Váltakozóáramú hajtások Dr. TARNIK István 2006

Átírás

1 AUTOMATIZÁLT VILLAMOS HAJTÁSOK Válakozóáramú hajások Pollack Mihály Műszaki Kar Villamos Hálózaok Taszék Dr. TARNIK Isvá doces Válakozó áramú hajások 1. Aszikro gépek elvi felépíése Az aszikro gépek működése. 2. Aszikro gépek fordulaszám válozaása Póluspárok számáak válozaása. 3. Frekvecia válozaással működő szabályozo felvoóhajások Az állórészköri frekvecia válozaása Fluxusvekor szabályozás Frekveciaválós hajások féküzeme. 1. Aszikro gépek elvi felépíése Az aszikro gép mi mide villamos forgógép ké főrészből, az állórészből és a forgórészből áll. Az állórész fő részei : az állórészház (kisebb gépekél övéy, agyobbakál hegesze acélszerkeze), a bee rögzíe lemezes és a lemezes horyaiba elhelyezkedő háromfázisú ekercselés, amely lehe csillag- vagy háromszög kapcsolású. A hegeres forgórész a egelyből, a hozzá rögzíe lemezesből és az aak horyaiba lévő vezeőredszerből áll. Az álló- és forgórész egymáshoz csapágyazo, közöük éháy ized milliméeres légrés va. A forgórész alapveőe kéféle kialakíású lehe : a) Csúszógyűrűs (ekercsel) forgórészél a szigeel horyokba az állórészhez hasolóa, redszeri csillagkapcsolású, ugyacsak háromfázisú ekercselés helyezkedik el. A fázisekercsek szabad végei egy-egy csúszógyűrűhöz vezeik ki. A csúszógyűrűke a egelye úgy rögzíik, hogy azok egymásól és a egelyől szigeelek legyeek. A csúszógyűrűkhöz keféke kereszül csalakozahaó a öbb fokozaú, csillagkapcsolású idíó-elleállás, amely idíás közbe egyrész csökkei az idíási áramfelvéel, másrész megöveli a moor idíóyomaéká. A felfuás uá a csúszógyűrűkö kereszül a forgórészekercselés rövidrezárjuk. b) Rövidrezár (kalickás) forgórészél a horyokba csupasz rézvezeőke (rudaka) helyezek el, és ezeke a forgórész midké végé egy-egy rézgyűrűhöz forraszva rövidrezárják. Főleg kisebb gépekél réz helye alumíium kalickaredszer készíeek. Ilye esebe a forgórészrudaka és a rövidrezáró gyűrűke cerifugálöéssel egybeöik. A felvoóhajásokál megköveel agy idíóyomaéko és a felfuás ala közel álladó mooryomaéko kékalickás illeve mélyhoryú forgórész kialakíással érik el Az aszikro gépek működése Az aszikro gépek lemezel állórészéek horyaiba öbbfázisú, a leggyakrabba háromfázisú ekercselés va. Ha ez a ekercselés megfelelő fázisszámú hálózara kapcsoljuk, akkor a ekercsekbe megiduló áramok forgó mágeses mező léesíeek. A fázisok egymásól villamosa 12 -ra helyezkedek el a érbe. Beük egymásól időbe 12 -ra elol áramok folyak. Ebből adódóa a forgórész kerüleé az eredő mágeses mező "körbehalad", kialakul az úgyeveze forgó mágeses mező. 1

2 A forgó mágeses ér percekéi fordulaszáma, azaz a szikro fordulaszám: f1 p 6 f p 1 1 s 1 mi ahol p a póluspárok száma. (Pl. ha 2p=4, =15 1/mi) A forgó mágeses mező idukcióvoalai meszik az állórész ekercselésé és a forgórész vezeékei is. Az idukcióvoal-meszés kövekezébe az álló- és a forgórészbe feszülség idukálódik. Az állórészbe idukál feszülség egyesúly ar a hálózai feszülséggel. A hálózai feszülség és az állórészbe idukál feszülség külöbsége hozza lére az állórész ekercsek áramá. A forgórészbe idukál feszülség haására a forgórész vezeékeibe áram idul meg. A ekercsel forgórészű gépek forgórészébe csak akkor, ha áramkörüke a csúszógyűrűk keféire kapcsol elleállásoko kereszül, vagy közveleül rövidrezárjuk. Mozgó mező álal idukál feszülség és kele erőhaás. B U i V F l I N l ( B v) B Az állórész forgó mágeses mezejéek és a forgórész vezeőibe folyó áramokak a kölcsöhaása yomaéko léesí. Ez a moorké működő gép hajó (forgaó) yomaéka (M h ). A hajó yomaék a moor egelyére haó erhelő yomaék (M ) elleébe a forgórész a mágeses mező forgásiráyával megegyező iráyba forgaja. Így érvéyesül ugyais a Lez örvéye, mely szeri az idukál feszülség álal léesíe áram a haásával midig akadályozza a feszülsége idukáló (előidéző) oko. A forgórészbe azér idukálódik feszülség, mer a forgó mágeses mező meszi a forgórész vezeői. Ez az idukáló ok. Ha a forgórész a mezővel azoos iráyba forog, akkor csökke a mező és a forgórész viszoylagos fordulaszáma és ezér lassul az idukcióvoal meszés. A forgórész fordulaszáma üzemszerűe em érhei el a szikro fordulaszámo, azaz a forgórész em forogha együ a forgó mágeses mezővel. Ha ugyais együ forogáak, akkor em lee idukcióvoal-meszés, em idukálóda feszülség, a forgórészbe em folya áram és ezér em jöe lére forgaó yomaék sem. Kis hajó yomaékra még akkor is szükség va, ha a gép egelyvége szabad, hisze a gépbe midig fellép a csapágyakból adódó súrlódási és a veillációs veszeség is. 2

3 A moor forgórésze ehá a szikroál kisebb fordulaszámmal () jár. Szokás ez aszikro fordulaszámak is evezi. Ha a moor egelyére haó erhelő yomaéko (M ) öveljük, akkor övekedie kell a hajó yomaékak is. Nagyobb yomaéko csak agyobb forgórészáram léesíhe. Nagyobb áramo csak agyobb idukál feszülség képes lérehozi. Nagyobb feszülség csak úgy idukálódha, ha a forgó mező idukcióvoalai agyobb sebességgel meszik a forgórész vezeői. A forgó mező viszoylagos fordulaszámáak ehá meg kell övekedie. Ez csak úgy kövekezhe be, ha a forgórész lassul. A szikro fordulaszám és a gép üzemi fordulaszáma közi elérésre jellemző a szlip. A szlip megmuaja, hogy miala a forgó mágeses mező megesz egy eljes fordulao, azala a forgórész meyivel (a eljes fordula háyad részével) esz meg kevesebbe. A forgórész perceké ( ) fordulaal forog a szikro fordulaszámál kevesebbel. A viszoylagos fordulaszámak a mező egy fordulaára eső része a szlip. s Százalékos érékbe : s % 1 Ha a moor egelyére em ha erhelő yomaék, akkor a forgórész majdem szikro fordulaszámmal forog, ehá a szlip eleyészőe kicsi. A moor évleges yomaékkal erhelve szlipje,4,7-re (azaz 4 7%-ra) övekszik. A szlip ismereébe a fordulaszám: f1 1 s 1 s s 1 p s Az aszikro moor forgórésze is hoz lére mágeses mező.. Ez az állórész mezejé csökkei, de em jeleőse. Ugyais, ha csökke az állórész mezeje, akkor csökke az állórészbe idukál feszülség, emia övekszik a hálózai feszülség és az idukál feszülség külöbsége, és ez agyobb áramo idí meg az állórész ekercselésébe, mely a mező közel eredei érékére állíja vissza. Tehá, ha övekszik a moor erhelése, azaz a forgórészéek az árama, akkor övekszik az állórész árama is. A moor erheléséek övekedése a fordulaszám csökkeésével és a hálózai áramfelvéel övekedésével jár. Az aszikro idukciós gépél öbbféle üzemállapo alakulha ki. Mivel a forgórész fordulaszáma a mágeses mezőhöz képes Mooros üzemről beszélük, ha < <, azaz < s < 1. Ha külső beavakozással az aszikro gép forgórészéek fordulaszámá a szikro fordulaszám fölé emeljük, geeráorüzembe juuk. Geeráoros üzembe ehá >, akkor a szlip egaív lesz, azaz s <. ilyekor a gép egelyé mechaikai eljesíméy vesz fel és az a ekercseke kereszül - villamos eljesíméy formájába - a hálóza felé ovábbíja. Ha a forgórész külső eergia segíségével a forgó mágeses mező fordulaszámával elleées iráyba forgajuk, akkor a gép a egelyé mechaikai eergiá vesz fel. A forgó mágeses mező a forgórész vele megegyező iráyba akarja forgai, ehhez a hálózaból szié eergiá vesz fel. A midké oldalról felve eergia az aszikro gépbe hővé alakul. Ez az üzeme elleáramú féküzemek evezzük. Féküzembe ehá a forgórész fordulaszáma egaív és a szlip s > 1. 3

4 Az aszikro gép yomaék - fordulaszám (szlip) jelleggörbéje a külöböző üzemmódokba A felvoóüzem szempojából ez a yomaék fordulaszám jelleggörbe em ideális, mer egyrész kicsi az idíóyomaék, másrész kedvezőle a moor yomaékáak agymérékű válozása a felfuás közbe. A agyobb idíóyomaék elérése vége a forgórész elleállásá kell megöveli, de leheőleg csak az idíás ideje ala. Ez kékalickás (ké külöböző ohmos elleállású és idukiviású kalicka, melybe az áram idíáskor főké a agyobb elleállású külső kalickába folyik) vagy mélyhoryú (szí haás miai elleállás övekedés az idíás ala) kiviellel valósíhaó meg. Az egyes gyárók u. felvoómoor kialakíásoka is gyáraak. Egyekercses felvoómoor M jelleggörbéje Kéekercses felvoómoor M jelleggörbéje M 2 M 1% I 3,2 3, 6 I i i M 2,2 M 1% i M 1,6 M 1% i I 3,2 3,6 I i I 1,6 1,8 I i kis pólusszámál agy pólusszámál 2. Aszikro gépek fordulaszám válozaása Az aszikro moorok fordulaszáma a háromfázisú gerjeszés haására a légrésbe kialakuló forgó mágeses ér fordulaszámáól és a forgórészek a forgó mágeses éről való elmaradásáól - a szlipől - függ. f1 1 s 1 s s 1 p s s ahol az aszikro moor fordulaszáma, a forgó mágeses ér fordulaszáma, amely az f 1 állórészköri frekveciáól és a p póluspárok számáól függ. Az s az aszikro moorok szlipje Póluspárok számáak válozaása. Kéekercses felvoómoorok eseé alkalmazhaó. Ké diszkré fordulaszámérék állíhaó be. A gyakorlaba legikább előforduló ekercselések 4/16, 6/24 illeve 6/36 pólusúak. Ezekkel a moorokkal megvalósíhaóak az u. késebességes felvoóhajások, melyek maximum 1,2 m/s sebességig elégíik ki az uazási komfor igéyeke. A moorok az alacsoy póluspárszámú (gyors) ekercseléssel idulak, sebességválási ávolságra ákapcsolódak a agypólusszámú (lassú) ekercselésre. Ekkor geeráorosa fékezek, majd az u. gurulósebességgel haladak a lekapcsolási ávolságig. I a moor lekapcsoljuk a hálózaról és befog a mechaikus fék. 4

5 Kéekercses aszikro mooros szabályozala felvoóhajások meeulajdoságai a forgó mozgás alapegyelee alapjá haározhaóak meg. d M m M M d Nm d ahol az egyes időbe válozó meyiségek : M m M M d a moor villamos yomaéka [Nm] a moor egelyére redukál erhelés yomaéka [Nm] a diamikai yomaék ε a moor egelyéek szöggyorsulása [1/s 2 ] a moor egelyéek szögsebessége [1/s] Θ = Θ m + Θ r az eredő eheeleségi yomaék [kgm 2 ] Késebességes felvoóhajás yomaék - fordulaszám jelleggörbéje Késebességes felvoóhajás sebesség - ú jelleggörbéje M i6 p 2,2 M 1% M i24 p 1,6 M 1% M f 2 M 1% Késebességes felvoóhajás sebesség - idő jelleggörbéje a gyorsíási- és az álladósul sebességű szakasz eseé Késebességes felvoóhajás sebesség - idő jelleggörbéje a fékezési- és a guruló sebességű szakasz eseé Nagyobb meesebességek eseé a gyorsulásokba és a gyorsíási időkbe léyeges elérés va a erhelés függvéyébe. Nagyobb meesebességek eseé a lassulásokba és a lassíási időkbe léyeges elérés va a erhelés függvéyébe. 5

6 Késebességes felvoóhajás sebesség - idő jelleggörbéje egyszies (rövid) mee eseé Nagyobb meesebességek eseé rövid mee alkalmával jeleőse megövekszik a gurulósebességgel mege úszakaszhoz arozó uazási idő. A övekvő uazósebességekél a kéekercses aszikro mooros szabályozala felvoóhajások zavaró ulajdoságai egyre erősödek. Ezek : a be- és kikapcsolásokál és a mechaikus fékezéskor szélső erhelési eseekbe a fellépő agy forgaóyomaék ugrások miai agy gyorsulás válozások agy rádíásoka eredméyezek, melyek egyre kellemeleebb érzés válaak ki az uasokból és a szervezere károsak. a fékezési folyama erhelésfüggése mia a gurulóuakba és az azok megéeléhez szükséges időkbe jeleős külöbségek adódak külööse rövid egyszies meeekél -, melyek számoevőe megövelik az uazási idő. 1,2 m/s meesebesség fölö a késebességes felvoóhajásoka a háráyos ulajdoságai mia em alkalmazzák. A kellemele haások csökkeésére korábba - a fékezés kezdeéek időbeli elolásá (ákapcsolás késleleés) alkalmazak, mely csak a gurulóuakba muakozó külöbsége küszöböli ki, de a kellemele lassulási érékeke em váloza, - a moor fékezőyomaékáak a erhelésől függő válozaása eseé a gurulóuak azálal egyelíődek ki, hogy a fékezőyomaék a midekori felvoóerheléshez igazodik és ezálal a lassulás éréke a erhelésől függeleül közel álladó. 3. Frekvecia válozaással működő szabályozo felvoóhajások. Ké csoporra oszhaók : - U 1 /f 1 válozaással működő szabályozo hajások (Ezek főképp az ipari frekveciaválókból áve ípusok, melyek felvoó hajásokra csak korláozoa kb. 1,2m/s sebességig haszálhaóak.) - Fluxusvekor szabályozással (mezőorieál) működő szabályozo felvoóhajások, mely leheővé eszi, hogy az aszikro gépek a kiváló szabályozhaóságú külső gerjeszésű egyeáramú gépekhez hasoló módo viselkedjeek és álló állapoba is redelkezésre álljo a eljes mooryomaék Az állórészköri frekvecia válozaása Az aszikro moorok fordulaszáma a háromfázisú gerjeszés haására a légrésbe kialakuló forgó mágeses ér fordulaszámáól és a forgórészek a forgó mágeses éről való elmaradásáól - a szlipől - függ. f1 1 s 1 s s 1 p s s ahol az aszikro moor fordulaszáma, a forgó mágeses ér fordulaszáma, amely az f 1 állórészköri frekveciáól és a p póluspárok számáól függ. Az s az aszikro moorok szlipje. Az aszikro moorok állórészére kapcsol háromfázisú válakozó feszülség f 1 frekveciájáák válozaásával válozahaó a forgó mágeses mező szikro fordulaszáma és ezzel együ a forgórész fordulaszáma is. Ez a módszer veszeségmees fordulaszám-válozaás esz leheővé. A forgómező fordulaszámmal meszi az állórész ekercsei, azokba U i 1 4, 44 f1n11 belső feszülsége idukál. Ha elhayagoljuk az állórész ekercselésbe fellépő feszülségeséseke, akkor a gép kapocsfeszülsége közelíőleg egyelő a forgó mágeses mező álal az állórészbe idukál feszülséggel. 6

7 U1 U i1 4, 44 f1n1 1 ahol U 1 az állórész fázisfeszülség effekív éréke f 1 a primér frekvecia N 1 1 az állórész fázisokéi effekív meeszáma a fluxus. A évleges állapohoz arozó fluxus célszerű megarai, lefelé öréő elérésél a gép kihaszálása, míg felfelé öréő elérésél a elíődés szab haár. Álladó fluxus úgy valósíhaó meg, hogy a gép kapocsfeszülségé a frekveciával aráyos módo kell válozai. 1 U 1 álladó f A yomaék kialakulásáak fizikai képéből kövekezik, hogy ado fluxus és ado fordulaszám elérés eseébe a yomaék ugyaakkora, bármekkora is a forgómező abszolú fordulaszáma. A korábbiak szeri az aszikro moor yomaéka a forgó mágeses ér fluxusáak égyzeéől függ : M m 2 álladó M m U f Ha a frekveciá (f 1 ) a évleges fölé öveljük, akkor a elíődés mia állórészköri feszülség effekív éréké (U 1 ) em övelhejük, ezér a yomaék a frekvecia égyzeével fordío aráyba csökke M() jelleggörbe alakulása a kapocsfeszülség (U 1 ) és a ápláló frekvecia (f 1 ) aráyos válozaásakor A ápláló frekvecia (f 1 ) és a kapocsfeszülség (U 1 ) egyidejű válozaására alkalmas félvezeős beredezések boyolul felépíésűek és öbbféle kialakíásuk leheséges. Frekveciaválók felépíése 7

8 Frekveciaválók felépíése Egyeiráyíók : - egyfázisú - háromfázisú - vezérel - em vezérel Frekveciaválók felépíése Egyeiráyíók : - egyfázisú - háromfázisú - vezérel - em vezérel Közbeső egyeáramú kör : - idukiviás - idukiviás és puffer kodezáor - szaggaó, idukiviás és puffer kodezáor Frekveciaválók felépíése Egyeiráyíók : - egyfázisú - háromfázisú - vezérel - em vezérel Közbeső egyeáramú kör : - idukiviás - idukiviás és puffer kodezáor - szaggaó, idukiviás és puffer kodezáor Frekveciaválók felépíése Egyeiráyíók : - egyfázisú - háromfázisú - vezérel - em vezérel Közbeső egyeáramú kör : - idukiviás - idukiviás és puffer kodezáor - szaggaó, idukiviás és puffer kodezáor Iverer : Iverer : - áramiverer - feszülségiverer ÁRAMINVERTEREK - áramiverer - feszülségiverer PAM INVERTEREK (pulzus ampliudó moduláció) Frekveciaválók felépíése Frekveciaválók felépíése Egyeiráyíók : Egyeiráyíók : - egyfázisú - háromfázisú - vezérel - em vezérel - egyfázisú - háromfázisú - vezérel - em vezérel Közbeső egyeáramú kör : - idukiviás - idukiviás és puffer kodezáor - szaggaó, idukiviás és puffer kodezáor Közbeső egyeáramú kör : - idukiviás - idukiviás és puffer kodezáor - szaggaó, idukiviás és puffer kodezáor Iverer : Iverer : - áramiverer - feszülségiverer PAM INVERTEREK (pulzus ampliudó moduláció) - áramiverer - feszülségiverer PWM (ISZM) INVERTEREK (impulzus szélesség moduláció) 8

9 Iverer felépíése Iverer felépíése Iverer felépíése Iverer működése Iverer működése Iverer működése 9

10 Iverer működése Iverer működése U + _ U + _ U + U + Iverer működése Iverer működése U + _ U + _ Impulzus szélesség moduláció : U + _ U + _ PWM (ISZM) ivererek vezérlése. Ezekbe a kialakíásól és a gyáróól függőe ige sokféle megoldás léezik, melyek agymérékbe befolyásolják a frekveciaválók ulajdoságai és a áplál aszikro moorok jellemzői. A ermészees miavéelezésű redszerbe egy álladó frekveciájú és ampliúdójú háromszögjele válozó frekveciájú és ampliúdójú (alapjel jellegű) sziuszhullámmal komparáluk és a meszéspook haározzák meg az illeő fázis ákapcsolási pillaaai, ha a háromszögjel meghaladja a sziuszjele, akkor a fázis a egaív síre, ellekező esebe a poziívra köjük. A szabályos miavéelezésű redszerbe egy álladó frekveciájú és ampliúdójú háromszögjele a válozó frekveciájú és ampliúdójú sziuszhullám miavéeleze lépcsős görbéjével komparáljuk. A miavéelezés lehe a háromszögjel midké csúcsáál, vagy csak a egaív csúcsál. Opimalizál vezérlések a vezérlés valamilye célfüggvéy szeri opimalizáljuk. Például : a mooro a kis redszámú (5., 7. sb.) feszülség felharmoikusok zérusok legyeek. A harmoikus áramok effekív éréke miimális legye, ezzel a moorba kelekező veszeségeke miimalizáljuk, sb. 1

11 PWM (ISZM) moduláció semaikus elve Az ivererek kapcsoló elemei. PWM kimeei hullámforma Vivő frekvecia Kimeei feszülség alapharmoikusa Korábba raziszoroka alkalmazak, de ma már szie kizárólag csak IGBT (Isulaed-Gae-Bipolae-Trasisor) elemeke haszálak. Ezek egyesíik a MOS- és a bipoláris raziszorok előyös ulajdoságai. Ezekből u. IPM (Iellige Power Modules) modul épíeek fel, mely aralmazza a ha IGBT eleme, a védődiódáka és a vezérlési és védelmi kapcsolásoka is. Ez a frekveciaválók gyárásá agymérékbe megköyíi, de a szerviz és a javíás megdrágíja, mivel csak komple IPM eleme lehe cseréli, mely a frekveciaváló egyik legdrágább épíőeleme. Frekveciaválós hajások megbízhaósága Félvezeők kapcsolási ulajdoságai : U = ~ 6 V I = ~ P = ~ U U = ~ 1 V I = ~ 1 A P = ~ 1 W Frekveciaválós hajások megbízhaósága Félvezeők kapcsolási ulajdoságai : Frekveciaválós hajások megbízhaósága Félvezeők kapcsolási ulajdoságai : U = ~ 6 V I = ~ P = ~ U U = ~ 3 V I = ~ 5 A P = ~ 15 kw!!! U = ~ 1 V I = ~ 1 A P = ~ 1 W U = ~ 6 V I = ~ P = ~ U U = ~ 3 V I = ~ 5 A P = ~ 15 kw!!! U = ~ 1 V I = ~ 1 A P = ~ 1 W P 11

12 Frekveciaválós hajások megbízhaósága Félvezeők disszipációja : Frekveciaválós hajások megbízhaósága Félvezeők disszipációja : P P T Frekveciaválós hajások megbízhaósága Kapcsoló frekvecia megválaszása Félvezeők (IPM modulok) várhaó élearama : Várhaó élearam várhaó élearam moor veszeségei 1 khz 7 khz 5 khz félvezeők veszeségei 2-3 év 4-5 év 6-7 év f [khz] Háromfázisú PWM (ISZM) frekveciaváló Az aszikro gép fluxusai Hálózai feszülség és áram függvéy Elvi kapcsolás vázla 12

13 Az aszikro gép egy fázisáak helyeesíő vázlaa az idő aromáyba. Az aszikro gép egy fázisáak áalakíás uá az idő aromáyba helyeesíő vázlaa ' R R 4% ; állórész forgórész X X 1% ; X 3% ; R 1X ; ' m v m Az állórész és a forgórész kapcsolási vázlaa az áalakíás uá egymással összeköheő. Az aszikro gép háromfázisú kapcsolási vázlaa da ua iara ; d dra ura irarra d db drb ub ib Rb ; urb irbrrb d d dc drc uc ic Rc ; urc ircrrc d d Háromfázisú feszülség az időaromáyba. a, b és c az egyes ekercsek eljes ekercsfluxusa, aralmazza a szórási és fő mezőkből származó kapcsolódásoka. R egy-egy fázisekercs elleállása Az időaromáyból olya aromáyba kell áéri, ahol kevesebb és köye megoldhaó egyeleeke kapuk. Háromfázisú feszülség és áram ( = 3º) az időaromáyba. Háromfázisú feszülség, áram ( = 3º) és eljesíméy az időaromáyba. 13

14 Háromfázisú feszülség, áram ( = 3º) és eljesíméy fáziskimaradáskor az időaromáyba. Háromfázisú feszülség az időaromáyba. 3/2 raszformáció. Áérés érbe forgó vekorokra. A háromfázisú periódikusa válozó villamos meyiségek három időfüggvéyel írhaók le az idő () aromáyba. Eze időfüggvéyek kifejezheőek a komplex számsíko a (j) aromáyba három forgó vekorral. Eze három forgó vekorokból képezheő egyele érbe forgó vekor. Ez az u. érvekor, vagy Park-vekor. Az eseek zömébe, ha ics zérus sorredű összeevő, akkor a e 2 2 i ( ia aib a ic ) 3 j j ; 2 2 ahol 2 a e j i, i és i a fázisáramok pillaaérékei 2 3 a b 1 3 j ; 2 2 c komplex egységvekorok Az áram Park-vekora a három fázisáramo egyele meyiséggel összefoglalva jellemzi és emcsak időbe sziuszos meyiségekre haszálhaó. Az eredő áramvekor mide pillaaba az eredő gerjeszés érbeli iráyába mua. A Park-vekor agysága és sebessége is válozha és akár ugrásoka is aralmazha. 2/3 raszformáció. Visszaérés az időaromáyba. Az eseek zömébe ics zérus sorredű összeevő, ekkor az egyele érbe forgó vekor (a Park-vekor) illeő fázisegelyre vee veülee az ado fázisba az akuális pillaaéréke adja az idő () aromáyba. Példa az időfüggvéy meghaározására. (Trazies) i Re[ i] ; a ahol 2 i Re[ a i] ; i Re[ ai] i, i és i a fázisáramok pillaaérékei a b b c c 2 j a e j ; a 2 2 komplex egységvekorok 2 e 2 j 3 1 j 2 3 ; 2 14

15 Koordiáa raszformáció. A háromfázisú érvekor (Parkvekor) kifejezheő a derékszögű összeevőivel is és köye raszformálhaó más koordiáa redszerbe is. áérés a i ie forgóba a szög x val kisebb k jx k visszaérés i e a szög x val agyobb Az állórész válozók raszformálása a közös koordiáa redszerbe. i k jx k Koordiáa raszformáció. Az állórész koordiáa redszere álló (x-y), a közös egy szikro forgó (-) koordiáa redszer, mely a mezővel együ forog. A frekvecia válozaás éháy vezérlési módja A forgórész válozók raszformálása a közös koordiáa redszerbe. A számíások a háromfázisú érvekorok (Park-vekorok) segíségével a komplex operáor aromáyba végezheőek el. I a differeciálegyele redszer helye csak algebrai e- gyeleeke kell megoldai. U 1 /f 1 illeve U /f 1 = áll. vezérlési mód. (IR kompezáció) Terhelés kompezálás alkalmazva bizosíhaó, hogy a yomaéki jelleggörbe alakja a kis frekveciáko sem orzul. Az állórészköri elleállás éréké ismeri kell. Egyszerűbb hajásokál jó megoldás ad. U 1 /f 1 illeve U /f 1 = áll. vezérlési mód. (IR kompezáció) U/f vezérlési jelleggörbe. 15

16 Mechaikai jeggörbe U /f 1 = álladó eseé. U /f 1 = áll. vezérlési módú frekveciaváló blokkvázlaa. Ha ics IR kompezáció, kis frekveciáko hajási állapoba a yomaék az R 1 elleálláso eső feszülség égyzeével aráyosa csökke. Az R elleállás agyságá be kell állíai, vagy a frekveciaválóak meg kell udi méri. r = álladó vezérlési mód. (Forgórészköri fluxusvekor szabályozás) Az aszikro gép razies üzemé a rövidrezár forgórész és a vele kapcsolódó fluxus alakulása agymérékbe meghaározza. Emia precíziós, gyors működésű hajásokál célszerű a gép forgórész fluxusá razies üzembe is a maximálisa megegedheő éréke álladóak arai. Ez az u. mezőorieál szabályozási elv. Ekkor az állórészáram szabályozásá úgy kell megoldai, hogy a r forgórészfluxushoz rögzíe (szikro szögsebességgel forgó) koordiáa redszerbe az áram valós összeevője álladó éréke maradjo. Ez haározza meg a forgórészfluxus agyságá. A képzees összeevője a kívá yomaékkal legye aráyos. Ezzel a megoldással az aszikro moor szabályozásá szécsaoluk ké függele szabályozókörre, az egyik az áramvekor valós (forgórészfluxus), a másik az áramvekor képzees összeevőjé (yomaék) szabályozza. Ilyekor a moorba az elekromágeses razies folyamaoka elkerüljük és az aszikro moor az egyeáramú külső gerjeszésű moorhoz hasolóa viselkedik. Az aszikro moorok mezőorieál szabályozásakor, ha a forgórészfluxus álladó marad, a moor yomaéká csak az állórészáram képzees összeevője haározza meg. (A mezőorieál szabályozás elve az alapharmoikus meyiségekre korláozódik.) Ászámíás az állórészhez rögzíe álló (x-y) és a forgórész fluxushoz rögzíe szikro szögsebességgel forgó (-) koordiáa redszerbe felír meyiségek közö. Áérés a forgóba i ie j i i e j (α β) Visszaérés az állóba (x y) Az aszikro gép áram-vekordiagramja (mooros üzembe) álladó forgórész fluxusú ( r = álladó) áplálásál a forgórész fluxushoz rögzíe szikro szögsebességgel forgó (-) koordiáa redszerbe. T r =L r /R r a forgórészkör időálladója yio állórészkapcsok melle. Az áram haásos öszszeevője a forgórész fluxussal, a képzees összeevője a yomaékkal aráyos. 16

17 Mezőorieál szabályozás elvi vázlaa. A éyleges forgórészfluxus közveleül számíó egység blokkvázlaa. Fluxus szabályozó Iverz koordiáa raszformáció Nyomaék szabályozó Az i áram szabályozó (PI) a fluxus, az i áram szabályozó (PI) a yomaéko szabályozza. Koordiáa raszformáció Forgórészfluxus alapjel. (Mezőgyegíés a évleges frekvecia felei aromáyba. Mezőorieál szabályozás közvele fluxus számíással. Mechaikai jeggörbe mezőorieál szabályozásal. Szögsebesség szabályozó Nyomaék szabályozó Mezőorieál szabályozás eseé az aszikro moor az egyeáramú külső gerjeszésű moorhoz hasolóa viselkedik. Fluxus alapjel Fluxus szabályozó Ige jók a köveési ulajdoságok és a hajás a szervohajásoka megközelíő szabályozásechikai jellemzőkkel redelkezik Frekveciaválós hajások féküzeme. d M m M M d Nm d M ÜF M TF Ha a ápláló frekveciá lecsökkejük, akkor a hajás fékeződi fog. (Az M d diamikai yomaék egaív lesz.) A fékezés sorá az aszikro moor geeráoros üzembe kerül és eergiá áplál vissza a közbülső körbe. Ekkor a közbülső kör feszülsége megemelkedik, melye ado érékek közö kell arai. Ez megeheő pl. a közbülső kör elleálláso kereszül öréő kisüésével. Ekkor a fékezési eergia az elleálláso hővé alakul. A fékcsopper a szabályozó köről függeleül működik. A fékcsopper és a fékelleállás eljesíméyéek megválaszása redkívül foos a felvoó bizoságos fékezése szempojából!!! geeráoros üzem mooros üzem Az egyes ípusok közö i léyeges elérések vaak. 17

18 Közbülső kör eergiájáak felemészése fékelleállással. A fékcsopper vezérlése függele az egyéb szabályozókól. Belső fékcsopperrel Külső fékcsopperrel Ha a fékcsopper em képes a közbülső kör feszülségé az ado érékek köz arai vagy úlmelegede, akkor lekapcsol és hibajelzés ad. Ekkor a frekveciaváló is hibajelzés ad és kialakíásól függő késleleéssel a vezérlés lekapcsol. Ilyekor mechaikus fékkel kell megállíai a fülké, mely a szélső sziek közelébe em midig sikeres. A mechaikus fék sok esebe em udja ugyaaz a lassulás produkáli, mi a frekveciaváló. Emia agyo léyeges a fékcsopper megfelelő méreezése. Az ipari frekveciaválók álalába emia em alkalmasak a felvoók bizoságos müködeésére. Ez főké jó haásfokú hajóművekél pl. plaéa hajómű (kb. 94% midké iráyba) léyeges. Üres fülke Fel iráyú mee. Végig fékezi kell!!! Közbülső kör eergiájáak visszaáplálása a hálózaba. Nagy eljesíméyű kb. 5kW felei hajásokál (pl. METRO mozgólépcső) a fékezési eergiá egy 3F2U6Ü eljese vezérel ellepárhuzamosa kapcsol és iverer üzemállapoba vezérel áramiráyíó áplálja vissza a hálózaba. Ez egy külöálló visszaápláló egység. Külöálló visszaápláló modul gyakorlai kialakíása. Nagy eljesíméyű kb. 5kW felei hajásokál a fékezési eergiá egy hídkapcsolású eljese vezérel ellepárhuzamosa kapcsol IGBT-kből kialakío válóiráyíó áplálja vissza a hálózaba. Ez egy külöálló visszaápláló egység. (REVCON modul). 18

19 A hálóza egy fázisáak feszülség (u 1 ) és áramjel (i 1 ) alakja, beáplálási és visszaáplálási üzembe. (P = 15 kw, = 1 f/perc, M = 6 Nm). Beáplálás moorüzembe Visszaáplálás geeráor üzembe Ha a visszaápláló modul em képes a közbülső kör feszülségé az ado érékek köz arai vagy úlmelegede, akkor lekapcsol és hibajelzés ad. Ekkor a frekveciaváló is hibajelzés ad és a vezérlés lekapcsol. Ilyekor mechaikus fékkel kell megálli. 1 kw-os mozgólépcső hajás. 1 kw-os mozgólépcső hajás hálózai jelalakjai beáplálási (hajási) üzembe. Beápláló (hajó) szekréy Visszaápláló (fékező) szekréy 1 kw-os mozgólépcső hajás hálózai jellemzői beáplálási (hajási) üzembe. 1 kw-os mozgólépcső hajás hálózai jelalakjai visszaáplálási (fékezési) üzembe. 19

20 1 kw-os mozgólépcső hajás hálózai jellemzői visszaáplálási (fékezési) üzembe Frekveciaválós hajások szabályozása. Ezekél a beredezésekél állíai lehe, hogy milye meediagramo és milye álladósul sebessége kíváuk megvalósíai. Képesek yio hurokba is működi (szlipkompezációval), de ekkor a fordulaszám arás poalaabb. A poos fordulaszám aráshoz a fordulaszám (szöghelyze) elleőrző jele digiális ikremeális fordulaszám jeladó segíségével vissza kell csaoli. A megfelelő szabályozási paraméerek beállíása jeleős körülekiés kívá meg. A fordulaszám (szöghelyze) elleőrző jele digiális ikremeális fordulaszám jeladó adja. Eélkül a agyobb meesebességű hajások meeulajdoságai em kielégíőek. (Ez igaz a plaéa hajóműves beredezésekre is, melyekél a fék yiásakor a fülke azoal megmozdul.) A meediagram képző sebesség-idő függvéye a beállíhaó sebességek felüeésével. A meediagram képző sebesség-idő függvéye a beállíási leheőségek felüeésével. 2

21 A PI szabályozóál az erősíési éyező és az iegrálási időálladó a GA haár szeri külö állíhaó. Beállíások Rövid beállíás Sebességek Rádíások Idők / Uak Szabályozó Beredezés adaok Kijelzések Elleőrző / alapjel Ki / bemeeek Hibaároló (1 uolsó) Saiszika Redszer Iformáció Bővíe meü Szikrogép Nyio hurok Meediagram Szabályozó Hibakofiguráció Ki/Bemee Felügyele Kommuikáció Hibák Frekveciaváló Hálózai zavarok és a felvoó iráyíási redszerek A korszerű felvoó vezérlési- és hajási redszerek ma már szie kizárólag mikroszámíógépes kialakíásúak és egyre agyobb számba u. eloszo ielligeciájú redszerek. Eze egységek közö kis eergiasziű soros kommuikáció zajlik. Ezek érzékeyek a hálózai zavarokra. A frekveciaválós hajási redszerek ige érzékeyek a hálózai feszülség agyságára is. A gyárók a készülékek helyes működésé U=23V +1% -1% űrésmező belül garaálják. A felvoó beredezések álalába agy bekapcsolási áramokkal idulak agy vezee és sugárzo zavarok forrásai. Megfelelőe méreeze fővezeék szükséges. Háromfázisú frekveciaváló bekapcsolása Fázisfeszülségek effekív éréke 25kg, 1,6m/s, 24kW-os os felvoó hajásál 21

22 Hálózai feszülség és áram jelalakja. Hálózaból felve eljesíméyek Periodikus jelek Fourier spekrumáak magyarázaa. Hálózai feszülség- és áram Fourier spekruma Ampliúdó effekív érék Időaromáy Idő Frekveciaaromáy Hálózai feszülség felharmoikusai Hálózai áram felharmoikusai 22

23 Hálózai miőség aalizáor (Hz-2,5kHz 5. felharmoikus). A felharmoikus áramok okoza feszülség orzíásál be kell arai az MSZ EN 516:21 szabváy szerii előírásoka. (A THD U éréke beleérve az összes felharmoikus a 4. redszámig em lehe 8%-ál agyobb. A bemeei áram felharmoikus aralma alacsoyfrekveciás szűrőkkel (em elíődő fojóekercsek) csökkeheő. A vezee zavarokra az MSZ EN 1215:21 szabváy aralmaz előírásoka. A vezee zavarok agyfrekveciás szűrőkkel csökkeheők. (MSZ EN 5511 A ipari, B lakossági) A sugárzo zavarok csökkeése vége a moorkábel mide esebe áryékoli kell!!! Nagyo léyeges a megfelelő földelés kialakíása!!! EMC opimálisa kialakío szerelési elredezés a gyárói ajálások szeri. 24 kw-os os duplex frekveciaválós felvoó A agy szivárgó áramok mia megerősíe védővezeő szükséges. 33 kw-os os frekveciaválós felvoó hajás Külö problémá jele a moorra juó feszülség jelalakja, melyél külö iézkedés élkül a feszülségmeredekség elérhei a 2,5kV/μs éréke. Ez moorköri fojókkal max. 1,5kV/μs érékre korláozi kell! Ellekező esebe, főké régebbi moorokál a ekercsbe áüés kövekezhe be. 23

24 A du/d meredekség a frekveciaváló belül beépíe ferri gyűrűkö ávezee moorkábellel csökkeheő az elviselheő kb. 1,5kV/μs érékre. EMC opimálisa kialakío kapcsolás a szűrőelemekkel. Alacsoyfrekveciás zavarok = felharmoikusok Frekveciaaromáy : 5Hz 2,5 khz (5. felh.) Nagyfrekveciás zavarok = rádiófrekveciás zaj (RF) Vezee zavarok : 15kHz 3MHz Sugárzo zavarok : 3MHz 1 GHz. A vezee zavarjel agysága MSZ EN 1215 szeri. EMC miősíő mérővevő (9kHz 3GHz), vezee és sugárzo zavarok mérésére 2 A-os égyvezeékes műhálóza vezee zavarok (15kHz 3MHz) laboraóriumi méréséhez. Frekveciaválással megvalósío meediagram. 24

25 Frekveciaválós digiális felvoó hajásszabályozó. Frekveciaválással működő felvoó hajásszabályozás. Frekveciaválással működő moor Plaéa hajóművel. Frekveciaválozaással működő beredezések előyei: Olcsó, mivel egyekercses aszikro moor haszálhaó, a ekercseléssel szembe köveelméyek vaak (du/d) %-os eergia megakaríás érheő el a ormál késebességes hajáshoz képes a ledíőömegek csökkeésével és a jó fázisszöggel. A szabályozó eseleges meghibásodása eseé em arhaó fe a felvoó üzeme. A hálózao erhelő felharmoikus áramok jeleősek, előé fojóekerccsel csökkeheőek. A hálózao erhelő vezee zavarok jeleősek, léyeges sugárzo zavaroka kel, áryékol moorkábel kell alkalmazi. Neheze, javíhaó és élearama aráylag alacsoy. Aszikro és szikro moor fordulaszámáak válozaása a ápfesz. frekveciájával Szikro gép felépíése M Aszikro moor Szikro moor M A forgó mágeses ér fordulaszáma: M T F, ÜL M T F o =f / p o M Ü F, TL MÜ F f 3 <f 2 <f 1 f 3 <f 2 <f 1 A mágeses kölcsöhaás révé a mágeses érrel szikro forog az egyeárammal gerjesze vagy álladó mágeses pólusokkal redelkező forgórész is. = o (1-s) = f 1 / p (1-s) U 1 U i = 4,44 f 1 N 1 ξ 1 Φ max Φ C U 1 / f 1 = o = f 1 / p Dr. Horváh Isvá Dr. Horváh Isvá 25

26 Szikro gép yomaéka Hegeres forgórészél: ZETASYN SM 6 AL hajás M= 3 / o U U p / X d si o = 2 o M=3p/2 U U p / X d si U 1 / f 1 M = c U 1 / f 1 Kiálló pólusú forgórészél a fei yomaék megövekszik a relukacia yomaékkal: M r = 3 U 2 / 2ω o (1/X q -1/X d ) si2δ Dr. Horváh Isvá = 95 1/mi P = 5 kw Dr. Horváh Isvá 26