EMWorks 2D を使用した異なる負荷下での同期発電機の性能評価

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序章

同期発電機は、機械エネルギーから電気エネルギーを生成する最も一般的なエネルギー変換器です [1]。それらはさまざまな発電所で広く使用されていますが、航空機や船舶などの輸送用途でも見られます。このアプリケーション ノートでは、航空機の電気システムで使用される典型的な同期発電機を、さまざまな負荷条件の下で検討します。その性能は、EMWorks 2D ソフトウェアの有限要素法 (FEM) ツールを使用して検討されます。ソフトウェア パッケージで利用可能な回路結合機能を使用して、抵抗性負荷、誘導性負荷、容量性負荷などの 3 つの異なるタイプの負荷を持つ同期発電機を解析します。比較分析のために、荷重の大きさを一定に保ち、荷重角度を変化させます。負荷電流、逆起電力、端子電圧などのマシンの出力パラメータが比較されます。

ケーススタディ

この検討で使用した機械は、図 1 に示すように、10 個の回転子極と 30 個の固定子スロットを備えた突極同期発電機です。固定子スロットは、巻線係数 0.866 の 2 層巻線構成で巻かれています。発電機のパラメーターは表 I に示すとおりです。一般に、航空機用途で使用される機械はサイズが小さく、より高い動作周波数用に設計されています。したがって、検討中のマシンの基本速度は 12000 rpm に設定されます。

比較的解析と結果

このセクションでは、3 つの異なる負荷条件下での同期発電機をシミュレートします。すべての場合において、負荷のインピーダンスの大きさは 10に等しく保たれます。負荷角度を変化させて、力率 1 (ユニティ)、進み 0.65、遅れ 0.65 を達成します。すべての負荷条件でスター結線による平衡三相負荷が考慮され、シミュレーションは EMWorks 2D ソフトウェアを使用して実行されます。ローターの DC 励起は 180 A に等しく、ローターの機械的速度はすべての条件で 12000 rpm に等しくなります。次の式に基づいて、抵抗、インダクタンス、およびキャパシタンスの値が計算され、シミュレーションで使用されます。表2 は、さまざまな荷重タイプと、各スタディの対応する入力をまとめたものです。図 2 は、遅れ負荷 0.65 で接続された同期発電機の一例を示しています。

図 3 は、t=0.5 ミリ秒で純粋な抵抗負荷に接続された同期発電機の磁束密度プロットを示しています。プロットからわかるように、回転子の磁極はこの時点で飽和し、磁束密度の大きさは約 2.12 T に等しくなります。他の負荷条件でも同様の磁束分布プロットを得ることができます。

表2: 負荷の概要

ケース	負荷力率	R ( )	L (mH)	C (mF)	負荷角度
1	1 (団結)	10	0	0	0°
2	0.65 遅れ	6.43	1.22	0	50°
3	0.65 遅れ	6.43	0	0.02078	-50°

図 2. 遅延負荷が 0.65 の同期発電機のモデル化された回路図

図 3. 純粋な抵抗負荷における同期発電機の磁束密度分布

このセクションでは、電流と電圧の波形が各ケースの時間に対してプロットされます。負荷角度の違いにより、電流が電圧からずれていることがわかります。図 4 は、純粋な抵抗負荷を使用したケース 1 の結果を表しており、電流と電圧が互いに同相であることが観察できます。図 5 は、RL 負荷を使用したケース 2 の結果を表しています。ここでは、電圧が電流に先行しています。同様に、図 6 はケース 3 の結果を表しており、RC 負荷では電圧が電流よりも遅れます。

図 4. 純粋な抵抗負荷での出力電流と電圧の波形

図 5.RL 負荷による出力電流と電圧の波形

図 6. RC 負荷を使用した出力電流と電圧の波形

表3を参照すると、最大電流は純粋な抵抗負荷によって得られるのに対し、最小電流は RL 負荷によって実行されることが推測できます。また、インピーダンスの大きさが等しいため、すべてのケースで得られる出力電流の大きさの差は小さい。

図 7 は、同期発電機の出力三相逆起電力波形を表しています。逆起電力電圧は、図 8 に示すように、回転子励起電流を供給し、電機子巻線回路を開いたままにすることによって得られます。逆起電力の波形は、3 つの負荷に対して同じままです。図 9、10、および 11 は、さまざまな速度、励磁電流、および回転子巻線の巻数で発電機によって生成される逆起電力を示しています。図 9 は、生成された電力が速度に関して線形の挙動を示すことを確認します。

図 7. 逆起電力の波形

図 8. 逆起電力シミュレーションの開回路図

図 9. 逆起電力対速度

図 10.逆起電力対励起電流

図 11. 逆起電力対ローター巻線の巻数

結論

このアプリケーション ノートでは、同じインピーダンスを維持する純粋な抵抗、RL および RC 負荷などの 3 つの異なる種類の負荷を同期発電機について比較します。出力電流、出力電圧、逆起電力などの電磁性能は、EMWORKS 2D ソフトウェアを使用して取得されます。負荷角度が出力電流波形と電圧波形の間の位相遅れに影響することがわかっています。また、さまざまな速度と励起電流値での逆起電力がシミュレートされ、解析されます。

参考文献