Why are synchronous motors preferred for applications requiring constant speed?

Synchronous motors maintain constant rotor speed independent of shaft load because the rotor speed equals the stator magnetic field rotation rate. This near-zero speed regulation makes them ideal for fixed-speed applications like ball mills and power plant frequency regulation, where tight speed control is essential regardless of mechanical load variations.

How does a synchronous motor start if it cannot initially run at synchronous speed?

A synchronous motor initially operates as an induction motor, where the stator's rotating magnetic field induces current in the squirrel cage rotor, creating rotation. Once the machine approaches synchronous speed, DC voltage is applied to the field winding, locking the rotor and stator magnetic fields together. This transition enables the motor to achieve and maintain synchronous operation.

What is torque angle and how does it change with motor load?

Torque angle is the angular displacement between rotor and stator magnetic field poles. At lower loads, torque angle remains small, but increases as mechanical load rises. If load becomes excessive, torque angle grows so large that the rotor loses synchronism with the stator field, exceeding the motor's breakdown torque limit and causing failure.

What role does the DC power supply play in synchronous motor operation?

The DC power supply excites the field winding to generate the rotor's fixed magnetic field, replacing initial induction-based excitation. Field resistance controls field current, while field voltage can be varied to adjust field current magnitude. This electromagnetic excitation locks the rotor and stator fields, enabling synchronous operation and allowing the motor to maintain constant speed under varying loads.

How is phase resistance measured in a synchronous motor characterization?

Phase resistance is determined by applying DC voltage between a phase terminal and neutral, then measuring the resulting DC current. The resistance equals the voltage-to-current ratio. Phase resistance contributes to machine losses and causes voltage drop across the armature, making it a critical parameter in motor performance analysis and efficiency calculations.

What structural components make up a synchronous machine?

A synchronous machine consists of a rotating inner core called the rotor and a stationary outer ring called the stator. The rotor magnetic field is generated using permanent magnets or a DC power source. In three-phase motors, current flows through the stator's three separate coil sets, each connected to its own phase, producing a rotating magnetic field that couples with the rotor field.

How does output power relate to torque angle in a synchronous motor?

Output power is directly related to torque angle, with maximum power occurring when torque angle is zero. As torque angle increases due to increased mechanical load, the relationship between power and angle becomes nonlinear. Understanding this relationship helps engineers optimize motor performance and prevent operation beyond safe torque angle limits.

توصيف آلة التيار المتردد المتزامنة

0 مشاهدة11:19 دقيقة

فئة

1. اختبار DC

قم بتشغيل مصدر طاقة التيار المستمر منخفض الطاقة مع ماس كهربائى عبر أطرافه.
1. حدد التيار الموجود على مصدر طاقة التيار المستمر منخفض الطاقة إلى 1.8 أمبير.
2. قم بإيقاف تشغيل الإمداد وافصل الدائرة القصيرة.
قم بتوصيل أطراف الإمداد عبر المنفذين 1 و 4 من المحرك المتزامن.
1. قم بتشغيل الإمداد وقياس جهد التيار المستمر والتيار. قم بتغيير الجهد حسب الحاجة للوصول إلى تيار 1.8 أمبير.
2. قم بإيقاف تشغيل الإمداد، ثم كرر الخطوتين السابقتين للمنفذين 2 و 5 والمنفذين 3 و 6.
افصل مصدر طاقة التيار المستمر منخفض الطاقة.

< p class = "jove_title" >2. بدء تشغيل الجهاز المتزامن

تأكد من إيقاف تشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الأطوار ومفتاح المحرك المتزامن ومفتاح محرك التيار المستمر.
1. تأكد من أن VARIAC عند 0٪.
2. قم بتوصيل VARIAC بمأخذ ثلاثي الطور ، وقم بتوصيل الإعداد الموضح في الشكل 1.
3. تذكر ضبط القياس من 1 إلى 1000 لمسبار تيار عداد الطاقة الرقمي.
تحقق من أن مفتاح "البدء/التشغيل" في وضع "ابدأ".
قم بتشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الطور.
قم بزيادة خرج VARIAC بسرعة حتى يقرأ عداد الطاقة الرقمي حوالي 115 فولت.
قم بقياس تيار المحرك I_AC1 ، جهد حديد التسليح V_AC1 ، الطاقة الحقيقية ، وعامل القدرة.
تذكر أنه يتم قياس جهد الطور (الخط إلى المحايد) وتيار الطور في المرحلة "أ" ، لذا فإن قياس معامل القدرة على عداد الطاقة يعكس بشكل صحيح عامل القدرة لكل طور.
قم بقياس عزم دوران وسرعة الماكينة.
قم بتشغيل مصدر طاقة 125 فولت تيار مستمر. تأكد من أن جميع التوصيلات واضحة من محطات الإمداد.
1. اضغط على زر الإمداد "ابدأ" واضبط إخراج الإمداد على 125 فولت.
اقلب مفتاح "بدء / تشغيل" إلى وضع "تشغيل". انتبه إلى كيفية تغير صوت الجهاز. يصبح صوت الماكينة أكثر سلاسة حيث يقفل المجال المغناطيسي الدوار على المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت.
1. سجل تيار المحرك I_AC1 ، جهد حديد التسليح V_AC1 ، الطاقة الحقيقية ، عامل القدرة ، وجهد المجال والتيار من شاشة مصدر طاقة التيار المستمر.
2. قياس وتسجيل عزم دوران وسرعة الماكينة.
قم بإيقاف تشغيل مصدر طاقة التيار المستمر ، واقلب مفتاح "البدء / التشغيل" إلى وضع "ابدأ" ، واضبط VARIAC مرة أخرى على 0٪.
قم بإيقاف تشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الطور. اترك باقي الدائرة سليمة.

< p class = "jove_content" fo: keep-together.within-page = "1" >

<فئة قوية = "xfig">الشكل 1: مخطط للإعداد لبدء تشغيل المحرك المتزامن. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم. فئة

3. تأثير الحمل على زاوية عزم الدوران

تأكد من إيقاف تشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الأطوار ومفتاح المحرك المتزامن "S₁" ومفتاح محرك التيار المستمر "S₂".
1. لاحظ أنه بينما يكون "S₁" على جانب المحرك المتزامن ، يتم استخدامه لتوصيل/فصل الحمل "RL" عبر أطراف جهاز التيار المستمر.
2. تأكد من أن VARIAC عند 0٪.
قم بتوصيل الإعداد الموضح في الشكل 2 واضبط "_RL" على 200 Ω.
تحقق من أن مفتاح "البدء/التشغيل" في وضع "ابدأ".
قم بتشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الطور.
قم بزيادة خرج VARIAC بسرعة حتى يقرأ عداد الطاقة الرقمي حوالي 115 فولت.
قم بتشغيل مصدر طاقة 125 فولت تيار مستمر. تأكد من أن جميع التوصيلات واضحة من محطات الإمداد.
اضغط على زر بدء الإمداد واضبط إخراج الإمداد على 125 فولت.
اقلب مفتاح "بدء / تشغيل" إلى وضع "تشغيل".
سجل تيار المحرك I_AC1 ، جهد حديد التسليح V_AC1 ، الطاقة الحقيقية ، عامل القدرة ، وجهد المجال والتيار من شاشة مصدر طاقة التيار المستمر.
قياس وتسجيل عزم دوران وسرعة الماكينة.
حافظ على الضوء القوي قيد التشغيل بالقرب من العمود وقم بقياس الزاوية الأولية δ_o.
1. لإعداد المصباح القوي ، قم بتوصيله بمأخذ طاقة عادي وقم بتشغيله.
2. باستخدام المقبض الخشن ، اضبط قراءة السرعة على الضوء القوي لتكون قريبة بما يكفي من 1,800 دورة في الدقيقة ، وهي السرعة المتزامنة لآلة 1 رباعية الأقطاب 60 هرتز. يتم حساب السرعة المتزامنة في جولات في الدقيقة (RPM) ك n = 120xf / P حيث f هو التردد و P هو عدد الأقطاب.
3. ضع الضوء القوي لمواجهة حافة عمود المحرك ، واضبط المقبض الدقيق حتى يبدو العمود ثابتا. يتم خداع العين البشرية لرؤية العمود على أنه ثابت من خلال جعل تردد الضوء القوي (أو قراءة السرعة) يتطابق مع سرعة العمود.
قم بتشغيل "S₁" وكرر الخطوات من 3.9 إلى 3.11 ، ولكن قم بقياس الزاوية الجديدة δ₁.
قم بتشغيل "S₂" وكرر الخطوات من 3.9 إلى 3.11 ، ولكن قم بقياس الزاوية الجديدة δ₂.
قم بإيقاف تشغيل "S₂" وتغيير "_RL" إلى 100 Ω.
قم بتشغيل "S₂" وكرر الخطوات من 3.9 إلى 3.11 ، ولكن قم بقياس الزاوية الجديدة δ₃.
قم بإيقاف تشغيل مصدر طاقة التيار المستمر ، واقلب مفتاح "بدء / تشغيل" إلى وضع "ابدأ" ، وقم بإيقاف تشغيل "S₁" و "S2" ، وقم بتعيين VARIAC مرة أخرى إلى 0٪.
قم بإيقاف تشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الطور. اترك باقي الدائرة سليمة.

<فئة قوية = "xfig">الشكل 2: مخطط للإعداد لدراسة تأثير الحمل على زاوية عزم الدوران. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

< p class = "jove_title" >4. تأثير التيار الميداني على عامل القدرة

يبحث هذا القسم في جانب واحد من منحنى V.

تأكد من إيقاف تشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الأطوار ومفتاح المحرك المتزامن S₁ ومفتاح محرك التيار المستمر S₂.
تأكد من أن VARIAC عند 0٪.
قم بتوصيل الإعداد الموضح في الشكل 3، والذي يختلف فقط عن الشكل 2 بإضافة المقاوم الميداني المتسلسلي "R_F"، واضبط "_RL" على 200 Ω.
اضبط "R_F" على الموضع 10 Ω. لا يتطلب "R_F" القياس لهذه التجربة، لأن الهدف هو تغيير تيار المجال فقط.
تحقق من أن مفتاح "البدء/التشغيل" في وضع "ابدأ".
قم بتشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الطور.
قم بزيادة خرج VARIAC بسرعة حتى يقرأ عداد الطاقة الرقمي 115 فولت.
قم بتشغيل مصدر طاقة 125 فولت تيار مستمر. تأكد من أن جميع التوصيلات واضحة من محطات الإمداد.
اضغط على زر بدء الإمداد واضبط إخراج الإمداد على 125 فولت.
اقلب مفتاح "بدء / تشغيل" إلى وضع "تشغيل".
بالنسبة إلى "R_F" = 10 و 6 و 3 و 1 ، قم بتسجيل تيار المحرك I_AC1 ، جهد حديد التسليح V_AC1 ، الطاقة الحقيقية ، عامل القدرة ، جهد المجال والتيار من شاشة مصدر طاقة التيار المستمر.
قياس وتسجيل عزم دوران وسرعة الماكينة.
أعد تعيين "_RF" إلى 10 Ω.
قم بتشغيل "S₁" وكرر الخطوات من 4.11 إلى 4.13.
قم بتشغيل "S₂" وكرر الخطوات من 4.11 إلى 4.13.
قم بإيقاف تشغيل "S₂" وتغيير "_RL" إلى 100 Ω.
قم بتشغيل "S₂" وكرر الخطوات من 4.11 إلى 4.13.
قم بإيقاف تشغيل مصدر طاقة التيار المستمر ، واقلب مفتاح "البدء / التشغيل" إلى وضع "ابدأ" ، واضبط VARIAC مرة أخرى على 0٪.
قم بإيقاف تشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الأطوار وافصل الإعداد.

<فئة قوية = "xfig" >الشكل 3: مخطط للإعداد لدراسة تأثير تغيير تيار المجال. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

<فئة div = "chapter_text" id = "script_0" >تعتبر

المحركات المتزامنة مثالية في التطبيقات التي تتطلب سرعة دوار ثابتة مستقلة عن حمل العمود المتغير ، وهي موجودة في كل مكان تقريبا في محطات الطاقة لتنظيم التردد والجهد. تتكون الآلات المتزامنة من نواة دوارة داخلية تسمى الدوار وحلقة خارجية ثابتة تسمى الجزء الثابت. المجال المغناطيسي الدوار ثابت ويتم إنشاؤه إما باستخدام مغناطيس دائم أو مصدر طاقة تيار مستمر. في المحركات المتزامنة ثلاثية الطور ، يتدفق التيار إلى الجزء الثابت للآلة مع توصيل كل مرحلة بمجموعة منفصلة من ملفات الجزء الثابت. ينتج عن هذا مجال مغناطيسي دوار منفصل يتوافق مع التذبذبات في تيار خط الإمداد. يتم اقتران المجالات المغناطيسية للجزء الثابت والدوار أو قفلهما ، مما يتسبب في دوران الدوار بسرعة مماثلة تماما لمعدل دوران المجال المغناطيسي للجزء الثابت. الهدف العام من هذا الفيديو هو تقديم آلات متزامنة ثلاثية الطور ، وإظهار بروتوكولات لبدء وقفل المجالات المغناطيسية للدوار والجزء الثابت ، وتوضيح بروتوكول لإيجاد تأثير أحمال المحرك على زاوية عزم الدوران.

للتغلب على القصور الذاتي الأولي قبل محاذاة حقلي الجزء الثابت والدوار ، يتم تشغيل آلة متزامنة ثلاثية الطور في البداية كمحرك حثي. في هذا الإجراء ، يحفز المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت التيار في دوار قفص السنجاب ، مما يؤدي لاحقا إلى إنشاء مجال مغناطيسي حول الدوار وتحفيز الدوران. بمجرد أن تقترب سرعة الماكينة من السرعة المتزامنة ، يتم تطبيق جهد تيار مستمر عبر ملف المجال. من هذه النقطة فصاعدا ، يتحكم الإثارة الكهرومغناطيسية في المجال المغناطيسي الدوار. مع تثبيت المجال المغناطيسي للدوار ، يتم قفل المجالات المغناطيسية للدوار والجزء الثابت لتحقيق تزامن الدوار والجزء الثابت. وبالتالي ، يتم التحكم في سرعة المحرك المتزامن من خلال سرعة دوران المجال المغناطيسي للجزء الثابت ، وهي مستقلة عن الحمل. في حين أن حمل الدوار لا يؤثر على سرعة الدوار في محرك متزامن ، إلا أنه يتسبب في سقوط سحب الدوار قليلا خلف سحب الجزء الثابت. بينما يستمر المحرك في العمل بسرعة متزامنة ، يطلق على الإزاحة الزاوية زاوية عزم الدوران ، والتي تكون أصغر عند الأحمال المنخفضة وأكبر عند الأحمال الأعلى. مع زيادة الحمل الميكانيكي ، تزداد زاوية عزم الدوران حتى تصبح الزاوية عالية جدا بحيث يتم سحب الدوار من التزامن. وبالتالي فإن هذا الحمل الميكانيكي العالي أعلى من الحد الذي يمكن للمحرك التعامل معه ، ويسمى عزم الانهيار. الآن بعد أن تم تقديم المحركات المتزامنة ، سنوضح إجراءات بدء التشغيل والمزامنة والتوصيف.

قبل بدء تشغيل المحرك المتزامن ، اختبر مصدر طاقة التيار المستمر المستخدم لقفل المجالات المغناطيسية للدوار والجزء الثابت. أولا ، قم بقصر دائرة كهربائية لمصدر طاقة التيار المستمر منخفض الطاقة وتشغيله. قلل التيار الموجود على الإمداد إلى نقطة واحدة ثمانية أمبير ، ثم قم بإيقاف تشغيل الإمداد وافصل الدائرة القصيرة. يقيس اختبار التيار المستمر مقاومة لف الجزء الثابت. أولا ، قم بتوصيل أطراف إمداد التيار المستمر عبر المنفذين الأول والرابع من المحرك المتزامن ، وقم بتشغيل الإمداد. بعد ذلك ، قم بتسجيل جهد التيار المستمر والتيار عبر هذه المنافذ. قم بتغيير الجهد حسب الحاجة للوصول إلى الحد الحالي البالغ نقطة واحدة ثمانية أمبير. سجل الجهد ثم قم بإيقاف تشغيل الإمداد. كرر قياسات الجهد والتيار كما هو موضح عبر المنفذين الثاني والخمس، ثم للمنفذين الثالث والسادسة. أخيرا ، افصل مصدر التيار المستمر لإكمال اختبار التيار المستمر.

في الخطوة التالية من البروتوكول ، يتم تشغيل الجهاز المتزامن في وضع المحرك التعريفي ، ثم يتم قفل المجالات المغناطيسية للدوار والجزء الثابت. أولا ، تحقق من إيقاف تشغيل مفتاح الفصل ثلاثي الأطوار ومفتاح المحرك المتزامن ومفتاح محرك التيار المستمر. بعد ذلك ، تحقق من ضبط variac على صفر بالمائة من جهد الإخراج. مع إيقاف تشغيل الجهاز ، قم بتوصيل المقاييس بمخرج ثلاثي الطور ، وقم بتوصيل الإعداد كما هو موضح. بعد ذلك ، قم بتوصيل قطعة صغيرة من الشريط بعمود دوار الماكينة المتزامن بالتيار المتردد. أخيرا ، اضبط المقياس الخمسة على 100 A لمسبار تيار عداد الطاقة الرقمي. الآن ، ابدأ تشغيل المحرك عن طريق تشغيل الجهاز. أولا ، تحقق من أن مفتاح "بدء التشغيل" في وضع "البدء". ثانيا ، قم بتشغيل مفتاح فصل الفصل ثلاثي الطور. ثالثا ، قم بزيادة خرج variac بسرعة حتى يقرأ عداد الطاقة الرقمي حوالي 115 فولت. تتوافق هذه القياسات مع المرحلة A ، الخط إلى جهد الطور المحايد والتيار بحيث يعكس قياس عامل القدرة بشكل صحيح عامل القدرة لكل طور. ثم قم بقياس عزم دوران المحرك في وضع الحث. أخيرا ، قم بقياس سرعة المحرك باستخدام تقنية الضوء القوي. يرجى الرجوع إلى فيديو تعليم العلوم ، "DC Motors" لمزيد من المعلومات حول هذه التقنية. مع بدء تشغيل الجهاز وقياس المعلمات الأولية ، يكون جاهزا للمزامنة. أولا ، قم بتشغيل مصدر طاقة 125 فولت تيار مستمر. بعد ذلك ، اقلب مفتاح "Start-Run" إلى وضع "Run". انتبه إلى كيفية تغير صوت الجهاز. عندما يقفل المجال المغناطيسي الدوار على المجال المغناطيسي الدوار للجزء الثابت ، يصبح صوت الماكينة أكثر سلاسة. مع قفل المجالات المغناطيسية للدوار والجزء الثابت ، أو متزامنة ، قم بقياس تيار المحرك والجهد والطاقة وعامل القدرة. بعد ذلك ، قم بقياس جهد المجال والتيار من شاشة مصدر طاقة التيار المستمر. بعد ذلك ، قم بقياس الخصائص الميكانيكية وعزم الدوران والسرعة. أخيرا ، قم بإيقاف تشغيل الجهاز بدءا من مصدر طاقة التيار المستمر. بعد ذلك ، اقلب مفتاح "Start-Run" إلى وضع "Start" ، واضبط variac مرة أخرى على صفر بالمائة من الإخراج. أخيرا ، قم بإيقاف تشغيل مفتاح فصل الفصل ثلاثي الطور.

<فئة div = "chapter_text" id = "script_4" >

عندما يقترن محرك DC ميكانيكيا بالآلة المتزامنة لتوفير حمل ميكانيكي ، يمكن تعديل زاوية عزم الدوران في المحرك المتزامن بواسطة تيار مجال التحويلة في محرك التيار المستمر. يفحص هذا البروتوكول العلاقة بين حمل مجال المحرك وزاوية عزم الدوران. مع إيقاف تشغيل الجهاز ، قم بتوصيل الإعداد كما هو موضح ، واضبط مقاوم حمل التحويلة على كيلو أوم. الآن ، قم بتشغيل الجهاز كما هو موضح سابقا. سجل المعلمات الكهربائية والميكانيكية كما كان من قبل. بعد ذلك ، سجل زاوية عزم الدوران مع تحميل مجال التحويلة. للقيام بذلك ، استخدم الستروب لتجميد عمود المحرك المتزامن بصريا. اضبط تردد الستروب باستخدام nob "course" لتتناسب تقريبا مع 1800 دورة في الدقيقة ، السرعة المتزامنة لأربعة آلات سحب 60 هرتز. بعد ذلك ، قم بتوجيه الضوء القوي إلى حافة عمود المحرك ، واضبط النووب "الدقيق" حتى يظهر العمود ثابتا في البداية ، قم بقياس زاوية عزم الدوران مع ضبط RL على 200 أوم ، وإيقاف تشغيل S1 و S2. ثم كرر قياسات الزاوية مع تحميل مجال التحويلة على النحو التالي. اقلب S1 وقم بقياس زاوية دلتا واحد ، ثم قم بتشغيل S2 وقياس زاوية دلتا اثنين. أخيرا ، قم بإيقاف تشغيل S2 ، وقم بتغيير RL إلى 300 أوم ، وأعد تشغيل S2. أخيرا ، قم بإيقاف تشغيل الجهاز كما هو موضح سابقا.

تم تقدير مقاومة طور التيار المستمر من اختبار التيار المستمر كنسبة جهد التيار المستمر إلى تيار التيار المستمر عند تطبيقها بين طرف الطور والمحايد. تساهم مقاومة الطور في الخسائر في الماكينة ، وتسبب انخفاض الجهد عبر المحرك. تم قياس مقاومة المجال بطريقة مماثلة عن طريق تطبيق جهد التيار المستمر على لف المجال وقياس تيار المجال. تتحكم مقاومة المجال في تيار المجال. يمكن أن يتغير جهد المجال بمقاومة مجال ثابتة لتغيير تيار المجال. أخيرا ، أصبحت زاوية عزم الدوران أكبر مع زيادة الحمل الميكانيكي المعدل عن طريق تغيير تيار مجال التحويلة في محرك التيار المستمر. ترتبط القوة الحقيقية للآلة بعد ذلك بزاوية عزم الدوران كما هو موضح. يخبرنا هذا أن طاقة الخرج تكون أعلى عندما تكون زاوية عزم الدوران صفرا.

الآلات المتزامنة شائعة في التطبيقات التي تتطلب سرعة ثابتة على عمود المحرك مع لوائح سرعة صارمة للغاية. المولدات المتزامنة الدوارة ثلاثية الأطوار هي المصدر الرئيسي للطاقة الكهربائية في جميع أنحاء العالم. من أجل توصيل المولد في محطة واحدة بالشبكة الكهربائية ، يجب أن تتطابق ثلاثة عوامل في جهد خرج المولد مع تلك الخاصة بالشبكة والحجم والتردد وتسلسل الطور. بينما يتم استخدام المزامنات التلقائية عادة في محطات الطاقة الكبيرة ، يتم عرض طريقة بسيطة للمزامنة اليدوية في فيديو تعليم العلوم ، "مزامنة الآلة المتزامنة للتيار المتردد". غالبا ما تستخدم المحركات المتزامنة للأجهزة البسيطة مثل المطاحن الكروية. مطحنة الكرة هي جهاز يمزج ويطحن المواد عن طريق تدوير أسطوانة تحتوي على كرات معدنية صغيرة. تأثير الكرات يطحن المواد الموضوعة داخل الأسطوانة. تستخدم هذه المطاحن بشكل متكرر لمزج مواد مثل الدهانات أو لسحق المواد مثل الحبوب النباتية.

لقد شاهدت للتو مقدمة Jove لتوصيف الآلة المتزامنة AC يجب أن تفهم الآن كيفية عمل الآلات المتزامنة للتيار المتردد ، وكيفية بدء تشغيل الماكينة ومزامنتها ، والتعرف على تأثير أحمال المحرك على زاوية عزم الدوران. شكرا للمشاهدة.