Generator synchroniczny z magnesami trwałymi - Permanent magnet synchronous generator
Magnes stały generator synchroniczny jest generator gdzie pole wzbudzenia jest przez magnes stały zamiast cewki. Termin synchroniczny odnosi się tutaj do faktu, że wirnik i pole magnetyczne obracają się z tą samą prędkością, ponieważ pole magnetyczne jest wytwarzane przez mechanizm z magnesem trwałym zamontowanym na wale, a prąd jest indukowany do nieruchomej zwory.
Opis
Generatory synchroniczne są głównym źródłem komercyjnej energii elektrycznej. Są one powszechnie stosowane do konwersji mechaniczną moc turbin parowych , turbin gazowych , silników tłokowych i turbin wodnych w energię elektryczną do sieci. Niektóre konstrukcje turbin wiatrowych również wykorzystują ten typ generatora.
W większości projektów zespół wirujący w środku generatora - „ wirnik ” - zawiera magnes, a „stojan” jest nieruchomą zworą, która jest elektrycznie połączona z obciążeniem. Jak pokazano na schemacie, prostopadła składowa pola stojana wpływa na moment obrotowy, podczas gdy składowa równoległa wpływa na napięcie. Obciążenie dostarczane przez generator określa napięcie. Jeśli obciążenie jest indukcyjne, wówczas kąt między polami wirnika i stojana będzie większy niż 90 stopni, co odpowiada zwiększonemu napięciu generatora. Jest to znane jako nadmiernie pobudzony generator. Odwrotnie jest w przypadku generatora dostarczającego obciążenie pojemnościowe, które jest znane jako generator niedowzbudzony. Zestaw trzech przewodników tworzy uzwojenie twornika w standardowym sprzęcie użytkowym, stanowiąc trzy fazy obwodu mocy - odpowiadające trzem przewodom, które zwykliśmy widzieć w liniach przesyłowych. Fazy są nawinięte w taki sposób, że są oddalone od siebie przestrzennie o 120 stopni na stojanie, zapewniając równomierną siłę lub moment obrotowy na wirniku generatora. Jednorodność momentu obrotowego wynika z tego, że pola magnetyczne wynikające z indukowanych prądów w trzech przewodnikach uzwojenia twornika łączą się przestrzennie w taki sposób, że przypominają pole magnetyczne pojedynczego, wirującego magnesu. To pole magnetyczne stojana lub „pole stojana” pojawia się jako stałe pole wirujące i wiruje z tą samą częstotliwością co wirnik, gdy wirnik zawiera pojedyncze dipolowe pole magnetyczne. Oba pola poruszają się w „synchronizacji” i podczas wirowania utrzymują stałą pozycję względem siebie.
Synchroniczny
Są one znane jako generatory synchroniczne, ponieważ f, częstotliwość indukowanego napięcia w stojanie (przewodach twornika), zwykle mierzona w hercach , jest wprost proporcjonalna do obrotów na minutę, a prędkość obrotowa wirnika jest zwykle podawana w obrotach na minutę (lub prędkości kątowej) . Jeśli uzwojenia wirnika są ułożone w taki sposób, aby wywoływać efekt więcej niż dwóch biegunów magnetycznych, to każdy fizyczny obrót wirnika powoduje, że więcej biegunów magnetycznych przechodzi przez uzwojenia twornika. Każde przejście bieguna północnego i południowego odpowiada pełnemu „cyklowi” oscylacji pola magnetycznego. Dlatego stała proporcjonalności jest taka , gdzie P to liczba biegunów wirnika magnetycznego (prawie zawsze liczba parzysta), a współczynnik 120 pochodzi z 60 sekund na minutę i dwóch biegunów w jednym magnesie; .
RPM i moment obrotowy
Moc głównego napędu jest funkcją obrotów i momentu obrotowego. gdzie jest moc mechaniczna w watach, to moment obrotowy z jednostkami , a RPM to liczba obrotów na minutę, która jest mnożona przez współczynnik, aby uzyskać jednostki . Zwiększając moment obrotowy głównego napędu, można wygenerować większą moc elektryczną.
W praktyce typowe obciążenie ma charakter indukcyjny. Powyższy schemat przedstawia taki układ. to napięcie prądnicy, a i to napięcie i natężenie prądu w obciążeniu odpowiednio a jest kątem pomiędzy nimi. Tutaj widzimy, że opór, R i reaktancja , odgrywają rolę w określaniu kąta . Na podstawie tych informacji można określić rzeczywistą i bierną generowaną moc generatora.
Na tym schemacie jest napięcie na zaciskach. Jeśli zignorujemy opór, jak pokazano powyżej, stwierdzimy, że moc można obliczyć:
Dzieląc moc pozorną na moc rzeczywistą i bierną, otrzymujemy:
Aplikacje
Generatory z magnesami trwałymi (PMG) lub alternatory (PMA) nie wymagają zasilania prądem stałym dla obwodu wzbudzenia, ani nie mają pierścieni ślizgowych ani szczotek stykowych. Główną wadą PMA lub PMG jest to, że strumień szczeliny powietrznej nie jest kontrolowany, więc napięcie maszyny nie może być łatwo regulowane. Stałe pole magnetyczne stwarza problemy związane z bezpieczeństwem podczas montażu, serwisu lub naprawy. Same magnesy trwałe o wysokiej wydajności mają problemy strukturalne i termiczne. Prąd momentowy MMF łączy się wektorowo z trwałym strumieniem magnesów trwałych, co prowadzi do większej gęstości strumienia w szczelinie powietrznej i ostatecznie do nasycenia rdzenia. W alternatorach z magnesami trwałymi napięcie wyjściowe jest wprost proporcjonalne do prędkości.
W przypadku małych generatorów pilotowych używanych do pomiaru prędkości regulacja napięcia może nie być wymagana. Gdy generator z magnesami trwałymi jest używany do dostarczania prądu wzbudzenia do wirnika większej maszyny na tym samym wale, wymagane jest pewne sterowanie zewnętrzne do sterowania prądem wzbudzenia i regulacją napięcia maszyny głównej. Można to zrobić za pomocą pierścieni ślizgowych łączących układ wirujący z zewnętrznymi obwodami sterującymi lub sterując za pomocą urządzeń energoelektronicznych zamontowanych na układzie wirującym i sterowanych z zewnątrz.