей:

Основные компоненты синхронного генератора

  • Статор: — Статор несет три отдельных (3-фазных) якоря. обмотки физически и электрически смещены друг относительно друга на 120 градусов, создавая выходное напряжение переменного тока.
  • Ротор: — Ротор несет магнитное поле либо в виде постоянных магнитов, либо в виде катушек с намоткой, подключенных к внешнему источнику постоянного тока через контактные кольца и угольные щетки.

Говоря о «синхронном генераторе», терминология, используемая для описания частей машины, является обратной по сравнению с описанием генератора постоянного тока. Обмотки возбуждения — это обмотки, создающие основное магнитное поле, которые являются обмотками ротора для синхронной машины, а обмотки якоря — это обмотки, в которых индуцируется основное напряжение, обычно называемые обмотками статора.Другими словами, для синхронной машины обмотки ротора являются обмотками возбуждения, а обмотки статора — обмотками якоря, как показано.

Конструкция синхронного генератора

В приведенном выше примере показана базовая конструкция синхронного генератора, имеющего выступающий двухполюсный ротор. Эта обмотка ротора подключена к источнику постоянного напряжения, создающему ток возбуждения I f . Внешнее напряжение возбуждения постоянного тока, которое может достигать 250 вольт постоянного тока, создает электромагнитное поле вокруг катушки со статическими северным и южным полюсами.

Когда вал ротора генератора вращается лопатками турбины (первичным двигателем), полюса ротора также будут перемещаться, создавая вращающееся магнитное поле, поскольку северный и южный полюса вращаются с той же угловой скоростью, что и лопатки турбины (при условии прямого водить машину). Когда ротор вращается, его магнитный поток разрезает отдельные катушки статора одну за другой, и по закону Фарадея в каждой катушке статора индуцируется ЭДС и, следовательно, ток.

Величина напряжения, индуцированного в обмотке статора, как показано выше, является функцией напряженности магнитного поля, которая определяется током возбуждения, скоростью вращения ротора и количеством витков в обмотке статора.Поскольку синхронная машина имеет три обмотки статора, в обмотках статора генерируется трехфазное напряжение, соответствующее обмоткам A, B и C, которые электрически разнесены на 120 o друг от друга, как показано выше.

Эта трехфазная обмотка статора подключена непосредственно к нагрузке, и, поскольку эти катушки неподвижны, им не нужно проходить через большие ненадежные контактные кольца, коммутатор или угольные щетки. Кроме того, поскольку основные катушки, генерирующие ток, неподвижны, это облегчает наматывание и изоляцию обмоток, поскольку они не подвергаются вращательным и центробежным силам, что позволяет генерировать более высокие напряжения.

Синхронный генератор с постоянным магнитом

Как мы видели, синхронные машины с возбужденным полем требуют возбуждения постоянного тока в обмотке ротора. Это возбуждение осуществляется с помощью щеток и контактных колец на валу генератора. Однако есть несколько недостатков, таких как необходимость регулярного обслуживания, очистки от угольной пыли и т. Д. Альтернативный подход состоит в использовании бесщеточного возбуждения, при котором вместо электромагнитов используются постоянные магниты.

Как следует из названия, в синхронном генераторе с постоянными магнитами (PMSG) поле возбуждения создается с помощью постоянных магнитов в роторе.Постоянные магниты могут быть установлены на поверхности ротора, встроены в поверхность или установлены внутри ротора. Воздушный зазор между статором и ротором уменьшен для максимальной эффективности и минимизации необходимого количества материала редкоземельного магнита. Постоянные магниты обычно используются в маломощных недорогих синхронных генераторах.

Для низкоскоростных ветряных генераторов с прямым приводом генератор на постоянных магнитах является более конкурентоспособным, поскольку он может иметь большее число полюсов (60 или более полюсов) по сравнению с обычным синхронным генератором с фазным ротором.Кроме того, реализация возбуждения с помощью постоянных магнитов проще, долговечнее, но не позволяет управлять возбуждением или реактивной мощностью. Одним из основных недостатков синхронных генераторов ветряных турбин с постоянными магнитами является то, что без управления потоком ротора они достигают своего максимального КПД только при одной заданной скорости ветра.

Синхронная скорость генераторов

Частота выходного напряжения зависит от скорости вращения ротора, другими словами, от его «угловой скорости», а также от количества отдельных магнитных полюсов на роторе.В нашем простом примере выше синхронная машина имеет два полюса: один северный полюс и один южный полюс. Другими словами, машина имеет два отдельных полюса или одну пару полюсов , (север-юг), также известную как пары полюсов.

Когда ротор совершает один полный оборот, 360 o , генерируется один цикл наведенной ЭДС, поэтому частота будет один цикл за каждый полный оборот или 360 o . Если мы удвоим количество магнитных полюсов до четырех (две пары полюсов), то при каждом обороте ротора будут генерироваться два цикла наведенной ЭДС и так далее.

Поскольку один цикл наведенной ЭДС создается одной парой полюсов, количество циклов ЭДС, возникающих за один оборот ротора, будет, следовательно, равно количеству пар полюсов P. Итак, если количество циклов на один оборот ротора число оборотов задается как: P / 2 относительно числа полюсов, а число оборотов ротора N в секунду задается как: N / 60, тогда частота (ƒ) наведенной ЭДС будет определяться как:

In В синхронном двигателе его угловая скорость фиксируется частотой питающего напряжения, поэтому N обычно называют синхронной скоростью.Тогда для синхронного генератора с P-полюсом скорость вращения первичного двигателя (лопаток турбины) для получения требуемой выходной частоты наведенной ЭДС 50 Гц или 60 Гц будет:

При 50 Гц

Число отдельных полюсов
2 4 8 12 24 36 48
Скорость вращения
(об / мин)
3000 3,000 250 167 125

при 60 Гц

Количество отдельных полюсов
2 4 8 12 24 36 Скорость вращения
(об / мин)
3,600 1,800 900 600 300 200 150

Таким образом, для данного s В синхронном генераторе, сконструированном с фиксированным числом полюсов, генератор должен приводиться в действие с фиксированной синхронной скоростью, чтобы поддерживать постоянную частоту наведенной ЭДС на требуемом уровне, 50 Гц или 60 Гц для питания сетевых устройств.Другими словами, частота создаваемой ЭДС синхронизирована с механическим вращением ротора.

Затем сверху мы можем видеть, что для генерации 60 Гц с помощью 2-полюсной машины ротор должен вращаться со скоростью 3600 об / мин, или для генерации 50 Гц с помощью 4-полюсной машины ротор должен вращаться со скоростью 1500 об / мин. мин. Для синхронного генератора, который приводится в действие электродвигателем или парогенератором, эта синхронная скорость может быть легко достигнута, однако при использовании в качестве синхронного генератора ветровой турбины это может быть невозможно, поскольку скорость и мощность ветра постоянно меняется.

Из нашего предыдущего руководства по проектированию ветряных турбин мы знаем, что все ветровые турбины выигрывают от ротора, работающего с оптимальным передаточным числом . Но для получения TSR от 6 до 8 угловая скорость лопастей, как правило, очень мала, от 100 до 500 об / мин, поэтому, глядя на наши таблицы выше, нам потребуется синхронный генератор с большим количеством магнитных полюсов, например, 12 или выше.

Но кроме этого, потребуется некоторая форма механического ограничителя скорости, такая как бесступенчатая трансмиссия или вариатор, чтобы лопасти ротора вращались с постоянной максимальной скоростью для системы ветряных турбин с прямым приводом.Однако для синхронной машины, чем больше у нее полюсов, тем крупнее, тяжелее и дороже становится машина, что может быть приемлемым, а может и неприемлемым.

Одним из решений является использование синхронной машины с небольшим числом полюсов, которая может вращаться с более высокой скоростью от 1500 до 3600 об / мин, приводимой в действие через коробку передач. Низкая скорость вращения лопастей ротора ветряных турбин увеличивается за счет редуктора, который позволяет скорости генератора оставаться более постоянной при изменении скорости лопастей турбины, поскольку изменение на 10% при 1500 об / мин представляет меньшую проблему, чем изменение на 10% при 100 об / мин.Этот редуктор может согласовывать частоту вращения генератора с регулируемой частотой вращения лопастей, обеспечивая работу с регулируемой скоростью в более широком диапазоне.

Однако использование коробки передач или системы шкивов требует регулярного обслуживания, увеличивает вес ветряной турбины, создает шум, увеличивает потери мощности и снижает эффективность системы, поскольку для привода зубчатых колес редуктора и внутренних компонентов требуется дополнительная энергия.

Использование системы прямого привода без механической коробки передач дает много преимуществ, но отсутствие коробки передач означает более крупную синхронную машину с увеличением как размера, так и стоимости генератора, который затем должен работать на низких скоростях.Итак, как мы можем использовать синхронный генератор в низкоскоростной ветряной турбине, скорость лопастей ротора которой определяется только силой ветра. Путем выпрямления генерируемого трехфазного источника питания в источник постоянного или постоянного тока.

Синхронные генераторные выпрямители

Диодные выпрямители — это электронные устройства, используемые для преобразования переменного (переменного тока) в постоянный (постоянный ток). Выпрямляя выходную мощность синхронного генератора в источник постоянного тока, генератор ветровой турбины может работать на других скоростях и частотах, отличных от его фиксированной синхронной скорости.

Это позволяет преобразовывать выходную переменную частоту и переменное напряжение генератора в постоянное напряжение переменного уровня. Выпрямляя выход из переменного тока в постоянный, генератор теперь можно использовать как часть ветряных систем с зарядкой аккумуляторов или как часть ветроэнергетической системы с регулируемой скоростью. Затем синхронный генератор переменного тока преобразуется в генератор постоянного тока.

В простейшем типе выпрямительной схемы используется схема диодного моста для преобразования переменного тока, генерируемого генератором, в переменный источник постоянного тока, амплитуда которого определяется скоростью вращения генератора.В этой схеме выпрямителя синхронного генератора, показанной ниже, трехфазный выход генератора выпрямляется до постоянного тока с помощью трехфазного выпрямителя.

Схема выпрямителя генератора

Принципиальная схема полномостового трехфазного выпрямителя переменного тока в постоянный показана выше. В этой конфигурации ветряная турбина может работать с генератором на частоте, не зависящей от синхронной частоты, поскольку изменение скорости генератора изменяет частоту генератора. Следовательно, можно изменять скорость генератора в более широком диапазоне и работать с оптимальной скоростью для получения максимальной мощности в зависимости от фактической скорости ветра.

Обратите внимание, что выходное напряжение трехфазного мостового выпрямителя не является чистым постоянным током. Выходное напряжение имеет уровень постоянного тока вместе с большим изменением переменного тока. Эта форма волны обычно известна как «пульсирующий постоянный ток», который можно использовать для зарядки аккумуляторов, но нельзя использовать в качестве удовлетворительного источника постоянного тока. Чтобы удалить эту пульсацию переменного тока, используется фильтр или схема сглаживания. В этих схемах сглаживания или схемах фильтров пульсаций используются комбинации индукторов и конденсаторов для создания плавного постоянного напряжения и тока.

При использовании как части системы, подключенной к сети, синхронные машины могут быть подключены к сети только тогда, когда их частота, фазовый угол и выходное напряжение такие же, как у сетей, другими словами, они вращаются синхронно. скорость, как мы видели выше. Но, выпрямляя их переменное выходное напряжение и частоту в постоянный источник постоянного тока, мы теперь можем преобразовать это постоянное напряжение в источник переменного тока правильной частоты и амплитуды, согласованный с сетью электросети, используя либо однофазный, либо трехфазный. фазоинвертор.

Инвертор — это устройство, которое преобразует электричество постоянного тока (DC) в электричество переменного тока (AC), которое может подаваться непосредственно в электрическую сеть, поскольку подключенные к сети инверторы работают синхронно с электросетью и производят идентичную электроэнергию. к электросети. Подключенные к сети синусоидальные инверторы для ветряных систем выбираются с входным диапазоном, который соответствует выпрямленному выходному напряжению турбины.

Тогда преимущество непрямого подключения к сети состоит в том, что ветряная турбина может работать с переменной скоростью.Еще одно преимущество выпрямления выходного сигнала генератора состоит в том, что ветряные турбины с синхронными генераторами, которые используют электромагниты в конструкции ротора, могут использовать этот постоянный ток для питания обмоток катушки вокруг электромагнитов в роторе. Однако недостатком непрямого подключения к сети является стоимость, поскольку системе требуется инвертор и два выпрямителя, один для управления током статора, а другой для генерации выходного тока, как показано ниже.

Схема синхронного генератора

Краткое содержание руководства

Синхронный генератор с фазным ротором уже используется в качестве ветрогенератора, но одним из основных недостатков синхронного генератора может быть его сложность и стоимость.Безредукторные генераторы с прямым приводом — это очень медленно вращающиеся синхронные генераторы с большим количеством полюсов для достижения их синхронной скорости. Генераторы с меньшим числом полюсов имеют более высокие скорости вращения, поэтому требуется коробка передач или трансмиссия, увеличивающая стоимость.

Синхронные генераторы вырабатывают электричество, основная выходная частота которого синхронизирована со скоростью вращения ротора. Генераторам, подключенным к сети, требуется постоянная фиксированная скорость для синхронизации с частотой электросети, и необходимо возбуждать обмотку ротора с помощью внешнего источника постоянного тока с помощью контактных колец и щеток.

Основным недостатком одной операции с фиксированной скоростью является то, что она почти никогда не улавливает энергию ветра с максимальной эффективностью. Энергия ветра тратится впустую, когда скорость ветра выше или ниже определенного значения, выбранного в качестве синхронной скорости.

В ветряных турбинах с регулируемой частотой вращения используются выпрямители и инверторы для преобразования переменного напряжения, переменной частоты на выходе синхронного генератора в фиксированное выходное напряжение, фиксированную частоту 50 Гц или 60 Гц, требуемую электросетью.Это позволяет использовать синхронные генераторы с постоянными магнитами, снижая их стоимость. Для низкоскоростных ветряных генераторов с прямым приводом генератор на постоянных магнитах является более конкурентоспособным, поскольку он может иметь большее число полюсов (60 или более полюсов) по сравнению с обычным синхронным генератором с фазным ротором.

В следующем руководстве по ветровой энергии и генераторам ветряных турбин мы рассмотрим работу и конструкцию другого типа электрической машины, называемой индукционным генератором, также известной как «асинхронный генератор».Асинхронные генераторы также могут использоваться для производства электроэнергии переменного тока, подключенного к трехфазной сети.

Чтобы узнать больше о «Синхронных генераторах» или получить дополнительную информацию об энергии ветра о различных имеющихся ветроэнергетических системах, или изучить преимущества и недостатки использования синхронных генераторов как части системы ветряных турбин, подключенных к сети, щелкните здесь, чтобы получите копию одной из лучших книг по синхронным генераторам и двигателям прямо на Amazon.

ДИЗАЙН СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ | PAKTECHPOINT

Двигатель обычно используется для привода насоса, компрессора или другого оборудования с постоянной скоростью, непрерывно работающего.Все двигатели должны быть спроектированы и обеспечены защитой от химикатов, коррозии и условий повышенной влажности. Основными ключевыми словами для этой статьи являются СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИЗАЙН, СИНХРОННОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ, СИНХРОННАЯ ДИАГРАММА ДВИГАТЕЛЯ, СИНХРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ ДВИГАТЕЛЯ, ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.

Ссылки

Американский национальный институт стандартов (ANSI)
C50.10 Вращающееся электрическое оборудование — Синхронные машины

Ограничения уровня шума должны соответствовать этой статье (Нажмите здесь ).При использовании для подавления шума звукопоглощающий материал должен быть спроектирован так, чтобы противостоять растрескиванию, и должен иметь соответствующую опору с помощью коррозионно-стойких креплений или проволочной сетки. Полная информация, включая спецификации материалов и детали установки, должна быть представлена ​​вместе с предложением.

Двигатель должен выдерживать 20-процентное превышение скорости без механических повреждений.

Производство, рабочие характеристики и испытания синхронных двигателей должны соответствовать стандартам NEMA MG 1, IEEE 115 и IEEE 429.
Анализ переходных крутильных и поперечных откликов должен быть выполнен для всей механической линии производителем приводного оборудования. Все двигатели должны использовать монтажную конструкцию опорного типа (внутренний и внешний подшипники), за исключением низкоскоростных двигателей, используемых для поршневого компрессора, которые могут иметь монтажную конструкцию типа двигателя (только внешний подшипник.)

ПРИНЦИП РАБОТЫ СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ

СХЕМА СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ

Электрическая конструкция синхронного двигателя

Номинальные параметры и напряжение двигателя Эксплуатационный коэффициент 0 при температуре окружающей среды 50 ° C. Все характеристики двигателя должны быть основаны на повышении температуры на 70 ° C (158 ° F), измеренном сопротивлением при эксплуатационном коэффициенте 1,0.

Обмотки статора

  • Обмотки должны быть соединены звездой, причем оба конца каждой обмотки выведены на главную клеммную коробку для внешнего подключения. Любой конец ветров должен быть для фазных выводов. Все выводы должны быть отделены, изолированы и закреплены скобами.
  • Двигатель должен быть электрически и механически способным противостоять силам, возникающим во время электрических неисправностей, без деформации обмотки или механических повреждений при работе на номинальных киловаттах и ​​10-процентном перенапряжении. Сердечник и обмотки статора должны соответствовать следующим требованиям.
    а. Крепление сердечника статора должно быть спроектировано так, чтобы поглощать вибрации, вызываемые вращающимся магнитным полем.
    б. Катушки статора должны быть намотаны из изолированных медных жил, соединенных друг с другом.Заземленная стена змеевика и межвитковая изоляция должны быть полностью слюдяной системой, пропитанной эпоксидной смолой под вакуумом. Для двигателей с номинальным напряжением более 4 кВ катушки должны иметь покрытие для подавления короны.
    г. Все обмотки и соединения статора должны быть медными. Все обмотки ротора обычно должны быть из меди и / или медных сплавов. d. После того, как на катушки наложена вся изоляция, каждая катушка должна быть индивидуально подвергнута межвитковому импульсному испытанию.Минимальное испытательное напряжение должно соответствовать напряжению на клеммах машины и иметь время нарастания 0,1–0,2 мс.
    д. Статор должен быть испытан после того, как все катушки установлены, вклинены и временно подключены. Второе испытание проводят после завершения намотки статора. Испытательное напряжение постоянного тока должно быть минимум 1,7
    раз больше рабочего напряжения.
  • Продавец двигателя должен определить, должны ли двухполюсные двигатели быть снабжены демпферными обмотками для уменьшения величины колебательных моментов, возникающих во время переходных режимов, таких как сбои в системе и последующее восстановление напряжения.Демпферные обмотки ротора могут значительно улучшить характеристики и стабильность двигателя. Обмотки амортизатора должны быть предусмотрены на всех двигателях с четырьмя (4) или более полюсами. Обмотки амортизатора должны иметь такой размер, чтобы обеспечивать соответствующий пусковой и ускоряющий моменты.

Возможности запуска синхронного двигателя

a. Все двигатели должны быть рассчитаны на пуск от сети при полном номинальном напряжении. Одиночные двигатели, подключенные к невыпадающим трансформаторам, должны быть способны преодолевать инерцию нагрузки при запуске, а также разгонять нагрузку до номинальной скорости как при номинальном, так и при 70% номинальном напряжении или условиях напряжения, указанных в паспорте, во время запуска без вредного нагрева. .
б. Двигатели должны быть способны выполнять следующие запуски:
Три (3) запуска подряд с остановкой по инерции между запусками, при этом двигатель изначально находится при температуре окружающей среды. Два (2) пуска с двигателем, изначально нагретым до номинальной температуры. Один (1) запуск каждый час после a и b, но не более четырех (4) запусков за 24-часовой период. Эти требования к перезапуску должны применяться, когда момент инерции нагрузки, крутящий момент нагрузки во время ускорения, приложенное напряжение и метод пуска являются теми, для которых был разработан двигатель.

Характеристики синхронного двигателя

a. Когда ведомая нагрузка требует переменного крутящего момента во время каждого оборота, комбинированная установка должна иметь достаточную инерцию в ее вращающихся частях для ограничения колебаний тока якоря синхронного двигателя до значения, не превышающего 66 процентов от тока полной нагрузки.
б. Моменты отрыва должны быть не менее 150% от момента полной нагрузки для двигателей, работающих на 1.0 и 175 процентов крутящего момента при полной нагрузке для двигателей, работающих с коэффициентом мощности 0,8 (опережающий).
б. Приводные двигатели с регулируемой скоростью должны быть спроектированы так, чтобы работать с гармониками, генерируемыми статическими преобразователями / инверторами, используемыми в системе привода с регулируемой скоростью. Продавец будет обязан координировать свои действия с поставщиком системы регулируемого привода
, чтобы получить все необходимые данные о гармониках и спроектировать двигатель для указанной работы.
г. Пульсация тока не должна превышать 66 процентов номинального среднеквадратичного значения тока полной нагрузки для всех указанных условий нагрузки. Применяются более низкие значения, если они указаны в паспорте. Совместные усилия производителей двигателя ,
, и приводимого оборудования требуются, когда необходимо достичь указанного предела.

Система изоляции синхронного двигателя
  • Двигатель должен быть способен непрерывно работать при 15-процентной перегрузке без превышения номинального значения температуры изоляции класса F.
  • Двигатель должен выдерживать без механических травм в течение 30 секунд любой тип короткого замыкания на его выводах при работе с номинальной мощностью, коэффициентом мощности и 10-процентным перенапряжением, при условии, что максимальный фазный ток не превышает максимальный фазный ток, полученный при трехфазном КЗ. Двигатель также должен выдерживать без травм тепловое воздействие неуравновешенных замыканий на клеммах двигателя в течение 30 секунд или менее при условии, что интегрированный продукт (l2) 2 для тока обратной последовательности двигателя (l2) и времени (t ) не превышает 30.Критерий отсутствия повреждения обмоток статора состоит в том, что обмотки должны выдерживать испытание высоким потенциалом при нормальном техническом обслуживании. Также не должно быть видимых аномальных деформаций или повреждений катушек обмотки и соединений.
  • Двигатель должен быть электрически и механически способным противостоять силам, возникающим при электрических неисправностях и при максимальной несинхронизации фазы без деформации обмотки или механических повреждений при работе на номинальных киловаттах (лошадиных силах), номинальном коэффициенте мощности и при 110 процентах номинального напряжения.
  • Обмотка возбуждения двигателя, особенно концевые витки, должна быть защищена от короткого замыкания и повреждений, вызванных агрессивной атмосферой, преобладающей на нефтехимическом заводе. Система изоляции обмотки возбуждения должна сохранять свою целостность, выдерживая центробежные силы и термические напряжения при температуре класса F без повреждений. Особое внимание следует уделить обеспечению надлежащей поддержки как соединений катушка с катушкой, так и соединений проводов обмотки с главной обмоткой возбуждения.
  • Обмотки возбуждения двигателя должны нагреваться под давлением, чтобы объединить изоляцию и медные обмотки в сплошное соединение.Особое внимание следует уделить тому, чтобы края поля были должным образом покрыты, чтобы сделать их устойчивыми к коррозионному воздействию. В частности, конечные витки должны быть защищены от короткого замыкания и повреждений, вызванных агрессивной атмосферой, преобладающей на нефтехимических предприятиях.
  • Удлиненные жесткие выводы шины, используемые в клеммных коробках больших двигателей среднего напряжения для подключения питающих проводов, оборудования защиты от перенапряжения, а также измерительных и релейных трансформаторов, должны быть полностью изолированы в соответствии с классом напряжения двигателя и надежно защищены. поддерживается.
  • Двигатели, за исключением больших двигателей среднего напряжения с удлиненными сплошными выводами шины, должны быть снабжены гибкими гибкими выводами, состоящими из жесткой изоляции из силиконовой резины (без концевой заделки) в клеммной коробке для подключения к внешней цепи питания. . Провода должны быть полностью изолированы, иметь постоянную идентификацию и иметь соединительные наконечники.

Герметичные системы изоляции синхронного двигателя

Статор или обмотка

Обмотки статора должны иметь вакуумную пропитку изоляционными системами из эпоксидной смолы для обеспечения непроницаемого уплотнения от влаги и химикатов.Герметичная изоляция должна быть испытана в соответствии с особыми требованиями NEMA MG-1 и Раздела 4.3.4.

Обмотка возбудителя

Система изоляции для обмоток возбуждения и якоря должна быть класса F. Повышение температуры во время нормальной работы должно быть ограничено повышением температуры класса B.

Системы возбуждения синхронных двигателей
  • Каждый синхронный двигатель должен быть оборудован бесщеточной системой возбуждения, состоящей из трехфазного возбудителя переменного тока с вращающимся якорем и неподвижным полем, трехфазного мостового выпрямителя и т. Д. пусковой и разрядный резистор возбуждения двигателя и необходимые модули статического контроля для обеспечения полнофункционального управления возбуждением, как описано ниже:
    a.Используйте пусковой и разрядный резисторы для ограничения наведенного напряжения в поле двигателя во время циклов запуска и выключения до значения, находящегося в пределах диэлектрического ограничения полевой изоляции, а также для получения максимального крутящего момента с минимальным линейным током во время запуска и втягивания. .
    б. Обеспечьте положительное приложение поля, если по какой-либо причине двигатель должен синхронизироваться по реактивному моменту.
    г. Определите правильную скорость для синхронизации, чтобы гарантировать втягивание с минимальными помехами в линии и обеспечить положительное приложение возбуждения при оптимальном положении ротора и фазовом угле после того, как будет достигнута надлежащая синхронизирующая скорость .
    г. Отключите питание постоянного тока (DC) от поля и одновременно примените резистор разряда поля, когда это произойдет.
    д. Обеспечить автоматическое применение поля для ресинхронизации.
  • Устройства статического управления должны быть такого типа и конструкции, которые могут быть настроены или откалиброваны на заводе-изготовителе и не требуют плановой регулировки на месте при изменении условий окружающей среды или повторном использовании компонентов.
  • Модули управления должны быть заменяемыми как полные компоненты, не требующие случайных модификаций проводки или схемы, а также настройки или регулировки на месте.
  • Вращающиеся модули управления и устройства, которые установлены на валу и роторе, должны быть легко доступны через легко снимаемые крышки или пластины и не требуют обширной разборки корпуса двигателя для снятия.

  • Компоненты, такие как выпрямительные диоды, резисторы полевого разряда, тиристоры и модули управления, должны иметь такие характеристики и конструкцию, чтобы обеспечить непрерывную работу и надежность при соответствующих центробежных нагрузках. и заданные рабочие условия, указанные в технических паспортах двигателя и / или в указанных спецификациях.
  • Изготовитель двигателя должен указать номинальный ток и напряжение поля возбудителя при номинальных и 115-процентных рабочих условиях. Предпочтительно напряжение возбуждения 90–115 В постоянного тока.
  • Изготовитель двигателя должен предоставить полную информацию о функционировании бесщеточной системы возбуждения по ограничивающим параметрам двигателя. Эта информация должна включать тепловую мощность демпферной обмотки двигателя по времени-току.
  • Поле двигателя для двух (2) полюсных машин должно быть снабжено бесщеточной системой обнаружения заземления поля (FGDS) или аналогичным оборудованием для контроля поля двигателя.В FGDS должна быть встроенная задержка по времени для устранения ложных тревог.
  • Система возбуждения для двух (2) полюсных машин должна быть снабжена монитором возбуждающих диодов (EDM) для обнаружения и сигнализации отказа силового выпрямителя, который либо выходит из строя, либо закорачивается.
  • Возбудитель должен иметь размер, обеспечивающий на 25 процентов мощность, превышающую ту, которая требуется для возбуждения возбуждения двигателя в номинальных рабочих условиях.
  • Бесщеточная система возбуждения должна быть полностью закрытой с принудительным охлаждением с использованием воздуха, отводимого от основного воздушного потока двигателя.

SYNCHRONOUS MOTOR SPEED CONTROL

Главные ключевые слова для этой статьи являются синхронными ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕМ КОНСТРУКЦИЯ, SYNCHRONOUS МОТОР ТЕСТИРОВАНИЕ, SYNCHRONOUS МОТОР СХЕМА, SYNCHRONOUS MOTOR SPEED CONTROL, ПРИНЦИП РАБОТЫ SYNCHRONOUS МОТОР.

Механическая конструкция синхронного двигателя

Кожухи
  • Кожухи двигателей в соответствии с экологическими требованиями должны соответствовать требованиям API 546, справочным стандартам и документам.
  • Все болты, шпильки и другие крепежные приспособления корпуса должны быть изготовлены из нержавеющей стали серии 300 AISI.
  • Кожухи двигателей для соответствия экологическим требованиям должны соответствовать требованиям API 546, ссылочным стандартам и документам. Если указаны кожухи TEAAC, охлаждающий воздух для теплообменника должен подаваться либо вентилятором с приводом от вала (предпочтительный метод), либо внешним вспомогательным вентилятором.Для двигателей специального назначения внешние вспомогательные воздуходувки, если они поставляются, должны поставляться в конфигурации с 100-процентным резервированием.
  • Полностью закрытые двигатели с водяным воздушным охлаждением (TEWAC) должны иметь как минимум два (2) водяных охладителя для обеспечения воздушного охлаждения с охлаждающей водой, подаваемой в завод при температуре 35 ° C (95 ° F) и манометрическом давлении 440 кПа ( 65 фунтов на кв. Дюйм). Охладители должны иметь способность рассеивать тепловые потери двигателя, когда он работает при номинальной нагрузке, напряжении и коэффициенте мощности. Размеры охладителей должны быть такими, чтобы двигатель мог работать на 100% мощности, пока один (1) охладитель не работает.Конструкция водоохладителя должна быть основана на максимальном повышении температуры воды в охладителях на 14,5 ° C (26 ° F) и максимальном перепаде давления 68 кПа (10 фунтов на кв. Дюйм). Расчетная скорость охлаждающей воды должна составлять от 2 м / с (6,5 ф / с) минимум до 3 м / с (10 ф / с) максимум. Водоохладитель должен выдерживать максимальное избыточное давление 690 кПа (100 фунтов на кв. Дюйм).
  • Охладители должны быть расположены так, чтобы они были полностью заполнены водой во время работы. Они должны быть съемным типом пучка, спроектированным и изготовленным с фланцами, и соответствовать критериям проектирования TEMA C и ASME Code с эквивалентной документацией.Каждый охладитель должен иметь эпоксидное покрытие. Они также должны позволять снимать водяную камеру для очистки любой секции, когда это необходимо, без остановки двигателя.
  • Охладители должны быть установлены в корпусе двигателя и расположены так, чтобы в случае утечки вода не могла попасть на обмотку. Двухтрубные охладители должны быть предусмотрены на всех двигателях мощностью более 7500 кВт (10 000 л.с.).
  • Расходомеры с однополюсными контактами должны быть предусмотрены для установки в трубопроводе подачи воды каждого охладителя для определения низкого и высокого расхода.
  • Два (2) элемента платинового резистивного датчика температуры (RTD) по 100 Ом должны быть установлены на входе и выходе каждого охладителя для измерения температуры воздуха на входе и выходе. ТС должны быть подключены к клеммной колодке в распределительной коробке из нержавеющей стали NEMA 4X или из чугуна.

Рама и монтажные плиты

Эпоксидный раствор будет использоваться для установки опорных плит и подошв. Поставщик должен произвести промышленную пескоструйную очистку в соответствии с SSPC SP6, все поверхности затирки монтажных пластин и предварительно покрыть эти поверхности эпоксидной грунтовкой с катализатором, нанесенной на обезжиренный белый металл.Эпоксидная грунтовка должна быть совместима с эпоксидным раствором.

Соединения рамы

Все трубы должны быть из жесткой оцинкованной стали. Конечными выводами к клеммным коробкам и устройствам могут быть непроницаемые для жидкости гибкие кабелепроводы максимальной длиной 0,6 м (24 дюйма) с утвержденными фитингами. Вся силовая и управляющая проводка внутри двигателя должна быть устойчивой к воздействию тепла, влаги и абразивов. В пределах опорной плиты и других участков, подверженных вибрации, следует использовать многожильные проводники.Вся проводка должна быть многопроволочной.

Вращающийся элемент синхронного двигателя

Вал двигателя должен быть обработан по всей длине и отшлифован на опорных и уплотнительных поверхностях, а также рядом с опорными поверхностями, Для двигателей мощностью более 3700 кВт (5000 л.с.) вал должен быть снабжен встроенным фланцем ступицы вала. Этот фланец не должен мешать снятию ротора или другой разборке.
Диаметр вала двигателя должен быть спроектирован таким образом, чтобы исключить проблемы крутильной вибрации.Продавец должен предоставить подробный эскиз основных нагрузок на вал и всех постоянных крутильных пружин для анализа кручения.

Двигатель должен быть спроектирован так, чтобы обеспечивать доступ для измерения вала ручным датчиком рядом с каждым подшипником.

Механический узел синхронного двигателя
  • Ротор должен состоять из слоистой высококачественной кремнистой стали с покрытием для минимизации потерь в сердечнике.Покрытие не должно подвергаться воздействию нормальных температур, возникающих во время работы и испытаний двигателя. Ламинирование должно быть цельным, повернутым для уменьшения нарастания допусков, перфорированным до точных допусков, усаженным и плотно сжатым, чтобы сформировать прочно зажатую и прочную конструкцию.
  • Обмотка ротора, включая стержни и концевые кольца, должна быть из меди и / или медных сплавов. Литые или сборные конструкции алюминиевых сепараторов недопустимы.
  • Роторы должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать 20-процентное превышение скорости без остаточной механической деформации.
  • Полевые столбы для тихоходных машин с конструкцией крестовины ротора должны быть установлены и закреплены таким образом, чтобы предотвратить чрезмерные нагрузки на монтажные болты, которые могут привести к преждевременному выходу из строя. Диаметр отверстий под болты в крестовине и зазоры под болты должны быть рассчитаны таким образом, чтобы болты оставались правильно отцентрованными при всех условиях установки и эксплуатации.
  • При использовании немагнитных стопорных колец материал кольца должен быть 18 Mn — 18 Cr или 18 Mn — 13 Cr.Стопорные кольца из материала 18 Mn — 5 Cr не допускаются.
  • Каждая обмотка возбуждения должна быть проверена на заземление после установки, но перед окончательным отверждением ротора. Испытательное напряжение должно быть как минимум в два (2) раза больше номинального напряжения возбуждения машины.
  • Обмотки возбуждения должны быть обработаны давлением, чтобы объединить изоляцию и медные обмотки в сплошное соединение. Особое внимание следует уделить тому, чтобы концы поля были должным образом покрыты, чтобы сделать их устойчивыми к коррозионному воздействию .

Динамика
  • Резонансы — a. Продавец должен предоставить подробный эскиз основных нагрузок на вал и всех постоянных крутильных пружин для анализа кручения. Эскиз должен быть предоставлен не позднее, чем через шесть (6) недель после получения Заказа на поставку.
    б. Расчет на кручение должен выполнять производитель приводного оборудования. Двигатель нельзя выпускать в производство до тех пор, пока не будет проведен анализ переходных крутильных нагрузок всего поезда.Фактическая первая критическая скорость двигателей должна быть не менее чем на 20 процентов выше скорости двигателя без нагрузки, если иное не одобрено.
    Балансировка — Собранный ротор двигателя должен быть динамически сбалансирован как минимум в трех (3) плоскостях при номинальной рабочей скорости и проверяться на вибрацию при 120% рабочей скорости. Окончательная балансировка должна выполняться после покраски, обжига и со ступицами муфты и шпонкой вала.
  • Противовесы, добавляемые к окончательной сборке, должны быть из нержавеющей стали серии 300 или аналогичного коррозионно-стойкого материала.Шлифовка не допускается.
  • Роторные вентиляторы необходимо сбалансировать перед установкой на ротор. Во время балансировки ротора корректирующие грузы добавляются только к корпусу ротора, а не к лопастям вентилятора.
  • Для двигателей специального назначения, например, приводов высокоскоростных компрессоров, могут потребоваться двигатели, которые сбалансированы более строго, чем указано в данном документе.

Подшипник и корпуса подшипников
  • Подшипники для двигателя должны быть стандартного типа с баббитовой футеровкой, смазкой под давлением и циркуляционным масляным охлаждением, предназначенными для предотвращения выброса масла или пара.Верхняя и нижняя части должны иметь стальную основу, футеровку из баббита и приклеиваться к корпусу. Передний и задний подшипники скольжения должны быть взаимозаменяемыми и должны быть сконструированы таким образом, чтобы их можно было снимать, не повреждая ротор. Масляная система должна обеспечивать смазочное масло, чтобы обеспечить надлежащее отключение двигателя в случае отказа системы принудительной смазки маслом.
  • Каждый двигатель должен быть снабжен обоими подшипниками, электрически изолированными от рамы и корпуса подшипника.Сопротивление изоляции от каркаса должно быть не менее 1 (одного) МОм. Предупреждающие таблички с надписью «Изолированный подшипник» должны быть установлены на всех подшипниках двигателя или рядом с ними, которые электрически изолированы от корпуса двигателя. Должны быть предусмотрены оконечные устройства, позволяющие проводить прямые измерения сопротивления при испытании изоляции подшипников.
  • Каждый подшипник должен быть снабжен воздушным уплотнением для предотвращения попадания масла и паров масла на внутренние части двигателя. Должны быть предусмотрены дренажные отверстия для конечной утечки масла и надлежащий сброс для предотвращения масляного вихря.На входе в шахту должны быть предусмотрены лабиринтные уплотнения.

Смазка синхронного двигателя

  • Смазочное масло подшипников должно подаваться с консоли смазочного / уплотнительного масла продавца приводного оборудования. Давление питания на каждом подшипнике должно составлять 140 кПа (20 фунтов на кв. Дюйм), если иное не указано Продавцом, несущим полную ответственность за установку.
  • Указатели расхода и датчики температуры должны быть установлены в возвратной линии атмосферного слива масла от каждого подшипника.Каждый индикатор потока должен быть типа «яблочко» (Якоби-Тарбокс) и должен устанавливаться так, чтобы его «яблочко» было предпочтительно в вертикальной плоскости, чтобы облегчить наблюдение за потоком нефти через конкретную линию.
  • Когда самосмазка является стандартной конструкцией двигателя Продавца, подшипники скольжения должны смазываться масляными кольцами, подаваемыми из встроенного самоохлаждаемого масляного резервуара. Смотровые указатели уровня масла должны иметь постоянную маркировку, и должна быть обеспечена легко различимая индикация надлежащего уровня масла.Также должны быть предусмотрены смотровые отверстия для наблюдения за масляными кольцами.
  • Продавец должен предоставить одинарные соединения подачи и сливного коллектора для каждого масляного контура. Трубопровод смазочного масла должен быть изготовлен из нержавеющей стали 304 согласно ASTM 392.

Торцевой люфт синхронного двигателя и муфта

Продавец должен указать максимальный концевой зазор ротора и максимальный концевой зазор муфты. Положение вала двигателя при магнитном центрировании и пределы осевого люфта ротора должны быть постоянно нанесены на вал.На корпусе подшипника должна быть указана постоянная контрольная точка.

Материалы

Пластины статора должны быть из высококачественной силиконовой стали с покрытием, чтобы они не подвергались воздействию нормальных температур, возникающих во время работы и испытаний двигателя; сегментированный, повернутый для уменьшения нарастания допуска; жестко установлен и плотно сжат, образуя прочную прочную конструкцию.

Паспортные таблички и стрелки поворота

  • Паспортная табличка и стрелка поворота необходимы на двигателе и должны быть из нержавеющей стали (тип 304 или 316) или монель, прикрепленные штифтами из аналогичного материала и расположенные для удобства видимость.
  • Оборудование, содержащее изоляционные масла, антифризы и любые другие жидкости, должно иметь бирки на отверстиях, указывающие на характер содержимого, инструкции по транспортировке и меры предосторожности при хранении. Отверстия, требующие защиты от ржавчины, должны быть помечены, чтобы указать, что они были применены. На бирке также должны быть указаны название, тип и производитель средства защиты от ржавчины и его растворителя.
  • Уплотнения валов двигателей, установленных в классифицированных местах, должны быть сконструированы так, чтобы можно было вводить продувочный газ.

Принадлежности для синхронных двигателей

Клеммные коробки

  • Клеммные коробки должны быть очень большими и рассчитаны на допустимый радиус изгиба и жесткость кабелей питания двигателя. заземляющий провод для размещения предварительно сформованных конусов напряжения, защиты от перенапряжения и трансформаторов тока. Размеры ящиков должны быть больше обычного размера из-за снижения характеристик кабеля и требований к падению напряжения.Продавец несет ответственность за то, чтобы клеммная коробка главного двигателя поддерживалась на уровне земли или на опорной плите. Все внутренние соединения должны быть изолированы и заклеены лентой в соответствии с классом напряжения. Клеммная коробка должна быть класса NEMA 4, толстостенная сталь с минимальной толщиной 5 мм (3/16 дюйма).
  • Клеммные колодки должны быть предусмотрены для всей низковольтной и управляющей проводки. Клеммные колодки должны быть некоррозийного типа с токоведущими компонентами из никелированной меди.Резервная емкость должна составлять не менее 10 процентов клеммных колодок на любой полосе. Все клеммные коробки управляющей и низковольтной проводки должны быть расположены сбоку от кожуха двигателя и должны быть металлическими (нержавеющая сталь) NEMA 4X или чугунными. Коробки должны поворачиваться, чтобы обеспечить соединение с любого (1) из четырех (4) направлений на 9 ??? интервалы. Между корпусом двигателя и клеммной коробкой должны быть предусмотрены уплотнение и разделитель выводов двигателя, а также неопреновая прокладка. Литые клеммные коробки должны иметь резьбовые кабельные втулки или входы.Во всех клеммных коробках управляющей проводки должно быть предусмотрено не менее двух (2) ступиц кабелепровода. Готовые клеммные коробки должны иметь съемную пластину на дне для бурения в полевых условиях.
  • Шина заземления из луженой меди должна быть предусмотрена в главной клеммной коробке для оконцевания экранов кабелей и любых заземляющих проводов, проложенных с фазными проводниками.
  • Как минимум, основная клеммная коробка должна быть снабжена элементами a, b, e, g и k, а вспомогательная клеммная коробка должна быть снабжена элементами c, d и g.
  • При наличии дифференциальных трансформаторов тока требуются вторичные выводы, которые должны соответствовать требованиям этого параграфа.

Датчики температуры обмотки
  • Двигатели мощностью 750 кВт (1000 л. клеммная колодка в металлической (нержавеющая сталь), NEMA 4X или чугунной клеммной коробке для продолжения проводки.ТС должны быть трехпроводными и располагаться на каждой фазе, где может быть обнаружена максимальная температура. Шесть (6) RTD должны использоваться для местной индикации температуры, а шесть (6) RTD должны использоваться для реле защиты. Двигатели мощностью менее 750 кВт (1000 л.
  • Если это указано в технических паспортах двигателя, должна быть предусмотрена система контроля температуры ротора (RTM) для защиты ротора двигателя путем передачи информации о температуре от ротора к удаленному стационарному индикатору температуры, оборудованному контактами аварийной сигнализации и отключения. .Система должна быть способна определять температуру стержней клетки, концевых колец клетки и обмоток возбуждения ротора. Система контроля температуры ротора должна обеспечивать прямые средства определения температуры ротора и использования ее для защиты ротора от перегрева. Выходные контакты RTM должны быть подключены к цепи запуска двигателя, чтобы обеспечить запуск двигателя, если температура ротора находится в допустимом диапазоне. Для удаленного монтажа на панели управления или распределительном устройстве должен быть предусмотрен счетчик с регулируемыми высокими и низкими уставками для срабатывания контактов аварийной сигнализации или отключения при превышении предельных значений.Мощность передатчика должна быть получена с помощью стационарного генератора мощности, работающего на более высокой частоте относительно информации о температуре, вращающегося трансформатора и преобразователя переменного тока в постоянный. Шкала показаний счетчика должна быть в градусах Цельсия (° C).
  • Монитор температуры ротора должен иметь следующие характеристики:
    a. Должна быть обеспечена активация аварийной сигнализации и разрешающего состояния в пусковых цепях, которые защищают от повторных запусков до того, как ротор достаточно остынет.
    б. На каждом роторе должно быть предусмотрено несколько датчиков, чтобы в будущем обеспечить доступность датчика, который можно использовать.
    г. Монитор должен указать, должна ли цепь термопары стать разомкнутой или произошла потеря сигнала передатчика.
    г. Калибровка монитора должна производиться спереди приемника без каких-либо регулировок на передатчике.
    д. Система Monitor должна работать в диапазоне температур окружающей среды от 40 ° C до 50 ° C.

Датчики температуры подшипников

Для двигателей мощностью 1500 кВт (2000 л.с.) и выше нижняя часть каждого подшипника должна быть снабжена двумя (2), 100-омными, платиновыми RTD. ТС должны располагаться в пределах 6 мм (¼ дюйма) от опорной поверхности. RTD должны быть подключены к отдельной клеммной коробке.

Обогреватели помещений

Оболочка обогревателя не должна превышать максимальную температуру 180 ° C или 80 процентов температуры воспламенения указанного газа / пара в опасных местах для любого значения, равного или ниже максимального номинального. температура окружающей среды 50 ° C и 120 процентов номинального напряжения.Провода обогревателя должны быть подключены к отдельной клеммной коробке, отличной от клеммной коробки, в которой находятся выводы фазы двигателя.

Сита и фильтры

Фильтры должны быть способны фильтровать взвешенные в воздухе частицы диаметром 0,0015 мм. Воздушные фильтры должны быть надежно закреплены на месте и легко сниматься для очистки во время работы двигателя. Фильтры должны быть снабжены взрывозащищенным реле перепада давления с двумя нормально разомкнутыми / нормально замкнутыми контактами для сигнализации и манометром перепада давления, установленным на уровне глаз.

Заземление

Продавец должен предоставить заземляющие площадки для подключения к сети заземления United с использованием медных многожильных проводов 70 мм 2. На корпусе двигателя должны быть предусмотрены две (2) диагонально противоположные заземляющие площадки. Если поставляются отдельные опорные подшипники, каждый блок должен иметь резьбовое отверстие в опоре рамы для заземления.

Детекторы вибрации

Каждый подшипник для двигателей мощностью 1500 кВт (2000 л.с.) и выше должен быть снабжен двумя (2) датчиками вибрации и демодуляторами осцилляторов.Датчики должны быть смещены на 90 градусов друг от друга и на 45 градусов от по вертикали на каждом подшипнике. Демодулятор генератора должен быть установлен в отдельной клеммной коробке со съемным держателем пробника. Каждый держатель должен иметь заплечики, чтобы положение зонда сохранялось при снятии и повторной установке зонда. Держатель должен быть механически зафиксирован на корпусе подшипника, а зонд должен быть механически расположен в держателе для предотвращения ослабления при эксплуатации.

Испытания синхронного двигателя
  • Как минимум, должны быть выполнены испытания, перечисленные в API 546, и следующие испытания.
    а. Сопротивление обмоток статора и возбуждения (холодное и горячее)
    б. Ток вала и изоляция подшипников
    c. Последовательность фаз
    d. Работа с превышением скорости (120 процентов от номинальной скорости)
    e. Четырех (4) часовой рабочий тест
    f. Испытание сердечника статора
    г. Измерение воздушного зазора
    ч. Измерение скорости холостого хода
    i. Измерение тока холостого хода для каждой фазы
    Дж.Испытание обмотки статора погружением
    k. Тест на шум (8 баллов)
    л. Короткое замыкание оборотов ротора
    м. Проверка полярности полюсов
    n. Испытание высокого потенциала статора
    a. Насыщение обрыва и короткого замыкания
    б. Определение КПД и коэффициента мощности при нагрузке 50, 75, 100 и 115 процентов
    c. Сегрегированные потери
    d. Повышение температуры (метод 4)
    e.Скорость-момент
    ф. Момент вытягивания
    г. Определение реактивных сопротивлений машин и постоянных времени
    ч. Ток заторможенного ротора
    i. Повышенная температура при испытании на вибрацию при ограниченном охлаждении

j. Возбуждение нагрузки (реактивное сопротивление Потье)

  • Во время эксплуатационных испытаний электрические и механические операции всего оборудования должны функционировать удовлетворительно. Давление масла подшипников и охлаждающей воды, а также уровни температуры подачи и слива должны быть согласованы до испытания.Измерение показаний не должно начинаться до тех пор, пока все такие параметры не стабилизируются с точностью до плюс-минус 3 ° C (5 ° F). Давление масла и охлаждающей воды, расход и температура должны контролироваться и регистрироваться.
  • Двигатель должен работать на 100% и 120% нормальной рабочей скорости. После того, как установка стабилизируется в этих условиях, необходимо записать показания вибрации, давления масла и температуры для каждого рабочего состояния. Рабочие датчики вибрации, если они есть, должны быть установлены для испытания и использоваться для определения уровней вибрации.
  • Показания вибрации должны контролироваться и регистрироваться, и их следует снимать на валу как со стороны неприводного, так и со стороны муфты; показания корпусов подшипников недопустимы. Амплитуда вибрации в зависимости от скорости во время выбега от 120% номинальной скорости до состояния покоя.
  • Во время заводских испытаний собранного двигателя, работающего на холостом ходу, размах амплитуды вибрации без фильтрации в любой плоскости, измеренной на валу, с использованием проксиматорных датчиков Bentley Nevada, расположенных рядом и относительно каждый радиальный подшипник не должен превышать указанных ниже пределов, включая механическое биение плюс электрическое биение.Если Продавец может продемонстрировать наличие электрического биения из-за аномалий материала вала, электрическое биение не должно превышать 0,25 мил (максимум). Электрическое биение можно определить приемлемыми методами, медленно покрутив ротор с помощью бесконтактного датчика.
  • Уровень нефильтрованной вибрации (размах) собранного двигателя, работающего на 120% номинальной скорости, не должен превышать вышеуказанное значение плюс 0,5 мил. Амплитуда любой дискретной несинхронной вибрации не должна превышать 25 процентов допустимой вибрации.
  • Испытание сердечника статора должно выполняться на всех двигателях.
  • Способность выдерживать скачки напряжения витка статора для включения изоляции должна быть в пределах диапазона, определенного на Рисунке 1 стандарта IEEE 522. Две (2) дополнительных обмотки статора должны быть изготовлены для всех двигателей одновременно с полная обмотка статора и подлежит испытаниям.
  • Испытание изоляции витков должно состоять из последовательных приложений в течение одного (1) минутного интервала импульсов напряжения со временем нарастания 0.1 — 0,2 микросекунды, приложенные между выводами катушки. Пиковое значение импульса напряжения следует постепенно увеличивать до тех пор, пока не будет достигнута точка нарушения изоляции. Испытательное напряжение должно включать значения 2,0, 3,5 и 5,0 о.е.

Основными ключевыми словами для этой статьи являются СИНХРОННЫЙ ДВИГАТЕЛЬ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДИЗАЙН, СИНХРОННОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЯ, СИНХРОННАЯ ДИАГРАММА ДВИГАТЕЛЯ, СИНХРОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ ДВИГАТЕЛЯ, УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ ДВИГАТЕЛЯ.

Нравится:

Нравится Загрузка…

(PDF) Конструкция синхронной машины с постоянным магнитом и зубчатой ​​катушкой для специальных применений

ССЫЛКИ 107

[22]

А. Эль-Рефай, З. Чжу, Т. Янс и Д. Хоу, «Обмотка индуктивности дробного паза

бесколлекторные машины с постоянным магнитом для поверхностного монтажа », Ежегодное собрание сообщества So-

, 2008. IAS ’08. IEEE, 2008, стр. 1–8.

[23]

А. Эль-Рефай, «Синхронный постоянный магнит с концентрированными обмотками с дробным пазом

машины: возможности и проблемы», Промышленная электроника, IEEE Transactions

on, vol.57, нет. 1. С. 107–121, янв. 2010.

[24]

Н. Бьянки, С. Болоньани, М. Пре? И Г. Греззани, «Конструктивные соображения для

конфигураций обмоток с дробным пазом для синхронных машин», Промышленные приложения

, IEEE Transactions on, vol. 42, нет. 4, pp. 997–1006, 2006.

[25]

Э. Шмидт и М. Сусич, «Оценка параметров синхронных машин с постоянными магнитами

с зубчатыми обмотками с использованием метода замороженных проницаемостей с f-

. анализ конечных элементов », в« Электротехническая компьютерная инженерия »(CCECE), 2012 25-я конференция IEEE

, Канада, 2012 г., стр.1–5.

[26]

Г. Хут, «Серводвигатели переменного тока с возбуждением от постоянных магнитов в технологии« зубчатая катушка », Energy

Conversion, IEEE Transactions on, vol. 20, нет. 2, pp. 300–307, 2005.

[27]

IEC60027-1, стандарт IEC60027-1: Буквенные символы для использования в электротехнике.

Международная электротехническая комиссия, 1995.

[28]

А. Джек, Б. Мекроу, П. Дикинсон, Д. Стефенсон, Дж. Бердесс, Н. Фосетт и Дж. Т.

Эванс, «Машины с постоянными магнитами. с порошковыми железными сердечниками и сжатым ветром —

ings »,« Отраслевые приложения, IEEE Transactions on, vol.36, нет. 4, pp. 1077–1084,

2000.

[29]

Х. Акита, Ю. Накахара, Н. Мияке и Т. Оикава, «Новая основная структура и производственный метод

для обеспечения высокой эффективности. двигателей с постоянными магнитами », в конференции Industry Applications

, 2003. 38-е ежегодное собрание IAS. Запись конференции, т. 1, 2003,

с. 367–372 т.1.

[30]

Дж. Гуэмес, А. Ираолагоитиа, П. Фернаундес и М. Донсиоон, «Сравнительное исследование

pmsm с обмотками с целыми и дробными пазами», в журнале «Электрические машины» ( ICEM),

2010 XIX Международная конференция, 2010 г., стр.1–6.

[31]

З. Чжу, С. Руангсинчайванич, Н. Шофилд и Д. Хоу, «Снижение крутящего момента

в бесщеточных машинах с внутренним магнитом», Magnetics Conference, 2003. INTER-

MAG 2003. IEEE International, 2003, стр. ER – 04.

[32]

Ф. Магнуссен, П. Телин и К. Садарангани, «Оценка производительности синхронных машин с постоянным магнитом

с сосредоточенными и распределенными обмотками, включая эффект ослабления поля

», в Power Electronics, Машины и приводы, 2004.(PEMD

2004). Вторая международная конференция (Conf. Publ. № 498), т. 2, 2004, стр.

679–685 Том 2.

[33]

A. EL-Refaie и T. Jahns, «Оптимальное ослабление потока в машинах с поверхностным резанием, использующих

концентрированных обмоток с дробным пазом», Industry Applications, IEEE Transactions on,

vol. 41, нет. 3, pp. 790–800, 2005.

Моделирование, проектирование и оптимизация синхронных машин с постоянными магнитами

Абстрактные

Повышение производительности роботов потребовало технического прогресса в алгоритмах управления, механических конструкциях и электрических машинах.Бегущие роботы на ногах создают проблемы, в частности, в области электрического оборудования. В дополнение к требованиям, предъявляемым к машинам с низкой скоростью, высоким крутящим моментом и малой массой, ход работы приводит к нетрадиционному ездовому циклу, который состоит из коротких периодов высокого крутящего момента, за которыми следуют длительные периоды минимального крутящего момента, что является диапазоном рабочих характеристик. это не соответствует имеющимся в продаже машинам. Оптимизированный двигатель рассеивал бы минимально возможную мощность в течение заданного цикла движения, снижая температуру и потенциально уменьшая требуемую массу батареи или увеличивая диапазон.Эти требования к производительности побудили более быстрые методы моделирования, позволяющие оптимизировать конструкции для этих нетрадиционных приложений. В этой диссертации представлен новый быстрый метод моделирования синхронных машин с постоянными магнитами, состоящий из гибридной модели, включающей явное решение Максвелла и решение магнитной трубки. Решение Максвелла применяется для ротора и воздушного зазора машины, где геометрия проста, а материалы однородны. Статор с его геометрической сложностью и нелинейными материалами моделируется с помощью модели с сосредоточенными параметрами, основанной на трубках Ux.Затем две модели сшиваются вместе, принудительно согласовываются с граничными условиями и позволяют сойтись. Это улавливает такие эффекты, как крутящий момент, а также насыщение материалов сердечника. Этот метод примерно на четыре порядка быстрее, чем эталонная программа конечных элементов (0,01 с против 100 с) при той же точности. Метод моделирования реализован для двух топологий поверхностного монтажа машин с постоянными магнитами, машины с внутренним ротором и машины с внешним ротором.Затем он используется для оптимизации конструкции машины для заданного ездового цикла, включая эффекты потерь в сердечнике. Машина создана для демонстрации достоверности модели и метода оптимизации, а результаты испытаний соответствуют прогнозам мгновенного крутящего момента с точностью до 5% в худшей точке. Крутящий момент зазубрины — еще один аспект производительности, который важен для машин для робототехники и других приложений. Эти пульсации крутящего момента, вызванные выравниванием магнита с геометрическими элементами статора, приводят к нежелательным вибрациям и проблемам с управлением.Исследуется один метод, основанный на перекосе, для уменьшения или устранения зубчатого момента, и представлен простой аналитический метод для прогнозирования эффекта перекоса. На основе машины, оптимизированной для Cheetah, были построены две дополнительные машины для изучения эффектов зубчатого зацепления: машина со скошенным ротором и машина со скошенным статором. Каждый продемонстрировал уменьшение определенной гармоники зубчатого зацепления или всего зубчатого зацепления. Перекошенные машины уменьшили зубчатость примерно на 85%. Представлены новые формы магнитов, которые дополнительно уменьшают зубчатость, и моделирование методом конечных элементов предполагает, что они могут дополнительно уменьшить зубчатость на 60% при прямом перекосе.Разработанные и описанные выше инструменты проектирования и оптимизации были использованы для оптимизации двигателя робота Cheetah из Массачусетского технологического института. Полученный двигатель показал увеличение плотности крутящего момента почти на порядок по сравнению с серийными коммерческими машинами (1,3 кг против 820 г и 10 Нм против 28 Нм) с одновременным повышением эффективности.

Описание
Диссертация: доктор философии, Массачусетский технологический институт, факультет электротехники и информатики, 2016 г.

Эта электронная версия была представлена ​​автором-студентом.Заверенная диссертация имеется в Архиве и специальных собраниях института.

Каталогизируется из представленной студентами версии диссертации в формате PDF.

Включает библиографические ссылки (страницы 283–285).

Отдел
Массачусетский Институт Технологий. Кафедра электротехники и информатики; Массачусетский Институт Технологий. Кафедра электротехники и информатики

Издатель

Массачусетский технологический институт

Ключевые слова

Электротехника и информатика.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами

с использованием алгоритма оптимизатора Gray Wolf | Карнавас

Расчет синхронного двигателя с постоянным магнитом с использованием алгоритма оптимизатора Грея Волка

Яннис Л. Карнавас, Иоаннис Д Часиотис, Эммануил Л. Пепонакис


Абстрактные

Распространенные схемы низкоскоростных двигателей с высоким крутящим моментом объединяют асинхронный двигатель, связанный с нагрузкой с помощью механической подсистемы, которая состоит из шестерен, ремня / шкивов или распределительных валов.Следовательно, эти установки представляют собой неотъемлемый недостаток в отношении потребностей в техническом обслуживании, высоких затрат и общего недостатка системы. Таким образом, замена такого обычного привода на правильно спроектированный низкоскоростной синхронный двигатель с постоянными магнитами (PMSM), напрямую подключенный к нагрузке, представляет собой привлекательную альтернативу. В этом контексте статья посвящена оценке конструкции PMSM с радиальным потоком 5 кВт / 50 об / мин с поверхностными постоянными магнитами и внутренней топологией ротора. Поскольку основной целью является минимизация общих потерь машины и, следовательно, максимизация ее эффективности, проектирование осуществляется путем решения задачи оптимизации.С этой целью изучается применение нового метода метаэвристической оптимизации под названием « Gray Wolf Optimizer ». Затем оценивается эффективность метода в поиске подходящих конструкций PMSM. Полученные результаты применяемого метода показывают удовлетворительно улучшенные конструктивные решения и производительность по сравнению с другими методами оптимизации.


Ключевые слова

PM Синхронный двигатель; Проектирование электрических машин; Двигатели с высоким КПД; Метаэвристическая оптимизация; Анализ МКЭ


DOI: http: // doi.org / 10.11591 / ijece.v6i3.pp1353-1362


Эта работа находится под международной лицензией Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0.

Международный журнал электротехники и вычислительной техники (IJECE)
p-ISSN 2088-8708, e-ISSN 2722-2578

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *