Расчет синхронного двигателя: Произошла ошибка

Расчет характеристик синхронного двигателя при автоматическом регулировании тока возбуждения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ИЗВЕСТИЯ

ТОМСКОГО ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ И ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА имени С. М. КИРОВА

Том 262 1973

РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК СИНХРОННОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ АВТОМАТИЧЕСКОМ РЕГУЛИРОВАНИИ ТОКА ВОЗБУЖДЕНИЯ

А. Н. ЩИПКОВ, Д. В. ИСТРАТКИН

(Представлена научно-техническим семинаром НИИ АЭМ)

В настоящее время настойчиво рекомендуется для практического применения регулирование возбуждения синхронных двигателей при резко переменной нагрузке в функции внутреннего рабочего угла ©, как обеспечивающее лучшие технико-экономические показатели эксплуатации [1, 2]./-образные и угловые характеристики при различных токах возбуждения синхронного двигателя (рис. 1). При проектировании системы автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронных двигателей основной

характеристикой является зависимость тока возбуждения от входного параметра регулирования (регулировочная характеристика), обеспечивающая выбранный закон регулирования. Рассмотрим в отличие от [3] построение регулировочной характеристики для закона регулирования на постоянство любого заданного значения величины коэффициента мощности двигателя. Для этого используются [/-образные характеристики СД, которые в зависимости от условий либо снимаются экспериментально, либо строятся по известным методикам (рис. 1, а).

Задаваясь законом регулирования Cos cp(- = Const, проводим на рис. 1 ,а линию Cos cp = Const и в точках ее пересечения с ¿/-образными характеристиками определяем для соответствующих значений мощности Р; величины тока статора /, и возбуждения ¡’, (индекс i обозначает порядковый номер). Далее, зная i{ и Pt по кривым P(S) (рис. 1,6), находим значение величины угла в,-. Связывая между собой соответствующие значения величины ini и @ni для одной и той же мощности Pt, получаем регулировочную характеристику ¿ = /(0), обеспечивающую

лр • Ьт 5

Н

3

г

1

Р< ;

I cost а 1 50-1 \га

-45-Ofl-40-0»— 35-0,7-30-0,6 г5-Ц5\ю ¿0-0,4 15-03 10-0,2 5-0,1

1 п г.пs ч> . / \

— п -4 <7 7

у, < к

/ у !

у // /

) (

J J /

— J 7 ЬРу

fir

ц io 1’г if и is го гг tv’**™

Рис. 2

реализацию заданного закона регулирования возбуждения. Используя эти характеристики, можно построить регулировочные характеристики и для других законов регулирования. Следующим этапом расчета следует считать определение параметров системы АРВ, которые бы формировали найденную регулировочную характеристику. Такая задача решена в [2] и [3].

Для технического сравнения схем АРВ синхронных двигателей необходимо строить их рабочие и угловые характеристики при действии АРВ. На рис. 1, б, используя кривые Р{&), построенные для различных токов возбуждения г, и регулировочную характеристику ¿(0), строим угловую характеристику Р'(@) двигателя при действии АРВ. Для построения рабочих характеристик СД с АРВ, показывающих зависимость тока статора, Соэ ф, к. п. д., потребляемой мощности Р\ от мощности на валу Р2, используем те же кривые рис. 1 в следующей последовательности. Задаваясь мощностью Рп (рис. 1 ,а), по угловой характеристике Р'(<д) находим &п, а по регулировочной характеристике ¿(0) находим г„ (рис. 1,6). Перенося значение г’„ на рис. 1 ,а, по величинам Рп и ¿„ находим ток статора /„ и Соэф,,, необходимые для построения рабочих характеристик. Мощность Р2 определяется по формуле Р2=Р\—АРг, где АР, — суммарные потери в двигателе, складывающиеся из потерь в

меди статора 3/2гст, холостого хода АР0 и добавочных АРдоб . Таким образом определяются все параметры рабочих характеристик, которые приведены на рис. 2 для синхронной машины типа МСА-72-4А. Перегрузочная способность К двигателя при АРВ по углу 0 определялась по найденным характеристикам с учетом изменения величины продольного реактанса от значения Хан при номинальном режиме до значения Хат при максимальном значении тока возбуждения. Тогда

Р р . х

у „_ ‘ макс _ ^макс

р„ Е„ вше/

Для нашего примера значение Я = 4,6 при

^н=2,2; Хат — \,2.

Таким образом, можно сделать вывод, что, используя ¿/-образные и угловые характеристики синхронного двигателя и регулировочную характеристику блока АРВ, можно достаточно точно определить параметры системы регулирования возбуждения и построить рабочие характеристики двигателя при автоматическом изменении тока возбуждения.

ЛИТЕРАТУРА

1. Синхронные приводы. Под ред. М. Г. Чиликина. «Энергия», 1967.

2. Н. Р. Ипатенко, М. В. Б о к а н о в, Н. У. К о с м а ч е в. К расчету схемы автоматического регулирования синхронных двигателей. «Электротехника», 1970, № 9.

3. А. Н. Щ и п к о в. Быстродействующая система автоматического регулирования рабочего угла синхронного двигателя. Доклады к VI научно-технической конференции по автоматизации производства, т. 1, Томск, 1969.

Расчет синхронных двигателей с шихтованными полюсами. Расчет параметров и характеристик синхронных двигателей с массивным гладким ротором, страница 3

                                                                  (24)

                                                                  (25)

                                                    (26)

где X_s2к — индуктивное сопротивление рассеяния обмотки ротора АДК, соответствующее критическому скольжению.

          За начальное приближение доминирующих параметров могут быть приняты значения, определяемые по следующим выражениям:

                                                               (27)

                       (28)

                                                                       (29)

                                                         (30)

                                                                       (31)

          Выражения (27)-(31) могут быть получены из основных соотношений, характеризующих АДК.

          Расчет параметров схемы замещения АДК осуществляется в следующей последовательности. Вначале по выражениям (27)-(31) определяются начальные приближения доминирующих параметров, а по выражениям (21)-(26) начальные приближения остальных параметров схемы замещения АДК. Далее по выражениям (12)-(16) определяются расчетные значения параметров режима, а по выражениям (17)-(21) следующие приближения доминирующих параметров. Расчеты по методу последовательных приближений продолжаются до тех пор, пока не будет выполняться условие

                                          (32)

где =0.001 — заданная точность расчетов по методу последовательных приближений.

Рабочее задание

1.  Подготовить исходные данные в соответствии с вариантом задания.

2.  Провести расчеты параметров и пусковых характеристик АДК на ЭВМ.

3.  Получить распечатку расчета.

4.  Построить пусковые характеристики СДШП P=f(s), Q=f(s), I=f(s), M=f(s).

Ход работы.

1.  Запустить на выполнение программу MCAD.

2.  Загрузить в MCAD файл СХЕМА_АД.MCD.

3.  Задать значения каталожных параметров синхронного двигателя согласно варианта (табл. 1) в соответствующих переменных.

4.  Выполнить расчет параметров схемы замещения, убедиться, что погрешность расчета параметров Мв, Iп не превышает 0,001.

5.  Убедиться, что расчетные значения параметров Iп, Мн, Мп совпадают с каталожными значениями.

6.  Вывести на печать результаты расчетов и пусковые характеристики синхронного двигателя.

Указания по оформлению отчета

         Отчет по работе должен содержать описание цели работы, распечатку результатов расчета, а также графики пусковых характеристик P=f(s), Q=f(s), I=f(s), M=f(s).В конце отчета должны быть написаны выводы по результатам исследований.

Контрольные вопросы при защите работы

1.  Какие параметры АДК называются обобщенными ?

2.  Какие параметры АДК являются основными и как их определить через параметры схемы замещения ?

3.  Как рассчитать параметры схемы замещения АДК по каталожным данным ?

4.  Как определить начальные приближения параметров схемы замещения АДК?

5.  Каким образом изменяется величина сопротивления обмотки ротора при разгоне АДК ?

6.  Какие характеристики АДК называются пусковыми ?

7.  Приведите схему замещения АДК и дайте характеристику ее параметров.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Вольдек А.И. Электрические машины. Л.;Энергия, 1978.

2. Гамазин С.И., Понаровкин Д.Б., Цырук С.А. Переходные процессы в электродвигательной нагрузке систем промышленного электроснабжения. М.; Московский энергетический институт,1991.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ И ХАРАКТЕРИСТИК СИНХРОННЫХ

ДВИГАТЕЛЕЙ С ШИХТОВАННЫМИ ПОЛЮСАМИ

Объект исследования и цель работы

         Объектом исследований в настоящей лабораторной работе является синхронный двигатель с шихтованными полюсами (СДШП).

         Цель работы — изучение методов расчета параметров схемы замещения, обобщенных параметров и пусковых характеристик СДШП по каталожным данным, закрепление навыков работы на ПЭВМ и выполнения расчетов в пакете MCAD.

Расчет самозапуска синхронных двигателей.

Определение выбега и Uост аналогично асинхронным двигателям. Для синхронного двигателя необходимо знать дополнительно входной момент (Мвх) развиваемый при S=0,05, назначение которого — довести в асинхронном режиме синхронный двигатель до минимального скольжения So, при котором обеспечено вхождение двигателя в синхронизм ):

.

Втягивание двигателя в синхронизм происходит уже под действием синхронизирующего момента, который должен преодолеть момент сопротивления механизма и ускорить ротор до синхронной скорости.

Для синхронного двигателя определяется такое критическое скольжение, при котором происходит быстрое вхождение синхронного двигателя в синхронизм:

.

Для доведения синхронного двигателя до этого скольжения, необходимо выполнением неравенства:

.

Кроме этого определяется время нарушения электроснабжения, при котором синхронный двигатель не выйдет за пределы Sкр.с:

.

Для увеличения Sкр.с необходимо максимально использовать форсировку возбуждения, иногда входного момента не хватает для вхождения в нормальный самозапуск, поэтому проводят ресинхронизацию синхронного двигателя, т.е. перед самозапуском должно быть снято возбуждение синхронного двигателя и он переводится в асинхронный режим. Время самозапуска и дополнительный нагрев определяются как для асинхронного двигателя.

Принципы построения взаимоотношений промышленного предприятия с энергосистемой.

Принципы регламентируются «Правилами пользования тепловой энергией», «Правилами присоединения потребителей к сетям энергосистемы», «Правила пользования электроэнергией». Эти принципы предусматривают решение ряда вопросов, которые делятся на две группы:

1. юридически-правовые;

2. оперативно-диспетчерские.

К первой группе относятся следующие функции:

1. регламентация присоединения электроустановок потребителей к энергосистеме;

2. разграничение балансовой принадлежности оборудования сетей и эксплуатационной ответственности между потребителями и энергосистемой;

3. определение порядка допуска персонала энергосистем в электроустановки потребителей;

4. выбор тарифов и систем расчетов за электропотребление;

5. определение условий электроснабжения потребителей в период возникновения дефектов мощности или энергии в энергосистеме;

6. определение правил и ответственности энергосистемы и потребителей за надежность электроснабжения, качество электроэнергии и соблюдения правил пользования электроэнергией.

Ко второй группе относятся вопросы текущего управления режимами работы с целью обеспечения следующих требований:

1. электроснабжение потребителей в соответствии с требованиями надежности;

2. нормальных условий эксплуатации и ремонта оборудования сетей и приборов энергосистемы и потребителей;

3. соблюдение нормируемых ГОСТом 13.109-97 показателей качества электроэнергии;

4. обеспечение экономичных режимов работы энергосистемы и электроустановок потребителей;

5. разгрузка энергосистемы для обеспечения ее устойчивой работы при возникновении дефицитов мощности или энергии.

Координацию этих функций осуществляют «Госэнергонадзор» и «Энергосбыт». Они выполняют следующие задачи и функции:

1. Осуществляют контроль за рациональным использованием электроэнергии и выполнении заданий по ее экономии.

2. Обеспечивают контроль за соблюдением потребителями лимитов по электропотреблению и режимов электропотребления.

3. Организуют систему учета отпускаемой потребителям электроэнергии.

4. Реализуют электроэнергию в соответствии с утвержденными правилами по действующим тарифам.

5. Осуществляют надзор за разработкой, утверждением и соблюдением потребителями норм расхода электроэнергии.

6. Согласуют и распространяют месячные планы потребления электроэнергии.

7. Устанавливают потребителям лимиты мощности.

8. Участвуют в составлении графиков ограничений и аварийных отключений потребителей и производят контроль их выполнения.

9. Разрабатывают мероприятия по регулированию мощности потребителей.

10. Производят расчеты за потребленную энергию

11. Осуществляют контроль показателей качества электроэнергии на границе балансовой принадлежности электросетей электроэнергетической системы и потребителей.

12. Организуют установку, ремонт, замену, регулировку и испытания приборов учета электроэнергии.

13. Организуют внедрение и эксплуатацию автоматизированных информационно-измерительных систем.

Пример 4.3 Расчёт асинхронного двигателя (RMxprt)

В примере 4.1 описаны способы построения геометрии электрической машины на примере асинхронного двигателя – 4А132S4У3. В примере 4.2 приведены примеры расчёта асинхронного двигателя при двух постановках задачи: Eddy Current и Transient. В этом примере будет рассмотрен процесс расчёта асинхронного двигателя 4А132S4У3 с помощью программы RMxprt, входящей в пакет Ansys Electromagnetic Suite. В этой программе реализован расчёт электрических машин на основании классической аналитической теории электрических машин, а также метода эквивалентной магнитной цепи. При этом учитываются такие эффекты, как нелинейность электротехнической стали, несинусоидальность магнитного потока в зазоре, вытеснение тока в массивных проводниках. Расчёт в этой программе начинается с создания нового проекта (пункт меню Project – Insert RMxprt Design). В открывшемся окне Machine Type необходимо указать, какой тип электрической машины планируется рассчитывать – Three-Phase Induction Motor (трёхфазный асинхронный двигатель). Рисунок П.4.1 – Создание нового проекта (а), выбор типа электрической машины (б) Создаётся новый проект. В менеджере проекта появляются 4 категории в созданном проекте: Machine – задание параметров модели, Analysis — задание расчёта модели, Optimetrics – задание параметров оптимизации модели, Results – вывод результатов анализа. Введём в проект данные двигателя 4А132S4, взятые из справочника [1]. Раздел Machine (Общие параметры) Machine Type Тип электрической машины Three-P… Заблокирован Number of Poles Количество полюсов 4   Stray Loss Factor Коэффициент добавочных потерь 0,01   Frictional Loss Потери на трение в подшипниках 50 Вт Windage Loss Вентиляционные потери 50 Вт Reference Speed Синхронная частота вращения 1500 Об/мин Раздел Stator (Статор) Outer Diameter Внешний диаметр 235 мм Inner Diameter Внутренний диаметр 145 мм Length Длина статора 115 мм Stacking Factor Коэффициент заполнения пакета магнитопровода сталью 0,95   Steel Type Тип стали Сталь 2013   Number of Slots Число пазов на статоре 36   Slot type Форма паза статора 3   Lamination Sectors Количество секторов 0   Press Board Thickness Толщина нажимного листа 0 мм Skew Width Скос пазов. Измеряется в числе пазов 0   Рисунок П.4.2 – Лист магнитопровода статора Раздел Slot (Паз статора) Auto Design Автоматический расчёт конфигурации паза нет false Parallel Tooth Параллельные стенки у зубца паза нет false Hs0 0,9 мм Hs1 1,3 мм Hs2 16,5 мм Bs0 3,5 мм Bs1 6,1 мм Bs2 9,5 мм Rs 0 мм Раздел Winding (Обмотка статора) (вкладка Winding) Winding Layers Количество слоёв обмотки в пазу 1   Winding Type Тип обмотки: Whole Coiled (концентрическая “вразвалку”) Half-Coiled (шаблонная) Editor (ручной режим раскладки обмотки) Half-Coiled   Parallel Branches Количество параллельных ветвей 1   Conductor per Slot Количество проводников в пазу 22   Coil Pich Шаг обмотки (только для двухслойных) —   Number of Strands Число жил в одном проводнике (элементарных проводников) 0   Wire Wrap Изоляция провода 0 мм Wire Size Диаметр провода 0 мм Рисунок П.4.3 – Торцевые соединения обмотки статора Раздел Winding (Обмотка статора) (вкладка End/Insulation) Input Half-turn Length Ввод длины полувитка нет   End Extension Односторонняя длина прямолинейного участка вылета лобовых 0 мм Base Inner Radius Базовый внутренний радиус 0 мм Tip Inner Diameter Внутренний диаметр изгиба лобовых частей обмотки 0 мм End Clearance Зазор между двумя соседними вылетами лобовых 0 мм Slot Liner Толщина пазовой изоляции 0 мм Wedge Thickness Толщина пазового клина 0 мм Layer Insulation Толщина прокладки между слоями обмотки 0 мм Limited Fill Factor Коэффициент заполнения паза 0,75   Рисунок П.4.4 – Сечение паза статора Раздел Rotor (Ротор) Stacking Factor Коэффициент заполнения пакета магнитопровода сталью 0,95   Number of Slots Число пазов на роторе 34   Slot Type Форма пазов ротора 1   Outer Diameter Внешний диаметр ротора 144,3 мм Inner Diameter Внутренний диаметр ротора 50 мм Length Длина магнитопровода ротора 115 мм Steel Type Материал листов магнитопровода ротора Сталь 2013   Skew Width Скос пазов. Измеряется в числе пазов 0   Cast Rotor Короткозамкнутый ротор да true Half Slot Половина паза нет false Double Cape Двойная «беличья клетка» нет false Рисунок П.4.5 – Лист магнитопровода ротора Раздел Slot (Размеры паза ротора) Hs0 0,75 мм Hs01 0 мм Hs2 18,75 мм Bs0 1,5 мм Bs1 6 мм Bs2 2,2 мм Раздел Winding (Обмотка ротора) Bar Conductor Type Материал стержней КЗ обмотки алюминий   End Length Расстояние между пакетом ротора и КЗ кольцом 0 мм End Ring Width Толщина КЗ кольца 10,5 мм End Ring Height Высота КЗ кольца 29 мм End Ring Conductor Type Материал короткозамыкающего кольца алюминий   Shaft Magnetic Shaft Изготовлен ли вал из магнитного материала нет В результате заполнения форм RMxprt проект будет готов к выполнению расчёта. Создадим новый профиль решения: ПКМ на Analysis в дереве проекта – Add Solution Setup. В открывшемся окне (рисунок П.4.6) требуется ввести параметры решения: Вкладка General Load Type Тип нагрузки: Const Speed – постоянная скорость Const Power – постоянная мощность Const Torque – постоянный момент Linear Torque – линейный момент Load Fan – вентиляторная нагрузка Const Power   Rated Output Power Номинальная выходная мощность (мощность на валу) 7500 Вт Rated Voltage Номинальное линейное напряжение 380 В Rated Speed Номинальная частота вращения 1495 Об/мин Operating Temperature Рабочая температура двигателя 75 градусов Вкладка Three-Phase Induction Motor Frequency Частота питающего напряжения 50 Гн Winding Connection Соединение обмоток: Wye — звезда Delta — треугольник Wye   Рисунок П.4.6 – Окно профиля решения Выполним проверку (Validate) и расчёт проекта (Analyze All). Результаты расчёта Результаты расчёта в RMxprt представлены в двух видах: в виде таблиц данных и в виде набора характеристик. Все результаты можно посмотреть выбрав команду Solution Data на панели инструментов RMxprt, характеристики — через команду Curve . Рисунок П.4.7 – Окно результатов расчёта проекта (вкладка с табличными данными) Рисунок П.4.8 – Окно результатов расчёта проекта (вкладка с характеристиками) Создание проекта Maxwell После расчёта проекта RMxprt появляется возможность создать проект Maxwell в автоматическом режиме. Для этого необходимо нажать ПКМ на профиле решения (Setup1) – Create Maxwell Design.. и в открывшемся окне выбрать, какой тип проекта (Maxwell 2D или Maxwell 3D) необходимо создать. Рисунок П.4.9 – Окно создания проекта Maxwell В результате будет создана полная модель асинхронного двигателя. При этом сразу создаётся задача типа Transient — см. Рисунки П.4.10 и П.4.11. Рисунок П.4.10 – Автоматически созданный проект Maxwell 2D Рисунок П.4.11 – Автоматически созданный проект Maxwell 3D Сравнение результатов В результате расчёта в решателе Eddy Current при заданном токе I = 15,1 А и частоте вращения 1458 об/мин, получен электромагнитный момент Mэ = 469.05 Н•м/м. Определим момент для длины магнитопровода равной lδ = 112 мм: M = 469,05 • 0,112 = 52,5336 Н•м В результате расчёта в решателе Transient при заданном моменте сопротивления на валу в М = 52,5336 Н•м получен ток в обмотке с действующим значением I = 15,0072 А. Частота вращения ротора – 1481,7 об/мин. В результате расчёта в RMxprt были получены следующие данные: Номинальный ток: I = 14,8512 А. Номинальный момент: М = 48,5253 Н•м. Номинальная частота вращения: 1476,05 об/мин. Для удобства сравнения данные сведены в таблицу:   Eddy Current Transient RMxprt Transient (импорт из RMxprt) Ток, А 15,1 15,0072 14,8512 14,6854 Момент, Н•м 52,5336 52,5336 48,5253 48,5253 Частота вращения, об/мин 1458 1481,7 1476,05 1476,4957 Наверх Список литературы Кравчик А.Э. Асинхронные двигатели серии 4А: Справочник. М.:Энергоатомиздат, 1982. — с.504 Автор материалов: Drakon (С) 2016. Редактор: Админ

Министерство образования и науки Российской Федерации — Расчет синхронного двигателя вертикального исполнения типа ВДС

Расчет синхронного двигателя вертикального исполнения типа ВДС

Доступные файлы (2):

n1.doc

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО «Уральский государственный технический университет — УПИ

имени первого Президента России Б.Н.Ельцина»

Кафедра «Электрические машины»
Оценка проекта:

Члены комиссии:

Двигатель синхронный вертикальный

типа ВДС 375/91 – 24 мощностью 12500 кВт
Курсовой проект

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

140205 338138 001 ПЗ

Руководитель, доц., к.т.н. Н.Н.Харитонов
Нормоконтроль, доц., к.т.н. Н.Н.Харитонов
Студент, группа Э-36014 П.А.Плугов
Екатеринбург 2009

Содержание

Реферат………………………………………………………………..3

Задание на курсовое проектирование . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . . 4

Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5

1 Общая характеристика синхронного вертикального

двигателя ……………………………………………………………..6

1.1 Назначение и область применения синхронного вертикального

двигателя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………….…..6

1.2 Описание конструкции синхронного вертикального

двигателя………………………………………………………………….…….9

1.3 Описание системы статического тиристорного возбуждения ………17

2 Электромагнитный расчет двигателя

и выбор главных размеров. . . . . . .. . . …….………………………….19

2.1 Расчет номинальных величин…………………………………………….19

2.2 Расчет сердечника статора………………………………………………..19

2.3 Расчет обмотки статора……………………………………………………23

2.4 Коррекция главных размеров статора по уровню индукции в воздушном зазоре, зубцах и спинке статора…………………………………………………26

2.5 Выбор величины воздушного зазора……………………………………..28

2.6 Расчет полюса и демпферной обмотки…………………………………..28

2.7 Расчет магнитной цепи……………………………………………………32

2.8 Расчет перегрузочной способности………………………………………39

2.9 Расчет обмотки возбуждения……………………………………………..40

3 Синтез и оптимизация электромагнитного ядра

на персональном компьютере………..…… ……………………..…..43

3.1 Поиск приемлемого варианта……………………….…………….………43

3.2 Оптимизация электромагнитного ядра по минимуму приведенной стоимости……………………………………………………………………………….44

3.3 Оптимизация электромагнитного ядра по минимуму резервов……………………………………………………………………………….46

3.4 Выбор оптимального варианта…………………………………….………47

3.5 Анализ серии двигателей……………………………………….…….……51

Заключение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ………….…. 57

Список используемой литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . …………. . . 58

Реферат

Пояснительная записка включает в себя расчет синхронного двигателя вертикального исполнения типа ВДС 375/91-24 мощностью P_ном = 12500 (кВт).

В данной работе произведен синтез электромагнитного ядра явнополюсного синхронного вертикального двигателя, результаты которого удовлетворяют всем предъявленным техническим требованиям.

В первой главе описаны конструкция, принцип действия, назначение, основные характеристики и элементы конструкции синхронного двигателя.

Вторая глава представляет собой полностью ручной расчет электромагнитного ядра с учетом всех требований и ограничений. В этой главе получен первоначальный вариант проектируемого двигателя.

Далее производится синтез электромагнитного ядра двигателя на ЭВМ и поиск оптимального варианта. При этом используются данные второй главы, а также некоторые опытные и аналитические зависимости. Итогом третьей главы является полностью спроектированное электромагнитное ядро машины.

Математические вычисления были выполнены в математическом пакете MathCAD, рисунки выполнены в AutoCAD.

Пояснительная записка содержит 58 страниц, 7 рисунков, 15 таблиц, 7 графиков, было использовано 5 источников литературы.

Задание на проектирование

Спроектировать вертикальный синхронный двигатель со следующими параметрами:
Номинальные данные:

— номинальная мощность СМ

— номинальное линейное напряжение

— номинальная частота вращения ротора

— номинальная частота напряжения сети

— номинальный коэффициент мощности (опережающий)

— внешний диаметр сердечника статора

— класс нагревостойкости изоляции В

— схема обмотки статора Y

— изоляция обмотки статора термореактивная.

— возбудитель статический, тиристорный.
Технические требования:

— кратность пускового момента ? 0,5

— кратность максимального момента ? 2,2

— кратность входного момента ? 1,1

— кратность пускового тока ? 5,8
Введение

Синхронной машиной называется электрическая машина переменного тока, у которой частота вращения ротора n находится в строгом соответствии с частотой сети f₁:

РАСЧЕТ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ

1 В.Н.ЗАБОИН, В.В.СУХАНОВ Санкт-Петербургский Государственный Политехнический Университет кафедра «Электрические Машины» И.В.ГУРЛОВ, А-Я.Ю.ПАРМАС Петербургский Государственный Университет Путей Сообщения кафедра «Электрические Машины» РАСЧЕТ МАГНИТНОГО ПОЛЯ ВЕНТИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ С МАГНИТОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ВОЗБУЖДЕНИЕМ Целью настоящей работы является расчет магнитных полей в синхронном вентильном двигателе с постоянными магнитами мощностью 14 МВт с помощью конечно-элементного программного комплекса «ELCUT» версии 5.. При этом решались следующие задачи: 1. Расчет магнитного поля двигателя в режиме холостого хода-поле ротора или поле постоянных магнитов.. Расчет магнитного поля продольной реакции якоря при номинальном токе в обмотке статора двигателя. 3. Расчет магнитного поля поперечной реакции якоря при номинальном токе в обмотке статора двигателя. 4. Расчет результирующего магнитного поля двигателя в режиме номинальной нагрузки при отсутствии регулирования со стороны обмотки статора. Постановка полевых задач При расчете магнитных полей двигателя приняты следующие основные допущения и предположения: 1. Магнитные поля плоскопараллельны и рассматриваются в поперечном сечении магнитной системы машины в координатах, жестко связанных с синхронно-вращающимся ротором.. Ферромагнитные сердечники ротора и статора представляются средами с нелинейными, но изотропными свойствами. 3. Во всех задачах расчета магнитного поля считается, что оно не выходит за пределы наружной поверхности сердечника статора. 1

2 4. Действительное токораспределение обмотки статора заменяется расчетным с сохранением реальной геометрической конфигурации обмотки и реальным значением ее намагничивающей силы. 5. Постоянные магниты описываются с помощью задания известной коэрцитивной силы. При перечисленных допущениях задачи расчета магнитных полей в поперечном сечении двигателя можно свести к задачам нелинейной магнитостатики, а сами поля определять через векторный магнитный потенциал, который в рассматриваемом случае однокомпонентен и имеет единственную осевую составляющую. При этом подлежащее решению уравнение Пуассона для векторного потенциала имеет вид: 1 A x µ x + 1 A H = δ + y µ y x cy H y cx, (1) где А=А z, δ=δ z, µ=µ(h), а H cy,н cx -составляющие коэрцитивной силы H c. При расчете поля постоянных магнитов (режим холостого хода), а также полей реакции якоря из соображений наглядности достаточно ограничиться одним полюсным делением машины. Наоборот, при расчете магнитного поля в режиме нагрузки приходится рассматривать все p полюсных делений машины. Граничные условия на внешних границах расчетных областей, необходимые для решения уравнения (1), задаются, исходя из физических условий существования поля на этих границах и принятых допущений.

3 Исходные данные, необходимые для расчета магнитных полей Таблица 1 Наименование Обозн. Ед. изм. Величина Мощность на валу P квт Частота вращения n об/мин 1000 Число фаз m — 3 Фазное напряжение (действ. знач.) U ф В 750 Фазный ток (действ. знач.) I ф А 937 Число полюсов p — 4 Частота тока f Гц 100 Коэффициент мощности cos(-φ) Наружный диаметр статора D a м 1.43 Диаметр расточки статора D i м 0.9 Расчетная длина сердечника статора/ ротора l t1 /l t м 1.35/1.4 Воздушный зазор δ мм 8 Число зубцов статора Z 1-7 Марка стали статора Высота паза статора h п мм 93. Ширина паза статора b п мм 0. Высота надпазового/подпазового каналов охлаждения обм. статора h к мм 15/15 Число эффективных проводников в пазу обмотки статора S п — 4 Число параллельных ветвей обмотки статора а — Число пазов ротора полное/фактическое Z o /Z — 64/48 Материал зубцов ротора (как для ТГ) — — Тип и размеры постоянных магнитов ротора h m b m l m NFeB М Коэрцитивная сила постоянных магнитов Н с А/м К исходным данным, приведенным в таблице 1, необходимо добавить, что обмотка статора двухслойная, волновая, с диаметральным шагом. Кривая размагничивания постоянных магнитов линейна, а сами магниты расположены в пазах ферромагнитного ротора таким образом, что создают тангенциальное намагничивание. Согласно таблице 1 геометрическая конфигурация магнитной системы двигателя на полюсном делении τ показана на рис.1. 3

4 Рис.1. Геометрическая конфигурация магнитной системы двигателя на полюсном делении. Расчет магнитного поля двигателя в режиме холостого хода (поле ротора или поле постоянных магнитов) Для расчета поля холостого хода двигателя с помощью программного комплекса «Elcut» необходимо выбрать тип задачи (магнитостатическое поле), построить согласно рис.1 геометрическую модель и сформировать в ней области с однородными свойствами (создать метки блоков и ребер). Далее в каждом блоке следует задать свои физические свойства, а на ребрах, где это необходимо воспроизвести соответствующие граничные условия. В рассматриваемой задаче такими блоками и ребрами являются: блоки — зазор с надпазовыми каналами охлаждения, ферромагнитные зубцы ротора, подпазовые каналы охлаждения, немагнитный вал ротора, пазы статора, постоянные магниты, сердечник статора; ребра — поверхности постоянных магнитов с положительным и отрицательным значением коэрцитивной силы, наружная поверхность сердечника статора, поперечные оси. Более подробную информацию о типе задачи, геометрической модели, а также свойствах блоков и ребер можно найти в соответствующих Elcut файлах, которые прилагаются к настоящей статье. 4

5 Некоторые результаты расчета магнитного поля двигателя в режиме холостого хода представлены на рис. — рис.5. Рис.. Картина магнитного поля ротора на полюсном делении в режиме холостого хода. Поле возбуждается системой постоянных магнитов с коэрцитивной силой Н с = ± А/м. 5

6 Рис.3. Распределение радиальной составляющей магнитной индукции поля холостого хода на уровне середины воздушного зазора Амплитуды (Индукция B) Гармоника Фазы Гармоника Рис.4. Гармонический состав кривой магнитного поля в середине воздушного зазора в режиме холостого хода. 6

7 Рис.5. Реальная кривая магнитного поля в середине зазора и её первая (основная) гармоника в режиме холостого хода. Результаты расчета, представленные на рис.4 и рис.5, получены с помощью гармонического анализатора программного комплекса Elcut. Расчет магнитных полей продольной и поперечной реакции якоря при номинальном токе в обмотке статора двигателя а) поле продольной реакции якоря Для расчета магнитного поля продольной реакции якоря необходимо смоделировать реальное токораспределение обмотки статора по пазам в пределах полюсного деления машины. Поскольку рассматриваемая обмотка статора имеет диаметральный шаг, то верхний и нижний слои обмотки не смещены относительно друг друга. Поэтому верхний и нижний слои можно объединить в один слой. Шестифазную обмотку статора можно рассматривать как две трехфазные, смещенные относительно друг друга на угол в 30 электрических градусов. При этом чередование тридцатиградусных фазных зон имеет следующий порядок: A1-A-Z1-Z-B1-B-X1-X-C1-C-Y1-Y, где A1, Z1, B1, X1, C1, Y1 являются фазными зонами одной обмотки, а A, Z, B, X, C, Y представляют собой фазные зоны другой обмотки. В результате векторную диаграмму токов в слоях фазных зон можно представить так, как это показано на рис.6. В таблице на рис.6 приведены также мгновенные значения токов фазных зон в долях амплитудного значения тока параллельной ветви. По условиям моделирования магнитного поля якоря с помощью программного комплекса «Elcut» в каждом пазу обмотки статора необходимо за- 7

8 дать свое расчетное значение плотности тока. В качестве примера приведем такой расчет для пазов в пределах половины полюсного деления машины, где расположены фазные зоны A, Z1, Z. Для рассматриваемого двигателя: Действующее и амплитудное значение тока параллельной ветви I I ф 937 = = = 468. A, I am = I a = = A a a 5 Число пазов на полюс и фазу и число витков в фазе Z 7 ps 1 п 3 4 = = = 3, w 1 pm ф = = = 6 a Обмоточный коэффициент (при диаметральном шаге) π sin m π sin m o k об 1 = = o sin15 = 3 sin Высота обмотки (без учета каналов охлаждения) h обм = h n — h k = = 63. мм Площадь, занимаемая обмоткой в пазу (с учетом изоляции) S обм = hобмbп =. 0. = мм = м 8

9 Фазная зона Ток в нижнем (верхнем) слое фазной зоны А1, А I A1, I A = I am cos 15 = I am Z1, Y I Z1, I Y = I am cos 45 = I am Z, Y1 I Z, I Y1 = I am cos 75 = I am B1, C I B1, I C = I am cos 105 =-0.59 I am B, C1 I B, I C1 = I am cos 135 = I am X1, X I X1, I X = I am cos 165 = I am Рис.6. Векторная диаграмма токов в слоях фазных зон шестифазной обмотки переменного тока с диаметральным шагом Токораспределение обмотки статора двигателя на половине полюсного деления машины показано на рис.7. -пазов, =3 -пазов, =3 -пазов, =3 Фазная зона A Фазная зона Z1 Фазная зона Z I пa =4I A = I am I пz1 =4I Z1 = I am I пz =4I Z = I am Рис.7. Токораспределение обмотки статора двигателя на половине полюсного деления. 9

10 На рис.7 I пa, I пz1, I пz представляют собой объемы токов в пазах фазных зон A,Z1,Z. Эти токи соответственно равны: I пa =4I A = I am = = А, I пz1 =4I Z1 = I am = = А, I пz =4I Z = I am = = А. Здесь интересно сравнить Н.С. на полюс по ступенчатой кривой с амплитудой первой гармоники Н.С., которая, как известно, равна: F m1 mwфkоб1a = I am = I am =. 666 I πp π am Та же Н.С., но по ступенчатой кривой определится, как F Σ =3 (I пa +I пz1 +I пz )=1( )I am =3.184 I am Зная объемы токов в пазах, можно найти соответствующие им плотности токов. В частности: плотность тока в пазах фазной зоны A I A δ, м пa пa = = = Sобм плотность тока в пазах фазной зоны Z1 I A δ, м пz1 пz 1 = = = Sобм плотность тока в пазах фазной зоны Z I A δ. м пz пz = = = Sобм

11 Плотности токов в пазах второй половины полюсного деления (фазные зоны B1,B,X1) легко найти, если учесть, что (см. векторную диаграмму на рис.6) δ пb1 = δ пz, δ пb = δ пz1, δ пx1 = δ пa Результаты моделирования магнитного поля продольной реакции якоря представлены на рис.8 — рис.11. Рис.8. Картина магнитного поля продольной реакции якоря на полюсном делении машины при I ф =937А. 11

12 Рис.9. Распределение радиальной составляющей магнитной индукции поля продольной реакции якоря на уровне середины воздушного зазора Амплитуды (Индукция B) Гармоника Фазы Гармоника Рис.10. Гармонический состав кривой магнитного поля продольной реакции якоря в середине воздушного зазора. 1

13 Рис.11. Реальная кривая магнитного поля продольной реакции якоря в середине зазора и ее первая (основная) гармоника. б) поле поперечной реакции якоря Методика расчета магнитного поля поперечной реакции якоря в целом аналогична вышерассмотренной методике расчета магнитного поля продольной реакции якоря. Однако, если в случае продольного поля якоря максимумы (положительный и отрицательный) ступенчатой кривой Н.С. располагались на осях, то для поперечного поля якоря токораспределение обмотки статора надо сориентировать таким образом, чтобы максимум кривой Н.С. (положительный или отрицательный) располагался на оси. Одновременно с этим необходимо также изменить граничные условия на осях, а именно вместо нулевых граничных условий второго рода, которые использовались для расчета продольного поля, следует задать нулевые граничные условия первого рода. Результаты расчета магнитного поля поперечной реакции якоря приведены на рис.1 — рис

14 Рис.1. Картина магнитного поля поперечной реакции якоря на полюсном делении машины при I ф =937А. 14

15 Рис.13. Распределение радиальной составляющей магнитной индукции поля поперечной реакции якоря на уровне середины воздушного зазора Амплитуды (Индукция B) Гармоника Фазы Гармоника Рис.14. Гармонический состав кривой магнитного поля поперечной реакции якоря в середине воздушного зазора. 15

16 Рис.15. Реальная кривая магнитного поля поперечной реакции якоря в середине зазора и её первая (основная) гармоника. Расчет результирующего магнитного поля двигателя в режиме номинальной нагрузки при отсутствии регулирования со стороны обмотки статора. а) определение параметров режима нагрузки Для расчета характеристик режима нагрузки помимо токов и напряжений необходимо также знать значения синхронных индуктивных параметров обмотки статора по продольной и поперечной осям. Последние могут быть найдены из расчета магнитных полей продольной и поперечной реакции якоря. Известно, что в расчетах многофазных электрических машин переменного тока оперируют понятием эквивалентной индуктивности фазы, которая определяется с учетом взаимоиндукции соседних фаз. При этом собственная эквивалентная индуктивность фазы и собственная физическая индуктивность фазы связаны между собой следующим образом: m ф L эф = Lф, () где L эф и L ф соответственно эквивалентная и физическая индуктивность фазы, m ф число фаз обмотки переменного тока. 16

17 При несимметрии магнитной системы по осям,, что имеет место в синхронных электрических машинах с магнитоэлектрическим возбуждением вместо () можно записать: m ф ф L = Lф, Lф m L = (3) Индуктивностям (3) соответствуют синхронные индуктивные сопротивления x и x. В абсолютных и относительных единицах они равны: x = ω L = πfl,x = ωl = πfl (4) x Iфн x =, U фн xiфн x = (5) U фн Собственную эквивалентную индуктивность фазы m-фазной обмотки переменного тока можно найти, исходя из собственной энергии магнитного поля этой обмотки. Если обмотка однофазная и по ней протекает номинальный фазный ток, то эта энергия равна: 1 W 1ф = LфI mфн, (6) где I mфн амплитуда номинального фазного тока. Если обмотка многофазная, то, заменяя ее однофазной с эквивалентным током m I экв = ф I m фн, вместо (6) можно записать: 1 1 m m m m W L I L I L I = 4 4 ф ф ф ф mф = ф экв = ф mфн = ф mфн эф mфн (7) L I Выражение (7) дает связь между энергией магнитного поля многофазной обмотки и эквивалентной индуктивностью фазы. Для синхронной машины с магнитной несимметрией из соотношения (7) следует, что 17

18 4W ( ) ( ) mф mф L =, m I m I ф mфн ф mфн 4W L = (8) Минимальная по размерам область в плоскости поперечного сечения машины при моделировании магнитного поля продольной или поперечной реакции якоря соответствует половине полюсного деления. В настоящей работе из соображений наглядности она выбрана таким образом, что соответствует полюсному делению машины, число которых равно p. При этом, поскольку при плоскопараллельной постановке электромагнитных задач осевые линейные размеры области поля принимаются единичными, то полная собственная энергия магнитного поля многофазной обмотки статора при моделировании и полей реакции якоря будет равна: W () ( 1 ) = pw l, Wm ф = pw l p, (9) () (1) mф τ p τ где W τ, ( 1 ) (1) W τ -энергии магнитного поля m-фазной обмотки якоря на единицу длины машины, соответствующие одному полюсному делению; l p — расчетная длина сердечника статора машины (l р =l t1 ). На основании вышеизложенного окончательные выражения для индуктивных сопротивлений x и x будут следующими: x π 8 p f l p (1) (1) = Wτ = k Wτ, m I U ф фн фн x π 8 p f l p (1) (1) = Wτ = k Wτ, (10) m I U ф фн фн где коэффициент пропорциональности k в рассматриваемом случае равен: k = π 8 p f l π = = m I U ф фн p 4 фн м Дж (11) Энергии магнитного поля ( 1 ) ( 1 ) W τ, W τ были определены с помощью мастера индуктивностей комплекса «Elcut» по результатам расчета магнитных по- 18

19 лей продольной и поперечной реакции якоря и соответственно составили следующие значения: () Дж W 1 = м τ, () Дж W 1 τ = (1) м В результате синхронные индуктивные сопротивления в относительных единицах согласно (10)-(1) оказались равны: x = = 0.368, x = = Для определения результирующего магнитного поля двигателя под нагрузкой необходимо положительную ось магнитного поля якоря сместить относительно положительной оси магнитного поля ротора на определенный угол, который зависит от угла φ и угла нагрузки θ. Угол φ (или cosφ), как правило, задан, а угол θ между вектором Э.Д.С. и вектором напряжения можно найти, исходя из уравнения напряжений синхронной машины. Пренебрегая активным сопротивлением обмотки статора, запишем уравнение напряжений синхронной машины в виде, который справедлив как для генераторного, так и для двигательного режима работы. В относительных единицах оно имеет следующий вид: E & = U& + jx I& + jx I&, (13) где E& U & ф =, E фн U& U & ф =, U фн I& I& =, I фн I& I& =, I фн. I… I ф + I = I = (14) I фн Для номинального режима нагрузки U н =1, I н =1, а уравнение (14) еще более упрощается и принимает вид: E & = 1 + jx I& + jx I& (15) н 19

20 Из векторной диаграммы на рис.16, построенной по уравнению (15) для двигательного режима работы при номинальной нагрузке и опережающем токе статора можно получить, что θ н x cosϕн = arctg, (16) 1 x sinϕ н где π/ φ н π. Поскольку cosφ н задан, то с учетом последнего соотношения угол φ н следует определять, как ϕ н o = 180 arcsin 1 cosϕн = 180 o arcsin = o При этом согласно (16) θ н cos158.9 = arctg sin158.9 = o 35.6 Теперь из той же векторной диаграммы можно найти электрический, а, следовательно, и геометрический угол сдвига между положительными осями магнитных полей ротора и статора. Этот угол равен: α гн = 90 o + θ н o o o o o ( 180 ϕн ) ( ) o p = = 5 Наконец, интересно определить модуль Э.Д.С. при номинальной нагрузке и опережающем токе. Из уравнения напряжений (15) и рассмотрения векторной диаграммы можно показать, что E н = E& = cos θ + x sinψ, н н н где ψ н угол сдвига между вектором Э.Д.С. и вектором тока, равный ψ н =360 — θ н — φ н =360 -( )=

21 Рис.16. Векторная диаграмма синхронного двигателя при опережающем токе. Следовательно, согласно последним выражениям Э.Д.С. E н равна: E н =cos sin(165.5 ) = Результаты моделирования магнитного поля двигателя в режиме номинальной нагрузки представлены на рис.17 — рис.0. 1

22 Рис.17. Картина результирующего магнитного поля двигателя в режиме номинальной нагрузки

23 Рис.18. Распределение радиальной составляющей магнитной индукции в режиме номинальной нагрузки на уровне середины воздушного зазора Амплитуды (Индукция B) Гармоника Фазы Гармоника Рис.19. Гармонический состав кривой магнитного поля в середине зазора в режиме номинальной нагрузки. 3

24 Рис.0. Реальная кривая магнитного поля и ее первая (основная) гармоника в режиме номинальной нагрузки. Остальные результаты моделирования и расчета магнитных полей в рассматриваемом двигателе можно найти в соответствующих Elcut файлах, которые в полном объеме прилагаются к настоящей статье. 4

Расчет магнитной цепи синхронной машины при хх

Страница 24 из 51

Расчет магнитной цепи выполняется с целью определения МДС обмотки возбуждения, необходимой для создания требуемого магнитного потока при холостом ходе:

, (5.1)
где — коэффициент формы поля.
Магнитная цепь машины на пару полюсов представлена на рис. 5.5. Для расчета магнитной цепи используют уравнение полного тока
. (5.2)
Интегрирование ведется вдоль средней силовой линии, разделенной на пять участков: воздушный зазор (1), зубцовая зона статора (2), ярмо статора (3), полюс (4) и ярмо ротора (5) в предположении, что напряженность магнитного поля каждого участка постоянна:
. (5.3)
Каждый линейный интеграл определяет магнитное напряжение на соответствующем участке, а сумма токов в левой части представляет собой полный ток обмотки возбуждения, охватываемый контуром интегрирования,
. (5.4)
Магнитное напряжение воздушного зазора
,
где — максимальная индукция в зазоре; — расчетная длина машины; — расчетная ширина полюсного наконечника; — коэффициент полюсного перекрытия; — коэффициент воздушного зазора, учитывающий влияние зубчатости статора и ротора на магнитное сопротивление зазора.
Магнитное напряжение зубцов статора

определяется по средней напряженности поля в зубце, равной ее значению на высоте от головки зубца. Принимая допущение, что магнитный поток зубцового деления

полностью проходит через зубец, находим индукцию на высоте от головки зубца:
,
где — длина сердечника статора; — коэффициент заполнения сердечника сталью; — ширина зубца в сечении на высоте от головки зубца.
Напряженность поля в зубце определяется по характеристике намагничивания стали для найденной индукции .
Магнитное напряжения ярма статора

находим по максимальной напряженности поля в ярме, соответствующей по кривой намагничивания стали индукции,
,
где — высота ярма статора.
Коэффициент x учитывает непостоянство напряженности поля по длине участка .
Магнитное напряжение сердечника полюса определяется по максимальной напряженности поля у основания полюса:
.
Расчет магнитного поля в полюсе выполняется с учетом потока рассеяния обмотки возбуждения
,
где — коэффициент рассеяния полюсов.
Этому потоку соответствует индукция у основания полюса:

,
где — расчетная длина сердечника полюса; — ширина сердечника полюса.
Напряженность поля определяется по кривой намагничивания стали полюса для магнитной индукции .
Магнитное напряжение ярма ротора
,
где — максимальная напряженность поля в ярме, соответствующая индукции
,
где — длина средней силовой линии на участке ярма ротора; — длина ярма ротора; — высота ярма ротора.
Расчет магнитной цепи выполняется для 5-7 значений ЭДС в диапазоне от 0,5 до 1,3 . Результаты расчетов представляются в виде характеристики холостого хода или характеристики намагничивания , построенных в относительных единицах (рис. 5.6). При этом за базисные значения принимаются номинальное напряжение , соответствующий ему магнитный поток

и МДС возбуждения при .
Характеристика холостого хода и характеристика намагничивания в относительных единицах совпадают. По характеристике холостого хода определяют коэффициент насыщения
.
В хорошо спроектированной машине
.
При малом насыщении () возрастает масса стали, а при глубоком насыщении () существенно увеличивается ток возбуждения.

Формулы и уравнения синхронных, шаговых и двигателей переменного тока

Формулы и уравнения машин переменного тока для шаговых и синхронных двигателей

Ниже приведены полезные уравнения и формулы для двигателей переменного тока при проектировании и анализе синхронных двигателей, шаговых двигателей и других связанных с ними машин переменного тока.

Синхронная машина:

Скорость синхронной машины:

Синхронные машины предназначены для работы на синхронной скорости, которая определяется как:

Где

• N _с синхронная скорость
• f частота сетевого напряжения
• P — количество полюсов в машине

Синхронный двигатель:

Уравнение напряжения синхронного двигателя:

V = E _b  + I _a (R _a  + jX _s )

Где

Результирующее напряжение:

Разница между приложенным напряжением V и противо-ЭДС известна как результирующее напряжение E _R

Е _Р  = В – Е _б

E _R  = I _a (R _a  + jX _s )

Внутренний угол:

Это угол, на который ток якоря I _a отстает от результирующего напряжения в якоре E _R , и определяется как;

Генерация противоЭДС:

E _b = K _a φ _a N _s

Где

• K _a = постоянная обмотки якоря
• φ _a = магнитный поток на полюс ротора
• N _с  = синхронная скорость ротора

Похожие сообщения:

Различные возбуждения:

• E _b  = V              Нормальное возбуждение                             Отстающий коэффициент мощности
• E _b  < V             Недостаточное возбуждение                                             Отстающий коэффициент мощности
• E _b  > V              Перевозбуждение                                Опережающий коэффициент мощности

Входная мощность:

Входная мощность синхронного двигателя определяется как:

Где

Φ угол между V и I _a

Механическая мощность в роторе:

Где

• α — угол нагрузки между E _b и V
• Φ угол между V и I _a
• T _г  – максимальный крутящий момент
• N _с синхронная скорость

Похожие сообщения:

Формулы шаговых двигателей

Угол шага:

Где

• β = угол шага, угол поворота вала при каждом импульсе.
• N _s  = количество полюсов или зубьев статора
• N _r = количество полюсов или зубьев ротора

Разрешение шагового двигателя:

Количество шагов, необходимых для совершения одного оборота, определяется по формуле;

Чем выше разрешение, тем выше точность шагового двигателя.

Скорость двигателя:

Где

• n = скорость двигателя в оборотах в секунду
• f = частота шагового импульса

Связанные формулы и уравнения Сообщений:

Электрические асинхронные двигатели — синхронная скорость

Синхронная скорость электрического асинхронного двигателя определяется

• источником питания частотой и
• числом полюсов в обмотке двигателя.

Синхронная скорость может быть рассчитана как:

N = F (2 / p) 60 (1)

где

N = Скорость вращения вала (REV / MIN, RPM)

F F F 1 = Частота электропитания (Гц, циклы / сек, 1 / с)

p = Количество полюсов

6

Примечание — An асинхронный двигатель никогда не достигнет своей синхронной скорости.Если бы это было так, то ротор казался бы неподвижным по отношению к вращающемуся полю статора, поскольку он вращался бы с той же скоростью. При отсутствии относительного движения между полем статора и ротора в двигателе не будет индуцироваться напряжение. Поэтому скорость асинхронного двигателя ограничивается скоростью ниже синхронной скорости, а разница между синхронной скоростью и фактической скоростью называется скольжением.

Пример — Синхронная скорость электродвигателя с двумя полюсами

На двигатель с двумя полюсами подается питание с частотой 50 Гц (1/с) .Скорость вращения можно рассчитать как

n = (50 1/с) (2 / 2) (60 с/мин)  

   = 3000 об/мин (1/мин)

8

8 Скорость вращения на разных частотах и ​​количестве полюсов

8

90 365 450

скорость вращения вала — N — (REV / MIN, RPM) 2 3 — F — (HZ) 2							Количество полюса — р —
2	4	6	8	10	12
10	600	300	200	150	120	100
20
1200	600	400	400	300	240	200
30	900	900	600	360	300
40	2400	1200	800	600	480	400
50 1)	3000	1500	1 000	750	600	500
60 2)	3600	1800	1200	900	720	600
70	4200	2100	1400	1050	840	700
80	4800	2400	1600	1200	960	800
90	5400	2700	1800	1350	1080	900
100	6000	3000	2000	1500	1200	1000

1. Двигатели, рассчитанные на 50 Гц, наиболее распространены за пределами U.S
2. Двигатели, рассчитанные на 60 Гц, наиболее распространены в США.

Преобразователь частоты

Преобразователь частоты модулирует скорость электродвигателя путем изменения частоты источника питания.

Сравнение аналитического подхода и метода конечных элементов с измерениями

GIERAS et al.: РАСЧЕТ СИНХРОННЫХ РЕАКТИВНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ 3719

Рис. 11. Реактивное сопротивление рассеяния статора в зависимости от тока якоря при

Гц.

между и увеличивается от отрицательных до положительных значений.

Поэтому были получены два значения

и для малых значений тока якоря

[рис. 9(а) и 10(а)].

Классический подход игнорирует этот эффект.

Расчет реактивного сопротивления рассеяния

на основе

МКЭ дает немного разные результаты при использовании

и Оба результата очень близки к аналитическим результатам

(рис.11).

VI. C

ONCLUSION

Аналитический и конечно-элементный подход к расчету синхронных реактивных сопротивлений

сравнивался с экспериментальными испытаниями нового типа синхронного двигателя с постоянными магнитами с поверхностными ПМ

и полюсными башмаками из мягкой стали. Выполнен полный сравнительный анализ (метод МКЭ потокосцепления, возмущение тока/энергии МКЭ, классический подход

и измерения) реактивных сопротивлений для широкого

диапазона нагрузки.

Поскольку популярность синхронных двигателей с постоянными магнитами в современных электроприводах

в последнее время возросла, существует потребность в надежных методах прогнозирования рабочих характеристик

вновь проектируемых машин. Точность расчета тока якоря

, электромагнитной мощности и электромагнитного

момента синхронного двигателя зависит в первую очередь от правильной оценки

синхронных реактивных сопротивлений

и

. Коэффициенты поля якоря достаточны для оценки синхронных реактивных сопротивлений типичных явнополюсных синхронных машин с электромагнитным возбуждением, они не всегда могут дать хорошие результаты в случае небольших двигателей с постоянными магнитами.Двигатели PM ac

часто имеют сложную конструкцию ротора, а магнитное поле воздушного зазора

трудно выразить аналитическими уравнениями.

В испытанном двигателе с поверхностными ПМ и тонкими полюсными башмаками из мягкой стали

МКЭ дает лучшие результаты, чем аналитический подход

(рис. 9 и 10). Следовательно, классический аналитический подход не рекомендуется при проектировании высокопроизводительных синхронных машин с ПМ для современных систем электропривода.

Для экспериментальной проверки синхронных реактивных сопротивлений рекомендуется

комбинация уравнения, полученного из векторной диаграммы

, и измерения угла нагрузки

на многомашинной установке

. Таким образом, трудная задача лабораторных

измерений

и малых синхронных двигателей

кажется успешно решенной.

R

ССЫЛКИ

[1] А. Арккио, «Анализ конечных элементов асинхронных двигателей с шагом времени»,

, представленный на Int.конф. Избрать. Мах. ICEM’88, Пиза, Италия, 1988, том. 1,

стр. 275–290.

[2] В. А. Балагуров, Ф. Ф. Галтиев, А. Н. Ларионов, Постоянный магнит

Электрические машины, (на русском языке). М., Россия: Энергия, 1964.

. [3] Чари М.В.К., Сильвестр П.П. Анализ магнитных полей турбогенератора

методом конечных элементов // IEEE Trans. Электропитание Аппарт. Syst., vol 92, pp.

454–464, 1973.

H. Minnich, S.C. Tandon, J.

Berkery, «Нагрузочные характеристики синхронных генераторов по методу конечных элементов

», IEEE Trans. Электропитание Аппарт. сист., вып. 100, нет. 1, pp.

1–13, 1981.

[5] А. Деменко, «Пошаговый анализ КЭ электродвигателей с полупроводниковыми преобразователями

», IEEE Trans. Маг., вып. 30, pp. 3264–3267,

, сентябрь 1994 г.

[6] Н.А. Демердаш и Х.Б. .Электропитание Аппарт. сист., вып. 95, нет. 2, pp. . Маг., вып. 18, pp. », IEEE Trans.Энергия

Конверсия, об. 3, нет. 3, pp. 705–713, 1988.

[9] E. F. Fuchs and E. A. Erd

´

elyi, «Определение стационарных реактивных сопротивлений генератора с водяным колесом

по графикам потоков», IEEE Trans. Электропитание Аппарт.

Сист., том. 91, стр. 2510–2527, 1972.

[10] JF Gieras and M. Wing, Технология двигателей с постоянными магнитами:

Design and Applications. Нью-Йорк: Марсель Декер, 1996.

[11] В. Б. Хонсингер, «Производительность многофазных машин с постоянными магнитами

», IEEE Trans.Электропитание Аппарт. сист., вып. 99, нет. 1510–1516,

1980.

. 2. Москва,

Россия: Мир, 1974.

13. Лоутер Д.А., Сильвестр П.П. Автоматизированное проектирование в магнетике.

Berlin: Springer-Verlag, 1986.

[14] С. А. Насар, И. Болдеа и Л. Э. Унневер, Постоянный магнит, реактивность Re-

и самосинхронные двигатели. Бока-Ратон, Флорида: CRC Press,

1993.

[15] Т. В. Нель, Ф. А. Фуад и Н. А. Демердаш, «Определение

значений насыщения инкрементной и кажущейся

индуктивностей вращающихся машин методом возмущения энергии», IEEE Trans. Мощность

Аппарт. сист., вып. 101, нет. 12, pp. 4441–4451, 1982.

[16] H.M. Norman, «Кривые насыщения при блокировке асинхронного двигателя», Elec. Eng.,

, 1934. 536–541.Москва, Россия: Энергия,

1976.

[18] Павлик Д., Гарг В.К., Репп Дж. Р., Вайс Дж. Метод конечных элементов

для расчета размеров магнитов и индуктивностей машин с постоянными магнитами

. », IEEE Trans. Преобразование энергии, т. 1, с. 3 нет. 1, pp.

116–122, 1988.

[19] М. А. Рахман и А. М. Ошейба, «Производительность синхронных двигателей с магнитным пуском большой мощности», IEEE Trans. Преобразование энергии,

vol.5, нет. 1, pp. 211–217, 1990.

[20] М. А. Рахман и П. Чжоу, «Определение параметров насыщения двигателей

с постоянными магнитами с использованием нагрузочных магнитных полей», IEEE Trans. Маг., вып. 27,

, стр. 3947–3950, сентябрь 1991 г.

[21] П. П. Сильвестр и Р. Л. Феррари, Конечные элементы для инженеров-электриков,

, 2-е изд. Кембридж, Великобритания: Кембриджский университет. Press, 1990.

[22] W. Szel¸ag, «Численный метод определения параметров синхронных двигателей с постоянными магнитами», представленный на 12thSymp.Электромагн.

Явления нелинейных цепей, Познань, Польша, 1991, стр. 331–335.

[23] Р. Ван и Н. А. Демердаш, «Сравнение характеристик нагрузки и

других параметров сверхвысокоскоростных модифицированных генераторов Лунделла для

3-D-FE решений магнитного поля», IEEE Trans. Преобразование энергии, т. 1, с.

7, вып. 2, стр. 342–352, 1992.

Синхронный двигатель с постоянными магнитами на основе потока

Описание

Блок СДПМ на основе потока реализует трехфазный постоянный магнитосинхронный двигатель (СДПМ) с табличной ЭДС.Блок использует трехфазные входные напряжения для регулирования отдельных фазных токов, что позволяет контроль крутящего момента или скорости двигателя.

Модели двигателей на основе потока учитывают магнитное насыщение и потери в стали. К рассчитать магнитное насыщение и потери в железе, PMSM на основе потока блок использует инверсию потокосцеплений. Чтобы получить параметры блока, вы можете использовать методом конечных элементов (МКЭ) или измерением фазных напряжений с помощью динамометра.

По умолчанию блок устанавливает Моделирование Введите параметр для Continuous для использования непрерывного шаг расчета во время моделирования. Если вы хотите сгенерировать код для двойного и цели с одинарной точностью, учитывая установку параметра на Дискретный . Затем укажите Sample Time, Ts параметр.

Чтобы включить расчет потерь мощности, подходящий для целей генерации кода, которые ограничивают memory, выберите Включить оптимизированную для памяти 2D LUT .

Трехфазная синусоидальная электрическая система модели

Блок реализует уравнения, которые выражены в стационарной ссылке ротора (dq) кадр. Ось d выравнивается с a -ось. Все величины в системе отсчета ротора относится к статору.

Блок использует эти уравнения.

Расчет Уравнение напряжение vd=dψddt+Rsid−ωeψqvq=dψqdt+Rsiq+ωeψd q — и d -ось ток id=f(ψd,ψq)iq=g(ψd,ψq) Электромеханический крутящий момент Te=1.5P[ψdiq−ψqid]

Эти переменные используются в уравнениях.

ω м	Механическая скорость ротора
ω е	Электрическая скорость ротора
Θ от	dq Электрический угол статора относительно ротора ось
Р с , р р	Сопротивление обмоток статора и ротора, соответственно
я к , и д	q — и d — ось ток соответственно
в к , в г	q — и d — ось напряжение соответственно
Ψ q , Ψ г	q — и d — ось магнитный поток соответственно
Р	Количество пар полюсов
Т и	Электромагнитный крутящий момент

Преобразователи

Для расчета напряжений и токов в симметричных трехфазных ( a , b ) величины, квадратурные двухфазные ( α , β ) количество и вращение ( d , q ) опорные кадры, блок использует Преобразования Кларка и Парка.

В уравнениях преобразования.

Преобразование	Описание	Уравнения
Кларк	Преобразует сбалансированные трехфазные величины ( a , b ) в сбалансированный двухфазные квадратурные величины ( α , β ).	xα= 23xa− 13xb −13xcxβ= 32xb− 32xc
Парк	Преобразует сбалансированные двухфазные ортогональные стационарные величины ( α , β ) в ортогональная вращающаяся система отсчета ( d , q ).	xd= xαcosθe+ xβsinθexq=–xαsinθe+ xβcosθe
Инверс Кларк	Преобразует сбалансированные двухфазные квадратурные величины ( α , β ) в сбалансированный трехфазные количества ( a , б ).	xa= xaxb= −12xα+ 32xβxc= −12xα− 32xβ
Инверс Парк	Преобразует ортогональную вращающуюся систему отсчета ( d , q ) в сбалансированный двухфазные ортогональные стационарные величины ( α , β ).	xα= xdcosθe− xqsinθexβ= xdsinθe+ xqcosθe

Преобразования используют эти переменные.

ω м	Механическая скорость ротора
П	Пары полюсов двигателя
ω е	Электрическая скорость ротора
Θ e	Электрический уголок ротора
х	Фазный ток или напряжение

Механическая система

Угловая скорость ротора определяется как:

ddtωm=1J(Te-Tf-Fωm-Tm)dθmdt=ωm

Эти переменные используются в уравнениях.

J

F F 6	Комбинированное вязкое трение ротора и загрузить
θ м	Ротор механический угловое положение
Т м	Вал ротора крутящий момент
Т е	Электромагнитный крутящий момент
Т F	Комбинированный ротор и трение момент нагрузки
ω м	ротора механическая скорость

Учет мощности

Для учета мощности блок реализует эти уравнения.

PwrBus PwrElecLoss PwrMechLoss утра

P P

5

PSTR = PBUS + PMOT + PELEC + PMECH

Автобус			Описание	Разместимость	Уравнения
	Pwrinfo	PwrTrnsfrd — Мощность, передаваемая между блоками	PwrMtr 90 812	Механическая мощность	Р MOT	Pmot = -ωmTe
				Электрическая мощность	P автобус	Pbus= vania+ vbnib+vcnic
		PwrNotTrnsfrd — Сила пересечения блока граница, но не передана		Потери мощности резистивный	Р элек	Pelec = -32 (Rsisd2 + Rsisq2)
				Механические потери мощности	P mech	Когда Конфигурация порта имеет значение Крутящий момент : Pmech= −(ωm2F+ |ωm|Tf) Когда Порт Конфигурация настроена на Скорость : Pмех= 0
PwrStored — Скорость изменения сохраненной энергии			PWRMtrstored	хранимой моторной мощности

Уравнения используют эти переменные.

R _S

Сопротивление статора
I A , я б , i c	Статор, фазы a, b и c, ток
i sq , i sd	Токи по осям q и d статора
v и , в бн , V CN CN	статора фазы A, B, и C Nottage
Ω м	угловая механическая скорость ротора
F	Комбинированный двигателя и нагрузки вязкого затухания
T е	Электромагнитный крутящий момент
Т F	Комбинированный двигателя и нагрузки момент трения

Оптимизация памяти справочной таблицы

Данные для Соответствующий ток оси d, идентификатор и Соответствующий ток по оси q, интерполяционные таблицы iq функции d - и q - оси поток.

Для включения текущих вычислений, подходящих для целей генерации кода, которые ограничивают memory, выберите Включить оптимизированную для памяти 2D LUT . Блок использует линейная интерполяция для оптимизации текущих значений интерполяционной таблицы для кода поколение. Эта таблица суммирует реализацию оптимизации.

Вариант использования		Реализация
d - и q - поток оси совпадает с поиском значения точки останова таблицы.		Текущий, оптимизированный для памяти, является текущим значением таблицы поиска на пересечении значений потока.
д - и q - Поток оси не совпадает с значения контрольной точки интерполяционной таблицы, но находится в пределах спектр.		Оптимизированный для памяти ток представляет собой линейную интерполяцию между соответствующими значениями потока.
д - и q - Поток оси не совпадает с значения точки останова таблицы поиска и находится за пределами спектр.		Невозможно вычислить ток, оптимизированный для памяти. Блокировать использование экстраполированные данные.

Экстраполяция

Таблицы поиска, оптимизированные для генерации кода, не поддерживают экстраполяцию для данных, выходящих за пределы допустимого диапазона.Тем не менее, вы можете включить предварительно рассчитанный значения экстраполяции в справочной таблице потерь мощности, выбрав Укажите экстраполяцию .

Блок использует параметры конечной точки для изменения размера данных таблицы.

Пользовательский ввод
	6

Ссылки

[1] Ху, Дакай, Язан Альсмади и Лонгос Сюй.«Высокоточное нелинейное моделирование IPM на основе измеренный потокосцепление обмотки статора». IEEE ^® Transactions on Industry Applications , Vol. 51, № 4, Июль/август 2015 г.

[2] Чен, Сяо, Цзябин Ван, Бхаскар Сен, Панайотис Ласари, Тяньфу Сун. «Высокоточная и вычислительно эффективная модель внутренних машин с постоянными магнитами с учетом Магнитное насыщение, пространственные гармоники и эффект потерь в железе». IEEE Transactions on Industrial Electronics , Vol.62, № 7, июль 2015.

[3] Оттоссон, Дж., М. Алакула. «А реализация компактного контроллера ослабления поля». Международный симпозиум по Силовая электроника, электрические приводы, автоматизация и движение , июль, 2006.

Синхронные двигатели | Двигатели переменного тока

Однофазные синхронные двигатели

Однофазные синхронные двигатели доступны в небольших размерах для приложений, требующих точной синхронизации, таких как хронометраж (часы) и магнитофоны.Хотя кварцевые часы с батарейным питанием широко доступны, часы с питанием от сети переменного тока имеют лучшую долгосрочную точность - в течение нескольких месяцев.

Это связано с тем, что операторы электростанций намеренно поддерживают долговременную точность частоты системы распределения переменного тока. Если он отстанет на несколько циклов, они восполнят потерянные циклы переменного тока, так что часы не потеряют время.

Большие и малые синхронные двигатели

Более 10 лошадиных сил (10 кВт) более высокий КПД и ведущий коэффициент мощности делают большие синхронные двигатели полезными в промышленности.Большие синхронные двигатели на несколько процентов более эффективны, чем более распространенные асинхронные двигатели, хотя синхронный двигатель более сложен.

Так как двигатели и генераторы похожи по конструкции, должна быть возможность использовать генератор в качестве двигателя и, наоборот, использовать двигатель в качестве генератора.

Асинхронный двигатель похож на генератор переменного тока с вращающимся полем. На рисунке ниже показаны небольшие генераторы переменного тока с вращающимся полем постоянного магнита. На приведенном ниже рисунке могут быть либо два параллельно включенных и синхронизированных генератора переменного тока, приводимых в действие механическими источниками энергии, либо генератор переменного тока, приводящий в движение синхронный двигатель.Или это могут быть два мотора, если будет подключен внешний источник питания.

Дело в том, что в любом случае роторы должны работать на одной номинальной частоте и находиться в фазе друг с другом. То есть они должны быть синхронизированы . Процедура синхронизации двух генераторов состоит в том, чтобы (1) разомкнуть выключатель, (2) запустить оба генератора с одинаковой частотой вращения, (3) опережать или замедлять фазу одного генератора до тех пор, пока оба выхода переменного тока не совпадут по фазе, (4) замкнуть переключатель до того, как они сдвинутся по фазе.

После синхронизации генераторы будут заблокированы друг с другом, и потребуется значительный крутящий момент, чтобы отделить один блок (рассинхронизированный) от другого.

 

Синхронный двигатель, работающий синхронно с генератором

 

Учет крутящего момента синхронных двигателей

Если к ротору одного из вышеперечисленных вращающихся генераторов приложен больший крутящий момент в направлении вращения, угол ротора будет опережать (в отличие от (3)) по отношению к магнитному полю в катушках статора, все еще синхронизируясь и ротор будет подавать энергию в линию переменного тока, как генератор переменного тока.

Ротор также будет сдвинут относительно ротора другого генератора. Если к одному из вышеперечисленных устройств приложена нагрузка, такая как тормоз, угол ротора будет отставать от поля статора, как в (3), извлекая энергию из линии переменного тока, как двигатель.

Если применяется чрезмерный крутящий момент или сопротивление, ротор превысит максимальный угол крутящего момента опережения или отставания настолько, что синхронизация будет потеряна. Крутящий момент развивается только при сохранении синхронизации двигателя.

Увеличение скорости синхронных двигателей

В случае небольшого синхронного двигателя вместо генератора нет необходимости выполнять сложную процедуру синхронизации генераторов. Однако синхронный двигатель не запускается самостоятельно, и его необходимо довести до приблизительной электрической скорости генератора, прежде чем он заблокируется (синхронизируется) со скоростью вращения генератора.

После набора скорости синхронный двигатель будет поддерживать синхронность с источником питания переменного тока и развивать крутящий момент.

 

Синусоидальный синхронный двигатель

 

Предполагая, что скорость двигателя достигает синхронной, когда синусоида меняется на положительную на рисунке выше (1), нижняя северная катушка толкает северный полюс ротора, а верхняя южная катушка притягивает северный полюс ротора. Аналогичным образом южный полюс ротора отталкивается верхней южной катушкой и притягивается к нижней северной катушке.

К тому времени, когда синусоида достигает пика в точке (2), крутящий момент, удерживающий северный полюс ротора, достигает максимума.Этот крутящий момент уменьшается по мере того, как синусоида уменьшается до 0 В постоянного тока в точке (3) при минимальном крутящем моменте.

Когда синусоида меняется на отрицательную между (3 и 4), нижняя южная катушка толкает южный полюс ротора, притягивая при этом северный полюс ротора. Аналогичным образом северный полюс ротора отталкивается верхней северной катушкой и притягивается к нижней южной катушке. В (4) синусоида достигает отрицательного пика с удерживающим моментом снова на максимуме. Когда синусоида меняется с отрицательной на 0 В постоянного тока на положительную, процесс повторяется для нового цикла синусоиды.

Обратите внимание: на приведенном выше рисунке показано положение ротора при отсутствии нагрузки (α=0°). На практике нагрузка на ротор приводит к тому, что ротор отстает от положения, показанного углом α. Этот угол увеличивается с нагрузкой до тех пор, пока максимальный крутящий момент двигателя не будет достигнут при α=90°.

Синхронизация и крутящий момент теряются за пределами этого угла. Ток в катушках однофазного синхронного двигателя пульсирует при изменении полярности.

Если скорость ротора с постоянными магнитами близка к частоте этого чередования, он синхронизируется с этим чередованием.Поскольку поле катушки пульсирует и не вращается, необходимо довести скорость ротора с постоянными магнитами до нужной скорости с помощью вспомогательного двигателя. Это небольшой асинхронный двигатель, подобный тем, что описаны в следующем разделе.

 

Добавление полюсов поля снижает скорость

 

2-полюсный (пара полюсов север-юг) генератор переменного тока будет генерировать синусоидальный сигнал частотой 60 Гц при вращении со скоростью 3600 об/мин (оборотов в минуту). 3600 об/мин соответствует 60 оборотам в секунду.Аналогичный двухполюсный синхронный двигатель с постоянными магнитами также будет вращаться со скоростью 3600 об/мин.

Двигатель с более низкой скоростью может быть сконструирован путем добавления большего количества пар полюсов. 4-полюсный двигатель будет вращаться со скоростью 1800 об/мин, 12-полюсный — со скоростью 600 об/мин. Показанный стиль конструкции (рисунок выше) приведен для иллюстрации. Синхронные двигатели с многополюсным статором с более высоким КПД и большим крутящим моментом фактически имеют несколько полюсов в роторе.

 

Однообмоточный 12-полюсный синхронный двигатель

 

Вместо того, чтобы наматывать 12 катушек для 12-полюсного двигателя, намотайте одну катушку с двенадцатью встречно-штыревыми стальными полюсами, как показано на рисунке выше.Хотя полярность катушки меняется из-за приложенного переменного тока, предположим, что верхняя часть временно находится на севере, а нижняя — на юге.

Полюсные наконечники направляют южный поток снизу и снаружи катушки вверх. Эти 6 южных чередуются с 6 южными выступами, отогнутыми вверх от вершины стального полюсного наконечника катушки. Таким образом, стержень ротора с постоянным магнитом столкнется с 6-полюсными парами, соответствующими 6 циклам переменного тока за один физический оборот стержневого магнита.

Скорость вращения будет составлять 1/6 от электрической скорости переменного тока.Скорость ротора будет составлять 1/6 скорости вращения 2-полюсного синхронного двигателя. Пример: 60 Гц будет вращать 2-полюсный двигатель со скоростью 3600 об/мин или 600 об/мин для 12-полюсного двигателя.

 

Перепечатано с разрешения Westclox History на сайте www.clockHistory.com

 

Статор (рисунок выше) показывает 12-полюсный синхронный двигатель Westclox. Конструкция аналогична предыдущей фигуре с одной катушкой. Конструкция с одной катушкой экономична для двигателей с низким крутящим моментом.Этот двигатель со скоростью вращения 600 об/мин приводит в движение редукторы, двигающие стрелки часов.

В: Если бы двигатель Westclox работал со скоростью 600 об/мин от источника питания с частотой 50 Гц, сколько полюсов потребовалось бы?

A: 10-полюсный двигатель будет иметь 5 пар полюсов N-S. Он будет вращаться со скоростью 50/5 = 10 оборотов в секунду или 600 об/мин (10 с-1 х 60 с/мин).

 

Перепечатано с разрешения Westclox History на сайте www.clockHistory.com

 

Ротор (рис. выше) состоит из стержня с постоянными магнитами и стальной чашки асинхронного двигателя.Стержень синхронного двигателя, вращающийся внутри лепестков полюса, сохраняет точное время. Чашка асинхронного двигателя снаружи стержневого магнита устанавливается снаружи и над выступами для самостоятельного запуска. Одно время выпускались несамозапускающиеся двигатели без асинхронного двигателя.

Трехфазные синхронные двигатели

Трехфазный синхронный двигатель, как показано на рисунке ниже, создает электрически вращающееся поле в статоре. Такие двигатели не запускаются самостоятельно, если они запускаются от источника питания с фиксированной частотой, такой как 50 или 60 Гц, как в промышленных условиях.

Кроме того, ротор является не постоянным магнитом для двигателей мощностью в несколько лошадиных сил (несколько киловатт), используемых в промышленности, а электромагнитом. Большие промышленные синхронные двигатели более эффективны, чем асинхронные двигатели. Они используются, когда требуется постоянная скорость. Имея опережающий коэффициент мощности, они могут скорректировать линию переменного тока на отстающий коэффициент мощности.

Три фазы возбуждения статора векторно складываются для создания единого результирующего магнитного поля, которое вращается f/2n раз в секунду, где f — частота сети питания, 50 или 60 Гц для промышленных двигателей, работающих от сети питания.Количество полюсов равно n. Для частоты вращения ротора в об/мин умножьте на 60.

 

 S = f120/n, где: S = частота вращения ротора в об/мин f = частота сети переменного тока n = количество полюсов на фазу 

 

3-фазный 4-полюсный (на каждую фазу) синхронный двигатель будет вращаться со скоростью 1800 об/мин при мощности 60 Гц или 1500 об/мин при мощности 50 Гц. Если катушки запитываются по одной в последовательности φ-1, φ-2, φ-3, то ротор должен поочередно указывать на соответствующие полюса.

Поскольку синусоидальные волны на самом деле перекрываются, результирующее поле будет вращаться не ступенчато, а плавно.Например, когда синусоидальные волны φ-1 и φ-2 совпадают, пик поля будет направлен между этими полюсами. Показанный стержневой магнитный ротор подходит только для небольших двигателей.

Ротор с несколькими магнитными полюсами (внизу справа) используется в любом эффективном двигателе, приводящем в движение значительную нагрузку. Это будут электромагниты с токосъемными кольцами в больших промышленных двигателях. Крупные промышленные синхронные двигатели запускаются автоматически с помощью встроенных в якорь проводников с короткозамкнутым ротором, действующих как асинхронный двигатель.

На электромагнитный якорь подается питание только после того, как ротор будет доведен до скорости, близкой к синхронной.

 

Трехфазный 4-полюсный синхронный двигатель

 

Малые многофазные синхронные двигатели

Небольшие многофазные синхронные двигатели можно запускать путем линейного увеличения частоты привода от нуля до конечной рабочей частоты. Многофазные управляющие сигналы генерируются электронными схемами и будут прямоугольными во всех приложениях, кроме самых требовательных.

Такие двигатели известны как бесщеточные двигатели постоянного тока. Истинные синхронные двигатели управляются синусоидальными сигналами. Можно использовать двух- или трехфазный привод, поставив соответствующее количество обмоток в статоре. Выше показано только 3 фазы.

 

Электронный синхронный двигатель

 

На блок-схеме показана электроника привода, связанная с синхронным двигателем низкого напряжения (12 В пост. тока). Эти двигатели имеют датчик положения , встроенный в двигатель, который выдает сигнал низкого уровня с частотой, пропорциональной скорости вращения двигателя.

Датчик положения может быть таким же простым, как полупроводниковые датчики магнитного поля, такие как устройства на эффекте Холла , обеспечивающие синхронизацию коммутации (направление тока якоря) с электроникой привода. Датчик положения может быть угловым датчиком с высоким разрешением, например резольвером, индуктосином (магнитным энкодером) или оптическим энкодером.

Если требуется постоянная и точная скорость вращения, (как для дисковода) могут быть включены тахометр и фазовая автоподстройка частоты (рисунок ниже).Этот сигнал тахометра, последовательность импульсов, пропорциональная скорости двигателя, подается обратно в контур фазовой автоподстройки частоты, который сравнивает частоту и фазу тахометра со стабильным источником опорной частоты, таким как кварцевый генератор.

 

Контур фазовой автоподстройки частоты управляет скоростью синхронного двигателя

 

Бесщеточный двигатель постоянного тока

Двигатель, приводимый в действие прямоугольными волнами тока, обеспечиваемый простыми датчиками на эффекте Холла, известен как бесщеточный двигатель постоянного тока .Этот тип двигателя имеет большее изменение крутящего момента в зависимости от оборота вала, чем двигатель с синусоидальным приводом. Для многих приложений это не проблема. Хотя в этом разделе нас в первую очередь интересуют синхронные двигатели.

 

Пульсирующий крутящий момент двигателя и механический аналог

 

Пульсирующий крутящий момент или заедание вызвано магнитным притяжением полюсов ротора к полюсным наконечникам статора. (Рисунок выше) Обратите внимание, что катушки статора отсутствуют.Ротор PM можно вращать вручную, но он будет испытывать притяжение к полюсным наконечникам, когда находится рядом с ними.

Это аналогично механической ситуации. Будет ли пульсация крутящего момента проблемой для двигателя, используемого в магнитофоне? Да, мы не хотим, чтобы двигатель попеременно ускорялся и замедлялся, когда он перемещает аудиоленту мимо головки воспроизведения ленты. Будет ли пульсация крутящего момента проблемой для двигателя вентилятора? №

 

Обмотки, распределенные по ремню, создают более синусоидальное поле

 

Если двигатель приводится в действие синусоидальными волнами тока, синхронными с противо-ЭДС двигателя, он классифицируется как синхронный двигатель переменного тока, независимо от того, генерируются ли формы сигналов привода электронными средствами.Синхронный двигатель будет генерировать синусоидальную обратную ЭДС , если магнитное поле статора имеет синусоидальное распределение.

Это будет более синусоидально, если полюсные обмотки будут распределены в ремне по многим пазам, а не сосредоточены на одном большом полюсе (как показано на большинстве наших упрощенных иллюстраций). Такая компоновка подавляет многие нечетные гармоники поля статора.

Пазы, имеющие меньшее количество витков на краю фазной обмотки, могут делить пространство с другими фазами.Намоточные ремни могут иметь альтернативную концентрическую форму, как показано на рисунке ниже.

 

Концентрические ремни

 

Для двухфазного двигателя, приводимого в движение синусоидой, крутящий момент остается постоянным на протяжении всего оборота по тригонометрическому тождеству:

 

 sin2θ + cos2θ = 1 

 

Генерация и синхронизация сигнала возбуждения требуют более точной индикации положения ротора, чем обеспечивают датчики Холла, используемые в бесщеточных двигателях постоянного тока.Резольвер или оптический или магнитный энкодер обеспечивает разрешение от сотен до тысяч частей (импульсов) на оборот.

Резольвер выдает аналоговые сигналы углового положения в виде сигналов, пропорциональных синусу и косинусу угла вала. Энкодеры обеспечивают цифровую индикацию углового положения в последовательном или параллельном формате.

Привод синусоидальной волны на самом деле может быть от ШИМ, широтно-импульсного модулятора , высокоэффективного метода аппроксимации синусоидальной волны цифровой формой волны.Для каждой фазы требуется электроника привода для этой формы волны, сдвинутая по фазе на соответствующую величину для каждой фазы.

 

ШИМ приближается к синусоиде

 

Преимущества синхронного двигателя

КПД синхронного двигателя выше, чем у асинхронных двигателей. Синхронный двигатель также может быть меньше, особенно если в роторе используются постоянные магниты высокой энергии. Появление современной твердотельной электроники позволяет управлять этими двигателями с переменной скоростью.

Асинхронные двигатели в основном используются в железнодорожной тяге. Однако небольшой синхронный двигатель, устанавливаемый внутри ведущего колеса, делает его привлекательным для таких применений. Версия этого двигателя с высокотемпературным сверхпроводником весит от одной пятой до одной трети веса двигателя с медной обмоткой.

Самый большой экспериментальный сверхпроводниковый синхронный двигатель, способный привести в движение корабль класса морского эсминца. Во всех этих применениях электропривод с регулируемой скоростью необходим.Привод с регулируемой скоростью также должен снижать напряжение привода на низкой скорости из-за уменьшения индуктивного сопротивления на более низкой частоте.

Для развития максимального крутящего момента ротор должен отставать от направления поля статора на 90°. Более того, он теряет синхронизацию. Гораздо меньше приводит к снижению крутящего момента. Таким образом, положение ротора должно быть точно известно. А положение ротора по отношению к полю статора необходимо рассчитывать и контролировать.

Этот тип управления известен как векторное фазовое управление .Он реализован с помощью быстрого микропроцессора, управляющего широтно-импульсным модулятором фаз статора. Статор синхронного двигателя такой же, как у более популярного асинхронного двигателя.

В результате электронное управление скоростью промышленного класса, используемое с асинхронными двигателями, также применимо к большим промышленным синхронным двигателям. Если ротор и статор обычного вращающегося синхронного двигателя развернуть, получится синхронный линейный двигатель.

Этот тип двигателя применяется для точного высокоскоростного линейного позиционирования.

 

СВЯЗАННЫЙ РАБОЧИЙ ЛИСТ:

Уравнение и калькулятор электродвигателя с собственной частотой

Связанные ресурсы: двигатели

Уравнение и калькулятор электродвигателя с собственной частотой

Электродвигатели, генераторы и приводы
Машиностроение
Механика и машиностроение

Собственная частота синхронных электродвигателей, непосредственно связанных с поршневыми механизмами Уравнения и калькулятор

Для ВСЕХ калькуляторов требуется членство Premium

Preview: Калькулятор собственной частоты электродвигателя

Незатухающая собственная частота колебаний электродвигателя синхронной машины, подключенной к бесконечной системе, составляет:

Где:

f _n = собственная частота в циклах в минуту
f = выходная частота двигателя (Гц)
n = синхронная скорость в оборотах в минуту
P _r = коэффициент синхронизирующего момента
W = вес всех вращающихся частей в фунтах
k = радиус вращения вращающихся частей в футах

Когда к его валу приложен пульсирующий крутящий момент, ротор синхронной машины будет колебаться вокруг своего среднего углового положения во вращающемся магнитном поле, создаваемом токами в статоре.В результате этого колебания на воздушном зазоре будет развиваться пульсирующий момент, составляющая которого пропорциональна угловому смещению ротора от его среднего положения. Коэффициент пропорциональности представляет собой коэффициент синхронизирующего крутящего момента, Pr. Он выражается в киловаттах при синхронной скорости на электрический радиан.

Факторы, влияющие на Pr
Значение Pr для данной машины зависит от:

1. Напряжение и частота сети,
2. величина приложенной нагрузки,
3. рабочий коэффициент мощности,
4. импеданс системы питания, а
5. частота пульсаций крутящего момента.Рекомендуется, чтобы, если не указаны другие условия, представленное значение Pr соответствовало работе при номинальном напряжении, частоте, нагрузке и коэффициенте мощности, с пренебрежимо малым импедансом системы и частотой пульсаций, в циклах в минуту, равной об/мин для синхронных двигателей и равной половине об/мин для синхронных генераторов.

Ссылка: NEMA MG 1-2009



%PDF-1.4 % 1 0 объект >/Metadata 2 0 R/Outlines 5 0 R/OutputIntents 6 0 R/PageLayout/OneColumn/Pages 3 0 R/StructTreeRoot 7 0 R/Type/Catalog>> эндообъект 2 0 объект >поток 2018-06-27T15:12:03+08:002018-06-27T15:11:58+08:002018-06-27T15:12:03+08:00Acrobat PDFMaker 15 Word Версия uuid:ab61a179-7456-4a04-ab85 -c4b66b2bc2b2uuid:122891ac-bba3-4f15-a87e-5dd5a09c4cd4application/pdf



Транзакции IEEE на Magnetics

-

Библиотека Adobe PDF 15.01A

http://ns.adobe.com/xap/1.0/mm/xmpMMXMP Media Management Schema

внутренний идентификатор на основе UUID для конкретного воплощения документаInstanceIDURI

http://www.aiim.org/pdfa/ns/id/pdfaidPDF/A ID Schema

internalPart of PDF/A standardpartInteger

внутреннее изменение стандарта PDF/AamdText

внутренний уровень соответствия стандарту PDF/A, текст

конечный поток эндообъект 5 0 объект > эндообъект 6 0 объект [>] эндообъект 3 0 объект > эндообъект 7 0 объект > эндообъект 20 0 объект > эндообъект 21 0 объект > эндообъект 22 0 объект > эндообъект 214 0 объект [null 25 0 R 26 0 R 27 0 R 28 0 R 29 0 R 31 0 R null 224 0 R null 225 0 R null 226 0 R 227 0 R null null 228 0 R null 32 0 R 33 0 R 34 0 R 35 0 R 36 0 R 37 0 R 229 0 R null 230 0 R null null 231 0 R null 223 0 R 23 0 R] эндообъект 215 0 объект [37 0 R 38 0 R null 232 0 R null 233 0 R null 234 0 R null 235 0 R null 40 0 ​​R 41 0 R 42 0 R null 236 0 R 43 0 R 44 0 R 237 0 R 44 0 R 238 0 R 44 0 R 239 0 R 44 0 R 240 0 R 44 0 R 241 0 R 44 0 R 242 0 R 44 0 R 243 0 R 44 0 R 45 0 R null 244 0 R 46 0 R null 245 0 R 47 0 R 48 0 R 246 0 R 48 0 R 247 0 R 48 0 R 49 0 R 50 0 R null 248 0 R 51 0 R null 249 0 R 52 0 R null 250 0 R 53 0 R null 251 0 R 54 0 R null 252 0 R 55 0 R 56 0 R 57 0 R null 253 0 R 58 0 R null 254 0 R 59 0 R] эндообъект 216 0 объект [59 0 R 255 0 R 256 0 R null 257 0 R 60 0 R null 258 0 R 61 0 R null 259 0 R 62 0 R null 260 0 R 63 0 R null 261 0 R 64 0 R null 262 0 R 65 0 R 66 0 R 263 0 R null 264 0 R 66 0 R 265 0 R 66 0 R 266 0 R null 67 0 R null 267 0 R 68 0 R 69 0 R null null 268 0 R 70 0 R null 269 0 R 71 0 R 72 0 R 73 0 R 270 0 R null 74 0 R 75 0 R 271 0 R null null 272 0 R 76 0 R 77 0 R 273 0 R 77 0 R null 274 0 R 78 0 R 79 0 R 275 0 R 79 0 R 276 0 R 79 0 R 277 0 R 79 0 R 278 0 R 79 0 R 80 0 R 81 0 R null 279 0 R 82 0 R null 280 0 R 83 0 R null 281 0 R 84 0 R 85 0 Р 86 0 Р] эндообъект 217 0 объект [87 0 R 88 0 R 89 0 R 282 0 R 89 0 R 90 0 R 91 0 R null 283 0 R 92 0 R 93 0 R 284 0 R 93 0 R 285 0 R 93 0 R 286 0 R 93 0 R 94 0 R 287 0 R 94 0 R 288 0 R null null null 289 0 R 95 0 R null 290 0 R 96 0 R 97 0 R null 291 0 R 98 0 R null 292 0 R 99 0 R 100 0 R 101 0 R 293 0 R ноль 102 0 R] эндообъект 218 0 объект [103 0 R 104 0 R 294 0 R null 295 0 R 104 0 R 105 0 R 106 0 R 107 0 R null 296 0 R 108 0 R 109 0 R 110 0 R 111 0 R 112 0 R 113 0 R 114 0 R 115 0 R null 297 0 R 116 0 R 117 0 R 118 0 R 298 0 R 118 0 R null 299 0 R 119 0 R 120 0 R null 300 0 R 121 0 R null 301 0 R 122 0 R null 302 0 R 123 0 R 124 0 R 303 0 R 124 0 R 304 0 R 124 0 R 305 0 R 124 0 R 125 0 R null 306 0 R 126 0 R 127 0 R null 307 0 R 128 0 R 129 0 R null 308 0 R 130 0 R null 309 0 R 131 0 R 132 0 R 310 0 R 132 0 R null 311 0 R 133 0 R 134 0 R null 312 0 R 135 0 R 136 0 R] эндообъект 219 0 объект [null 313 0 R null 314 0 R null 138 0 R 139 0 R 315 0 R null 140 0 R null 316 0 R 141 0 R null 317 0 R 142 0 R 143 0 R null 318 0 R 144 0 R 145 0 R 319 0 R null 320 0 R 145 0 R 321 0 R 145 0 R 322 0 R 145 0 R 146 0 R null 323 0 R 147 0 R 148 0 R 324 0 R 148 0 R 325 0 R 148 0 R 326 0 R 148 0 R 327 0 R 148 0 R 149 0 R null 328 0 R 150 0 R 151 0 R null 329 0 R 152 0 R 153 0 R null 330 0 R 154 0 R 155 0 R null 331 0 R 156 0 R 157 0 R 332 0 R 157 0 R 333 0 R null 158 0 R 334 0 R null 159 0 R 160 0 R] эндообъект 220 0 объект [161 0 R 162 0 R null 335 0 R null 336 0 R 163 0 R 164 0 R 165 0 R null 337 0 R 166 0 R 167 0 R 168 0 R null 338 0 R 169 0 R 170 0 R 171 0 R 172 0 Р] эндообъект 221 0 объект [173 0 R null 339 0 R 174 0 R 340 0 R 174 0 R 175 0 R 176 0 R 177 0 R null 341 0 R 178 0 R 179 0 R null 342 0 R 180 0 R 181 0 R 182 0 R 183 0 R 184 0 R 185 0 R null null 343 0 R null null null 344 0 R null null null 345 0 R null null null 346 0 R null null null 347 0 R null null null 348 0 R null null null 349 0 R null null null 350 0 R null null null 351 0 R null null null 352 0 R null null null 353 0 R null null null 354 0 R null null] эндообъект 222 0 объект [null null 355 0 R null null null 356 0 R null null null 357 0 R null null null 358 0 R null null null 359 0 R null null null 360 0 R null null null 361 0 R null null null 362 0 R null null null 363 0 R null null null 364 0 R null null null 365 0 R null null null 366 0 R null null null 367 0 R null null null 368 0 R null null null 369 0 R null null null 370 0 R null null null 371 0 R null null 187 0 R 188 0 R 189 0 R 190 0 R 191 0 R 192 0 R 194 0 R 195 0 R 196 0 R 197 0 R 198 0 R 200 0 R 201 0 R 202 0 R 203 0 R 204 0 R 206 0 R 207 0 R 208 0 R 209 0 R 210 0 R 212 0 R 213 0 R 199 0 R 205 0 R 211 0 R 193 0 R] эндообъект 223 0 объект >]/P 23 0 R/Pg 11 0 R/S/Link/Type/StructElem>> эндообъект 372 0 объект > эндообъект 23 0 объект > эндообъект 11 0 объект >/Шрифт>>>/StructParents 0/Тип/Страница>> эндообъект 374 0 объект [373 0 Р] эндообъект 375 0 объект >поток HW[oF~Grapx

.

No related posts.