View
251
Download
6
Category
Preview:
Citation preview
4-1/34
Chapter 4: มอเตอรซิงโครนัส (Synchronous Motors)
มอเตอรซิงโครนัส (Synchronous Motors)
เครื่องกําเนดิไฟฟาซิงโครนัส (Synchronous Generators)
ELECTRICAL POWER
MECHANICALPOWER
LOAD (MECHANIC)
LOAD (ELECTRIC)
PRIME MOVER
ELECTRICAL POWER MECHANICAL
POWER
4-2/34
วงจรสมมูลตอเฟสของมอเตอรซิงโครนัส
4-3/34
วงจรสมมูลและสมการของมอเตอรซิงโครนัส
A S A A AjX Rφ = + +V E I I
วงจรสมมูลและสมการของเครื่องกําเนิดไฟฟาซิงโครนัส
A S A A AjX Rφ = − −V E I I
4-4/34
มอเตอรซิงโครนัส
( )A S A A AjX Rφ = + +V E I I
เครื่องกําเนิดไฟฟาซิงโครนัส
( )A S A A AjX Rφ = − −V E I I
4-5/34
มอเตอรซิงโครนัส
(Synchronous Motors)
เครื่องกําเนิดไฟฟาซิงโครนัส
(Synchronous Generators)
แรงบิดทิศตรง
ขามกับการหมุน
แรงบิดทิศเดียว
กันกับการหมุน
4-6/34
max ( )pullout A FE Iτ τ= ∝
แรงบิดของมอเตอรซิงโครนัส
max
sin3
sin sin
ind R net R net
A
m S
k kB BE V
Xφ
τ δ
δ τ δω
= × =
= =
B B
Torque/Load Angle δ
90°
indτStability Limit
4-7/34
ผลการเปลี่ยนแปลงของโหลดทางกลที่มีตอเฟสเซอรไดอะแกรม
ภายใตเงื่อนไข
1) กระแสสนามคงที่ FI หรืออีกนัยหนึ่งคือ ขนาดแรงเคลื่อนเหนี่ยวนําภายใน AE คงที่
2) แตมุมเฟสของ AE อาจเปลี่ยนแปลงได และ
3) ขนาดแรงดันขั้วคงที่ Vφ
3sinA
S
E VP
Xφ δ=0AR =
4-8/34
ผลการเปลี่ยนกระแสสนาม FI ที่มีตอเฟสเซอรไดอะแกรม
ภายใตเงื่อนไข
1) โหลดทางกลคงที่ หรืออีกนัยหนึ่งคือ หากละเลยกําลังสูญตางๆจะไดวา
.in convP P P const≈ = =
กําลังงานเขาคงที่
2) ขนาดแรงดันขั้วคงที่ Vφ
3) มุมเฟสและขนาดของ AE เปลี่ยนแปลง แต sinAE δ คงที่
. .
3sinA
const S const
VP E
Xφ δ=
0AR =
4-9/34
มอเตอรซิงโครนัสจะรับกําลังงานจริง(Active Power P > 0) จากแหลงจาย
เสมอ แตอาจจะรับหรือจายกําลังงานรีแอกทีฟ(Reactive Power Q < > 0)
ใหกับแหลงจายกไ็ด(ทําตัวเสมือนตัวเหนี่ยวนําหรือตัวเก็บประจุ) ขึ้นกบั
ขนาดของกระแสสนามที่ใชในขณะนั้น
Underexcited Overexcited
4-10/34
มอเตอรซิงโครนัสที่ทํางานตัวเปลาไมมีโหลด ที่นํามาใชทําหนาที่เหมือน
ตัว เก็บประจุที่ ปรับค าได โดยการปรับค ากระแสสนาม เ รี ยกว า
Synchronous Capacitor/Condenser
4-11/34
V Curve ของมอเตอรซิงโครนัส
ความสัมพันธระหวางกระแสอารเมเจอรกับกระแสสนาม ภายใตเงื่อนไข
โหลดทางกลหรือกําลังงานออกคงที่
ELECTRICAL POWER
MECHANICALPOWER
LOAD (Constant)
A
A
A
4-12/34
Power Flow ของเครื่องจักรกลไฟฟาซิงโครนัส
0, 0P Q> < 0, 0P Q> >
0, 0P Q< >0, 0P Q< <
4-13/34
Example 1. A 208 V 45 kVA 0.8 PF leading, Δ connected 60 Hz synchronous machine has a synchronous reactance of 2.5Ω and negligible armature resistance. Its friction and windage losses are 1.5 kW, and its core losses are 1.0 kW. Initially, the shaft is supplying a 15-hp load and the motor’s power factor is 0.80 leading.
(a) Find the values of , ,A L AI I E (15 )(0.746 / ) 11.19outP hp kW Hp kW= =
11.19 1.5 1.0 0 13.69in out mechloss coreloss elec lossP P P P P
kW kW kW kW kW
= + + +
= + + + = Since the power factor is 0.8 leading,
/( 3 cos ) 13.69 /( 3 208 0.8) 47.5L in TI P V kW Aθ= = ⋅ ⋅ = The phase current is then
4-14/34
1/ 3 cos 0.8 27.4 36.87 ;47.5 (36.87 30) 47.5 6.87
A L
L
I AA
−= ∠ = ∠ °= ∠ − ° = ∠ °
II
and
208 0 ( 2.5)(27.4 36.87 )208 0 68.5 126.87249.1 54.8 255 12.4
A S AjX
j
j V
φ= −
= ∠ ° − ∠ °= ∠ ° − ∠ °= − = ∠ − °
E V I
(b) Assume that the load is increased to 30 hp. Sketch the
phasor diagram and find , ,A L AI I E , and power factor.
(30 )(0.746 / ) 1.5 1.0 0 24.88in out mechloss coreloss elec lossP P P P P
hp kW hp kW kW kW kW
= + + +
= + + + =After the load changes, the shaft slows down momentarily.
4-15/34
This makes AE lagging φV more but its magnitude remains constant.
1
1
3sin
sin3
2.5 24.88sin 233 208 255
255 23
A
S
S
A
A
V EP
XPXV E
kW
V
φ
φ
δ
δ −
−
=
=
⋅= = °
⋅ ⋅= ∠ − °E
( ) / (208 0 255 23 ) / 2.5 41.2 15
3 41.2 (15 30) 71.4 15cos15 0.966
A A S
L
jX j A
APF leading
φ= − = ∠ ° − ∠− ° = ∠ °
= ⋅ ∠ − ° = ∠ − °= ° =
I V E
I
4-16/34
Example 2. A 208 V 45 kVA 0.8 PF leading, Δ connected 60 Hz synchronous machine has a synchronous reactance of 2.5Ω and negligible armature resistance. Its friction and windage losses are 1.5 kW, and its core losses are 1.0 kW.
(a) If the motor is supplying a 15-hp load at 0.85 PF lagging and the field current is 4.0 A. Find the values of ,A AI E
From the previous example, the input power is 13.69 kW.
1
13.69 25.83 cos 3 208 0.85
25.8 cos 0.85 25.8 31.8
inA
A
P kWI AV
Aφ θ
−
= = =⋅ ⋅
= ∠ − = ∠− °I
and 208 0 ( 2.5)(25.8 31.8 ) 182 17.5A S AjX j Vφ= − = ∠ ° − ∠ − ° = ∠ − °E V I
4-17/34
(b) If the flux is increased by 25%, what are ,A AI E and the power factor of the motor now?
( ) ( )'
1 1
1.25 1.25 182 227.5 ; sin sin
sin sin / sin 182sin( 17.5 ) / 227.5 13.9227.5 13.9
A A A A
A A
A
E E V E E
E EV
δ δ
δ δ− −
′ ′= ⋅ = ⋅ = =
′ ′= = − ° = − °
′ = ∠ − °E
( ) / (208 0 227.5 13.9 ) / 2.5 22.5 13.2
cos(13.2 ) 0.974A A SjX j A
PF leadingφ′ ′= − = ∠ ° − ∠ − ° = ∠ °
= ° =
I V E
4-18/34
Example 3. The infinite bus operates at 480 V. Load#1 is an induction motor consuming 100kW at 0.78 PF lagging, and load#2 is an induction motor consuming 200kW at 0.8 PF lagging. Load#3 is a synchronous motor whose real power consumption is 150kW.
4-19/34
(a) If the synchronous motor is adjusted to operate at 0.85
PF lagging, what is the transmission line current then?
11 1
12 2
13 3
tan (100 ) tan(cos 0.78) 80.2
tan (200 ) tan(cos 0.80) 150
tan (150 ) tan(cos 0.85) 93
Q P kW kVar
Q P kW kVar
Q P kW kVar
θ
θ
θ
−
−
−
= = =
= = =
= = =
1 2 3
1 2 3
1
1
100 200 150 45080.2 150 93 323.2
cos cos(tan / )
cos(tan 323.2 / 450 ) cos35.7 0.812450 667
3 cos 3 480 0.812
total
total
total total
totalL
L
P P P P kWQ Q Q Q kVar
PF Q P
kVar kW laggingP kWI AV
θ
θ
−
−
= + + = + + =
= + + = + + =
= =
= = ° =
= = =⋅ ⋅
4-20/34
(b) If the synchronous motor is adjusted to operate at 0.85
PF leading what is the transmission line current then?
11 1
12 2
13 3
tan (100 ) tan(cos 0.78) 80.2
tan (200 ) tan(cos 0.80) 150
tan (150 ) tan( cos 0.85) 93
Q P kW kVar
Q P kW kVar
Q P kW kVar
θ
θ
θ
−
−
−
= = =
= = =
= = − = −
1 2 3
1 2 3
1
1
100 200 150 45080.2 150 93 137.2
cos cos(tan / )
cos(tan 137.2 / 450 ) cos16.96 0.957450 566
3 cos 3 480 0.957
total
total
total total
totalL
L
P P P P kWQ Q Q Q kVar
PF Q P
kVar kW laggingP kWI AV
θ
θ
−
−
= + + = + + =
= + + = + − =
= =
= = ° =
= = =⋅ ⋅
4-21/34
ปญหาการสตารทมอเตอร
ซิงโครนัส เกิดขึน้เพราะมอเตอรจะสรางแรงบิดเฉลี่ยที่ไมเปนศูนยเฉพาะที่ความเร็วซิงโครนัสเทานั้น แตในขณะสตารทความเร็วโรเตอรเปนศูนย ( )ind tτ
t+
−
4-22/34
การสตารทมอเตอรซิงโครนัสที่มี Damper (Amortisseur) Winding
อาศัยแรงบิดที่เกิดจากกระแสในขดลวด Damper (คลายกับแรงบิดของมอเตอร
เหนี่ยวนําแบบกรงกระรอก) และในขณะสตารทจะลัดวงจรขดลวดสนามไว
เพื่อปองกันไมใหเกิดแรงดันสงูเกินทีข่ดลวดสนาม จนกระทัง่ความเร็วโรเตอร
เขาใกลความเร็วซิงโครนัสแลวจึงจายไฟตรงใหขดลวดสนาม
R
4-23/34
แรงบิดที่เกิดจากขดลวด Damper
( )ind Se v B l= × ⋅
ind W Skτ = ×B B
( )ind tτ
t+ +
SBv
SBv
SBv
แรงบิดในลักษณะนี้จะเกิดขึ้น
เสมอเมื่อความเร็วโรเตอรไมใช
ความเร็วซิงโครนัส เพื่อดึงให
ความเร็วโรเตอรกลับเขาสู
ความเร็วซิงโครนัส จึงชวยเพิ่ม
เสถียรภาพของมอเตอรในชวง
ทํางานปรกติดวย
SB
v
4-24/34
ขั้นตอนการสตารทมอเตอรซิงโครนัสที่มี Damper (Amortisseur)
Winding
1. ลัดวงจรขดลวดสนาม(ผานตวัตานทาน)
2. จายไฟ 3 เฟสใหกับขดลวดอารเมเจอร
3. มอเตอรเริ่มหมุนดวยแรงบิดจากกระแสในขดลวด Damper และขดลวดสนาม
4. ความเร็วโรเตอรเพิ่มขึ้นเขาใกลความเร็วซิงโครนัส แตจะนอยกวา
เล็กนอย
5. จายกระแสไฟตรงใหกบัขดลวดสนาม
6. โรเตอรถูกดึงเขาสูความเร็วซิงโครนัสทันที(Pull into
synchronization)
t
( )mn tsyncn
Excite Field Winding
4-25/34
ขั้นตอนการสตารทมอเตอรซิงโครนัสดวย External Prime Mover
1. ใหมอเตอรทํางานเปนเครื่องกําเนดิไฟฟาและทําการตอขนานเขากับแหลงจายไฟตามขั้นตอน Synchronization ดังนี้
2. หมุนโรเตอรดวย External Prime Mover ใหไดความเร็วซิงโครนัส
3. จายไฟตรงใหกับขดลวดสนาม
Utility Supply
LOAD (MECHANIC)
PRIME MOVER
M
4-26/34
4. ปรับกระแสสนามใหแรงดัน φV ของเครื่องกําเนิดไฟฟา(ที่อยูใน
สภาวะไรโหลดซึ่ง Aφ =V E ) มีคาเทากบัแรงดันแหลงจาย SV และทํา
การ Synchronization เครื่องกําเนิดไฟฟาซิงโครนัสเขากับ
แหลงจายไฟ 3 เฟส
5. “OFF” External Prime Mover (ตัดแหลงจายไฟของ Prime Mover)
6. เครื่องกําเนดิไฟฟาจะเปลี่ยนการทํางานเปนมอเตอรซิงโครนัส
7. เมื่อไมมีแรงบิดขับเคลื่อนจาก Prime Mover โรเตอรจะถูกหนวงโดย
แรงเสียดทานทําใหหมุนชาลงและมีมุมเฟสลาหลังเฟสเซอรแรงดัน
8. เกิดกระแสอารเมเจอรไหลจากแหลงจาย ทําใหเกิดแรงบิดขับโรเตอร
ใหยังคงหมุนที่ความเร็วซิงโครนัสอยูได
9. เสร็จสิ้นการสตารทมอเตอรซิงโครนัส
4-27/34
SVA φ=E V RB
netBทํางานเปนSG
S φ=V VAE RB
netBSynchronizing
S φ=V V
AE RBnetB“OFF” Prime
Mover
S φ=V V
AERB
netBทํางานเปน SM
4-28/34
ขั้นตอนการสตารทมอเตอรซิงโครนัสโดย Variable Frequency Supply
การสตารทมอเตอรโดยวิธีนี้อาศัยคุณสมบัติที่วา หากความเร็วของ
สนามแมเหล็กหมุนไมตางจากความเร็วโรเตอรมากนักโรเตอรจะสามารถ
ติดตามสนามแมเหล็กหมุนและล็อกเขาสูความเร็วซิงโครนัสได
1. ตอมอเตอรซิงโครนัสเขากับแหลงจายไฟที่สามารถปรับความถี่และแรงดันได (อินเวอรเตอร Inverter)
2. คอยๆเพิ่มความถี่จาก 0 50ef Hz= ⇒ ชาๆเพียงพอที่จะใหโรเตอรมี
เวลาเรงและติดตามการหมุนของสนามแมเหล็หมุนที่เกิดขึ้นได
3. ในขณะที่ปรับความถี่ ตองปรับขนาดแรงดันแหลงจายไปพรอมกันดวยตามความสัมพันธ
4-29/34
,rate
e rate
V Vconstant
f fφ φ= =
การรักษาใหแรงดันขั้วมีขนาดใกลเคียงกบัแรงเคลื่อนเหนี่ยวนําภายใน
ตลอดเวลา จะทําใหฟลักซภายในมอเตอรมีคาคงที่ที่คาพิกัดและไมเกิด
กระแสอารเมเจอรเกินไหลในขดลวดอารเมเจอร
, ,
,
1
1Flux at rated
constant at rated
A m ee e
rate raterate
rate rate
raterate
e rate
V VV E k k f Flux
k f fV V
k f fV V
constantf f
φ φφ
φ φ
φ φ
φω φ φ
φ
φ φ
′≈ = = ⇒ ∴ ≈ ∝′
∴ ≈ ∝′
∴ = = ⇒ =
4. เสร็จสิ้นการสตารทเมื่อ 50ef Hz=
4-30/34
t
, mnef50Hz
t
Vφ
,rateVφ
,
:
6600/ 360
110 [Volt/Hz]3
rate
e rate
ExampleV Vf fφ φ=
=
=
4-31/34
สรุปภาพรวมการทํางานของมอเตอรซิงโครนัส
ในที่จะยกตวัอยางในกรณีที่สตารทมอเตอรดวยขดลวด Damper
1. ลัดวงจรขดลวดสนาม
2. จายไฟ 3 เฟสใหขดลวดอาร
เมเจอร
3. เกิดกระแสอารเมเจอร(3 เฟส)
ไหลในขดลวดอารเมเจอร(3
เฟส)
4. เกิดสนามแมเหล็กหมุน หมุนที่
ความเร็วซิงโครนัส
5. เกิดแรงบิดจากขดลวด Damper
t
( )mn tsyncn
Excite Field Winding
4-32/34
6. โรเตอรหมุนเขาสูความเร็ว
ซิงโครนัส
7. จายกระแสสนามใหขดลวด
สนาม
8. โรเตอรถูกดึงเขาสูความเร็ว
ซิงโครนัส
9. สนามแมเหล็ก , ,R S netB B B
หมุนที่ ความเร็วซิงโครนัส
10. ในกรณีที่ไมมีโหลด 0; 00 ( )
ind conv
R S net
Pτδ= =
∴ = B B B
φVAE
RB netB
AI
SB
0in convP P≈ =
syncn
4-33/34
11. เพิ่มโหลด Loadτ ที่เพลาของ
มอเตอร
12. โรเตอรถูกหนวง
13. มุม δ เพิ่มขึ้น
14. ทางกลจะทําใหเกดิแรงบิด
sin 0ind R netkB Bτ δ= ≠ เพิ่มขึ้น
จนกระทั่ง ind Loadτ τ=
15. โหลดไดรับกําลังงานกล mechP
จากมอเตอร( outP )
14'. ทางดานไฟฟา มุมเฟสของ
AE ลาหลัง φV มากขึ้น
15'. ขนาดกระแสอารเมเจอรเพิ่มขึ้นและมุมเฟส
เปลี่ยนแปลงไป 90θ ≠ °
16'. มอเตอรรับกําลังงานไฟฟา elecP จากแหลงจาย( inP )
elec mechP P⇒ สะทอนถึงปรากฏการณการแปลงผันพลังงาน
4-34/34
φVAE
RBnetB
AI
SB0in convP P≈ >
syncnindτLoadτ
δ
δ
Torque/Load Angle
indτ
loadτ
loadτ
δ
Recommended