Sinkroni strojevi s permanentnim magnetima. Eksperimentalna istraživanja energetske učinkovitosti sinkronih generatora s više jedinica na stalnim magnetima Sinkroni izmjenični generatori na magnetima

Beskontaktni sinkroni generatori sa stalni magneti(SGPM) imaju jednostavne strujni krug, ne troše energiju za pobudu i imaju povećanu učinkovitost, odlikuju se velikom pouzdanošću rada, manje su osjetljivi na djelovanje reakcije armature od konvencionalnih strojeva, njihovi nedostaci povezani su s niskim regulatornim svojstvima zbog činjenice da radni tok stalnih magneta ne može se mijenjati u širokom rasponu. Međutim, u mnogim slučajevima ta značajka nije odlučujuća i ne sprječava njihovu široku upotrebu.

Većina PMG -ova koji se danas koriste imaju magnetski sustav s permanentnim magnetima koji se okreću. Stoga se magnetski sustavi međusobno razlikuju uglavnom po dizajnu rotora (induktora). Stator SGPM -a ima gotovo isti dizajn kao i u klasičnim AC strojevima, obično sadrži cilindrični magnetski krug sastavljen od limova električnog čelika, na unutarnja površina koji su utori smješteni za smještaj namota armature. Za razliku od konvencionalnih sinkronih strojeva, radni jaz između statora i rotora u SGPM -u odabran je kao minimalan, na temelju tehnoloških mogućnosti. Dizajn rotora uvelike je određen magnetskim i tehnološka svojstva tvrdi magnetski materijal.

Rotor s cilindričnim magnetom

Najjednostavniji je rotor s monolitnim cilindričnim prstenastim magnetom (slika 5.9, ali). Magnet 1 je lijevan i pričvršćen je na vratilo pomoću čahure 2, na primjer, od aluminijske legure. Magnetiziranje magneta provodi se u radijalnom smjeru na višepolnoj instalaciji za magnetiziranje. Budući da je mehanička čvrstoća magneta mala, pri velikim linearnim brzinama magnet se postavlja u omotač (traku) od nemagnetnog materijala.

Raznolikost rotora s cilindričnim magnetom je montažni rotor od odvojenih segmenata 1 iz nemagnetične čelične ljuske 3 (slika 5.9, b). Magneti za magnetizirane radijalne segmente 1 zatvoreni su na čahuri 2 s magnetskim čelikom i pričvršćeni su na bilo koji način, na primjer, ljepilom. Generatori s rotorom ovog dizajna, kada je magnet stabiliziran u slobodnom stanju, imaju EMF krivulju blisku sinusnoj. Prednost rotora s cilindričnim magnetom je jednostavnost i proizvodnost dizajna. Nedostatak je niska upotreba volumena magneta zbog male duljine prosječne linije polja pola h i. S povećanjem broja polova, vrijednost h te se smanjuje i upotreba volumena magneta pogoršava.

Slika 5.9 - Rotori s cilindrični magnet: a - monolitni, b - montažni

Rotori sa zvjezdastim magnetom

U SGPM-u snage do 5 kVA naširoko se koriste rotori zvjezdastog tipa s izraženim polovima bez potpornih papuča (slika 5.10, ali). U ovom dizajnu, zvjezdasti magnet se češće pričvršćuje na osovinu lijevanjem nemagnetnom legurom 2. Magnet se također može postaviti izravno na vratilo. Kako bi se smanjio učinak razmagnetiziranja reakcijskog polja armature pri udarnoj struji kratkog spoja na rotoru, u nekim se slučajevima pretpostavlja sustav prigušivača 3. Potonji se u pravilu provodi punjenjem rotora aluminijom. Pri velikim brzinama na magnet je pritisnuta nemagnetna traka.

Međutim, kada je generator preopterećen, bočna reakcija armature može uzrokovati asimetrično preokretanje magnetizacije rubova polova. Takav obrat magnetizacije iskrivljuje oblik polja u radnom zazoru i oblik krivulje EMF -a.

Jedan od načina za smanjenje utjecaja armaturnog polja na magnetsko polje je upotreba papuča s mekim magnetskim čelicima. Promjenom širine papučastih papuča (podešavanjem protoka curenja stupova) može se postići optimalna upotreba magneta. Osim toga, promjenom konfiguracije stupova s ​​stupovima moguće je dobiti potreban oblik polja u radnom razmaku generatora.

Na sl. 5.10, b prikazuje dizajn sastavljenog rotora zvjezdastog tipa s prizmatičnim stalnim magnetima s polnim papučama. Radijalno magnetizirani magneti 1 postavljeni su na čahuru 2 s mekim magnetskim materijalom. Na polu magneta postavljeni su polovi cipele 3 od magnetskog čelika. Kako bi se osigurala mehanička čvrstoća ba

Slika 5.10 - Rotori radijalnog tipa: a - bez potpornih papuča; b - montažne sa cipelama s motkom

šmakovi su zavareni na nemagnetne umetke 4, tvoreći traku. Praznine između magneta mogu se popuniti aluminijskom legurom ili spojem.

Nedostaci rotora radijalnog tipa s polnim papučama uključuju komplikaciju dizajna i smanjenje punjenja magnetskog volumena rotora.

Rotori s kandžastim stupovima.

U generatorima s velikim brojem polova naširoko se koristi dizajn rotora s kandžom. Rotor u obliku čavla (slika 5.11) sadrži cilindrični magnet 1, magnetiziran u aksijalnom smjeru, postavljen na nemagnetnu čahuru 2. Prirubnice 3 i 4 su u blizini krajeva magneta. Meki magnetski čelici imaju kandže- poput izbočina koje tvore stupove. Sve pojave lijeve prirubnice su sjeverni polovi, a desne prirubnice južni polovi. Izboci prirubnice izmjenjuju se po obodu rotora, tvoreći višepolni sustav uzbude. Snaga generatora može se značajno povećati primjenom modularnog principa postavljanjem nekoliko magneta s kandžnim stupovima na osovinu.

Nedostaci rotora kandže su: relativna složenost dizajna, poteškoće magnetiziranja magneta u sastavljenom rotoru, veliki fluksi raspršivanja, moguće je savijanje krajeva izbočina pri velikim brzinama vrtnje, imala mjeru punjenja magneta volumenom rotora.

Postoje izvedbe rotora s različitim kombinacijama PM -a: sa serijskim i paralelnim spajanjem MPC magneta, s regulacijom napona zbog osnog pomaka rotora u odnosu na stator, sustav za zajedničko reguliranje pobude SGPM -a iz PM i paralelni radni elektromagnetski namot itd. Za vitroelektrične instalacije bez zupčanika najbolje je rješenje upotrijebiti višestruke SGPM

Slika 5.11 - Tip kandže rotora

pol verzija. U Njemačkoj, Ukrajini i drugim zemljama postoji iskustvo u razvoju i primjeni generatora malih brzina za vjetroagregate bez zupčanika s frekvencijom rotacije 125-375 o / min.

Zbog glavnog zahtjeva za vjetroagregate bez zupčanika - da imaju nisku brzinu vrtnje generatora - ispostavilo se da su dimenzije i težina SGPM -a precijenjene u usporedbi s generatorima velikih brzina s približno istom snagom. U kućištu 1 (slika 5.12) nalazi se konvencionalni stator 2 s namotom 3. Rotor (induktor) 4 s pločama neodimij-željezo-bor 5 zalijepljenim na vanjskoj površini postavljen je na osovinu 6 s ležajevima 7. kućište 1 je pričvršćeno na podnožje 8, et "je spojen na oslonac vjetroturbine, a rotor 4 je spojen na osovinu vjetroagregata (nije prikazano na slici 5.12).

Pri malim brzinama vjetra za vjetroagregate potrebno je koristiti generatore s malim brzinama vrtnje. U tom slučaju sustav često nema mjenjač i osovina je izravno povezana s osovinom. električni generator... Time se postavlja problem dobivanja dovoljno visokog izlaznog napona i električne energije. Jedan od načina rješavanja je višepolni električni generator s dovoljno velikim promjerom rotora. Rotor generatora može se izraditi pomoću stalnih magneta. Električni generator s rotorom sa stalnim magnetom nema kolektor i četke, koje

Slika 5.12 - Strukturni dijagram SGPM -a za vjetroagregate bez zupčanika: 1- kućište; 2 - stator; 3 - namotavanje; 4 - rotor; 5-ploče stalnih magneta s Nd-Fe-B; 6 - vratilo; 7 - ležajevi; 8 - baza

Značajno poboljšava njegovu pouzdanost i vrijeme rada bez održavanja i popravaka.

Električni generator s rotorom sa stalnim magnetom može se izgraditi prema različitim shemama, koje se međusobno razlikuju u općem rasporedu namota i magneta. Magneti s promjenjivim polaritetom nalaze se na rotoru generatora. Namoti s izmjeničnim smjerovima namota nalaze se na statoru generatora. Ako su rotor i stator koaksijalni diskovi, tada se ovaj tip generatora naziva aksijalni ili disk (slika 5.13).

Ako su rotor i stator koaksijalni koaksijalni cilindri, tada se ova vrsta generatora naziva radijalna ili cilindrična (slika 5.14). U radijalnom generatoru rotor može biti unutarnji ili vanjski prema statoru.

Slika 5.13 - Pojednostavljeni dijagram električnog generatora s rotorom s permanentnim magnetom aksijalnog (diskovnog) tipa

Slika 5.14 - Pojednostavljeni dijagram električnog generatora s rotorom sa stalnim magnetom radijalnog (cilindričnog) tipa

Važna značajka sinkronih generatora PM -a u usporedbi s konvencionalnim sinkronim generatorima je složenost regulacije izlaznog napona i njegova stabilizacija. Ako je u konvencionalnim sinkronim strojevima moguće glatko regulirati radni tok i napon promjenom uzbudne struje, tada u strojevima sa stalnim magnetima ta mogućnost izostaje, budući da je tok F unutar navedenog povratnog voda i neznatno se mijenja. Za regulaciju i stabilizaciju napona sinkronih generatora s permanentnim magnetom moraju se koristiti posebne metode.

Jedan od mogućih načina stabilizacije napona sinkronih generatora je uvođenje kapacitivnih elemenata u vanjski električni krug generatora, pridonoseći pojavi reakcije uzdužnog magnetiziranja armature. Vanjske karakteristike generatora s kapacitivnom naravi opterećenja malo se mijenjaju i mogu čak sadržavati rastuće dijelove. Kondenzatori, koji osiguravaju kapacitivnu prirodu opterećenja, serijski su spojeni na krug opterećenja (slika 5.15, ali) ili putem pidvišućeg transformatora, koji vam omogućuje smanjenje mase kondenzatora povećanjem njihovog radnog napona i smanjenjem struje (slika S.1S, b). Također je moguće paralelno spojiti kondenzator u krug generatora (Sl.5.15, e).

Slika 5.15 - uključivanje stabilizacijskih kondenzatora u krug sinkronog generatora sa stalnim magnetima

Dobra stabilizacija izlaznog napona generatora s PM može se postići pomoću rezonantnog kruga koji sadrži kapacitet C i prigušivač zasićenja L. Krug je spojen paralelno s opterećenjem, kao što je prikazano na sl. 5,16, ali u jednofaznoj slici. Zbog zasićenja prigušnice, njen se induktivitet smanjuje s povećanjem struje, a ovisnost napona na prigušnici o struji prigušnice je nelinearna (slika 5.16, b). Istodobno, ovisnost napona na kondenzatoru o struji je linearna. Na mjestu presjeka krivulja i, što odgovara nazivnom naponu generatora

Slika 5.16 - stabilizacija napona sinkronog generatora s permanentnim magnetom pomoću rezonantnog kruga: a - dijagram povezivanja kruga; b - strujno -naponske karakteristike (b)

torus, u krugu se javlja rezonancija struja, odnosno reaktivna struja ne ulazi u krug izvana.

Ako se napon smanji, tada, kao što se može vidjeti sa sl. 4.15, b, kada imamo, odnosno krug uzima kapacitivnu struju iz generatora. Reakcija uzdužnog magnetiziranja armature, koja se događa u ovom slučaju, potiče rast U ... Ako, dakle, krug uzima i induktivnu struju iz generatora. Reakcija uzdužnog razmagnetiziranja armature dovodi do smanjenja U.

U nekim slučajevima, prigušivači zasićenja (DV) koriste se za stabilizaciju napona generatora, koji su magnetizirani istosmjernom strujom iz sustava za regulaciju napona. S padom napona, regulator povećava struju magnetiziranja u prigušnici, smanjuje se njegova induktivnost zbog zasićenja jezgre, smanjuje se učinak uzdužne reakcije razmagnetiziranja armature, kao i pad napona na DN -u, što doprinosi do obnavljanja izlaznog napona generatora.

Regulacija napona i stabilizacija generatora s PM-om mogu se učinkovito provesti pomoću poluvodičkog pretvarača u čijoj se svakoj fazi nalaze dva protuparalelna tiristora. Svaki poluval krivulje napona ispred pretvarača odgovara naponu naprijed na jednom od tiristora. Ako upravljački sustav daje signale za uključivanje tiristora s određenim zakašnjenjem, što odgovara upravljačkom kutu. S povećanjem napona iza pretvarača, on se smanjuje, sa smanjenjem napona na stezaljkama generatora, kut se smanjuje tako da napon na generatoru. Uz pomoć takvog pretvarača moguće je ne samo stabilizirati, već i promjenom kuta regulirati izlazni napon u širokom rasponu. Nedostatak opisanog kruga je pogoršanje kvalitete napona s povećanjem zbog pojave viših harmonika.

Opisane metode regulacije i stabilizacije napona povezane su s uporabom teških i glomaznih dodatnih uređaja izvan generatora. Ostvarenje ovog cilja moguće je osigurati korištenjem dodatnog istosmjernog magnetskog namota (PO) u generatoru, mijenja stupanj zasićenja čeličnih magnetskih žica i na taj način mijenja vanjsku magnetsku vodljivost u odnosu na magnet.

Svrha je ovog rada razjasniti energetske značajke sinkronih generatora stalnih magneta s više jedinica, a osobito utjecaj struje opterećenja koja stvara polje razmagnetiziranja (odziv armature) na karakteristiku opterećenja takvih generatora. Testirana su dva diskovna sinkrona generatora različite snage i dizajna. Prvi generator je mali sinkroni generator s jednim magnetskim diskom promjera 6 ", šest parova polova i diskom s namotom s dvanaest namota. Ovaj je generator prikazan na ispitnom stolu (Fotografija # 1), a njegova potpuna ispitivanja opisana su u mom članku pod naslovom :, Eksperimentalno istraživanje energetska učinkovitost dobivanje električne energije iz magnetskog polja stalnih magneta ”. Drugi generator je veliki disk generator s dva magnetska diska, promjera 14 ", s pet parova polova i diskom s namotom s deset namota. Ovaj generator još nije sveobuhvatno testiran i prikazan je na fotografiji # 3, neovisno električni auto, pored malog ispitnog stola generatora. Ovaj generator rotirao je istosmjerni motor postavljen na njegovo tijelo.
Izlazni izmjenični naponi generatora ispravljeni su, zaglađeni velikim kondenzatorima, a struje i naponi u oba generatora izmjereni su pri istosmjernoj struji digitalnim multimetrima tipa DT9205A. Za mali generator mjerenja su izvršena na standardnoj frekvenciji izmjenične struje od 60 Hz, što je za mali generator odgovaralo 600 o / min. ... Za mali generator mjerenja su također provedena na višekratniku od 120 Hz, što je odgovaralo 1200 o / min. Opterećenje na oba generatora bilo je čisto aktivno. U malom generatoru s jednim magnetskim diskom, magnetski krug je bio otvoren, a zračni razmak između rotora i statora bio je oko 1 mm. U velikom generatoru s dva magnetska diska magnetski krug je zatvoren, a namoti su postavljeni u zračni razmak od 12 mm.
Prilikom opisivanja fizičkih procesa u oba generatora, aksiom je da stalni magneti imaju konstantno magnetsko polje, koje se ne može ni smanjiti ni povećati. To je važno uzeti u obzir pri analizi prirode vanjskih karakteristika ovih generatora. Stoga ćemo kao varijablu uzeti u obzir samo promjenjivo polje razmagnetiziranja namota opterećenja generatora. Vanjska karakteristika malog generatora, frekvencije 60 Hz, prikazana je na slici 1, koja također prikazuje krivulju izlazne snage generatora Pgen i krivulju KPI. Priroda krivulje vanjske karakteristike generatora može se objasniti na temelju sljedećih razmatranja - ako se veličina magnetskog polja na površini polova magneta ne mijenja, tada se s udaljenošću od te površine smanjuje , i budući da se nalaze izvan tijela magneta, mogu se promijeniti. Pri niskim strujama opterećenja polje namota opterećenja generatora stupa u interakciju s oslabljenim, raspršenim dijelom polja magneta i uvelike ga smanjuje. Zbog toga se njihovo ukupno polje uvelike smanjuje, a izlazni napon naglo pada uz parabolu, budući da je snaga razmagnetizirajuće struje proporcionalna njezinom kvadratu. To potvrđuje slika magnetskog polja magneta i namota, dobivena uz pomoć željeznih strugotina. Na fotografiji # 1 prikazana je slika samo magneta i jasno se vidi da su sile polja koncentrirane na polovima, u obliku grumena piljevine. Bliže središtu magneta, gdje je polje općenito nula, polje jako slabi, pa ne može ni pomaknuti piljevinu. To oslabljeno polje poništava reakciju armature namota pri niskoj struji od 0,1A, što se može vidjeti na fotografiji br. 2. S daljnjim povećanjem struje opterećenja smanjuju se i jača polja magneta, koja su bliže njihovim polovima, ali se namot ne može dalje smanjivati, sve veće polje magneta i krivulja vanjskih karakteristika generator se postupno ispravlja i pretvara u izravnu ovisnost izlaznog napona generatora o struji opterećenja ... Štoviše, na ovom linearnom dijelu karakteristike opterećenja naprezanje pod opterećenjem smanjuje se manje nego na nelinearnom, a vanjska karakteristika postaje sve kruća. Približava se karakteristikama konvencionalnog sinkronog generatora, ali s nižim početnim naponom. Industrijski sinkroni generatori dopuštaju do 30% pad napona pod nazivnim opterećenjem. Pogledajmo koliki postotak pada napona za mali generator pri 600 i 1200 o / min. Pri 600 o / min napon otvorenog kruga mu je bio 26 V, a pod strujom opterećenja od 4 ampera pao je na 9 volti, odnosno smanjio se za 96,4% - to je vrlo veliki pad napona, više od tri puta veći od pravilo. Pri 1200 o / min napon otvorenog kruga već je postao 53,5 V, a pod istom strujom opterećenja od 4 ampera pala je na 28 V, odnosno već se smanjila za 47,2% - to je već bliže dopuštenih 30 %. No, razmotrimo numeričke promjene krutosti vanjskih karakteristika ovog generatora u širokom rasponu opterećenja. Krutost karakteristike opterećenja generatora određena je brzinom pada izlaznog napona pod opterećenjem, pa je izračunavamo, počevši od napona generatora u praznom hodu. Oštar i nelinearni pad ovog napona opaža se do približno struje od jednog ampera, a najizraženiji je do struje od 0,5 ampera. Dakle, sa strujom opterećenja od 0,1 Ampera, napon iznosi 23 V i pada, u usporedbi s naponom otvorenog kruga od 25 V, za 2 V, to jest, brzina pada napona je 20 V / A. Sa strujom opterećenja od 1,0 Ampera, napon je već 18 V, a pada za 7 V, u usporedbi s naponom otvorenog kruga, odnosno, brzina pada napona već je 7 V / A, odnosno smanjila se za 2,8 puta. Ovo povećanje krutosti vanjske karakteristike nastavlja se daljnjim povećanjem opterećenja generatora. Dakle, sa strujom opterećenja od 1,7 Ampera, napon pada sa 18 V na 15,5 Volta, odnosno brzina pada napona je već 3,57 V / A, a sa strujom opterećenja od 4 Ampera, napon pada sa 15,5 V na 9 volti, odnosno brzina pada napona smanjuje se na 2,8 V / A. Taj je proces popraćen stalnim povećanjem izlazne snage generatora (slika 1), uz istodobno povećanje krutosti njegovih vanjskih karakteristika. Povećanje izlazne snage, na ovih 600 o / min, istovremeno osigurava dovoljno visok KPI generatora od 3,8 jedinica. Slični se procesi događaju pri dvostrukoj sinkronoj brzini generatora (slika 2), također snažnom kvadraturnom smanjenju izlaznog napona pri niskim strujama opterećenja, s daljnjim povećanjem krutosti njegovih vanjskih karakteristika s povećanjem opterećenja, razlike su samo u numeričkim vrijednostima. Uzmimo samo dva ekstremna slučaja opterećenja generatora - minimalnu i maksimalnu struju. Dakle, s minimalnom strujom opterećenja od 0,08 A, napon je 49,4 V i pada, u usporedbi s naponom od 53,5 V za 4,1 V. To jest, brzina pada napona je 51,25 V / A, i više nego dvostruko veća od ove brzine pri 600 o / min. Pri maksimalnoj struji opterećenja od 3,83 A, napon je već jednak 28,4 V i pada, u usporedbi s 42 V pri struji od 1,0 A, za 13,6 V. To jest, brzina pada napona bila je 4,8 V / A, a 1,7 puta više od ove brzine pri 600 o / min. Iz ovoga se može zaključiti da povećanje brzine vrtnje generatora značajno smanjuje krutost njegove vanjske karakteristike u početnom presjeku, ali je ne značajno smanjuje u linearnom presjeku njegove karakteristike opterećenja. Karakteristično je da je u ovom slučaju, pri punom opterećenju generatora od 4 ampera, postotak pada napona stoga manji od 600 okretaja u minuti. To je zbog činjenice da je izlazna snaga generatora proporcionalna kvadratu generiranog napona, odnosno brzini rotora, a snaga razmagnetizirajuće struje proporcionalna kvadratu struje opterećenja. Stoga se pri nazivnom punom opterećenju generatora snaga razmagnetiziranja, u odnosu na izlaznu vrijednost, pokazuje manjom, a postotni pad napona se smanjuje. Glavna pozitivna značajka veće brzine vrtnje malog generatora je značajno povećanje njegove učinkovitosti. Pri 1200 o / min, KPI generatora povećao se sa 3,8 jedinica pri 600 o / min na 5,08 jedinica.
Veliki generator konceptualno ima drugačiji dizajn koji se temelji na primjeni drugog Kirchhoffova zakona u magnetskim krugovima. Ovaj zakon kaže da ako postoje dva ili više izvora MDS -a (u obliku stalnih magneta) u magnetskom krugu, tada se ti MDS -i algebarski sažimaju u magnetskom krugu. Stoga, ako uzmemo dva identična magneta i jedan njihov suprotni pol spojimo s magnetskim krugom, tada se udvostručeni MDS pojavljuje u zračnom prorezu druga dva suprotna pola. Ovo načelo je ugrađeno u dizajn velikog generatora. Namoti su istog ravnog oblika kao i kod magenko generatora, a postavljeni su u ovaj formirani zračni otvor s dvostrukim MDS -om. Kako je to utjecalo na vanjske karakteristike generatora pokazali su njegovi testovi. Ispitivanja ovog generatora provedena su pri standardnoj frekvenciji od 50 Hz, što, kao i u malom generatoru, odgovara 600 okr / min. Pokušalo se usporediti vanjske karakteristike ovih generatora pri istim naponima bez opterećenja. Da bi se to učinilo, brzina rotacije velikog generatora snižena je na 108 o / min, a izlazni napon pao je na 50 volti, napon blizu napona otvorenog kruga malog generatora pri brzini od 1200 o / min. Ovako dobivena vanjska karakteristika velikog generatora prikazana je na istoj slici broj 2, koja prikazuje i vanjsku karakteristiku malog generatora. Usporedba ovih karakteristika pokazuje da se pri tako vrlo niskom izlaznom naponu za veliki generator njegova vanjska karakteristika pokazuje vrlo mekom, čak i u usporedbi s ne tako tvrdom vanjskom karakteristikom malog generatora. Budući da su oba nadzemna generatora sposobna za samokretanje, bilo je potrebno saznati što je za to potrebno u njihovim energetskim karakteristikama. Stoga je provedeno eksperimentalno istraživanje snage koju troši pogonski elektromotor bez utroška slobodne energije iz velikog generatora, odnosno mjerenje gubitaka u praznom hodu generatora. Ova su istraživanja provedena za dva različita prijenosna omjera reduktora između vratila elektromotora i vratila generatora, s ciljem njihova utjecaja na potrošnju energije generatora u praznom hodu. Sva su ta mjerenja provedena u rasponu od 100 do 1000 o / min. Izmjeren je opskrbni napon pogonskog elektromotora, potrošena struja te je izračunata snaga generatora u praznom hodu, pri čemu je prijenosni omjer mjenjača jednak 3,33 i 4,0. Slika 3 prikazuje grafikone promjena ovih vrijednosti. Opskrbni napon pogonskog elektromotora linearno se povećavao s povećanjem okretaja u oba prijenosna omjera, a potrošena struja imala je blagu nelinearnost, što je uzrokovano kvadratnom ovisnošću komponente električne energije o struji. Mehanička komponenta potrošnje energije, kao što znate, linearno ovisi o brzini vrtnje. Uočava se da povećanje prijenosnog omjera mjenjača smanjuje trenutnu potrošnju u cijelom rasponu brzina, a osobito pri velikim brzinama. A to prirodno utječe na potrošnju energije - ta se snaga smanjuje razmjerno povećanju prijenosnog omjera mjenjača, a u ovom slučaju za oko 20%. Vanjska karakteristika velikog generatora zabilježena je samo pri prijenosnom omjeru od četiri, ali pri dvije vrijednosti okretaja- 600 (50 Hz) i 720 (60 Hz). Ove karakteristike opterećenja prikazane su na slici 4. Ove su karakteristike, za razliku od karakteristika malog generatora, linearne prirode, s vrlo niskim padom napona pod opterećenjem. Tako je pri 600 o / min napon otvorenog kruga od 188 V pod strujom opterećenja od 0,63 A pao za 1,0 V. Pri 720 o / min, napon otvorenog kruga od 226 V pod strujom opterećenja od 0,76 A također je pao za 1,0 B. S daljnjim povećanjem opterećenja generatora, ovaj se obrazac zadržao i možemo pretpostaviti da je brzina pada napona približno 1 V po amperu. Ako izračunamo postotni pad napona, tada je za 600 okretaja bio 0,5%, a za 720 okretaja 0,4%. Ovaj pad napona posljedica je samo pada napona na aktivnom otporu kruga namota generatora - samog namota, ispravljača i spojnih žica, a iznosi oko 1,5 ohma. U tom slučaju učinak razmagnetiziranja namota generatora pod opterećenjem nije se očitovao, ili se vrlo slabo očitovao pri velikim strujama opterećenja. To je zbog činjenice da udvostručeno magnetsko polje, u tako uskom zračnom prorezu, gdje se nalazi namot generatora, reakcija armature ne može nadvladati, a u ovom udvostručenom magnetskom polju magneta nastaje nenapon. Glavni karakteristično obilježje Vanjske karakteristike velikog generatora su da su čak i pri malim strujama opterećenja linearne, nema oštrih padova napona, kao u malom generatoru, a to je zbog činjenice da se postojeća reakcija armature ne može manifestirati, ne može prevladati polje stalnih magneta. Stoga se mogu dati sljedeće preporuke za programere CE generatora permanentnih magneta:

1. Ni u kojem slučaju nemojte koristiti otvorene magnetske krugove u njima, to dovodi do snažnog rasipanja i nedovoljnog korištenja magnetskog polja.
2. Polje raspršenja lako se prevlada reakcijom armature, što dovodi do oštrog omekšavanja vanjskih karakteristika generatora, te nemogućnosti uklanjanja proračunske snage iz generatora.
3. Možete udvostručiti snagu generatora, povećavajući pritom krutost vanjske karakteristike, koristeći dva magneta u njegovom magnetskom krugu i stvarajući polje s dvostrukim MDS -om.
4. Zavojnice s feromagnetskim jezgrama ne smiju se postavljati u ovo polje s udvostručenim MDS -om, jer to dovodi do magnetske veze dva magneta, te nestajanja učinka udvostručenja MDS -a.
5. Prilikom vožnje generatora koristite prijenosni omjer koji će najučinkovitije smanjiti ulazni gubitak generatora u praznom hodu.
6. Preporučujem dizajn diska generatora, ovo je najviše jednostavna konstrukcija dostupno kod kuće.
7. Dizajn diska omogućuje korištenje kućišta i vratila s ležajevima iz konvencionalnog elektromotora.

I na kraju, želim vam ustrajnost i strpljenje u stvaranju
pravi generator.

Iz povijesti problematike. Do danas se u mom radu postavilo pitanje o sudjelovanju u projektu uvođenja vlastite male generacije u poduzeće. Prije je bilo iskustva sa sinkronim elektromotorima, s generatorima, iskustvo je minimalno.

Uzimajući u obzir prijedloge različitih proizvođača u jednom od njih, otkrio sam način uzbude sinkronog generatora pomoću pobudnika na bazi generatora stalnih magneta (PMG). Spomenut ću da je sustav uzbude generatora planiran bez četkica. Primjer sinkroni motori Opisao sam ranije.

I tako, iz opisa generatora (PMG) sa stalnim magnetima kao pobuđivača pobudnog namota pobudnika generatora slijedi:

1. Izmjenjivač topline zrak-voda. 2. Generator stalnih magneta. 3. Uređaj za uzbudu. 4. Ispravljač. 5. Radijalni ventilator. 6. Zračni kanal.

U ovom slučaju sustav uzbude sastoji se od pomoćnih namota ili generatora stalnog magneta, automatskog regulatora napona (AVR), CT i VT za detekciju struje i napona, integriranog uzbudnika i rotirajućeg ispravljača. Turbinski generatori standardno su opremljeni digitalnim AVR -om koji osigurava regulaciju PF (faktor snage) i različite funkcije nadzora i zaštite (ograničavanje uzbude, otkrivanje preopterećenja, redundancija itd.). D.C Uzbuđenje iz AVR -a pojačava se rotirajućim pobuđivačem, a zatim se ispravlja rotirajućim ispravljačem. Rotirajući ispravljač sastoji se od dioda i stabilizatora napona.

Shematski prikaz sustava pobude generatora turbine pomoću PMG -a:

Rješenje s generatorom stalnih magneta (PMG) na glavnom vratilu s rotorom generatora i pobuđivačem bez četkica:

Zapravo, trenutno mi nije moguće govoriti o prednostima ove metode regulacije uzbuđenja. Mislim da ću s vremenom prikupljanja informacija i iskustva podijeliti s vama svoje iskustvo korištenja PMG -a.

Sinkroni strojevi sa stalnim magnetima (magnetoelektrični) nemaju uzbudni namot na rotoru, a njihov uzbudljivi magnetski tok stvaraju stalni magneti smješteni na rotoru. Stator ovih strojeva je konvencionalne izvedbe s dvofaznim ili trofaznim namotom.

Ti se strojevi najčešće koriste kao motori male snage. Sinkroni generatori sa stalnim magnetima koriste se rjeđe, uglavnom kao samostalni generatori povećane frekvencije, male i srednje snage.

Sinkroni magnetoelektrični motori. Ovi se motori široko koriste u dva dizajna: s radijalnim i aksijalnim rasporedom stalnih magneta.

Na radijalni raspored stalnih magneta, paket rotora s početnim kavezom, izrađen u obliku šupljeg cilindra, pričvršćen je na vanjsku površinu izraženih polova stalnog magneta 3. U cilindru su napravljeni međupolni utori kako bi se spriječilo zatvaranje protoka stalnog magneta u ovom cilindru (slika 23.1,).

Na aksijalni raspored magneta, dizajn rotora sličan je dizajnu rotora asinhronog motora s kavezom. Prstenasti trajni magneti pritisnuti su na krajeve ovog rotora (slika 23.1, ).

Dizajni s aksijalnim magnetskim rasporedom koriste se u motorima malog promjera snage do 100 W; izvedbe s radijalnim rasporedom magneta koriste se u motorima većeg promjera snage do 500 W ili više.

Fizički procesi koji se javljaju tijekom asinhronog pokretanja ovih motora imaju neku posebnost zbog činjenice da se magnetoelektrični motori pokreću u pobuđenom stanju. Polje stalnog magneta u procesu ubrzanja rotora inducira EMF u namotu statora
, čija se frekvencija povećava proporcionalno brzini rotora. Ovaj EMF inducira struju u namotu statora koja stupa u interakciju s poljem stalnih magneta i stvara kočnica trenutak
, usmjeren protiv rotacije rotora.

Riža. 23.1. Magnetoelektrični sinkroni motori s radijalnim (a) i

aksijalni (b) raspored trajnih magneta:

1 - stator, 2 - rotor s kaveznim kavezom, 3 - trajni magnet

Tako tijekom ubrzanja motora s permanentnim magnetom na njegov rotor djeluju dva asinkrona momenta (slika 23.2): rotirajući
(od trenutne , ulaskom u namot statora iz mreže) i kočnicom
(od trenutne inducirano u namotu statora poljem stalnog magneta).

Međutim, ovisnost ovih momenata o brzini rotora (klizanju) je različita: najveći zakretni moment
odgovara visokoj frekvenciji (nisko proklizavanje) i najvećem kočionom momentu M T - mala brzina (veliko klizanje). Rotor ubrzava pod utjecajem rezultirajućeg zakretnog momenta
, koji ima značajan "pad" u području malih brzina. Krivulje prikazane na slici pokazuju da je utjecaj okretnog momenta
o startnim svojstvima motora, posebno u trenutku ulaska u sinkronizam M u, puno.

Kako bi se osiguralo pouzdano pokretanje motora, potrebno je da minimalni rezultirajući okretni moment u asinkronom načinu rada
i trenutak ulaska u sinkronicitet M u , bili veći od momenta opterećenja. Oblik krivulje asinhronog momenta magnetoelektrika

Slika 23.2. Grafovi asinkronih momenata

magnetski električni sinkroni motor

motor uvelike ovisi o aktivnom otporu početne ćelije i o stupnju pobude motora, koju karakterizira vrijednost
, gdje E 0 - EMF faze statora induciran u praznom hodu pri rotiranju rotora sa sinkronom frekvencijom. S povećanjem "Umoči" u krivulju zakretnog momenta
povećava.

Elektromagnetski procesi u magnetnoelektričnim sinkronim motorima u načelu su slični procesima u sinkronim motorima s elektromagnetskom pobudom. Međutim, treba imati na umu da su stalni magneti u magnetoelektričnim strojevima podložni demagnetizaciji magnetskim tokom reakcije armature. Početni namot donekle slabi ovu demagnetizaciju, budući da ima zaštitni učinak na stalne magnete.

Pozitivna svojstva magnetnoelektričnih sinkronih motora su povećana stabilnost rada u sinkronom načinu rada i ujednačenost frekvencije rotacije, kao i mogućnost faznog okretanja nekoliko motora spojenih na jednu mrežu. Ovi motori imaju relativno visoke energetske performanse (učinkovitost i
,).

Nedostaci magnetnoelektričnih sinkronih motora su povećani troškovi u usporedbi sa sinkronim motorima drugih tipova, zbog visokih troškova i složenosti obrade stalnih magneta od legura velike koercivne sile (alni, alnico, magnico itd.). Ovi se motori obično proizvode s malom snagom i koriste se u instrumentima i uređajima za automatizaciju za pogon mehanizama koji zahtijevaju konstantnu brzinu.

Sinkroni magnetoelektric generatori... Rotor takvog generatora izvodi se pri maloj snazi ​​u obliku "zvjezdice" (slika 23.3, ali), pri srednjoj snazi ​​- s stupovima u obliku kandže i cilindričnim stalnim magnetom (slika 23.3, b). Rotor s kandžastim polom omogućuje dobivanje generatora s disperzijom polova, ograničavajući prenaponsku struju u slučaju iznenadnog kratkog spoja generatora. Ova struja predstavlja veliku opasnost za trajni magnet zbog snažnog učinka razmagnetiziranja.

Osim nedostataka koji su uočeni prilikom razmatranja magnetnoelektričnih sinkronih motora, generatori sa stalnim magnetima imaju još jedan nedostatak zbog nepostojanja pobudnog namota, pa je regulacija napona u magnetoelektričnim generatorima praktički nemoguća. To otežava stabilizaciju napona generatora pri promjeni opterećenja.

Slika 23.3. Rotori magnetnoelektričnih sinkronih generatora:

1 - vratilo; 2 - trajni magnet; 3 - stup; 4 - nemagnetna čahura

U sinkronim strojevima ovog tipa, permanentno usmjereno polje uzbude stvara se pomoću stalnih magneta. Sinkroni strojevi s stalnim magnetima ne trebaju pobuđivač, a zbog nedostatka pobudnih gubitaka i u kliznom kontaktu, imaju visoku učinkovitost, njihova je pouzdanost znatno veća od one kod konvencionalnih sinkronih strojeva, u kojima rotirajući uzbudni namot i uređaj s četkom često su oštećeni; osim toga, ne zahtijevaju gotovo nikakvo održavanje tijekom cijelog vijeka trajanja.
Trajni magneti mogu zamijeniti namote polja kako u konvencionalnim višefaznim sinkronim strojevima, tako i u svim gore opisanim posebnim izvedbama (jednofazni sinkroni strojevi, sinkroni strojevi s kljunovim polovima i indukcijski strojevi).
Sinkroni strojevi s permanentnim magnetima razlikuju se od svojih električnih kolega. magnetska pobuda projektiranje induktivnih magnetskih sustava. Analog rotora konvencionalnog sinkronog stroja s implicitnim polom je cilindrični magnet u obliku prstena magnetiziran u radijalnom smjeru (slika 6).

Indukcijski magnetski sustavi s cilindričnim magnetima i magnetima u obliku zvijezde;
a - magnet u obliku zvijezde bez cipela s motkom; b - četveropolni cilindrični magnet

Riža. 2. Rotor s kandžastim polovima, pobuđen stalnim magnetom:
1 - prsten stalni magnet; 2 - disk sa sustavom južnih polova; 3 - disk sa sustavom Sjevernog pola

Istaknuti polni rotor konvencionalnog stroja s elektromagnetskom uzbudom analogan je rotoru s magnetom u obliku zvijezde na Sl. 1, a, u kojoj je magnet 1 pričvršćen na osovinu 3 lijevanjem od aluminijske legure 2.

U rotoru s stupovima u obliku kandže (slika 2), magnet u obliku prstena, magnetiziran u aksijalnom smjeru, zamjenjuje namot prstenastog polja. U stroju s različitim polima induktora prema sl. elektromagnetsko uzbuđenje može se zamijeniti magnetskim uzbuđenjem, kao što je prikazano na si. 3 (umjesto tri mala zuba u svakoj od zona I-IV, u svakoj od zona nalazi se po jedan zub). Odgovarajući analog s magnetskom uzbudom dostupan je i za istoimeni stroj. Trajni magnet tada može biti u obliku aksijalno magnetiziranog prstena, koji je umetnut između okvira i krajnjeg štita.

Riža. 3. Generator suprotnog pola induktora s magnetoelektričnom pobudom:
OÂ - namot armature; PM - stalni magnet
Za opis elektromagnetskih procesa u sinkronim strojevima s permanentnim magnetima sasvim je prikladna teorija sinkronih strojeva s elektromagnetskom pobudom, čiji su temelji izloženi u prethodnim poglavljima ovog odjeljka. Međutim, da biste koristili ovu teoriju i primijenili je za izračun karakteristika sinkronog stroja sa stalnim magnetima u generatorskom ili motornom načinu rada, najprije morate odrediti EMF E u praznom hodu E ili koeficijent pobude r = Ef / U iz krivulju razmagnetiziranja stalnog magneta i izračunati induktivni otpor Xad i X, uzimajući u obzir utjecaj magnetskog otpora magneta, koji može biti toliko značajan da Xa (1< Xaq.
Strojevi s permanentnim magnetima izumljeni su od prvih dana elektromehanike. Međutim, posljednjih su se desetljeća naširoko koristili u vezi s razvojem novih materijala za trajne magnete s visokom specifičnom magnetskom energijom (na primjer, poput magnica ili legura na bazi samarija i kobalta). Sinkroni strojevi s takvim magnetima mogu se natjecati sinkroni strojevi s elektromagnetskom uzbudom.

Snaga sinkronih generatora velikih brzina sa stalnim magnetima za napajanje ugrađene mreže zrakoplova doseže desetke kilovata. Generatori i motori s permanentnim magnetima male snage koriste se u zrakoplovima, automobilima, traktorima, gdje je njihova velika pouzdanost od iznimne važnosti. Kao motori male snage naširoko se koriste u mnogim drugim područjima tehnologije. U usporedbi s mlaznim motorima, oni imaju veću stabilnost u brzini, bolje energetske performanse, inferiorni su im po cijeni i početnim svojstvima.
Prema metodama pokretanja, sinkroni motori male snage sa stalnim magnetima dijele se na motore sa samopokretanjem i motore s asinkronim pokretanjem.
Motori sa stalnim magnetom male snage koji se sami pokreću koriste se za pogon mehanizama sata i raznih releja, različitih softverskih uređaja itd. Nazivna snaga ovih motora ne prelazi nekoliko vata (obično djelići vata). Kako bi se olakšalo pokretanje, motori su višepolni (p> 8) i napajaju se iz jednofazne industrijske frekvencijske mreže.
Kod nas se takvi motori proizvode u seriji DSM, u kojoj se za stvaranje višepolnog polja koristi kljunasti oblik magnetskog kruga statora i jednofazni namot armature.
Pokretanje ovih motora provodi se zbog sinkronog zakretnog momenta iz interakcije pulsirajućeg polja s stalnim magnetima rotora. Kako bi se početak uspješno dogodio i u pravom smjeru, koriste se posebni mehanički uređaji koji omogućuju rotoru da se okreće samo u jednom smjeru i odvaja ga od vratila tijekom sinkronizacije.
Sinkroni motori male snage sa stalnim magnetima s asinkronim pokretanjem proizvode se s radijalnim rasporedom stalnog magneta i početnim kratkim spojem namota te s aksijalnim rasporedom stalnog magneta i startnim kratkim spojem. Što se tiče strukture statora, ti se motori ne razlikuju od strojeva s elektromagnetskom pobudom. Namot statora u oba je slučaja dvo- ili trofazni. Razlikuju se samo u dizajnu rotora.
U motoru s radijalnim rasporedom magneta i kratkim spojem namota, ovaj se postavlja u utore laminiranih stupova stalnih magneta. Da bi se dobili prihvatljivi fluksi curenja, između vrhova susjednih stupova postoje nemagnetski zazori. Ponekad se, radi povećanja mehaničke čvrstoće rotora, ušice kombiniraju s zasićenim mostovima u cijelu jezgru prstena.
U motoru s aksijalnim rasporedom magneta i kratkim spojem namota dio aktivne duljine zauzima stalni magnet, a na drugom dijelu, pored magneta, slojeviti magnetski krug s kratkim spojem se miješa, a stalni magnet i laminirani magnetski krug pričvršćeni su na zajedničko vratilo. Zbog činjenice da motori s permanentnim magnetima ostaju pod naponom tijekom pokretanja, njihovo pokretanje je nepovoljnije nego u konvencionalnih sinkronih motora čija je pobuda isključena. To se objašnjava činjenicom da pri pokretanju, uz pozitivan asinkroni zakretni moment iz interakcije rotirajućeg polja sa strujama induciranim u kratko spojenom namotu, dolazi do negativnog asinkronog momenta iz interakcije stalnih magneta sa strujama induciranim poljem stalni magneti u namotu statora djeluju na rotor.