Синхронный генератор с постоянными магнитами

— Синхронный генератор с постоянными магнитами это генератор , в котором поле возбуждения создается постоянным магнитом вместо катушки. Термин «синхронный» здесь относится к тому факту, что ротор и магнитное поле вращаются с одинаковой скоростью, поскольку магнитное поле генерируется с помощью механизма постоянного магнита, установленного на валу , и ток индуцируется в неподвижном якоре.

Описание

Синхронные генераторы являются основным источником коммерческой электроэнергии. Они обычно используются для преобразования выходной механической энергии паровых турбин , газовых турбин , поршневых двигателей и гидротурбин в электроэнергию для сети. В некоторых конструкциях ветряных турбин также используется генератор этого типа.

В большинстве конструкций вращающийся узел в центре генератора — ротор — содержит магнит, а статор — неподвижный якорь, электрически связанный с нагрузкой. Как показано на диаграмме, перпендикулярная составляющая поля статора влияет на крутящий момент, а параллельная составляющая влияет на напряжение. Нагрузка, подаваемая генератором, определяет напряжение. Если нагрузка индуктивная, то угол между полями ротора и статора будет больше 90°, что соответствует повышенному напряжению генератора. Это известно как перевозбужденный генератор. Обратное верно для генератора, питающего емкостную нагрузку, который известен как генератор недовозбуждения.

Набор из трех проводников составляет обмотку якоря стандартного электрооборудования, составляющую три фазы силовой цепи. Фазы намотаны на статоре так, что они расположены под углом 120° друг от друга, обеспечивая равномерную силу или крутящий момент на роторе. Равномерность крутящего момента возникает потому, что магнитные поля, возникающие в результате индуцированных токов в трех проводниках обмотки якоря, пространственно объединяются таким образом, что напоминают магнитное поле одного вращающегося магнита. Это магнитное поле статора Поле статора выглядит как устойчивое вращающееся поле и вращается с той же частотой, что и ротор, когда ротор содержит одно дипольное магнитное поле. Два поля движутся синхронно и сохраняют фиксированное положение относительно друг друга при вращении. ^[1]

синхронный

Они известны как синхронные генераторы, поскольку частота наведенного напряжения в статоре (проводниках якоря) прямо пропорциональна скорости вращения ротора (или угловой скорости). Если обмотки ротора расположены таким образом, что создают эффект более чем двух магнитных полюсов, то каждый физический оборот ротора приводит к тому, что больше магнитных полюсов проходят мимо обмоток якоря. Каждое прохождение северного и южного полюса соответствует полному «циклу» колебаний магнитного поля. Следовательно, константа пропорциональности равна ${\frac {\text{P}}{120}}$ , где P — количество полюсов магнитного ротора (почти всегда четное число), а коэффициент 120 получается из 60 секунд в минуту и двух полюсов в одном магните: ^[2]

$f\left({\text{Hz}}\right)=RPM{\frac {\text{P}}{120}}.$

Обороты и крутящий момент

Мощность первичного двигателя является функцией числа оборотов в минуту и крутящего момента: $P_{m}=T_{m}\cdot RPM$ , где $P_{m}$ механическая мощность в ваттах, $T_{m}$ - крутящий момент с единицами ${\frac {N\cdot m}{rad}}$ , а RPM — это число оборотов в минуту, умноженное на коэффициент ${\frac {2\pi }{60}}$ дать единицы ${\frac {Radians}{Sec}}$ . Увеличивая крутящий момент первичного двигателя, можно генерировать большую выходную электрическую мощность.

На практике типичная нагрузка носит индуктивный характер. На схеме выше изображено такое расположение. $E_{i}$ - напряжение генератора, $V_{a}$ и $I_{a}$ – напряжение и ток в нагрузке соответственно, а $\theta$ это угол между ними. Здесь мы видим, что сопротивление R и реактивное сопротивление $X_{d}$ , играют роль в определении угла $\delta$ . Эту информацию можно использовать для определения активной и реактивной выходной мощности генератора.

На этой диаграмме $V_{t}$ это напряжение на клеммах. Если мы проигнорируем сопротивление, как показано выше, мы обнаружим, что мощность можно рассчитать: ^[3]

$I_{a}={\frac {|E_{i}|\angle \delta -|V_{t}|}{jX_{d}}}$ $S=P+jQ=V_{t}I^{\star }={\frac {|V_{t}||E_{i}|\angle (-\delta )-|V_{t}|^{2}}{-jX_{d}}}={\frac {|V_{t}||E_{i}|(cos(\delta )-jsin(\delta ))-|V_{t}|^{2}}{-jX_{d}}}$

Разбив полную мощность на реальную и реактивную, получим:

$P={\frac {|V_{t}||E_{i}|}{X_{d}}}sin(\delta ),$ $Q={\frac {|V_{t}|}{X_{d}}}(|E_{i}|cos(\delta )-|V_{t}|)$

Приложения

Генераторы с постоянными магнитами (PMG) или генераторы переменного тока (PMA) не требуют источника постоянного тока для цепи возбуждения, а также не имеют контактных колец и контактных щеток. Ключевым недостатком PMA или PMG является то, что поток в воздушном зазоре не поддается контролю, поэтому напряжение машины нелегко регулировать. Постоянное магнитное поле создает проблемы безопасности во время сборки, обслуживания и ремонта. Высокоэффективные постоянные магниты сами по себе имеют структурные и термические проблемы. Ток крутящего момента MMF векторно сочетается с постоянным потоком постоянных магнитов, что приводит к более высокой плотности потока в воздушном зазоре и, в конечном итоге, к насыщению сердечника. В генераторах с постоянными магнитами выходное напряжение прямо пропорционально скорости.

Для небольших пилотных генераторов, используемых для измерения скорости, регулирование напряжения может не потребоваться. Если генератор с постоянными магнитами используется для подачи тока возбуждения на ротор более крупной машины на том же валу, требуется некоторое внешнее управление для управления током возбуждения и регулирования напряжения главной машины. Это можно сделать с помощью контактных колец, соединяющих вращающуюся систему с внешними цепями управления, или путем управления с помощью силовых электронных устройств, установленных на вращающейся системе и управляемых извне.

См. также

Ссылки

^ фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: введение в концепцию . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 92–95 . ISBN 978-0-471--17859-0 .
^ фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 96–97 . ISBN 978-0-471-17859-0 .
^ Чепмен, Стивен (17 февраля 2011 г.). Основы электромашиностроения . Макгроу-Хилл Образование. ISBN 978-0073529547 .

[1] фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: введение в концепцию . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 92–95 . ISBN 978-0-471--17859-0 .

[2] фон Мейер, Александра (2006). Электроэнергетические системы: концептуальное введение . Хобокен, Нью-Джерси: John Wiley & Sons, Inc., стр. 96–97 . ISBN 978-0-471-17859-0 .

[3] Чепмен, Стивен (17 февраля 2011 г.). Основы электромашиностроения . Макгроу-Хилл Образование. ISBN 978-0073529547 .

[1]

[2]

[3]