Overview
출처: 알리 바지, 코네티컷 대학교 전기 공학학과, 스토스, CT.
3상 감진 로터 동기모터는 로터 필드에 필요한 브러시로 인해 영구 자석 로터 동기 모터보다 덜 인기가 있습니다. 동기 발전기는 주파수 및 전압 조절이 우수하기 때문에 대부분의 기존 발전소에서 훨씬 더 일반적이며 사용할 수 있습니다. 동기 모터는 로터 속도가 고정자의 자기장 속도와 정확히 동일하기 때문에 거의 0 % 속도 조절의 장점을 가지고 있으며, 모터의 샤프트가 로드되는 양에 관계없이 로터 속도가 일정하게 됩니다. 따라서 고정 속도 응용 분야에 매우 적합합니다.
이 실험의 목적은 3상 동기 모터, 하중이 모터 동력 계수에 영향을 미치는 다양한 하중의 V-커브, 말단 전압과 후면 e.m.f 사이의 각도에 대한 하중의 효과를 이해하는 것입니다.
Principles
동기 기계는 유도 기계에 도입 된 회전 자기장 개념에 의존합니다. 기계의 스테이터에서 흐르는 3상 전류는 원하는 주파수에서 일정한 크기의 회전 자기장을 생성합니다. 동기와 비동기 기계의 차이점은 후자가 로터 측에 권선 또는 "다람쥐 케이지"를 단락시켰으며 동기 기계는 로터 측에 고정 된 자기장을 가지고 있다는 것입니다. 이 자기장은 흥분자 또는 영구 자석에 의해 제공됩니다. 영구 자석 동기 기계는 높은 효율과 컴팩트한 크기로 인해 일반화되고 있지만 일반적으로 희토류 재료를 사용합니다. 용어 동기는 stator에서 독립적 인 로터 자기장이 회전 자기장에 고정되어 고정기의 회전 자기장과 동일한 속도 (또는 동기 속도)로 회전하기 때문에 사용됩니다.
3상 감산 로터 동기 모터를 시작하기 위해, 기계가 유도 모터역할을 하는 필드 권선이 단락됩니다. 기계 속도가 동기 속도에 가까워지면 단락이 제거되고 DC 전압이 필드 권선 에 적용됩니다. 이렇게 하면 로터와 스테이터 자기장을 잠그므로 로터 및 스테이터 동기화가 수행됩니다. 이 실험실에서 동기 모터는 "유도 시작" 위치에서 인터페이스 플레이트의 상단 스위치를 사용하여 시작되며 속도가 정상 상태에 도달하면 스위치가 "동기 실행" 위치로 뒤집습니다.
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Procedure
1. DC 테스트
- 터미널 전체에 걸쳐 단락으로 저전력 DC 전원 공급 장치를 켭니다.
- 저전력 DC 전원 공급 장치에 있는 전류를 1.8A로 제한합니다.
- 공급을 끄고 단락을 분리합니다.
- 동기 모터의 포트 1과 4에 공급 단자 장치를 연결합니다.
- 공급을 켜고 DC 전압 및 전류를 측정합니다. 1.8A의 전류에 도달하는 데 필요한 전압을 다릅니다.
- 공급을 끄고 포트 2및 5 및 포트 3 및 6에 대한 이전 두 단계를 반복합니다.
- 저전력 DC 전원 공급 장치를 분리합니다.
2. 동기 기계 시작
- 3상 분리 스위치, 동기모터 스위치 및 DC 모터 스위치가 모두 꺼져 있는지 확인합니다.
- VARIAC가 0%에 있는지 확인합니다.
- VARIAC를 3상 출구로 연결하고 도 1에 도시된 설정을 연결한다.
- 디지털 파워 미터 전류 프로브의 1에서 1000 스케일링을 설정해야 합니다.
- "시작/실행" 스위치가 "시작" 위치에 있는지 확인합니다.
- 3단계 연결 해제 스위치를 켭니다.
- 디지털 파워 미터가 약 115V를 읽을 때까지 VARIAC 출력을 빠르게 늘립니다.
- 뼈성 전류 IAC1,뼈 전압 VAC1,실제 전력 및 전력 계수를 측정합니다.
- 위상(선-중립) 전압 및 위상 전류가 측정되고 있으므로 파워 미터의 전력계 측정이 위상별 동력계를 올바르게 반영하고 있습니다.
- 기계의 토크와 속도를 측정합니다.
- 125 V DC 전원 공급 장치를 켭니다. 모든 연결이 공급 터미널에서 명확한지 확인합니다.
- 공급 "시작" 버튼을 누르고 공급 출력을 125 V로 설정합니다.
- "시작/실행" 스위치를 "실행" 위치로 전환합니다. 기계 사운드가 어떻게 변하는지 주의하십시오. 로터 자기장이 회전 하는 자기장에 고정될 때 기계 사운드가 부드러워집니다.
- DC 전원 공급 장치 디스플레이에서 뼈전류 IAC1,뼈 전압 VAC1,실제 전력, 전력계수 및 필드 전압 및 전류를 기록합니다.
- 기계의 토크와 속도를 측정하고 기록합니다.
- DC 전원 공급 장치를 끄고 "시작/실행" 스위치를 "시작" 위치로 전환하고 VARIAC를 다시 0%로 설정합니다.
- 3단계 연결 해제 스위치를 끕니다. 회로의 나머지 부분을 그대로 둡니다.
그림 1: 동기 모터를 시작하는 설정의 회로도. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
3. 토크 각도에 부하의 효과
- 3상 분리 스위치, 동기 모터 스위치 "S1"및 DC 모터 스위치 "S2"가모두 꺼져 있는지 확인합니다.
- "S1은동기 모터 측면에 있지만 DC 기계 터미널에서 "RL" 부하를 연결/분리하는 데 사용됩니다.
- VARIAC가 0%에 있는지 확인합니다.
- 도 2에 표시된 설정을 연결하고 "RL"을200 Ω 설정합니다.
- "시작/실행" 스위치가 "시작" 위치에 있는지 확인합니다.
- 3단계 연결 해제 스위치를 켭니다.
- 디지털 파워 미터가 약 115V를 읽을 때까지 VARIAC 출력을 빠르게 늘립니다.
- 125 V DC 전원 공급 장치를 켭니다. 모든 연결이 공급 터미널에서 명확한지 확인합니다.
- 공급 시작 버튼을 누르고 공급 출력을 125 V로 설정합니다.
- "시작/실행" 스위치를 "실행" 위치로 전환합니다.
- DC 전원 공급 장치 디스플레이에서 뼈성 전류 IAC1,뼈 전압 VAC1,실제 전력, 전력계수 및 필드 전압 및 전류를 기록합니다.
- 기계의 토크와 속도를 측정하고 기록합니다.
- 스트로브 라이트를 샤프트 근처에 유지하고 초기 각도δo를측정합니다.
- 스트로브 라이트를 설정하려면 일반 전원 콘센트에 연결하고 켭니다.
- 거친 손잡이를 사용하면 스트로브 라이트의 속도 판독값을 1,800 RPM에 충분히 가깝게 조정하여 1 4극 60Hz 기계의 동기 속도입니다. 동기 속도는 f가 주파수이고 P는 극의 수인 n=120xf/P로 분당 라운드(RPM)로 계산됩니다.
- 스트로브 라이트를 모터 샤프트 의 가장자리를 향하도록 놓고 샤프트가 고정될 때까지 미세 노브를 조정합니다. 사람의 눈은 스트로브 라이트 주파수 (또는 속도 판독)가 샤프트 속도와 일치하도록하여 샤프트를 고정된 것으로 보는 속임수입니다.
- "S1"을켜고 3.9에서 3.11로 단계를 반복하지만 새 각도를 δ1로측정합니다.
- "S2"를켜고 3.9에서 3.11로 단계를 반복하지만 새 각도를 δ2로측정합니다.
- "S2"를끄고 "RL"을100 Ω 변경합니다.
- "S2"를켜고 3.9에서 3.11로 단계를 반복하지만 새 각도를 δ3로측정합니다.
- DC 전원 공급 장치를 끄고 "시작/실행" 스위치를 "시작" 위치로 전환하고 "S1"및"S2"를 끄고 VARIAC를 0%로 다시 설정합니다.
- 3단계 연결 해제 스위치를 끕니다. 회로의 나머지 부분을 그대로 둡니다.
그림 2: 토크 각도에 부하의 효과를 연구하는 설정의 회로도.
4. 전력 계수에 대한 필드 전류의 영향
이 섹션에서는 V-곡선의 한쪽을 조사합니다.
- 3상 분리 스위치, 동기 모터 스위치 S1및 DC 모터 스위치 S2가 모두 꺼져 있는지 확인합니다.
- VARIAC가 0%에 있는지 확인합니다.
- 도 3에 표시된 설정을 연결하여 시리즈 필드 저항기 "RF"를추가하여 도 2와 는 다른 2개의 Ω"로설정합니다.
- "RF"를10 Ω 위치로 설정합니다. "RF"는이 실험에 대한 측정이 필요하지 않습니다.
- "시작/실행" 스위치가 "시작" 위치에 있는지 확인합니다.
- 3단계 연결 해제 스위치를 켭니다.
- 디지털 파워 미터가 115 V를 읽을 때까지 VARIAC 출력을 빠르게 늘립니다.
- 125 V DC 전원 공급 장치를 켭니다. 모든 연결이 공급 터미널에서 명확한지 확인합니다.
- 공급 시작 버튼을 누르고 공급 출력을 125 V로 설정합니다.
- "시작/실행" 스위치를 "실행" 위치로 전환합니다.
- "RF"= 10, 6, 3 및 1의 경우 DC 전원 공급 장치 디스플레이로부터 "R F" = 10, 6, 3 및 1을 기록하여, DC 전원 공급 장치 디스플레이로부터 뼈성 전류 IAC1,뼈 전압 VAC1, 실제 전력, 전력 계수, 필드 전압 및 전류를 기록한다.
- 기계의 토크와 속도를 측정하고 기록합니다.
- "RF"를10개 Ω 재설정합니다.
- "S1"을켜고 4.11에서 4.13으로 단계를 반복합니다.
- "S2"를켜고 4.11에서 4.13으로 단계를 반복합니다.
- "S2"를끄고 "RL"을100 Ω 변경합니다.
- "S2"를켜고 4.11에서 4.13으로 단계를 반복합니다.
- DC 전원 공급 장치를 끄고 "시작/실행" 스위치를 "시작" 위치로 전환하고 VARIAC를 다시 0%로 설정합니다.
- 3단계 연결 해제 스위치를 끄고 설정을 분리합니다.
그림 3: 필드 전류변경 효과를 연구하기 위한 설정의 회로도입니다.
동기 모터는 다양한 샤프트 부하와 무관하게 일정한 로터 속도를 요구하는 애플리케이션에 이상적이며 주파수 및 전압을 조절하기 위한 발전소에서 거의 유비쿼터스입니다. 동기 기계는 로터라고 불리는 내부 회전 코어와 고정기라고 하는 외부 고정 링으로 구성됩니다. 로터 자기장은 고정되어 있으며 영구 자석 또는 DC 전원을 사용하여 생성됩니다. 3상 동기 모터에서 전류는 각 위상이 별도의 고정자 코일 세트에 연결된 기계의 스테이터로 흐릅니다. 이렇게 하면 공급 라인 전류의 진동에 해당하는 별도의 회전 자기장이 생성됩니다. 스테이터와 로터 자기장이 결합되거나 잠겨 있어 로터가 고정자 자기장의 회전 속도와 정확히 동일한 속도로 회전합니다. 이 비디오의 전반적인 목표는 3상 동기 기계를 도입하고, 로터및 스테이터 자기장을 시작하고 잠그는 프로토콜을 시연하고, 모터 하중이 토크 각도에 미치는 영향을 찾는 프로토콜을 설명하는 것입니다.
스테이터 와 로터 필드가 정렬되기 전에 초기 관성을 극복하기 위해 3상 동기기계는 처음에는 유도 모터로 실행됩니다. 이 절차에서, 스테이터의 회전 자기장은 다람쥐 케이지 로터에서 전류를 유도, 그 후 로터 주위에 자기장을 생성하고 회전을 유도. 기계 속도가 동기 속도에 도달하면 필드 권선에 DC 전압이 적용됩니다. 이 시점부터 전자기 흥분은 로터 자기장을 제어합니다. 로터 자기장이 고정되면 로터 와 스테이터 자기장이 잠겨 로터-스테이터 동기화를 달성합니다. 따라서 동기 모터의 속도는 고정자 자기장 회전 속도에 의해 제어되며 부하와 무관합니다. 로터 하중은 동기 모터의 로터 속도에 영향을 미치지 않지만 로터가 회전자 당김뒤에 약간 떨어집니다. 모터가 동기 속도로 계속 실행되는 동안 각 배기는 토크 각도라고 하며, 이는 낮은 하중에서 더 작고 더 높은 하중에서 더 큽립니다. 기계적 하중이 증가함에 따라 각도가 너무 높을 때까지 토크 각도가 증가하여 로터가 동기화에서 꺼낸다. 따라서 이 높은 기계적 하중은 모터가 처리할 수 있는 한계를 초과하며 고장 토크라고 합니다. 이제 동기 모터가 도입되었으므로 시작, 동기화 및 특성화 에 대한 절차를 시연할 것입니다.
동기 모터를 시작하기 전에 로터와 스테이터 자기장을 잠그는 데 사용되는 DC 전원 공급 장치를 테스트합니다. 첫째, 저전력 DC 전원 공급 장치를 단락시키고 켭니다. 공급의 전류를 1점 8암페어로 줄이고 공급을 끄고 단락을 분리합니다. DC 테스트는 스테이터 권선 저항을 측정합니다. 먼저 DC 공급 단자포트 1과 4개를 연결하고 공급을 켭니다. 그런 다음 이러한 포트에서 DC 전압 및 전류를 기록합니다. 1점 8암페어의 전류 한계에 도달하기 위해 필요에 따라 전압을 다릅니다. 전압을 기록한 다음 공급을 끕니다. 포트 2개와 5개 항에 대해 설명한 대로 전압 및 전류 측정을 반복한 다음 포트 3개와 6개에 대해 반복합니다. 마지막으로 DC 공급 장치를 분리하여 DC 테스트를 완료합니다.
프로토콜의 다음 단계에서 동기 기계는 유도 모터 모드에서 시작되고 로터 및 스테이터 자기장이 잠깁니다. 먼저 3상 분리 스위치, 동기 모터 스위치 및 DC 모터 스위치가 모두 꺼져 있는지 확인합니다. 그런 다음 variac이 0%의 출력 전압으로 설정되어 있는지 확인합니다. 장비가 꺼져 면 바리악을 3상 콘센트에 연결하고 표시된 대로 설정을 연결합니다. 그런 다음 AC 동기 기계 로터 샤프트에 작은 테이프 조각을 부착합니다. 마지막으로 디지털 파워 미터 전류 프로브의 5~100A 스케일링을 설정합니다. 이제 장비에 전원을 공급하여 모터를 시작합니다. 먼저 '시작-실행' 스위치가 '시작' 위치에 있는지 확인합니다. 둘째, 3단계 연결 해제 스위치를 켭니다. 셋째, 디지털 파워 미터가 약 115볼트를 판독할 때까지 바리악 출력을 빠르게 늘립니다. 이러한 측정은 위상 A, 중성 상 전압 및 전류에 대한 라인에 해당하므로 전력 계수 측정이 위상 당 전력 계수를 올바르게 반영합니다. 그런 다음 유도 모드에서 모터 토크를 측정합니다. 마지막으로 스트로브 라이트 기술을 사용하여 모터 속도를 측정합니다. 이 기술에 대한 자세한 내용은 과학 교육 비디오인 "DC Motors"를 참조하십시오. 기계가 시작되고 초기 매개 변수를 측정하면 동기화할 준비가 되었습니다. 먼저 125볼트 DC 전원 공급 장치를 켭니다. 그런 다음 '시작 실행' 스위치를 '실행' 위치로 전환합니다. 기계 사운드가 어떻게 변하는지 주의하십시오. 로터 자기장이 자기장을 회전하는 스테이터에 잠그면 기계 소리가 부드러워집니다. 로터 와 스테이터 자기장이 잠겨 있거나 동기화되면 뼈류 및 전압, 전력 및 전력 계수를 측정합니다. 그런 다음 DC 전원 공급 장치 디스플레이에서 필드 전압 및 전류를 측정합니다. 다음으로 기계적 특성, 토크 및 속도를 측정합니다. 마지막으로 DC 전원 공급 장치부터 시작하는 장비를 끕니다. 그런 다음 '시작 실행' 스위치를 '시작' 위치로 전환하고 바리악을 다시 0%의 출력으로 설정합니다. 마지막으로 3단계 연결 해제 스위치를 끕니다.
DC 모터가 기계적 부하를 제공하기 위해 동기 기계에 기계적으로 결합되면 동기 모터의 토크 각도는 DC 모터의 션트 필드 전류에 의해 수정될 수 있습니다. 이 프로토콜은 모터 필드 부하와 토크 각도 사이의 관계를 검사합니다. 장비가 꺼져 있는 경우, 표시된 대로 설정을 연결하고 션트 하중 저항기를 2킬로 옴으로 설정합니다. 지금, 이전에 설명 한 대로 장비를 전원. 전기 및 기계 파라미터를 이전과 같이 기록합니다. 다음으로, 션트 필드가 로드된 토크 각도를 기록합니다. 이렇게하려면 스트로브를 사용하여 동기 모터의 샤프트를 시각적으로 고정시하십시오. '코스' 노브를 사용하여 스트로브 주파수를 조정하여 약 1800 RPM, 4개의 풀 60 헤르츠 기계의 동기 속도와 일치합니다. 그런 다음, 모터 샤프트의 가장자리에 스트로브 빛을 조준하고, 샤프트가 처음에 고정 나타날 때까지 '미세'노브를 조정, 200 옴으로 설정 RL로 토크 각도를 측정하고, S1과 S2를 전환합니다. 그런 다음 다음과 같이 로드된 션트 필드로 각도 측정을 반복합니다. S1을 뒤집어 각도 델타 를 측정한 다음 S2를 켜고 각도 델타 2를 측정합니다. 마지막으로 S2를 끄고 RL을 300 옴으로 변경하고 S2를 다시 켭니다. 마지막으로 이전에 설명한 대로 장비를 끕니다.
DC 위상 저항은 위상 단자와 중립 사이에 적용될 때 DC 전압과 DC 전류의 비율로 DC 테스트에서 추정되었다. 위상 저항은 기계의 손실에 기여하며, 뼈대 전체에 전압 강하를 일으킵니다. 필드 저항은 필드 권선에 DC 전압을 적용하고 필드 전류를 측정하여 유사한 방식으로 측정되었다. 필드 저항은 필드 전류를 제어합니다. 필드 전압은 필드 전류를 변화시키기 위해 고정 된 필드 저항으로 다양할 수 있습니다. 마지막으로, DC 모터의 션트 필드 전류를 변경하여 수정된 기계적 부하가 증가하면서 토크 각도가 커졌습니다. 기계의 실제 힘은 그림과 같이 토크 각도와 관련이 있습니다. 이것은 토크 각도가 0일 때 출력 전력이 가장 높다는 것을 알려줍니다.
동기 기계는 매우 엄격한 속도 규정으로 모터의 샤프트에 일정한 속도를 요구하는 응용 분야에서 일반적입니다. 3상 상처 로터 동기 발전기는 전 세계적으로 전력의 주요 원천입니다. 한 공장에서 발전기를 전기 그리드에 연결하려면 발전기 출력 전압의 세 가지 요인이 그리드, 크기, 주파수 및 위상 서열과 일치해야 합니다. 자동 동기화기는 일반적으로 대형 발전소에서 사용되지만 과학 교육 비디오인 "AC 동기 기계 동기화"에서 수동 동기화를 위한 간단한 방법이 입증됩니다. 동기 모터는 종종 볼 밀과 같은 간단한 장치에 사용됩니다. 볼 밀은 작은 금속 공이 들어 있는 실린더를 회전시켜 재료를 혼합하고 분쇄하는 장치입니다. 공의 충격은 실린더 내에 배치된 재료를 갈기갈기 갈기. 이 분쇄기는 페인트와 같은 재료를 혼합하거나 식물 곡물과 같은 재료를 분쇄하는 데 자주 사용됩니다.
AC 동기 기계 특성화에 대한 Jove의 소개를 방금 시청했습니다. 이제 AC 동기 기계의 작동 방식, 기계를 시동 및 동기화하는 방법, 토크 각도에 대한 모터 하중의 영향을 인식해야 합니다. 시청해 주셔서 감사합니다.
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Results
DC 위상 저항은 위상 단자와 중립 사이에 적용될 때 DC 전압과 DC 전류의 비율로 DC 테스트에서 추정될 수 있다. 필드 저항은 필드 권선에 DC 전압을 적용하고 필드 전류를 측정하여 유사한 방식으로 측정될 수 있습니다. 동기반응(Xs),기계(EA)의 백 e.m.f) 및 관련 상수 kφ 실제전력(P3φ)측정에서 기계내로 찾을 수 있습니다: P3φ=3VφEA코스(δ)/Xs(스태터 저항 Rs)와기본 전력 흐름 방정식(도 4).
V 곡선은 소스(그리드)에서 볼 수 있는 기기의 전력계수를 결정합니다. V-커브는 기계가 특정 조건에서 반응성 전력(선도 전력 계수)을 제공할 수 있으며 따라서 그리드의 전압 안정성을 향상시킬 수 있는 커패시터처럼 작동한다는 것을 보여줍니다. 이러한 조건에서 작동할 때 기계는 "동기 응축기"라고 합니다.
그림 4: 대표 결과에 사용되는 위상별 등가 회로의 회로를 한다.
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Applications and Summary
동기 기계는 매우 엄격한 속도 규정으로 모터의 샤프트에 일정한 속도를 요구하는 응용 분야에서 일반적입니다. 이러한 응용 분야에는 전기 시계 및 하드 디스크 드라이브가 포함되지만, 부하에 반응성 전력을 제공하기 위해 선행 전력계수 영역에서 작동하는 동기 모터인 동기 응축기로 확장됩니다. 동력계 보정은 동기 응축기 응용 프로그램과 함께 사용되는 또 다른 용어입니다. 가장 일반적인 동기 모터는 영구 자석 모터이며 가장 일반적인 동기 발생기는 상처 로터 동기 발생기입니다.
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