VI. fejezet. Az alapvető elektromechanikai átalakítók működési elvei

Átírás

1 VI. fejezet Az alapvető elektromechanikai átalakítók működési elvei

2 Származtatása frekvencia-feltételből (általános áttekintés)

3 A forgó mező tulajdonságai (már láttuk) III. A nyomatékképzés feltétele (alapesetben) az álló és a forgórész pólusszám egyezése. A két mezőnek, B st és B rot relatív nyugalomban kell lennie: ω 0,st = ω 0,r p st = p rot Ez a nyomatékképzés szükséges feltétele gerjesztett tekercsrendszerekben. Ahol a státor illetve B a rotor mező szögsebessége st B st B rot B mech Ez az ún. frekvenciafeltétel rot a státorhoz illetve a rotorhoz képest!!! Forgó mozgás létesítése

4 Két összetapadt pólusrendszer kell (kiterített ábra) Állórész mező st ( s ) Forgórész mező rot ( r ) (forgórészhez képest) (szögeltérés lehet) Mechanikai szögsebesség mech ( m ) Forgó mozgás létesítése

5 Gépfajták származtatása #1: ω r =0 Szinkrongép Ha ω r =0, akkor a forgórészt egyenárammal tápláljuk. Ezzel: m s A szög mindig a terhelőnyomaték nagyságának megfelelően áll be. A gép átlagos (nem nulla középértékű) nyomatékot egyetlen fordulatszámon, az állórészmező fordulatszámán, az ún. szinkron fordulatszámon képes csak kifejteni. Innen a neve: szinkrongép. Az álló- és forgórész helyet is cserélhet.

6 Gépfajták szárm. #2: ω r =var Aszinkrongép Az ún. indukciós gépek forgórészében indukált feszültségek által létrehozott rotoráramok körfrekvenciája az ω s szögsebességgel forgó állórészmező és az ω m szögsebességgel forgó forgórész közötti szögsebességkülönbségnek megfelelően: r s m ami pontosan kielégíti a frekvenciafeltételt. Az indukciós gép tehát a frekvenciafeltételt minden mechanikai fordulatszámon kielégíti, és véges rotorellenállással átlagos nyomaték képzésére képes a szinkron fordulatot kivéve. ω m és ω s relatív értékeiktől függően az üzeme lehet motor: ω m < ω s, generátor: ω m > ω s vagy fék: ω m és ω s előjele ellentétes

7 Gépfajták származtatása #2: ω r =var Az indukciós motorok állórészére - egyes áramirányítós hajtásoktól eltekintve - a hálózati feszültséget kényszerítjük. Az indukálás révén a forgórészre is feszültségkényszer hat, amely terhelésfüggő. Mivel az álló- és forgórész-tekercselések általában szimmetrikus felépítésűek, és normális körülmények között a feszültségrendszer is az, az álló- és forgórészáramok is szimmetrikus áramrendszereket alkotnak.

8 Gépfajták származtatása #2: ω r =var A nyomatékképzéshez normális felépítésű indukciós motornál még véges forgórész-ellenállás szükséges. Ezt még a következőképpen is érzékeltethetjük. A forgórész áramok időbeli fázisát és így az árameloszlás térbeli helyzetét az indukált feszültség, ill. az indukáló fluxushoz képest a forgórész ellenállás/reaktancia viszonya szabja meg. A reaktancia nagysága arányos a forgórész frekvenciával (és így r -rel és a vele arányos szlippel). Az áramkiszorítás elhanyagolásával az ellenállás független a szliptől. A térben szinuszos indukcióeloszlás és ugyancsak szinuszos árameloszlás kölcsönös térbeli helyzetétől függ az egyes forgórészvezetőkre ható erők nagysága és iránya.

9 Gépfajták származtatása #2: ω r =var Ha a forgórész impedancia tisztán reaktív - tehát az ellenállás zérus - akkor az egyes vezetőkre ható ellentétes irányú erők éppen kiegyenlítik egymást és az eredő nyomaték zérus (U i merőleges -re, i merőleges U i -re, és i egyirányú, nincs erőhatás) Tisztán ohmos forgórész esetén az erők mind egyirányban hatnak, és a nyomaték maximális. A valóságos esetekben, amikor a forgórésznek ellenállása és - szlipfüggő - reaktanciája is van, a kettő arányától függően (ez az arány a szliptől függ) alakul az eredőnyomaték nagysága az egyes vezetőkre ható nyomatékok összegeként.

10 Gépfajták származtatása #3: ω s = 0 Egyenáramú gép Az egyenáramú gépben az álló- és forgórész egyenáramú táplálásával a frekvenciafeltételt nem lehet kielégíteni. Ezt hidaljuk át a kommutátorral, amely a frekvencia átalakítást minden fordulatszámon elvégzi és így az -hoz tartozó 0 r 0 s m r frekvenciafeltétel kielégítését minden fordulatszámon biztosítja. A kommutátor frekvenciaátalakító marad akkor is, ha a keféket váltakozóárammal tápláljuk, ekkor, a frekvenciaváltozás változatlanul egyenlő a kommutátor forgási sebességével. Az s r 1 frekvenciákkal a frekvenciafeltétel automatikusan kielégül minden mechanikai fordulaton. 1 Ez az alapja a váltakozóáramú kommutátoros gépek működésének. m

11 GÉPTÍPUSOK ANIMÁCIÓK DCSzinkron Szinkron: kifordított

12 Szinkron gépek

13 Gépfajták származtatása #1: ω r =0 Ha ω r =0, akkor a forgórészt egyenárammal tápláljuk. Ezzel: m s A szög mindig a terhelőnyomaték nagyságának megfelelően áll be. A gép átlagos (nem nulla középértékű) nyomatékot egyetlen fordulatszámon, az állórészmező fordulatszámán, az ún. szinkron fordulatszámon képes csak kifejteni. Innen a neve: szinkrongép. Az álló- és forgórész, mint láttuk korábban (szimuláció), helyet is cserélhet.

14 A szinkron gép: működési elv Láttuk, hogy váltakozóáramú gépeink működésének alapja két szinkron forgó forgómező, képletesen két összetapadt, együttfutó pólusrendszer. Tengelyeik között - a terhelő nyomaték hatására - szögeltérés, szögelfordulás előáll, de állandósult állapotban fordulatszámeltérés nem lehetséges. A szinkron gép állórészének a hálózatra kötött háromfázisú tekercselése a légrésben szinkron fordulatszámú forgómezőt hoz létre.

15 A szinkron gép: működési elv Az egyetlen forgórész tekercset egyenárammal tápláljuk. (lehet állandó mágneses.) A forgórész mező így a forgórészhez képest áll, nyugalomban van (állandó mező), ahhoz rögzített, "hozzá van ragasztva": f r 0 n 0 Ebből következik, hogy a forgórésznek az állórész mezővel együtt, azzal szinkron kell forognia r n ns n 0 n 1

16 Hogy néz ki:

17

18 A szinkron gép: működési elv A szinkron gép állandósult, szimmetrikus állapotban UNILATERÁLIS = indukálás csak egy irányban van: a forgórész indukál Indukál az állórészbe. Forgórész Állórész Nem indukál Póluskerék Armatúrának azt hívjuk, amiben feszültség indukálódik Armatura

19 A szinkron gép: működési elv A gép tehát csak egyetlen fordulatszámmal, az n 0 szinkron fordulatszámmal képes forogni. Ha fordulatszáma ettől eltér, tehát "kiesik" a szinkronizmusból, akkor üzemképtelenné válik. Minden relatív fordulateltérés alatt a teljes, zérus középértékű nyomatékgörbét befutva csak lengő nyomaték keletkezik és a gép a hálózatra nézve gyakorlatilag rövidzárlatot jelent. A forgórész mező a forgó mező "legegyszerűbb" alakja, nevezhetnénk forgatott forgó mezőnek, mechanikailag forgatott mezőnek, miután egy állandó mező mechanikai forgatásával jött létre. Az elmondottakból következik, hogy a szinkron gép nem tud indulni. A generátort a hajtó gép - pl. a turbina - forgatja névleges fordulatra, a motort kalickával indukciós motorként vagy a tápláló inverter nulláról növekvő frekvenciájával kell a szinkron fordulat közelébe juttatni. A szinkron fordulat elérésekor mind a generátort, mind a motort - mint később látjuk - megfelelő módon kell a hálózatra kapcsolni, szinkronizálni kell. DEMO!!!!!!! (parallel, synchron, alternator)

20 Szinkronizálás feltételei Azonos Nagyság (amplitúdó) Fázishelyzet Fázissorrend Frekvencia

21 A szinkron gép: működési elv A szinkron gép lengőképes, lengésre hajlamos rendszer. Az indukció vonalak rugalmas gumiszalagokként viselkednek. Az aszinkron gép lengését a kalicka - a rövidrezárt szekunder - indukált áramai fékezik. Hasonló hatások szinkron gépben is fellépnek. Ugyanakkor mivel a forgórész áramok révén "saját" mágneses tere van - azt nem a hálózatból felvett áramkomponensnek kell létesíteni - a szinkron gép képes meddő - kapacitív meddő - teljesítményt szolgáltatni, azaz úgy viselkedni mint egy kondenzátor telep (megfelelően nagy gerjesztés esetén). Szokásos a rögzített pólusokkal ellátott forgórészt póluskeréknek, mezejét pólusmezőnek nevezni. Az állórész háromfázisú tekercselésének neve armatúra tekercselés, mezeje az armatúra mező. Armatúra tekercselésnek azt nevezzük, amelyben állandósult szimmetrikus állapotban feszültség indukálódik. A később megismerendő indukciós gépnél mindkét oldal ilyen így ott ez a megnevezés nem használatos.

22 A szinkron gép: működési elv Bár az armatura- és a pólusmező a szinkron gép légrésében egyetlen eredő mezővé tevődik össze és csak ez mérhető, azonban a két részmező - az azokat létesítő áramok - itt egymástól függetlenül változhatnak, célszerű a szinkron gépnél a két részmezőben gondolkodni. A szinkron gép elsősorban mint áramszolgáltató nagy generátor fontos. Míg az indukciós motor "hajtja a világ iparát", belátható időn belül a villamos energia döntő részét továbbra is szinkron generátorok szolgáltatják. A következőkben ezért általában a szinkron gép generátoros állandósult állapotát fogjuk vizsgálni. A hajtógép gőz-, víz vagy gázturbina. A nagy gőzturbinás generátorok 2-4 pólusúak, a vízturbinások gyakran nagy pólusszámúak, lassú fordulatszámúak.

23

24 Sokpólusú forgórész

25

26

27 Tiszalöki vízerőmű generátorának forgórésze

28 A szinkron gép: felépítés Az állórész tekercselés háromfázisú, elviekben ugyanolyan, mint az indukciós gépeké. Miután a vas igénybevétele a fogak telítődése miatt nem növelhető, a nagy gépek áramsűrűségét, a kerületi áramot kell növelni, amihez erőteljes hűtés: lég-, hidrogén- ill. vízhűtés szükséges. Az állórész lemezelt. A forgórész két alaptípusa a hengeres (a) és a kiálló pólusú változat az utóbbi az ábrán két és négypólusú változatban (b és c.). Szimmetrikus állandósult állapotban a forgórész együtt fut az állórész mezővel így abban indukálás, átmágnesezés nincs. Így, főleg a nagy röperő ellen, a hengeres változat lehet tömör.

29

30

31 Szinkron gépek helyettesítő kapcsolása és üzeme

32 Szinkron gép helyettesítő kapcsolása A mágneses tér modellje : kétmezős elmélet, mert a két mező többékevésbé függetlenül változtatható. A pólusfeszültség az ismert módon (ez a pólus által forgással indukált feszültség): U ez aktív (feszültségforrás). Az armatura-feszültség: 2 f 2 N p 1 1 1Φ p,max U 2 a f1 1Φ a 1N ez is indukált feszültség (körforgó mező, az armatúra mező indukálja), de feszültségesésként vesszük figyelembe 2 a

33 Az armatura reaktancia A transzformátorhoz hasonlóan: aktív: azaz passzív: ahol X a az armatura reaktancia. U i X m 2 Ψa Ia U 1 2 Ψa a f f1 I a 2 f1l a I a ( eff 2 I a 2I a X L a a U jx I a a a Ehhez járulnak a szórások, amelyekkel a feszültség-egyenlet: (a szórt fluxus által indukált feszültséget is fesz. esésként: X s szórási reaktancia). Uk U p jxaia jx s Ia RaIa Ui Itt is a fogyasztói pozitív irányrendszer van érvényben. ) jx s Ia RaIa

34 A szórási fluxus komponensei Horony szórás, Fogfej szórás, Tekercsfej szórás

35 Helyettesítő kapcsolás A feszültség-egyenlethez tartozó helyettesítő kapcsolás: Megjegyzések: 1. A vasveszteséget elhanyagolva: állandósult szimmetrikus állapotban csak az állórészben keletkezik vasveszteség. Nagy gépeknél: 100% így P vas 0, P mech 0 2. A növekedési törvények miatt, ha P nő, r a csökken, ezért R a 0 szokásos elhanyagolás 3. A gépben egyetlen mező van, ez hozza létre az indukált feszültséget. 4. X d = X a +X s SZINKRON REAKTANCIA

36 Helyettesítő kapcsolás Hengeres forgórészű Minden irányban azonos Kiálló pólusú Az eltérő irányokban eltérő mágneses ellenállás

37 Helyettesítő kapcsolás A hengeres forgórészű szinkron gép egyszerűsített helyettesítő kapcsolása: Thevenin kapcsolásból Norton kapcsolás kapható az ismert átalakítással: A helyettesítő kapcsolás szemléletesen mutatja, hogy (a transzformátorok és az aszinkron gépek esetétől eltérően) szinkron gépek esetén nem a gerjesztések egyensúlya törvénye vezérli a működést.

38 Fazorábra A feszültség-egyenlet alapján: U p U k jx s I a jx a I a U k U s U a Φ a I a Φ p U p Φ eredő U i

39 Szinkronozás A szinkron gépek általában párhuzamosan vannak kapcsolva a hálózattal. A párhuzamos kapcsolás, amelyet szinkronozásnak szokás nevezni, elvégzése előtt meg kell győződni az alábbi feltételek teljesüléséről. Feltételek: azonos fázissorrend frekvencia feszültség-amplitudó megfelelő fázisfeszültségek közötti fázisszög zérus.

40

41 SZINKRON VÉGE