Overview
Fonte: Ali Bazzi, Dipartimento di Ingegneria Elettrica, Università del Connecticut, Storrs, CT.
I motori sincroni trifase a rotore avvolto sono meno popolari dei motori sincroni a rotore a magneti permanenti a causa delle spazzole necessarie per il campo del rotore. I generatori sincroni sono molto più comuni e disponibili nella maggior parte delle centrali elettriche esistenti, in quanto hanno un'eccellente regolazione della frequenza e della tensione. I motori sincroni hanno il vantaggio di una regolazione della velocità di quasi lo 0% a causa del fatto che la velocità del rotore è esattamente la stessa della velocità del campo magnetico dello statore, causando una costante della velocità del rotore, indipendentemente da quanto viene caricato l'albero del motore. Pertanto, sono molto adatti per applicazioni a velocità fissa.
Gli obiettivi di questo esperimento sono di comprendere i concetti di avviamento di un motore sincrono trifase, curve a V per vari carichi in cui il carico influisce sul fattore di potenza del motore e l'effetto dei carichi sull'angolo tra la tensione terminale e la parte posteriore e.m.f.
Principles
Le macchine sincrone si basano sul concetto di campo magnetico rotante introdotto per le macchine a induzione. Le correnti trifase, che fluiscono nello statore della macchina, producono un campo magnetico rotante di grandezza costante alla frequenza desiderata. La differenza tra le macchine sincrone e asincrone è che queste ultime hanno avvolgimenti corti o una "gabbia di scoiattolo" sul lato del rotore, mentre le macchine sincrone hanno un campo magnetico fisso sul lato del rotore. Questo campo magnetico è fornito da un eccitatore o da magneti permanenti. Le macchine sincrone a magneti permanenti stanno diventando sempre più comuni grazie alla loro elevata efficienza e alle dimensioni compatte, ma in genere utilizzano materiali di terre rare. Il termine sincrono è usato perché il campo magnetico del rotore, che è indipendente dallo statore, si blocca sul campo magnetico rotante e fa ruotare il rotore alla stessa velocità (o velocità sincrona) del campo magnetico rotante dello statore.
Per avviare un motore sincrono a rotore avvolto trifase, l'avvolgimento del campo viene cortocircuitato dove la macchina funge da motore a induzione. Una volta che la velocità della macchina è vicina alla velocità sincrona, il cortocircuito viene rimosso e una tensione CC viene applicata attraverso l'avvolgimento del campo. Questo blocca i campi magnetici del rotore e dello statore e, quindi, si ottiene il sincronismo del rotore e dello statore. In questo laboratorio, il motore sincrono viene avviato con l'interruttore superiore sulla sua piastra di interfaccia nella posizione "Induction Start" e, una volta che la velocità raggiunge lo stato stazionario, l'interruttore viene spostato nella posizione "Synchronous Run".
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Procedure
1. Test DC
- Accendere l'alimentatore CC a bassa potenza con un cortocircuito tra i suoi terminali.
- Limitare la corrente dell'alimentatore CC a bassa potenza a 1,8 A.
- Spegnere l'alimentazione e scollegare il cortocircuito.
- Collegare i terminali di alimentazione attraverso le porte 1 e 4 del motore sincrono.
- Accendere l'alimentazione e misurare la tensione e la corrente CC. Variare la tensione secondo necessità per raggiungere una corrente di 1,8 A.
- Spegnere l'alimentazione, quindi ripetere i due passaggi precedenti per le porte 2 e 5 e le porte 3 e 6.
- Scollegare l'alimentatore CC a bassa potenza.
2. Avvio sincrono della macchina
- Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono e l'interruttore del motore CC siano tutti spenti.
- Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
- Collegare il VARIAC alla presa trifase e collegare la configurazione mostrata in Fig. 1.
- Ricordarsi di impostare il ridimensionamento da 1 a 1000 della sonda di corrente del misuratore di potenza digitale.
- Verificare che l'interruttore "Start/Run" sia in posizione "Start".
- Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
- Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando il misuratore di potenza digitale legge circa 115 V.
- Misurare la corrente di armatura IAC1, tensione di armatura VAC1, potenza reale e fattore di potenza.
- Ricorda che la tensione di fase (da linea a neutro) e la corrente di fase sulla fase "a" vengono misurate, quindi la misurazione del fattore di potenza sul misuratore di potenza riflette correttamente il fattore di potenza per fase.
- Misurare la coppia e la velocità della macchina.
- Accendere l'alimentatore a 125 V CC. Assicurarsi che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione.
- Premere il pulsante di alimentazione "Start" e impostare l'uscita di alimentazione su 125 V.
- Capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run". Presta attenzione a come cambia il suono della macchina. Il suono della macchina diventa più fluido quando il campo magnetico del rotore si blocca al campo magnetico rotante dello statore.
- Registrare la corrente di armatura IAC1, tensione di armatura VAC1, potenza reale, fattore di potenza e la tensione e la corrente di campo dal display dell'alimentatore CC.
- Misurare e registrare la coppia e la velocità della macchina.
- Spegnere l'alimentatore CC, capovolgere l'interruttore "Start/Run" in posizione "Start" e riportare il VARIAC allo 0%.
- Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase. Lascia intatto il resto del circuito.
Figura 1: Schema della configurazione per avviare il motore sincrono. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
3. Effetto del carico sull'angolo di coppia
- Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono "S1"e l'interruttore del motore CC "S2"siano tutti spenti.
- Si noti che mentre "S1"si trova sul lato del motore sincrono, viene utilizzato per collegare / scollegare il carico "RL" attraverso i terminali della macchina CC.
- Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
- Collegare il setup mostrato in Fig. 2 e impostare "RL"su 200 Ω.
- Verificare che l'interruttore "Start/Run" sia in posizione "Start".
- Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
- Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando il misuratore di potenza digitale legge circa 115 V.
- Accendere l'alimentatore a 125 V CC. Assicurarsi che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione.
- Premere il pulsante di avvio dell'alimentazione e impostare l'uscita di alimentazione su 125 V.
- Capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run".
- Registrare la corrente di armatura IAC1, tensione di armatura VAC1, potenza reale, fattore di potenza e tensione di campo e corrente dal display dell'alimentatore CC.
- Misurare e registrare la coppia e la velocità della macchina.
- Tenere accesa la luce stroboscopica vicino all'albero e misurare l'angolo iniziale δo.
- Per impostare la luce stroboscopica, collegarla a una normale presa di corrente e accenderla.
- Con la manopola grossolana, regolare la lettura della velocità sulla luce stroboscopica per essere abbastanza vicina a 1.800 RPM, che è la velocità sincrona di 1 macchina a quattro poli a 60 Hz. La velocità sincrona è calcolata in round al minuto (RPM) come n= 120xf/P dove f è la frequenza e P è il numero di poli.
- Posizionare la luce stroboscopica verso il bordo dell'albero motore e regolare la manopola Fine fino a quando l'albero non appare fermo. L'occhio umano viene indotto a vedere l'albero come stazionario facendo in modo che la frequenza della luce stroboscopica (o la lettura della velocità) corrisponda alla velocità dell'albero.
- Attiva "S1"e ripeti i passaggi da 3.9 a 3.11, ma misura il nuovo angolo come δ1.
- Attivare "S2"e ripetere i passaggi da 3.9 a 3.11, ma misurare il nuovo angolo come δ2.
- Spegnere "S2"e cambiare "RL"in 100 Ω.
- Attiva "S2"e ripeti i passaggi da 3.9 a 3.11, ma misura il nuovo angolo come δ3.
- Spegnere l'alimentatore CC, capovolgere l'interruttore "Start/Run" in posizione "Start", spegnere "S1"e "S2" e riportare variaC allo 0%.
- Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase. Lascia intatto il resto del circuito.
Figura 2: Schema della configurazione per studiare l'effetto del carico sull'angolo di coppia. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
4. Effetto della corrente di campo sul fattore di potenza
In questa sezione viene esaminata un lato della curva a V.
- Assicurarsi che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono S1e l'interruttore del motore CC S2 siano tutti spenti.
- Controllare che il VARIAC sia allo 0%.
- Collegare la configurazione mostrata in Fig. 3, che è diversa solo dalla Fig. 2 aggiungendo il resistore di campo di serie "RF"e impostare "RL"su 200 Ω.
- Impostare "RF"sulla posizione 10 Ω. "RF"non richiede misurazioni per questo esperimento, poiché l'obiettivo è quello di variare solo la corrente di campo.
- Verificare che l'interruttore "Start/Run" sia in posizione "Start".
- Accendere l'interruttore di disconnessione trifase.
- Aumentare rapidamente l'uscita VARIAC fino a quando il misuratore di potenza digitale legge 115 V.
- Accendere l'alimentatore a 125 V CC. Assicurarsi che tutte le connessioni siano chiare dai terminali di alimentazione.
- Premere il pulsante di avvio dell'alimentazione e impostare l'uscita di alimentazione su 125 V.
- Capovolgere l'interruttore "Start/Run" nella posizione "Run".
- Per "RF"= 10, 6, 3 e 1, registrare la corrente di armatura IAC1, tensione di armatura VAC1, potenza reale, fattore di potenza, tensione di campo e corrente dal display dell'alimentatore CC.
- Misurare e registrare la coppia e la velocità della macchina.
- Ripristina "RF"su 10 Ω.
- Attiva "S1"e ripeti i passaggi da 4.11 a 4.13.
- Attiva "S2"e ripeti i passaggi da 4.11 a 4.13.
- Spegnere "S2"e cambiare "RL"in 100 Ω.
- Attiva "S2"e ripeti i passaggi da 4.11 a 4.13.
- Spegnere l'alimentatore CC, capovolgere l'interruttore "Start/Run" in posizione "Start" e riportare il VARIAC allo 0%.
- Spegnere l'interruttore di disconnessione trifase e scollegare la configurazione.
Figura 3: Schema della configurazione per studiare l'effetto della modifica della corrente di campo. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.
I motori sincroni sono ideali in applicazioni che richiedono una velocità del rotore costante indipendente dal carico variabile dell'albero e sono quasi onnipresenti nelle centrali elettriche per la regolazione della frequenza e della tensione. Le macchine sincrone sono costituite da un nucleo rotante interno chiamato rotore e da un anello stazionario esterno chiamato statore. Il campo magnetico del rotore è fisso e viene generato utilizzando magneti permanenti o una fonte di alimentazione CC. Nei motori sincroni trifase, la corrente scorre allo statore della macchina con ogni fase collegata al proprio set separato di bobine dello statore. Questo produce un campo magnetico rotante separato che corrisponde alle oscillazioni nella corrente della linea di alimentazione. I campi magnetici dello statore e del rotore sono accoppiati o bloccati, facendo ruotare il rotore a una velocità esattamente uguale alla velocità di rotazione del campo magnetico dello statore. L'obiettivo generale di questo video è quello di introdurre macchine sincrone trifase, dimostrare protocolli per l'avvio e il bloccaggio dei campi magnetici del rotore e dello statore e illustrare un protocollo per trovare l'effetto dei carichi del motore sull'angolo di coppia.
Per superare l'inerzia iniziale prima che i campi dello statore e del rotore siano allineati, una macchina sincrona trifase viene inizialmente a funzionata come motore a induzione. In questa procedura, il campo magnetico rotante dello statore induce corrente nel rotore della gabbia dello scoiattolo, creando successivamente un campo magnetico attorno al rotore e inducendo la rotazione. Una volta che la velocità della macchina si avvicina alla velocità sincrona, viene applicata una tensione CC attraverso l'avvolgimento del campo. Da questo punto in poi, l'eccitazione elettromagnetica controlla il campo magnetico del rotore. Con il campo magnetico del rotore fisso, i campi magnetici del rotore e dello statore si bloccano per ottenere il sincronismo rotore-statore. Di conseguenza, la velocità del motore sincrono è controllata dalla velocità di rotazione del campo magnetico dello statore ed è indipendente dal carico. Mentre il carico del rotore non influisce sulla velocità del rotore in un motore sincrono, fa sì che le tiri del rotore cadano leggermente dietro le tiri dello statore. Mentre il motore continua a funzionare a velocità sincrona, lo spostamento angolare è chiamato angolo di coppia, che è più piccolo a carichi inferiori e più grande a carichi più elevati. All'aumentare del carico meccanico, l'angolo di coppia aumenta fino a quando l'angolo è così alto che il rotore viene estratto dal sincronismo. Questo elevato carico meccanico è quindi al di sopra del limite a cui il motore può gestire, ed è chiamato coppia di rottura. Ora che sono stati introdotti i motori sincroni, dimostreremo le procedure per l'avvio, la sincronizzazione e la caratterizzazione.
Prima di avviare il motore sincrono, testare l'alimentatore CC utilizzato per bloccare i campi magnetici del rotore e dello statore. Innanzitutto, cortocircuitare l'alimentatore CC a bassa potenza e accenderlo. Ridurre la corrente sull'alimentazione a un punto otto ampere, quindi spegnere l'alimentazione e scollegare il cortocircuito. Il test DC misura la resistenza all'avvolgimento dello statore. Innanzitutto, collegare i terminali di alimentazione CC tra le porte uno e quattro del motore sincrono e accendere l'alimentazione. Quindi, registrare la tensione e la corrente CC su queste porte. Variare la tensione in base alle esigenze per raggiungere un limite di corrente di un punto otto ampere. Registrare la tensione e quindi spegnere l'alimentazione. Ripetere le misurazioni di tensione e corrente come descritto tra le porte due e cinque, quindi per le porte tre e sei. Infine, scollegare l'alimentazione CC per completare il test CC.
Nella fase successiva del protocollo, la macchina sincrona viene avviata in modalità motore a induzione e quindi i campi magnetici del rotore e dello statore vengono bloccati. Innanzitutto, verificare che l'interruttore di disconnessione trifase, l'interruttore del motore sincrono e l'interruttore del motore CC siano tutti spenti. Quindi, verificare che la variac sia impostata su tensione di uscita pari allo zero percento. Con l'apparecchiatura spenta, collegare la variac alla presa trifase e collegare la configurazione come mostrato. Quindi, collegare un piccolo pezzo di nastro all'albero del rotore sincrono della macchina CA. Infine, impostare il ridimensionamento da cinque a 100 A della sonda di corrente del misuratore di potenza digitale. Ora, avvia il motore accendendo l'apparecchiatura. Innanzitutto, controlla che l'interruttore "Start-Run" sia nella posizione "Start". In secondo luogo, accendere l'interruttore di disconnessione trifase. In terzo luogo, aumentare rapidamente l'uscita variac fino a quando il misuratore di potenza digitale legge circa 115 volt. Queste misurazioni corrispondono alla fase A, la tensione e la corrente di fase da linea a fase neutra in modo che la misurazione del fattore di potenza rifletta correttamente il fattore di potenza per fase. Quindi, misurare la coppia del motore in modalità a induzione. Infine, misurare la velocità del motore utilizzando la tecnica della luce stroboscopica. Si prega di fare riferimento al video di educazione scientifica, "DC Motors" per ulteriori informazioni su questa tecnica. Con la macchina avviata e i parametri iniziali misurati, è pronta per la sincronizzazione. Innanzitutto, accendi l'alimentatore CC da 125 volt. Quindi, capovolgi l'interruttore "Start-Run" nella posizione "Run". Presta attenzione a come cambia il suono della macchina. Quando il campo magnetico del rotore si blocca al campo magnetico rotante dello statore, il suono della macchina diventa più fluido. Con i campi magnetici del rotore e dello statore bloccati o sincronizzati, misurare la corrente e la tensione dell'armatura, la potenza e il fattore di potenza. Quindi, misurare la tensione di campo e la corrente dal display dell'alimentatore CC. Quindi, misurare le caratteristiche meccaniche, la coppia e la velocità. Infine, spegnere l'apparecchiatura a partire dall'alimentatore CC. Quindi, capovolgere l'interruttore "Start-Run" nella posizione "Start" e impostare la variazione su zero percento di output. Infine, spegnere l'interruttore di disconnessione trifase.
Quando un motore DC è accoppiato meccanicamente alla macchina sincrona per fornire un carico meccanico, l'angolo di coppia nel motore sincrono può essere modificato dalla corrente del campo di shunt nel motore DC. Questo protocollo esamina la relazione tra carico sul campo del motore e angolo di coppia. Con l'apparecchiatura spenta, collegare il set up come mostrato e impostare il resistore di carico dello shunt a due kilohm. Ora, accendi l'apparecchiatura come descritto in precedenza. Registrare i parametri elettrici e meccanici come prima. Quindi, registrare l'angolo di coppia con il campo di shunt caricato. Per fare ciò, utilizzare lo strobo per congelare visivamente l'albero del motore sincrono. Regolare la frequenza dello strobo utilizzando il nob 'course' per corrispondere approssimativamente a 1800 RPM, la velocità sincrona di quattro tiri 60 hertz macchina. Quindi, puntare la luce stroboscopica sul bordo dell'albero motore e regolare il nob "fine" fino a quando l'albero appare stazionario Inizialmente, misurare l'angolo di coppia con RL impostato su 200 ohm e spegnere S1 e S2. Quindi, ripetere le misurazioni dell'angolo con il campo di shunt caricato come segue. Capovolgere S1 e misurare l'angolo delta uno, quindi accendere S2 e misurare l'angolo delta due. Infine, disattiva S2, cambia RL a 300 ohm e riaccendi S2. Infine, spegnere l'apparecchiatura come descritto in precedenza.
La resistenza di fase CC è stata stimata dal test CC come il rapporto tra tensione CC e corrente CC quando applicata tra un terminale di fase e il neutro. La resistenza di fase contribuisce alle perdite nella macchina e provoca una caduta di tensione attraverso l'armatura. La resistenza del campo è stata misurata in modo simile applicando la tensione CC all'avvolgimento del campo e misurando la corrente di campo. La resistenza di campo controlla la corrente di campo. La tensione di campo può essere variata con una resistenza di campo fissa per variare la corrente di campo. Infine, l'angolo di coppia è diventato più grande con un aumento del carico meccanico modificato variando la corrente del campo di shunt nel motore DC. La potenza reale della macchina è quindi correlata all'angolo di coppia come mostrato. Questo ci dice che la potenza di uscita è più alta quando l'angolo di coppia è zero.
Le macchine sincrone sono comuni nelle applicazioni che richiedono velocità costante sull'albero del motore con normative di velocità molto rigide. I generatori sincroni a rotore avvolto trifase sono la principale fonte di energia elettrica in tutto il mondo. Per collegare il generatore di un impianto alla rete elettrica, tre fattori nelle tensioni di uscita del generatore devono corrispondere a quelli della rete, grandezza, frequenza e sequenza di fase. Mentre i sincronizzatori automatici sono solitamente utilizzati nelle grandi centrali elettriche, un metodo semplice è dimostrato per la sincronizzazione manuale nel video di Science Education, "AC Synchronous Machine Synchronization". I motori sincroni sono spesso utilizzati per dispositivi semplici come i mulini a sfere. Un mulino a sfere è un dispositivo che fonde e macina materiali ruotando un cilindro contenente piccole sfere metalliche. L'impatto delle sfere macina i materiali posti all'interno del cilindro. Queste smerigliatrici sono utilizzate frequentemente per miscelare materiali come vernici o per polverizzare materiali come il grano vegetale.
Hai appena visto l'introduzione di Jove alla caratterizzazione sincrona delle macchine AC. Ora dovresti capire come funzionano le macchine sincrone AC, come avviare e sincronizzare la macchina e riconoscere l'effetto dei carichi del motore sull'angolo di coppia. Grazie per l'attenzione.
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Results
La resistenza di fase CC può essere stimata dal test CC come il rapporto tra tensione CC e corrente CC quando applicata tra un terminale di fase e il neutro. La resistenza del campo può essere misurata in modo simile applicando la tensione CC all'avvolgimento del campo e misurando la corrente di campo. La reattanza sincrona (Xs), indietro e.m.f. della macchina (EA), e la relativa costante kφ possono essere trovate dalla misura di potenza reale (P3φ) nella macchina: P3φ= 3VφEAcos(δ)/Xs (ignorando la resistenza dello statore Rs) e dalle equazioni di flusso di potenza di base per il circuito equivalente per fase (Fig. 4).
Le curve a V determinano il fattore di potenza della macchina visto dalla sorgente (griglia). Le curve a V dimostrano che la macchina può fornire potenza reattiva (fattore di potenza principale) in determinate condizioni e, quindi, agisce come un condensatore in grado di migliorare la stabilità della tensione sulla rete. Quando si opera in tali condizioni, la macchina viene definita "condensatore sincrono".
Figura 4: Schema del circuito equivalente per fase utilizzato per i risultati rappresentativi.
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Applications and Summary
Le macchine sincrone sono comuni nelle applicazioni che richiedono velocità costante sull'albero del motore con normative di velocità molto rigide. Tali applicazioni includono clock elettrici e unità disco rigido, ma si estendono ai condensatori sincroni, che sono motori sincroni che operano nella regione del fattore di potenza leader per fornire potenza reattiva a un carico. La correzione del fattore di potenza è un altro termine usato con le applicazioni sincrone del condensatore. Si noti che i motori sincroni più comuni sono motori a magneti permanenti, mentre i generatori sincroni più comuni sono generatori sincroni a rotore avvolto.
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