Electric Motors, Part Ii

Electric motors, part II Synchronous motors The flux in this machine is produced by a direct current. The pole structure of the synchronous machine  is the inner part which rotates and the armature is the outer part and is stationary. The synchronous  machine is a special case of the induction motor and the d.c. machine is a synchronous machine with an  added special device (commutator). The rotors of the synchronous machines that have six or more poles  are of the salient pole type. The rotors of the two or four poles machines are of the non­salient type  (cylindrical rotors). The speed in r.p.m. for any machine is calculated from the following formula:  n=120f/p where f is the frequency of supply in c/s and p the number of poles. For example, a 60 c/s  machine with 4 poles will rotate at 1800 r.p.m. and for 2 poles at 3600 r.p.m. The d.c. field winding is  placed in slots in the cylindrical rotor and is held in place by heavy metal wedges. The general shape  and construction of the stator is similar to that of the induction machine, the core is laminated. The  punching of a salient pole machine may include slots for the damper or amortisseur winding (squirrel  cage type of winding). This winding is found in all synchronous motors for starting purposes and in  certain generators to damp out oscillations which may occur during parallel operations. The damper  winding has the bars of each pole connected to segments, which are bolted together to form a complete  ring connection around the cylindrical rotor. The major elements in a rotor are:& the end winding  retaining ring, the ventilation fan, the slip rings through which the d.c. exciting current is introduced (or  rotating rectifier), the rotor winding and wedges that fit the grooves at the top of each slot. A  synchronous machine is able to operate both as a generator and as a motor. Cylindrical rotor machine  (higher speeds) is chiefly used as a generator and salient pole rotors are used with most synchronous  motors. The stator and rotor of the synchronous machine are connected to power sources. In general,  the doubly fed machine has 2 speeds at which the torque is uniform: 120(f1 +/­ f2)/p. In synchronous  machines the rotor is fed by a d.c. supply , i.e. f2 = 0. The single speed at which a unifrom torque exists  is the synchronous speed and is equal to 120 f1/p. In order for the frequency to remain constant, the  rotor speed has to remain constant and to be independent of the torque. The synchronous machine  represents a special case of the doubly fed induction machine. It is also a special case of the  transformer. It has the character of a current transformer. The current transformer when operated with a  constant primary current has a large flux variation between no load and full load. At no load, its flux is  fixed by the mmf of the primary current alone. At load, its flux is determined by the resultant of the  primary and secondary mmfs. The primary current of the synchronous machine is the d.c. of the field  winding and the secondary current is the armature current. The rotors of the synchronous machines run  at a speed of 120 f1/p (the rotor has p poles and the stator current has a frequency f1). The stator  winding of this type of machines is wound for the same number of poles, as that of the rotor. The speed  of the stator mmf with respect to the rotor is at stand­still, i.e. the stator mmf is equal to 120fl/p. The  main flux of the machine (which is produced by the stator and rotor mmfs) travels at synchronous speed  with respect to the stator and at a stand­still , i.e. zero with respect to the rotor. The rotor winding (field  and damper) appear open with respect to the main flux. Xad is a variable quantity as the permeability  of the main flux path is a variable quantity, because the synchronous machine acts as a current  transformer between no­load and full load. For the induction motor, the flux changes little between no 

and full load (specially for large and medium size motors), the main flux reactance can be considered  constant. Salient pole machines are treated differently (not like a cylindrical rotor). The salient pole  machine has salient poles followed by interpole spaces. Thus the reluctance around the pole is variable.  The axis going through the center of the pole is called the direct axis. The axis going through the center  of the interpolar space is called the quadrature axis. The armature reaction in the synchronous machine  has a lagging current opposing the field mmf in a generator and supports the field mmf in motor. For  the leading current, it supports the field mmf in a generator and opposes the field in a motor. It should  be noted that the power factor angle does not determine the character and the magnitude of the  armature reaction but the angle between the armature current and the emf induced in the armature  winding by the field flux.  The field mmf (neglecting harmonics) and the armature mmf (neglecting harmonics) are sinusoidal  waves, the amplitudes of which can be treated as phasors. The basic variable of the synchronous  machine is an angle between the terminal voltage and the emf induced in the armature winding by the  field flux, just as the slip is the basic variable of induction motors. A torque­angle characteristic takes  the place of torque­speed characteristic of the induction motor and it is this angle that determines the  magnitude of the torque. When the machine is saturated, the resultant mmf of the field,, the armature  winding and the flux produced by it must by considered differently. The armature reaction reactance  does not appear in this case as it is taken care of by the armature mmf, which is a component of the  total mmf. Only the leakage reactance of the armature is to be included in the equivalent circuit.  Kinchoff's mesh equation for the motors and generators are given hereafter, respectively: V=­ E+IaRa+jIaXl and V+IaRa+jIaXa=E. E: the emf induced in the armature winding by the field flux and  armature flux (i.e. the flux due to the resultant mmf of armature and rotor). The generator  characteristics will be covered, briefly, in the following paragraphs. They are no load and air gap ch/cs,  short circuit, load, external, regulation wave, short circuit ratio and the determination of the direct axis  synchronous reactance. The short circuits characteristic represents the armature current as function of  the field current or the field mmf with the armature terminals short circuited (at the synchronous  speed). The short circuit generator appears to be loaded with an almost pure inductance because the  resistance of the armature winding, under this condition, is small compared to its leakage reactance.  There is no saturation of the iron in the short circuited machine. The characteristic triangle of a  synchronous machine (potier triangle) contains the armature reaction mmf and the leakage reactance.  The load characteristic represents the terminal voltage as function of the field current or field mmf for a  constant load current and a constanct phase angle. In a fixed load current, the field current required to  sustain the no­load voltage increase rapidly with decreasing power factor. When the power factor = 0,  the load characteristic can be determined from the no load characteristics and the potier triangle. The  potier triangle can be determined from the no load characteristics and two points of the power factor = 0  load characteristic curve. The external characteristic represents the terminal voltate as a function of the  load current Ia at constant field current If and constant power factor. The regulation curve shows the  field current as a function of either the load current at constanct p.f. or of the p.f. with the armature  load current constant under terminal voltage. The short circuit ratio (SCR) of a synchronous machine is  defined as the ratio of the field current required to produce rated voltage on open circuit to the field  current required to produce rated current under short circuited terminals. The significance of the SCR: 

a small SCR indicates a large armature reaction (a machine sensitive to load variations) and a large  SCR indicates a small armature reaction (a machine less sensitive to load variations). The direct axis  reactance is determined from the no load and the short circuit characteristics. Xd=Xl+Xad where Xd is  the direct axis synchronous reactance for a cylindrical rotor, Xad is the armature reaction reactance in  the direct axis, Xl is the leakage reactance. The synchronous reactance, in per unit, is equal to 1 divided  by the unsaturted SC ratio. For salient pole machines, the two reaction theory should be applied  because of its interpolar spaces. These machines have two axes of symmetry, the direct and the  quadrature axis. When two mmfs are acting on the direct axis of the salient pole m/c, the field mmf and  the armature mmf, only one mmf is acting upon the quadrature axis (the armature mmf). The armature  mmf must be resolved into two components, one acting upon the direct axis and the other upon the  quadrature axis. The flux density is directly proportional to the mmf and inversely proportional to the  reluctance. Introducing effectiveness ­ factors to reflect the real flux in the inter­polar spaces (reduced  levels) is necessary , this factor for the mmf in the direct axis is 0.85 and for the quadrature axis is 0.45.  In the case of the unsaturated machines, three mmf's and three fluxes will be considered: the field flux,  the armature flux in the direct axis and the armature flux in the quadrature axis. In the case of the  saturated machine, three mmf's and two fluxes are considered: flux in the direct axis produced by the  resultant of the field, mmf and the direct axis armature mmf and the armature flux in the quadrature  axis.  Power balance of synchronous machines.  For synchronous motors: Pin,stator = Ph+e + Pf+w + Pir,rot + Prot(f) mIa2ra + Po/p,shaft  For synchronous generators: Pin,shaft = Ph+e + Pf+w + Pir,rot + Prot(f) mIa2ra + Po/p,stator ; where Poutput =  mVIa cos

, Ph+e is the iron losses, Pin is the total power input (stator or shaft), Pir,rot is the 

rotational iron losses, Pf+w is the friction and windage losses, Prot(f)is the electromagnetic power  (supplied to the stator or rotor).  For a constant induced emf in the armature, due to the flux of field, the electromagnetic power and  torque of the synchronous m/c depend solely on the angle between the terminal voltage and the induced  emf in the armature due to the field flux. An increase of the field current increases the pull­out torque  (the ratio of pull­out torque to load torque, the overload capacity, increases). At a fixed load the power  factor of motor can be changed over a wide range by changing the field current. At a certain value of  field current, the power factor is unity, decreasing the field current below this value makes the power  factor lagging, while an increase makes it leading. The field current of the synchronous motor is usually  adjusted in such a manner that the motor operates at rotor load at either unity power factor or a leading  one. A uniform torque can be developed when the mmf of both stator and rotor are stationary with  respect to each other. This condition is satisfied with synchronous motor if it is running at synchronous  speed only. At this speed the stator mmf and the rotor mmf have the same speed ns = 120f/p.  Synchronous motors need special provisions to have them starting. For induction motors, the rotor is  not connected to a source of power, but establishes its current by induction from the stator (the mmf 

waves of stator and rotor). Thus the induction motors are capable of developing a starting torque. In the  case of synchronous motors, the mmfs are at stand­still with respect to each other at any rotor speed  including locked rotor (stand­still). In order to make it possible, for a synchronous motor to start, it is  supplied with a squirrel cage, similar to that of an induction motor. The squirrel cage winding is called  the damper winding. They are placed in slots punched in the pole shoes. The cage is not complete as  there are no bars in the interpolar spaces. Just as the squirrel cage induction motor does, the  synchronous motor takes a relative large starting current from the line. When it is necessary, to reduce  the starting current of a synchronous motor, the same means can be employed as the induction motor,  i.e. auto­transformer, reactor in series with the stator winding, part winding (each phase of the stator  winding consists of two or more parallel parts and only a part of each phase is used during motor  starting starting. Since the damper winding is to be used only for starting (not for running), its  resistance and leakage reactance can be freely adjusted to suit the required starting current and torque.  At synchronous speed, the rotating flux cannot induce an emf in the field winding as the flux is  stationary with respect to the poles. During the starting period, the field structure speed is less than that  of the rotating flux, a high emf is induced in the field winding (it has a large number of turns) and this  induced emf may lead to a breakdown of the insulation if the field winding is left open. To prevent such  destructive emf, the field winding is short fed through a resistor ranging from 5 to 15 times the field  winding resistor, during starting. As the rotor reaches the maximum induction motor speed , the resistor  is removed from the field circuit and the d.c. excitation is applied; the motor falls into synchronism and  it runs as a synchronous motor. At synchronous speed the damper winding is ineffective.