Синхронные электрические машины: Синхронная машина — это… Что такое Синхронная машина?

Содержание

Новая книга А.П. Епифанов «Электрические машины»

Епифанов А. П., Епифанов Г. А. Электрические машины: Учебник. — СПб.: Издательство «Лань», 2017. — 300 с.: ил. — (Учебники для вузов. Специальная литература). 6П2 Е 67 Имеются экземпляры в отделах: ЧЗ (2)
Содержание учебника соответствует Государственному образовательному стандарту и примерной программе дисциплины Электрические машины». Книга включает два раздела: «Введение в электромеханику» (главы 1, 2), где изложены физические основы электромеханического преобразования энергии, общие вопросы устройства и работы электрических машин; «Трансформаторы и электрические машины* (главы 3—8), содержащий традиционный для рассматриваемого курса материал. В отдельную главу вынесены специальные машины — вентильные, линейные, универсальные. Учебник предназначен для обучающихся в высших учебных заведениях по программам бакалавриата и магистратуры по направлениям «Теплоэнергетика и теплотехника», «Агроинженерия», «Наземные транспортно-технологические комплексы», «Электроэнергетика и электротехника».

Книга будет полезна специалистам, занятым в сфере эксплуатация электрических машин.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие
Введение
Раздел I. Введение в электромеханику
Глава 1. Физические основы электромеханического преобразования
энергии
1.1. Основные физические законы электромеханического преобразования
энергии
1.2. Материалы, применяемые в электрических машинах
1.3. Баланс энергии в электромеханических системах
1.4. Запас энергии в электромеханических системах
1.5. Общие уравнения сил для электромагнитных систем
1.6. Уравнения электродвижущих сил
1.7. Реактивные электродвигатели
1.8. Двухобмоточные электромагнитные преобразователи
1.9. Двухобмоточный вращающийся преобразователь
1.10. Выводы
Глава 2. Общие вопросы устройства и работы электрических машин
2.1. Общие сведения, классификация электрических машин
2.2. Структура электрических машин
2.3. Электромагнитный момент в электрических машинах
2.4. Режимы работы электрических машин
2. 5. Потери энергии и коэффициент полезного действия
2.6. Нагревание и охлаждение электрических машин
2.7. Главные размеры и основные электромагнитные нагрузки электрических машин
2.8. Выводы
Раздел II. Трансформаторы и электрические машины
Глава 3. Трансформаторы
3.1. Общие сведения о трансформаторах. Принцип действия
3.2. Устройство трансформаторов. Схемы и группы соединения обмоток
3.3. Холостой ход двухобмоточного трансформатора
3.4. Короткое замыкание трансформатора
3.4.1. Физические условия работы
3.4.2. Уравнения напряжений трансформатора при коротком замыка¬нии. Приведенный трансформатор
3.4.3. Параметры и потери короткого замыкания
3.5. Работа трансформатора под нагрузкой
3.6. Коэффициент полезного действия трансформатора
3.7. Изменение напряжения трансформатора
3.8. Параллельная работа трансформаторов
3.9. Регулирование напряжения
3.10. Несимметричные режимы работы трехфазных трансформаторов .
3.11. Специальные типы трансформаторов
Глава 4. Общие вопросы машин переменного тока
4.1. Типы машин переменного тока
4.2. Основные понятия и термины
4.3. ЭДС проводника, витка (секции), катушечной группы, фазы обмотки
4.4. Типы якорных обмоток
4.5. Магнитодвижущие силы обмоток машин переменного тока ….
4.6. Магнитные поля обмоток переменного тока
Глава 5. Асинхронные машины
5.1. Конструктивные особенности асинхронных машин
5.2. Соотношения для вторичной цепи асинхронного двигателя. Режимы
работы
5.3. Схема замещения асинхронной машины и её параметры
5.4. Механические характеристики асинхронных машин
5.5. Пуск асинхронных двигателей
5.6. Регулирование скорости асинхронных двигателей
5.6.1. Регулирование скорости изменением жёсткости характеристик
5.6.2. Регулирование изменением скорости идеального холостого хода
5.7. Особенности работы асинхронного двигателя при питании от преобразователя частоты
5.8. Работа асинхронных двигателей при неноминальных условиях . .
5.9. Несимметричные режимы работы асинхронных двигателей ….
5.10. Однофазные асинхронные двигатели
Глава 6. Синхронные машины
6.1. Общие сведения
6.2. Магнитное поле синхронной машины
6.3. ЭДС реакции якоря и индуктивные сопротивления синхронных машин
6.4. О переходных процессах в синхронных машинах
6.5. Векторные диаграммы синхронных генераторов при симметричной нагрузке
6.6. Характеристики синхронных генераторов
6.7. Параллельная работа синхронных машин
6.7.1. Электромагнитные мощность и момент синхронной машины. Угловая
характеристика
6.7.2. 11-образные характеристики синхронной машины. Регулирование
реактивной мощности
6.8. Синхронный двигатель. Компенсатор
Глава 7. Коллекторные машины постоянного тока
7.1. Принцип действия, устройство, функциональные особенности . . .
7.2. Магнитные поля индуктора и якоря и их взаимодействие ….
7.2.1. Магнитная цепь машины при холостом ходе
7.2.2. Магнитное поле якоря
7. 2.3. Результирующее магнитное поле
7.3. ЭДС обмотки якоря и электромагнитный момент
7.4. Коммутация
7.5. Характеристики генераторов постоянного тока
7.6. Характеристики двигателей постоянного тока
7.7. Пуск двигателей постоянного тока
7.8. Регулирование скорости электродвигателей постоянного тока . . .
7.9. Механические характеристики двигателей постоянного тока . . .
Глава 8. Специальные электрические машины
8.1. Вентильные двигатели
8.2. Линейные асинхронные двигатели
8.3. Линейные синхронные двигатели
8.4. Линейные электромагнитные двигатели
8.5. Однофазные коллекторные двигатели
Приложения
Таблица 1. Международная система единиц физических величин. .
Таблица 2. Основные соотношения электротехники
Таблица 3. Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

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 = pqfwk, 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 = 2pw

k.

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

Область применения синхронных машин

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

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

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

Электрические машины. Ч. 3 : Проектирование синхронных машин

DescriptionУчеб.-метод. пособие [для напр. 140604.65 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» укрупненной группы 14000 «Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника», 150402.65 «Горные машины и оборудование», 150404.65 «Металлургические машины и оборудование»].
DescriptionДоступ к полному тексту открыт из сети СФУ, вне сети доступ возможен для читателей Научной библиотеки СФУ или за плату.
AbstractРассмотрены конструкции синхронных машин общего назначения различных серий. Приведены примеры расчета отдельных частей синхронных машин, требования к выполнению курсового проекта по синхронным машинам и справочные материалы. Предназначено для студентов направлений подготовки специалистов 140604.65 «Электропривод и автоматика промышленных установок и технологических комплексов» укрупненной группы 14000 «Энергетика, энергетическое машиностроение и электротехника», 150402. 65 «Горные машины и оборудование», 150404.65 «Металлургические машины и оборудование» укрупненной группы 15000 «Металлургия, машиностроение и металлообработка».
Languagerus
PublisherСФУ
RightsДля личного использования.
Subjectэлектрические машины
Subjectпроектирование электрических машин
Subjectсинхронные электрические машины
Subjectучебно-методические пособия
TitleЭлектрические машины. Ч. 3 : Проектирование синхронных машин
TypeBook
UDC621.311.001.63(07)
Publisher LocationКрасноярск
Full Text on Another Sitehttps://bik.sfu-kras.ru/elib/view?id=BOOK1-621.3%2F%D0%AD+455-501193
Identifier in IRBISRU/НБ СФУ/BOOK1/621.3/Э 455-501193

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.

 

 

 

(PDF) Инструмент для проектирования электрических машин для синхронных машин с постоянным магнитом и индукционных машин

Машины 2020, 8, 15 20 из 22

Ссылки

1. Валлентовиц, Х .; Freialdenhoven, A .; Ольшевский, I. Strategien zur Elektrifizierung des Antriebstranges.

Technologien, Märkte und Implikationen; Vieweg + Teubner: Wiesbaden, Germany, 2010.

2. Juraschek, S .; Бюхнер, А .; Шиннерл, Б. Die Elektrische Antriebstechnologie der BMW Group; Международный

Венский автомобильный симпозиум; VDI-Verlag: Берлин, Германия, 2018; Том 2.

3. Mahmoudi, A .; Soong, W.L .; Pellegrino, G .; Армандо, Э. Карты КПД электрических машин. In

Proceedings of the Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), Монреаль, Квебек, Канада, 20–24

сентябрь 2015 г.

4. Wacker, P. Effizienzsteigerung im Antriebsstrang von Elektrofahrzeugen mittels aktiver

BTC. Кандидат наук. Диссертация, Мюнхенский технический университет, Мюнхен, Германия, 2018.

5.Horlbeck, L. Auslegung elektrischer Maschinen für car Antriebsstränge unter Berücksichtigung

des Überlastpotentials. Кандидат наук. Диссертация, Технический университет Мюнхена, Мюнхен, Германия, 2018.

6. Фишер, Р. Elektrotechnik für Maschinenbauer; Springer Fachmedien Wiesbaden: Висбаден, Германия, 2016 г .;

DOI: 10. 1007 / 978-3-658-12515-8.

7. Schnettler, A .; Кампкер, А .; Валли, Д. Электромобильность: Grundlagen Einer Zukunftstechnologie; Springer-

Verlag: Берлин / Гейдельберг, Германия, 2013; DOI: 10.1007 / 978-3-642-31986-0.

8. Futschik, H.D .; Achleitner, A .; Döllner, G .; Burgers, C .; Фридрих, J.K.H .; Mohrdieck, C.H .; Schulze, H .;

Wöhr, M .; Antony, P .; Urstöger, M. Formen und neue Konzepte. В Vieweg Handbuch Kraftfahrzeugtechnik;

Springer Fachmedien Wiesbaden: Wiesbaden, Germany, 2013.

9. Farschtschi, A. Elektromaschinen in Theorie und Praxis: Aufbau, Wirkungsweisen, Anwendungen, Auswahl- und

Auslegungskriterien, 2nd ed.; VDE-Verlag: Берлин, Германия, 2007.

10. Schröder, D. Elektrische Antriebe-Grundlagen: Mit durchgerechneten Übungs- und Prüfungsaufgaben; Springer

Просмотр: Берлин, Германия, 2017.

11. Биндер, A. Elektrische Maschinen und Antriebe; Springer: Берлин / Гейдельберг, Германия, 2012 г . ; DOI: 10.1007 / 978-

3-540-71850-5.

12. Babiel, G. Elektrische Antriebe in der Fahrzeugtechnik; Springer Fachmedien Wiesbaden: Висбаден,

Германия, 2014 г .; DOI: 10.1007 / 978-3-658-03334-7.

13. Кампкер, А. Электромобильпродукция; Springer: Берлин / Гейдельберг, Германия, 2014 г .; DOI: 10.1007 / 978-3-642-

42022-1.

14. Кремзер, A. Elektrische Maschinen und Antriebe; Vieweg + Teubner Verlag: Висбаден, Германия, 2004 г .;

DOI: 10.1007 / 978-3-663-01252-8.

15. Teigelkötter, J. Energieeffiziente elektrische Antriebe: Grundlagen, Leistungsleektronik, Betriebsverhalten und

Regelung von Drehstrommotoren; Vieweg + Teubner Verlag: Висбаден, Германия, 2013 г.

16. Pyrhonen, J .; Йокинен, Т .; Грабовцова, В. Конструирование вращающейся электрической машины; Wiley: Чичестер, Великобритания, 2014.

17. Müller, G .; Ponick, B. Grundlagen Elektrischer Maschinen и Berechnung elektrischer Maschinen, 10-е изд. ,

Wiley-VCH: Weinheim, Germany, 2014.

18. Woehl-Bruhn, H., Synchronmaschine mit Eingebetteten Magneten und Neuartiger

Hybridantriebe. Cuvillier Verlag Göttingen, ISBN-13: 978-3869552774, 2010.

19. Finken, T. Fahrzyklusgerechte Auslegung von constantmagneterregten Synchronmaschinen für Hybrid-

und Elektrofahrzeuge. Кандидат наук. Диссертация, Технический университет Ахена, Ахен, Германия, 2011.

20. Хофманн, П. Гибридфарцойге; Springer: Вена, Австрия, 2014 г .; DOI: 10.1007 / 978-3-7091-1780-4.

21. Giersch, H.-U .; Harthus, H .; Vogelsang, N. Elektrotechnik für Fachschulen: Elektrische Maschinen;

Vieweg + Teubner Verlag: Висбаден, Германия; DOI: 10.1007 / 978-3-322-92706-4.

22. Мейер, W. Technologie Elektrischer Maschinen; Иероним, Мюнхен, Германия, 2018.

23. Krings, A .; Сулард, Дж. Обзор и сравнение моделей потери железа в электрических машинах. J. Electr. Англ.

2010, 10, 162–169.

24. Neuschl, Z. Rechnerunterstützte Experimentelle Verfahren zur Bestimmung der lastunabhängigen

Eisenverluste в постоянном магнитном поле, электрическом оборудовании и добавлении Axialfluss.

к.э.н. Диссертация, Технический университет Котбуса, Котбус, Германия, 2007.

25. Весна, E. Elektrische Maschinen; Springer Verlag: Берлин / Гейдельберг, Германия, 2009 г .; DOI: 10.1007 / 978-3-642-

00885-6.

26. Fuest, K .; Деринг, П. Электрише Машинен унд Антрибе; Vieweg + Teubner Verlag: Висбаден, Германия,

2000; DOI: 10.1007 / 978-3-663-01401-0.

Электромашины с синхронными постоянными магнитами

ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЬ — ГЕНЕРАТОР

TRANSFLUID производит трехфазные синхронные электрические машины с постоянным магнитом (синхронная машина с постоянным магнитом PMSM) с естественным конвекционным воздушным охлаждением для своих гибридных модулей.Это решение обеспечивает высокую эффективность и простоту при ограниченном весе и размере.

Электромашина PMSM управляется контроллером двигателя (частотный привод), который позволяет электрической машине работать и как двигатель, и как генератор. Интеграция ряда электродвигателей с контроллерами позволяет компактно установить систему и делает управление простым и эффективным на любом этапе эксплуатации.

Конструктивные характеристики электрических машин оптимизированы для конкретного использования в гибридных системах до 3000 об / мин.Система охлаждается обычным воздушным охлаждением, что упрощает установку на борту и позволяет постепенно использовать мощность во всем диапазоне ее оборотов. Кривая крутящего момента, которая характеризует эти типы двигателей на низкой скорости, может в три раза превышать номинальный номинал, что может быть очень полезно для запуска транспортного средства. В диапазоне средней скорости, примерно до 1500 об / мин, передаваемый крутящий момент может быть вдвое больше номинального в течение ограниченного времени. В морских приложениях это очень полезно для маневрирования на малой скорости судна.


ДВИГАТЕЛЬ УРОВНЯ G ДЛЯ ТРЕХФАЗНОЙ СИНХРОННОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ МАШИНЫ

Двигатель Tier G можно приобрести как отдельный компонент, а еще лучше — с полным набором аксессуаров (блок управления с дисплеем, аккумулятор, инвертор, электрическая коробка, педаль, кабели CANbus и т. Д.), Что делает его решение plug & play для перепроектирования существующего транспортного средства, судна и лодки или создания нового.Не стесняйтесь обращаться к нам за дополнительной информацией и предложениями по вашей новой силовой установке.
В дополнение к чисто электрической силовой установке, Tier G объединяет ряд электродвигателей Transfluid, используемых в гибридных решениях, что дает возможность достижения электрической мощности до 200 кВт с установкой двух двигателей на гибридных модулях серии HM.

Технология постоянного магнита. 100 кВт (134 л.с.) при 3000 об / мин

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ: ОСНОВНЫЕ ДОСТИЖЕНИЯ

— высокая эффективность = экономия энергии
— более длительное время работы от аккумулятора = больший запас хода
— меньшие затраты
— отсутствие вибрации + очень низкий уровень шума + нулевые выбросы = экологичность и удобство использования
— компактный размер и высокое соотношение мощности и веса
— очень гибкий профиль крутящего момента: для разных автомобилей может потребоваться другая кривая крутящего момента

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ
: ТЕХНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

Постоянная мощность 100 кВт (134 л. с.) и пиковая 130 кВт (174 л.с.)
Технология с постоянными магнитами: эффективность 97%
Источник питания: аккумулятор 384 В постоянного тока или сеть 400 В переменного тока
Выход SAE 4-10 (SAE J617-620) с блоком питания SAE B- выкл.
Жидкостное охлаждение (гликоль или вода) — Индикаторы температуры и давления

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ДВИГАТЕЛЬ С ПОСТОЯННЫМ МАГНИТОМ: ПРИМЕНЕНИЕ

Промышленные дороги, внедорожники, GSE и т. Д.
Морская главная силовая установка
Морская вспомогательная силовая установка

Электродвигательная установка BELLMARINE

Bellmarine — это голландский бренд, который на протяжении многих лет является лидером в области электрических морских силовых установок и не только.Он консолидируется на европейском рынке с более чем 4000 систем, установленных для различных типов приложений.

Новая компания Transfluid North Europe B.V. была основана в 2018 году, объединив опыт и навыки Bellmarine и Transfluid; оба разделяют видение будущего с экологически чистыми силовыми установками для морского и промышленного применения, естественное развитие их технологий.

Слияние двух компаний теперь позволяет предлагать электрические и гибридные решения, подходящие для любого типа лодок или промышленных транспортных средств, с уникальным в мире диапазоном мощностей.

Веб-сайт: www.bellmarine.tech

Системы транспорта и автоматизации, второе издание (серия «Электроэнергетика»): Gieras, Jacek F., Piech, Zbigniew J., Tomczuk, Bronislaw: 9781439842218: Amazon.com: Books

Считается первой книгой, посвященной этой теме, Linear Synchronous Motors: Transportation and Automation Systems, Second Edition. оценивает состояние дел, демонстрируя технологические инновации, которые улучшают дизайн, конструкцию и производительность современных систем управления. .Это новое издание не только иллюстрирует развитие линейных приводов с синхронными двигателями, но также обсуждает полезные методы выбора двигателя, который будет отвечать особым требованиям линейных электрических приводов.

Новые возможности для второго издания:

  • Несколько обновленных и расширенных разделов, а также две новые главы по FEM
  • Еще больше числовых примеров, расчетов и математических моделей
  • Расширенная целевая аудитория, которая включает исследователей, ученых, студентов и др.

Оценивая тенденции и практические методы достижения оптимальной производительности системы, авторы демонстрируют готовые к внедрению решения для устранения распространенных препятствий в этом процессе.В книге представлены фундаментальные уравнения и расчеты, используемые для определения и оценки работы, эффективности и надежности системы, с исследованием современного автоматизированного проектирования линейных синхронных двигателей, включая метод конечных элементов. Он охватывает такие темы, как линейные датчики и шаговые двигатели, системы магнитной левитации, лифты и системы автоматизации производства. В нем также представлены тематические исследования плоских PM, трубчатых PM, воздушно-порошковых и гибридных линейных синхронных двигателей, а также трехмерный анализ методом конечных элементов трубчатых линейных реактивных двигателей и линейных колебательных приводов.

С таким исключительным представлением практических инструментов и концептуальных иллюстраций этот том является особенно мощным ресурсом. Он будет полезен читателям со всех сторон, предоставляя числовые примеры, модели, рекомендации и диаграммы, которые помогут развить четкое понимание операций, характеристик и многого другого линейного синхронного двигателя.

Электрические машины — Генераторы — Описание и применение

Первичный источник всей электроэнергии в мире вырабатывается трехфазными синхронными генераторами, использующими машины с номинальной мощностью до 1500 МВт или более.Хотя разнообразие электрических генераторов не так велико, как большое разнообразие доступных электродвигателей, они подчиняются схожим правилам проектирования, и большинство принципов работы, используемых в электродвигателях различных классов, также применимы к электрическим генераторам. Подавляющее большинство генераторов — это машины переменного тока (генераторы переменного тока) с меньшим количеством генераторов постоянного тока (динамо).

Для большинства генераторов требуется какой-то способ управления выходным напряжением, а в случае машин переменного тока — метод управления частотой. Регулирование напряжения и частоты обычно осуществляется в очень больших машинах, несущих очень высокие токи, путем управления возбуждением генератора и скоростью первичного двигателя, который приводит в действие генератор.

Как и в случае с электродвигателями, максимальная мощность генератора определяется его максимально допустимой температурой.

Регулировка напряжения и частоты верна для незначительных отклонений в выходной мощности генератора, как указано выше, но большие изменения в потребляемой нагрузке (токе) могут быть компенсированы только путем регулировки крутящего момента первичного двигателя, приводящего в действие генератор, поскольку обычно в электрических машинах крутящий момент пропорционально току или наоборот.

  • Стационарный полевой синхронный генератор переменного тока
  • В генераторе стационарного поля статор в виде фиксированных постоянных магнитов (или электромагнитов, питаемых постоянным током) создает магнитное поле, и в обмотках ротора генерируется ток.

    Когда катушка ротора вращается с постоянной скоростью в поле между полюсами статора, ЭДС, генерируемая в катушке, будет приблизительно синусоидальной, фактическая форма волны зависит от размера и формы магнитных полюсов.Пиковое напряжение возникает, когда движущийся проводник проходит центральную линию магнитного полюса. Он уменьшается до нуля, когда проводник находится в пространстве между полюсами, и увеличивается до пика в противоположном направлении, когда проводник приближается к центральной линии противоположного полюса магнита. Частота сигнала прямо пропорциональна скорости вращения. Величина волны также пропорциональна скорости до тех пор, пока магнитная цепь не насыщается, когда скорость увеличения напряжения при увеличении скорости резко замедляется.

    • Скорость и частота генератора
    • Выходная частота пропорциональна количеству полюсов на фазу и скорости ротора так же, как у синхронного двигателя. См. Таблицу скорости двигателя.

    Выход переменного тока, генерируемый в роторе, может быть подключен к внешним цепям через контактные кольца и не требует коммутатора.

    Типичное применение — портативные генераторы переменного тока с выходной мощностью до 5 киловатт.

    Небольшие недорогие устройства, такие как домашние ветряные генераторы, обычно предназначены для работы на высокой скорости. Для заданных требований к управляемой мощности чем выше скорость, тем ниже требуемый крутящий момент. Это означает, что генератор может быть меньше и легче. Кроме того, высокоскоростному генератору требуется меньше полюсов, что упрощает конструкцию и снижает затраты.

  • Синхронный генератор переменного тока с вращающимся полем
  • Допустимая мощность щеточной машины обычно ограничена пропускной способностью токопроводящих колец в машине переменного тока (или даже в большей степени коммутатором в машине постоянного тока). Поскольку ток нагрузки генератора обычно намного выше, чем ток возбуждения, обычно желательно использовать ротор для создания поля и отключения питания генератора от статора, чтобы минимизировать нагрузку на контактные кольца.

    Путем замены неподвижных и подвижных элементов в приведенном выше примере создается генератор вращающегося поля, в котором вместо этого в обмотках статора генерируется ЭДС. В этом случае, в простейшей форме, поле создается постоянным магнитом (или электромагнитом), который вращается внутри фиксированной проволочной петли или катушки в статоре. Движущееся магнитное поле из-за вращающегося магнита ротора затем вызовет синусоидальный ток, протекающий в неподвижной катушке статора, когда поле движется мимо проводников статора.Если поле ротора создается электромагнитом, ему потребуется возбуждение постоянного тока, подаваемого через контактные кольца. Коммутатор не нужен.

    Если вместо одной катушки используются три независимых катушки или обмотки статора, разнесенные на 120 градусов по периферии машины, то на выходе этих обмоток будет трехфазный переменный ток.

    • Генератор обмоток серии
    • Классифицируются как генераторы с постоянной скоростью, они плохо регулируют напряжение и мало используются.

    • Генератор шунтирующих обмоток
    • Классифицируется как генератор постоянного напряжения, выходным напряжением можно управлять путем изменения тока возбуждения. У них достаточно хорошее регулирование напряжения во всем диапазоне скоростей машины.

    • Бесщеточное возбуждение
    • Машины с вращающимся полем используются на электростанциях большой мощности в большинстве национальных электросетевых систем мира.Мощность возбуждения поля, необходимая для этих огромных машин, может достигать 2,5% выходной мощности (25 кВт в генераторе 1,0 МВт), хотя она уменьшается по мере увеличения эффективности с увеличением размера, так что генератору мощностью 500 МВт требуется 2,5 МВт (0,5% ) мощности возбуждения. Если напряжение возбуждения составляет 1000 Вольт, требуемый ток возбуждения будет 2500 Ампер. Обеспечение такого возбуждения через контактные кольца представляет собой техническую проблему, которую удалось преодолеть за счет выработки необходимой мощности внутри самой машины с помощью пилотного трехфазного стационарного генератора поля на том же валу.Переменный ток, генерируемый в обмотках пилотного генератора, выпрямляется и подается непосредственно на обмотки ротора для возбуждения основной машины.

    • Охлаждение
      КПД очень большого генератора может достигать 98% или 99%, но для генератора мощностью 1000 МВт потеря эффективности всего на 1% означает, что необходимо рассеять 10 мегаватт потерь, в основном в виде тепла.Чтобы избежать перегрева, необходимо соблюдать особые меры предосторожности при охлаждении, и обычно одновременно используются два вида охлаждения. Охлаждающая вода циркулирует через медные стержни в обмотках статора, а водород проходит через корпус генератора. Водород имеет преимущества в том, что его плотность составляет всего около 7% от плотности воздуха, что приводит к меньшим потерям на ветер из-за того, что ротор взбивает воздух в машине, а его теплоемкость в 10 раз больше, чем у воздуха, что обеспечивает превосходную способность отвода тепла.
  • Генераторы переменного тока с постоянными магнитами
  • Меньшие версии обеих вышеперечисленных машин могут использовать постоянные магниты для создания магнитного поля машины, и поскольку для создания поля не используется энергия, это означает, что машины проще и эффективнее. Однако недостатком является то, что нет простого способа управления такими машинами. Синхронные генераторы с постоянными магнитами (PMSG) обычно используются в недорогих «генераторных установках» для обеспечения аварийного питания.

    Выходное напряжение и частота генератора с постоянными магнитами пропорциональны скорости вращения, и хотя это не может быть проблемой для приложений, работающих от механических приводов с фиксированной скоростью, для многих приложений, таких как ветряные турбины, требуется фиксированное выходное напряжение и частота, но приводятся в действие первичными двигателями с регулируемой скоростью. В этих случаях могут потребоваться сложные системы управления с обратной связью или внешнее регулирование мощности для обеспечения желаемого стабилизированного выхода.

    Обычно выходной сигнал выпрямляется, и изменяющееся выходное напряжение подается через промежуточный контур на повышающий-понижающий стабилизатор, который обеспечивает фиксированное напряжение, соединенное с инвертором, обеспечивающим фиксированную выходную частоту.

  • Генераторы переменного / переключаемого сопротивления
  • Генератор, аналогичный по конструкции реактивному реактивному двигателю, представляет собой машину с двумя выступами без магнитов и щеток. Поскольку инертные железные полюса ротора генератора сопротивления движутся мимо полюсов статора, изменяющееся сопротивление магнитной цепи генератора сопровождается соответствующим изменением индуктивности полюсов статора, что, в свою очередь, вызывает индуцирование тока в обмотки статора. Таким образом, на каждом полюсе статора появляется импульсный сигнал. В многофазных машинах выходные сигналы каждой фазы подаются на преобразователь, который последовательно переключает каждую фазу на звено постоянного тока, чтобы обеспечить напряжение постоянного тока.Системе требуется определение положения на валу ротора для управления синхронизацией срабатывания переключателей преобразователя. Эти датчики положения также позволяют контролировать ток, изменяя углы включения и выключения выходного тока в зависимости от положения ротора. Как и в случае с генератором на постоянных магнитах, повышающие-понижающие регуляторы также используются для управления выходом.

    К сожалению, машина не является самовозбуждающей по своей природе, и для запуска были приняты различные методы, в том числе обеспечение постоянного тока возбуждения от резервной батареи через обмотки статора во время запуска или использование небольших постоянных магнитов, встроенных в некоторые полюсов ротора.

    • Характеристики
    • Компактная и прочная конструкция.

      Работа с переменной скоростью.

      Фазы генератора полностью независимы.

      Недорого в изготовлении.

      Поскольку они имеют простые инертные роторы без обмоток или встроенных магнитов, они могут приводиться в движение с очень высокой скоростью и могут работать в условиях высоких температур окружающей среды.

      Подходит для конструкций мощностью до мегаватт и скоростью более 50 000 об / мин.

    • Приложения
    • Системы привода гибридных электромобилей (HEV), автомобильные стартер-генераторы, вспомогательная электроэнергетика для самолетов, ветряные генераторы, высокоскоростные газотурбинные генераторы.

      См. Также Встроенный стартер-генератор

  • Индукционные генераторы
  • Асинхронные генераторы — это, по сути, асинхронные двигатели, скорость вращения которых немного превышает синхронную скорость, связанную с частотой питающей сети.См. Объяснение того, как работают асинхронные двигатели, на странице «Двигатели переменного тока». Однако индукционные генераторы не имеют средств производства или генерации напряжения, если они не подключены к внешнему источнику возбуждения. Конструкция с короткозамкнутым ротором используется для малой энергетики, поскольку она проста, прочна и недорога в производстве.

    Как и в случае с асинхронным двигателем, когда обмотки статора многофазного индукционного генератора подключены к сети переменного тока, под действием трансформатора напряжение индуцируется в обмотках ротора или проводящих стержнях ротора с короткозамкнутым ротором с частота этого индуцированного напряжения в роторе равна частоте приложенного напряжения статора. Когда отдельные обмотки ротора закорочены или соединены друг с другом через внешний импеданс (проводящие стержни ротора с короткозамкнутым ротором уже замкнуты накоротко), через катушки протекает большой ток, создавая магнитное поле, которое по закону Ленца имеет полярность, противоположную полю статора. Это заставляет ротор вращаться, увлекаемый магнитным притяжением за вращающимся полем, созданным статором. Величина крутящего момента на роторе зависит от величины относительной скорости между вращающимся ротором и вращающимся полем, создаваемым статором, обычно называемым скольжением.Таким образом, ротор ускоряется до синхронной скорости, установленной частотой питания сети, достигая максимума, когда величина индуцированного тока ротора и крутящего момента уравновешивают приложенную нагрузку, в то же время частота токов, индуцируемых в роторе. обмотки уменьшены в соответствии с частотой скольжения. Но чем быстрее вращается ротор, тем меньше результирующая относительная разница скоростей между корпусом ротора и вращающимся полем статора или скольжение и, следовательно, напряжение, индуцированное в обмотке ротора. Когда ротор приближается к синхронной скорости, его крутящий момент уменьшается в соответствии со скольжением, уменьшая ускорение, поскольку ослабляющее магнитное поле ротора недостаточно для преодоления потерь на трение ротора в режиме холостого хода. В результате ротор продолжает вращаться медленнее, чем синхронная скорость. Это означает, что в моторном режиме асинхронная машина никогда не сможет достичь своей синхронной скорости, потому что на этой скорости не будет тока, индуцированного в короткозамкнутом роторе, магнитного поля и, следовательно, крутящего момента.

    Однако в режиме генератора статор по-прежнему подключен к сети, обеспечивающей необходимое вращающееся поле, но вал ротора приводится в движение внешними средствами со скоростью, большей, чем синхронная скорость, так что электромагнитные реакции меняются на противоположные, поскольку ротор будет вращаться быстрее. чем вращающееся магнитное поле статора, так что полярность скольжения меняется на противоположную, а полярность напряжения и тока, индуцируемых в роторе, аналогичным образом меняется на противоположную. В то же время под действием трансформатора ток в роторе будет индуцировать ток в катушках статора, которые теперь обеспечивают выходную энергию генератора на нагрузку. Когда скорость ротора превышает синхронную скорость, индуцированное напряжение и ток в стержнях ротора и катушках статора будут увеличиваться по мере того, как относительная скорость между ротором и вращающимся полем статора и, следовательно, увеличивается скольжение. Это, в свою очередь, потребует более высокого крутящего момента для поддержания вращения.

    Выходное напряжение генератора регулируется величиной тока возбуждения.

    Следующая диаграмма иллюстрирует характеристики многофазной асинхронной машины, когда она сконфигурирована как двигатель или как генератор.

    Поскольку ток ротора пропорционален относительному движению между вращающимся полем статора и скоростью ротора, известному как «скольжение», ток ротора и, следовательно, крутящий момент прямо пропорциональны скольжению в стабильной рабочей области вокруг синхронной скорость машины и частота тока ротора такая же, как частота скольжения.

    При синхронной скорости скольжение равно нулю, и электричество не будет потребляться двигателем или производиться генератором. Хотя обе машины работают на скоростях в пределах нескольких процентов от синхронной скорости, они являются асинхронными машинами.

    Увеличение нагрузки на генератор снижает его скорость и, следовательно, его выходную частоту, в то время как увеличение крутящего момента на приводном валу увеличивает его скорость и выходную частоту. Уменьшение нагрузки и крутящего момента имеет противоположный эффект.

    • Индукционный генератор с фиксированной скоростью
    • Асинхронные генераторы с фиксированной скоростью, подобные описанному выше, на самом деле работают в небольшом диапазоне скоростей, связанном с проскальзыванием генератора. Они получают возбуждение от электросети и могут работать только параллельно с этим источником. При использовании в сети они подходят для возврата энергии в сеть, из которой они получают ток возбуждения, но бесполезны в качестве резервных генераторов, когда электрическая сеть выходит из строя.Их ограниченный диапазон скоростей ограничивает возможные применения.

    • Самовозбуждающийся индукционный генератор с регулируемой скоростью (SEIG)
    • Маломасштабные системы производства электроэнергии довольно часто представляют собой автономные приложения, удаленные от электросети, в которых в качестве источника энергии используются сильно колеблющиеся источники энергии, такие как энергия ветра и воды. Индукционный генератор с фиксированной скоростью не подходит для таких применений.Индукционным генераторам с регулируемой скоростью требуется некоторая форма самовозбуждения, а также регулировка мощности, чтобы иметь возможность практического использования их нерегулируемого выходного напряжения и частоты.

      • Эксплуатация
      • Самовозбуждение достигается подключением конденсаторов к клеммам статора генератора. При возбуждении от внешнего первичного двигателя в катушках статора будет индуцироваться небольшой ток, поскольку магнитный поток из-за остаточного магнетизма в роторе разрезает обмотки, и этот ток заряжает конденсаторы.Когда ротор вращается, поток, пересекающий обмотки статора, будет меняться в противоположном направлении, поскольку ориентация остаточного магнитного поля изменяется вместе с ротором. Индуцированный ток в этом случае будет иметь противоположное направление и будет стремиться к разрядке конденсаторов. В то же время заряд, высвобождаемый из конденсаторов, будет стремиться усилить ток, увеличивая магнитный поток в машине. Поскольку ротор продолжает вращаться, наведенная ЭДС и ток в обмотках статора будет продолжать расти до тех пор, пока установившееся состояние достигается в зависимости от насыщения магнитной цепи в машине.В этой рабочей точке напряжение и ток будут продолжать колебаться при заданном пиковое значение и частота определяются характеристиками машины, воздушным зазором, скольжением, нагрузкой и выбором размеров конденсатора. Комбинация этих факторов устанавливает максимальные и минимальные пределы диапазона скоростей, в котором происходит самовозбуждение. В рабочее скольжение обычно невелико и изменение частоты зависит от рабочей скорости диапазон.

        Если генератор перегружен, напряжение будет быстро разрушаются (см. диаграмму выше), обеспечивая некоторую встроенную самозащиту.

      • Контроль
      • При работе с регулируемой частотой вращения индукционному генератору требуется преобразователь частоты для адаптации выходной частоты переменного тока генератора к фиксированной частоте приложения или электросети.Во время работы в самовозбуждающемся индукционном генераторе есть только контролируемый фактор, влияющий на выходную мощность, — это механический входного сигнала от первичного двигателя, поэтому система не поддается эффективному управлению с обратной связью. Для обеспечения регулируемого выходного напряжения и частоты внешний AC / DC / AC конвертеры требуются. Трехфазный диодный мост используется для выпрямления выходного тока генератора, обеспечивая связь постоянного тока с трехфазным тиристорным инвертором, который преобразует мощность от Линия постоянного тока на необходимое напряжение и частоту.

      См. Также примеры и описание асинхронных индукционных генераторов с двойным питанием (DFIG) и линейного управления частотой синхронного генератора с фиксированной скоростью, которые используются для обеспечения выхода регулируемой частоты и напряжения от приводов с регулируемым крутящим моментом и регулируемой скоростью в применениях ветряных генераторов.

    Пульсации выходного напряжения можно минимизировать, используя многополюсные конструкции.

    Конструкция генератора постоянного тока очень похожа на конструкцию двигателя постоянного тока.

    Ротор состоит из электромагнита, обеспечивающего возбуждение поля. Ток к ротору поступает от статора или, в случае очень больших генераторов, от отдельного возбудителя, вращающегося на том же валу ротора. Подключение к ротору осуществляется через коммутатор, так что направление тока в обмотках статора меняет направление, когда полюса ротора проходят между чередующимися северным и южным полюсами статора.Ток ротора очень мал по сравнению с током в обмотках статора, и большая часть тепла рассеивается в более массивной конструкции статора.

    В самовозбуждающихся машинах при запуске из состояния покоя ток для запуска электромагнитов происходит из небольшого остаточного магнетизма, который существует в электромагнитах и ​​окружающей магнитной цепи.

    Автомобильный генератор — это машина переменного тока с регулируемой скоростью, обеспечивающая постоянный выходной сигнал фиксированного уровня.

    Типичный генератор представляет собой самовозбуждающую машину переменного тока.Используя генератор переменного тока, а не генератор постоянного тока, можно избежать использования коммутатора и его потенциальных проблем с надежностью. Однако постоянный ток требуется для всех нагрузок в автомобиле, включая аккумулятор, и, кроме того, выходное напряжение постоянного тока должно быть постоянным независимо от частоты вращения двигателя или текущей нагрузки. Поэтому система зарядки должна включать в себя выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный и регулятор для поддержания генерируемого напряжения в проектных пределах независимо от частоты вращения двигателя.

    Ротор приводится в движение двигателем и обеспечивает возбуждение поля. Его скорость напрямую связана с частотой вращения двигателя и зависит от передаточных чисел зубчатой ​​передачи или приводящих его шкивов. Выходной ток снимается со статора.

    Автомобильные генераторы переменного тока обычно представляют собой трехфазные машины для обеспечения компактной конструкции и в то же время снижения тока в обмотках статора путем распределения его между тремя наборами обмоток.

    Добавить комментарий

    Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *